Proposal of concept for global analysis of hybrid beams – numerical investigation

• Autorzy: Kożuch Maciej , Skrętkowicz Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.147656

Warianty tytułu

PL

Koncepcja globalnej analizy statycznej belek hybrydowych – analizy numeryczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Investigation on the behaviour of hybrid beams is presented. Hybrid beam stands for an element with hybrid cross sections. This means sections that consist of steel and concrete parts, connected together with composite dowels, and both are considered for shear flow analysis. In practice, a more general solution may be used for bridges in the form of a beam in which the span sections are hybrid and the support sections are concrete. For the first time in the world, it was decided to introduce a girder in bridge construction, in which a concrete web with a thickness of only 20 cm was formed, directly connected to the steel web, so that a hybrid cross-section is created in accordance with the new European design regulations currently being developed (1994-1-102). The solution is new itself and requires also a new approach for internal forces determination. In this paper a parametric analysis of different hybrid beams with span range from 20 to 40 m and with different reinforcment ratio is performed to get knowledge on the influence of (1) concrete cracking and (2) rheology of concrete on the redistribution of internal forces. Results are analysed and conclusions are presented. As a final step, a general method for computer aided modelling of hybrid beams (hybrid beam concept) is proposed, which is based on the uncracked analysis. Such an analysis is designer-friendly and while appropriate benchmarked (as in this paper) can spare a lot of time needed for detailed iterative cracked analysis.

PL

W artykule przedstawiono rozważania związane z globalną analizą statyczną belek hybrydowych, czyli takich, w których występują przekroje hybrydowe. Przekrój hybrydowy złożony jest z części stalowej oraz betonowej, połączonych ze sobą zespoleniem typu composite dowels, w którym obie części (stalowa i betonowa) biorą niepomijalny udział w przenoszeniu ścinania poprzecznego (w przeciwieństwie do standardowych przekrojów zespolonych stalowo-betonowych, które składają się z belki stalowej i umieszczonej na niej płyty betonowej, pomijanej zazwyczaj w analizie ścinania poprzecznego). W praktyce stosuje się też (w mostach) rozwiązania bardziej ogólne, w których w strefach przęsłowych belek ciągłych wykorzystuje się przekroje hybrydowe, natomiast w strefach podporowych – przekroje betonowe. Przedstawiono przykłady takich obiektów. Opisywane rozwiązania są nowe i wymagają też nowego podejścia w procesie projektowania. Kwestia nośności (na zginanie, siłę osiową oraz ścinanie) samego przekroju poprzecznego została już opisana, brak jest jednak wytycznych co do prowadzenia globalnej analizy statycznej. Inaczej bowiem, niż w przypadku stosowanych do tej pory belek stalowych zespolonych z płytą betonową, zarysowanie części betonowych ma miejsce nie tylko w samej płycie betonowej, ale też w betonowych środnikach przekrojów hybrydowych, i to zarówno w strefach momentów ujemnych, jak i dodatnich. Wpływa to na swoistą dla belek hybrydowych redystrybucję momentów zginających. Również reologia betonu ma inny wpływ na wzbudzane siły wewnętrzne niż w przypadku standardowych belek zespolonych. Zagadnienia wpływu zarysowania betonu oraz jego reologii na redystrybucję sił wewnętrznych w belkach hybrydowych są przedmiotem niniejszego artykułu. Przedstawiono sposób modelowania efektu tension-stiffening z wykorzystaniem materiałowo nieliniowej analizy. Zbadano wpływ zarysowania betonu na siły wewnętrzne w belce w zależności od ilości zbrojenia w rozciąganych częściach betonowych. Obliczenia przeprowadzono dla czterech rozpiętości przęseł, od 10 do 40 m długości, przy założeniu schematu dwuprzęsłowej belki ciągłej. Geometrię (przekroje poprzeczne) dobrano tak, aby w części stalowej uzyskiwać naprężenia charakterystyczne ok. 260 MPa, a w zbrojeniu w strefie rozciąganej około 160 lub 320 MPa (rozważono te dwa przypadki jako skrajne oszacowania wartości mogących występować w realnej konstrukcji). Pokazano skalę redystrybucji w przypadku oddziaływania obciążeń grawitacyjnych: stałych i zmiennych oraz reologicznych: pełzania i skurczu oraz ich współdziałania. Ukazano zmiany momentu podporowego i przęsłowego, a wnioski uogólniono tak, aby możliwe było uproszczone szacowanie redystrybucji momentów także w układach wieloprzęsłowych. Na koniec przedstawiono wnioski prowadzące do powstania koncepcji globalnej analizy belek hybrydowych, w której autorzy proponują zupełne odwrócenie zasad opisanych w EN 1994.

Słowa kluczowe

EN

composite bridge; hybrid beam; tension-stiffening effect; composite dowel; shear connection

PL

most zespolony; belka hybrydowa; efekt tension-stiffening; zespolenie; composite dowel

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 4
• Strony: 205--226
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Kożuch Maciej

• Wroclaw University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering, Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1743-5233

autor

Skrętkowicz Łukasz

• Wroclaw University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering, Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-5174-1798

Bibliografia

• [1] W. Lorenc, “Composite dowels: the way to the new forms of steel-concrete composite structures”, Synergy of Culture and Civil Engineering – History and Challenges – IABSE Symposium 7-9 October 2020, Wrocław, Poland. IABSE, 2020, pp. 98-138, doi: 10.2749/wroclaw.2020.0093.
• [2] W. Lorenc and B. Bartoszek, “The new railway hybrid bridge in Dąbrowa Górnicza: innovative concept using new design method and results of load tests”, Studia Geotechnica et Mechanica, vol. 45, no. 2, pp. 89-111, 2023, doi: 10.2478/sgem-2023-0002.
• [3] M. Kożuch and Ł. Skrętkowicz, “Proposal of concept for structural modelling of hybrid beams”, Studia Geotechnica et Mechanica, vol. 44, no. 4, pp. 317-332, 2022, doi: 10.2478/sgem-2022-0023.
• [4] W. Lorenc and G. Seidl, “Composite dowels for bridges: trends and challenges for new European design rules”, presented at 9th International conference on composite construction in steel and concrete, 27-29 July 2021, online, Germany, 2021.
• [5] W. Kosecki, T. Kołakowski, R. Lewandowski, K. Bartosz, K. Sumińska, M. Lipski, M. Kożuch, P. Kozioł, W. Lorenc, and K. Marcinczak, “Nowe belki hybrydowe w obiektach mostowych na drodze ekspresowej S3 Troszyn-Świnoujście”, presented at Seminarium Naukowo-Techniczne Wrocławskie Dni Mostowe, 24-25 November 2022, Wrocław, Poland, 2022.
• [6] M. Kożuch, W. Lorenc, B. Bartoszek, A. Stempniewicz, H. Windorpski, M. Struczyński, R. Sęk, and W. Ochojski, “Application of rolled sections in composite bridges with span over 50 m”, presented at 9th International Conference on Composite Construction in Steel and Concrete, 27-29 July 2021, online, Germany, 2021.
• [7] M. Kożuch, H. Windorpski, M. Struczyński, and W. Ochojski, “Mosty zespolone o konstrukcji Krokodyl o rozpietosci przęsła 50-60 m”, presented at Seminarium Naukowo-Techniczne Wrocławskie Dni Mostowe, 24-25 November 2022, Wrocław, Poland, 2022.
• [8] T. Kaczmarek, T. Galewski, K. Topolewicz, R. Sęk, A. Radziecki, W. Ochojski, M. Kożuch, and W. Lorenc, “Polish experience with network arch bridges using coldbent HD sections”, Steel Construction, vol. 13, no. 4, pp. 271-279, 2020, doi: 10.1002/stco.202000034.
• [9] G. Seidl, E. Viefhues, J. Berthellemy, I. Mangerig, R. Wagner, W. Lorenc, M. Kożuch, J.M. Franssen, D. Janssen, J. Ikäheimonen, R. Lundmark, O. Hechler, and N. Popa, RFCS research project PrEco-Beam: Prefabricated enduring composite beams based on innovative shear transmission. EUR 25321 EN. Brussels: European Commission, 2013.
• [10] M. Feldmann, F. Möller, S. Möller, P. Collin, R. Hällmark, O. Kerokoski, W. Lorenc, M. Kożuch, S. Rowiński, M. Nilsson, L. Astrom, B. Norlin, G. Seidl, T. Hehne, O. Hoyer, M. Stambuk, and T. Hariu, ELEM: Composite bridges with prefabricated decks. EUR 25897 EN. Brussels: European Commission, 2013.
• [11] G. Seidl, N. Popa, R. Zanon, W. Lorenc, M. Kożuch, S. Rowiński, J.-M. Franssen, T. Fohn, C. Hermosilla, A. Farhang, and G. Nüsse, RFCS dissemination knowledge project PRECO+: Prefabricated Enduring Composite Beams based on Innovative Shear Transmission. EUR 27834 EN. Brussels: European Commission, 2014.
• [12] W. Lorenc, T. Kołakowski, A. Hukowicz, and G. Seidl, “Verbundbrücke bei Elbląg Weiterentwicklung der VFT-WIB-Bauweise”, Stahlbau, vol. 86, no. 2, pp. 167-174, 2017, doi: 10.1002/stab.201710463.
• [13] W. Lorenc and G. Seidl, “Innovative Konstruktionen im Verbundbrückenbau mit Verbunddübelleisten”, Stahlbau, vol. 87, no. 6, pp. 547-554, 2018, doi: 10.1002/stab.201810617.
• [14] B. Bartoszek, A. Stempniewicz, W. Ochojski, A. Adamczyk, G. Natonek, and W. Lorenc, “Railway bridge in Dąbrowa Górnicza using composite dowels: new system development of composite railway bridges (Most kolejowy w Dąbrowie Górniczej z zastosowaniem zespolenia composite dowels: opracowanie nowego systemu zespolonych mostów kolejowych)”, presented at WDM Symposium 2019, Wrocław, Poland, 2019.
• [15] W. Lorenc, A. Stempniewicz, and B. Bartoszek, New kind of externally reinforced structure of railway bridge with low construction height using rolled sections and composite dowels. R&D Final Report (Internal report for ArcelorMittal company, 2019.
• [16] R. Johnson, “Vertical shear in hybrid composite cross-sections of beams”, presented at WDM Symposium 2021, Wrocław, Poland, 2021.
• [17] W. Lorenc, “Przenoszenie siły poprzecznej a definicja konstrukcji zespolonej”, Mosty, no. 6, 2011.
• [18] W. Lorenc, “The model for a general composite section resulting from the introduction of composite dowels”, Steel Construction, vol. 10, no. 2, pp. 154-167, 2017, doi: 10.1002/stco.201710019.
• [19] W. Lorenc, S. Balcerowiak, J. Czajkowski, and J. Dobrzański, “The coherent concept of the lever arm in a cross-section”, presented at IABSE Symposium 2020, Wrocław, Poland, doi: 10.2749/wroclaw.2020.0684.
• [20] M. Kożuch, “Belki hybrydowe w mostach: definicja i koncepcja projektowania”, Mosty, no. 4, pp. 40-42, 2021.
• [21] W. Lorenc and M. Kożuch, “Introduction to hybrid sections and hybrid beams in bridges”, presented at WDM Symposium 2021, Wrocław, Poland, 2021.
• [22] EN 1992 Eurocode 2: Design of concrete structures (all parts).
• [23] EN 1994 Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures (all parts).
• [24] J. Bień, “Modelling of structure geometry in Bridge Management Systems”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 11, no. 3, pp. 519-532, 2011, doi: 10.1016/S1644-9665(12)60099-5.
• [25] ENV 1994-2:2001 Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures, Part 2: composite bridges.
• [26] C. Hendry and P. Johnson, Designers’ guide to EN 1994-2 Eurocode 4: Design of steel and composite structures. Thomas Telford, 2006.
• [27] CEP-FIB Model Code 2010.
• [28] J. Pędziwiatr and M. Musiał, “Calculation of second-order effects in columns – applications and examples”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 1, pp. 271-286, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.144173.
• [29] SOFiSTiK, ASE (General Static Analysis of Finite Element Structures) Manual. Oberschleißheim, Germany: SOFiSTiK, 2020.
• [30] W. Lorenc and J. Biliszczuk, “Konstrukcje hybrydowe – nowa idea żelbetu zbrojonego sztywnymi elementami stalowymi”, (Hybrid structures – a new idea of reinforced concrete using rigid steel elements), presented at 11 Konferencja Dni Betonu, Wisła, 2021.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).