Zwichrzenie
Czym jest zwichrzenie i jakie są jego przyczyny?
Zwichrzenie (LTB) to deformacja niepodpartego boczne belki pod wpływem przyłożonych obciążeń poza jej osią podłużną – obejmująca zarówno przemieszczenie boczne, jak i skręcenie.
Belki stalowe niepodparte bocznie to belki, których pas ściskany może swobodnie przemieszczać się (lub odkształcać) w kierunku poprzecznym, a także obracać się. Jeśli zastosujemy tę teorię do belki swobodnie podpartej, pasem ściskanym jest pas górny. Gdy pas ten ugina się bocznie, pas rozciągany stara się utrzymać belkę w prostej linii i wytwarza siły „przywracające" wynikające z bocznego zginania belki. Jednak same te siły nie są w stanie utrzymać belki w prostej linii. Odporność belki na zwichrzenie jest wyznaczana przez siły przywracające oraz boczną składową sił rozciągających w pasie rozciąganym.
Wzajemne oddziaływanie pasów ściskanego i rozciąganego powoduje skręcanie niepodpartej bocznie belki. Odporność na to skręcanie zależy od sztywności skrętnej przekroju belki. Belki o dużej grubości pasów mają na przykład większą sztywność skrętną niż belki o mniejszej grubości pasów przy tej samej wysokości. Istnieją inne przekroje, które również oferują większą odporność (RHS/SHS) i są one często stosowane w sytuacjach, gdy konieczne jest przeniesienie obciążeń pionowych na stosunkowo dużych rozpiętościach (np. otwory z drzwiami harmonijkowymi), które są podatne na efekty sił działających poza płaszczyzną.
Aby zobaczyć, jak przebiega zniszczenie przez zwichrzenie, obejrzyj to wideo.
Jakie czynniki wpływają na zwichrzenie?
Istnieją trzy główne czynniki:
- Położenie przyłożonego obciążenia
- Rozkład momentów gnących
- Warunki podparcia na końcach
Położenie przyłożonych obciążeń
Efekt zwichrzenia jest uzależniony od odległości między miejscem przyłożenia obciążenia a środkiem ścinania przekroju belki. Przekrój jest bardziej podatny na zwichrzenie, gdy obciążenie jest przyłożone powyżej środka ścinania. Efekt jest mniejszy, gdy obciążenie jest przyłożone na poziomie środka ścinania, a gdy jest przyłożone poniżej, belka ma niewielką skłonność do zwichrzenia.
[Uwaga] Środek ścinania to punkt na przekroju belki, w którym przyłożone obciążenia nie powodują jej skręcania. Zależy on od kształtu przekroju poprzecznego. Środek ścinania i środek ciężkości przekroju symetrycznego pokrywają się. W przypadku przekroju niesymetrycznego mogą się nie pokrywać. Wyznaczenie środka ścinania dla danego przekroju wymaga pewnych obliczeń matematycznych, ale na szczęście inżynierowie korzystają z oprogramowania i tablic!
Rozkład momentów gnących
Przekrój z jednorodnym momentem gnącym na całej długości ma mniejszą odporność na wyboczenie w porównaniu z innym rozkładem momentów gnących.
Warunki podparcia na końcach
Odporność przekroju belki na zwichrzenie wzrasta wraz ze zwiększeniem stopnia utwierdzenia na podporach końcowych. Porównajmy belkę opartą na podkładce kamiennej z belką wbetonowaną w ścianę żelbetową. Ta druga ma większe utwierdzenie na końcach niż pierwsza. Jedna może się swobodnie obracać, druga nie.
Aspekty projektowe
Zapewnienie skutecznego podparcia bocznego może znacząco wpłynąć na dobór przekroju belki. Pełne podparcie można uzyskać dzięki zespoleniu z płytą betonową. Częściowe podparcie można osiągnąć za pomocą belek pośrednich. Można również zastosować stężenia – odpowiednio dobrane i właściwie rozmieszczone.
To wszystko sprawdza się dobrze przy projektowaniu elementów, ale co się dzieje w przypadku projektowania połączeń?
Rzeczywiste reakcje pozostają niezmienione niezależnie od podparcia bocznego zapobiegającego zwichrzeniu, jednak element uzyskuje dodatkowe utwierdzenie dzięki temu podparciu. Gdybyśmy to pominęli, projekt połączenia byłby przewymiarowany.
W nowej wersji IDEA StatiCa (wersja 22.0) wprowadziliśmy nową operację – Lateral Torsional Restraint – umożliwiającą użytkownikom uwzględnienie tego efektu według własnego uznania.
Więcej informacji na temat funkcji Lateral Torsional Restraint. Operacja ta zapobiega skręcaniu elementu w połączeniu i umożliwia bardziej ekonomiczne projektowanie przy zachowaniu wymaganego bezpieczeństwa.
Wypróbuj IDEA StatiCa za darmo
