Jäännösjännitykset ovat sisäisiä, itsestään{0}}tasapainottuvia jännityksiä, joita esiintyy materiaalissa myös ilman ulkoisia kuormia. Kuumavalssatuissa A572 H--palkeissa nämä jännitykset johtuvat epätasaisesta jäähtymisestä ja faasimuutoksista valmistusprosessin aikana. Niiden jakautumisella ja suuruudella on ei--vähäinen vaikutus jäsenen vakauteen ja väsymisikään, mikä on otettava huomioon edistyneessä suunnittelussa.
1. Jäljellä olevien jännitysten alkuperä ja tyypillinen malli:
Kun kuuma H-palkki poistuu viimeistelymyllystä ja jäähtyy ulos-alustalla, laipan kärjet ja verkkokeskus jäähtyvät ja jähmettyvät ensin. Nämä viileämmät alueet supistuvat, mutta niitä rajoittaa vielä -kuuma muovimateriaali laipan-rainan liitoskohdissa.
Tämä differentiaalinen supistuminen lukittuu tyypilliseen kuvioon:
Puristusjäännösjännitys laipan kärjissä ja keski{0}}radassa.
Vetojäännösjännitys laipan{0}}rainan liitoksissa ("k--alue").
Tyypilliset suuruudet voivat olla 10-30 % materiaalin myötörajasta (Fy). A572 Gr.50:lle tämä vastaa noin 5-15 ksi (35-100 MPa).
2. Vaikutus nurjahduskäyttäytymiseen (pylväät ja palkit):
Pilarin nurjahdus: Puristusjäännösjännitys laipan kärjissä vähentää tehokkaasti osan elastista aluetta. Kun aksiaalista kuormitusta kohdistetaan, nämä alueet taipuvat pienemmälläsovelletaanstressiä, koska ne on jo valmiiksi{0}}pakattu. Tämä vähentää tehollista moduulia ja voi alentaa kriittistä lommahduskuormaa, erityisesti keskihoikkuusalueella (jossa joustamaton lommahdus hallitsee). Nykyaikaiset pilarin suunnittelukäyrät (esim. AISC:n pylväskäyrä) ottavat empiirisesti huomioon näiden jäännösjännitysten keskimääräisen vaikutuksen sekä alkuperäiset geometriset epätäydellisyydet. Jäännösjännityksen kuvio ja suuruus ovat yksi syy siihen, miksi eri pylväskäyrät ovat olemassa eri poikkileikkaustyypeille- (esim. W--muodot vs. ontot rakenneosat).
Palkkien lateraalinen -torsionaalinen lommahdus (LTB): Jäännösjännitykset ovat vuorovaikutuksessa käytettyjen taivutusjännitysten kanssa. Palkissa, jolle on tehty suur-akselin taivutus, laipan kärjessä oleva puristusjäännösjännitys lisää taivutuksesta aiheutuvaa puristusjännitystä. Tämä voi saostaa aikaisemman paikallisen taipumisen laipan kärjissä, mikä vähentää palkin kykyä saavuttaa koko plastinen momenttikapasiteetti (Mp) ja mahdollisesti vaikuttaa sen joustamattomaan LTB-lujuuteen. AISC-spesifikaatioiden säteen suunnitteluyhtälöt sisältävät tämän vaikutuksen rajoittavien hoikkaparametrien (λp, λr) ja momentin gradienttitekijän (Cb) kautta.
3. Vaikutus väsymyskäyttäytymiseen:
Väsymys on progressiivinen ja paikallinen rakennevaurio, joka syntyy, kun materiaalia kuormitetaan syklisesti. Jäännösjännitykset ovat kriittinen tekijä.
Hyödyllinen vaikutus: Puristusjäännösjännitykset mahdollisissa halkeamien alkamispaikoissa (kuten laippapinnat) ovat erittäin hyödyllisiä. Ne lisäävät tehokkaasti väsymissyklin keskimääräistä rasitusta kohti puristusta, mikä vaikeuttaa mikro-halkeaman avautumista ja leviämistä. Tämä voi merkittävästi pidentää väsymyksen kestoa.
Haitallinen vaikutus: Sitä vastoin vetojännösjännitteet laipan{0}}rainan liitoksessa (suuri-jännitysalue) alentavat väsymislujuutta. Ne lisäävät käytettyjä vetojännitystä edistäen halkeaman alkamista. Tämä on erityisen tärkeää AISC 360:n liitteen 3 tai AASHTO Bridge Design Specifications -standardin mukaan luokitelluissa yksityiskohdissa, joissa laippa{6}}rainan liitos on usein B- tai C-luokan yksityiskohta.
Lieventäminen: Rakenteiden, jotka ovat alttiina suurelle-jaksoväsymykselle (esim. nosturin kiitoradan palkit, siltaosat), valmistuksen jälkeisiä-käsittelyjä, kuten puristuskuoritusta, voidaan käyttää aiheuttamaan pintakerros puristusjäännösjännitystä, ohittaen valssatut vetojännitykset ja parantamalla väsymiskykyä.
4. Vaikutukset valmistukseen ja suunnitteluun:
Leikkaus ja hitsaus: lämpöleikkaus (liekki tai plasma) ja hitsaus tuovat uusia, usein vakavia, paikallisia jäännösjännityskenttiä, jotka voivat olla suuruusluokkaa suurempia kuin valssatut jännitykset. Nämä on otettava huomioon liitäntäyksityiskohtia suunniteltaessa, erityisesti väsymys{2}}alttuvien jäsenten osalta.
Suunnittelufilosofia: Yleisessä rakennuksen suunnittelussa staattisen kuormituksen alaisena valssattujen jäännösjännitysten vaikutukset katetaan implisiittisesti AISC-määrittelyn empiirisesti johdetuilla kaavoilla. Suunnittelija ei laske niitä suoraan.
Kehittynyt analyysi: Erikoissovelluksissa (esim. seismisen suorituskyvyn arviointi kehittyneellä elementtianalyysillä tai erittäin ohuiden ilmailu-avaruusrakenteiden suunnittelussa) jäännösjännityskuvion eksplisiittinen mallinnus voi olla tarpeen joustamattoman lommahduksen ja hystereesikäyttäytymisen tarkkaan ennustamiseen.
Taulukko: A572 H--säteiden jäännösjännitysten vaikutukset ja hallinta
| Aspekti | Rullatun{0}}jäännösjännityksen vaikutus | Suunnittelun/valmistuksen huomioiminen |
|---|---|---|
| Sarakkeen vahvuus | Vähentää kriittistä nurjahduskuormitusta keskitason hoikuudelle. | Otettu huomioon AISC-sarakekäyrissä (esim. käyrä W--muodoille). |
| Palkin lateraalinen nurjahdus | Edistää aikaisempaa taipumista laipan kärjissä, mikä vaikuttaa LTB:n lujuuteen. | Sisällytetty AISC:n LTB-yhtälöihin (Fcr-laskenta). |
| Väsymys Elämä | Vetojännitykset rainan{0}}laipan liitoskohdassa ovat haitallisia. Pintojen puristusjännitykset ovat hyödyllisiä. | Kriittinen väsymissuunnittelulle AISC:n liitteen 3 tai AASHTO:n mukaan. Jälki-hoitoa (peening) voidaan käyttää. |
| Valmistus (hitsaus) | Uudet hitsausjännitykset hallitsevat; voi aiheuttaa vääristymiä. | Käytä hitsaussarjoja vääristymien minimoimiseksi; jännityksenpoisto voidaan määrittää paksuille osille. |
Yhteenvetona voidaan todeta, että kuumavalssattujen A572 H--palkkien jäännösjännityskuvio on valmistusprosessin luontainen sivutuote. Vaikka ne eivät olekaan ensisijainen huolenaihe useimmille staattisille rakennussuunnitelmille (koska koodit ovat sisäistäneet vaikutukset), niistä tulee kriittinen näkökohta hoikkien osien vakaudelle, sitkeälle käyttäytymiselle seismisessä kuormituksessa ja syklisille kuormituksille altistettujen rakenteiden väsymisiän kannalta. Niiden olemassaolon ymmärtäminen antaa insinöörille mahdollisuuden tehdä tietoisia päätöksiä jäsenvalinnasta, yhteyden yksityiskohdista ja mahdollisista valmistuksen{5}}jälkeisistä hoidoista.