Klasy przekrojów i nośność przekrojowa prętów stalowych według Eurokod 3

W tym artykule poruszmy temat Eurokodu 3 i omówimy klasy przekrojów i nośność przekrojową prętów stalowych według Eurokod 3. 

W ramach kampanii WDRAŻAJ EUROKODY oraz zmian w prawie budowlanym przygotowaliśmy dla Państwa cykl artykułów, szkoleń oraz pakiet niezbędnych narzędzi pozwalających szybko i sprawnie wdrożyć wymagania Eurokodów w swojej codziennej pracy bez zbędnych przestojów.

W poniższym artykule omówione zostaną kwestie istotne z punktu widzenia projektanta wraz z odniesieniem do dotychczas stosowanych polskich norm budowlanych.

CZYTAJ RÓWNIEŻ:

1. Zobacz jak wyznaczyć obciążenie śniegiem według Eurokodu 1
2. Jak stworzyć kombinacje według Eurokodu 0 – poznaj bliżej EC0 | Część 1
   
3. Jak stworzyć kombinacje według Eurokodu 0 – poznaj bliżej EC0 | Część 2
   
4. Koniec Polskich Norm. Od 1 stycznia obowiązują wyłącznie Eurokody. Czy jesteś gotów na zmianę?
   

Wprowadzenie

Rozpoczynając cykl praktycznych artykułów z projektowania konstrukcji stalowych pozwalających przejść płynnie z Polskich Norm na Eurokody, należy zauważyć, iż zakres nowych oznaczeń, procedur i zagadnień jest wyjątkowy duży w porównaniu z normami dla konstrukcji żelbetowych czy zespolonych. Podstawowa „norma stalowa” PN-90-B-03200 powstała, gdy finalny kształt pakietu Eurokodów stalowych nie był jeszcze gotowy. Dobrą wiadomość jest to, że podwaliny polskiej normy były zbieżne z rozwiązaniami jakie rodziły w prenormach europejskich prENV. Analizując poszczególne zagadnienia z EC3 postaram się zwrócić uwag różnice i podobieństwa z PN.

KLASY PRZEKROJU WG EC1993-1-1

Koncepcja klasy przekroju przewijająca się przez Eurokod 3 jest zagadnieniem zaimplementowanym już w PN. Dotyczy ona prawie wszystkich elementów prętowych. Wyjątek stanowią te, które są w całym przekroju rozciągane – czyli panują w nich naprężenia są tylko rozciągające.

Punktem wyjścia do potrzeby oceny klasy przekroju jest fizyczna zdolność pręta stalowego do przeniesienia oddziaływań (sił wewnętrznych) poprzez opór przekroju wynikający z jego nośności plastycznej (klasy 1,2), sprężystej (klasa 3) czy pokrytycznej (klasa 4).

Rys. 1. Porównanie nośności przekrojowej M w funkcji kąta obrotu dla klas od 1 do 4 [2]

Powyższy rysunek jakkolwiek hipotetyczny obrazuje dobrze, że w zależności od klasyfikacji oszacowana nośność będzie inna będzie inna. Dla klas od 3 do 1 przekrój ma „pełną” nośność – kwestią jest czy może go w pełni tj. plastycznie wykorzystać. Przekrój klasy 4 każdorazowo wymaga uwagi zwłaszcza, gdy smukłości ścianek są znaczne.

Ocena klasy przekroju rzutuje na zdecydowaną większość procedur i wzorów określających nośność elementu. W praktyce ta ocena sprowadza się do sprawdzenia czy profil stalowy spełnia „widełki” smukłości danej dla klasy przy określonym sposobie obciążenia (czytaj – rozkładzie naprężeń normalnych w każdej ściance np. dwuteownika lub też „obwodzie” rury).

Rys. 2. Fragment tabeli pomocnej w określaniu klasy przekroju [1]

W „starej” normie i Eurokodzie 3-1-1 poszczególne warunki smukłości mogą nieco się różnić ale są one sobie bliskie.

Wnioski ogólne z istnienia normowej klasy przekroju są następujące:

• jeżeli chcemy projektować oszczędnie w złożonym stanie obciążenia (np. element ramy 3D) klasa określana musi być praktycznie dla każdego przekroju na długości pręta i każdej miarodajnej kombinacji.
• jeżeli chcemy projektować „zgrubnie” a przekrój jest stateczny (klasa 1,2,3) oraz konstrukcja na to pozwala (geometria, obciążenia), to klasę możemy założyć jako 3

Klasa przekroju stalowego w Advance Design

Efektem pierwszego wniosku są rozwiązania jakie oferują programy automatyzujące tą składową procesu wymiarowania jak np. Graitec Advance Design. Poniższy przykład pokazuje obwiednie wyników nośności przekrojowych gdzie dla poszczególnych warunków nośności klasa może być inna (nawet dla tej samej kombinacji).

Jest to efekt zmiennego rozkładu sił wewnętrznych, który tylko w nielicznych sytuacjach jest stały na osi belki, słupa, rygla itp.

Tak szczegółowa analizy, realizowana setki czy też tysiące razy dla każdego elementu, wymaga pełnej automatyzacji poprzez oprogramowanie. Obliczeń jest jeszcze więcej, gdy przekrój pręta stalowego jest w klasie 4, wtedy dla każdego przekroju poprzecznego na osi elementu należy określić efektywne parametry przekrojowe. Poniżej przedstawiony jest zbiorczy fragment raportu z Advance Design, w jakim oprócz szczegółowej klasy przekrojów podane są też parametry przekroju efektywnego dla różnych „warunków nośności”.

Praktyczne wykorzystanie drugiego wniosku – tj. wymuszenie klasy 3 – można uzyskać przypisując ją na „stałe” do elementu, w jego właściwościach dotyczących wymiarowania:

Takie podejście może być dobrym rozwiązaniem gdy chcemy np. szybko weryfikować konstrukcje, która zaprojektowana była bez przekrojowej rezerwy plastycznej wg PN. No właśnie … już kilkukrotnie w tym artykule odnosiłem się do tematu nośności przekrojowej, gdyż jest ona ściśle powiązana z klasami przekroju. Ten temat rozwinę jednak w drugiej części artykułu.

———————————

Zapraszamy do wzięcia udziału w naszej Kampanii WDRAŻAJ EUROKODY
-> Kliknij tutaj i zobacz jak łatwo możesz wdrożyć eurokody w swoich projektach!

———————————-

Źródła:
[1] PN – EN 1993 – 1-1 Eurokod 3 Projektowanie konstrukcji stalowych Część 1-1 Reguły ogólne i reguły dla budynków
[2] pod red. A.Kozłowskiego: Konstrukcje stalowe. Przykłady obliczeń wg PN-EN 1993-1. OWPrz 2009