I en tidigare artikel i Stålbyggnad nämndes att den nuvarande EN 1993-1-12, ”Tilläggsregler för stålsorter upp till S700”, kommer att ändra fokus för att införliva högre stålkvaliteter i Eurokod-serien och kommer att ges titeln “Tilläggsregler för stålsorter från S700 upp till S960 ”. Vid det senaste mötet i SC3/WG12, den arbetsgrupp inom SC3 som ansvarar för EN 1993-1-12, beslöts att knäckningskurva a ska användas istället för knäckningskurva b eller c för svetsade I- och lådprofiler tillverkade i stålsorter från S700 upp till S960. Dessutom kommer en övergång från kurva c till kurva b att tillämpas för kallformade fyrkantprofiler (KKR) tillverkade i dessa höghållfasta stålsorter. I denna artikel presenteras i korthet bakgrunden till dessa förändringar.
Ursprunget till de europeiska knäckningskurvorna
De nuvarande europeiska knäckningskurvorna är resultatet av det omfattande arbete som utfördes av ECCS/WG8 på 70-talet i syfte att utveckla en standardiserad metod för att beräkna bärförmågan för tryckta stänger. Målet med arbetet var att harmonisera de europeiska dimensioneringsreglerna för böjknäckning (flexural buckling).
De nuvarande europeiska knäckningskurvorna består av 5 olika kurvor (a0, a, b, c, d). Det som skiljer mellan kurvorna är den ekvivalenta imperfektionsfaktorn α, som tar hänsyn till effekten av imperfektioner i form av initialkrokighet och egenspänningar. Effekten av dessa imperfektioner kan variera beroende på en pelares slankhet. Till exempel har egen-spänningarna en betydande påverkan på bärförmågan i slankhetsintervallet 
, medan bärförmågan för slankare pelare främst påverkas av pelarens initialkrokighet.
Ursprungligen föreslog ECCS/WG8 endast kurvorna a, b och c för stålprofiler som då var vanliga på den europeiska marknaden. Kurva a0 tillkom senare för att reducera den implicita säkerhetsfaktorn för varmformade rör (VKR-profiler) eftersom försök visade att en relativt högre bärförmåga erhölls för VKR-profiler. Kurva a0 representerar VKR-profiler utan egenspänningar och imperfektionsfaktorns värde för kurva a0 motsvarar en initialkrokighet på L / 1000 av pelarens längd.
Införandet av tunga profiler i Storbritannien drev behovet av ytterligare en kurva eftersom egenspänningarna i de tunga profilerna visade sig vara högre än i andra profiler, vilket således ledde till en lägre bärförmåga. Kurva d infördes därför i ett senare skede för tunga breda flänsprofiler (H-profiler) med plåttjocklek över 40 mm.
Svetsade profiler tilldelades en lägre knäckningskurva jämfört med de varmvalsade profilerna. Valet av knäckningskurvan påverkades huvudsakligen av egenspänningarna, som visade sig vara högre i svetsade profiler. Försöksresultat vid den tiden (1980-talet) visade att en relativt sett högre bärförmåga kunde uppnås för svetsade profiler när högre stålkvaliteter användes. Skillnaden var emellertid inte tillräcklig för att motivera användning av en högre knäckningskurva. Detta val antar implicit att egenspänningarna som resulterar från svetsning ökar proportionellt med ökningen av stålets sträckgräns.
Varför kan man använda olika kurvor för höghållfasta stål?
Antagandet att egenspänningarna ökar proportionellt mot sträckgränsen visade sig vara fel, men skillnaden i bärförmåga för de konstruktionsstål som användes i byggnadsbranschen vid 1980-talet ledde inte till en tillräckligt stor skillnad för att motivera användning av en annan knäckningskurva. De nuvarande dimensioneringsreglerna gör ingen skillnad mellan metoderna för skärning av plåtarna till svetsade profiler, även om det ursprungligen drogs slutsatsen att plåtar med klippta kanter uppvisade ett lägre motstånd i motsats till flamskurna plattor. Denna ökning kan motiveras både av egenspänningar som införs genom flamskärning och av den termiska effekten av flamsnittet på stålegenskaperna.
Under det senaste decenniet har ett ökande antal försök på tryckta I, H- och rörprofiler i S700 och S960 publicerats. Dessa försök har använts som underlag för de förändringar av knäckningskurvorna som redovisas i tabellen nedan. Förutom provningar med stänger belastade med normalkraft har man även utfört egenspänningsmätningar på olika profiler som stöder dessa förändringar.
Tillämpning av höghållfast stål i byggnader är fortfarande relativt begränsat. De viktigaste marknaderna för höghållfast stål är för närvarande inom fordons- och krantillverkning, som båda är industrier där materialvikten är mycket viktig. Fördelarna med att använda material med hög hållfasthet kan dock sträcka sig utöver enkla viktminskningar. Vid val av stomkonstruktioner har till exempel avsevärda ansträngningar gjorts för att minska materialanvändningen de senaste åren på grund av miljöhänsyn.
Tabell 1: Föreslagen ändring knäckningskurvor
Potentiella besparingar i byggandet
Med uppdaterade knäckningskurvor kan material och motsvarande CO2-besparingar bli betydande. Som ett exempel kan en HEB 340-pelare tillverkad av S355 med en längd av 4,3 m ersättas med en liknande svetsad H-profilspelare gjord av S700. Längden i exemplet motsvarar avståndet mellan golvens mittpunkter för intilliggande våningsplan. För jämförelse av bärförmågan i den veka riktningen, som ofta blir avgörande i flervåningshus, räcker det att titta på flänsarnas storlek. En flänsbredd och tjocklek på 280 mm respektive 16 mm ger samma bärförmåga i den veka riktningen som HEB-pelaren. De potentiella besparingarna kan bedömas genom att ta denna jämförelse vidare. Antag att profilens höjd är 250 mm med en livtjocklek på 6 mm. Den totala vikten av S700-pelaren skulle uppgå till 347 kg medan HEB 340 väger 578 kg. Med 6 av dessa pelare kan man spara 1,4 ton stål vilket också motsvarar 4,8 ton CO2-besparing. Förutom de uppenbara materialbesparingarna kommer också kostnaderna för transport och montering att sänkas.
Läs mer på Internet
Gabriel Sabaus Doktorsavhandling
Författare:
Gabriel Sabau, LTU / SSAB
Ove Lagerqvist, ProDevelopment
Stålbyggnadsdagen 22 oktober
På den Digitala Stålbyggnadsdagen torsdag 22 oktober kommer Gabriel Sabau, LuTH/SSAB, att prata om hur höghållfasta stål påverkar böjknäckning av tryckta element.
