Projektowanie konstrukcji stalowych

Życie każdej konstrukcji rozpoczyna się od pomysłu, który stopniowo przeobraża się w projekt budowlany. Koncepcja konstrukcji tworzona jest najczęściej przez osoby nieposiadające wiedzy niezbędnej do zagwarantowania bezpieczeństwa jej użytkownikom. W wyniku takiego działania, odpowiednio uprawniony projektant, często otrzymuje jedynie szkic, zawierający najistotniejsze wymagania stawiane przez inwestora.

Pierwszym, najważniejszym krokiem podejmowanym przez konstruktora, jest wiarygodna budowa modelu analitycznego. Obliczenia zawsze przeprowadzane są dla schematu wyidealizowanego, który stanowi jedynie przybliżenie konstrukcji rzeczywistej. Modelowanym prętom nadawane są odpowiednie właściwości, zależne od wymiarów ich przekroju poprzecznego oraz zastosowanego materiału.

Węzły (połączenia elementów) we wstępnych analizach statyczno-wytrzymałościowych, są najczęściej przyjmowane jako gładkie, czyli całkowicie sztywne lub przegubowe. W rzeczywistości każdy istniejący węzeł charakteryzuje się pewną podatnością (obrotową oraz translacyjną), którą wyznaczyć można w drodze odrębnych analiz.

 

[Rys.4 – model węzła do kompleksowej analizy component-based finite element method – IdeaStatica]

Po utworzeniu schematu statycznego konstrukcji, projektant rozpoczyna modelowanie działających obciążeń stałych (ponad 10 lat) i zmiennych (do 10 lat). Obciążenia stałe to między innymi ciężar własny elementów konstrukcyjnych i warstw wykończeniowych. Do obciążeń zmiennych zaliczamy ciężar śniegu zalegającego na dachu, oddziaływanie wiatru oraz obciążenia generowane przez ludzi i wyposażenie. Zazwyczaj przyjmuje się wartości charakterystyczne obciążeń, w przypadku obciążeń zmiennych są to wartości występujące 1 raz na 50 lat. Metodyka wyznaczania wartości wspomnianych obciążeń, jest szczegółowo określona przez normy europejskie PN-EN1991. Wartości ciężaru najczęściej podawane są w odniesieniu do 1m², w przypadku przestrzennego modelu obliczeniowego, mogą zostać wprost zastosowane i przyłożone do odpowiednich powierzchni. Dla modelu płaskiego koniecznym staje się konwersja do obciążenia liniowego, zgodna z zasadami rozdziału poprzecznego obciążeń. Ostatnim krokiem przed rozpoczęciem wyznaczania sił wewnętrznych w badanym ustroju prętowym, jest kombinacja działających obciążeń. Reguły kombinacyjne zależą od rozważanej sytuacji obliczeniowej (np. trwała, przejściowa lub wyjątkowa). Najbardziej restrykcyjna pod względem wartości sił, jest sytuacja trwała, dla której obciążenia stałe zostają powiększone o 35% a wiodące obciążenie zmienne aż o 50%. Wszelkie zalecenia dotyczące kombinacji obciążeń znajdują się w podstawowej normie projektowej PN-EN1990.

 

Jednym z ostatnich kroków obliczeniowych projektanta jest odniesienie wyznaczonych sił wewnętrznych do nośności poszczególnych elementów (na zginanie, ścinanie, rozciąganie, ściskanie oraz ich interakcje). Wszelkie niezbędne reguły empiryczno-mechanistyczne dla konstrukcji stalowych, zawarte są w serii norm PN-EN1993.

Objaśniona metodyka dotyczy jedynie analiz podstawowych. Konstrukcje o wysokim stopniu skomplikowania wymagają wielu dodatkowych sprawdzeń, między innymi analizy wyboczeniowej, drgań oraz zmęczenia materiału.