Table Of Content

Esben J. Thrane Jon M. Huslid KONSTRUKSJONER I STÅL Innføring i NS 3472 Stålkonstruksjoner 4. utgave H Nasjonalbiblioteket Depotbiblioteket TAPIR © TAPIR Uten skriftlig tillatelse er det ikke tillatt å kopiere eller mangfoldiggjøre dette skrift, eller deler av det, ifølge lov av 12. mai 1961 om opphavsrett til åndsverk. Første utgave 1973 Andre utgave 1975 Tredje utgave 1979 » » nytt oppi. 1981 Fjerde utgave 1985 » » nytt oppi. 1988 Trykk: Wennbergs Trykkeri A/S Bind: Julius Maske A/S Papir: G-print 90 gr. Omslag: Leif Gaustad ISBN 82-519-0677-6 FORORD ,, Konstruksjoner i stål” er en revidert utgave av „Konstruksjoner 7 stål og aluminium”. Revisjonen var nødvendig fordi NS 3472 er kommet i ny og endret utgave. Aluminium er tatt ut fordi det er kommet en egen bok om aluminiumkonstruksjoner. Boken søker å angi hvordan NS 3472 skal anvendes. Den forklarer i liten grad bakgrunnen for de enkelte bestemmelser. Boken inneholder mange eksempler. Den vil kunne anvendes i undervisningen. Den nye NS 3472 innfører f som tegn for spenningen o. Overgangen er ikke konsekvent. Denne "forvirring” gjenspeiles i boken. En del av det nye stoff som er kommet med i den nye utgave, skyldes oppfordringer, særlig fra lærere ved våre ingeniørhøgskoler. Juni 1985. Jon Huslid Esben Thrane INNHOLD ¥ 1. Generelt.............................................................................................................................. 1.1 Hvorfor stålkonstruksjoner?.................................................................................... 1.2 Stålkonstruksjoner i faglig sammenheng.................................................................. 1.3 Norske standarder og forskrifter vedrørende stålkonstruksjoner........................... 4 2. Konstruksjonslære.............................................................................................................. 2.1 Teknisk-økonomisk beslutningsprosess.................................................................. 2.2 Valg av system.......................................................................................................... 2.3 Detaljutforming og relativpriser............................................................................... 2.4 Omkostninger............................................................................................................. * 3. Materialer........................................................................................................................... 3.1 Stålmaterialer til ålment bruk.................................................................................. 3.2 Stålmaterialer til spesielt bruk................................................................................. 55 4. Sikkerhet, belastninger og materialpåkjenning............................................. 55 4.1 Hva er sikkerhet?................................................................................... 59 4.2 Belastninger og lastkoeffisienter......................................................... 59 4.3 Materialer og materialkoeffisienter................................................... 61 4.4 Elastiske og plastiske beregningsmetoder......................................... 64 4.5 Eksempler........................................................................ .................. 67 4.6 Konstruktive forutsetninger for bruk av plastiske beregningsmetoder 71 * 5. Forbindelsesmidler........................................................................ 71 5.1 Generelt................................................................................ 71 5.2 Avskjæringsforbindelser....................................................... 80 5.3 Eksempler på beregning av nagle- og svartskrueforbindelser 86 5.4 Friksjonsforbindelser........................................................... 96 5.5 Sveiste forbindelser.............................................................. 109 5.6 Limte forbindelser................................................................ 111 5.7 Eksempler på sveiste forbindelser........................................ 121 6. Skrudde og sveiste fagverksknutepunkt.......................... 121 6.1 Fagverksknutepunkt utført med nagler og skruer. . 121 6.2 Beregning av knuteplater ved skrudde forbindelser. 125 6.3 Sveiste fagverksknutepunkt...................................... 126 6.4 Eksentrisk innføring av stavkrefter......................... 129 7. Knekning av staver................................................................................................... a 129 7.1 Knekning og den matematiske formulering.................................................. 135 7.2 De forskjellige knekningstilfellene................................................................ 137 7.3 Bøyningsknekning ved sentrisk trykk......................................................... 143 7.4 Bøyningsknekning ved aksialkraft og moment om den svake akse............. 7.5 Bøyningsknekning ved aksialkraft og moment om den sterke akse og med 149 styrt knekning om den sterke akse.............................................................. 7.6 Bøyningsknekning ved aksialkraft og moment om den sterke akse ved knekning som ikke blir styrt....................................................................... 151 7.7. Bøyningsknekning ved aksialkraft og moment om begge akser ved knekning som ikke blir styrt.......................................................... ^57 7.8 Torsjonsknekning.................................................................... igo 7.9 Knekning av sammensatte staver..................................................................... 162 7.10 Knekklengder og slankheter...................................................................... Igg 7.11 Avstagning mot vipping og knekning.................................................................. 171 * 8. Vipping av bjelker eller søyler....................................................................... 175 8.1 Generelt........................................................................ 175 8.2 Forenklet vippingsberegning........................................................................ 178 8.3 Normal vippingsberegning.......................................................................... 181 8.4 Momentet Mx ved vipping............................................................................... 186 8.5 Vipping ved enkeltsymmetriske tverrsnitt............................................................... 187 8.6 Avstagning mot vipping.......................................................................... 190 A 9. Knekning av plater.................................................................................... 191 9.1 Generelt............................................................................. 191 9.2 Kristiske spenninger for plater.............................................................. 192 9.3 Plateknekking etter elastisitetsteorien......................................................................200 9.4 Etterkritisk bæreevne...................................................................... 201 9.5 Beregning av effektiv bredde ved aksial- eller momentbelastning.............................202 9.6 Innføring av punktlast uten stivere................................................................. 206 9.7 Knekking av platefelt med stivere................................................................... 208 9.8 Eksempler..................................................................... 211 *10. Knekning av rammer................................................................................. 219 10.1 Generelt. Beregning av knekklengder..................................................................... 219 10.2 Eksempel.......................................................................... 221 *11. Utmattingspåkjente konstruksjoner........................................................................ 225 V<0r4 11-1 Generelt.................................................................................... ' ' 225 11 -2 Utmattende belastning...................................................................... 226 J 11.3 Konstruktive detaljer.............................................................................. 234 11.4 Fleraksete spenningstilstander.............................................................. 235 12. Korrosjonsbeskyttelse.................................................................. 237 12.1 Korrosjonsmekanismer................................................................ 237 12.2 Rensing og renhetsgrad av ståloverflaten.................................................................238 12.3 Grunning................................................................ 242 12.4 Grunnmalinger.......................................................................... 242 12.5 Dekkmalinger........................................................................ 243 12.6 Malingsmengder........................................................................ 244 12.7 Metallisk overflatebeskyttelse................................................................ 244 12.8 Kunststoffer og korrosjonsbeskyttelse av tynne plater............................................245 12.9 Økonomi og overflatebeskyttelse...................................................... 245 12.10 Rusttrege stål..................................................................... 246 12.11 Konstruktiv rustbeskyttelse........................................................ 247 13. Kontroll...............................................................................................................................249 13.1 Kontrollens oppgaver..................................................................................................249 13.2 Kontrollmetoder, ikke destruktive............................................................................249 13.3 Feil i sveiste forbindelser.............................................................................................252 13.4 Betydning av sveisefeil...............................................................................................255 13.5 Kontrollbestemmelser i NS 3472 ............................................................................. 255 13.6 Organisasjon av kontroll.............................................................................................257 14. Utvalgte beregnings- og konstruksjonseksempler...............................................................259 14.1 Vektoranvendelse ved beregning av forbindelser......................................................259 14.2 Anvendelse av plastisitetsteori ved beregning av skrueforbindelser..........................260 14.3 Ramme i stål..............................................................................................................263 14.4 Konsoll........................................................................................................................267 14.5 Beregning av søylefot..................................................................................................271 15. Feil og uklarheter i NS 3472. Kjent pr. 1. mai 1985..........................................................279 Symbolliste..........................................................................................................................281 Litteraturliste........................................................................................................................281 1. GENERELT 11. HVORFOR STÅLKONSTRUKSJONER? Valget av konstruksjonsmateriale skal gi en optimal løsning. Hva er så en optimal løsning? Forenklet kan det påstås at en optimal løsning gir den største bruksverdi i forhold til omkostningene. Omkomstningene ved å bruke en konstruksjon er en funksjon av konstruksjonens innkjøpspris og driftsomkostninger. Hvis byggeren skal bruke konstruksjonen selv forblir dette en firmaintern sak. Hvis konstruksjonen lages med formål utleie, kan såkalt profittmaksimering være det økonomiske dimensjoneringskriterium. Dette vil si hvor hensiktsmessig, prestisje- messig, etc., skal konstruksjonen utføres for at forholdet mellom kapital og avkastning (leieinntekter) blir optimalt. Profittmaksimeringsmotivet bestemmer særlig en del av de bygningstekniske løsninger, men faller vel utenfor rammen av normale konstruksjonsforelesninger. Konstruktørens oppgave er normalt å fremme løsninger som gir en balanse mellom konstruksjonens innkjøpspris og driftsomkostninger, se Fig. 1.1. Valget av materialet inngår bare som en liten del i større systemløsninger. Prisforskjellen mellom to hovedbærestammer i et bygg er helt sekundær i forhold til hvilke valg som treffes vedrørende for eks. vegger, VVS og EL. I fremstillingsprosessen har konstruktøren hovedansvaret for å fremme et helhetssyn. Det er hans oppgave hvis han er bygningsmann ved hjelp av konsulenter på alle andre spesialområder som VVS, EL, rengjøring og annet å fremme den beste totalløsning. For større kontorbygg for eks. vil antagelig i dag den riktigste løsningsvei være å bestemme kontorplan, VVS- og EL-system og så gi dette en bygningsteknisk bærekonstruksjon. Den vanlige praksis hittil, å konstruere en bærekonstruksjon hvori det derpå skal plasseres VVS- og EL-installasjoner, må ansees som uhensiktsmessig. Ved beregning, konstruksjon og utførelse vil konstruktøren måtte ta hensyn til lover, forskrifter, standarder, klassifikasjonsregler, beregningsregler o.l. Ved bygningskonstruksjoner kommer Byggeforskriftene særlig inn gjennom sine krav til brannsikkerhet og isolasjon. Norsk Standard kommer inn ved valg av størrelse, mål, dimensjoner slik at disse passer til de standardiserte industriprodukter. Konstruksjons- og beregningsregler vedkommer i hovedsak konsulentene og utførende verksted eller entreprenør. Ved valg av materiale, profiltyper og visse bygningselementer er det viktig at disse er tilgjengelige innenfor den forutsatte byggetid og til en rimelig pris. Dette fastlegges ved forespørsel til leverandør (grossist). Forsikringen vil for metallkonstruksjoner som kan bli utsatt for brann i mange tilfeller gi høye kapitaliserte driftsutgifter. Ved prosjektering av bygningskonstruksjoner hvor Byggefor skriftenes branntekniske krav er små, vil forsikringspremien ofte bestemme materialvalget. Vedlikeholdet belastes ofte stålkonstruksjoner relativt hårdt fordi korrosjon og rust er et fryktet fenomen. Omkostningene ved korrosjonsbeskyttelse er i dag kjent og kan nøyaktig tas med i en kalkyle. Riktig korrosjonsbeskyttelse er ikke dyrt. Vedlikeholdsproblemet eksisterer også ved andre materialer som for eks. betong og tre. De enkelte konstruksjonsdelene utgjør ulike omkostningsandeler ved forskjellige konstruk sjoner. Ved bygg overvurderes prisandelen av den bærende stamme og ytterveggandelen undervurderes. VVS-anlegget viseren stadig økende andel. Se tabell 1.1. for diverse eksempler. - 2 - BYGGHERRE BYGGEFORSKRIFTENE ARKITEKT NORSK STANDARD KONSTRUKSJONSREGLER KONSULENTER STÅLVERK BEREGNINGSREGLER BYGG ? GROSSIST ELEKTRO? VVS? ENTREPENOR FORSIKRING VERKSTED VEDLIKEHOLD ‘INNKJØPSPRIS” KAPITALISERTE KONSTRUKSJON DRIFTSUTGIFTER ___ 4______ TOTALE OMKOSTNINGER VED KJOP OG BRUK AV FERDIG KONSTRUKSJON (*SALG) Fig. 1.1 Fremstillingsprosessen for en bygningskonstruksjon Tabell 1.1: Kostnadsandeler div. stålbygg i prosent. A B C D Fundamentering 2 5 2 2 Bærende og stabiliserende: Søyler 1 1 8 8 Hovedbjelker 4 6 8 Bjelkelag + trapp 8 12 Avstivningsforband 2 1 3 6 Gulv (ikke stål) 36 38 Yttervegger 13 12 27 15 Taket: Takåser 5 10 Takkledning 19 13 Komplettering (innevegger, etc.) 23 33 VVS 34 17 EL 13 13 A: Kontorbygg 9. etg. (London) B: Kontorbygg i flere etasjer (svensk) C: Isolert verkstedshall med setningsikkert gulv D: Uisolert verkstedshall med gulv på terreng.