Rotational restraint of cold-formed Z-purlins given by the trapezoidal sheeting with additional stiffening ribs

• Autorzy: Gajdzicki Michał

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.150974

Warianty tytułu

PL

Sztywność obrotowa podparcia sprężystego płatwi typu Z połączonej z poszyciem z blachy trapezowej z usztywnieniem pośrednim

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The Eurocode 3-1-3 [1] provisions, according to which the rotational restraint of a cold-formed Z-purlin given by the sheeting has to be determined, set out guidelines for the first-generation trapezoidal sheets only in strictly defined cases, and for the second-generation sheets there are no guidelines at all. In the experimental tests presented in this paper, values of stiffness CD were determined in the case where trapezoidal sheeting with additional stiffening ribs in the middle of each trough was used. Then, the obtained values were confirmed by numerical simulations. The cases when fasteners are located in each trough next to the intermediate stiffener (the 1+1 arrangement) or near the trapezoidal sheeting webs in every second trough (the 2+0 arrangement) were analyzed. Values of stiffness CD obtained from the experiments were also compared with CD values obtained on the basis of the Eurocode 3-1-3 provisions. As a result of the analyses carried out, several changes to the Eurocode 3-1-3 provisions were proposed. Values of the rotational coefficient C100 for cases not covered by Eurocode 3-1-3 were presented and, in addition, a modification of this coefficient for the 1+1 fastener arrangement under gravity loading was proposed.

PL

Obudowa z blach trapezowych mocowanych bezpośrednio do płatwi z kształtownika typu Z profilowanych na zimno jest powszechnie stosowana w systemach dachowych hal magazynowych. Rozwój technologii profilowania blach stalowych spowodował wprowadzenie blach trapezowych o coraz bardziej skomplikowanych przekrojach, w których występują liczne podłużne usztywnienia pośrednie (profile drugiej generacji). Jednakże za tym rozwojem nie podążają przepisy normowe zawarte w Eurokodzie 3-1-3, zgodnie z którymi należy określić wartość sztywności obrotowej podparcia sprężystego płatwi CD. W przepisach tych nie tylko brakuje wytycznych dla blach trapezowych drugiej generacji, ale są one również bardzo ograniczone w przypadku blach bez dodatkowych usztywnień (blachy pierwszej generacji). Niestety prowadzi to do sytuacji, w których projektanci konstrukcji stalowych zmuszeni są ignorować ograniczenia opisanych w nich zasad, nie mając pewności, czy obliczona wartość nośności wyboczeniowej pasa swobodnego płatwi jest prawidłowa.Zgodnie z tymi zapisami sztywność CD można również wyznaczyć z bardzo prostego wzoru (130p), w którym wartość sztywności zależy tylko od parametru p, czyli liczby łączników blacha-płatew na metr długości płatwi. Ze względu na swoją prostotę wzór ten jest częściej stosowany w praktyce inżynierskiej, jednak daje wyniki zawsze po stronie niebezpiecznej (zawyzającej nośność płatwi), co pokazano we wcześniejszych badaniach przeprowadzonych przez Autora i dlatego należy go usunąć z Eurokodu 3-1-3. We wcześniejszych badaniach również zostało wykazane, że zastosowanie dwóch łączników blacha-płatew w co drugiej fałdzie blachy trapezowej skutkuje większymi wartościami sztywności obrotowej CD. Jednakże w badaniach tych wykorzystano wyłącznie blachy trapezowe pierwszej generacji, w których nie zastosowano podłużnych usztywnień pośrednich. W opisanych w niniejszej pracy badaniach eksperymentalnych zastosowano blachę trapezową drugiej generacji z żebrami usztywniającymi na środnikach i w dolinie fałdy.

Słowa kluczowe

EN

cold-formed; Z-purlin; sheet-to-purlin fastener; rotational stiffness; rotational restraint

PL

płatew Z; kształtowanie na zimno; łącznik płatew-poszycie; sztywność obrotowa; stężanie przeciwskrętne

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 3
• Strony: 117--137
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Gajdzicki Michał

• Lodz University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Architecture and Environmental Engineering, Lodz, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0555-1648

Bibliografia

• [1] EN 1993-1-3 Eurocode 3 – Design of steel structures. Part 1-3: General rules – Supplementary rules for cold-formed members and sheeting. European Committee for Standardization, 2006.
• [2] B. W. Schafer and T. Pekoz, “Computational modeling of cold-formed steel: characterizing geometric imperfections and residual stresses”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 47, no. 3, pp. 193-210, 1998, doi: 10.1016/S0143-974X(98)00007-8.
• [3] G. J. Hancock, “Design for distortional buckling of flexural members”, Thin-Walled Structures, vol. 27, no. 1, pp. 3-12, 1997, doi: 10.1016/0263-8231(96)00020-1.
• [4] J. P. Papangelis, G. J. Hancock, and N. S. Trahair, “Computer design of cold-formed C- and Z-section purlins”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 46, no. 1-3, pp. 169-171, 1998, doi: 10.1016/s0143-974x(98)00085-6.
• [5] J. Bródka, M. Broniewicz, and M. Giżejowski, Kształtowniki gięte: poradnik projektanta. Arkady, 2006.
• [6] ENV 1993-1-3 Eurocode 3 – Design of steel structures. Part 1-3: General rules – Supplementary rules for cold-formed members and sheeting. European Committee for Standardization, 1996.
• [7] J. Lindner and T. Gregull, “Torsional restraint coefficients of profiled sheeting”, in Proc. Of International Association for Bridge and Structural Engineering, Colloquium Stockholm. Zürich, Switzerland, 1986, pp. 161-168.
• [8] J. Lindner, “Stabilisierung von Trägern durch Trapezbleche”, Stahlbau, vol. 56, no. 1, pp. 9-15, 1987.
• [9] J. Lindner and T. Gregull, “Drehbettungswerte für Dachdeckungen mit untergelegter Wärmedämmung”, Stahlbau, vol. 58, no. 6, pp. 173-179, 1989.
• [10] J. Lindner and F. Groeschel, “Drehbettungswerte für die Profilblechbefestigung mit Setzbolzen bei unterschiedlich grossen Auflasten”, Stahlbau, vol. 65, no. 6, pp. 218-224, 1996.
• [11] J. Lindner, “Restraint of beams by trapezoidally sheeting using different types of connection”, in Stability and Ductility of Steel Structures, T. Usami and Y. Itoh, Eds. Elsevier, 1998, pp. 27-36, doi: 10.1016/B978-008043320-2/50004-6.
• [12] T. Vrany, “Rotační podepření tenkostênné ocelové vaznice krytinou”, Ph.D. Dissertation, Czech Technical University of Prague, Praha, 2002.
• [13] T. Vrany, “Effect of loading on the rotational restraint of cold-formed purlins”, Thin-Walled Structures, vol. 44, no. 12, pp. 1287-1292, 2006, doi: 10.1016/j.tws.2007.01.004.
• [14] M. Gajdzicki and J. Goczek, “Numerical Determination of Rotational Restraint of Cold-formed Z-purlin According to EC3”, International Journal of Steel Structures, vol. 15, no. 3, pp. 633-645, 2015, doi: 10.1007/s13296-015-9010-x.
• [15] M. Gajdzicki and J. Goczek, “Influence of Sheet-to-purlin Fastener Properties on the Rotational Restraint of Cold-formed Z-purlins”, International Journal of Steel Structures, vol. 17, no. 2, pp. 711-721, 2017, doi: 10.1007/s13296-017-6025-5.
• [16] F. Wang, H. Zhang, J. Yang, L. Bai, and C. Ren, “Numerical studies of the rotational stiffness of purlin-sheeting system”, International Journal of Steel Structures, vol. 18, no. 3, pp. 719-733, 2018, doi: 10.1007/s13296-018-0048-4.
• [17] Y. Zhang, J. Xue, X. Song, and Q. Zhang, “Numerical Parametric Analysis of the Ultimate Loading-Capacity of Channel Purlins with Screw-Fastened Sheeting”, International Journal of Steel Structures, vol. 18, pp. 1801-1817, 2018, doi: 10.1007/s13296-018-0080-4.
• [18] M. Gajdzicki, “Sheet-to-purlin fasteners arrangement and the value of rotational restraint of cold-formed Zpurlins”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 151, pp. 185-193, 2018, doi: 10.1016/j.jcsr.2018.09.028.
• [19] I. Balazs, J. Melcher, and A. Belica, “Experimental investigation of torsional restraint provided to thin walled purlins by sandwich panels under uplift load”, Procedia Engineering, vol. 161; pp. 818-824, 2016, doi: 10.1016/j.proeng.2016.08.718.
• [20] K. Ciesielczyk and R. Studziński, “Experimental and numerical investigation of stabilization of thin-walled Z-beams by sandwich panels”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 133, pp. 77-83, 2017, doi: 10.1016/j.jcsr.2017.02.016.
• [21] H. Yang and F. Bai, “Buckling behavior of cold-formed C/Z-section purlins incorporating the effects of diaphragm and the screw location”, Advances in Structural Engineering, vol. 23, no. 6, pp. 1114-1128, 2020, doi: 10.1177/1369433219888739.
• [22] C. Zhao, J. Yang, F. Wang, et al., “Rotational stiffness of cold-formed steel roof purlin-sheeting connections”, Engineering Structures, vol. 59, pp. 284-297, 2014, doi: 10.1016/j.engstruct.2013.10.024.
• [23] Z. Nagy, B. Bács, A. Kelemen, A. Sánduly, Ö. Nagy, and B. Lörincz, “Rafter-purlin connection stiffness impact on the stress skin effect of corrugated sheet claddings”, Thin-Walled Structures, vol. 185, 2023, doi: 10.1016/j.tws.2023.110615.
• [24] C. Ren, X. Zhao, and Y. Chen, “Buckling behavior of partially restrained cold-formed steel zed purlins subjected to transverse distributed uplift loading”, Engineering Structures, vol. 114, pp. 14-24, 2016, doi: 10.1016/j.engstruct.2016.01.048.
• [25] K. Reszut, I. Szewczak, P. Różyło, and M. Guminiak, “Impact of numerical modelling of kinematic and static boundary conditions on stability of cold-formed sigma beam”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 2, pp. 311-323, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.145269.