Calculul îmbinărilor elementelor cu secțiuni închise conform ec 3

1.1. Avantajele utilizării secţiunilor tubulare ca elemente structurale

Avantajele structurale ale profilelor închise cu pereţi subtiri (tubulare) au devenit din ce în ce mai evidente în ultimele decenii, în particular remarcându-se comportarea extrem de favorabila în situaţiile în care aceste elemente au fost solicitate la compresiune sau torsiune.

Profilele cu secţiune circulară prezintă avantajul materialului uniform distribuit în jurul centrului de greutate însă asamblarea acestora implică dificultăţi la uzinarea extremităţilor. Faţă de profilele închise cu secţiune circulară, cele cu secţiune rectangulară au devenit o alternativă interesantă, permiţând asamblaje mult mai simplificate fiind utilizate pe scara larga la sistemele spaţiale cu zăbrele.

Costul fabricaţiei elementelor cu structură metalică este în particular influenţat de costul manoperei necesare pentru a produce componentele structurale. Avantajele elementelor tubulare menţionate mai sus nu sunt însă de natură sa eclipseze total utilizarea secţiunilor deschise. Costul total al lucrării depinde de concepţia de bază, de configuraţia şi dimensiunile geometrice ale elementelor ce alcătuiesc structura; însă un consum minim nu va conduce neapărat şi la un cost minim, având în vedere gradul de complexitate al asamblajelor acestor bare.

Costurile legate de ridicarea structurii pot fi cu adevărat reduse prin utilizarea secţiunilor deschise sau alte profile de rigiditate mare, datorita generării unei stabilităţi mai mari pe ansamblu. Pe de alta parte structurile din zăbrele se bazează pe dimensionarea elementelor componente la solicitări simple, axiale, respectiv întindere şi compresiune; în acest caz secţiunea care le satisface pe amândouă este secţiunea tubulară (închisă).

Costurile de protecţie la coroziune precum si la actiunea incendiului sunt mult mai reduse in cazul sectiunilor inchise, şi la fel şi cele de întreţinere: un element tubular cu secţiune pătrată are un perimetru exterior de aprox. 2/3 din perimetrul unei secţiuni deschise laminate, I. Deasemenea, la solicitări de acelaşi ordin, secţiunile închise din ţevi rezultă cu dimensiuni mai reduse decât cele deschise. Absenţa unghiurilor intrânde conduce la o aplicare mai eficientă a vopselelor şi a soluţiilor de protecţie la foc.

Imbinările profilelor circulare închise sunt mai costisitoare de fabricat decât cele din secţiuni rectangulare. Asamblarea acestora este mult mai dificilă datorită necesităţii unei prelucrări complexe ale capetelor barelor. Aşadar se va avea în vedere existenţa în atelier a unor maşini automatizate care să realizeze tăierea acestor bare la capete conform detaliilor de îmbinare, ceeace, în cazul secţiunilor rectangulare tubulare poate lipsi, acestea putând fi tăiate simplu, cu unelte mult mai puţin sofisticate.

Utilizarea barelor cu secţiuni rectangulare închise este de preferat în cazul în care pe talpa superioară sunt rezemate elemente plane de planşeu de ex., în cazul secţiunilor circulare fiind necesară poziţionarea unor elemente speciale pentru reazemare.

Trebuie avut în vedere ca o reală economie de material se poate face pe seama adoptării unor sorto-tipo-dimensiuni cât mai mare, ceea ce intră în conflict cu o aprovizionare raţională; elementele rectangulare pot fi stivuite şi depozitate cu uşurinţă, costul acestei părţi din activitatea de şantier având o pondere importantă faţă de transportul propriu-zis al materialelor de la fabrică la şantier.

Configuraţia asamblajelor joacă un rol foarte important în costul de fabricaţie. Din experienţa de până în prezent, asamblajele cu acoperire parţială necesită o tăiere dublă fiind mai costisitoare decât cele cu acoperire totală sau cu cele cu interspaţiu în acest ultim caz tevile nu necesită decât o tăiere plană atunci când talpa este un profil rectangular. Pe de altă parte, îmbinările cu acoperire demonstrează rezistenţe superioare îmbinărilor cu interspaţiu în regim de încărcări ce provoacă oboseala.

Costurile sudurii sunt legate de geometria asamblajelor, de tipul de sudură propriu-zis, de grosimea cordonului. Sudurile cap la cap nu necesită în general pregătirea suprafeţelor în unghi; această pregătire este însă obligatorie în cazul îmbinărilor în unghi cu pătrundere parţială sau totală. Sudura cap la cap de grosimi de 12 mm are o rezistenţă dublă unei suduri de 6 mm de grosime; ea are însă un volum de 4 ori mai mare.

In consecinţă, costul raportat la rezistenţă este superior atunci când se utilizează profilele cu dimensiuni reduse care sunt sudate cu cordoane de dimensiuni reduse. Utilizarea unui profil cu secţiune rectangulară de aceeaşi dimensiune ca talpa inferioară conduce la o sudare dificilă; este de preferat să se utilizeze diagonale cu dimensiuni inferioare celor din tălpi.

1.2. Caracteristici mecanice ale elementelor tubulare din profile cu pereţi subţiri

Secţiunile tubulare alcătuite din profile cu pereţi subţiri reprezintă o soluţie economică datorită raportului mare dintre razele de giraţie, egale pe toate direcţiile axelor şi aria secţiunii transversale; deasemenea şi nu în ultimul rând datorită rigidităţii la torsiune. In comparaţie cu profilele deschise, profilele tubulare circulare sau rectangulare au o capacitate portantă mult crescută: pentru un element comprimat cu secţiune tubulară şi cu o lungime de 24 până la 36 de ori înălţimea secţiunii, sarcina maximă admisibilă este de 1,5 până la 2,5 de ori mai mare decât la un element de aceeaşi lungime dar cu secţiune deschisă.

Din punct de vedere al flambajului, secţiunile tubulare circulare se pot clasifica în principal în două mari grupe: produse finite executate uzinat şi elemente confecţionate în atelier.

In prima categorie intră toate tuburile obţinute prin formare la rece cu sau fără sudură, prin extrudare, etc. şi alte metode utilizate în fabrică.

In a doua categorie intră elementele obţinute din table prin nituire, prindere cu şuruburi sau sudură în atelierele de confecţii metalice. Datorită accentuării imperfecţiunilor geometrice la aceasta categorie de profile, rezistenţa la flambaj a acestora va fi mai mică decât a celor din prima categorie.

Profilele uzinate sunt de mai multe tipuri:

- ţevi realizate fără sudură;

- ţevi sudate;

- ţevi obţinute prin expandare sau formare la rece.

Diagrama de efort-deformaţie a ţevilor fără cusătură sudată este desigur afectată de tensiunile reziduale ce apar în urma răcirii. Limita de proporţionalitate se situează în acest caz la 75% din limita de curgere; proprietăţile mecanice ale acestor tipuri de profile sunt uniforme pe întreaga secţiune.

Ţevile formate la rece se caracterizează în general prin modificarea limitelor de comportare elastică datorită efectului Bauschinger şi a efectelor formării la rece (ecruisării).

Ţevile sudate se obţin prin formare la rece şi apoi sudarea tablelor sau platbandelor; ele se caracterizează prin diagrame efort-deformaţie specifice oţelurilor fără palier pronunţat de curgere, datorită efectului Bauschinger cât şi a tensiunilor reziduale rezultate în urma procesului de producţie. Domeniul elastic de pe diagrama efort-deformaţie a ţevilor sudate se poate situa sub 50% din limita de curgere.

1.3. Influenţa caracteristicilor secţionale ale profilelor tubulare asupra alegerii metodei de calcul structural

Metodele de proiectare la stările limită ultime au în vedere analiza unui sistem structural prin prisma capacităţii sale globale de portanţă şi stabilitate, ţinând cont de performanţele proprii atât în comportarea de ansamblu cât şi locală, pe secţiunea elementelor. Potrivit acestui concept abordarea calculului unei structuri în particular se va face în concordanţă cu metoda care descrie cel mai corect atît comportarea acesteia cât şi a elementelor sale componente sub un ansamblu de solicitări dat.

Metoda I-a corespunde calcului în domeniul plastic cu formarea articulaţiilor perfecte la nivelul întregii structuri şi redistribuirea eforturilor interne succesiv, odată cu formarea acestor articulaţii. Este admisă plastificarea completă pe secţiune (diagrama de eforturi unitare este bi-rectangulară). Starea limită este atinsă odată cu formarea unui număr de articulaţii suficient de mare pentru a transforma structura intr-un mecanism.

Metoda a II-a se caracterizează prin determinarea eforturilor interne pe cale elastică şi compararea lor cu capacitatea de plasticizare a secţiunilor. Starea ultimă este atinsă odată cu formarea primei articulaţii plastice.