KONSTRUKCE Media, s. r. o.Com4In Group
ISSN 1803-8433
English - Google Translate Česky - Překladač Google French - Google Translate Italian - Google Translate German - Google Translate Polish - Google Translate Spanish - Google Translate Swedish - Google Translate   |   Přihlásit se   
Nacházíte se:  Úvod    Projektování    Vplyv začiatočných imperfekcií na odolnosť tlačených oceľových prútov vyrábaných tvarovaním za studena

Vplyv začiatočných imperfekcií na odolnosť tlačených oceľových prútov vyrábaných tvarovaním za studena

Publikováno: 8.3.2012
Rubrika: Projektování

Rozvoj teórie pri návrhu a posudzovaní tenkostenných oceľových prútov a profilov vyrábaných tvarovaním za studena tvorí určitú bázu poznatkov pre ich uplatnenie v stavebnej praxi. Táto skutočnosť však neznamená, že sú v dostatočnej miere preskúmané všetky zložité a náročné procesy ich správania sa pri ich namáhaní a porušovaní. Dôležité sú lokálno-stabilitné požiadavky súvisiace s nepriaznivými vplyvmi vydúvania ich tlačených častí. Významné sú aj priaznivé vplyvy súvisiace s membránovými napätiami a pokritickým pôsobením tenkých stien. Rozdielne postupy výpočtu v rôznych normách (STN 73 1402:1988 a STN EN 1993-1-3:2006) a vzájomné porovnávanie ich výsledkov v konfrontácií s experimentálnymi výsledkami indikujú potrebu hlbšieho teoretického a experimentálneho preskúmania.

V tomto príspevku, ktorý nadväzuje na predchádzajúce práce prof. P. Juhása a jeho tímu, sú prezentované niektoré výsledky teoretickej analýzy a experimentálneho výskumu so zohľadnením vplyvu začiatočných imperfekcií spôsobených procesom výroby pri určovaní odolnosti tlačených prútov s tenkostennými prierezmi, vyrábaných tvarovaním za studena.

EXPERIMENTÁLNY PROGRAM A SKÚŠOBNÉ PRÚTY
Experimentálny program obsahoval 17 oceľových prútov s tenkostennými uzavretými prierezmi vyrábaných tvarovaním za studena, ktoré boli rozdelené do dvoch prierezových skupín. Skupina A mala štvorcové uzavreté prierezy, kým skupina B mala obdĺžnikové uzavreté prierezy, obrázky 1 a 2.

Prierezy prútov a ich rozdielne rozmery boli zvolené tak, aby v procese ich namáhania a porušovania sa rozhodujúcou mierou prejavilo pokritické pôsobenie jednotlivých tenkých stien a vzájomné spolupôsobenie ich priľahlých častí, tabuľka 1.

Základné geometrické charakteristiky navrhovaných prútov podľa noriem STN EN 1993- 1-3 a STN 73 1402 sú uvedené v tabuľke 2.

Tabuľka 1 – Experimentálny program a geometrické rozmery navrhovaných prútov
Skúšobné prvky Geometrické rozmery [mm] Oceľ
Prierezové skupiny Označenie b h t r L
A 1 A11, A12 100 100 2 3 300 S235
2 A21, A22, A23 150 150 450
3 A31, A32, A33 200 200 600
B 1 B11, B12, B13 150 100 450
2 B21, B22, B23 200 100 650
3 B31, B32, B33 200 150 600

Tabuľka 2 – Základné geometrické charakteristiky navrhovaných prútov
Prierezové skupiny STN EN 1993-1-3 STN 73 1402
βwb βwh λy λz βwb βwh λy λz
A 1 48,12 48,12 7,50 7,50 46,00 46,00 7,52 7,52
2 73,12 73,12 7,45 7,45 71,00 71,00 7,46 7,46
3 98,12 98,12 7,42 7,42 96,00 96,00 7,44 7,44
B 1 73,12 48,12 10,70 7,87 71,00 46,00 10,74 7,89
2 98,12 48,12 15,01 8,84 96,00 46,00 15,05 8,85
3 98,12 73,12 9,58 7,71 96,00 71,00 9,60 7,72

Z hľadiska lokálno-stabilitnej klasifikácie všetky steny jednotlivých prútov sú pri tlakovom namáhaní štíhle. Dĺžky prútov L sa pritom volili tak, aby z hľadiska celkovej stability rozhodovala ich prierezová odolnosť. Všetky prúty boli vyrobené z plechov nominálnej hrúbky 2 mm. Z každej tabule plechu sa odobrali materiálové vzorky a vyrobili skúšobné tyče normového tvaru, aby sa ťahovými skúškami zistili potrebné pevnostné charakteristiky použitej ocele. Pre dôsledné vyhodnotenie a analýzu experimentálnych výsledkov sa ešte pred samotnými skúškami uskutočnilo podrobné meranie skutočných rozmerov všetkých prútov.

Rozmery prierezov (výška h, šírka b, hrúbka plechu t) sa merali na koncoch a v strede prútov. Polomery zaoblenia r sa merali v každom rohu a dĺžky L sa merali na všetkých stranách prútov. Na základe priemerných hodnôt zistených jednotlivých rozmerov sa určili skutočné geometrické charakteristiky navrhovaných skúšobných prútov, tabuľka 3.

Pre hodnotenie experimentálnych výsledkov a pre nadväzujúce teoretické analýzy sú dôležité začiatočné tvarové odchýlky prútov, predovšetkým začiatočné vydutia stien, preto sa ešte pred skúškami v miestach vyznačenej siete zisťovali vydutia stien všetkých prútov pomocou indukčných snímačov, obrázok 3.

Bod „0“ sa volil v mieste, kde sa predpokladala minimálna deformácia po realizácie skúšky, aby sa merali relatívne výsledné deformácie prúta vzhľadom k tomu istému bodu. Pre ilustráciu uvádzame namerané začiatočné výrobné imperfekcie steny S1 skúšobného prúta B22 v jednotlivých bodoch vyznačenej siete. Namerané hodnoty sa potom zohľadnili pri tvorbe výpočtových modelov jednotlivých, tabuľka 4.

Tabuľka 3 – Skutočné geometrické rozmery a pevnostné charakteristiky skúšobných prútov
Prvok b h t r L fy fu
[mm] [MPa]
A11 105,80 103,87 2,12 3,0 300,98 240,67 360,00
A12 105,50 103,92 2,12 3,0 300,68 240,67 360,00
A21 154,80 155,12 2,16 3,0 450,20 241,00 358,33
A22 154,22 153,73 2,10 3,0 450,63 241,00 358,33
A23 153,80 153,73 2,11 3,0 448,83 241,00 358,33
A31 208,45 202,85 2,13 3,0 599,75 236,67 355,67
A32 206,50 203,25 2,10 3,0 600,00 236,67 355,67
A33 206,72 203,07 2,10 3,0 600,00 236,67 355,67
B11 157,12 102,52 2,11 3,0 450,70 241,00 360,67
B12 157,93 102,43 2,11 3,0 450,03 241,00 360,67
B13 159,37 101,83 2,11 3,0 450,03 241,00 360,67
B21 207,93 103,08 2,12 3,0 650,00 242,33 360,00
B22 207,47 103,18 2,10 3,0 649,88 242,33 360,00
B23 207,35 102,62 2,16 3,0 649,25 242,33 360,00
B31 206,98 152,57 2,10 3,0 600,25 240,00 358,33
B32 207,13 152,50 2,11 3,0 599,75 240,00 358,33
B33 206,90 153,13 2,14 3,0 599,50 240,00 358,33

Tabuľka 4 – Začiatočný stav vydutia steny prúta B22 – stena S1
bod merania meranie [mm] bod merania meranie [mm] bod merania meranie [mm] bod merania meranie [mm] bod merania meranie [mm] bod merania meranie [mm] bod merania meranie [mm] bod merania meranie [mm] bod merania meranie [mm] 
0 +0,00 14 +0,20 28 -0,25 42 +0,19 56 +0,15 70  +0,02  84  -0,13  98  -0,37  112  -0,40 
1 +0,04 15 -0,17 29 +0,18 43 +0,08 57 +0,10 71  +0,01  85  -0,09  99  -0,28 113  -0,40 
2 +0,06 16 +0,13 30 +0,11 44 -0,01 58 -0,01 72  -0,07  86  -0,10  100  -0,29  114  -0,40 
3 -0,12 17 +0,01 31 +0,01 45 -0,14 59 -0,12 73  -0,19  87  -0,21  101  -0,37  115  -0,41 
4 -0,24 18 -0,19 32 -0,15 46 -0,25 60 -0,25 74  -0,31  88  -0,38  102  -0,49  116  -0,63 
5 -0,39 19 -0,25 33 -0,19 47 -0,32 61 -0,33 75  -0,37  89  -0,46  103  -0,55  117  -0,56 
6 -0,59 20 -0,29 34 -0,19 48 -0,28 62 -0,36 76  -0,36  90  -0,43  104  -0,53  118  -0,69 
7 -0,50 21 -0,36 35 -0,27 49 -0,33 63 -0,33 77  -0,37  91  -0,44  105  -0,55  119  -0,53 
8 -0,63 22 -0,57 36 -0,36 50 -0,44 64 -0,50 78  -0,44  92  -0,50  106  -0,55  120  -0,64 
9 -0,93 23 -0,74 37 -0,61 51 -0,59 65 -0,61 79  -0,54  93  -0,60  107  -0,66  121  -0,63 
10 -0,83 24 -0,89 38 -0,80 52 -0,78 66 -0,82 80  -0,75  94  -0,72  108  -0,76  122  -0,86 
11 -1,20 25 -1,11 39 -1,02 53 -1,03 67 -1,03 81  -0,96  95  -0,91  109  -0,86  123  -0,79 
12 -1,25 26 -1,25 40 -1,19 54 -1,24 68 -1,17 82  -1,11  96  -1,05  110  -0,98  124  -0,83 
13 -1,51 27 -1,44 41 -1,20 55 -1,17 69 -1,13 83  -1,07  97  -1,06  111  -1,00  125  -0,87 

REALIZÁCIA EXPERIMENTU A VÝSLEDKY SKÚŠOK
Pri postupnom programovom priťažovaní a odľahčovaní prúta pomocou lisu sa vyšetrovali pomerné deformácie ε v strednom priereze a vydutia (priehyby stien w po dĺžke prúta). Pomerné deformácie ε sa merali odporovými tenzometrami a priehyby stien w pomocou indukčných snímačov napojených na meraciu ústredňu Hottinger Balwin UPM 60 a počítač pre priame zaznamenávanie a vyhodnocovanie výsledkov. Postup skúšok sa prispôsoboval skutočnému správaniu sa prútov, zisťovaným hodnotám pomerných deformácií ε a priehybov stien w. Skúšky pokračovali až do celkového porušenia prútov definovaného začiatkom postupného plynulého narastania pomerných deformácií ε a priehybov stien w. Po ukončení skúšky sa opätovne vyšetril konečný tvar vydutia stien v miestach vyznačenej siete ako aj tvar celkového porušenia prútov.

Celkové usporiadanie experimentálnych skúšok s miestami merania pomerných deformácií ε a priehybov stien w po dĺžke prúta B22 je znázornený na obrázku 4.

V súlade s cieľom výskumu sa dôraz kládol na vzájomné spolupôsobenie a pokritické pôsobenie jednotlivých stien prútov. Experimentálne a teoretické odolnosti všetkých skúšobných prútov podľa postupov uvažovaných noriem obsahuje tabuľka 5. Príslušné hodnoty jednotlivých odolností sú vypočítané s uvážením skutočných rozmerov a zistených medzí klzu. Pri výpočtoch sa uvažovalo kĺbové koncové podpretie prútov k obom osiam.

VÝPOČTOVÉ MODELY A ANALÝZA VÝSLEDKOV
Výpočtové 3D-modely skúšobných tenkostenných prútov boli vytvorené v programe ANSYS. Na ilustráciu sú v tomto príspevku porovnané teoretické a experimentálne výsledky prútov B22 a B23. Pri modelovaní bol použitý škrupinový prvok SOLSH190, ktorý sa používa pre simuláciu škrupinovej konštrukcie so širokým rozsahom hrúbok (tenké až stredne hrubé). Tento konečný prvok obsahuje osem uzlov s tromi stupňami voľnosti v každom uzle. Pri modelovaní a analýze sa simuloval postup experimentálnych skúšok. Model bol analyzovaný s uvažovaním geometricky a fyzikálne nelineárneho výpočtu s bilineárnym pracovným diagramom ocele.

Výsledné vydutie stien prúta B22 a priebeh ekvivalentných napätí s uvažovaním vplyvu výrobných imperfekcií sú prezentované na obrázku 5. Porovnávanie jednotlivých odolností prútov B22 a B23 je na obrázkoch 6 a 7.

Pri postupnom zaťažovaní modelu bol nájdený stav, kedy sa objavili prvé plastické zóny, teda stav prerozdelenia napätí. K zisteniu uvedenej hladiny rozvoja plastických zón bolo potrebné realizovať iteračný postup s malými prírastkami zaťaženia. Vhodným postupom priťažovania bola zistená prvá plastická zóna na vnútornom povrchu steny prúta. Následným priťažovaním sa rozvoj plastických zón prejavil aj na vonkajšej strane steny. Ďalším priťažovaním sa rozširovala plastická zóna po ploche steny prúta, a to v oblasti cca 1/3 jeho dĺžky.  Priťažovanie bolo sledované až do divergencie výpočtu (kolabs prúta).

Tabuľka 5 – Experimentálne a teoretické odolnosti skúšobných prútov
Prvok Npl,STN Npl,EN Nul,el,STN Nul,el,EN Nu,y,STN Nu,y,EN Nu,z,STN Nu,z,EN Nu,exp
[kN]
A11 206,67 204,02 193,54 177,92 193,54 177,92 193,54 177,92 164,77
A12 206,42 203,76 193,26 177,84 193,26 177,84 193,26 177,84 155,20
A21 315,64 312,94 225,41 206,80 225,41 206,80 225,41 206,80 -
A22 304,84 302,20 214,63 196,18 214,63 196,18 214,63 196,18 181,78
A23 306,01 303,36 216,29 197,99 216,29 197,99 216,29 197,99 178,59
A31 407,36 404,74 232,21 209,85 232,21 209,85 232,21 209,85 189,22
A32 400,55 397,96 225,66 204,70 225,66 204,70 225,66 204,70 195,59
A33 400,59 397,99 225,83 204,70 225,83 204,70 225,83

204,70

186,03
B11 257,27 254,62 217,26 187,42 217,26 187,42 217,26 187,42 159,45
B12 258,02 255,36 217,45 187,51 217,45 187,51 217,45 187,51 165,83
B13 258,19 255,55 216,69 186,66 216,69 186,66 216,69 186,66 158,39
B21 312,08 309,40 229,30 194,45 229,30 194,45 229,30 194,45 171,15
B22 309,28 306,62 226,30 191,76 226,30 191,76 226,30 191,76 173,27
B23 316,63 313,93 234,79 200,55 234,79 200,55 234,79 200,55 164,77
B31 355,59 352,96 234,82 201,00 234,82 201,00 234,82 201,00 195,59
B32 356,61 353,97 235,94 201,98 235,94 201,98 235,94 201,98 184,97
B33 363,52 360,86 243,57 208,89 243,57 208,89 243,57 208,89 204,10
Npl Plastická odolnosť s uvažovaním plného prierezu, definovaná dosiahnutím medze klzu fy
Nul.el Lokálna (pokritická) odolnosť s uvažovaním efektívneho prierezu, definované dosiahnutím medze klzu fy
Nu.y. Nu.z Vzperná odolnosť prúta k osiam y a z s uvažovaním efektívneho prierezu a pokritického pružno-plastického pôsobenia.

ZÁVER
Predmetnými experimentálnymi skúškami a teoretickou analýzou bolo prešetrené skutočné pretváranie, porušovanie, ako aj celková odolnosť prútov v závislosti od rozhodujúcich návrhových parametrov. Na základe vykonaných experimentálnych meraní, teoretickej analýzy a 3D-modelovania je možné konštatovať, že odolnosť tlačených tenkostenných prútov je v závažnej miere ovplyvnená začiatočnými imperfekciami ich stien.

Predmetné analýzy majú prispieť k rozšíreniu poznatkov o skutočnom správaní sa tenkostenných tlačených oceľových prútov vyrábaných tvarovaním za studena, s ohľadom na vzájomné spolupôsobenie a pokritické pôsobenie ich tenkých stien.

Okrem analýzy vplyvu začiatočných imperfekcií stien na odolnosť tlačených tenkostenných prútov je potrebné osobitnú pozornosť venovať aj účinnosti pozdĺžneho vystužovania tenkých stien takýchto prútov, ktorá je predmetom ďalšieho skúmania. Získané poznatky a výsledky majú prispieť k overeniu a spresneniu súčasných výpočtových postupov a návrhových kritérií, v konfrontácii s donedávna platnou normou STN 73 1402:1988 a novou normou STN EN 1993-1-3:2006 pre navrhovanie tenkostenných konštrukcií z profilov vyrobených tvarovaním za studena.

Príspevok bol vypracovaný v rámci projektu Podpora Centra excelentného integrovaného výskumu progresívnych stavebných konštrukcií, materiálov a technológií, podporeného zo štrukturálnych fondov na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Článek recenzoval
prof. Ing. Pavol Juhás, DrSc.

Impact of Initial Imperfections on the Resistance of Steel Bars Produced by Cold Forming
The paper presents basic information about experimental, theoretical and numerical research of the load-carrying capacity of thin-walled cold-formed compressed steel members. The investigated members have closed cross-sections made from homogeneous material. The theoretical-numerical analysis in this paper is oriented on the influence of the initial imperfections, caused by production process, on the load-carrying capacities of mentioned members, while the experimental investigation is to verify the theoretical results and to investigate the behavior of these members during the loading process.

Literatura :
[1] Juhás, P.: Mechanika pretvárania a porušovania nosných oceľových dielcov – plastické deformácie, Záverečná správa výskumnej úlohy P-12-124-003-02/7c, ÚSTARCH SAV, Bratislava 1973
[2] Juhás, P.: Únosnosť stien tlačených oceľových prútov. In: Zborník z konferencie: Stabilita dielcov a sústav, DT SVTS, Bratislava 1974, s. 160–166
[3] Juhás, P., Al Ali, M., Kokoruďová, Z.: Local stability and carrying capacity of thin-walled compressed members, In: Challenges, Opportunities and Solutions in Structural Engineering
and Construction, Las Vegas, USA 2009, London: Taylor & Francis Group, 2010, p. 149–155, ISBN 978-0-415-56809-8
[4] Juhás, P., Badák, M., Al Ali, M.: Výskum únosnosti tenkostenných tlačených oceľových prútov uzavretého prierezu. In: Výskum ústavu inžinierskeho staviteľstva v roku 2008: Ústavný seminár – prezentácia a diskusia výsledkov prác pracovníkov ústavu, TU – SvF Košice, 2009, s. 97–102
[5] Al Ali, M., Tomko, M., Badák, M.: Výskum a analýza odolnosti tlačených oceľových prútov tvarovaných za studena. In: Výskum ústavu inžinierskeho staviteľstva v roku 2010: prezentácia výsledkov prác pracovníkov ústavu, 9. – 10. december 2010, Herľany. Košice: TU, SvF, 2011 s. 13–18 ISBN 978-80-553-0582-0
[6] STN 73 1402:1988 Navrhovanie tenkostenných profilov v oceľových konštrukciách, UNM, Praha 1987
[7] STN EN 1993-1-3:2006 Design of steel structures – Part 3: Supplementary rules for cold-formed members and sheeting, CEN, Brussels 2006
[8] STN EN 1993-1-5:2006 Design of steel structures – Part 5: Plated structural elements, CEN, Brussels 2006
[9] ANSYS Inc. Theory, Release 9.0 [online]. Canonsburg: November 2004, 1062 p. http://www1.ansys.com/customer/content/documentation/90/ansys/a_thry90.pdf
[10] ANSYS Inc. Release 11.0 Documentation for ANSYS [online],2011 http://www.kxcad.net/

Bookmark
Ohodnoďte článek:

Fotogalerie
Obr. 1 – Schéma skúšobných prútov skupiny AObr. 2 – Schéma skúšobných prútov skupiny BObr. 3 – Schéma označenia siete skúšobného prúta B22Obr. 4a – Celkové usporiadanie skúšok – Skúšobných prút B22Obr. 4b – Celkové usporiadanie skúšok – Skúšobných prút B22Obr. 5a – Prút B22 – výsledné vydutia stien Obr. 5b – Prút B22 – ekvivalentné napätiaObr. 6 - Porovnávanie odolností prúta B22Obr. 7 – Porovnávanie odolností prúta B23

NEJčtenější souvisejicí články (v posledních 30-ti dnech)

Vystužovanie stĺpov a stien monolitických železobetónových nosných konštrukcií staviebVystužovanie stĺpov a stien monolitických železobetónových nosných konštrukcií stavieb (306x)
Monolitické železobetónové nosné konštrukcie stavieb majú veľa výhod. Vyžaduje sa však pri ich navrhovaní dodržiavať nie...
Numerický model Z vaznic za požáruNumerický model Z vaznic za požáru (107x)
Při návrhu ocelových za studena tvarovaných prvků v konstrukci je často důležité zohlednit jejich únosnost při požáru. P...
Pokročilé modely šroubů v přípojích ocelových konstrukcí (59x)
Problematika přípojů je klíčovou částí návrhu ocelových konstrukcí. V posledních letech se stále více rozšiřuje modelová...

NEJlépe hodnocené související články

„Pilotní projekt nasazení BIM naplno poukázal nutnost komplexní změny přístupu všech na staveništi. BIM prostě není jen 3D model…,“„Pilotní projekt nasazení BIM naplno poukázal nutnost komplexní změny přístupu všech na staveništi. BIM prostě není jen 3D model…,“ (5 b.)
uvedl v rozhovoru pro časopis KONSTRUKCE vedoucí oddělení rozvoje Statutárního města Třinec Ing. Daniel Martynek....
Od určité výšky haly byla z důvodu urychlení výstavby uplatněna ocelová konstrukceOd určité výšky haly byla z důvodu urychlení výstavby uplatněna ocelová konstrukce (5 b.)
Společnost Fatra v červnu dokončila výstavbu Nové válcovny za 1,4 miliardy korun, silně pokročila v oblasti montáže výro...
Rozšírenie výrobného areálu ZKW SLOVAKIA KRUŠOVCERozšírenie výrobného areálu ZKW SLOVAKIA KRUŠOVCE (5 b.)
STAT‑KON úspešne dokončil projekt rozšírenia výstavby – expanzia závodu ZKW Krušovce s náročným technologickovýrobným pr...

NEJdiskutovanější související články

Trimaran – komerční a kongresové centrum v Praze na PankráciTrimaran – komerční a kongresové centrum v Praze na Pankráci (1x)
Předmětem článku je projekt, výroba, montáž a předpínání ocelové superkonstrukce nového objektu Trimaran v Praze na Pank...
Normalizace v oboru ocelových konstrukcí (1x)
Tento příspěvek navazuje na informaci o současném stavu a výhledech technické normalizace z minulé konference [1]....
Výpočetní modely styčníků ocelových konstrukcíVýpočetní modely styčníků ocelových konstrukcí (1x)
Při návrhu ocelové konstrukce využije statik nejčastěji prutové prvky, ale na konstrukci je řada míst, kde prutová teori...

Server Vodohospodářské stavby

Rekonstrukce Vodního díla Nechranice

Rekonstrukce Vodního díla Nechranice