Post buckling resistance reserve of corrugated girders with support stiffeners

• Autorzy: Basiński Witold

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.143052

Warianty tytułu

PL

Pokrytyczne zapasy nośności dźwigarów o falistym środniku z żebrami podporowymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The analysis of web-corrugated and trapezoidal profiled web girders focuses on the description of buckling resistance, possibly the ultimate resistance neglecting the post-buckling resistance reserve of girders. The problem is still the post-buckling resistance reserve and its possible application in practice. For this purpose this paper presents the analysis of tests on shear resistance of the corrugated web of SIN girders with the support stiffeners in the pre- and post-buckling zones. There are also presented values of the post-buckling resistance zone and the mutual relationships between pre- and post-buckling resistance zones. Values of these zones are related to optimization of the web-corrugated girders, which consists in enlarging the zone of pre-critical resistance and balancing between shear resistance and bending resistance. The experimental tests were performed on 20 girders with the following web depth: 500, 1000, 1250, and 1500 mm, composed of three pre-assembled units. The girders with a simply supported beam system and a simply supported beam with a single cantilever were made of pre-assembled units joined by means of high strength preloaded bolts. The numerical analysis by FEM was conducted for the models with web depth from hw = 500 to 1500 mm at the full range of web thickness 2,0; 2,5, and 3 mm. The tests showed that stiffness of the support stiffeners in the web-corrugated girders had an impact on the size of pre- and post-buckling resistance zones, which consequently reduced the zone of post-buckling resistance. Because the initiated loss of stability of the corrugated-web girders is an irreversible and rapid process, and the resulting displacements in the non-linear area are permanent, the application of the post-buckling resistance zone in practice can be troublesome. From the standpoint of the structural reliability, however, the post-buckling zone provides a yield delay, i.e. it may be regarded as a safety margin. Therefore, its most possible reduction is required.

PL

Analiza dźwigarów o faliście wyprofilowanym środniku jak i środniku trapezowym koncentruje się na opisie nośności krytycznej, ewentualnie nośności granicznej pomijając przedział nośności nadkrytycznej dźwigarów. Problemem otwartym pozostaje zatem przedział nośności nadkrytycznej i jego możliwość wykorzystania w praktyce. W tym celu w niniejszej pracy przedstawiono analizę badań nośności postaciowej falistego środnika dźwigarów SIN z żebrami podporowymi w zakresie do i pokrytycznym. Badania doświadczalne przeprowadzono na dwudziestu dźwigarach o wysokości środnika 500, 1000, 1250 i 1500 mm złożonych z trzech elementów wysyłkowych. Dźwigary o schemacie statycznym belki swobodnie podpartej oraz belki swobodnie podpartej z jednostronnym wspornikiem zbudowano z elementów wysyłkowych połączonych doczołowo na śruby sprężone. Z kolei analizę numeryczną FEM przeprowadzono na modelach o wysokościach środnika od hw = 500 do 1500 mm przy pełnym zakresie grubości środnika 2.0; 2.5 i 3 mm. W celu określenia początku niestateczności falistego środnika przeanalizowano przebiegi odkształceń na ukośnych tensometrach naklejonych na środniku. Tensometry naklejono w postaci rozety na kierunku spodziewanych największych odkształceń. Kąt pomiędzy tensometrami w rozetach wynosił 120°. Na podstawie charakteru wykresów odkształceń określono punkt początkowy utraty stateczności falistego środnika, wiążąc z nim obciążenie krytyczne PeB, które przyjęto w punkcie utraty liniowego charakteru zależności obciążenia od odkształcenia P(ε). Analizując proces utraty stateczności falistego środnika rozróżniono zniszczenie dźwigarów niskich o hw = 500 mm i wysokich od hw = 1000 mm przyporządkowując im punkty utraty stateczności rozgraniczające obszar dokrytyczny oraz nadkrytyczny. W przypadku dźwigarów niskich o wysokości środnika 500 mm z żebrami podporowymi opisano lokalny proces zniszczenia środnika. Z koeli w przypadku dźwigarów o wysokości środnika od hw = 1000 mm stwierdzono wzajemne powiązanie lokalnej oraz globalnej postaci zniszczenia prowadzące do ich interakcji. W wyniku przeprowadzonych badań wykazano, że w dźwigarach o falistym środniku występuje wpływ sztywności żeber podporowych na wielkość przedziałów do i nadkrytycznego, prowadząc do redukcji przedziału nadkrytycznego nośności dźwigarów. W dźwigarach o falistym środniku przedział nadkrytyczny jest przedziałem zarówno odkształceń jak i przemieszczeń nieliniowych środnika. Stwierdzono, że nie nadaje się jednak do wykorzystania w eksploatacji, gdyż zapoczątkowany proces utraty stateczności jest nieodwracalny oraz gwałtowny, a powstałe przemieszczenia w obszarze nieliniowym są trwałe. Stanowi natomiast z punktu widzenia bezpieczeństwa zabezpieczenie przed katastrofą w postaci przystanku plastycznego. Zapas nośności dźwigarów o falistym środniku wyniósł wg badań doświadczalnych od 19% do 21% w dźwigarach z podporowym żebrem podatnym oraz od 8% do 21% w dźwigarach z podporowym żebrem sztywnym. W przypadku analizy numerycznej był nieco mniejszy i oscylował w przedziale od 8% do 9% w dźwigarach z podporowym żebrem podatnym oraz od 3% do 9% w dźwigarach z żebrem podporowym usztywnionym. Oszacowanie nadwyżki nośności dźwigarów o falistym środniku dało odpowiedź o możliwościach zwiększania nośności dokrytycznej w drodze optymalizacji konstrukcji, np. poprzez zastosowanie usztywnionych żeber podporowych, czy też możliwych przekątnych żeber rozciąganych.

Słowa kluczowe

EN

finite element; girder; corrugated web; SIN; post-buckling range; shear buckling; buckling resistance; support stiffener

PL

element skończony; dźwigar; środnik falisty; SIN; strefa nadkrytyczna; nośność na ścinanie; żebro podporowe

• 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: 513--536
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Basiński Witold

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-9306-4569

Bibliografia

• [1] Z. Mendera, K. Kuchta, Profiles of corrugated web of SIN girders. Principles of dimensioning. Cracow University of Technology, 2002.
• [2] J.T. Easley, “Buckling formulas for corrugated metal shear diaphragms”, Journal of the Structural Division, 1975, vol. 101, no. 7, pp. 1403-1417.
• [3] EN 1993-1-5:2006 Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-5: Plated structural elements. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium, 2008. http://www.phd.eng.br/wp-content/uploads/2015/12/en.1993.1.5.2006.pdf.
• [4] K. Kuchta, “Nośność i sztywność blachownic o falistych środnikach”, Ph.D. thesis, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej, Kraków, 2004.
• [5] M. Piekarczyk, Selected design problems of thin-walled steel members and connections in building structures. Kraków: Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 2019.
• [6] J. Rutecki, Cienkościenne konstrukcje nośne. Obliczenia wytrzymałościowe. Warszawa: PWN, 1966.
• [7] A. Piekarczuk, P. Więch, K. Kuczyński, R. Walentyński, “Experimental and computational approaches to the evaluation of double corrugated arch structures. A review of the latest advancements”, Archives of Civil Engineering, 2021, vol. 67, no. 2, pp. 7-35; DOI: 10.24425/ace.2021.137152.
• [8] H.H. Abbas, R. Sause, R.G. Driver, “Shear strength and stability of high performance steel corrugated web girders”, in SSRC Conference. 2002, pp. 361-387.
• [9] R.G. Driver, H.H. Abbas, R. Sause, “Shear behavior of corrugated web bridge girders”, Journal of Structural Engineering, 2006, vol. 132, no. 2, pp. 195-203; DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2006)132:2(195).
• [10] M. Elgaaly, R.W. Hamilton, A. Seshadri, “Shear strength of beams with corrugated webs”, Journal of Structural Engineering, 1996, vol. 122, no. 4, pp. 390-398; DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(1996)122:4(390).
• [11] R.W. Hamilton, “Behavior of welded girder with corrugated webs”, Ph.D. thesis, University of Maine, USA, 1993.
• [12] J. Moon, J. Yi, B.H. Choi, H. Lee, “Shear strength and design of trapezoidally corrugated steel webs”, Journal of Constructional Steel Research, 2009, vol. 65, pp. 1198-1205; DOI: 10.1016/j.jcsr.2008.07.018.
• [13] E.Y. Sayed-Ahmed, “Behavior of steel and (or) composite girders with corrugated steel webs”, Canadian Journal of Civil Engineering, 2001, vol. 28, no. 4, pp. 656-672; DOI: 10.1139/l01-027.
• [14] R. Sause, T.N. Braxtan, “Shear strength of trapezoidal corrugated steel webs”, Journal of Constructional Steel Research, 2011, vol. 67, no. 2, pp. 223-236; DOI: 10.1016/j.jcsr.2010.08.004.
• [15] J. Yi, H. Gil, K. Youm, H. Lee, “Interactive shear buckling behavior of trapezoidally corrugated steel webs”, Engineering Structures, 2008, vol. 30, pp. 1659-1666; DOI: 10.1016/j.engstruct.2007.11.009.
• [16] M.E.A.-H. Eldib, “Shear buckling strength and design of curved corrugated steel webs for bridges”, Journal of Constructional Steel Research, 2009, vol. 65, no. 12, pp. 2129-2139; DOI: 10.1016/j.jcsr.2009.07.002.
• [17] Projekt badawczy N N506 072538, Kształtowanie konstrukcji szkieletowych z dzwigarów o falistym środniku łączonych doczołowo. Gliwice: Politechnika Ślaska, 2013.
• [18] W. Basiński, “Shear buckling of plate girders with corrugated web restrained by end stiffeners”, Periodica Polytechnica Civil Engineering, 2018, vol. 62, no. 3, pp. 757-771; DOI: 10.3311/PPci.11554.
• [19] W. Basiński, Nośność dźwigarów o falistym środniku wzmocnionych żebrami podporowymi i przekątnymi. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2020.
• [20] Abaqus software adjustment to estimate resistance of corrugated web girders reinforced with end stiffeners. This research was supported in part by PL-GRID infrastructure, and also by the WIND grant.
• [21] EN 10002-1:2001 Metallic materials - Tensile testing - Part 1: Method of test at ambient temperature. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium, 2001.
• [22] W. Basiński, Z. Kowal, “Random strength parameters of steel corrugated webs and their influence on the resistance of SIN plate girders”, Architecture Civil Engineering, Environment, 2018, vol. 11, no. 3, pp. 65-77; DOI: 10.21307/ACEE-2018-039.
• [23] B.A. Memon, Xz. Su, “Arc-length technique for nonlinear finite element analysis”, Journal of Zhejiang University SCIENCE, 2004, vol. 5, pp. 618-628; DOI: 10.1631/jzus.2004.0618.