förstyvningar är sekundära plattor eller sektioner som är fästa vid balkbanor eller flänsar för att styva dem mot ut ur plandeformationer.

nästan alla huvudbrobalkar kommer att ha förstyvningar. De flesta kommer emellertid bara att ha tvärgående banstyvningar, dvs vertikala förstyvningar fästa på banan. Djupa balkar har ibland också längsgående banstyvningar. Fläns förstyvningar kan användas på stora spännvidd Box Balk broar men är osannolikt att påträffas någon annanstans.

vägledning om utformningen av förstyvningar ges nedan och i Vägledningsanmärkningar GN 2.04 och GN 2.05.

Stiffeners.jpg

typer av förstyvning

det finns två huvudtyper av förstyvning:

• längsgående banstyvningar, som är inriktade i spännriktningen
• tvärgående förstyvningar, som är inriktade normalt mot strålens spännriktning.

• Types of stiffeners
• 

  Stiffeners on I-section girders

• 

  Stiffeners on box girders

• 

  längsgående och tvärgående förstyvningar i en lådbalk
  (bild med tillstånd av Atkins)

  tvärgående banstyvningar tillhandahålls vanligtvis vid lagerpositioner och dessa kallas lagerstyvningar. För framtida underhåll är det bra att tillhandahålla lagerstyvningar vid jackpunkter (för när balkar måste höjas till fria lager för utbyte). Andra tvärgående förstyvningar kallas mellanliggande tvärgående banstyvningar.

  R19 Fig4.png

  Transverse web stiffeners
  (bild med tillstånd av Arup)

  
  

  Boxbalkar har vanligtvis membran vid positioner av stöd istället för förstyvningar. Dessa är vanligtvis fasta plattor över insidan av lådan.

  Förstyvningsavsnitt

  R19 Fig5.PNG

  Förstyvningsavsnitt

  en mängd olika sektioner har historiskt använts som förstyvningar, men den enkla platta förstyvningen är den typ som nästan alltid används i modern design. Förstyvningar kan fästas på ena sidan av plattan (enkelsidig) eller på båda sidor (dubbelsidig). Vanligtvis bär förstyvningar är dubbelsidiga, medan mellanliggande banstyvningar är enkelsidiga. Förstyvningar kan också fördubblas, eller till och med tredubblas, för att bilda flerbensstyvningar.

  Vad är förstyvningar för?

  förstyvningar har en eller båda av följande funktioner:

  • kontroll av lokal buckling
  • anslutning av stag eller tvärgående balkar

  kontroll av lokal buckling

  Lokal buckling uppstår när ett tvärsnitt är tillräckligt smalt för att buckling ska uppstå inom tvärsnittet, antingen på grund av kompression eller skjuvning. Banorna av brobalkar är vanligtvis sårbara för lokal buckling, men flänsar är vanligtvis mycket tjockare och i sig mer motståndskraftiga mot buckling.

  Lokal buckling kan uppstå på grund av tvärgående kompressionsbelastning, t.ex. en bana som utsätts för en lagerreaktion, längsgående kompressionsbelastning, t. ex. från böjning eller från skjuvning.

  i alla fall kan tillsatsen av en relativt liten förstyvning till en smal platta öka motståndet mot lokal buckling väsentligt.

  R19 Fig6.PNG

  orsaker till tvärgående förstyvningar

  
  

  R19 Fig7.png

  orsaker till längsgående förstyvningar

  
  

  ansluta stag eller tvärgående balkar

  det enklaste sättet att spänna stålbalkar tillsammans är genom att fästa stagningen på tvärgående förstyvningar. Således förstyvningspositioner nästan alltid sammanfaller med stag positioner.

  i en stege däck banorna av tvärgående balkar kan anslutas direkt till helljusstyvningar, så förstyvning avstånd matchar tvärgående balk avstånd. I en flerbalksbro med korsstöd är stagelementen vanligtvis anslutna till helljusstyvningarna, så att förstyvningsavståndet är detsamma som stagningsavstånd.

  R19 Fig8.PNG

  exempel på förstyvningar som förbinder stagning

  
  

  designa förstyvningar för lokal buckling

  det finns två steg i utformningen av förstyvningar. Först måste designen identifiera var förstyvningar behövs för att huvudbalkarna ska vara tillräckliga. Då måste förstyvningarna själva utformas.

  lagerförstyvningar

  EN 1993-1-5, avsnitt 5.1 (2) ger ett kriterium för när lagerförstyvningar är obligatoriska. De flesta brobalkar kommer att kräva lagerförstyvningar enligt detta kriterium. Även om lagerstyvningar inte krävs enligt denna klausul kan de fortfarande tillhandahållas om så önskas – detta kan gynna skjuvmotståndet enligt EN 1993-1-5 klausul 5.3.

  R19 Fig9.PNG

  Ändstolpar

  vid Ändstöd, om lagerförstyvningar ska tillhandahållas, måste ett beslut fattas om huruvida en ”styv ändstolpe” ska tillhandahållas, som visas i EN 1993-1-5, figurer 5.1 och 9.6. En styv ändstolpe kommer att gynna skjuvmotståndet enligt EN 1993-1-5, Avsnitt 5.3. Även om äldre nitade balkar i Storbritannien kan ha en styv ändstolpe, har nyare brittisk praxis inte varit att tillhandahålla styva ändstolpar utan att tillhandahålla en ”icke-styv ändstolpe”. Om en styv ändstolpe krävs anges minimikrav för förstyvning i EN 1993-1-5 avsnitt 9.3.1.

  Efter att ha beslutat att lagerstyvningar ska tillhandahållas, för att verifiera utformningen av lagerstyvningar, bestämma den effektiva förstyvningsdelen i enlighet med EN 1993-1-5, avsnitt 9.1 (2). Observera att flerbensstyvningar måste delas upp i separata effektiva tvärsnitt och belastningarna delas mellan dem. Vägledning om utformning av lagerförstyvningar ges i avsnitt 8.3.2 i SCI P356.

  de belastningar som ska beaktas vid utformningen av lagerförstyvningar anges i PD 6695-2 klausul 16. Huvuddelen av belastningen på förstyvningen kommer att vara den vertikala belastningen från lagerreaktionen. Det kommer att finnas horisontell belastning att överväga att motstå FS-krafter som anges i PD 6695-2 klausul 10, Det kan också finnas horisontell belastning från lagret om det är fixerat. Dessa belastningar kan generera böjmoment i förstyvningsdelen.

  Efter att ha bestämt belastningen, kontrollera den valda förstyvningsstorleken genom att kontrollera att den effektiva förstyvningsdelen är tillräcklig för att fungera som en kolonn för kombinerad axiell belastning och böjmoment enligt kraven i EN 1993-1-5, avsnitt 9.4.

  mellanliggande tvärgående banstyvningar

  det är vanligtvis nödvändigt att tillhandahålla mellanliggande förstyvningar på helljusbanor för det praktiska syftet att ansluta vridningsstöd mellan balkarna. Om så är fallet bestämmer de valda stagpositionerna positionerna för åtminstone några av förstyvningarna. Men för balkar utan stag, såsom tvärgående balkar i en stege däck bro, eller om planen stag används, det kan finnas någon praktisk nödvändighet för mellanliggande förstyvningar alls. Kravet på mellanliggande tvärgående banstyvningar bestäms av verifieringen av skjuvmotståndet – detta kommer att indikera var förstyvningar behövs och där förstyvningar extra till de för stagning behövs.

  verifiering av strålens skjuvmotstånd utförs i enlighet med EN 1993-1-5, avsnitt 5.2 (1) och 5.3 (1). Observera att styrkan från banan som kommer från EN 1993-1-5 avsnitt 5.3.3 och EN 1993-1-5 bilaga A. 3 är funktion av förekomsten och avståndet mellan mellanliggande förstyvningar, och om dessa mellanliggande förstyvningar klassificeras som styva. Som ett första steg i designen föreslås att det ursprungligen antas att det inte finns några mellanliggande förstyvningar alls; om detta visar att strålen är tillräcklig i skjuvning kommer fördelen med eventuella mellanliggande förstyvningar för att fästa fästet att vara en bonus.

  om ovanstående procedur bestämmer att mellanliggande förstyvningar krävs, måste konstruktören välja positioner och avstånd för dessa förstyvningar och bestämma om de behöver vara styva. Verifiering av förstyvningsstorleken liknar den för lagerstyvningar, med början med bestämning av den effektiva förstyvningsdelen i enlighet med EN 1993-1-5, avsnitt 9.1 (2). För att testa om förstyvningen är styv, kontrollera att kravet i EN 1993-1-5, avsnitt 9.3.3 (3) är uppfyllt.

  de belastningar som ska beaktas vid utformningen av lagerförstyvningar anges i PD 6695-2 klausul 15. Belastningar på mellanliggande förstyvningar är vanligtvis mycket mindre än för bärande förstyvningar men förstyvningar kan fortfarande vara föremål för krafter och stunder på grund av interaktion med tvärgående balkar eller stag. Till exempel, i en stege däckbro, kommer skjuvningen i de tvärgående balkarna att orsaka en axiell kraft i strålkastarens förstyvning. Det kan också finnas horisontell belastning att överväga från stagningen som kan generera böjmoment i förstyvningsdelen. Efter att ha bestämt belastningen, kontrollera den valda förstyvningsstorleken genom att kontrollera att den effektiva förstyvningsdelen är tillräcklig för att fungera som en kolonn för kombinerad axiell kraft och böjmoment (om någon) enligt kraven i EN 1993-1-5 avsnitt 9.4.

  om det inte finns någon direkt belastning på förstyvningen från något av ovanstående är det endast nödvändigt att säkerställa att den effektiva förstyvningsdelen uppfyller styvhetskriteriet i EN 1993-1-5, avsnitt 9.2.1 (5). Ytterligare vägledning om utformning av mellanliggande förstyvningar ges i avsnitt 8.3.1 i SCI P356.

  längsgående förstyvningar

  som tidigare nämnts har de flesta broar inte längsgående förstyvningar. Längsgående förstyvningar bör inte vara nödvändiga på någon del av en sektion som aldrig är i kompression eller på någon del av sektionen som klassificeras som klass 1, 2 eller 3 i enlighet med EN 1993-1-1, avsnitt 5.2.2 (8). Även om delen av sektionen klassificeras som klass 4, kan längsgående förstyvningar fortfarande inte krävas. För att avgöra om balkarna har tillräcklig böjhållfasthet utan längsgående förstyvningar är proceduren enligt EN 1993-1-5 avsnitt 4.4. För att avgöra om längsgående förstyvningar krävs på banan för att ge huvudbalkarna tillräcklig skjuvhållfasthet, är proceduren som för mellanliggande förstyvningar, dvs för att verifiera strålens skjuvmotstånd enligt EN 1993-1-5 klausulerna 5.2(1) och 5.3(1).

  R19 Fig10.PNG

  kontinuerliga och diskontinuerliga längsgående förstyvningar

  
  

  om de finns kan längsgående förstyvningar vara kontinuerliga eller diskontinuerliga, beroende på oavsett om de är kontinuerliga genom tvärgående förstyvningar och membran. Diskontinuerliga längsgående förstyvningar stoppar och startar igen på vardera sidan av den tvärgående förstyvningen så att de inte tar upp globala längsgående spänningar från banan eller flänsen som de är fästa på. De är där helt enkelt för att motstå knäckning på banan eller flänsen. Kontinuerliga längsgående förstyvningar tar dock upp globala spänningar och lägger till tvärsnittet.

  om längsgående förstyvningar ska tillhandahållas ska de kontrolleras genom att kontrollera att den effektiva förstyvningsdelen är tillräcklig för att fungera som en kolonn enligt kraven i EN 1993-1-5, avsnitt 9.2.2 (3).

  förstyvning med detaljer

  Lagerstyvningar

  Vid lager måste förstyvningarna vanligtvis vara ganska betydande för att motstå de höga tryckkrafterna och kan eventuellt behöva vara flerbenstyvningar. Vanligtvis krävs en dubbelsidig förstyvning för att undvika en hög excentricitet av lastning. Bärande förstyvningar är vanligtvis tjockare än banan.

  det är viktigt att se till att förstyvningen är ”monterad” på bottenflänsen, vilket innebär att förstyvningen är slipad för att få god kontakt med flänsen. Detta innebär att förstyvningens andel av den axiella kraften i den effektiva förstyvningsdelen kan överföras genom direktkontakt mellan flänsen och förstyvningen. Ett enkelt sätt att bestämma förstyvningens andel av axiell kraft är att beräkna spänningen vid dess centroid, med hänsyn till excentricitet av axiell kraft på den effektiva sektionen, och multiplicera sedan denna spänning med förstyvningsområdet.

  svetsar är nästan alltid kontinuerliga kälsvetsar runt båda sidor av förstyvningen. En enkel 6 mm benlängdsvetsning kan vara tillräcklig men kan ofta behöva vara 8 mm eller 10 mm. svetsen måste vara dimensionerad för att kunna överföra förstyvningens andel av lagerbelastningen till banan.

  mellanliggande förstyvningar

  R19 Fig11.PNG

  förstyvningen breddas för att ge utrymme för anslutningar

  för mellanliggande tvärgående banstyvningar behöver förstyvningen förmodligen inte vara särskilt stor. Vanligtvis har en enkelsidig 150x15mm-platta tillräcklig styrka och styvhet. Ibland måste förstyvningsstorleken ökas för att rymma anslutningar. Detta kan göras genom att öka plattstorleken till 200x20mm eller kanske 250x 5mm. Alternativt kan förstyvningsbredden ökas lokalt för att ge Anslutningsområde, såsom visas.

  traditionellt har förstyvningsbredden till tjockleksförhållandet begränsats till högst 10 för att undvika lokal buckling. Eurokoderna har emellertid ingen begränsning av detta förhållande, och mer smala förstyvningar är tillåtna, även om kontroller kan behöva göras för att de inte kommer att riskera från lokal knäckning. Det spelar ingen roll om förstyvningen om tjockare än banan, så generellt rekommenderas tjockare förstyvningar.

  för att ge bron ett rent utseende är det normalt att utforma de yttre balkarna så att de mellanliggande tvärgående förstyvningarna är på banans inre yta och därmed inte synliga på höjden.

  om det inte finns en väsentlig axiell kraft på förstyvningen, bör en enkel svetsdetalj som en 6 mm benlängd kontinuerlig kälsvetsning runt båda sidorna av förstyvningen vara tillräckligt stark och hållbar.

  ytterligare vägledning om anslutning av stag finns i Vägledningsnot 2.03.

  anslutningar till flänsen

  R19 Fig12.PNG

  förstyvning till flänsanslutningar

  tvärgående banstyvningar svetsas ibland till flänsen och stoppas ibland strax under en eller båda flänsarna.

  behovet av en anslutning till en fläns beror på om krafter behöver överföras till flänsarna. Om det finns en betydande axiell kraft som ska överföras till förstyvningen från en av flänsarna kommer det att vara nödvändigt att svetsa förstyvningen till den flänsen. Därför måste lager förstyvningar anslutas till bottenflänsen om en del av lagerreaktionen ska överföras till förstyvningen. Om det finns stagning ansluten till förstyvningen är det troligt att det är nödvändigt att svetsa förstyvningen till kompressionsflänsen för att överföra den laterala skjuvkraften. En anslutning till toppflänsen förhindrar också ett utmattningsproblem i toppflänsen till bansvetsning när däcket försöker rotera över strålen på grund av trafikbelastningar. Fördelen med att stoppa förstyvningen kort av flänsen är att den undviker en potentiell vattenfälla på den övre ytan av bottenflänsen. Detta är särskilt viktigt att undvika på vittring stålbroar.

  om en förstyvning ska svetsas till en fläns, skulle normala konstruktionstoleranser resultera i ett litet mellanrum mellan förstyvningen och flänsen, såvida inte förstyvningen är monterad; alla krafter kommer därför att överföras genom svetsarna. Men om en förstyvning är monterad på flänsen, kommer tillverkaren att slipa förstyvningsänden för att passa bra med flänsen över en betydande del av förstyvningsområdet. Denna övning kräver ytterligare arbete (och kostnad) så förstyvningar bör endast monteras vid behov, t.ex. för lagerstyvningar och för förstyvningar vid förändring av flänsriktningen. Det är inte praktiskt möjligt att montera en förstyvning på båda flänsarna så att den monterade änden kommer att vara i slutet där den största kraften ska överföras, vanligtvis bottenflänsen.

  R19 Fig13.PNG

  förstyvning till flänsanslutningar

  
  

  hantera hål

  R19 Fig14.PNG

  Snipe and cope hole details

  i hörnet av en tvärgående banstyvning där förstyvningsplattan möter banan för att flänssvetsa, kommer det att vara nödvändigt att forma förstyvningen för att undvika svetsen. Det finns två alternativ, antingen enkelbeckasin förstyvningen för att passa banan för att fläns svetsa och svetsa upp alla gränssnitt, eller ge en klara hål. Även om det första alternativet kräver svetsning en svets ovanpå en annan, kan denna detalj vara lättare att tillverka än den andra, eftersom det är svårt att på ett tillfredsställande sätt slutföra kontinuerliga svetsar runt klara hål och applicera färg på alla ytor.

  1. 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 BS EN 1993-1-5:2006 + A2: 2019. Eurokod 3: konstruktion av stålkonstruktioner. Pläterade strukturella element. BSI
  2. 2.0 2.1 2.2 PD 6695-2:2008+A1:2012 rekommendationer för konstruktion av broar till BS EN 1993. BSI
  3. BS EN 1993-1-1: 2005 + A1:2014, Eurokod 3: Design av stålkonstruktioner. Allmänna regler och regler för byggnader, BSI

  resurser

  • Iles, D. C. (2010) sammansatt motorvägsbrodesign. (P356 inklusive rättelse, 2014). SCI
  • Hendy, Cr; Iles, DC (2015) Steel Bridge Group: vägledning om bästa praxis inom stålbrokonstruktion (6: e utgåvan). (P185). SCI
    • vägledning not 2.03 stag-och tvärbalkanslutningar
    • vägledning not 2.04 bärande förstyvningar
    • vägledning Not 2.05 mellanliggande tvärgående banstyvningar

  Se även

  • flerbalkskompositbroar
  • stege däck komposit broar
  • Box balkbroar
  • vittring stål
  • broar-initial design
  • design av balkar i kompositbroar
  • Utmattningsdesign av broar
  • Stagningssystem
  • anslutningar i broar
  • broartikulation och lagerspecifikation
  • design för stålbrokonstruktion
  • motorvägar England dmrb (Designhandbok för vägar och broar)
  • motorvägar England MCDHW (Manual of Contract Documents for Highway Works)
  • Stålbrogruppen (SBG)