Współpraca biznesu i uczelni przynosi najlepsze efekty wtedy, gdy wiedza teoretyczna spotyka się z praktyką. Doskonałym przykładem jest projekt zrealizowany we współpracy z Kołem Naukowym KONKRET działającym przy Politechnice Wrocławskiej.
Cezary, student kierunku Budownictwo, postanowił oprzeć swoją pracę magisterską na stalowej ramie wykonanej przez nasz WKS w Częstochowie. Przedmiotem badań była konstrukcja o nietypowej geometrii, która ze względu na swój kształt wykracza poza zakres klasycznych metod projektowania opisanych w Eurokodzie 3.
Motywacja do podjęcia tematyki badawczej
Konstruktorzy stalowi muszą niekiedy mierzyć się z geometriami nietypowymi i niekorzystnymi z inżynierskiego punktu widzenia, wymuszonymi przez wizję architekta. Takie układy wykraczają poza zakres klasycznych procedur Eurokodu 3, skalibrowanych dla typowych prętów pryzmatycznych, przez co ich bezpośrednie stosowanie może prowadzić do błędnego oszacowania nośności. To stanowiło punkt wyjścia do podjęcia badań.
Obiekt badań
Badano trójprzegubową ramę blachownicową o przekroju teowym, ze środnikiem o zmiennej wysokości na długości słupa i rygla oraz zakrzywionym narożem słup-rygiel. Konstrukcję wykonano ze stali S355, z blach o grubości 8. Ze względu na smukłość środnika przeważająca część przekrojów klasyfikuje się do klasy 4, co wymusza pracę na charakterystykach efektywnych, z redukcją szerokości współpracującej i przesunięciem osi obojętnej. Połączenie teowego przekroju bez pasa w strefie ściskanej, zbieżności środnika i krzywoliniowego naroża sprawia, że klasyczne metody oceny stateczności tracą tu wiarygodność.
Analizy własne
Ramę obciążono siłą skupioną w kalenicy na maszynie wytrzymałościowej, rejestrując odkształcenia za pomocą tensometrów elektrooporowych i przemieszczenia czujnikami indukcyjnymi. Wyniki badania zestawiono z dwoma ścieżkami obliczeniowymi: nieliniową analizą MES oraz ręcznym sprawdzeniem metodą ogólną na modelu prętowym. Podstawę normową stanowiły prEN 1993-1-14 (projektowanie wspomagane analizą MES) oraz nowe wydanie PN-EN 1993-1-1.
W modelach MES przyjęto materiał quad-linear wg EN 1993-1-14, z uwzględnieniem plateau plastycznego i umocnienia odkształceniowego. Imperfekcje wprowadzono jako pierwszą postać utraty stateczności z analizy bifurkacyjnej (LBA), przeskalowaną do amplitud imperfekcji zastępczych (równoważnych) zaczerpniętych z nowego wydania PN-EN 1993-1-1 w dwóch wariantach, dla wyboczenia giętnego z płaszczyzny i dla zwichrzenia. Takie ujęcie pozwala jedną amplitudą objąć łączny wpływ odchyłek wykonawczych i naprężeń własnych, których bezpośrednie zadanie dla przekroju teowego nie jest możliwe na gruncie obecnych zapisów normowych. Dla oceny samego wpływu imperfekcji na odpowiedź układu policzono dodatkowo model GMNA w pełni nieliniowy, ale bez wprowadzonych imperfekcji.
Wnioski
Obliczenia pokazały, że klasyczne metody normowe niedoszacowują nośności badanej konstrukcji o ponad połowę. W takich przypadkach analiza nieliniowa, mimo większego nakładu, pozostaje jedynym podejściem pozwalającym wiarygodnie przewidzieć pracę konstrukcji pod obciążeniem.
Imperfekcje zastępcze oparte na postaci utraty stateczności odwzorowały rzeczywiste zachowanie układu z dobrą dokładnością. Dla wariantu z amplitudą z tablicy wyboczenia różnica względem badania wyniosła 5,5% dla sztywności początkowej i 13% dla nośności; wariant ze zwichrzeniem dał wyniki nieco bardziej konserwatywne. Oba modele można uznać za użyteczne narzędzia projektowe dla tego typu nietypowych układów.
Jesteśmy dumni, że konstrukcja wykonana przez WKS mogła stać się elementem wartościowych badań naukowych i przyczynić się do rozwoju wiedzy w obszarze projektowania konstrukcji stalowych.
Gratulujemy Cezaremu świetnie zrealizowanej pracy i dziękujemy Kołu Naukowemu KONKRET oraz Politechnice Wrocławskiej za zaufanie i owocną współpracę. Życzymy dalszych sukcesów naukowych!
