Studium odkształcalności cienkościennych belek stalowych z wypełnieniem z betonu lekkiego

• Autorzy: Glinicka, A.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedmiotem rozprawy jest studium odkształcalności belek utworzonych z dwóch części i z dwóch jakościowo różnych materiałów. Są to kształtowniki wygięte na zimno z cienkiej blachy stalowej, z wewnętrznym rdzeniem z lekkiego porowatego pianobetonu, zawierającym rozproszone włókna ze szkła cyrkonowego. Nie należą one do standardowych konstrukcji typu stal-beton. Są to fizyczne i numeryczne modele elementów, zbudowane w celu poznania rozwoju odkształceń, przemieszczeń i naprężeń pod narastającym obciążeniem statycznym, w szczególności pod obciążeniem maksymalnym. Dokonano przeglądu literatury, obejmującej konstrukcje zespolone i ich problematykę, na podstawie którego wybrano zagadnienia nowe, wymagające pełniejszych i bardziej szczegółowych rozwiązań. Z przeglądu tego wynika wybór dwóch stanów obciążeń elementów, co jest związane z przygotowaniem dwóch stanowisk badawczych, oraz przyjęty sposób analizy teoretycznej. Własne badania doświadczalne obejmują zarówno materiały, z których wykonano belki z rdzeniem, jak i same belki. Wykonano badania materiałów, tj. stali i pianobetonu zawierającego rozproszone włókna, celem poznania własności mechanicznych i uzyskania danych do obliczeń. Materiał rdzenia, jako niestandardowy, został zbadany szczegółowo i dokładnie. Zaprojektowano i przeprowadzono cykl zasadniczych badań eksperymentalnych, który obejmował dwie grupy elementów. Pierwszą grupę tworzyły jednoprzęsłowe belki swobodnie podparte, obciążone dwoma równymi siłami skupionymi równo rozstawionymi. W ten sposób, w wybranych przekrojach w połowie długości elementów, wyeksponowane zostało zginanie lub zginanie i towarzyszące mu skręcanie. Drugą grupę tworzyły belki swobodnie podparte ze wspornikiem, obciążone dwoma siłami skupionymi, o proporcji i ustawieniu umożliwiającym wyeksponowanie ścinania i towarzyszącego mu skręcania w wybranych przekrojach w połowie długości tych elementów. W każdej grupie belki występowały parami, które stanowiły cienkościenne belki stalowe i cienkościenne belki stalowe z rdzeniem, o jednakowych wymiarach i jednakowo obciążone. Zespolenie między kształtownikami i rdzeniami następowało przez adhezję. Zastosowano następujące kształty przekrojów poprzecznych obudów stalowych: mrę prostokątną zamkniętą, ceownik półzamknięty, ceownik. Pod narastającym obciążeniem rejestrowano rozwój odkształceń, ugięć pionowych i kątów skręcania. Do badań użyto tensometrów elektrooporowych i czujników zegarowych. Przeprowadzono analizę wyników badań i ich interpretację. Określono obciążenia graniczne, a więc powodujące wystąpienie rys w rdzeniach, wyboczenie lokalne kształtowników stalowych i całkowicie niszczących elementy. W zakresie odkształceń liniowych przeanalizowano możliwość zaadaptowania teońi prętów cienkościennych do obliczania rozpatrywanych belek. Przeprowadzono symulację numeryczną badań metodą elementów skończonych. Obliczenia przeprowadzono programem ABAQUS/Standard, modelując kształtowniki stalowe czterowęzło-wymi elementami powłokowymi, a rdzenie ośmiowęzłowymi elementami trójwymiarowymi. Powiązanie składowych przemieszczeń w węzłach sąsiadujących elementów dwóch rodzajów następowało według opcji możliwej do wykorzystania w programie. Wybrane wyniki tej symulacji zostały porównane z odpowiednimi rezultatami eksperymentów. Przedstawiono rozkłady odkształceń i naprężeń w każdej z części konstrukcji przy obciążeniu maksymalnym. Na zakończenie przedstawiono uwagi końcowe oraz wnioski dotyczące badań doświadczalnych, analiz teoretycznych i obliczeniowych rozpatrywanych elementów konstrukcyjnych.

EN

The subject of this thesis is the deformability of beams composed of two different materials: cold rolled thin walled steel profiles with a core of light porous cement based composite with fibrous reinforcement of zirconia glass. The tested elements do not belong to the group of standard concrete steel composite elements. Such model elements were built to gain knowledge of the development of strains, displacements and stresses under increasing static load and, in particular, at maximum load. A literature study on composite structures was performed to select new important problems for detailed investigation. On the basis of this review the two states of loading of elements were selected and therefore the test set-up was designed and the theoretical model was assumed accordingly. Experimental tests were performed to evaluate the mechanical properties of the basic materials used to compose the model beams, i.e. steel and foamed concrete with dispersed fibrous reinforcement. The core material being a non-standard one was tested extensively. Two series of laboratory experiments were designed and performed. The first test series comprised of simply supported beams in four point bending. The second test series comprised of simply supported beams with a cantilever loaded by two concentrated forces of proper proportion (the first force at the mid-span and the second force at the end of cantilever). Thus at selected cross-sections in the middle of the beams the bending stresses or bending and torsion stresses were enhanced in the first series and the shear stresses or shear and torsion stresses were enhanced in the second series. In each series two types of beams of the same size, thin walled steel beams with and without a core cross-section shape of beams were tested at the same loading conditions. The interaction between the core and steel profiles was provided by adhesion. The following types of steel cross-sections were investigated: rectangular section, lipped channel and channel section. At increased load the development of strains, vertical deflections and torsion angles were monitored. Strains and displacements were measured using strain-gages and linear displacement meters that were located at selected places of the tested beams. An experimental analysis of the state of the strains and displacements of the beams was performed. The limit load corresponding to cracking in the core or local buckling of steel profiles or total failure was determined. For the linear strain range the thin-walled beam theory was applied. The numerical simulation of tests was performed using the finite element method. ABAQUS/Standard software was used to model the steel profiles with four mode shell elements and a core with 8-mode spatial elements. The results of the simulation were verified by experimental data. The distribution of the strains and stresses in the tested beams at maximum load is presented. The presented final conclusions concern the experimental tests, theoretical analysis and calculations of the investigated structural elements.

Słowa kluczowe

PL

belka stalowa; odkształcenia materiałów; konstrukcje zespolone

• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Budownictwo
• Rocznik: 2002
• Tom: z. 141
• Strony: 3-160
• Opis fizyczny: Bibliogr. 235 poz., tab., rys., wykr.

Twórcy

autor

Glinicka, A.

• Instytut Mechaniki Konstrukcji Inżynierskich Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej