Wyniki wyszukiwania - BazTech

Ograniczanie wyników

Znaleziono wyników: 1

Liczba wyników na stronie

Wyniki wyszukiwania

Wyszukiwano:
w słowach kluczowych: thin-walled bar constructions

Sortuj według:

Ogranicz wyniki do:

Podatne połączenia na sworznie jednostronne w prętowych konstrukcjach cienkościennych

Wuwer W.

Zeszyty Naukowe. Budownictwo / Politechnika Śląska

2006

z. 105

3-255

Praca dotyczy zagadnień mechaniki połączeń cienkościennych konstrukcji stalowych. Celem jej było rozeznanie zachowania się zakładkowych połączeń wykonanych za pomocą łączników typu sworzniowego, a także rozwiązywanie na drodze analitycznej, z doświadczalną weryfikacją obliczeń przykładowych, połączeń obciążonych statycznie. W ostatnich latach obserwuje się w kraju znaczny popyt na lekkie i ekonomiczne konstrukcje stalowe z kształtowników giętych na zimno, projektowanych przez firmy zagraniczne, a następnie przez nie montowanych na placach budowy z pojedynczych prętów, przy użyciu śrub zwykłych lub częściowo sprężonych. Przy bogatej ofercie krajowego asortymentu kształtowników giętych na zimno brakuje rozwiązań połączeń sworzniowych sprawdzonych doświadczalnie, które pozwoliłyby projektować budowlane konstrukcje, a równocześnie zapewnić im efektywny i szybki montaż. Współczesnym wymaganiom montażowym, eksploatacyjnym i ekonomicznym mogą, zdaniem autora, sprostać - dopuszczone do stosowania przez ITB - sworznie jednostronne BOM. Mają one dużą rezerwę nośności obliczeniowej w stosunku do obciążenia niszczącego, mogą więc zapewnić połączeniom odpowiednią trwałość, a konstrukcjom należyte bezpieczeństwo. Sworznie jednostronne umożliwiają łączenie ścianek kształtowników o przekrojach otwartych z zamkniętymi, co niewątpliwie jest ich zaletą konstrukcyjną. Brak w dostępnej literaturze przedmiotowej metody obliczania dowolnego, zakładkowego połączenia odkształcalnego, równocześnie zginanego i ścinanego, zachęcał do podjęcia trudu rozwiązania tego problemu. Z analizy materiałów publikacyjnych (rozdział 1) wynika, iż niejednokrotnie podejmowano próbę rozwiązania mimośrodowo ścinanego połączenia zakładkowego, z wykorzystaniem układu trzech równań równowagi i uwzględnieniem zależności fizycznej "obciążenie-przemieszczenie" opisującej zachowanie się łącznika w połączeniu zakładkowym. Warunek momentów zapisywano wówczas względem nieznanego położenia chwilowego środka obrotu. Rozwiązanie polegało na iteracyjnym poszukiwaniu współrzędnych środka obrotu aż do spełnienia warunków równowagi. W rozdziale 2 opracowano metodę obliczania układów prętowych z węzłami podatnymi, ujmującą występujące w połączeniach przemieszczenia trwałe, nazywane "luzowymi". Wykorzystano tu zasadę prac dopełniających, wyrażającą związek między: krzywizną, wydłużeniem i odkształceniem postaciowym a przemieszczeniami uogólnionymi. Metoda ta umożliwiła dokonanie ilościowej oceny wpływu przemieszczeń "luzowych" na rozkład sił wewnętrznych w prostych ramach. Sztywności połączeń zakładkowych ustalono na podstawie ścieżek równowagi statycznej między kątem obrotu i krzywizną, uwzględniającej wymiary połączenia. Zmiany wartości momentów zginających w przykładowej ramie określone w stosunku do wartości w ramie z węzłami sztywnymi przekraczały 40%, a przemieszczenia poziome na wysokości naroży zwiększyły się aż 85%. Porównano wyniki uzyskane w dwu przypadkach, tj. kiedy do obliczeń wprowadzono wartości sztywności siecznych i sztywności stycznych połączeń. Przyjęcie sztywności siecznych okazało się jednak zbyt dużym uproszczeniem, bowiem różnice w wartościach momentów i przemieszczeń poziomych przekraczały 20%. W rozdziale 3 sformułowano układ równań, opisujący wytężenie zakładkowego połączenia na łączniki typu sworzniowego. W modelu obliczeniowym rozpatrzono podatne połączenie dwu blach o różnych grubościach i odmiennych gatunkach stali, obciążone momentem zginającym M oraz dowolnie ukierunkowaną siłą ścinającą W, będącą wypadkową siły podłużnej H i siły poprzecznej V. Obciążenia, przekazywane z jednej blachy na drugą, powodują wzajemne przemieszczanie się tychże. Blachy ulegają składowym przesunięciom u i v, równoległym odpowiednio do kierunków obciążeń H i V, oraz trzeciej składowej obrotu o kąt ø, spowodowanej momentem M. Połączenie zostało potraktowane jako złożone z dwu blach-tarcz sztywnych oraz sztywno-plastycznych łączników. Założono, że w całym zakresie obciążenia M i W, tj. od zera do zniszczenia połączenia, narastają równocześnie i proporcjonalnie. W związku z powyższym kierunek wypadkowych przemieszczeń øi w osi i tego łącznika nie ulega zmianie. Przyjęto ponadto, iż zachowane zostają początkowe odległości między łącznikami, tzn. że deformacje blach występują jedynie w bliskim otoczeniu łączników, związane z owalizacją otworów. Siły docisku trzpieni sworzni do blach imitują siły Si, zaczepione w projektowanych środkach otworów; kierunki działania tych sił są prostopadłe do promieni łączących osie łączników z chwilowym środkiem obrotu R. Założono także, że łączniki - podczas wzajemnego przemieszczania się blach - "stoją" w swoich projektowanych osiach. Układ równań - z niewiadomymi siłami Si oraz trzema przemieszczeniami u, v, ø - można w ogólnym przypadku przedstawić w postaci równań równowagi, jednego uogólnionego równania konstytutywnego oraz odpowiednich związków geometrycznych. Równanie równowagi momentów zginających zapisano względem dowolnie usytuowanego początku układu współrzędnych prostokątnych. Równanie konstytutywne jest funkcją odwrotna w stosunku do zależności Si-øl+e, zachodzącym w punkcie i między łączonymi blachami. W rozdziale 4 zamieszczono wyniki własnych badań doświadczalnych, których głównym celem było: -wyznaczanie nośności obliczeniowej na odcisk z uwzględnieniem stanu granicznego owalizacji w przypadku sworzni jednostronnych ø 13,6, typu BOM R16 - w jednociętych połączeniach zakładkowych blach o grubości 4,0 i 5,0 mm; - ustalenie zależności S1-øl+e, wiążących obciążenie S1 pojedynczego sworznia z wzajemnym przemieszczeniem całkowitym σ l+e łączonych blach, o grubościach wynoszących 4,0 i 5,0 mm; -badanie trzech połączeń statycznie wewnętrznie niewyznaczalnych : symetrycznego 5-sworzniowego i niesymetrycznego 4-sworzniowego - rozciąganych mimośrodowo oraz 8-sworzniowego - zginanego naprzemiennie; - badania symetrycznych połączeń rozciąganych i zginanych naprzemiennie w celu poznania kształtu pętli histerez, przy różnych poziomach obciążeń i historiach obciążenia. Ścieżki równowagi statycznej połączeń rozciąganych osiowo, rozciąganych mimośrodowo i zginanych, obciążanych w jednym kierunku oraz naprzemiennie opisują zmniejszanie sztywności podczas cyklicznych procesów zwiększania obciążeń. Powtarzalność wyników w zginanych naprzemiennie połączeniach 8-sworzniowych okazała się lepsza aniżeli w połączeniach 4- i 5-sworzniowych. Podczas badania połączeń rozciąganych mimośrodowo pomierzono współrzędne chwilowego ("wędrującego") środka obrotu. W rozdziale 5 na wykresach M-ø porównano wyniki analizy numerycznej trzech statycznie wewnętrznie niewyznaczalnych połączeń z wynikami doświadczalnymi. Sformułowane układy równań badanych przypadków połączeń rozwiązano za pomocą programu Mathematica. Uzyskano przy tym dość dobrą zgodność wyników. Potwierdziły ja także porównywane, pomierzone i obliczone numerycznie, wartości współrzędnych chwilowego środka obrotu. Analizowano przyczyny rozrzutu wyników badań doświadczalnych w przypadku badania kilku jednakowych elementów próbnych , a także pewnych różnic między wynikami analizy numerycznej oraz rezultatami badań. Rozrzut wyników badań mógł byc spowodowany: ograniczoną dokładnością wykonywania otworów w ściankach i ich wypełnieniem materiałem tulejek, zmeczeniem materiału ścianek w bliskim otoczeniu sworzni na skutek działania obciążenia cyklicznego, zróżnicowanymi siłami tarcia obrotowego na skutek działania obciążenia cyklicznego, a także historia obciążenia. W przypadku porównywania wyników doświadczalnych i numerycznych różnice mogły ponadto pochodzić od sił tarcia obrotowego występujących w osiach łączników, których model obliczeniowy nie uwzględniał. W rozdziale 6 sporządzono krzywe graniczne symetrycznego połączenia 5-sworzniowego oraz niesymetrycznego połączenia 4-sworzniowego, obciążonych siłami M i W. Krzywe te zilustrowano na wykresach, w układach bezwymiarowych współrzędnych prostokątnych M / M gr, W / w gr. Pozwalają one sprawdzić nośność danego połączenia przy dowolnych wartościach obciążeń, bez konieczności żmudnego rozwiązywania układu równań nieliniowych. Wyróżniono trzy przypadki stanów granicznych. Przypadek I dotyczy sytuacji, gdy co najmniej jeden łącznik w połączeniu był obciążony siłą równą jego nośności obliczeniowej. Przypadek II, gdy wzajemne przemieszczenia łączonych ścianek osiągały wartość graniczną δ gr = 3,0 mm dla najbardziej wytężonego łącznika. Przypadek III odpowiada teoretycznemu stanowi granicznemu zniszczenia połączenia, gdy obciążenie każdego łącznika przybliżało się do wartości granicznej. W rozdziale 7 zamieszczono wzory opisujące trzy sztywności chwilowe, związane z wzajemnymi przemieszczeniami blach u, v oraz ø, towarzyszącymi odpowiednio sile podłużnej H i sile poprzecznej V oraz momentowi zginającemu M. Wyprowadzone wzory stanowią związki interakcyjne, zachodzące pomiędzy trzema sztywnościami w dowolnym połączeniu. Każdą z trzech sztywności wyrażono za pomocą: sztywności początkowej, parametru degradacji sztywności i współczynnika redukcji sztywności. Trzy parametry degradacji ωm, ωh i ωv uwzględniają zmienność globalnego uszkodzenia plastycznego zachodzącego w połączeniu, pod działaniem odpowiednio obciążeń M, H i V. Trzy współczynniki redukcyjne γm, γh i γv ujmują ilościowy wpływ wzajemnego oddziaływania na siebie trzech sztywności. Ustalanie wartości współczynników redukcyjnych mogą ułatwić plany warstwicowe, naniesione w układach współrzędnych prostokątnych M / M gr, W / W gr, które sporządzono dla wybranych połączeń. Plany warstwicowe wykorzystano w przykładowych obliczeniach statycznych ramy kratowej z ryglem kratowym (rozdział 8). Wyniki obliczeń pozwoliły ocenić: w pierwszym przypadku - wpływ trzech sztywności chwilowych, z pominięciem współczynników redukcyjnych, na rozkład sił wewnętrznych w ramie, w drugim - wpływ trzech czynności chwilowych z uwzględnieniem związków interakcyjnych. W rozdziale 9 opracowano wnioski z badań i podano kierunki dalszych prac. Wyniki pracy wykazują określoną wartość praktyczną w odniesieniu do konstrukcji wykonywanych z kształtowników giętych na zimno. Liczne wyniki badań doświadczalnych, metoda obliczania połączenia odkształcalnego, sposób postępowania przy sporządzaniu krzywych granicznych i planów warstwicowych współczynników redukcyjnych oraz wzory do obliczania sztywności chwilowych mogą stanowić istotny krok na drodze do opracowania krajowego systemu konstrukcyjnego układów kratowo-ramowych projektowanych z kształtowników cienkościennych o przekrojach zarówno otwartych, jak i zamkniętych.

The dissertation deals with problems concerning the mechanism of joints in thinwalled steel structures. Its aim was to find out the behaviour of lap joints realized by means of bolt-type connections, and to solve statically loaded joints, analytically verifying this problem by exemplary calculations. In recent years a considerable demand for light and economical steel constructions, consisting of cold-bent profiles, is to be observed in this country, which have been designed by foreign producers and also realized by them in situ applying single bars and simple or partially prestressed bolts. In spite of an ample offer of assortments of cold-bent profiles produced in Poland, there are no experimentally checked solutions concerning bolt joints, which would permit to design building constructions and at the same time also allow their effective and fast assembly. Blind bolts, the application of which has been permitted by the Institute of Building Technology in Warsaw, can - in the author's opinion - face the requirements of assembling and operation as well as the economical requirements. They display a large reserve of computational load-carrying capacity in relation to the destructive load, and thus can be ensure an adequate durability and safety. Blind bolts permit to connect the walls of profiles with open cross-sections with those having closed cross-sections, which is doubtlessly a favourable feature. Available literature dose not provide any method of calculating any arbitrary deformable lap joint, simultaneously bent and sheared; this encouraged the author to cope with the solution of this problem. The analysis of publications (chapter 1) indicates that attempts to solve eccentrically sheared lap-joints have been made more than once, making use of three equations of equilibrium and taking into account the physical relation "load-displacement", which describes the behaviour of the blind bolt in the lap joint. The condition of moments was then expressed versus the unknown position of the instantaneous center of rotation. The solution consisted in the iterative search for the co-ordinates of the center of rotation until the conditions of equilibrium were satisfied. Chapter 2 deals with a method of calculating bar systems with flexible nodes, formulating the constant displacements occurring in the joints, called "clearances". For this purpose the principle of complementary work was applied, which expresses the relation between the curvature, the elongation and non-dilatational strain on the one hand and generalized displacements on the other. Thanks to this method it was possible to assess quantitatively the effect of "loose" displacements on the distribution of the internal forces in simple frames. The rigidity of lap-joints was determined basing on the paths of static equilibrium, of stretched joints with screws and blind bolts, making use of the relation between the angle of rotation and the curvature and taking into account the dimensions of the joint. The changes of the values of bending moments in the exemplary frame, determined in relation to these values in a frame with rigid nodes, exceeded 40%, whereas horizontal displacements on the level of the quoins increased up to 85%. The results concerning two case were compared with each other, viz. when the calculations comprised the values of secant rigidities and tangential rigidities of the joints. Considerations concerning secant rigidities, however, proved to be a too large simplification, because the differences of the values of moments and horizontal displacements exceeded 20%. In chapter 3 a set of equations is formulated, describing the effort of a lap-joint in blind-bolt connections. The model of calculations considers a flexible joint of two steel sheets with different thickness, made of different kinds of steel, loaded with the bending moment M and an arbitrarily directed shearing force W, which is the resultant of the longitudinal force H and transverse force V. Loads transferred from one steel sheet to the other cause their mutual displacements. The sheets are subjected to constituent displacements u and v, parallel, respectively, to the directions of the load H and V, and also to the third component of rotation by the angle ø, due to the moment M. The joint was treated as a complex joint of two rigid disk sheets and stiff connections. It has assumed that the loads M and W increase simultaneously and proportionally in the whole range, i.e. from zero to the destruction of the connection. Therefore, the direction of the resultants of displacements in the axis of the i-th fastener remains unchanged. Moreover, it has been assumed that the initial distances between the bolts will be kept, i.e. deformations of the sheets will occur only in the close vicinity of the blind bolts, due to the ovalization of the holes. The forces of the pressure of the mandrels to the sheets imitate the forces S1 attached in the designed centers of the holes; these forces operate perpendicularly to the radii connecting the axes of the connections with an instantaneous center of rotation R. It has also been assumed that during the mututal displacements of the sheets the quoins "stay" in their designed axes. The set of equations with unknown forces S1 and three displacements u, v, ø, can in general be presented as equations of equilibrium, one generalized constitutive equation and adequate geometrical relations. The equation of equilibrium for the bending moments has been expressed versus the arbitrarily situated origin of the rectangular coordinate system. The constitutive function is an anti-function versus the relation Si-øl+e, i connecting the load Si of a single blind bolt with the displacement - øl+e, i in the point between the joined steel sheets. Chapter 4 presents the results of the author's own experimental investigations, carried out in order to: -determine the calculated load-carrying capacity to pressure, taking into account the boundary state of ovalization, in the case of blind bolts Ø 13.6 mm, type BOM R16 - in single-cut lap-joints of sheets 4.0 and 5.0 mm thick; -determine the relation S1-øl+e, connecting the load S1 of a single blind bolt with the mutual total displacement øl+e of the joined sheets, 4.0 and 5.0 mm thick; -investigate three statically internally not determinable connections, viz. a symmetrical five-blind-bolt joint and unsymmetrical four-blind-bolt joint - both stretched eccentrically- and an eight an eight-blind-bolt alternately bent connection; - investigate symmetrical joints, alternately stretched and bent; in order to find out the shape of the hysteresis loops at various levels of loads and histories of loading. The paths of static equilibrium of axially stretched, eccentrically stretched and bent joints, loaded in one direction an alternately, describe the decreasing rigidity in the course of cyclic processes of increasing the load. The recurrence of the same results in alternately bent eight-blind-bolt joints proved to be better than in the case of four- and five-blind-bolt joints. In the course of investigating eccentrically stretched joints also the coordinates of the instantaneously center rotation ("wandering") was measured. In the diagrams of M-ø, presented in chapter 5, the results of the numerical analysis concerning three statically internally undeterminable joints have been compared with experimental results. The formulated sets of equations concerning the investigated joints have been solved by means of the programme Mathematica, obtaining a rather good agreement of results, which were also confirmed by compared, measured and numerical calculated of results, which were also confirmed by compared, measured and numerical calculated values of the coordinates of the instantaneous center of rotation. The reasons of the scattering of experimental results of investigations concerning several identical test elements have been analyzed, as well as some differences between the results of investigations. The scattering of the results of investigations may also be due to the limited accuracy in the drilling of the holes in the walls and to filling the bushes with material, the fatigue of the material of the walls in the vicinity of the blind bolt due to the cyclic loading, the differentiated forces of rotational friction in the complex state of loading the joint, and also by the history of loading. In the case of the compared experimental and numerical results these differences might also result from the forces of rotational friction in the axes oh the joints, which has not been taken into in the model of calculations. Chapter 6 contains boundary curves of a symmetrical five-blind-bolt and unsymmetrical four-blind-bolt joints, both of them loaded with the forces M and W. These curves have been shown in the diagrams as non-dimensional systems of rectangular coordinates M / M lim, W / W lim, permitting to check the load-bearing capacity of the given joint at any arbitrary values of the loads, without the necessity of an arduous solution of a set of non-linear equations. Three boundary states have been distinguished. The first one concerns a situation when at least one blind bolt in the connection was loaded with a force equal to its calculated load-bearing capacity. The second case - in which the mutual displacements of the joined walls achieved the boundary value δ = 3.0 mm, in the joint subjected to the highest effort. The third case corresponds to the theoretical boundary stste of destruction of the joint, when the load of each fastener approached the boundary value. Chapter 7 provides formulae describing the instantaneous rigidities connected with the mutual displacements of the steel sheets u, v and ø, accompanying, respectively, the longitudinal force H and transverse V as well as the bending moment M. The derived formulae constitute interactive relations, occurring between three rigidities in any arbitrary joint. Each one of them is expressed by the initial rigidity, the parameter of degradation of the rigidity and the coefficient of reduction of the rigidity. Three parameters of degradation ωm, ωh and ωv take into account the variability of the global plastic destruction in the joint affected by the loads M, H and V. Three reducing coefficients γm, γh and γv express the quantitative effect of the interaction of three rigidities. The determination of the values of the reducing coefficients may be facilitated by applying contour plans plotted in the rectangular co-ordinate systems m / Mlim, W/ W lim concerning the selected joints. Contour plans were applied in exemplary static calculations, carried out for a latticed frame and a frame with a frame transom (chapter 8). The results of calculations permitted to assess in the first case the influence of three instantaneous rigidities, neglecting the reducing coefficients, on the distribution of internal forces in the frame, and in the second case - the effect of three instantaneous rigidities, taking into account the interactive connections. Chapter 9 presents conclusions resulting from these investigations and suggests trends for further investigations. The results of the presented investigations are of a definite practical value in the case of constructions consisting of cold-bent profiles. Numerous results of experimental investigations, the method of calculating a deformed joint, the way of dealing with the setting up of boundary curves and contour plans of the reducing coefficients and the suggested formulae for calculating instantaneous rigidities - may be the essential step in the way to develop a system of construction of lattice-frame systems, valid for this country, designed of thin-walled profiles with open as well as closed cross-sections.