Design af stålkonstruktioner – Typer, nuancer, fordele

Definitionen af stålkonstruktion

Når det drejer sig om bygningstyper, er det oplagt at vælge den mest fremtidssikrede type på forhånd. Som sådan er stålkonstruktion den bygningstype, du leder efter, og den klarer sig bedre end alle andre mulige konstruktionstyper – beton, træ og så videre.

Stål i sig selv er en legering af to materialetyper – kulstof og jern. Stål kan også tilføres særlige egenskaber ved at tilsætte en række yderligere materialer i små procenter, det være sig svovl, krom, nikkel, fosfor, mangan osv. Dette giver mulighed for at fremstille flere forskellige stålsorter. F.eks:

• Tilsætning af kobber giver stålet bedre korrosionsbestandige egenskaber;
• Der kan opnås højere flydespænding og trækstyrke ved at tilsætte mangan og kulstof, men der er også to ulemper – slutresultatet er sværere at svejse og har lavere duktilitet (metallets evne til at strække sig ved træk uden brud);
• Både korrosionsbestandighed og modstandsdygtighed over for høje temperaturer kan også forbedres ved at tilsætte nikkel og krom;
• Udmattelsesstyrke og evnen til at svejse kan forbedres ved at tilsætte svovl og fosfor til blandingen.

Stålkonstruktioner er i sagens natur en konstruktion, der består af flere komponenter, der er forbundet med hinanden – og hvor hver komponent er fremstillet af konstruktionsstål. Konstruktionsstål er på den anden side et stålbaseret byggemateriale, der fremstilles i en bestemt form og sammensætning, så det passer til de nødvendige specifikationer.

Der findes et massivt udvalg af forskellige stålprofiler, der kan bruges som dele af en stålkonstruktion, med forskellige former, størrelser og meget mere. Nogle af de mere almindelige former, der anvendes som stålkonstruktionsmaterialer, er:

• Vinkel – et tværsnit formet som et bogstav “L”
• Ark – et tyndt, fladt stykke metal, normalt 6 mm tykt eller mindre
• Plade – en tykkere variant af et ark, tykkere end en fjerdedel af en tomme
• HSS/SHS – Hollow Structural Section, eller Structural Hollow Section, er en form, der omfatter cirkulære, rektangulære, elliptiske og firkantede sektioner
• I-bjælke – et tværsnit formet som et bogstav “I”; et bredt begreb, der omfatter forskellige typer bjælketyper afhængigt af landet:
  • I Europa – en bred vifte af sektioner, såsom HL, IPE, HD, HE osv.
  • I USA – H-sektioner, W-former osv..
  • I Storbritannien – hovedsagelig UC’er og UB’er (Universal Columns og Universal Beams)

• Strukturel kanal – C-profiler/Bjælker

• Rod – et langt og relativt tyndt stålstykke
• Z-form – en halv flange i forskellige retninger, minder med sin rolighed meget om bogstavet “Z”
• Tee – et tværsnit formet som et bogstav “T”
• Skinneprofil – en variant af I-bjælke, der er asymmetrisk i sin natur, omfatter mindst fire forskellige varianter:
  • Vignoles-skinner
  • Rilleskinne
  • Jernbane jernbane
  • T-skinne med flange

Mens nogle af disse variationer er fremstillet ved at svejse enten bøjede eller flade plader sammen, er de fleste af ovenstående eksempler fremstillet med enten varme eller kolde rullende – at føre metalmateriale gennem parvis af valser for at gøre det mindre tykt.

Når den er bygget rigtigt, skal denne struktur give en fuldstændig stiv prævention, der kan bære enorme vægte. Nogle af de bygningstyper, der anvender stålkonstruktioner lige nu, er broer, tårne, rørstativer, højhuse, industribygninger, infrastrukturelementer og meget mere.

Fordele og ulemper

Som med enhver anden type bygning har stålkonstruktioner deres egne problemer og fordele. Hvis vi starter med de positive aspekter, er stålkonstruktionernes fordele ganske mange:

• Stålkonstruktioner har alle fordelene ved både masseproduktion og præfabrikation, med nogle få undtagelser;
• Det er muligt at forstærke stålkonstruktioner på et hvilket som helst tidspunkt i fremtiden, hvilket bidrager til en længere levetid;
• Duktilitet – en egenskab ved stål til at undergå plastisk deformation, før det svigter helt, hvilket forbedrer reservestyrken;
• Stor træthedsstyrke;
• Den samlede byggehastighed ved brug af stålkonstruktioner er imponerende høj, hvilket gør det muligt at reducere de udgifter, som du normalt har i forbindelse med langvarige byggeopgaver;
• Stål har generelt et imponerende styrke/vægt-forhold, hvilket gør, at konstruktioner i sig selv er relativt lette i forhold til den vægt, de kan bære;
• Mange af stålets egenskaber kan forudsiges med relativt stor nøjagtighed, hvilket gør det meget lettere at beregne potentielle spændingsniveauer og andre vigtige kriterier.

Der ville naturligvis ikke være et marked med flere valgmuligheder, hvis én var perfekt egnet til alt. Som sådan har stålkonstruktioner også deres egne potentielle ulemper, f.eks:

• Brandsikring af stålkonstruktioner er en nødvendighed, da intens varme er i stand til at reducere stålets samlede styrke drastisk;
• Korrosion er også en massiv faktor, når det drejer sig om stål generelt, og stålkonstruktioner er ikke undtaget fra denne regel – især når sådanne konstruktioner udsættes for vand og luft (broer for det meste), og derfor er regelmæssig vedligeholdelse og korrosionsbehandling nødvendig;
• Stålkonstruktioner er ofte dyrere end andre konstruktionstyper, hvilket gør dem til et langt mindre attraktivt valg for mindre projekter med et begrænset budget.

Typer af stålkonstruktioner i form af bygninger

Der er mange forskellige eksempler på stålkonstruktioner, som vi har givet ovenfor – og de kan alle opdeles i fire hovedtyper af konstruktioner. Hver af disse strukturer har deres egen tilgang til byggeriet og fungerer kun til bestemte typer stålkonstruktioner. Som sådan er disse fire stålkonstruktionskonstruktionstyper:

• Portalramme. Den mest almindelige type let stålkonstruktion, en portalramme, er en meget populær type stålkonstruktion, der kun er baseret på stålprofiler, stålrør og C/Z-stål til at modstå kraften fra hele konstruktionen. Den bruges ofte til mange forskellige bygningstyper, hvad enten det er industrielle, landbrugsmæssige, institutionelle eller kommercielle – selv om det mest populære eksempel måske bare er den almindelige lager-hangar, der er en almindelig forekomst for mange forskellige lande over hele verden.
• Stålgitter. Generelt set er et gitter en rumlig struktur, der består af flere stænger, som er forbundet med hinanden i en bestemt form. Der findes mange gittertyper, og der er også mange forskellige standarder for dem. De er meget stive og giver en omfattende seismisk modstandsdygtighed, hvilket gør dem perfekte til hangarer, udstillingshaller, gymnastiksale osv.
• Bygningsramme i stål. En anden populær konstruktionstype, der oftest anvendes til forskellige bygninger i flere etager, er stålbygningsrammen, som består af søjler og bjælker, der danner strukturer, der kan modstå både lodret og vandret tryk. Et almindeligt valg til højhuse, kommercielle kontorer, konferencebygninger osv.
• Stålspær. Truss-konstruktionen består af flere stænger, der er hængslet i hver ende af en stang. Den kræver mindre stål end almindelige stålkonstruktioner, vejer mindre og kan modstå større kræfter – derfor bruges den ofte til broer, tage, tårnkorridorer, tv-tårne, olieplatforme osv.

Design af stålkonstruktioner

Som det er tilfældet med enhver moderat stor struktur af ethvert materiale, skal der foretages en masse beregninger på designstadiet, så den pågældende bygning ikke kollapser under sin egen vægt. Når det drejer sig om stålkonstruktioner, er der to hovedtilgange til design af stålkonstruktioner (undertiden kaldet en designfilosofi):

• Design af belastnings- og modstandsfaktor (LRFD, også kaldet Limit State Design – LSD);
• Design af tilladte styrker (ASD).

Ud fra et designmæssigt synspunkt er der specifikke betingelser, som teoretisk set kan anvendes på stålkonstruktioner, der kaldes grænsetilstande. Den begrænsede tilstand repræsenterer et punkt, hvorefter en komponent eller en hel stålkonstruktion ikke længere er i stand til at opfylde det formål, som den blev skabt til.

Der er mange forskellige eksempler på grænsetilstande, der kan beskadige konstruktionen på en eller anden måde og gøre den utilgængelig for fremtidig brug – og det skal man også huske på allerede i konstruktionsfasen, ud over den overordnede kosmetiske tilgang til konstruktionsdesign.

Nogle eksempler på grænsetilstande er revner, torsion, træthed, forskydning, bøjning, bukling osv. For at løse alle disse potentielle problemer på én gang er der blevet indført en specifik tilgang til design af stålkonstruktioner, som kaldes LRFD – Design af belastnings- og modstandsfaktor.

Det er en metode inden for strukturel konstruktion, der bruger grænsetilstande til at analysere potentielle problemer og skabe strukturer, der har langt større sandsynlighed for at kunne holde til disse problemer i langt længere tid end før. Denne metode tager højde for både modstand og variabilitet i belastningen og opnår ret høje sikkerhedsniveauer for de fleste grænsetilstande.

Hvis LRFD-konceptet virker alt for komplekst for dig, findes der et alternativ kaldet ASD – Allowable Stress Design. Det er en forholdsvis enkel tilgang til bygningssikkerhed og baserer for det meste sine beregninger på en lineær elastisk opførsel af det pågældende materiale – i vores tilfælde er det stål. Den er for det meste baseret på erfaring med materialet og involverer kun to store faktorer – den potentielle maksimale belastning af en konstruktion og en lineær sikkerhedsfaktor.

Når det drejer sig om en direkte sammenligning mellem ASD og LRFD, når det drejer sig om design af stålkonstruktioner, vil ASD være den enkle, men mindre præcise, mens LRFD fortsat er mere kompleks, men også mere pålidelig i sine beregninger. Desuden tager LRFD hensyn til langt flere faktorer, når den beregner sin konstruktion, f.eks. forskellige værdier for levende belastninger og døde belastninger – som slet ikke beregnes forskelligt, når det drejer sig om ASD.

Konklusion

Levstal er i stand til at levere mange forskellige typer stålkonstruktioner, såsom metalbjælker, kraner, broer, kajkonstruktioner, skibslæssere, ramper og endda bærende konstruktionselementer. Virksomhedens erfaring med at arbejde med stål er en garanti for kvalitet og variabilitet.

Levstals tjenester anvendes af kunder fra hele verden – fra Tyskland, Sverige og Belgien til Japan, Nordamerika og Holland. Levstal tilbyder support i hele projektets livscyklus og tilpasser kundeoplevelsen til hver enkelt af sine kunder.