Design av stålkonstruksjoner – typer, nyanser, fordeler

Definisjonen av stålkonstruksjon

Når det gjelder bygningstyper, er det å velge den mest fremtidssikre typen på forhånd det opplagte valget. Som sådan er stålkonstruksjon den typen bygning du leter etter, og yter bedre enn noen annen mulig strukturtype – betong, tømmer og så videre.

Stål i seg selv er en legering av to materialtyper – karbon og jern. Stål kan også tilføres spesielle egenskaper ved å tilsette en rekke tilleggsmaterialer i små prosentandeler, det være seg svovel, krom, nikkel, fosfor, mangan osv. Dette gjør det mulig å produsere flere forskjellige stålvarianter. For eksempel:

• Tilsetning av kobber gir bedre korrosjonsbestandighetsegenskaper for stål;
• Høyere flytestyrke og strekkstyrke kan oppnås ved å tilsette mangan og karbon, selv om det også er to ulemper – sluttresultatet er vanskeligere å sveise og har lavere duktilitet (metallets evne til å strekke seg ved å trekke uten brudd);
• Både korrosjonsbestandighet og høytemperaturbestandighet kan også økes ved å tilsette nikkel og krom;
• Tretthetsstyrken og evnen til å sveise kan forbedres ved å tilsette svovel og fosfor til blandingen.

I sin natur er stålkonstruksjon en struktur laget av flere komponenter forbundet med hverandre – med hver komponent laget av strukturelt stål. Konstruksjonsstål, derimot, er et stålbasert konstruksjonsmateriale produsert i en bestemt form og sammensetning for å passe til de nødvendige spesifikasjonene.

Det er et enormt utvalg av forskjellige stålseksjoner som kan brukes som deler av en stålkonstruksjon, med forskjellige former, størrelser og mer. Noen av de mer vanlige formene som brukes som stålkonstruksjonsmaterialer er:

• Vinkel – et tverrsnitt formet som en bokstav “L”
• Ark – et tynt, flatt metallstykke, vanligvis 6 mm tykt eller mindre
• Tallerken – en tykkere variant av et ark, tykkere enn en fjerdedel av en tomme
• HSS/SHS – Hule strukturelle seksjoner, eller strukturelle hule seksjoner, er en form som inkluderer sirkulære, rektangulære, elliptiske og firkantede seksjoner
• I-stråle – et tverrsnitt formet som en bokstav “I”; et bredt begrep som inkluderer forskjellige typer bjelketyper avhengig av land:
  • I Europa – et bredt utvalg av seksjoner, som HL, IPE, HD, HE, og så videre
  • I USA – H-seksjoner, W-former, etc.
  • I Storbritannia – hovedsakelig UCs og UBs (Universal Columns and Universal Beams)

• Strukturell kanal – C-tverrsnitt/C-bjelker

• Stang – et langt og relativt tynt stålstykke
• Z-form – en halv flens i forskjellige retninger, ligner mye på bokstaven “Z” med sin ro
• T-skjorte – et tverrsnitt formet som en bokstav “T”
• Skinneprofil – en variant av I-stråle som er asymmetrisk i sin natur, inkluderer minst fire forskjellige variasjoner:
  • Vignoles skinne
  • Rillet skinne
  • Jernbaneskinne
  • T-skinne med flens

Mens noen av disse variasjonene er laget ved å sveise sammen enten bøyde eller flate plater, er flertallet av eksemplene ovenfor laget med enten varm eller kald rulling – å føre metallmasse gjennom par med ruller for å gjøre dem mindre tykke .

Når den er bygget riktig, er denne strukturen ment å gi fullstendig stiv prevensjon som er i stand til å bære massive vekter. Noen av bygningstypene som bruker stålkonstruksjoner akkurat nå er broer, tårn, rørstativ, høyhus, industribygg, infrastrukturelementer og mer.

Fordeler og ulemper

Som med alle andre typer bygninger har stålkonstruksjoner sine egne problemer og fordeler. Starter med det positive, stålkonstruksjonenes fordeler er ganske mange:

• Stålkonstruksjoner har alle fordelene med både masseproduksjon og prefabrikasjon, med noen få unntak;
• Å forsterke stålkonstruksjoner når som helst i fremtiden er en mulighet, som arbeider mot en forlenget livssyklus;
• Duktilitet – en egenskap til stål som gjennomgår plastisk deformasjon før den svikter fullstendig, noe som forbedrer reservestyrken;
• Stor utmattelsesstyrke;
• Den totale konstruksjonshastigheten når du bruker stålkonstruksjoner er imponerende høy, noe som gjør det mulig å redusere kostnadene du vanligvis har med langvarige byggejobber;
• Stål har generelt et imponerende styrke-til-vekt-forhold, noe som gjør at strukturer i seg selv er relativt lette sammenlignet med hvor mye vekt de kan holde;
• Mange stålegenskaper kan forutsies med relativt høy nøyaktighet, noe som gjør det langt enklere å beregne potensielle spenningsnivåer og andre viktige kriterier.

Selvfølgelig ville det ikke vært et marked med flere valg hvis en passet perfekt for alt. Som sådan har stålkonstruksjoner også sine egne potensielle ulemper, for eksempel:

• Brannsikring av stålkonstruksjoner er en nødvendighet siden intens varme er i stand til å drastisk redusere den totale styrken til stål;
• Korrosjon er også en massiv faktor når det kommer til stål, generelt, og stålkonstruksjoner er ikke unntatt fra denne regelen – spesielt når det gjelder å utsette slike strukturer for vann og luft (broer, for det meste), derfor er regelmessig vedlikehold og korrosjonsbehandling. behov for;
• Stålkonstruksjoner er ofte dyrere enn andre konstruksjonstyper, noe som gjør dem til et langt mindre attraktivt valg for mindre prosjekter med begrenset budsjett.

Typer stålkonstruksjoner i form av bygninger

Det er mange forskjellige eksempler på stålkonstruksjoner som vi har gitt ovenfor – og alle kan deles inn i fire hovedtyper av strukturer. Hver av disse strukturene har sin egen tilnærming til bygging og fungerer kun for spesifikke typer stålkonstruksjonskonstruksjoner. Som sådan er disse fire designtypene for stålkonstruksjoner:

• Portalramme. Den vanligste typen lett stålkonstruksjon, en portalramme, er en mye populær type stålkonstruksjon som kun er avhengig av seksjonsstål, stålrør og C/Z-stål for å motstå kraften til hele strukturen. Det brukes ofte til mange forskjellige bygningstyper, enten det er industrielt, landbruk, institusjonelt eller kommersiellt – selv om det mest populære eksemplet kanskje bare er den vanlige lagerhangaren som er en vanlig forekomst for mange forskjellige land over hele verden.
• Stålgitter. Generelt sett er et rutenett en romlig struktur som består av flere stenger koblet til hverandre i en bestemt form. Det er mange rutenetttyper der ute, og mange forskjellige standarder for dem også. De er svært stive og gir omfattende seismisk motstand, noe som gjør dem perfekte for hangarer, utstillingshaller, gymsaler og så videre.
• Byggeramme i stål. En annen populær strukturtype som for det meste brukes til ulike fleretasjesbygg er bygningsrammen i stål, som består av søyler og bjelker som danner strukturer som tåler både vertikalt og horisontalt trykk. Et vanlig valg for høyhus, kommersielle kontorer, konferansebygg og så videre.
• Fagverk av stål. Fagverkskonstruksjonen er laget av flere stenger som er hengslet i hver ende av en stang. Den krever mindre stål enn vanlige stålkonstruksjoner, veier mindre og tåler mer kraft – og det er derfor den ofte brukes til broer, tak, tårnkorridorer, TV-tårn, oljeplattformer og så videre.

Design av stålkonstruksjoner

Som med enhver moderat størrelse struktur av ethvert materiale, må mange beregninger gjøres på designstadiet slik at den aktuelle bygningen ikke skal kollapse under sin egen vekt. Når det gjelder stålkonstruksjoner, er det to hovedtilnærminger til stålkonstruksjonsdesign (noen ganger kalt en designfilosofi):

• Last- og motstandsfaktordesign (LRFD, også kalt Limit State Design – LSD);
• Tillatt styrkedesign (ASD).

Fra et designsynspunkt er det spesifikke forhold som teoretisk kan brukes på stålkonstruksjoner kalt grensetilstander. grensetilstanden representerer et punkt, hvoretter en komponent eller en hel stålkonstruksjon ikke lenger er i stand til å utføre formålet den ble laget for.

Det er mange forskjellige eksempler på grensetilstander som kan skade strukturen på en eller annen måte, og gjøre den utilgjengelig for fremtidig bruk – og dette må også huskes så tidlig som i designfasen, bortsett fra den overordnede kosmetiske tilnærmingen til strukturdesign.

Noen eksempler på grensetilstander er sprekkdannelse, vridning, tretthet, skjæring, bøyning, knekking og så videre. For å takle alle disse potensielle problemene på en gang, er det en spesifikk tilnærming til stålkonstruksjonsdesign som er implementert kalt LRFD – Load and Resistance Factor Design.

Det er en metode for konstruksjonsteknikk som bruker grensetilstander for å analysere potensielle problemer og skape strukturer som vil være langt mer sannsynlig å opprettholde disse problemene mye lenger enn før. Denne metoden tar hensyn til både motstand og variasjon i lasten, og oppnår ganske høye sikkerhetsnivåer for de fleste grensetilstander.

Hvis konseptet med LRFD virker altfor komplekst for deg – finnes det et alternativ som heter ASD – Allowable Stress Design. Det er en relativt enkel tilnærming til å bygge sikkerhet og baserer for det meste sine beregninger på en lineær elastisk oppførsel av det aktuelle materialet – i vårt tilfelle er det stål. Den er for det meste basert på erfaring med materialet og involverer kun to store faktorer – den potensielle maksimale belastningen til en konstruksjon og en lineær sikkerhetsfaktor.

Når det gjelder en direkte sammenligning mellom ASD og LRFD når det gjelder utforming av stålkonstruksjoner, vil ASD være den enkle, men mindre nøyaktige, mens LRFD forblir mer kompleks, men også mer pålitelig i sine beregninger. I tillegg tar LRFD hensyn til langt flere faktorer når de beregner designen, for eksempel ulike verdier for levende last og dødlast – som ikke beregnes annerledes i det hele tatt når det kommer til ASD.

Konklusjon

IST Engineering er i stand til å tilby mange forskjellige typer stålkonstruksjoner, som metallbjelker, kraner, broer, kaikonstruksjoner, skipslastere, ramper og til og med bærende konstruksjonselementer. Selskapets erfaring med å jobbe med stål ier en garanti for kvalitet og variasjon.

IST Engineerings tjenester brukes av kunder fra hele verden – fra blant annet Tyskland, Sverige og Belgia til Japan, Nord-Amerika og Nederland. IST Engineering tilbyr støtte for hele prosjektets livssyklus og tilpasser kundeopplevelsen for hver og en av sine kunder.