Parametric analysis of mast guys within the elastic and inelastic range

• Autorzy: Matuszkiewicz Monika , Pigoń Renata

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.140162

Warianty tytułu

PL

Analiza parametryczna odciągów masztu w zakresie sprężystym i pozasprężystym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper concerns the computations of mast guys taking into account both geometric and physical nonlinearities. Experimental studies have been conducted, the aim of which was to determine δ - ε (stress - deformation) relation for steel rope and to determine the value of modulus of elasticity after its pre-stretching. Results of the research were used to create appropriate computational cable models within the elastic and inelastic range in SOFiSTiK software, based on FEM. The computational cable models were then used to perform parametric analyses of single cables with horizontal and diagonal chords and computations of a lattice guyed mast. The computational single cables results obtained in the SOFiSTiK software were confronted with the results obtained by the analytical method, based on the cable equation. The FEM analyses performed for single cables have proven usefulness of presented analytical procedure for computation of structures with cable elements (e.g. guyed masts) taking into account both the geometric and physical nonlinearity of the cables. It has been shown that while using steel ropes without pre-stretching, permanent deformations in the cables may occur, which affect the shape of the cable and may significantly reduce values of forces in the cables. This phenomenon can be particularly dangerous in the case of guyed masts, as it may affect the reduction in rigidity of the mast structure.

PL

Praca dotyczy obliczen odciagów masztu z uwzgędnieniem zarówno nieliniowości geometrycznej, jak i fizycznej. Przeprowadzono badania doświadczalne pewnej liny spiralnej. Celem badań było określenie zależności δ - ε liny (naprężenia - odkształcenia) oraz ustalenie modułu sprężystości liny po jej wstępnym przeciągnięciu. Wyniki badań wykorzystano do utworzenia odpowiednich modeli obliczeniowych cięgien w zakresie spreżystym i pozaspreżystym w środowisku programu SOFiSTiK, opartym o FEM. Modele obliczeniowe cięgna posłużyły do przeprowadzenia parametrycznej analizy porównawczej cięgna płaskiego, cięgna ukośnego oraz kratowego masztu z odciągami. Rezultaty obliczeń pojedynczych cięgien uzyskane w programie SOFiSTiK skonfrontowano z wynikami uzyskanymi metodą analityczną, na podstawie równania cięgna (techniczna teoria cięgna). Uzyskane wyniki okazały się zadowalające - różnice w obliczonych wartościach sił naciągu cięgna S w obu przykładach dla E = const nie przekraczały 1%. Dla E ≠ const różnice były nieco większe (około 2%), co można uzasadnić różnymi iteracyjnymi metodami przybliżonego rozwiązania. Niezależnie od kąta nachylenia cięciwy cięgna do poziomu, wyniki obliczeń cięgien w zakresie liniowo sprężystym i pozasprężystym różnią się istotnie. W pierwszym przypadku cięgna charakteryzują się mniejszymi odkształceniami i większymi siłami naciągu, a w drugim - większymi odkształceniami i mniejszymi siłami naciągu. Ponadto w linach pojawiają się trwałe odkształcenia (im większe obciążenie, tym większe wartości tych odkształceń), które nie znikają po odciążeniu. W przypadku masztów z odciągami zjawisko to może być na tyle niebezpieczne, że może spowodować znaczne zmniejszenie sztywności konstrukcji i utratę jej pionowości, a tym samym niekorzystnie wpłynąć na właściwości użytkowe masztu. Jak pokazuje praktyka projektowa, wstępne rozciąganie nowych lin o dużych długościach i średnicach jest często trudne do wykonania. Dlatego uzasadnione jest przeprowadzenie analiz konstrukcji masztów z uwzględnieniem nieliniowości fizycznej odciągów w przypadku, gdy odciągi wykonano z lin bez wstępnego przeciągnięcia. Przedstawione w artykule wyniki obliczeń dotyczą określonego typu lin stalowych, które były badane w warunkach laboratoryjnych i nie należy ich uogólniać. W przypadku lin stalowych o innej konstrukcji efekty nieliniowe mogą być inne - im więcej drutów w linie, tym charakterystyka naprężenia - odkształcenia jest bardziej nieliniowa. Uniwersalny charakter ma natomiast przedstawiona w pracy metoda postępowania w przypadku wykorzystania do konstrukcji lin bez wstępnego przeciągnięcia.

Słowa kluczowe

EN

experimental study; cable; geometric nonlinearity; global static analysis; mast guy; physical nonlinearity

PL

badanie doświadczalne; lina; analiza statyczna; analiza globalna; nieliniowość fizyczna; nieliniowość geometryczna; odciąg masztu

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 1
• Strony: 169--187
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Matuszkiewicz Monika

• Koszalin University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Environmental and Geodetic Sciences, Koszalin, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7479-4013

autor

Pigoń Renata

• Koszalin University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Environmental and Geodetic Sciences, Koszalin, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-3190-0197

Bibliografia

• [1] Eurocode 3. EN 1993-3-1: Design of steel structures. Part 3-1: Towers, masts and chimneys - Towers and masts. CEN Brussels 2006.
• [2] S.A. Sadrnejad, “Numerical solution of base shear in high tensioned cable antenna”, Numerical Methods in Civil Engineering, 2016, vol. 1, no. 2, pp. 21-30, http://nmce.kntu.ac.ir/article-1-24-en.html.
• [3] M. Matuszkiewicz, R. Orzłowska, “The influence of the second order effects on the results of computations of guyed masts with lattice shaft” (in Polish), Inzynieria i Budownictwo, 2017, no. 6, pp. 329-332.
• [4] Sz. Pałkowski, Cable structures. Warszawa: WNT, 1994.
• [5] Y.B. Yang, J.Y. Tsay, “Geometric nonlinear analysis of cable structures with a two-node cable element by generalized displacement control method”, International Journal of Structural Stability and Dynamics, 2007, vol. 7, no. 4, pp. 571-588, DOI: 10.1142/S0219455407002435.
• [6] H. Shi, H. Salim, “Geometric nonlinear static and dynamic analysis of guyed towers using fully nonlinear element formulations”, Engineering Structures, 2015, vol. 99, pp. 492-501, DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.05.023.
• [7] P.M. Páez, B. Sensale, “Analysis of guyed masts by the stability functions based on the Timoshenko beam-column”, Engineering Structures, 2017, vol. 152, pp. 597-606, DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.09.036.
• [8] Sz. Pałkowski, “Zur statischen Berechnung von Seilkonstruktionen im elastisch-plastischen Bereich”, Bauingenieur, 1992, no. 67, pp. 359-364.
• [9] M. Matuszkiewicz, “Computations of cable structures in the elastic-plastic range” (in Polish), Inzynieria i Budownictwo, 2003, no. 7, pp. 393-396.
• [10] F. Foti, A. de Luca di Roseto, “Analytical and finite element modeling of the elastic-plastic behaviour of metallic strands under axial-torsional loads”, International Journal of Mechanical Sciences, 2016, vol. 115-116, pp. 202-214, DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2016.06.016.
• [11] F. Meng, Y. Chen, M. Du, X. Gong, “Study on effect of inter-wire contact on mechanical performance of wire rope strand based on semi-analytical method”, International Journal of Mechanical Sciences, 2016, vol. 115-116, pp. 416-427, DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2016.07.012.
• [12] Y.A. Onur, “Experimental and theoretical investigation of prestressing steel strand subjected to tensile load”, International Journal of Mechanical Sciences, 2016, vol. 118, pp. 91-100, DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2016.09.006
• [13] B. Liang, Z. Zhao, X. Wu, H. Liu, “The establishment of a numerical model for structural cables including friction”, Journal of Constructional Steel Research, 2017, vol. 139, pp. 424-436, DOI: 10.1016/j.jcsr.2017.09.031.
• [14] R. Pigon, “Experimental study of mechanical properties of steel cables”, in The 2nd Baltic Conference for Students and Young Researches (BalCon 2018), 20-23 April 2018, Gdynia, Poland. MATEC Web of Conferences, 2018, vol. 219, no. 02004, DOI: 10.1051/matecconf/201821902004.
• [15] GmbH, Pfeifer Seil - und Hebetechnik. Pfeifer Tension Members. 2015, no. 10. https://www.pfeifer.info/out/assets/PFEIFER_TENSION-MEMBERS_BROCHURE_EN.PDF
• [16] PN-EN 12385-1+A1: Steel wire ropes. Safety. Part 1: General requirements. Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny, 2009.
• [17] PN-EN 13411-4: Terminations for steel wire ropes. Safety. Part 4: Metal and resin socketing. Warszawa: Polski Komitet Normalizayjny, 2013.
• [18] Millfield Enterprises (Manufacturing) Limited, WIRELOCK. Technical data manual. 2017. [Online].https://www.wirelock.com/wp-content/uploads/2016/02/Wirelock-Technical-Data-Manual-2-11-17.pdf
• [19] PN ISO 3108: Steel wire ropes for general purposes. Determination of actual breaking load. Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny, 1996.
• [20] Eurocode 3. PN-EN 1993-1-11: Design of steel structures. Part 1-11: Design of structures with tension components. Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny, 2008.
• [21] Chr. Petersen, Stahlbau. Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden, 1993.
• [22] U. Peil, “Bauen mit Seilen”, in Stahlbau-Kalender. 2000, pp. 690-755.
• [23] A. Der Kiureghian, J.L. Sackman, “Tangent geometric stiffness of inclined cables under self-weight”. Journal of Structural Engineering ASCE, 2005, vol. 131, no. 6, pp. 941-945, DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2005)131:6(941).
• [24] SOFiSTiK 2016 FEA. Oberschleissheim, Germany 2016.
• [25] Eurocode 1. PN-EN 1991-1-4: Actions on structures. Part 1-4: General actions - Wind actions. Warszawa: Polski Komitet Normalizacyjny, 2008.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).