Zachowanie konstrukcyjne profili stalowych formowanych na zimno

Rodzaje profili stalowych zimnogiętych

Pod koniec lat 80. XX wieku badacze określili pewne krytyczne warunki dla masowej produkcji domów, a kształtowniki stalowe formowane na zimno mają pewne właściwości pozwalające na osiągnięcie tych warunków [2].

• Elementy konstrukcyjne muszą być stosunkowo małe, demontowalne i możliwie najprostsze.
• Sieć linii i rurociągów musi być w znacznym stopniu niezależna od pozostałych elementów konstrukcyjnych.

Obecnie w branży stosuje się kilka metod konstrukcyjnych, ale najpowszechniejszą metodą jest metoda stick-building. W tej metodzie ostateczny montaż odbywa się na miejscu. Przykładowy montaż ścienny, który został przetestowany pod wieloma względami (konstrukcyjnym, termicznym, akustycznym) przez różnych badaczy, został zilustrowany na rysunku 1 [3]. Obciążenia pionowe są przenoszone przez belki stropowe i kołki ścienne. Cienkie, stosunkowo długie sekcje stalowe są tak samo proste i demontowalne, a elementy mechanicznego systemu poruszają się niezależnie wewnątrz elementów konstrukcyjnych.

Rysunek 1. Przykładowy montaż ścienny [3] 

Elementy zimnogięte i blachy profilowane to wyroby stalowe z powlekanych lub niepowlekanych płaskich pasów lub zwojów walcowanych na gorąco lub na zimno. Mają stały lub zmienny przekrój poprzeczny w dopuszczalnym zakresie tolerancji. Elementy konstrukcyjne zimnogięte można podzielić na dwie grupy. Jedną stanowią poszczególne elementy, takie jak kołki, belki itp. (Rysunek 2). Drugą grupę stanowią elementy panelowe i pokładowe (Rysunek 3) [1].

Rysunek 2. Typowe profile zimnogięte dla pojedynczych elementów

Rysunek 3. Typowe profile zimnogięte na pomosty

W większości zastosowań projektanci wybierają profile otwarte, wysokości od 50-70 mm do 350-400 mm i grubości od 0,7 mm do 6,0 mm. W przypadku pomostów grubości profili mogą się zmniejszyć do 0,3 mm. Systemy hybrydowe (połączone z elementami stalowymi formowanymi na zimno z profilami stalowymi walcowanymi na gorąco) są również praktyczną opcją przezwyciężenia problemów wynikających z nieregularności układu konstrukcyjnego. Jednakże, jeśli plany architektoniczne, objętości i wymiary są odpowiednie, możliwe jest zaprojektowanie całej konstrukcji bez użycia jakichkolwiek innych elementów konstrukcyjnych.

Elementy stalowe formowane na zimno są łączone ze sobą za pomocą śrub, nitów i śrub. Ze względu na elastyczność użytkowania, łatwo jest nawiązać połączenia z każdej części przekroju. Oprócz połączeń stal-stal, płaskie powierzchnie profili stalowych nadają się do łączenia z materiałem okładzinowym, takim jak płyty OSB i gipsowo-kartonowe, które zapewniają znaczną sztywność [4].
W celu zwiększenia sztywności kształtowników i blach giętych na zimno stosuje się usztywnienia krawędziowe i pośrednie. Usztywnienie przekroju poprzecznego oznacza małe wygięte części płaskiej części przekroju [5].

Rysunek 4. Usztywnienie przekroju

Zachowanie strukturalne

Profile stalowe formowane na zimno są na ogół cienkie, a części profili są stosunkowo długie w porównaniu do ich grubości. Stosunek grubości do długości części lub szerokości części do długości jest ograniczony w kodach do stosowania powiązanych wzorów podanych w kodzie. Jednakże, jeśli sekcje są testowane fizycznie, dopuszcza się stosowanie innych stosunków [6].

Rysunek 5. Typowe części o przekroju otwartym

Stabilność przekroju poprzecznego jest istotną kwestią w przypadku profili formowanych na zimno. Te kształty można uznać za „smukłe” lub „niezwarte” profile, co oznacza, że ​​żadne włókno profilu nie może osiągnąć granicy plastyczności pod określonym obciążeniem przed wyboczeniem lokalnym lub globalnym. Ponadto w przypadku elementów cienkościennych możliwe jest zaobserwowanie co najmniej lokalnego wyboczenia, nawet jeśli profil jest w pełni usztywniony przed skręcaniem lub przemieszczeniem bocznym. Dlatego przypadki wyboczenia są zwracane ze szczególną uwagą podczas projektowania profili cienkościennych. Istnieje kilka trybów wyboczenia powszechnych w przypadku konstrukcji cienkościennych. Przede wszystkim przypadki to wyboczenie lokalne, zniekształceniowe i globalne. W niektórych wyjątkowych przypadkach należy ocenić wyboczenie ścinające i okaleczenie środnika pod kątem stateczności przekroju [7].

Do końca lat 70. standardową metodą obliczeniową było wykorzystanie metody szerokości efektywnej Wintera [8]. W 1978 r. Hancock [9][7] zaproponował użycie krzywej sygnatury, która ilustruje tryby wyboczenia związane z długością pręta. Sporządzono wykres z obliczeniami krytycznych naprężeń wyboczeniowych dla każdej długości. Minima wykresu definiują konkretny przypadek wyboczenia. Przede wszystkim większe części przekroju wysuwają się z płaszczyzny, a narożniki przekroju pozostają (punkt A na rys. 6). Gdy długość jest zwiększana, naprężenia mają tendencję do wzrostu, a następnie spadku. Wykres ponownie podaje minima dla pewnej długości, a wyboczenie zniekształceniowe występuje na odpowiadającej długości. Ogólnie rzecz biorąc, części mające usztywnienie wysuwają się całkowicie z płaszczyzny (punkt B na rys. 6). W przypadku większych długości element jest poddawany globalnemu wyboczeniu.

Rysunek 6. Typowy wykres krzywej charakterystycznej przekroju cienkościennego

W powszechnej praktyce elementy są łączone ze sobą za pomocą ich smukłych części. Na przykład belki w kształcie litery C mogą być osadzone na sztywnym elemencie. W takim przypadku środnik może być narażony na lokalne wyboczenie, które nazywa się „paraliżowaniem środnika”. Paraliżowanie środnika może być krytycznym problemem w konstrukcjach stalowych formowanych na zimno, ponieważ działanie to tworzy miękkie i słabe podparcie dla elementu [1].

Sworznie i belki są zwykle używane z otworami na ich środniku i kołnierzach. Efekty otworów na śruby i wkręty są niewielkie, ale otwory na przewody, takie jak elektryczne, hydrauliczne lub podobne, wpływają na sztywność [10]. Ze względu na zaburzenie rozkładu naprężeń na naprężenia spowodowane otworami, otwory mogą zmniejszać lub zwiększać krytyczne obciążenie wyboczeniowe w zależności od połowy długości fali i wzoru otworów [7].

Odniesienia

[1] Dubina, D.; Ungureanu, V.; R. Landolfo (2012). Design of Cold-Formed Steel Structures, ECCS.
[2] Bats, J. O.; Janssen, J. F. G.; Industrial Housing with Cold-Formed Sheet-Steel Elements, in Proceedings of the 9th Int. Specialty Conference on Cold-Formed Structures. 1988.
[3] G. D. Corte; L. Fiorino; and R. Landolfo; Seismic Behavior of Sheathed Cold-Formed Structures: Numerical Study. 2006.
[4] Baran E, Alica C, Behavior of cold-formed steel wall panels under monotonic horizontal loading, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 79, 2012, pp 1-8,
[5] Peköz, Teoman; Winter, George; and Desmond, T. P., “Edge Stiffeners for Cold-formed Steel Members”
(1978). International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures. 6.
[6] EN 1993-1-3 (2006): Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-3: General rules – Supplementary rules for cold-formed members and sheeting.
[7] Adany S; Signature curve for general thin-walled members. Proceeding of the annual stability conference, Baltimore, Maryland, 2018.
[8] Winter, G.: “Light Gage (Thin-Walled) Steel Structures for Building in the U.S.A.,” preliminary publication, 4th Congress of the International Association for Bridge and Structural Engineering, 1952.
[9] Hancock, G.J. (1978), Local, Distortional, and lateral buckling of I-beams, ASCE Journal of structural engineering, 104(11), pp. 1787-1798.
[10] Moen, C.D., Schafer, B.W., 2009. Direct Strength Design of Cold-formed Steel Members with Perforations, Research Report. American Iron and Steel Institute (AISI), Washington, DC.