Каква е носимата способност на кутиевидната греда?

Структурни концепции: значението на геометрията на кутиевидната греда за висока носима способност

Конструкция с затворено сечение в сравнение с конструкции с отворено сечение по отношение на съпротивата на огъване и усукване

Затвореното напречно сечение на кутиевидната греда й осигурява предимство по отношение на усуквателната твърдост. Това свойство прави кутиевидните греди ефективни при изпълнение на криволинейни мостове или конструкции, подложени на ексцентрични натоварвания. Отворените профили, като например I-образните греди, се усукват под действието на усукващ момент и често изискват допълнително подкрепяне или усилващи елементи. При огъване горната и долната панела действат съответно като възли за опън и натиск, а вертикалните стени (гърбове) поемат срязващите усилия. Затворената геометрия на кутиевидните греди способства за по-равномерно разпределение на напреженията по периметъра на напречното сечение, което минимизира концентрациите на напрежения и увеличава устойчивостта на елемента към умора. Вродената усуквателна устойчивост на кутиевидните греди отстранява необходимостта от сложни системи за странично подкрепяне при големи разстояния между опорите или при тежко натоварени кранови греди. Това би улеснило строителството, намалило общото тегло на стоманата и намалило строителните разходи. За конструкции, изискващи висока огъваща якост и усуквателна твърдост, кутиевидните греди са оптималният избор.

Влиянието на широчината на фланеца, дълбочината на гърба и дебелината на стената върху разпределението на твърдостта и якостта

Широчината на фланеца сама по себе си е важна, но може да осигури само момент на инерция. Това води до директна връзка между модула и стивостта на сечението и също така директно определя максималното допустимо отклонение. Още по-голям ефект има промяната на височината на гърба. Тъй като устойчивостта към разрушаване на сечението е кубична функция на височината на сечението, дори скромни увеличения на височината на гърба водят до значителни увеличения на носимостта; следователно, множество такива увеличения могат да се извършат при много ниски или изобщо без допълнителни разходи. Устойчивостта към локално огъване зависи от дебелината на стената. Намаляването на дебелината на стената може да намали носимостта и също така може да наложи добавянето на вътрешни елементи в вертикална посока, за да се осигури по-голяма устойчивост към компресивни или срязващи напрежения. Това също може да наложи добавянето на усилващи ребра. Свързано с практиката на структурното проектиране, трябва да се вземат предвид и други фактори, като възможностите за строителство и разходите. Например, при кохезивно мостово проектиране използването на бетонна плоча като горен елемент може да намали употребата на стомана, като бетонът поема компресивната товарна нагрузка. Бетонният горен елемент също е добър начин за използване на компресивната якост на елемента. Якостта, стивостта, ограниченията за експлоатационна пригодност и разходите винаги се оптимизират чрез използване на метода на крайните елементи.

Фактори, свързани с материала и производството, които директно ограничават носимата способност на кутиевидната греда

Баланс между ударна вязкост и граница на текучест спрямо умората при стоманени марки

Дизайнерите избират стоманени класове въз основа на носимостта и ограниченията при производството. Стомани с висока якост (напр. S460 и по-високи) позволяват по-голяма носимост и по-голяма твърдост при по-малка дебелина на листовете и по-ниска тегло. Въпреки това по-високата граница на текучест обикновено означава по-ниска ударна вязкост и по-ниска устойчивост на умора, които могат да са особено важни при циклични натоварвания, например при промишлени кранове и магистрални мостове. Например, закалена и отпусната стомана с якост 690 MPa може да се използва за осигуряване на изключителна носимост при статични натоварвания, но има рискове от крехки пукнатини в студени среди, което може да се направи по-приемливо чрез вземане под внимание изискванията за ударна вязкост по Чарпи с V-образен надлъжен паз. Класификацията на умората и изискванията за ударна вязкост според стандартите EN 1993-1-9 и AASHTO помагат при избора на качествени стоманени класове и при инженерните решения, за да се постигне добро равновесие между границата на текучест и пластичността. Твърде крехката стомана може да доведе до катастрофален отказ, а твърде пластичната стомана може да доведе до прекомерно използване на материал и лоша ефективност при натоварване.

Мерки за контрол на качеството на заварките при производството

Дори най-добре проектираната кутиеста греда няма да функционира ефективно, освен ако не бъде изработена с висока точност и цялостност. Основният метод за свързване на кутиестите секции е чрез заваряване. Този метод води до възникване на остатъчни опънни напрежения, които са концентрирани в зоните около заваръчните шевове и в термично засегнатите зони, което предизвиква образуването на уморни пукнатини и намалява ефективната якост на гредата. Недостатъци в заварките, като например подрязване, липса на спояване и порести структури, се считат за концентратори на напрежения и могат да доведат до разрушаване на гредата при проектните натоварвания. Трябва да се контролира топлинният вход, предварителното подгряване и охлаждането между отделните заваръчни проходи, за да се минимизират деформациите и остатъчните напрежения. Качеството на геометричните размери също е от решаващо значение, тъй като стена (гърбица), която отстъпва от равнината с 2–3 мм, може да премести положението на неутралната ос, да предизвика вътрешно огъване и да доведе до ранно локално изкършване на гредата. Заварките и допуските са най-честата причина за повреди на обекта, в сравнение с материала. Следователно пълната якост на кутиестите греди може да бъде реализирана само когато се прилагат строги методи за недеструктивно изпитване (ултразвуково и магнитопорошково изследване) и, когато е приложимо, термична обработка след заваряване за отстраняване на остатъчни напрежения, като част от мерките за безопасност.

Влияние на товарните условия върху кутиевидната греда

Кутиевидната греда е проектирана да поема множество статични и динамични товари едновременно през целия ѝ експлоатационен живот. Проектантът трябва да вземе предвид влиянието на всеки от тези товари, както и различните им комбинации с оглед на коефициентите на товарите, за да се осигури, че кутиевидната греда няма да претърпи пластична деформация, изместване или умора през целия си експлоатационен живот.

Годишно изчисление на постоянни и променливи товари, комбинирани с коефициенти на сигурност

Мъртвите натоварвания представляват теглото на гредата и елементите, които са постоянно закрепени към нея. Живите натоварвания могат да бъдат трафик, оборудване и материали, които се съхраняват временно. Според Еврокод и AASHTO мъртвите и живите натоварвания се изчисляват с частични коефициенти на сигурност, обикновено съответно 1,2 и 1,6. Вътрешните усилия (момент, срязващо усилие или осово усилие) се умножават по тези коефициенти и след това се сравняват с носимостта на гредата, която се определя въз основа на материалите и геометрията, както и на проверките за изкършване. Това дава на проектирането увереност, че предвидената резервна способност е достатъчна, за да се предотврати пластично течение, латерално-торзионно изкършване или огъване на стойката (стената) при максималните очаквани статични сценарии.

Динамични ефекти

Динамичните натоварвания включват вятър, сеизмични ускорения и милиони осеви натоварвания. Тези натоварвания предизвикват работни напрежения, които с течение на времето намаляват носимата способност. Въпреки че затвореното напречно сечение на кутиевидната греда осигурява висока усукваща твърдост и може да устои на усукване, причинено от латерални или ексцентрични динамични натоварвания, уморителният живот на сечението се определя от амплитудата на напреженията, категорията на детайла и натрупаното повреждане. Проектантът ще използва установените методи — било то диаграмата на Гудман за корекции на средните напрежения, било законът на Парис, който описва разпределението на напреженията при разрастване на пукнатина, — за определяне на срока на експлоатация на конструкцията. Това е особено вярно за мостове с голям разпон и за релсови пътища на кранове, които са подложени на повтарящи се напрежения. Умората е важен фактор и често оказва по-голямо влияние върху проекта от статичното натоварване. Трябва да се вземе предвид натрупаният уморителен деградационен процес на конструкцията, иначе ще настъпи преждевременно разрушение, въпреки че носимата способност е достатъчна.

Често задавани въпроси

1. Защо кутиевидната греда е по-добра от I-образната греда при устойчивост срещу огъване и усукване?

Затвореното напречно сечение на кутиевидната греда осигурява по-добра усукваща твърдост и по-равномерно разпределение на напреженията. Това я прави по-подходяща за извити конструкции или такива, които изпитват ексцентрично натоварване.

2. Как ширината на поличката и стойката (височината) влияят върху работата на кутиевидната греда?

Височината на стойката и ширината на поличката влияят върху работата и носимата способност на гредата в различни пропорции. Макар както увеличаването на ширината на поличката, така и на височината на стойката да подобряват носимата способност на гредата, теглото, добавено при увеличаване на височината на стойката, е значително по-малко.

3. Как изборът на клас стомана влияе върху кутиевидните греди?

Обикновено по-високите класове стомана подобряват предела на текучест, устойчивостта на умора и ударната вязкост. При прилагане на подходящ клас се постига по-добро равновесие между твърдост и дълготрайност.

4. Как качеството на заварката влияе върху носимата способност на кутиевидната греда?

Подобрено качество на заварките и намалено остатъчно напрежение предотвратяват образуването на пукнатини. За максимална носимост качеството на изработката и техниките за отстраняване на напреженията трябва да бъдат балансирани.

5. Влияние на статичната и динамичната товарна сила върху живота на кутиевидна греда?

Влиянието на статичната товарна сила е вътрешната якост при първоначалното й прилагане. Обикновено динамичната товарна сила и умората са определящите фактори при проектирането.