Czy belki o profilu rurowym mogą się zwichrzać? Analiza porównawcza zachowania się stalowych elementów zginanych w trwałej i wyjątkowej sytuacji obliczeniowej

Odpowiedź brzmi, jak często zresztą: to zależy. Problem na pewno nie dotyczy przekrojów okrągłych. Nie dotyczy także kwadratowych. Praktyka inżynierska oraz przeprowadzone dotychczas przez autora analizy wskazują natomiast, że ostrożnym trzeba być w przypadku przekrojów prostokątnych, tym bardziej, im te są wyższe w stosunku do swojej szerokości.

Nieliczne programy na rynku potrafią bezpośrednio na modelu prętowym (tj. złożonym z elementów 1D) wyznaczyć numerycznie wartość momentu krytycznego, a czasem alternatywnie i bardziej ogólnie: mnożnika krytycznego, dla elementów o mniej lub bardziej dowolnym przekroju, w tym także profilu RHS. Przykładem takiego narzędzia może być program RFEM 6 firmy Dlubal Software, który w tym zakresie dysponuje wyjątkowo szerokim zakresem możliwości.

Poniższy przykład bazuje na prostej, swobodnie podpartej belce zginanej, stabilizowanej przeciwskrętnie tylko na podporach. Rozpiętość belki wynosi 5,0 m. Materiał to stal gatunku S235H. Przekroje dobrano tak, aby charakteryzowały się podobnymi wskaźnikami na zginanie. W celu bardziej obrazowego porównania pominięto ciężar własny i przyjęto zastępcze obciążenie równomiernie rozłożone o wartości 1,2 kN/m. Pominięto także potencjał plastyczny przekrojów, bezpiecznie ograniczając ich pracę do zakresu sprężystego.

Przyjęte przekroje to: (1) SHS 100 × 2, (2) RHS 120 × 60  × 2, (3) RHS 150 × 30 × 2.

Na rycinie 1 wykres pod belkami prezentuje obwiednię wskaźnika wykorzystania nośności, która w tym przypadku niemal całkowicie związana jest z pracą na zginanie. Kolumna A to przykłady, w których – zgodnie z powszechnym założeniem – pominięto stateczność przy zginaniu. W kolumnie B uwzględniono zaś wpływ możliwej utraty stateczności, a także zaprezentowano potencjalny kształt zwichrzenia. W przypadku elementów o profilach (1) i (2), wynik nie zmienia się. W przypadku elementu o profilu (3), pominięcie możliwej utraty stateczności wiązałoby się już z niedoszacowaniem wykorzystania nośności o ok. 27%, skutkując niespełnieniem warunku SGN i jego przekroczeniem o 17%.

Jeszcze ciekawiej jest, gdy elementy obliczymy w sytuacji wyjątkowej – przy oddziaływaniu pożaru przez 15 minut (przyjęto oddziaływanie ze wszystkich stron przekroju oraz standardową krzywą temperatura – czas; ryc. 2). W tym wypadku różnice we wskaźniku wykorzystania nośności są widoczne już dla wszystkich przekrojów, co pozornie mogłoby dziwić, zwłaszcza w przypadku przekroju kwadratowego. Natomiast wynika to bezpośrednio z dodatkowego współczynnika redukcyjnego dla pasa ściskanego w warunkach podwyższonej temperatury. Sytuacja prezentuje więc ryzyko związane nie tyle z samym pominięciem obliczeń momentu krytycznego dla rurowego profilu prostokątnego, co pominięciem obliczeń stateczności w ogóle, przynajmniej w modelach o przekrojach (1) i (2). Trzeci model uwzględnia już obie te kwestie, co przekłada się na jeszcze większą różnicę pomiędzy oceną nośności przekroju a nośności elementu.

Obliczenia te wyraźnie dowodzą, że potencjalna niestateczność giętno-skrętna powinna być uwzględniania przy ocenie nośności także w profilach zamkniętych, choć w istocie dotyczy to głównie smukłych profili RHS.

Czytaj więcej na www.dlubal.com/pl

>>> Artykuł ukazała się w wydaniu NBI 4 (127) lipiec – sierpień