On the columns buckling length of unbraced steel frames with semi-rigid joints

• Autorzy: Krystosik Przemysław

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.136488

Warianty tytułu

PL

O długości wyboczeniowej słupów niestężonych ram stalowych z węzłami podatnymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the issue of unbraced and semi-rigid steel frames stability with special attention paid to the determination problem of columns buckling length Lcr in these frames. The paper discusses ways of buckling length determination in frames columns with the use of well known, European and American standard procedures, as well as numerical method of stability analysis based on the Finite Element Method (FEM). The presented procedures and analysis methods in calculations of certain steel frames with semi-rigid joints were used. On the basis of obtained results, it has been shown that in many practical cases, the simplified standard procedures of columns buckling length determination can give the results burdened with errors. These errors can have a significant influence on accuracy of columns resistance calculations. The issues presented in the paper are very important from the practical point of view, and according to the author, they can be used in the practical design of unbraced steel frames.

PL

W pracy przedstawiono zagadnienie stateczności niestężonych ram stalowych o węzłach podatnych, ze szczególnym zwróceniem uwagi na problem określenia długości wyboczeniowej Lcr słupów tych ram. W pierwszej części pracy przedstawiono trzy metody określania długości wyboczeniowej (Lcr = Lc·μ). Pierwsza metoda bazuje na wytycznych ECCS i jest uzupełnieniem europejskich norm w zakresie projektowania ram stalowych. Z kolei druga metoda opiera się na wytycznych AISC i jest zalecanym sposobem określania długości Lcr przez amerykańskie normy.Obydwa sposoby obliczeń wykorzystują bardzo podobne podejście, polegające na analizie warunków zamocowania rozpatrywanego elementu (słupa), przy czym odbywa się to na podstawie analizy wyizolowanego fragmentu ramy, w którym całkowicie pomija się fakt występowania sił normalnych. Trzecia, prezentowana w pracy metoda obliczeń długości wyboczeniowych słupów wykorzystuje wyniki analizy stateczności w ujęciu MES (Metody Elementów Skończonych). W metodzie tej wymagane jest przeprowadzenie globalnej analizy stateczności ustroju, uwzględniając przy tym odpowiedni model obciążenia, a więc i rozkład sił normalnych w konstrukcji. W drugiej części pracy przedstawiono pewne przykłady liczbowe ram stalowych, w których wyznaczono współczynniki długości wyboczeniowych μ słupów za pomocą wszystkich trzech prezentowanych metod. W pierwszym przykładzie poddano analizie dwunawową, trójkondygnacyjną ramę, uwzględniając w obliczeniach trzy różne przypadki obciążeń. W drugim przykładzie liczbowym wyznaczono poszukiwane wartości współczynników μ słupów dla trójnawowej, trójkondygnacyjnej ramy stalowej, w której węzły wewnętrzne (rygiel-słup), jak również węzły zewnętrzne (podstawy słupów) są węzłami podatnymi.

Słowa kluczowe

EN

stability; unbraced frame; steel frame; buckling length; semi-rigid joint; column

PL

stateczność; węzeł podatny; rama stalowa; długość wyboczeniowa; połączenie półsztywne; słup

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 1
• Strony: 539--556
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., il.

Twórcy

autor

Krystosik Przemysław

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

Bibliografia

• 1. AISC. Specification for Structural Steel Buildings. ANSI/AISC 360-16, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL., 2016.
• 2. J. D. Aristizabal-Ochoa, “Slenderness K factor for leaning columns”, Journal of Structural Engineering, 120(10), 2977-2991, 1994.
• 3. J. Bródka, A. Barszcz, M. Giżejowski, & A. Kozłowski, “Stiffness and strength of sway frames with semi-rigid joints” (in Polish), Rzeszów: Publishing House of Rzeszów University of Technology, 2004.
• 4. S. L. Chan, & P. P. Chui, “Non-linear static and cyclic analisys of steel frames with semi-rigid connections”, Amsterdam: Elsevier, 1999.
• 5. W. F. Chen, Y. Goto, & J. Y. Liew, “Stability design of semi-rigid frames”, New York: John Wiley and Sons, 1996.
• 6. ECCS. Analysis and design of steel frames with semi-rigid joints. Brussels: European Convention for Constructional Steelwork - no. 67, 1992.
• 7. EN 1993-1-1 Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings, 2005.
• 8. EN 1993-1-8 Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-8: Design of joints, 2005.
• 9. Ch. J. Gantes, & G. E. Mageirou, “Improved stiffness distribution factors for evaluation of effective buckling lengths in multi-story sway frames”, Engineering Structures, 27(7), 1113-1124, 2005.
• 10. J. Hellesland, “Review and Evaluation of effective length formulas” Research Report of Mathematics, 94(2), 1-26, 1994.
• 11. IdeaStatica, “Steel connections and members”, https://www.ideastatica.com, 2019.
• 12. N. Kishi, W. F. Chen, & Y. Goto, “Effective length factor of columns in semi-rigid and unbraced frames”, Journal of Structural Engineering, 123(3), 313-320, 1997.
• 13. R. F. Lorenz, W. F. Chen, & B. Kato, (Eds.), “Semi-Rigid Connections in steel frames.The Council of Tall Buildings and Urban Habitat”, New York: McGraw-Hill, 1993.
• 14. Sz. Pałkowski, “Stability basis of steel member structures” (in Polish), Koszalin: Publishing House of Koszalin University of Technology, 2016.
• 15. M. I. Salama, “New simple equations for effective length factors”, HBRC Journal, 10(2), 156-159, 2014.
• 16. L. M. C. Simões, “Optimization of frames with semi-rigid connections”, Computers & Structures, 60(4), 531-539, 1996.
• 17. Sofistik, “Finite Element Software“, http://www.sofistik.com, 2018.
• 18. F. Wald, N. Baudufe, J.P. Muzeau, “Preliminary Prediction of Column Base Stiffness In: Festschrift Greiner” Graz: Graz University of Technology, 47-52, 2001.
• 19. A. Webber, J. J. Orr, P. Shepherd, & K. Crothers, “The effective length of columns in multi-storey frames”, Engineering Structures, 102, 132-143, 2015.
• 20. K. Weynand, J. P. Jasprat, & M. Steenuis, “Economy studies of steel building frames with semi-rigid joints”, Journal of Constructional Steel Research, 46(1), 85-93, 1998.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).