Laboratory tests and numerical analysis of façade sub-structure made of austenitic steel

• Autorzy: Cwyl Maciej , Wierzbicki Stanisław , Michalczyk Rafał

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.143036

Warianty tytułu

PL

Badania laboratoryjne i analizy numeryczne dotyczące konstrukcji elewacji ze stali austenitycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article presents a study of a wall cladding system composed of stainless steel sub-frame and composite, fibre-reinforced concrete cladding panels, which was been installed on a high-rise public building. The study focused on the assessment of strength, safety and durability of design through laboratory tests and numerical analyses. The laboratory tests were conducted using a threedimensional tests stand and a full-scale mock-up of the wall cladding system built at the laboratory using the actually used materials and cladding panels. The boundary conditions and the test loads corresponded to the values of actions determined during the engineering phase of the high-rise building under analysis. Noteworthy, wind actions were verified by supplementary wind tunnel testing. In addition, the stainless steel was also tested to determine the strength properties of the material actually used in construction. These test were carried out just before commencement of the curtain wall installation. The 3D model was constructed with the application of the finite element method (FEM) to obtain adequate representation of geometry, material performance and structural behaviour of the analysed wall cladding system. Particular attention was paid to determination of the parameters defining the behaviour of the cladding system sub-frame from the angle of plastic deformations of the stainless steel and the resulting failure mechanisms of the members of the structure itself. To this end, the stainless steel was subjected to appropriate performance tests to determine material properties including the values of the proportionality limit and yield strength.

PL

Współczesne konstrukcje metalowo-szklane notują bardzo intensywny rozwój w obszarze rozwiązań materiałowych, pełnionych funkcji w budynku oraz efektów wizualnych związanych z architekturą realizowanych obiektów. W artykule przedstawiono badania struktury elewacyjnej budynku wysokiego użyteczności publicznej, która została zaprojektowana w postaci rusztu ze stali nierdzewnej i kompozytowych paneli z betonu zbrojonego włóknami. Głównym celem niniejszej pracy była ocena nośności, bezpieczeństwa i trwałości projektowanych rozwiązań, poprzez badania laboratoryjne i analizy numeryczne. Badania laboratoryjne prowadzono na trójwymiarowym stanowisku badawczym, na fragmencie elewacji w skali rzeczywistej, który zbudowano w laboratorium z materiałów i okładzin zastosowanych na realizowanym obiekcie. Fragment elewacji badany w laboratorium został przygotowany przez wykonawców realizujących ocenianą fasadę budynku, co pozwoliło odwzorować standard wykonania taki jak na obiekcie. Warunki brzegowe oraz przyjęte obciążenia odpowiadały wartościom oddziaływań, wyznaczonym na etapie projektowania elewacji wieżowca, przy czym oddziaływania wiatru były weryfikowane uzupełniającymi badaniami w tunelu aerodynamicznym. Przeprowadzono również badania materiałowe stali nierdzewnej, mające na celu określenie rzeczywistych parametrów wytrzymałościowych zastosowanego materiału. Badania przeprowadzono bezpośrednio przed rozpoczęciem realizacji konstrukcji fasady budynku. Wyniki badań eksperymentalnych wykorzystano do walidacji modelu numerycznego odwzorowującego badany fragment elewacji Trójwymiarowy model zbudowano z wykorzystaniem metody elementów skończonych co pozwoliło na odpowiednie odwzorowanie zarówno geometrii, parametrów materiałowych jak i zachowania się analizowanego fragmentu elewacji. Szczególny nacisk położono w artykule na określenie charakterystyki pracy konstrukcji wsporczej elewacji w kontekście odkształceń plastycznych stali nierdzewnej oraz wynikające stąd mechanizmy zniszczenia elementów tej konstrukcji. W tym celu przeprowadzono badania materiałowe stali nierdzewnej w celu określenia parametrów takich jak granica proporcjonalności i granica plastyczności. W artykule wskazano na specyficzny charakter pracy wsporników konstrukcji wsporczej przy uwzględnieniu występowania odkształceń plastycznych charakterystycznych dla stali nierdzewnej. W pracy przedstawiono też mechanizm zniszczenia badanego fragmentu elewacji w przypadku jego przeciążenia.

Słowa kluczowe

EN

frame cladding system; fibre reinforced concrete; composite panel; stainless steel; finite element method; FEM; laboratory testing; wall cladding; discrete model

PL

fasada strukturalna; panel kompozytowy; beton zbrojony włóknami; stal nierdzewna; metoda elementów skończonych; MES; badanie laboratoryjne; model dyskretny

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 4
• Strony: 237--252
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Cwyl Maciej

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2894-7840

autor

Wierzbicki Stanisław

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7076-0641

autor

Michalczyk Rafał

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6499-3812

Bibliografia

• [1] C. Bedon, D. Honfi, K.V. Machalická, et al., “Structural characterisation of adaptive facades in Europe - part I: Insight on classification rules, Performance Metrics and design methods”, Journal of Building Engineering, 2019, vol. 25; DOI: 10.1016/j.jobe.2019.02.013.
• [2] C. Bedon, D. Honfi, K.V. Machalická, et al., “Structural characterisation of adaptive facades in Europe - part II: Validity of conventional experimental testing methods and key issues”, Journal of Building Engineering, 2019, vol. 25; DOI: 10.1016/j.jobe.2019.100797.
• [3] C. Bedon, X. Zhang, F. Santos, et al., “Performance of structural glass facades under extreme loads - design methods, existing research, current issues and Trends”, Construction and Building Materials, 2018, vol. 163, pp. 921-937; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.153.
• [4] EN 13830:2015 Curtain walling - Product standard.
• [5] M. Cwyl, R. Michalczyk, N. Grzegorzewska, A. Garbacz, “Predicting performance of aluminum - glass composite facade systems based on mechanical properties of the connection”, Periodica Polytechnica Civil Engineering, 2018, vol. 62, no. 1, pp. 259-266; DOI: 10.3311/PPci.9988.
• [6] T.G. Theodosiou, A.G. Tsikaloudaki, K.J. Kontoleon, D.K. Bikas, “Thermal bridging analysis on cladding systems for building facades”, Energy and Buildings, 2015, vol. 109, pp. 377-384; DOI: 10.1016/j.enbuild.2015.10.037.
• [7] AGS, “Elewacje wentylowane, systemy mocowań elewacji, zawiesia sufitowe, nierdzewne konsole do klinkieru, okien, łączniki, systemy mocowań bipv”. [Online]. Available: https://ags.org.pl/pl/produkty/. [Accessed: 16. Sept. 2021].
• [8] EN 1993-1-4:2006 Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 1-4: General rules - Supplementary rules for stainless steels.
• [9] Design manual for structural stainless steel, 4th. The Steel Construction Institute, 2017.
• [10] M. Cwyl, I. Dmowska-Michalak, A. Kaczmarczyk, R. Michalczyk, “Laboratory tests and numerical analysis of aluminum helping hand brackets with polyamide thermal break”, Archives of Civil Engineering, 2022, vol. 68, no. 2, pp. 409-426; DOI: 10.24425/ace.2022.140650.
• [11] EN 1991-1-4 Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions - Wind actions. CEN.
• [12] Simulia, ABAQUS v. 6.14; Computer Software and Online Documentation. Providence, RI, USA: Dassault Systems, 2018.
• [13] A. Ambroziak, “Load capacity of steel-aluminium brackets under static and cyclic laboratory tests”, Archives of Civil Engineering, 2021, vol. 67, no. 2, pp. 85-99; DOI: 10.24425/ace.2021.137156.
• [14] G. Schwind, E. Gerasimova, A. Gavamichev, J. Schneider, “Deflection of a cladding panel of fully tempered glass in curtain wall system”, Magazine of Civil Engineering, 2021, vol. 104, no. 4, pp. 1-15; DOI: 10.34910/MCE.104.3.