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

Abstract

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 projektovanje 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.