Analysis of strength and resistance to loss of stability of thin-walled channel columns with non-standard cross-sectional shape

• Autorzy: Pawlak, Aleksandra Magdalena , Paczos, Piotr

Warianty tytułu

PL

Analiza wytrzymałości i odporności na utratę stateczności cienkościennych słupów o niestandardowym kształcie przekroju poprzecznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Experimental tests and numerical analyses were carried out on short, thin-walled channel columns with modified cross-sectional shape. The columns were loaded with an axial compressive force applied at the center of gravity of the cross section. Tests were carried out on a universal testing machine, while numerical analyses were performed in ANSYS software. The purpose of the tests was to determine the values of critical forces for the compressed columns and to determine the values of maximum forces at which failure of the columns occurs. Critical forces were determined based on the strain-averaged method. Based on the study, it was found that the strength and resistance to loss of stability of columns is primarily affected by their stiffness, and therefore by the shape of the cross-sections. In addition, for short columns, it seems more important to determine the value of maximum forces than the values of critical forces.

PL

Przeprowadzono badania doświadczalne i analizy numeryczne krótkich, cienkościennych słupów ceowych o zmodyfikowanym kształcie przekroju poprzecznego. Słupy obciążono osiową siłąa ściskającą przyłożoną w środku ciężkości przekroju poprzecznego. Badania doświadczalne przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej, a analizy numeryczne przy zastosowaniu metody elementów skończonych (oprogramowanie ANSYS). Celem badań było określenie wartości sił krytycznych oraz sił maksymalnych. Siły krytyczne wyznaczono przy pomocy metody uśrednionego odkształcenia. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że na wytrzymałość i odporność na utratę stateczności wpływa sztywność słupów, a zatem kształt przekroju poprzecznego tych słupów. Przedmiotem badań były cienkościenne słupy ceowe o zmodyfikowanym kształcie przekroju poprzecznego. Słupy posiadają zmodyfikowany kształt półki (C3) oraz kształt środnika (C2). Dodatkowo badaniom poddano słup o bardziej typowym przekroju poprzecznym tzn. “lipped channel” (C1), dzięki temu można było określić wpływ modyfikacji kształtu przekroju poprzecznego słupów na ich wytrzymałość i odporność na utratę stateczności.Przeprowadzono badania doświadczalne, na podstawie których uzyskano wykresy siły ściskającej w funkcji skrócenia słupa. Wykresy te posłużyły do określenia wartości sił krytycznych metodą uśrednionego odkształcenia. Dodatkowo uzyskane wyniki umożliwiły określenie wartości sił maksymalnych, przy których doszło do zniszczenia słupów. Analizy numeryczne metodą elementów skończonych przeprowadzono przy zastosowaniu oprogramowania ANSYS. Warunki brzegowe oraz obciążenie zamodelowano w taki sposób aby odpowiadały tym, które zastosowano przy badaniach doświadczalnych. Dzięki temu wyniki uzyskane na podstawie metody numerycznej można było zweryfikować przy pomocy wyników uzyskanych na podstawie badań doświadczalnych. Analizy numeryczne pozwoliły na uzyskanie ścieżek równowagi, na podstawie których określono wartości sił krytycznych. Ponadto wykonano obliczenia z zastosowaniem klasycznego warunku wytrzymałościowego na ściskanie, na podstawie którego określono siłę maksymalną którą można obciążyć słup.

Słowa kluczowe

PL

ściskanie osiowe; utrata stateczności; siła maksymalna; siła krytyczna; kształt zmodyfikowany; przekrój poprzeczny; słup cienkościenny; przekrój ceowy

EN

axial compression; stability loss; maximum force; critical force; modified shape; cross-section; thin-walled column; channel section

• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 3
• Strony: 101--116
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Pawlak, Aleksandra Magdalena

• Poznan University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Poznan, Poland,

autor

Paczos, Piotr

• Poznan University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Poznan, Poland,

Bibliografia

• [1] H. Debski, A. Teter, T. Kubiak, and S. Samborski, “Local buckling, post-buckling and collapse of thin-walled channel section composite columns subjected to quasi-static compression”, Composite Structures, vol. 136, pp. 593-601, 2016, doi: 10.1016/j.compstruct.2015.11.008.
• [2] A. Dias Martins, D. Camotim, R. Gonçalves, and P. B. Dinis, “On the mechanics of local-distortional interaction in thin-walled lipped channel columns”, Thin-Walled Structures, vol. 125, pp. 187-202, 2018, doi: 10.1016/j.tws.2017.12.029.
• [3] P. Jasion, A. M. Pawlak, and P. Paczos, “Buckling and post-buckling behaviour of selected coldformed C-beams with atypical flanges”, Engineering Structures, vol. 244, art. no. 112693, 2021, doi: 10.1016/j.engstruct.2021.112693.
• [4] A. M. Pawlak and P. Paczos, “Experimental Optical Testing and Numerical Verification by CuFSM of Compression Columns with Modified Channel Sections”, Materials, vol. 14, no. 5, art. no. 1271, 2021, doi: 10.3390/ma14051271.
• [5] M. Obst, M. Rodak, and P. Paczos, “Limit load of cold formed thin-walled nonstandard channel beams”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, vol. 54, no. 4, pp. 1369-1377, 2016, doi: 10.15632/jtam-pl.54.4.1369.
• [6] E. Magnucka-Blandzi, “Effective shaping of cold-formed thin-walled channel beams with double-box flanges in pure bending”, Thin-Walled Structures, vol. 49, no. 1, pp. 121-128, 2011, doi: 10.1016/j.tws.2010.08.013.
• [7] K. Magnucki and T. Monczak, “Optimum shape of the open cross-section of a thin-walled beam” Engineering Optimization, vol. 32, no. 3, pp. 335-351, 2000, doi: 10.1080/03052150008941303.
• [8] M. Anbarasu and S. Sukumar, “Local/Distortional/Global buckling mode interaction on thin walled lipped channel columns”, Latin American Journal of Solids and Structures, vol. 11, no. 8, pp. 1363-1375, 2014, doi: 10.1590/S1679-78252014000800005.
• [9] M-T. Chen, B. Young, A. Dias Martins, D. Camotim, and P. B. Dinis, “Experimental investigation on cold-formed steel stiffened lipped channel columns undergoing local-distortional interaction”, Thin-Walled Structures, vol. 150, art. no. 106682, 2020, doi: 10.1016/j.tws.2020.106682.
• [10] D. Camotim and P. B. Dinis, “Coupled instabilities with distortional buckling in cold-formed steel lipped channel columns”, Thin-Walled Structures, vol. 49, no. 5, pp. 562-575, 2011, doi: 10.1016/j.tws.2010.09.003.
• [11] Y. B. SudhirSastry,Y. Krishna, and P. R. Budarapu, “Parametric studies on buckling of thinwalled channel beams”, Computational Materials Science, vol. 96, part. B, pp. 416-424, 2015, doi: 10.1016/j.commatsci.2014.07.058.
• [12] I. Wstawska, “The influence of geometric imperfections on the stability of three-layer beams with foam core”, Archives of Mechanical Technology and Materials, vol. 37, pp. 65-69, 2017, doi: 10.1515/amtm-2017-0010.
• [13] D. Hui, “Effects of Mode Interaction on Collapse of Short, Imperfect, Thin-Walled Columns”, Journal of Applied Mechanics, vol. 51, no. 3, pp. 566-573, 1984, doi: 10.1115/1.3167675.
• [14] J. Kesti and J. M. Davies, “Local and distortional buckling of thin-walled short columns”, Thin-Walled Structures, vol. 34, no. 2, pp. 115-134, 1999, doi: 10.1016/S0263-8231(99)00003-8.
• [15] V. Ungureanu, M. Kotełko, A. Karmazyn, and D. Dubina, “Plastic mechanisms of thin-walled coldformed steel members in eccentric compression”, Thin-Walled Structures, vol. 128, pp. 184-192, 2018, doi: 10.1016/j.tws.2017.09.029.
• [16] V. Ungureanu, M. Kotełko, and J. Grudziecki, “Plastic mechanisms for thin-walled cold-formed steel members in eccentric compression”, Acta Mechanica et Automatica, vol. 10, no. 1, pp. 33-37, 2016, doi: 10.1515/ama-2016-0006.
• [17] A. Teter, H. Debski, and S. Samborski, “On buckling collapse and failure analysis of thin-walled composite lipped-channel columns subjected to uniaxial compression”, Thin-Walled Structures, vol. 85, pp. 324-331, 2014, doi: 10.1016/j.tws.2014.09.010.
• [18] E.D. Szmigiera, K. Protchenko, M. Urbański, and A. Garbacz, “Mechanical properties of hybrid FRP bars and nano-hybrid FRP bars”, Archives of Civil Engineering, vol. 65, no. 1, pp. 97-110, 2019, doi: 10.2478/ace-2019-0007.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.150973