Direct design and assessment of the limit states of steel planar frames using CSD advanced analysis

• Autorzy: Barszcz A. M.

Identyfikatory

DOI

10.2478/ace-2018-0071

Warianty tytułu

PL

Bezpośrednie projektowanie i ocena stanow granicznych stalowych ram płaskich na podstawie zaawansowanej analizy CSD

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper is entirely devoted to practical aspects of direct design and assessment of safety and serviceability of steel planar framework using advanced analysis. The development of advanced analysis has been driven by a desire for a more accurate representation of the behaviour of planar framework by considering the beam and spring numerical modelling technique together with plasticity and geometrically nonlinear effects as well as structural imperfections accounted for. The validated 2D version of CSD advanced analysis developed by the author is used in this paper for its practical application towards the resistance and serviceability assessment of existing simple construction framework. This steel braced frame was a subject of technical expertise. The same structure geometry but with different joint detailing is then considered to show how the effect of joint properties may affect the braced frame performance. Results of investigations are presented in the form of frame global response at both the ultimate limit state and the serviceability limit state, and also in the form of member local responses. Conclusions with regard to general design and assessment practice are drawn.

PL

Artykuł dotyczy projektowania z wykorzystaniem analizy zaawansowanej. Przedstawiono krótki przegląd aktualnego stanu badań w tym zakresie i wkład autora w rozwój bezpośredniego projektowania i oceny konstrukcji stalowych przy użyciu zaawansowanej analizy CSD, która jest najbardziej zbliżona do rzeczywistego zachowania się stalowych szkieletowych systemów nośnych. Zaproponowano schemat oceny projektu przy użyciu analizy CSD dla układów płaskich, uwzględniający możliwość oceny stanów granicznych nośności i użytkowania w jednym przebiegu analizy. Do zaprezentowania różnic w modelowaniem struktury za pomocą zaawansowanej metody klasycznego udoskonalonego przegubu plastycznego (RPH) i proponowanej metody ciągłej degradacji sztywności (CSD) wykorzystano kratownicę Misesa wrażliwą na wyboczenie sprężyste. Przykład pokazuje różnice między obu podejściami analitycznymi w przypadku, gdy elementy kratownicy są wykonane z kątowników połączonych z konstrukcją za pomocą spoin lub śrub. Główny cel tego artykułu, ocenę projektu przy użyciu analizy CSD, zilustrowano praktycznym zastosowaniem zaproponowanego schematu oceny w szczegółowych badaniach stanów granicznych nośności i użytkowalności (ULS i SLS) prostej konstrukcji o schemacie ramy stężonej. Konstrukcja ta była przedmiotem ekspertyzy technicznej wykonywanej w Politechnice Warszawskiej w odniesieniu do wersji pierwotnie zbudowanej, a także wersji zmodyfikowanej, uwzględniającej wzmocnienie części elementów. Zbadano stan pierwotnie zaprojektowanej ramy, dokonując oceny ULS i SLS w zgodnie z proponowanym algorytmem. Przedstawiono wyniki obliczeń ramy, a następnie skutki wzmocnień jej elementów i porównano obie sytuacje projektowe. Następnie rozważono tę samą geometrię ramy, ale z uwzględnieniem półsztywnych i nominalnie sztywnych połączeń rygli ze słupami. Porównano stopnie wykorzystania kryteriów stanów granicznych i wpływ degradacji sztywności elementów na ich wartości. Ukazano przydatność prezentowanego podejścia w ocenie stanu istniejącego i projektowaniu ramowych konstrukcji stalowych.

Słowa kluczowe

EN

steel framework; I-section member; class 1 section; braced frame; CSD advanced analysis; direct design; direct assessment

PL

rama stalowa; I-przekrój elementu; przekrój klasy 1; rama stężona; analiza CSD zaawansowana; projektowanie bezpośrednie; ocena bezpośrednia

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 64, nr 4/II
• Strony: 203--241
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Barszcz A. M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. EN 1993-1-6: Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-7: Strength and stability of planar plated structures subject to out of plane loading, Brussels, CEN, 2007
• 2. EN 1993-1-1, Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1-1: General rules and rules for buildings, Brussels: CEN, 2005.
• 3. Design of Steel Structures. ECCS Eurocode Design Manuals, 2016
• 4. N. S. Trahair, M. A. Bradford, D. Nethercot, L. Gardner, "The Behaviour and Design of Steel Structures to EC3", Taylor & Francis, 2008
• 5. H. Gorgun, “Geometrically nonlinear analysis of plane frames composed of flexibly connected members”, Structural Engineering and Mechanics, International Journal, 45 (3), 277-309, 2013.
• 6. P. H. R. Valipour, M. A. Bradford, “Nonlinear P-D analysis of steel frames with semi-rigid connections”, Steel and Composite Structures, 14 (1), 1-20, 2013.
• 7. C. Nguyen, N. T. N. Doan, C. Ngo-Huu, S. E. Kim, “Nonlinear inelastic response history analysis of steel frame structures using plastic-zone method”, Thin-Walled Structures, 85, 220-233, 2014.
• 8. M. Kucukler, L. Gardner, L. Macorini, “Development and assessment of a practical stiffness reduction method for the in-plane design of steel frames”, Journal of Constructional Steel Research, 126, 187-200, 2016.
• 9. S. L. Chan, Y. P. Liu, S. W. Liu, “A New Codified Design Theory of Second-order Direct Analysis for Steel and Composite Structures – From Research to Practice”, Structures, 9, 105-111, 2017.
• 10. N. S. Trahair, S.-L. Chan, "Out-of-plane advanced analysis of steel structures", Engineering Structures, 255, 1627-1637, 2003
• 11. C. Ngo-Huu, S. E. Kim, "Practical advanced analysis of space steel frames using fiber hinge method", Thin-Walled Structures, 47 (4), 421-430, 2009
• 12. H. T. Thai, S. E. Kim, "Nonlinear inelastic analysis of space frames", Journal of Constructional Steel Research, 2011
• 13. S. W. Liu, Y. P. Liu, S. L. Chan, "Direct analysis by an arbitrarily located plastic hinge element. Part 2: Spatial analysis", Journal of Constructional Steel Research, 2014
• 14. A. Surovek, J. Hajjar, D. Comotim, D. W. White, B. N. Alemdar, R. Ziemian, "Advanced Analysis in Steel Frame Design: Guidelines for Direct Second-Order Inelastic Analysis, ASCE, Ed. A.E. Surovek, 2013
• 15. A. M. Barszcz, "Validation of CSD adwanced analysis of braced frame responses using subframe experimental investidations", Archives of Civil Engineering [in press]
• 16. M. Gizejowski, A. M. Barszcz, "Advanced analysis of braced steel frames. Modelling accounting for the post-limit behaviour o f compressed angle braces" 8th European Conference on Steel and Composite Structures / Jonsson Jeppe ( red. ), 2017, Ernst & Sohn Verlag, ss. 1-10
• 17. AISC. Load and Resistance Factor Design Specifications for structural steel buildings. Chicago: American Institute of Steel Construction; 2005
• 18. A. M. Barszcz, “Experimentally assisted modelling of the behaviour of steel angle brace”, Archives of Civil Engineering, LX (1), pp. 3-39, 2014.
• 19. EN 1990: Eurocode: Basis of structural design, CEN, 2002
• 20. EN 1991: Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-1: General actions - Densities, self-weight, imposed loads for buildings, CEN, 2008
• 21. EN 1991-1-3: Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-3: General actions - Snow loads, CEN, 2003
• 22. EN 1991-1-4: Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions - Wind actions, CEN, 2005
• 23. EN 1993-1-8: Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-8: Design of joints, CEN, 2005

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).