Nosivost različitih tipova ravnokrakih ugaonika od nerđajućeg čelika pri dejstvu centričnog pritiska
Resistance of differnt types of stainless steel equal angles under axial compression
Doktorand
Filipović, AljošaMentor
Dobrić, Jelena D.Članovi komisije
Buđevac, DraganSamardžić, Mileva
Marković, Zlatko
Pavlović, Marko
Metapodaci
Prikaz svih podataka o disertacijiSažetak
Primena nerđajućeg čelika u savremenom građevinarstvu vezuje se za period inovacija i
tehnološkog 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 se
razlikuju od onih kod ugljeničnih čelika. Atraktivan površinski izgled koji ne zahteva primenu
zaštitnih premaza, visoka otpornost na koroziju, značajan kapacitet plastifikacije, izrazita duktilnost
i visoke vrednosti granice razvlačenja i čvrstoće pri zatezanju daju prednost u primeni nerđajućeg
čelika u nosećim konstrukcijama ofšor platformi, industrijskih objekata u agresivnim sredinama i
mostogradnji. Nerđajući čelik spada u grupu čistih materijala pa se često koristi u nosećim
konstrukcijama rezervoara i silosa za skladištenje hrane, tečnosti i medicinskih preparata. Preduslov
za širu primenu nerđajućeg čelika u građevinarstvu predstavlja razvoj nove i poboljšanje postojeće
tehničke regulative za projektov...anje konstrukcija od ove vrste čelika. U tom kontekstu, potreba za
stalnim istraživanjima i analizama ponašanja elemenata od nerđajućeg čelika je imperativ.
Štapasti čelični proizvodi izrađeni od ugaonika imaju široku primenu u nosećim elementima
koji su dominantno opterećeni aksijalnim naprezanjima kao što su: elementi ispune rešetkastih
nosača, horizontalnih i vertikalnih spregova objekata u zgradarstvu, pojasni štapovi i štapovi ispune
telekomunikacionih stubova i stubova dalekovoda.
Važeći međunarodni standardi za projektovanje konstrukcija od nerđajućeg čelika ne daju
eksplicitna pravila za dimenzionisanje centrično pritisnutih štapova izrađenih od ugaonika. Razlozi
za ovo leže u nedovoljnom broju relevantnih istraživanja koja bi trebalo da pruže činjenice neophodne
za dobijanje odgovora na brojne nepoznanice u pogledu graničnih nosivosti i oblika loma ovog tipa
konstruktivnog elementa u zavisnosti od niza uticajnih parametara. U kontekstu navedenog, ova
doktorska disertacija prikazuje naučno istraživanje na centrično pritisnutim, obostrano zglobno
oslonjenim, ugaonicima koje je sprovedeno na Univerzitetu u Beogradu, Građevinskom fakultetu. Da
bi se utvrdio uticaj tehnologije proizvodnje na početne strukturne imperfekcije elementa,
istraživanjem su obuhvaćeni elementi proizvedeni hladnim oblikovanjem, vrućim valjanjem i
laserskim zavarivanjem. Razmatrane su dve legure nerđajućeg čelika, nisko legirani dupleks čelik EN
1.4162 i austenitni nerđajući čelik EN 1.4301. Osnovni cilj istraživanja je da se kroz niz
eksperimentalnih i numeričkih analiza dobiju relevantni i pouzdani podaci koji će omogućiti
definisanje smernica i pravila za proračun centrično pritisnutih štapova izrađenih od ugaonika,
sagledavajući njihove različitosti u kontekstu načina proizvodnje. Eksperimentalnim programom su
obuhvaćeni svi ključni testovi sa ciljem utvrđivanja mehaničkih svojstava osnovnog materijala,
kapaciteta nosivosti poprečnog preseka, početnih geometrijskih imperfekcija, intenziteta i raspodele
zaostalih napona i utvrđivanja globalnih oblika nestabilnosti i graničnih nosivosti na fleksiono i
torziono-fleksiono izvijanje. Simulacija eksperimenata kroz razvoj numeričkih modela, njihova
kalibracija i validacija sprovedena je primenom metode konačnih elemenata u programskom paketu
Abaqus na osnovu dobijenih eksperimentalnih rezultata. Ovako kalibrisani numerički modeli
obezbedili su osnovu za sprovođenje opsežnih parametarskih numeričkih studija u okviru kojih su
sagledavani i analizirani uticaji globalne vitkosti i vitkosti poprečnog preseka na odgovor
razmatranog elementa u stanju granične nosivosti. Na ovaj način formirana je opsežna i pouzdana
baza podataka koja je omogućila (1) proveru tačnosti međunarodnih standardizovanih metoda za
dimenzionisanje centrično pritisnutih elemenata od nerđajućeg čelika i (2) osnovu za matematičku
interpretaciju nosivosti elemenata i definisanje odgovarajućih preporuka za njihovo dimenzionisanje
sledeći 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 nerđajućeg
čelika.
Application of stainless steel in modern structural engineering is related to innovation period
and technological progress in steel industry during the last decades of previous century and at the
beginning of this century. Although it is classified as alloy steel, structural behaviour of this material
differs significantly from that of carbon steels. Attractive surface appearance that does not require
protective coatings, high corrosion resistance, significant plastification capacity, pronounced ductility
and high values of yield and tensile strength give advantage to stainless steel application in offshore
platforms, industrial facilities in aggressive environments and bridge structures. Since stainless steel
belongs to a group of clean materials, it is often used for load-bearing structures of tanks and silos for
food, liquids and medical remedies storage. Requirements for a wider application of stainless steel
are development of new and improvement of existing technical regulations ...for the design of stainless
steel structures. Therefore, constant research and analysis of stainless steel elements behaviour is of
outmost importance.
Steel angle bars have a wide application in structural members that are predominantly loaded
by axial forces such as: webs of trusses, elements of horizontal or vertical bracings in buildings and
as members of telecommunication towers and transmission line poles.
Current international standards for the design of stainless steel structures do not provide explicit
rules for axially compressed angles. Explanation for this is insufficient number of relevant studies
that should provide knowledge necessary for obtaining the answers to numerous unknowns regarding
ultimate bearing capacity and fracture modes of this type of structural elements, depending on a
number of parameters. In the context of the above, this thesis presents a scientific research on axially
compressed pinned angle columns conducted at University of Belgrade, Faculty of Civil Engineering.
In order to determine influences of production technology on initial structural imperfections of
elements, this research included angles produced by cold forming, hot rolling and laser welding. Two
stainless steel alloys, low alloy duplex steel EN 1.4162 and austenitic stainless steel EN 1.4301 were
considered. The main goal was to obtain relevant and reliable data through experiments and numerical
analyses 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 key
tests with the aim of determining mechanical properties, bearing capacity, initial geometric
imperfections, values and distribution of residual stresses and determining global forms of instability
and flexural and flexural-torsional buckling capacity. Simulation of the experiments through
development of numerical models, their calibration and validation were performed using finite
element method in Abaqus software package based on the obtained experimental results. Calibrated
numerical models provided a basis for extensive parametric numerical studies in which effects of
global slenderness and cross-sectional slenderness on the response of the considered element in a
state of ultimate bearing capacity were considered and analysed. In this way, a comprehensive and
reliable database was formed which enabled (1) verification of international standardized methods
for the design of axially compressed stainless steel elements and (2) basis for mathematical
interpretation of the elements load-bearing capacity and defining appropriate recommendations for
their 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 type
of angles – cold-formed, hot-rolled and laser-welded for lean-duplex alloy and austenitic stainless
steel alloy.
Fakultet:
Универзитет у Београду, Грађевински факултетDatum odbrane:
12-07-2021Projekti:
- Istraživanje stanja i metoda unapređenja građevinskih konstrukcija sa aspekta upotrebljivosti, nosivosti, ekonomičnosti i održavanja (RS-MESTD-Technological Development (TD or TR)-36048)