Zwichrzenie

Czym jest zwichrzenie i jaka jest jego przyczyna?

Zwichrzenie (LTB) to deformacja niepodpartego bocznie pręta wskutek przyłożonych obciążeń, polegająca na przemieszczeniu poza jego osią podłużną – zarówno przemieszczeniu bocznym, jak i skręceniu.

Niepodparte bocznie belki stalowe to belki, których pas ściskany może swobodnie przemieszczać się w kierunku poprzecznym oraz obracać się. Jeśli zastosujemy tę teorię do belki swobodnie podpartej, to pasem ściskanym jest pas górny. W miarę jak ten pas ugina się bocznie, pas rozciągany stara się utrzymać belkę w linii prostej i generuje siły „przywracające” wynikające z bocznego zginania belki. Jednak same te siły nie są w stanie utrzymać belki w linii prostej. Odporność belki na zwichrzenie zależy od sił przywracających oraz od bocznej składowej sił rozciągających w pasie rozciąganym.

Wzajemne oddziaływanie pasów ściskanego i rozciąganego zmusza niepodpartą bocznie belkę do skręcania się. 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 także inne przekroje oferujące większą odporność (RHS/SHS), które są często stosowane w sytuacjach wymagających stosunkowo dużych rozpiętości do przenoszenia obciążenia pionowego (np. otwory z drzwiami składanymi typu bi-fold), narażonych na oddziaływania sił poza płaszczyzną.

Aby zobaczyć, jak przebiega zniszczenie na skutek zwichrzenia, obejrzyj to wideo.

Jakie czynniki wpływają na zwichrzenie?

Istnieją trzy główne czynniki:

1. Miejsce przyłożenia obciążenia
2. Rozkład momentu zginającego
3. Warunki podparcia na końcach

Miejsce przyłożenia obciążeń

Wpływ zwichrzenia zależy od odległości między miejscem przyłożenia obciążenia a środkiem ścinania przekroju belki. Przekrój jest bardziej podatny na zwichrzenie, jeśli obciążenie jest przyłożone powyżej środka ścinania. Efekt jest mniejszy, jeśli obciążenie jest przyłożone wzdłuż środka ścinania, a jeśli jest przyłożone poniżej, belka ma niewielkie szanse na wystąpienie zwichrzenia.

[Dygresja] Środek ścinania to punkt na przekroju belki, w którym przyłożone obciążenia nie powodują jej skręcania. Zależy on od kształtu przekroju. Środek ścinania i środek ciężkości przekroju symetrycznego pokrywają się. Mogą się nie pokrywać w przypadku przekroju niesymetrycznego. Obliczenie środka ścinania dla danego przekroju wymaga pewnych obliczeń matematycznych, ale na szczęście inżynierowie korzystają z oprogramowania i mają do dyspozycji tabele, do których mogą się odnieść!

Rozkład momentu zginającego

Przekrój, w którym moment zginający jest stały na całej długości, ma mniejszą odporność na wyboczenie w porównaniu do przekroju z innym rozkładem momentu zginającego.

Warunki podparcia na końcach

Odporność przekroju belki na zwichrzenie wzrasta wraz ze zwiększeniem stopnia utwierdzenia podpór końcowych. Rozważmy belkę opartą na podkładce w porównaniu z belką zabetonowaną w ścianie betonowej. Ta druga ma większe utwierdzenie na końcach niż pierwsza. Jedna może się swobodnie obracać, druga nie.

Zagadnienia projektowe

Zapewnienie skutecznego podparcia bocznego może znacząco wpłynąć na wielkość belki. Pełne podparcie można uzyskać dzięki współpracy zespolonej ze stropem betonowym. Częściowe podparcie można uzyskać za pomocą belek pośrednich. Można również zastosować stężenia – o odpowiedniej wielkości i właściwie usytuowane.

To wszystko dobrze sprawdza się w projektowaniu elementów, ale co dzieje się w przypadku projektowania połączeń?

Rzeczywiste reakcje pozostają takie same niezależnie od podparcia przeciwdziałającego zwichrzeniu, ale element ma dodatkowe usztywnienie dzięki temu podparciu. Gdybyśmy to zignorowali, projekt połączenia byłby przeszacowany.

W nowej wersji IDEA StatiCa (wersja 22.0) wprowadziliśmy nową operację – Podparcie przeciwdziałające zwichrzeniu (Lateral Torsional Restraint) – aby umożliwić naszym użytkownikom uwzględnienie tego efektu, jeśli tego chcą.

Znajdź więcej informacji na temat funkcji Lateral Torsional Restraint. Ta operacja pozwala uniknąć skręcania elementu w połączeniu i umożliwia bardziej ekonomiczne projektowanie przy zachowaniu wymaganego bezpieczeństwa.