Nosivost različitih tipova ravnokrakih ugaonika od nerđajućeg čelika pri dejstvu centričnog pritiska

Abstract

Primena nerđajućeg čelika u savremenom građevinarstvu vezuje se za period inovacija itehnološkog napretka u industriji čelika tokom poslednjih decenija prošlog i početkom ovog veka.Iako se u osnovi klasifikuje kao legirani čelik, strukturne performanse ovog materijala bitno serazlikuju od onih kod ugljeničnih čelika. Atraktivan površinski izgled koji ne zahteva primenuzaštitnih premaza, visoka otpornost na koroziju, značajan kapacitet plastifikacije, izrazita duktilnosti visoke vrednosti granice razvlačenja i čvrstoće pri zatezanju daju prednost u primeni nerđajućegčelika u nosećim konstrukcijama ofšor platformi, industrijskih objekata u agresivnim sredinama imostogradnji. Nerđajući čelik spada u grupu čistih materijala pa se često koristi u nosećimkonstrukcijama rezervoara i silosa za skladištenje hrane, tečnosti i medicinskih preparata. Preduslovza širu primenu nerđajućeg čelika u građevinarstvu predstavlja razvoj nove i poboljšanje postojećetehničke regulative za projektovanje konstrukcija od ove vrste čelika. U tom kontekstu, potreba zastalnim istraživanjima i analizama ponašanja elemenata od nerđajućeg čelika je imperativ.Štapasti čelični proizvodi izrađeni od ugaonika imaju široku primenu u nosećim elementimakoji su dominantno opterećeni aksijalnim naprezanjima kao što su: elementi ispune rešetkastihnosača, horizontalnih i vertikalnih spregova objekata u zgradarstvu, pojasni štapovi i štapovi ispunetelekomunikacionih stubova i stubova dalekovoda.Važeći međunarodni standardi za projektovanje konstrukcija od nerđajućeg čelika ne dajueksplicitna pravila za dimenzionisanje centrično pritisnutih štapova izrađenih od ugaonika. Razloziza ovo leže u nedovoljnom broju relevantnih istraživanja koja bi trebalo da pruže činjenice neophodneza dobijanje odgovora na brojne nepoznanice u pogledu graničnih nosivosti i oblika loma ovog tipakonstruktivnog elementa u zavisnosti od niza uticajnih parametara. U kontekstu navedenog, ovadoktorska disertacija prikazuje naučno istraživanje na centrično pritisnutim, obostrano zglobnooslonjenim, ugaonicima koje je sprovedeno na Univerzitetu u Beogradu, Građevinskom fakultetu. Dabi se utvrdio uticaj tehnologije proizvodnje na početne strukturne imperfekcije elementa,istraživanjem su obuhvaćeni elementi proizvedeni hladnim oblikovanjem, vrućim valjanjem ilaserskim zavarivanjem. Razmatrane su dve legure nerđajućeg čelika, nisko legirani dupleks čelik EN1.4162 i austenitni nerđajući čelik EN 1.4301. Osnovni cilj istraživanja je da se kroz nizeksperimentalnih i numeričkih analiza dobiju relevantni i pouzdani podaci koji će omogućitidefinisanje smernica i pravila za proračun centrično pritisnutih štapova izrađenih od ugaonika,sagledavajući njihove različitosti u kontekstu načina proizvodnje. Eksperimentalnim programom suobuhvaćeni svi ključni testovi sa ciljem utvrđivanja mehaničkih svojstava osnovnog materijala,kapaciteta nosivosti poprečnog preseka, početnih geometrijskih imperfekcija, intenziteta i raspodelezaostalih napona i utvrđivanja globalnih oblika nestabilnosti i graničnih nosivosti na fleksiono itorziono-fleksiono izvijanje. Simulacija eksperimenata kroz razvoj numeričkih modela, njihovakalibracija i validacija sprovedena je primenom metode konačnih elemenata u programskom paketuAbaqus na osnovu dobijenih eksperimentalnih rezultata. Ovako kalibrisani numerički modeliobezbedili su osnovu za sprovođenje opsežnih parametarskih numeričkih studija u okviru kojih susagledavani i analizirani uticaji globalne vitkosti i vitkosti poprečnog preseka na odgovorrazmatranog elementa u stanju granične nosivosti. Na ovaj način formirana je opsežna i pouzdanabaza podataka koja je omogućila (1) proveru tačnosti međunarodnih standardizovanih metoda zadimenzionisanje centrično pritisnutih elemenata od nerđajućeg čelika i (2) osnovu za matematičkuinterpretaciju nosivosti elemenata i definisanje odgovarajućih preporuka za njihovo dimenzionisanjesledeći implementirane procedure evropskih standarda za čelične noseće konstrukcije u zgradarstvu.Dobijeni rezultati omogućili su razvoj novih krivih izvijanja za svaki tip profila – hladnooblikovanih,vrućevaljanih i laserski zavarenih za niskolegiranu dupleks leguru i austenitnu leguru nerđajućegčelika.

Application of stainless steel in modern structural engineering is related to innovation periodand technological progress in steel industry during the last decades of previous century and at thebeginning of this century. Although it is classified as alloy steel, structural behaviour of this materialdiffers significantly from that of carbon steels. Attractive surface appearance that does not requireprotective coatings, high corrosion resistance, significant plastification capacity, pronounced ductilityand high values of yield and tensile strength give advantage to stainless steel application in offshoreplatforms, industrial facilities in aggressive environments and bridge structures. Since stainless steelbelongs to a group of clean materials, it is often used for load-bearing structures of tanks and silos forfood, liquids and medical remedies storage. Requirements for a wider application of stainless steelare development of new and improvement of existing technical regulations for the design of stainlesssteel structures. Therefore, constant research and analysis of stainless steel elements behaviour is ofoutmost importance.Steel angle bars have a wide application in structural members that are predominantly loadedby axial forces such as: webs of trusses, elements of horizontal or vertical bracings in buildings andas members of telecommunication towers and transmission line poles.Current international standards for the design of stainless steel structures do not provide explicitrules for axially compressed angles. Explanation for this is insufficient number of relevant studiesthat should provide knowledge necessary for obtaining the answers to numerous unknowns regardingultimate bearing capacity and fracture modes of this type of structural elements, depending on anumber of parameters. In the context of the above, this thesis presents a scientific research on axiallycompressed pinned angle columns conducted at University of Belgrade, Faculty of Civil Engineering.In order to determine influences of production technology on initial structural imperfections ofelements, this research included angles produced by cold forming, hot rolling and laser welding. Twostainless steel alloys, low alloy duplex steel EN 1.4162 and austenitic stainless steel EN 1.4301 wereconsidered. The main goal was to obtain relevant and reliable data through experiments and numericalanalyses that will define guidelines and rules for the design of axially compressed angle columns,considering differences caused by production methods. The experimental program included all keytests with the aim of determining mechanical properties, bearing capacity, initial geometricimperfections, values and distribution of residual stresses and determining global forms of instabilityand flexural and flexural-torsional buckling capacity. Simulation of the experiments throughdevelopment of numerical models, their calibration and validation were performed using finiteelement method in Abaqus software package based on the obtained experimental results. Calibratednumerical models provided a basis for extensive parametric numerical studies in which effects ofglobal slenderness and cross-sectional slenderness on the response of the considered element in astate of ultimate bearing capacity were considered and analysed. In this way, a comprehensive andreliable database was formed which enabled (1) verification of international standardized methodsfor the design of axially compressed stainless steel elements and (2) basis for mathematicalinterpretation of the elements load-bearing capacity and defining appropriate recommendations fortheir design in accordance with the implemented procedures of European standards for steel loadbearing structures. The obtained results enabled a development of new buckling curves for each typeof angles – cold-formed, hot-rolled and laser-welded for lean-duplex alloy and austenitic stainlesssteel alloy.