Αντοχή σε θλίψη λεπτότοιχων διατομών C και Ζ με οπές στον κορμό

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο μια προκαταρκτική έρευνα για τη διερεύνηση της επίδρασης μιας οπής στον κορμό, στην αντοχή και την ευστάθεια λεπτότοιχων διατομών C και Ζ ψυχρής διαμόρφωσης υπό ομοιόμορφη θλίψη. Οι χαλύβδινες λεπτότοιχες διατομές C και Ζ χρησιμοποιούνται ευρέως στις ελαφρές μεταλλικές κατασκευές, κυρίως ως δευτερεύοντα δομικά στοιχεία. Ωστόσο τοπικές αστάθειες όπως ο τοπικός λυγισμός και ο λυγισμός με στρέβλωση της διατομής επηρεάζουν σημαντικά την αντοχή των μελών, με μεγαλύτερη επιβλαβή επίδραση σε περιοχές με οπές και μεγάλες παραμορφώσεις. Λόγω της περιορισμένης γνώσης για τη συμπεριφορά διάτρητων στοιχείων από χάλυβα ψυχρής διαμόρφωσης, η μελέτη αυτού του φαινομένου καθίσταται απαραίτητη. Στην παρούσα μελέτη εξετάστηκαν 28 φορείς, διατομής C και Ζ, χωρίς ενισχύσεις και με ακραίες κάθετες ενισχύσεις, με κυκλικές και τετραγωνικές οπές στον κορμό, τριών διαστάσεων. Στο πρώτο μέρος της εργασίας γίνεται μια γενική παρουσίαση των στοιχείων ψυχρής έλασης, σχετικά με τα χαρακτηριστικά τους, τις μεθόδους παραγωγής, τα συνήθη προβλήματα ευστάθειας που παρουσιάζουν και τις εφαρμογές τους στην κατασκευή. Στο δεύτερο μέρος γίνεται αναφορά στα χαρακτηριστικά του υλικού και των διατομών ψυχρής έλασης. Ακολουθεί το τρίτο μέρος όπου παρουσιάζονται οι μορφές λυγισμού των λεπτότοιχων στοιχείων, εστιάζοντας στις τοπικές αστάθειες και στον τρόπο αντιμετώπισής τους υπολογιστικά, σύμφωνα με τις διατάξεις του Ευρωκώδικα 3 ENV 1993-1-3. Εν συνεχεία στο τέταρτο μέρος γίνεται ο προσδιορισμός της αξονικής αντοχής σε ομοιόμορφη θλίψη των διατομών ακολουθώντας τις διατάξεις του Ευρωκώδικα 3. Στο πέμπτο μέρος παρουσιάζεται το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων MSC Nastran, με το οποίο έγινε η προσομοίωση της λυγισμικής συμπεριφοράς των φορέων και προσδιορίστηκε το κρίσιμο φορτίο λυγισμού αυτών. Τέλος παρουσιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα των αναλύσεων και των δύο μεθόδων και γίνονται συγκρίσεις και σχολιασμός με τη βοήθεια γραφημάτων. Επίσης για μεγαλύτερο εύρος αποτελεσμάτων τα μέλη που αναλύθηκαν συγκρίνονται με φορείς με ίδια χαρακτηριστικά σε φόρτιση και συνοριακές συνθήκες αλλά με μικρότερο μήκος. Τα τελικά συμπεράσματα που εξήχθησαν παρατίθενται στο έβδομο μέρος της εργασίας.

The present study is a preliminary research concerning the detrimental effects of a web hole, to the load-carrying capacity of lightweight cold-formed steel C and Z sections under uniform compression. Lightweight steel C and Z-sections are extensively used in constructing light industrial steel buildings. However, local instabilities as distortional and local buckling can significantly influence the load carrying capacity of such members, especially in areas of large deformations and perforations. Due to the limited awareness of the static behavior of perforated cold-formed steel sections, the research of this phenomenon is essential. In the present study, 28 models were analyzed of C and Z shaped stub columns, both with and without stiffeners, with circular and quadrangular web perforations of three dimensions. In the first part of the study there is a general presentation of cold-formed steel elements, describing their features, the cold-forming techniques, the usual instabilities and applications in the construction industry. In the second part the materials are presented. Following the third part where the types of buckling of lightweight steel members are presented, focusing on local instabilities based on ENV 1993.1.3. In the fourth part we present the computation of the compressive resistance of concentrically loaded sections based on ENV 1993.1.3. Afterwards there is a presentation of MSC Nastran, a finite element analysis program that has been used for a linear buckling analysis defining the critical buckling capacity of the members. Finally the results of the above methods are presented along with comparisons and comments and some final conclusions.