Numerical analysis on axial capacity of steel built-up battened columns

• Autorzy: Pieczka Paweł , Iwicki Piotr

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.140665

Warianty tytułu

PL

Analizy numeryczne nośności osiowej stalowych słupów złożonych z przewiązkami

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper deals with the numerical analysis aimed at study the bearing capacity of pinended steel built-up columns under axial compression. Finite element (FE) models were performed for the columns presented in the literature. The main problem discussed in the article is the shape and magnitude of geometric imperfections introduced into the numerical FE model, necessary to obtain the load capacity consistent with the experimental strength tests. Three types of numerical analysis that can be used in Abaqus program to calculate the load bearing capacity have been described. The imperfections possible to introduce for built-up columns were presented and an equivalent imperfection corresponding to both imperfections recommended by Eurocode 3 (global of the entire column and local of the chord) for built-up members was proposed. The results of the geometrically and materially nonlinear static analysis were compared with the calculations according to the code procedures (Eurocode 3 and PN-B-03200:1990) and the results of experimental tests.

PL

Artykuł dotyczy analiz numerycznych mających na celu zbadanie nośności stalowych słupów złożonych z przewiązkami poddanych ściskaniu osiowemu. Dla słupów znanych z literatury wykonano modele numeryczne w programie Abaqus. Przedstawiono sposób modelowania połączenia między przewiązką a gałęzią słupa (zakładając, że ze względu na sprężenie śruby połączenie jest sztywne). Głównym problemem poruszanym w artykule są wprowadzone do modelu imperfekcje geometryczne, niezbędne do uzyskania nośności zgodnej z badaniami wytrzymałościowymi. Opisano trzy rodzaje analiz numerycznych możliwych do wykorzystania w programie Abaqus do obliczenia nośności słupa, a następnie przedstawiono najkorzystniejszą z nich (ze względu na szybkość wykonywania obliczeń). Zaprezentowane zostały imperfekcje możliwe do wprowadzenia do modeli słupów złożonych oraz zaproponowano zastępczą łukową imperfekcję odpowiadającą obu imperfekcjom zalecanym przez Eurokod 3 dla słupów złożonych (globalna całego słupa oraz lokalna gałęzi). Obliczone zostały nośności dla dziewięciu typów słupów zgodnie z procedurami normowymi dla słupów złożonych (Eurokod 3 i PN-B-03200:1990), metoda zaproponowana w artykule [16] (obliczenie nośności na wyboczenie dla całego słupa zgodnie z procedurą EC3 dla elementów jednorodnych) oraz za pomocą geometrycznie i materiałowo nieliniowych analiz statycznych. Otrzymane wyniki porównano z wynikami z testów wytrzymałościowych znanych z literatury. Podjęto próbę określenia imperfekcji koniecznych do wprowadzenia do modeli numerycznych w celu uzyskania nośności zbliżonych do tych uzyskanych z badań wytrzymałościowych.

Słowa kluczowe

EN

steel column; battened column; built-up member; buckling; numerical analysis; axial capacity

PL

słup złożony; słup stalowy; przewiązka; wyboczenie; analiza numeryczna; nośność osiowa

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 2
• Strony: 665--677
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Pieczka Paweł

• Gdansk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3939-9816

autor

Iwicki Piotr

• Gdansk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1652-2594

Bibliografia

• [1] Abaqus, Theory Manual. Version 6.8. Hibbit, Karlsson, and Sorensen Inc., 2008.
• [2] M. Anbarasu, M.A. Dar, “Axial capacity of CFS built-up columns comprising of lipped channels with spacers: Nonlinear response and design”, Engineering Structures, 2020, vol. 213, DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.110559.
• [3] M. Anbarasu, M.A. Dar, “Improved design procedure for battened cold-formed steel built-up columns composed of lipped angles”, Journal of Constructional Steel Research, 2020, vol. 164, DOI: 10.1016/j.jcsr. 2019.105781.
• [4] EN 1993-1-1 Eurocode 3: Design of Steel Structures. Part 1.1: General rules and rules for buildings. CEN (European Committee for Standardization), 2005.
• [5] M. Dabaon, E. Ellobody, K. Ramzy, “Experimental investigation of built-up cold-formed steel section battened columns”, Thin-Walled Structures, 2015, vol. 92, pp. 137-145, DOI: 10.1016/j.tws.2015.03.001.
• [6] M. Dabaon, E. Ellobody, K. Ramzy, “Nonlinear behaviour of built-up cold-formed steel section battened columns”, Journal of Constructional Steel Research, 2015, vol. 110, 2015, pp. 16-28, DOI: 10.1016/j.jcsr.2015.03.007.
• [7] M.A. Dar, D.R. Sahoo, A.K. Jain, S. Sharma, “Monotonic tests and numerical validation of cold-formed steel battened built-up columns”, Thin-Walled Structures, 2021, vol. 159, DOI: 10.1016/j.tws.2020.107275.
• [8] M.A. Dar, N. Subramanian, M. Anbarasu, A.F. Ghowsi, P.A. Arif, A.R. Dar, “Testing and FE simulation of lightweight CFS composite built-up columns: Axial strength and deformation behaviour”, Thin-Walled Structures, 2021, vol. 167, DOI: 10.1016/j.tws.2021.108222.
• [9] M.A. El Aghoury, A.H. Salem, M.T. Hanna, E.A. Amoush, “Ultimate capacity of battened columns composed of four equal slender angles”, Thin-Walled Structures, 2013, vol. 63, pp. 175-185, DOI: 10.1016/j.tws.2012.07.019.
• [10] M. Giżejowski, S. Wierzbicki, I. Kubiszyn, “Projektowanie elementów zginanych według PN-EN 1993-1-1 i PN-EN 1993-1-5”, Inżynieria i Budownictwo, 2008, vol. 64, no. 3, pp. 134-145.
• [11] J. Goczek, Ł. Supeł, M. Gajdzicki, Przykłady obliczeń konstrukcji stalowych. Łódź: Politechnika Łódzka, 2010.
• [12] E. Grochowska, A. Matysiak, “Konstrukcje stalowe ze słupami dwugałęziowymi z przewiązkami wg norm PN i EN”, Przegląd Budowlany, 2014, no. 9, pp. 41-45.
• [13] S. Kherbouche, A. Megnounif, “Numerical study and design of thin walled cold formed steel built-up open and closed section columns”, Engineering Structures, 2019, vol. 179, pp. 670-682, DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.10.069.
• [14] P. Lorkowski, B. Gosowski, “Experimental and numerical research of the torsion problem of built-up steel columns laced in a single plane”, Engineering Structures, 2018, vol. 160, pp. 566-580, DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.01.049.
• [15] K. Mitsui, A. Sato, “Flexural Elastic Buckling Stress of Batten Type Light Gauge Built-Up Member”, Civil and Environmental Engineering Reports, 2017, vol. 25, no. 2, pp. 161-172, DOI: 10.1515/ceer-2017-0027.
• [16] P. Pieczka, P. Iwicki, “Axial capacity of steel built-up battened columns”, in Modern Trends in Research on Steel, Aluminium and Composite Structures, Proceedings of the XIV International Conference On Metal Structures (ICMS2021), Poznań, Poland, 2021, pp. 442-448, DOI: 10.1201/9781003132134-57.
• [17] PN-B-03200:1990 Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne i projektowanie. PKN (Polish Committee for Standardization), 1990.
• [18] R. Rahnavard, H.D. Craveiro, L. Laím, R.A. Simões, R. Napolitano, “Numerical investigation on the composite action of cold-formed steel built-up battened columns”, Thin-Walled Structures, 2021, vol. 162, DOI: 10.1016/j.tws.2021.107553.
• [19] J. Uziak, M. Gizejowski, “Coupled buckling design of steel laced columns”, Botswana Journal of Technology, 2009, vol. 18, no. 2, pp. 42-48, DOI: 10.4314/bjt.v18i2.52261.

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).