Skuteczny sposób na zwiększenie nośności belki na zwichrzenie

Wprowadzenie

W trakcie użytkowania konstrukcji stalowej często dochodzi do zmian. Zmiany te zazwyczaj polegają na zwiększeniu obciążeń działających na niektóre elementy, co prowadzi do konieczności ich wzmocnienia.

Wzmocnienie zazwyczaj odbywa się poprzez dospawanie do istniejących elementów dodatkowych blach stalowych. W przypadku przekrojów I, zazwyczaj wzmacniane są półki aby zwiększyć wytrzymałość na zginanie, albo wzmacniany jest środnik, aby uniknąć wyboczenia lokalnego, czy pofałdowania w strefie przypodporowej.

Artykuł skupi się na podwyższeniu nośności belki na zginanie.

Nośność przy zwichrzeniu

Powszechną praktyką wzmacniania jest zwiększenie grubości ściskanej półki, poprzez dodanie do niej dodatkowych blach, albo za pomocą kątowników przez zwiększenie jej szerokości, jak na obrazkach poniżej.

Chociaż mogą to być bardzo skuteczne sposoby zwiększenia nośności na zginanie, to spawanie na budowie jest złożonym procesem, który może wymagać czasowego usunięcia elementów konstrukcji, lub elementów niekonstrukcyjnych połączonych z pasem belki. Spawanie w szczególności "nad głową" jest trudne, a jakość spoin musi być odpowiednio weryfikowana.

Nośność belki na zginanie może być ograniczona przez zwichrzenie. Jeżeli przekrój nie jest wystarczająco podparty bocznie przed skręceniem, jago faktyczna nośność będzie niższa od wartości, która zależy wyłącznie od nośności przekroju.

W takich przypadkach, gdyby można było bezpośrednio poprawić zachowanie się przy zwichrzeniu, to nie byłoby potrzeby wzmacniania przekroju wzdłuż jego długości. W tym miejscu z pomocą przychodzi Superpręt.

Dodatkowe elementy podparcia bocznego są bardzo często trudne do wykonania, dlatego zazwyczaj nie jest to możliwe.

Jeżeli przyjrzymy się od czego zależy nośność przekroju I przy zwichrzeniu, to zauważymy, że jeśli nie chcemy zmieniać jego przekroju wzdłuż całej długości, to zależy ona od wartości współczynnika redukcyjnego odpowiedzialnego za uwzględnienie zwichrzenia χ_LT.

Ten współczynnik obliczany jest na podstawie wartości smukłości belki, którą należy poprawić (zredukować), aby uzyskać niższy, bardziej korzystny współczynnik redukcyjny.

Bez zmiany przekroju, jedyną drogą do zrobienia tego jest zwiększenie wartości momentu krytycznego. Możemy to zrobić poprzez zmianę przekroju, ale również przez zmianę warunków brzegowych.

W powyższym wzorze wartości parametrów ‘k’ i ‘kw’ zależą od warunków brzegowych, gdzie ‘k’ oznacza współczynnik zależny od sposobu zamocowania kształtownika przy zginaniu względem słabej osi na jego końcach, a ‘kw’ oznacza współczynnik zależny od sposobu zamocowania kształtownika ze względu na spaczenie.

Zmiana warunków na końcach elementu zazwyczaj jest trudna do wykonania, lecz możliwe może być pewne ograniczenie skręcenia pasów względem siebie, a tym samym zapobieżenie, czy ograniczenie spaczenia przekroju. Ograniczenie tego skręcenia można uzyskać przez połączenie ze sobą pasów dodatkowym elementem, który będzie posiadał niezerową sztywność skrętną. Ta skrętna sztywność będzie zapobiegać przeciwskręcaniu się pasów, a tym samym spaczeniu przekroju, co pozwoli na rozważenie we wzorze wartości 'kw' innej od 1.0.

Consteel oferuje kilka takich wzmacniających profili, oraz może określić sztywność skrętną, którą należy uwzględnić, aby zapobiec, czy ograniczyć spaczenie.

Analiza Superprętem Consteel

Rozważmy następujący przypadek. Mamy wolnopodpartą belkę o długości 5 m, obciążoną ponad jej ciężar własny obciążeniem równomiernie rozłożonym 20 kN/m przyłożonym do górnego pasa, bez jakiegokolwiek pośredniego podparcia bocznego. Wykonaną z przekroju spawanego o profilu I, wykonanego z blach grubości 10 mm, w którym szerokości pasów wynosi 200 mm, a całkowita wysokość 320 mm.

Jak można się było spodziewać, w przypadku tak dużej niepodpartej długości, nośność na zginanie będzie znacznie ograniczona poprzez zwichrzenie, a zatem można oczekiwać, że wzmocnienie proponowaną metodą będzie opłacalne.

Moment krytyczny belki otrzymano w Consteel linową analizą wyboczeniową z wykorzystaniem opcji Superpręta w postaci elementu 7DOF, który wyznaczył wartość mnożnika krytycznego równą 2,88.

Daje to w wyniku M_cr = 2.88*64.18=184,84 kNm, smukłość λ = 1,036, oraz współczynnik redukcyjny równy 0,519.

Końcowa nośność na zginanie równa jest 103 kNm.