Statics and stability of diagonalless beams of particular kind - preliminary studies

• Autorzy: Saternus Kinga , Saternus Przemysław , Szychowski Andrzej

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.148901

Warianty tytułu

PL

Statyka i stateczność belek bezprzekątniowych szczególnego rodzaju – badania wstępne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Attractive large-scale glazing is currently an architectural trend. However, achieving adequate stiffness for larger glazing spans requires the use of complex cross-sections, generally aluminium sections of considerable height. Members with openwork webs are sometimes used in order to achieve increased load-bearing capacity and stiffness with reduced weight. The disadvantage is that this solution takes up a lot of space inside the building. A recently patented diagonalless member attempts to solve the above-mentioned problems. The member is fully demountable and allows glass units to be installed in the space between the chords. It consists of two chords spaced apart by metal sleeves with bolts passed through them. In this study, preliminary qualitative experimental tests were carried out to determine the behaviour of the member under load and to identify zones sensitive to local deformation. On this basis, numerical models (bar and 3D solid models, including contact interactions) were created and tested. Subsequently, the optimum sleeve spacing was determined, the effect of rotational and translational stiffness reduction at the nodes was investigated, and stress concentration zones and forms of stability loss were identified. A new form of local loss of stability of the chord facewall was identified, the so-called sliding push effect of the chord walls on the sleeve (within the larger openings). This is a completely different type of chord facewall failure from that found in known tubular welded joints. The research programme focused on identifying the phenomena occurring in the new member in order to provide a basis for further, more advanced analyses.

PL

Atrakcyjne wielkopowierzchniowe przeszklenia są obecnie trendem architektonicznym. Jednak osiągniecie odpowiedniej sztywności przy większych rozpiętościach przeszklenia wymaga stosowania skomplikowanych przekrojów poprzecznych, na ogół aluminiowych o znacznej wysokości. W celu uzyskania zwiększonej nośności i sztywności przy zmniejszonej masie stosowane są niekiedy elementy o ażurowych środnikach. Wadą takiego rozwiązania jest to, że zabierają one sporo miejsca wewnątrz obiektu. Ostatnio opatentowany bezprzekątniowy element konstrukcyjny stanowi próbę rozwiązania w/w problemów. Element jest w pełni rozbieralny i umożliwia montaż szklanych tafli w przestrzeni pomiędzy pasami. Składa się z dwóch pasów rozsuniętych za pomocą tulei dystansowych, przez które przeprowadzone są śruby. Długość tulei jest dostosowana do wysokości pakietu szyb wraz z uszczelnieniem. Wzdłużny rozstaw tulei zagęszcza się od środka elementu w kierunku podpór. System otworowania pasów wykonany jest w taki sposób, aby otwory o większej średnicy usytuowane od strony wewnętrznej elementu umożliwiały pasowne przeprowadzenie przekroju tulei, które wchodzą do przestrzeni pasów. Powierzchnie czołowe przekroju na końcach tulei stykają się wówczas z powierzchnią wewnętrzną zewnętrznych ścianek pasów. Otwory o mniejszej średnicy w zewnętrznych ściankach pasów umożliwiają z kolei pasowne przeprowadzenie śrub. Śruby z tulejami mogą stanowić suwliwe skojarzenie i mają zapewnić współpracę poszczególnych części elementu złożonego. W innej wersji elementu, pasowanie śrub do otworów nie jest konieczne, a dodatkowym czynnikiem zapewniającym współpracę jest sprężenie śrub. Przestrzeń między pasami umożliwia umieszczenie pakietu szyb zespolonych w osi obojętnej złożonego elementu zginanego, co minimalizuje wpływ dodatkowych naprężeń normalnych przekazywanych z belki na uszczelki i szyby. Natomiast powstające w tym przypadku naprężenia styczne są kompensowane odkształcalnością uszczelek. Rozwiązanie opisane w patencie nr PL229439B1 jest w pewnym stopniu analogiczne do klasycznej belki Vierendeela. Zasadnicze różnice wynikają stąd, że połączenia pasów i słupków (tulei) nie zapewniają pełnej sztywności węzłów. Na ich podatność wpływają m.in.: 1) stopień sprężenia śrub, 2) dokładność dopasowania elementów składowych (pasów i tulei) na powierzchniach ich styku, 3) podatność ścianek pasów w obszarze kontaktu z tulejami. Do celów analizy rozważono cztery schematy statyczne różniące się rozmieszczeniem tulei dystansowych na długości belki. Program badan i symulacji numerycznych obejmował: 1. Model prętowy o sztywnych węzłach – wyznaczono optymalny rozstaw słupków (tulei) z warunku równomiernego obciążenia siłami tnącymi. 2. Model prętowy o węzłach podatnych – zbadano wpływ redukcji sztywności obrotowej i translacyjnej węzłów na rozkład sił wewnętrznych i ugięcie. 3. Wstępne badania doświadczalne na próbnym modelu fizycznym – osiągnięto wymierny efekt poznawczy wpływu węzłów o szczególnej konstrukcji na zachowanie się elementu, a także rozpoznano strefy wrażliwe na lokalne deformacje, m.in. strefa kontaktu ścianek bocznych tulei z krawędziami większych otworów w ściankach pasa. 4. Model bryłowy o pełnej ciągłości ścianek (model 1. generacji) – zidentyfikowano strefy koncentracji naprężeń, formy utraty stateczności oraz ujawniono potrzebę wprowadzenia dodatkowej tulei w środku rozpiętości belki. 5. Model bryłowy o niepełnej ciągłości ścianek przy uwzględnieniu zjawiska kontaktu (model 2. generacji) – zaobserwowano nową formę lokalnej utraty stateczności pasa, tzw. efekt przesuwnego napierania ścianki pasa na tuleję (w obrębie otworów większych). Jest to zupełnie inny rodzaj uszkodzenia ścianki czołowej pasa niż ten, który występuje w znanych rurowych połączeniach spawanych. Wystąpiły również zmiany dystrybucji i wielkości maksymalnych naprężeń na długości elementu. W artykule wykazano, że zagęszczenie podziału na segmenty przy podporach jest podyktowane prawem rozkładu sił tnących, natomiast dodanie tulei w środku rozpiętości belki wynika z potrzeby zmniejszenia długości wyboczeniowej środkowego segmentu z największym poziomem naprężeń ściskających. Wprowadzenie środkowej tulei daje znaczący wzrost pierwszej wartości własnej. Krótsze segmenty przy podporach skutkują niższymi nieprężeniami ścinającymi w tulejach. Zwiększanie podatności na poślizg podłużny w węzłach, w stosunku do zwiększania podatności na obrót węzłów w płaszczyźnie głównego zginania, powoduje mniejszą zdolność przeciwstawiania się zginaniu globalnemu i zwiększa pionowe ugięcie elementu. Efekt ten wywołuje wzrost sił tnących i momentów Vierendeela przy jednoczesnej redukcji sił normalnych od zginania globalnego. Redukcja sztywności węzłów między przypadkiem węzłów w pełni sztywnych a przypadkiem węzłów półsztywnych wywołuje niewielkie różnice w wielkościach sił przekrojowych i ugięciach. Program badan koncentrował się na identyfikacji zjawisk zachodzących w nowym elemencie konstrukcyjnym w celu stworzenia podstaw do dalszych, bardziej zaawansowanych analiz. Dalsze badania doświadczalne (na modelach stalowych w skali naturalnej) i symulacje numeryczne kolejnych generacji modeli (m.in. modelowanie łączników śrubowych, ich sprężenia i stref kontaktu z uwzględnieniem tarcia) będzie przedmiotem kolejnych prac autorów.

Słowa kluczowe

EN

diagonalless beam; Vierendeel girder; two-chord built-up member; metal sleeve; metal-glass building envelopes; buckling analysis

PL

belka bezprzekątniowa; dźwigar Vierendeela; dwugałęziowy element złożony; metalowa tuleja; analiza wyboczenia; przegroda metalowo-szklana

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 1
• Strony: 73--95
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Saternus Kinga

• Kielce University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-8516-5004

autor

Saternus Przemysław

• Kielce University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1329-5536

autor

Szychowski Andrzej

• Kielce University of Technology and Architecture, Faculty of Civil Engineering, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1653-0324

Bibliografia

• [1] A. Bojęś and P. Markiewicz, Przeszklone ściany osłonowe. Kraków: Archi-Plus, 2008.
• [2] E. Urbańska-Galewska and D. Kowalski, “Lekka obudowa. Część 4 – układy konstrukcyjne”, Builder, vol. 233, no. 12, pp. 106–110, 2016.
• [3] E. Urbańska-Galewska and D. Kowalski, “Lekka obudowa. Część 1 – klasyfikacja i wymagania”, Builder, vol. 227, no. 6, pp. 86–89, 2016.
• [4] D. Kowalski, “The aluminium and polycarbonate covering to the roof over the stadium in Gdansk”, Steel Construction – Design And Research, vol. 6, no. 1, pp. 61–66, 2013, doi: 10.1002/stco.201300002.
• [5] D.J. Wickersheimer, “The Vierendeel”, Journal of the Society of Architectural Historians, vol. 35, no. 1, pp. 54–60, 1976, doi: 10.2307/988971.
• [6] J.M. Pons-Poblet, “A viga Vierendeel: passado e presente de uma tipologia inovadora”, Arqitectura Revista, vol. 15, no. 1, pp. 193–211, 2019, doi: 10.4013/arq.2019.151.11.
• [7] J. Bródka and M. Broniewicz, “Projektowanie belek bezprzekątniowych z kształtowników zamkniętych zgodnie z PN-EN 1993-1”, Inżynieria i Budownictwo, vol. 65, no. 7, pp. 402–405, 2009.
• [8] J. Bródka and J. Kordjak, “Analiza teoretyczna nośności belek bezprzekątniowych z rur prostokątnych”, in XXXIV Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB,Gliwice-1988-Krynica. PAN, 1988, vol. 3, pp. 23–28.
• [9] J. Bródka and J.Kordjak, “Nośność węzłów belek bezprzekątniowych z rur prostokątnych”, in XXXIII Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB, Gliwice-1987-Krynica. PAN, 1987, vol. 3, pp. 89–94.
• [10] M. Broniewicz, “Prognozowanie charakterystyki M-fi węzłów belek bezprzekątniowych z rur prostokątnych”, Konstrukcje Stalowe, no. 6, pp. 41–42, 1999.
• [11] A. Szychowski and P. Obara, “Element konstrukcyjny przegrody metalowo-szklanej”, Polish Patent, PL 229439 B1, Jul. 31, 2018.
• [12] S.W. Bryła, “Belki bezprzekątniowe”, in Podręcznik inżynierski, vol. 1. Warszawa, 1948, pp. 750–756.
• [13] M.K.H. Abdelrahem, “The structural performance of Vierendeel frames using approximate method and computer programs”, PhD Thesis, Sudan University of Science and Technology, Sudan, 2018.
• [14] J. Bródka and M. Broniewicz, Projektowanie konstrukcji stalowych według Eurokodów. Podręcznik inżyniera. Rzeszów: PWT, 2013.
• [15] M. Grigorian, “A new approach to plastic design and optimization of parallel chord Vierendeel girders”, International Journal of Optimization in Civil Engineering, vol. 3, no. 3, pp. 371–388, 2013.
• [16] Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2010 Training Manual – Metric Version. Autodesk Inc., 2009.
• [17] I. Lukačević, M. Ptiček, and D. Dujmovic, “Combined lattice and Vierendeel girder in long-span steel frame”, Elektronički Časopis Građevinskog Fakulteta Osijek, vol. 7, no. 12, pp. 28–38, 2016, doi: 10.13167/2016.12.4.
• [18] R. Bijak and A. Szychowski, “Długości wyboczeniowe słupów ram w świetle norm”, in 56 Konferencja Naukowa KILiW PAN oraz KN PZITB: Problemy Naukowo-Badawcze Budownictwa, 19–24 Sep 2010, Kielce-Krynica. Kielce, 2010, pp. 141–148.
• [19] A.A. Del Savio, L.F. Martha, S.A.L. De Andrade, P.C.G. da Silva Vellasco, and L.R.O. de Lima, “Structural modelling of Vierendeel beams with semi-rigid joints”, in Proceedings of the XXVI Iberian Latin-American Congress on Computational Methods in Engineering – CILAMCE 2005, Guarapari, Espirito Santo, Brazil, 19–21 Oct 2005. Brazil, 2005.
• [20] Abaqus, Theory Manual. Version 6.8. Hibbit, Karlsson and Sorensen Inc., 2008.
• [21] M. Siedlecka, “Buckling of bipolarly prestressed closely-spaced built-up member”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 3, pp. 23-35, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.141871.
• [22] P. Pieczka and P. Iwicki, “Numerical analysis on axial capacity of steel built-up battened columns”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 2, pp. 665-677, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.140665.
• [23] M.H. Mussa and A.A. Mutalib, “Effect of geometric parameters (β and t)on behaviour of cold formed stainless steel tubular X-Joints”, International Journal of Steel Structures, vol. 18, pp. 821-830, 2018, doi: 10.1007/s13296-018-0031-0.
• [24] D.J.R. Pereira, et al., “Effect of chord length on CHS-RHS T-joints with slender sections”, REM-International Engineering Journal, vol. 74, pp. 433-442, 2021, doi: 10.1590/0370-44672020740135.

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).