Извијање стубова I пресека од нерђајућег челика при дејству пожара са утицајем историје оптерећења

Abstract

У оквиру ове докторске дисертације развијен је нови предлог за одређивање граничне носивости на флексионо извијање око слабије осе центрично притиснутих стубова од нерђајућег челика завареног I пресека при дејству пожара са обухватањем утицаја историје оптерећења. Развијена је нумеричка методологија за одређивање граничне носивости при дејству пожара са узимањем у обзир утицаја историје оптерећења. Нумеричка методологија кодирана је у Python програмском језику уз примену солвера програма Abaqus. Нумеричка методологија симулира реално понашање, где је стуб прво оптерећен, а након тога изложен пожарном дејству према стандардном пожару. Нумеричка методологија је валидирана у односу на експерименталне тестове на стубовима завареног I пресека од нерђајућег челика при дејству пожара из литературе. Користећи развијену и валидирану нумеричку методологију за одређивање граничне носивости, утврђени су недостаци одређивања граничне носивости према правилима датим у EN 1993-1-2. Недовољна тачност и велико расипање резултата предикције граничне носивости у односу на флексионо извијање стубова од нерђајућег челика при дејству пожара према EN 1993-1-2, али и према скорашњим предлозима, указала је на то да изрази за одређивање граничне носивости у постојећој форми не могу адекватно да предвиде носивост, већ да нови утицајни параметри морају бити укључени на страни израза са циљем побољшања прецизности предикције. Анализирана су два главна утицајна параметра, однос површина фланши и ребра ⁄ и однос дебљина фланши и ребра ⁄ I попречних пресека, како би се на страни израза за одређивање носивости на посредан начин укључили утицаји историје оптерећења. Предложен је нови сет правила за одређивање граничне носивости на флексионо извијање центрично притиснутих стубова од нерђајућег челика при дејству пожара. Као референтна чврстоћа примењена је чврстоћа којој одговара трајна пластична дилатација од 2% ,, што је у складу са правилима за стубове од угљеничног челика датим у EN 1993-1-2. Израз за фактор редукције калибрисан је у односу на нумерички одређене криве извијања дефинисане на основу резултата параметарских нумеричких анализа. Параметарске нумеричке анализе су обухватиле широк спектар релативних виткости ̅, распон критичних температура од практичног значаја, компактне и витке попречне пресеке, широк распон димензија попречних пресека и три различита типа нерђајућих челика, аустенитне, дуплекс и феритне. Кодирање методологије нумеричког одређивања граничне носивости уз комплетан процес калибрације новопредложених израза за одређивање граничне носивости у програмском језику Python, омогућио је реализацију великог броја нумеричких анализа и њихово коришћење у процесу калибрације (укупно је спроведено 6000 нумеричких симулација, од којих је 3000 коришћено у процесу калибрације). Тачност новог предлога оцењена је у односу на основне статистичке параметаре, док је поузданост новог предлога оцењена с обзиром на критеријуме поузданости за пројектовање челичних елемената у пожару које је поставио Kruppa. Упоредном анализом тачности новог предлога, скорашњих предлога из литературе и предлога према EN 1993-1-2 показано је да нови предлог пружа знатно прецизнију предикцију граничне носивости у односу на преостала два предлога, што омогућава економичнију и сигурнију примену ових елемената.

U okviru ove doktorske disertacije razvijen je novi predlog za određivanje granične nosivosti na fleksiono izvijanje oko slabije ose centrično pritisnutih stubova od nerđajućeg čelika zavarenog I preseka pri dejstvu požara sa obuhvatanjem uticaja istorije opterećenja. Razvijena je numerička metodologija za određivanje granične nosivosti pri dejstvu požara sa uzimanjem u obzir uticaja istorije opterećenja. Numerička metodologija kodirana je u Python programskom jeziku uz primenu solvera programa Abaqus. Numerička metodologija simulira realno ponašanje, gde je stub prvo opterećen, a nakon toga izložen požarnom dejstvu prema standardnom požaru. Numerička metodologija je validirana u odnosu na eksperimentalne testove na stubovima zavarenog I preseka od nerđajućeg čelika pri dejstvu požara iz literature. Koristeći razvijenu i validiranu numeričku metodologiju za određivanje granične nosivosti, utvrđeni su nedostaci određivanja granične nosivosti prema pravilima datim u EN 1993-1-2. Nedovoljna tačnost i veliko rasipanje rezultata predikcije granične nosivosti u odnosu na fleksiono izvijanje stubova od nerđajućeg čelika pri dejstvu požara prema EN 1993-1-2, ali i prema skorašnjim predlozima, ukazala je na to da izrazi za određivanje granične nosivosti u postojećoj formi ne mogu adekvatno da predvide nosivost, već da novi uticajni parametri moraju biti uključeni na strani izraza sa ciljem poboljšanja preciznosti predikcije. Analizirana su dva glavna uticajna parametra, odnos površina flanši i rebra ⁄ i odnos debljina flanši i rebra ⁄ I poprečnih preseka, kako bi se na strani izraza za određivanje nosivosti na posredan način uključili uticaji istorije opterećenja. Predložen je novi set pravila za određivanje granične nosivosti na fleksiono izvijanje centrično pritisnutih stubova od nerđajućeg čelika pri dejstvu požara. Kao referentna čvrstoća primenjena je čvrstoća kojoj odgovara trajna plastična dilatacija od 2% ,, što je u skladu sa pravilima za stubove od ugljeničnog čelika datim u EN 1993-1-2. Izraz za faktor redukcije kalibrisan je u odnosu na numerički određene krive izvijanja definisane na osnovu rezultata parametarskih numeričkih analiza. Parametarske numeričke analize su obuhvatile širok spektar relativnih vitkosti ̅, raspon kritičnih temperatura od praktičnog značaja, kompaktne i vitke poprečne preseke, širok raspon dimenzija poprečnih preseka i tri različita tipa nerđajućih čelika, austenitne, dupleks i feritne. Kodiranje metodologije numeričkog određivanja granične nosivosti uz kompletan proces kalibracije novopredloženih izraza za određivanje granične nosivosti u programskom jeziku Python, omogućio je realizaciju velikog broja numeričkih analiza i njihovo korišćenje u procesu kalibracije (ukupno je sprovedeno 6000 numeričkih simulacija, od kojih je 3000 korišćeno u procesu kalibracije). Tačnost novog predloga ocenjena je u odnosu na osnovne statističke parametare, dok je pouzdanost novog predloga ocenjena s obzirom na kriterijume pouzdanosti za projektovanje čeličnih elemenata u požaru koje je postavio Kruppa. Uporednom analizom tačnosti novog predloga, skorašnjih predloga iz literature i predloga prema EN 1993-1-2 pokazano je da novi predlog pruža znatno precizniju predikciju granične nosivosti u odnosu na preostala dva predloga, što omogućava ekonomičniju i sigurniju primenu ovih elemenata.

In this doctoral dissertation, a new proposal was developed for the flexural buckling resistance of welded I-section stainless steel columns exposed to fire considering the influence of loading history. A finite element procedure has been developed for determining the flexural buckling resistance in fire, taking into account the influence of the loading history. The finite element procedure was coded in the Python programming language while using the Abaqus solver. The finite element procedure simulates the real behavior, where the column is first loaded and then exposed to the fire action according to a standard fire. The numerical procedure was verified in relation to experimental tests on welded I section stainless steel columns in fire from the literature. Using the developed and validated numerical procedure for determining the ultimate load capacity, the shortcomings of the rules for the buckling resistance load capacity according to the rules given in EN 1993-1-2 were confirmed. The poor accuracy and large dispersion of results of prediction of the flexural buckling resistance of stainless steel columns in fire according to EN 1993-1-2, but also according to recent proposals, indicated that the expressions for determining the buckling resistance in fire in the existing form cannot adequately predict resistance. New contributing parameters must be included on the expression side in order to improve the accuracy of the prediction. Two main contributing parameters, the ratio of flanges and web areas ⁄ and the ratio of flange and web thicknesses ⁄ of I sections, were analyzed in order to indirectly include the influence of loading history on the side of the expression for determining the buckling resistance. A new set of rules for determining the buckling resistance of axially compressed stainless steel columns under the action of fire is proposed. As a reference strength, the strength corresponding to a 2% plastic strain , was used, which is in accordance with the rules for carbon steel columns in EN 1993-1-2. The expression for the reduction factor is calibrated against numerically determined buckling curves defined on the basis of the results of parametric numerical analyses. Parametric numerical analyzes covered a wide range of relative slendernesses ̅, a range of critical temperatures of practical importance, compact and slender cross-sections, a wide range of cross-section dimensions and three different types of stainless steels, austenitic, duplex and ferritic. The coding of the numerical methodology for the buckling resistance assessment with the complete calibration process of the newly proposed expressions for determining the buckling resistance in the Python programming language, enabled the realization of a large number of numerical analyzes and their use in the calibration process (a total of 6000 numerical simulations were carried out, of which 3000 were used in the calibration process). The accuracy of the new proposal was evaluated against the basic statistical parameters, while the reliability of the new proposal was evaluated against the reliability criteria for the design of steel elements in fire set by Kruppa. A comparative analysis of the accuracy of the new proposal, recent proposals from the literature and the proposal according to EN 1993-1-2 showed that the new proposal provides a far more accurate prediction of the buckling resistance compared to the remaining two proposals, which enables a more economical and safer application of these elements.