POMORSKA OKRĘGOWA IZBA INŻYNIERÓW BUDOWNICTWA dr hab. inż. Elżbieta Urbańska-Galewska, prof. PG Politechnika Gdańska Wydział inżynierii Lądowej i Środowiska Projektowanie konstrukcji stalowych według Eurokodów. Konspekt wraz z materiałami pomocniczymi Gdańsk, kwiecień 2011
KONSPEKT WYKŁADU I. Prezentacja norm europejskich dotyczących konstrukcji stalowych w zakresie projektowania oraz wykonawstwa II. III. IV. Omówienie podstawowych zmian w stosunku do PN-90/B-03200, w zakresie oznaczeń i terminologii Niezawodność konstrukcji stalowych Podstawy projektowania V. Metody analizy konstrukcji stalowych VI. VII. Zasady kształtowania i obliczania węzłów konstrukcji stalowych: Dobór stali na konstrukcje ze względu na: i. Odporność na kruche pękanie ii. Ciągliwość miedzy warstwową 2
Materiały pomocnicze WYKAZ NORM EUROKOD 3: PN-EN 1993-1 Projektowanie konstrukcji stalowych: Reguły ogólne i reguły dla budynków. PN-EN 1993-2 Projektowanie konstrukcji stalowych: Mosty stalowe. PN-EN 1993-3 Projektowanie konstrukcji stalowych: Wieże, maszty i kominy. PN-EN 1993-4 Projektowanie konstrukcji stalowych: Silosy, zbiorniki i rurociągi. PN-EN 1993-5 Projektowanie konstrukcji stalowych: Palowanie i grodzie. PN-EN 1993-6 Projektowanie konstrukcji stalowych: Konstrukcje wsporcze suwnic. PN-EN 1993-1Projektowanie konstrukcji stalowych: Reguły ogólne i reguły dla budynków: PN-EN 1993-1-1 Projektowanie konstrukcji stalowych: Reguły ogólne i reguły dla budynków. PN-EN 1993-1-2 Projektowanie konstrukcji stalowych: Reguły ogólne Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe. PN-EN 1993-1-3 Projektowanie konstrukcji stalowych: Reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilowanych na zimno. PN-EN 1993-1-4 Projektowanie konstrukcji stalowych: Reguły uzupełniające dla konstrukcji ze stali nierdzewnej. PN-EN 1993-1-5 Projektowanie konstrukcji stalowych: Blachownice. PN-EN 1993-1-6 Projektowanie konstrukcji stalowych: Wytrzymałość i stateczność konstrukcji powłokowych. PN-EN 1993-1-7 Projektowanie konstrukcji stalowych: Konstrukcje płytowe. PN-EN 1993-1-8 Projektowanie konstrukcji stalowych: Projektowanie węzłów. PN-EN 1993-1-9 Projektowanie konstrukcji stalowych: Zmęczenie. PN-EN 1993-1-10 Projektowanie konstrukcji stalowych: Dobór stali ze względu na odporność na kruche pękanie i ciągliwość międzywarstwową. PN-EN 1993-1-11 Projektowanie konstrukcji stalowych: Konstrukcje cięgnowe. PN-EN 1993-1-12 Projektowanie konstrukcji stalowych: Reguły dodatkowe rozszerzające zakres stosowania EN 1993 o gatunki stali wysokiej wytrzymałości do S 700 włącznie. NORMY DOTYCZĄCE GATUNKÓW STALI PN-EN 10025-1: 2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych Część 1: Ogólne warunki techniczne dostawy. PN-EN 10025-2: 2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych Część 2: Warunki techniczne dostawy stali konstrukcyjnych niestopowych. 3
PN-EN 10025-3: 2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych Część 3: Warunki techniczne dostawy stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych spawalnych po normalizowaniu lub walcowaniu normalizującym. PN-EN 10025-4: 2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych Część 4: Warunki techniczne dostawy stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych spawalnych po walcowaniu termomechanicznym. PN-EN 10025-5: 2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych Część 5: Warunki techniczne dostawy stali konstrukcyjnych trudno rdzewiejących. PN-EN 10025-6: 2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych Część 6: Warunki techniczne dostawy wyrobów płaskich o podwyższonej granicy plastyczności w stanie ulepszonym cieplnie. PN-EN 10027-1: 2007 Systemy oznaczania stali Część 1: Znaki stali. PN-EN 10027-2: 1994 Systemy oznaczania stali System cyfrowy. NORMY DOTYCZĄCE WYKONANIA KONSTRUKCJI PN-EN 1090-1:2010: Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych -- Część 1: Zasady oceny zgodności elementów konstrukcyjnych PN-EN 1090-2:2009: Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych -- Część 2: Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych. INNE PN-EN 10029:1999: Blachy stalowe walcowane na gorąco grubości 3 mm i większej -- Tolerancje wymiarów, kształtu i masy. PN-EN 10034:1996: Dwuteowniki I i H ze stali konstrukcyjnej -- Dopuszczalne odchyłki wymiarowe i odchyłki kształtu. PN-EN 10051+A1:1999: Stal -- Blacha gruba, blacha cienka i taśma, walcowane na gorąco w sposób ciągły, niepowlekane, ze stali niestopowej i stopowej -- Tolerancje wymiarów i kształtu PN-EN 10055:1999: Stal -- Teowniki równoramienne z zaokrągloną stopką i ramieniem, walcowane na gorąco -- Wymiary oraz tolerancje kształtu i wymiarów PN-EN 10056-1:2000: Kątowniki równoramienne i nierównoramienne ze stali konstrukcyjnej -- Wymiary PN-EN 10219-1:2007: Kształtowniki zamknięte ze szwem wykonane na zimno ze stali konstrukcyjnych niestopowych i drobnoziarnistych -- Część 1: Warunki techniczne dostawy PN-EN 10219-2:2007: Kształtowniki zamknięte ze szwem wykonane na zimno ze stali konstrukcyjnych niestopowych i drobnoziarnistych -- Część 2: Tolerancje, wymiary i wielkości statyczne PN-EN 14399:2007 : Zestawy śrubowe wysokiej wytrzymałości do połączeń sprężanych Części:1 10. PN-EN 12345:2004: Spawanie -- Terminologia dotycząca złączy spawanych wraz z ilustracjami (oryg.) PN-EN ISO 17659:2008 Spawanie -- Wielojęzyczne terminy dotyczące złączy spawanych z ilustracjami (oryg.) 4
PODSTAWOWE ZMIANY W ZAKRESIE OZNACZEŃ I TERMINOLOGII. Główne osie przekroju poprzecznego: Parametry wytrzymałościowe stali: granica plastyczności stali f y wytrzymałość stali na rozciąganie f u Oznaczenia: obliczeniowy efekt oddziaływań X Ed, gdzie X = N / V / M nośność obliczeniowa X Rd : nośność przekroju na rozciąganie N t,rd nośność przekroju na ściskanie N c,rd nośność elementu na wyboczenie N b,rd nośność przekroju na ścinanie V c,rd nośność przekroju na zginanie M c,rd współczynniki niestateczności ogólnej: współczynnik wyboczenia współczynnik zwichrzenia LT Stałe materiałowe: moduł sprężystości podłużnej: E = 210 000 N/mm 2 moduł sprężystości poprzecznej: G = 81 000 N/mm 2 współczynnik Poissona: = 0,3 Efekt szerokiego pasa nierównomierny rozkład naprężeń normalnych w elementach z bardzo szerokimi pasami, spowodowany odkształceniami postaciowymi w ich płaszczyźnie. Przekrój współpracujący i szerokość współpracująca (efektywna) przekrój zredukowany lub szerokość zredukowana ze względu na niestateczność ścianki, efekt szerokiego pasa lub oba efekty łącznie (dotyczy niestateczności miejscowej). 5
NIEZAWODNOŚĆ KONSTRUKCJI A. WSPÓŁODPOWIEDZIALNOŚĆ ZA BEZPIECZNE I NIEZAWODNE UŻYTKOWANIE KONSTRUKCJI: Projektanta, Wykonawcy, Użytkownika. B. USTALANIE KLASY WYKONANIA EXC (EXECUTION CLASS) Tablica 1. Klasy konsekwencji zniszczenia konstrukcji wg PN-EN 1990 Klasa konsekwencji CC3 CC2 CC1 Opis Wysokie zagrożenie życia ludzkiego lub bardzo duże konsekwencje ekonomiczne, społeczne i środowiskowe. Przeciętne zagrożenie życia ludzkiego lub znaczne konsekwencje ekonomiczne, społeczne i środowiskowe. Niskie zagrożenie życia ludzkiego, małe lub nieznaczne konsekwencje ekonomiczne, społeczne i środowiskowe. Przykłady konstrukcji Widownie, budynki użyteczności publicznej, których konsekwencje zniszczenia są wysokie. Budynki: użyteczności publicznej, mieszkalne, biurowe, których konsekwencje zniszczenia są przeciętne. Budynki rolnicze, w których ludzie zazwyczaj nie przebywają oraz szklarnie. Tablica 2.Kryteria oceny kategorii użytkowania wg PN-EN 1090-2 Kategoria użytkowania SC1 SC2 Kryteria Konstrukcje i elementy projektowane na oddziaływania przeważająco statyczne, np. budynki Konstrukcje, elementy i połączenia projektowane na oddziaływania sejsmiczne w rejonach niskiej aktywności sejsmicznej, gdy wymagana jest niska klasa ciągliwości DCL* Konstrukcje i elementy projektowane na oddziaływania zmęczeniowe od dźwignic (klasy S 0 )** Konstrukcje i elementy projektowane na oddziaływania zmęczeniowe wg EN 1993, np. mosty drogowe i kolejowe, dźwignice (klas od S 1 do S 9 )**, konstrukcje na drgania wywołane wiatrem, tłumem lub maszynami wirnikowymi Konstrukcje, elementy i połączenia projektowane na oddziaływania sejsmiczne w rejonach średniej i wysokiej aktywności sejsmicznej, gdy wymagana jest średnia lub wysoka klasa ciągliwości DCM* lub DCH* DCL, DCM, DCH (ductility classes) klasy ciągliwości wg EN 1998-1 Klasyfikacja oddziaływań zmęczeniowych od dźwignic wg EN 1993-1 i EN 13001-1 6
Tablica 3. Kryteria oceny kategorii produkcji wg PN-EN 1090-2 Kategoria produkcji PC1 PC2 Kryteria Elementy niespawane, wykonane ze stali dowolnego gatunku Elementy spawane, wykonane ze stali gatunków niższych niż S355 Elementy spawane, wykonane ze stali gatunku S355 i wyższych Elementy kluczowe dla integralności konstrukcji, scalane za pomocą spawania na terenie budowy Elementy formowane na gorąco lub poddawane obróbce termicznej podczas wytwarzania Elementy dźwigarów kratowych z rur okrągłych CHS, które wymagają profilowania końców Tablica 4. Klasy wykonania EXC wg PN-EN 1090-2 Klasy konsekwencji zniszczenia CC1 CC2 CC3 Kategoria użytkowania SC1 SC2 SC1 SC2 SC1 SC2 Kategorie produkcji PC1 EXC1 EXC2 EXC2 EXC3 EXC3* EXC3* PC2 EXC2 EXC2 EXC2 EXC3 EXC3* EXC4 * W przypadku konstrukcji specjalnych w rozumieniu przepisów krajowych lub konstrukcji, których zniszczenie groziłoby ekstremalnymi konsekwencjami należy stosować klasę EXC4 C. KLASY NIEZAWODNOŚCI Tablica 5. Klasy niezawodności wg PN-EN 1990 Klasy niezawodności Minimalna wartość wskaźnika niezawodności Okres użytkowania: 1 rok Okres użytkowania: 50 lat RC3 5,2 4,3 RC2 4,7 3,8 RC1 4,2 3,3 Różnicowanie klas niezawodności poprzez: stosowanie współczynników K Fi oraz współczynników częściowych M i F poziomów nadzoru przy projektowaniu (DSL Design Supervision Levels), poziomów inspekcji w trakcie wykonywania budowli (IL Inspection Levels). 7
Tablica 6. Nadzór w trakcie projektowania DSL Poziomy nadzoru przy projektowaniu Charakterystyka nadzoru Minimalne zalecane wymagania przy sprawdzaniu obliczeń, rysunków i specyfikacji DSL 3 (dot. RC3) Nadzór zaostrzony Sprawdzenie przez stronę trzecią, tzn. przez inna jednostkę, niż ta, która projektowała DSL 2 (dot. RC2) Nadzór normalny Sprawdzenie przez inna osobę, niż tak, która projektowała, zgodnie z procedurami jednostki projektowej DSL 1 (dot. RC1) Nadzór normalny Autokontrole, czyli sprawdzenie przez autora projektu Tablica 7. Poziomy inspekcji IL Poziom inspekcji Charakterystyka inspekcji Wymagania IL 3 (dot.rc3) Inspekcja zaostrzona Inspekcja przez stronę trzecią IL 2 (dot.rc2) Inspekcja normalna IL 1 (dot.rc1) Inspekcja normalna Autoinspekcja Inspekcja zgodna z procedurami jednostki wykonawczej Tablica 8. Zalecenia odnośnie doboru klas wykonania (propozycja) Klasy konsekwencji zniszczenia Klasy niezawodności Obciążenia quasistatyczne Poziom naprężeń rozciągających Obciążenia zmęczeniowe, sejsmiczne i inne cykliczne Poziom naprężeń cyklicznych Niski Wysoki Niski Średni Wysoki CC3 RC3 EXC2 EXC3 EXC3 EXC3+ CC2 RC2 EXC1 EXC2 EXC2 EXC3 CC1 RC1 EXC1 EXC1 EXC2 EXC2 EXC4 8
PODSTAWY PROJEKTOWANIA Zgodnie z wymienionymi w Eurokodach zasadami konstrukcje stalową należy zaprojektować i wykonać tak, aby spełniała kryteria odpowiedniej nośności i użytkowalności w sytuacjach: trwałych stałych lub zmiennych w określonych warunkach użytkowania, przejściowych chwilowych (np. montażowych), wyjątkowych takich jak np. pożar, wybuch, uderzenie, sejsmicznych. Oznacza to, że konstrukcje stalowe powinny charakteryzować się: trwałością w projektowanym okresie użytkowania, odpornością pożarową w wymaganym czasie, zdolnością do przetrwania sytuacji wyjątkowych bez nieproporcjonalnie dużych szkód (integralność strukturalna). Stany graniczne EQU utrata równowagi statycznej konstrukcji jako ciała sztywnego, STR zniszczenia lub nadmierne odkształcenia, np. utrata stateczności konstrukcji lub jej elementów, GEO zniszczenie lub nadmierne odkształcenia podłoża, FAT zniszczenie zmęczeniowe konstrukcji lub jej elementów. Stany graniczne nośności: 1. Trwałe i przejściowe sytuacje obliczeniowe (kombinacje podstawowe): EQU STR GEO 2. Wyjątkowe sytuacje obliczeniowe: wyłączne oddziaływanie wyjątkowe A(pożar, uderzenie), sytuacja zaistniała po zdarzeniu wyjątkowym (A=0) 3. Sejsmiczne sytuacje obliczeniowe: Stany graniczne użytkowalności: Ocena ugięć, przechyłów, drgań i uszkodzeń wpływających na użytkowników, urządzenia, trwałość i wygląd obiektu oraz jego konstrukcji w trzech kombinacjach oddziaływań: kombinacja charakterystyczna stosowana do nieodwracalnych stanów granicznych, kombinacja częsta stosowana do odwracalnych stanów granicznych, kombinacja quasi-stała stosowana do 9
METODY ANALIZY Siły wewnętrzne i momenty zginające w układach konstrukcyjnych należy wyznaczać na podstawie: globalnej analizy sprężystej, globalnej analizy plastycznej. Zależność metod analizy od zachowania się: materiału konstrukcyjnego pod obciążeniem, czyli właściwości mechanicznych stali (model sprężysty, sprężysto-plastyczny), przekroju elementu ściskanego lub zginanego klasy przekrojów, konstrukcji pod obciążeniem (analiza I i II rzedu) PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI W KLASIE 4 (W STANIE NADKRYTYCZNYM): Przekroje współpracujące elementów ściskanych Przekroje współpracujące elementów zginanych Globalną analizę sprężystą można stosować bez ograniczeń we wszystkich przypadkach, niezależnie od klasy ich przekrojów. W globalnej analizie sprężystej zakłada się, że charakterystyka materiału - pozostaje liniowa niezależnie od poziomu naprężeń. Siły wewnętrzne i momenty zginające mogą być wyznaczane metodami analizy sprężystej nawet wtedy, gdy uwzględnia się rezerwę plastyczną przekroju. Globalną analizę plastyczną można stosować tylko wtedy, gdy zarówno elementy konstrukcyjne jak i węzły, w których mogą powstać przeguby plastyczne, posiadają wystarczającą zdolność do obrotu. Jeżeli miejscem powstania przegubu plastycznego jest pręt, to przekrój poprzeczny pręta powinien być bisymetryczny lub monosymetryczny z płaszczyzną symetrii w płaszczyźnie obrotu przegubu plastycznego oraz powinien spełniać warunki odnośnie charakterystyk 10
plastyczności stali. Jeżeli przegub plastyczny występuje w strefie węzła, to jego odpowiednią zdolność do obrotu określa się na podstawie PN-EN 1993-1-8. Siły wewnętrzne i momenty zginające można wyznaczać stosując: analiza I rzędu wykorzystuje się początkową, nieodkształconą geometrię konstrukcji, analiza II rzędu uwzględnia się wpływ deformacji konstrukcji pod obciążeniem. Efekty II rzędu: P - P - - uwzględnianie w obliczeniach przesuwów węzłów konstrukcji, - uwzględnianie w obliczeniach lokalnych wygięć prętów miedzy węzłami Imperfekcje geometryczne: imperfekcje globalne układów ramowych i stężeń, imperfekcje lokalne poszczególnych, pojedynczych prętów. Wszystkie imperfekcje globalne należy uwzględnić w analizie konstrukcji w postaci zastępczych, wstępnych imperfekcji przechyłowych. Lokalne imperfekcje prętów uwzględnia się w postaci zastępczego wygięcia łukowego. Analizę I rzędu bez uwzględniania imperfekcji można stosować w przypadku układów niewrażliwych na efekty II rzędu, a także jednokondygnacyjnych układów przechyłowych. Konstrukcja jest niewrażliwa na efekty II rzędu, gdy spełnione są warunki: gdzie: α α cr cr F F F F cr Ed cr Ed 10 15 w analizie sprężystej w analizie plastycznej Fcr obciążenie krytyczne odpowiadające globalnej formie niestateczności sprężystej i początkowej sztywności sprężystej układu W ramach wielokondygnacyjnych warunki te muszą być spełnione na każdej kondygnacji 11
WĘZŁY PODATNE Połączenie jest to miejsce, w którym zbiegają się co najmniej dwa elementy; zespół części podstawowych niezbędnych do przeniesienia sil wewnętrznych w danym miejscu. Węzeł jest to strefa, w której połączone są co najmniej dwa elementy: zespół wszystkich części podstawowych mających wpływ na sposób przenoszenia określonych sił wewnętrznych między połączonymi elementami. Węzeł = (1) ścinany panel środnika + (2) połączenie (3) części podstawowe (np. śruby, blachy czołowe) Modele węzłów Odkształcenia węzłów 12
DOBÓR STALI NA KONSTRUKCJE A. SYSTEMY OZNACZANIA STALI Zastosowanie Granica plastyczności Odmiana plastyczności Właściwości technologiczne S 235 JR J6 27J G1 Nieuspokojona P 275 KR K6 40J G2 Uspokojona B 355 420 460 LR L6 60J Q W Ulepszona cieplnie (hartowanie i odpuszczanie) O zwiększonej odporności na korozję Rodzaj stali Stal niestopowa Stal konstrukcyjna drobnoziarnista Stal o zwiększonej odporności na korozję Gatunek stali S235 JR / J0 / J2 Równoważnik węgla t CEV[%] 0,35 S275 JR / J0 / J2 0,40 30 S355 JR / J0 / J2 / K2 0,45 S450 J0 0,47 S235 N / NL / M / ML S355 N / NL / M / ML S420 N / NL/ M / ML S460 N / NL/ M / ML S235 J0W / J2W S355 J0W / J2W / K2W Stal stopowa S460 Q / QL / QL1 50 0,47 Stale niestopowe i drobnoziarniste na kształtowniki zamknięte S235 JRH 0,37 S275 J0H / J2H 0,41 S355 J0H / J2H / K2H 0,45 S275 NH / NLH 16 0,40 S355 NH / NLH 0,43 S420 NH / NLH 0,50 S420 NH / NLH 0,53 13
Oznaczenie odmian plastyczności stali 27 J 40 J 60J Temperatura [ C] JR KR LR +20 J0 K0 L0 0 J2 K2 L2-20 J3 K3 L3-30 J4 K4 L4-40 J5 K5 L5-50 J6 K6 L6-60 B. DOBÓR GATUNKU STALI ZE WZGLĘDU NA KRUCHE PĘKANIE Warunki inicjacji kruchego pęknięcia: - obecność karbu, - spiętrzenie naprężeń, - niska temperatura Wpływ grubości blachy na odporność na kruche pękanie C. DOBÓR GATUNKU STALI ZE WZGLĘDU NA CIĄGLIWOŚĆ MIĘDZYWARSTWOWĄ Z Ed - projektowana wartość skurczu Z Ed Z a Z b Z c Z d Z e Z Ed Z Rd (dopuszczalna wartość skurczu) 14
15