Proračun veza kod čeličnih konstrukcija

Veze su ključni deo čeličnih konstrukcija i služe da osiguraju integritet, stabilnost i dugovečnost čeličnih konstrukcija. Tokom godina, tehnološki napredak i nove metodologije projektovanja transformisale su način na koji inženjeri pristupaju ovim ključnim komponentama, a u 2025. godini, novi materijali, softverske inovacije i metodologije kojima se povećava efikasnost uvode projektovanje veza kod čeličnih konstrukcija u nove tokove.

Pojam projektovanja veza kod čeličnih konstrukcija

Veze povezuju dva ili više strukturnih, čeličnih elemenata, prenose opterećenja i doprinose stabilnosti čitave konstrukcije. Pravilno projektovanje podrazumeva da se u obzir uzimaju prenos opterećenja, trajnost i usklađenost sa industrijskim standardima. Glavne kategorije veza kod čeličnih konstrukcija su:

• Vijčane veze – Ove veze se najčešće biraju zbog jednostavne montaže i održavanja.
  Vijke odlikuje velika čvrstoća i otpornost na smicanje i zatezanje. Najčešće upotrebljavane klase zavrtnjeva su 8.8 i 10.9, dok se za sekundarne konstrukcije, kao što su ograde, penjalice ili elementi fasadne podkonstrukcije, neretko koriste niže klase, kao što je 5.8. U imperijalnom sistemu, najčešće korišćene klase su A325 i A490.
  Vijci se najčešće montiraju na samom gradilištu, pa se samim tim dimenzije sastavnih delova konstrukcije (greda, stubova) mogu značajno smanjiti (konstrukcija izdeljena na više malih celina, umesto da se sastoji od velikih zavarenih delova), što može biti značajno za transport i organizaciju gradilišta.
  Korišćenjem zavrtnjeva se mogu ostvariti i razne pomerljive veze kreiranjem ovalnih rupa koje dopuštaju pomeranje čvora u željenom pravcu, što je posebno bitno kod konstrukcija kod kojih se zbog svojih dimenzija mogu javiti velika temperaturna naprezanja i pomeranja, kao što su mostovi.
  Veze koje se ostvaruju vijcima mogu biti prednapregnute (otporne na proklizavanje), kod kojih se prenos smičuće sile ostvaruje putem trenja između dve kontaktne površine koje vijci spajaju, i neprednapregnute (kod kojih je dopušteno proklizavanje), kod kojih se prenos smičuće sile ostvaruje preko samog tela zavrtnja. Prednapregnutost vijaka se postiže njihovim pritezanjem, a zahtevi o nivoima i načinima pritezanja dati su u izvođačkim standardima, kao što je EN 1090-2. Prednapregnuti zavrtnjevi se najčešće koriste u vezama koje su dinamički opterećenje, kao što su spojevi mostova i kranskih staza, zbog velike otpornosti ovih zavrtnjeva na zamor, ili na nastavcima nosača kod kojih bi eventualno proklizavanje veze moglo dovesti do velikih ugiba i preraspodele sila koje nisu bile uključene u inicijalni proračun elementa i konstrukcije.
  Pored zamora, u dinamički opterećenim konstrukcijama postoji rizik i od samoodvijanja. Ovaj fenomen se javlja kada je konstrukcija, a samim tim i zavrtanj, izložen učestalim vibracijama, kao na primer u konstrukcijama koje služe kao noseći elementi i oslonci rotirajućih mašina. U ovom slučaju, pored redovnih kontrola, preporučljivo je koristiti i specijalne mere zaštite od samoodvijanja, kao što je upotreba duplih navrtki ili upotreba specijalnih kompleta vijaka sa navrtkama i podloškama specijalno konstruisanim u cilju sprečavanja pojave samoodvijanja.
• Zavarene veze – Za razliku od veza sa zavrtnjevima, zavareni spoj je trajan, odnosno demontaža je nemoguća bez uništavanja samog spoja. Zavari se najčešće izvode u radionici, u kontrolisanim uslovima, te se tako zavareni sklopovi dalje transportuju do gradilišta gde se potom montiraju, najčešće pomoću zavrtnjeva. Međutim, zavarivanje je moguće i na mestu izvođenja, odnosno gradilištu, iako ima mana u odnosu na zavarivanje u radionici, kao što je ponovno izvođenje antikorozivne zaštite zavara i okoline zavara i teža kontrola zavarenog spoja, što sve dovodi i do većeg troška za ovaj tip veze. Zavareni spojevi imaju veliku čvrstoću i pružaju veći stepen krutosti veze u odnosu na veze sa zavrtnjevima.
  Zavari su, sa estetske strane, svakako superiorniji u odnosu na veze sa zavrtnjevima, jer pružaju glatkoću i kontinuitet elementa, sa jedva vidljivim spojevima. Takođe, u konstrukcijama gde je od primarne važnosti obezbeđivanje nepropusnosti elemenata, kao što je slučaj kod rezervoara i cevovoda, zavareni spojevi se pokazuju kao najefikasnije rešenje. Međutim, zavarivanje zahteva mnogo precizniju izvedbu, više vremena za pripremu i izvođenje, skuplju opremu i veliku stručnost osobe koja izvodi zavarivanje.
  Budući da zavarivanje predstavlja spajanje elementa topljenjem njihovih dodirnih tačaka, linija ili površina, posebna pažnja se mora obratiti da šav bude izveden prema normama koje propisuju razni standardi, kao što su EN 1090-2 ili AWS D1.1. Nije dopušteno da u šavu ostanu zarobljeni mehurići vazduha ili nečistoća, da je šav neravan ili da nije konstantne debljine, jer svaki od ovih defekata može značajno da naruši nosivost veze.
  Izuzetnu pažnju treba posvetiti i hlađenju šava nakon izvođenja, jer usled skupljana koje nastaje tokom hlađenja mogu nastati prsline koje dalje mogu da se razviju u pukotine, a one ugrožavaju nosivost i antikorozivnu zaštitu.
  Budući da se spajanje elemenata vrši pod velikom temperaturom koja izaziva topljenje metala, menja se mikrostruktura metala u zoni uticaja toplote, što treba uzeti u obzir pri analizi nosivost. Ovaj efekat je posebno izražen u zavarenim spojevima aluminijumskih konstrukcija, gde se ovaj efekat uvek uzima u obzir u analizi konstrukcije.
  Postoje razne vrste šavova u zavisnosti od geometrije spoja, a u građevinskim konstrukcijama su svakako najčešći ugaoni šavovi, gde se spajaju dva elementa pod određenim uglom (najčešće između 60° i 120°) i sučeoni šavovi gde se spajaju elementi koji leže u istoj ravni.
  Kao mesta diskontinuiteta u konstrukciji, predstavljaju lokacije gde su moguće koncentracije naprezanja, tako da su u dinamički opterećenim konstrukcijama obavezne provere svih vrsta šavova na zamor uz poštovanje strožih kriterijuma za izvođenje nego u slučaju konstrukcija sa dominantno statičkim opterećenjima.
• Hibridne veze – Kombinuju vijke i zavare u jednom spoju, koristeći prednosti obe metode radi optimalnog učinka kod složenih konstrukcija. Izuzetno je važno naglasiti da se u hibridnim vezama mogu koristiti samo prednapregnuti vijci.

Najbolja softverska rešenja za proračun veza

U standardima kao što su EN 1993-1-8, AISC 360 (Poglavlje J) ili AS 4100 (Poglavlje 9) možemo pronaći propise za proračun čeličnih veza. U ovim standardima se daju analitički izrazi za određivanje otpornosti zavrtnjeva i zavara u čvorovima konstrukcija, kao i podaci o dopuštenim veličinama zavara, minamalnim i maksimalnim rastojanjima zavrtnjeva, itd. Takođe, postoje i razni dokumenti koji daju smernice za analizu i proračun čeličnih veza, od kojih su možda najpoznatiji dokumenti u izdanju britanskog instituta za čelične konstrukcije („Steel Construction Institute“ (SCI)): P358 – Simple Joints to Eurocode 3 i P398 – Moment-resisting Joints to Eurocode 3.

Postoje razni komercijalni i besplatni softveri i šabloni koji vrše proveru veza prema izrazima iz odgovarajućeg standarda. Međutim, većina ovih alata je ograničena na standardne i najučestalije tipove veza i ne nudi previše opcija za analizu kompleksnih i nestandardnih veza.

Jedno od potencijalnih rešenja za precizan proračun kompleksnih veza (ali i onih standardnih i jednostavnijih) je primena alata za MKE i kreiranje odgovarajućeg modela veze u specijalizovanom softveru. Među ovim softverima, svakako se najviše izdvaja IDEA StatiCa, softver koji kombinuje naprednu analizu čvora putem metode konačnih elemenata i dalju ekstrakciju rezultata i automatsku proveru elemenata prema željenom standardu. Ovim se omogućava neuporedivo viši stepen fleksibilnosti u analizi i proračunu. Pored analize nosivosti elemenata veze (spojnih limova, zavrtnjeva, šavova), ovaj softver nudi i sledeće:

• Analizu rotacione i aksijalne krutosti čvora
• Proveru naponskih razlika potrebnih za analizu zamora
• Proveru čvora za požarno dejstvo
• Besprekorna integracija sa globalnim BIM alatima poput Tekla Structures i Autodesk Revit

Mogućnost uvoza geometrije i podataka o opterećenjima iz drugih alata za izradu proračuna pojednostavljuje rad, skraćuje vreme projektovanja i smanjuje rizik od nastanka ljudskih grešaka.

Novi trendovi u proračunu veza (izdanje 2025)

• Optimizacija pomoću veštačke inteligencije („AI“)

Veštačka inteligencija transformiše proces projektovanja veza kod čeličnih konstrukcija, jer omogućava automatizaciju rutinskih proračuna, otkriva potencijalne slabe tačke i preporučuje optimalne konfiguracije. Time se smanjuje rasipanje materijala i ispunjavaju zahtevi industrijskih standarda. Sa razvojem AI alata možemo očekivati dosta efikasnije i brže projektovanje veza. Već postoje rešenja koja u zavisnosti od intenziteta uticaja u čvoru i lokacije čvora (npr. ako je u pitanju spoj grede i stuba ili spoj dve ili više greda) daju predlog veze sa već unapred definisanim debljinama limova, brojem i prečnikom zavrtnja i debljinama zavara. Naravno, inženjer mora detaljno da proveri ovu vezu i da utvrdi da su svi elementi sigurni i da ispunjavaju sve norme propisane standardima, ali ovakav tip konstruisanja veza predstavlja izuzetno efikasno rešenje, posebno za velike i kompleksne konstrukcije sa velikim brojem čvorova.

• 3D štampanje u proizvodnji čelika

Aditivna proizvodnja omogućava izradu prilagođenih čeličnih spojeva sa složenim geometrijama koje ranije nisu bile ostvarive. Ova tehnologija je posebno korisna za projekte koje karakteriše jedinstvena arhitektura ili visoki naponi.

• Održivi materijali i dizajn

Principi održivosti pokreću inovativnost, te inženjeri istražuju visokootporni reciklirani čelik i alternativne metode pričvršćivanja koje smanjuju količinu ugljenika sadržanog u konstrukcijama. Energetski efikasne tehnike proizvodnje, poput laserskog zavarivanja, postaju sve popularnije zbog preciznosti i minimalnog uticaja na životnu sredinu.

• Napredne simulacije i integracija sa „AR“

Alati proširene stvarnosti (takozvani „AR“) sada su integrisani u sam proračun veza, što omogućava inženjerima da interaktivno testiraju svoje projekte u simuliranim okruženjima pre same izrade. Na taj način se olakšava vizualizacija i otkrivanje grešaka.

Zaključak: Šta nosi budućnost?

Proračun veza kod čeličnih konstrukcija postaje sve sofisticiraniji i efikasniji zahvaljujući naprednim tehnologijama i većem fokusu na održivosti. Inženjeri koji prate najnovije softverske alate, metodologije i najbolje prakse biće spremni da odgovore na izazove koje nosi 2025. i godine koje slede.

Za dodatne informacije i stručne savete o proračunu veza kod čeličnih konstrukcija, kontaktirajte naš tim u TIM GLOBAL ENGINEERING. Spremni smo da vam pomognemo na putu kroz sve dinamičniji svet projektovanja konstrukcija s poverenjem.