Projekti / Programi
Škatlasti jekleni profili pod hkratno tlačno in upogibno obremenitvijo
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.01.00 |
Tehnika |
Gradbeništvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T230 |
Tehnološke vede |
Visoke gradnje |
Jekleni elementi, tankostenski škatlasti profili, stabilnost elementov, uklon stebra, izbočenje pločevin, začetne geometrijske nepopolnosti, zaostale napetosti, interakcija tlak-upogib, testi, numerična simulacija
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
20205 |
dr. Luka Pavlovčič |
Gradbeništvo |
Vodja |
2008 - 2010 |
56 |
Organizacije (1)
Povzetek
Za izvedbo atraktivne in lahke jeklene konstrukcije se pogosto uporabljajo vitki tankostenski profili, sestavljeni iz vitkih pločevin, ki so dodatno lahko iz jekel višje trdnosti. Pri tem nastopi problem stabilnosti elementa na dveh nivojih: lokalna stabilnost kot možnost lokalnega izbočenja posameznih vitkih pločevin in globalna uklonska stabilnost celotnega elementa, če je ta vitek kot celota. Pri stebrih sestavljenih iz vitkih pločevin je potrebno upoštevati tudi interakcijo obeh tipov nestabilnosti, problem pa postane še kompleksnejši pri vzajemnem delovanju tlačne in upogibne obremenitve. Zadnje raziskave so pokazale, da so postopki za izračun vitkih tlačno in upogibno obremenjenih tankostenskih elementov v tudi pri nas veljavnih evropskih standardih Evrokod bodisi precej konzervativni, bodisi ne povsem varni za različne vrste profilov. S predlaganim projektom se nameravam aktivno vključiti v aktualno raziskovanje omenjene problematike na različnih evropskih raziskovalnih organizacijah z namenom, da bi se postopki v Evrokodu smiselno in celovito dodelali za različne primere nestabilnosti, tipe profilov in vrste obremenitev.
V sodelovanju z Univerzo v Stuttgartu nameravamo izvesti 7 “full-scale” testov na varjenih in hladno oblikovanih vitkih škatlastih profilih tako v tlaku, kot v hkratnem tlaku in upogibu. Pri tem bodo analizirani različni tipi nestabilnosti. Rezultati testov bodo služili za verificiranje numeričnih modelov, pri čemer se bodo upoštevale izmerjene materialne karakteristike in začetne nepopolnosti preizkušancev. Na modelih bo najprej izvedena numerična študija vpliva različnih začetnih geometrijskih nepopolnosti in zaostalih napetosti, zaradi varjenja in hladnega oblikovanja. Sledila bo obširna numerična parametrična študija, ki bo pokrila široko območje lokalnih in globalnih vitkosti elementov ter upoštevala tudi vpliv vsebolj aktualnih visoko vrednih jekel. Na podlagi izvedenih testov in numeričnih raziskav bo razvit predlog dodelave postopka nosilnosti tlačno in upogibno obremenjenih vitkih škatlastih profilov, ki naj bi ustrezal principom v Evrokodih ter bil skladen s postopki za druge vrste profilov, ki so še v razvoju v okviru drugih aktualnih raziskovalnih projektov.
Pomen za razvoj znanosti
Pomen za razvoj znanosti je sledeč:
- 8 izvedenih »full-scale« testov razširja bazo izvedenih testov z rezultati za preizkušance različnih geometrij, izvedbe in vnosa sile, kar nudi uporabne podatke za različne raziskave. Na podlagi dobro dokumentiranih in objavljenih rezultatov testov so možne nadaljne kalibracije oziroma verifikacije računskih in numeričnih modelov in razvoj metod za opis obravnavane problematike.
- Zelo pomembna je uspešna izvedba spremljevalnih testov in meritev, kar daje čim boljšo podlago za numerične simulacije in analizo različnih vplivov nepopolnosti. Rezultati izvedenih testov so dobro dokumentirani in lahko služijo za splošno uporabo.
- Uspešna izvedba meritev zaostalih napetosti na varjenem in primerljivem hladno oblikovanem profilu nudi možnost direktne primerjave vpliva različnih postopkov izdelave profilov na razvoj zaostalih napretosti in posledično na nosilnost stebrov. V konkretnem primeru varjencev je nivo tlačenih napetosti zaradi tankih pločevin in sorazmerno debelih zvarov zelo visok (okoli 40% nateznih zaostalih napetosti). Vpliv hladnega oblikovanja prispeva k večjemu gradientu napetosti skozi debelino pločevine, sam nivo povprečnih napetosti pa ni povečan.
- Pomemben prispevek je tudi uspešnost numeričnih simulacij, saj so tlačeni stebri očitno zelo občutljivi na različne vrste nepopolnosti. Z vidika težavnosti meritev zaostalih napetosti in (ne)natančnosti geometrijskih nepopolnosti in dodatno velikega vpliva nepopolnosti na redukcijo nosilnosti stebrov, kaže odstopanje izračunanih in izmerjenih nosilnosti maksimalno do 6% na veliko natančnost MKE simulacij.
- Uspešnost numeričnih simulacij in razpoložljivost izmerjenih podatkov o nepopolnostih je omogočila tudi kvantitativno analizo vpliva različnih nepopolnosti (zaostale napetosti, globalne in lokalne geometrijske nepopolnosti, začetni naklon stebrov), kot tudi njihovih različnih kombinacij. Dokaže se, da je za potrebe zahtevnejše projektantske prakse možno natančnejši vnos različnih nepopolnosti nadomestiti z ustreznimi ekvivalentnimi geometriskimi nepopolnostmi tudi v primeru obravnavanih stebrov.
- Numerična parametrična študija je pokrila široko območje parametrov globalne in lokalne vitkosti. V več različnih primerih so bili stebri dodatno upogibno obremenjeni z variiranjem ekscentričnosti sile. Obravnavani sta bili dve kvaliteti jekla ter vsi izračuni izvedeni za dva razreda zaostalih nepopolnosti – za relativno tanke in relativno debele zvare. Na ta način je bila pridobljena obširna baza rezultatov t.i. virtualnih testov, ki so na razpolago tudi drugim raziskovalcem.
- Na podlagi pridobljene baze rezultatov je bil natančno analiziran obstoječ postopek določitve nosilnosti stebrov po evropskem standardu EN (EN 1993-1-1 in EN 1993-1-5) hkrati z dvema novejšima predlogoma modifikacij po (Detzel, 2006) in (Brune, 2000). Ugotovljena so območja vitkosti, kjer dajo metode rezultate na nevarni strani. Namesto fine kalibracije oz. korekcije obstoječih metod, sem zaradi velike nezanesljivosti in raztrosa vhodnih podatkov (začetnih nepopolnosti) v zaključku raziskave predlagal doslednejšo sistematizacijo različnih razredov nepopolnosti z vpeljavo parametra kvalitete jekla v natančnejšo definicijo mej med razredi.
- Raziskava odpira tudi nova vprašanja in podaja smernice za nadaljne raziskave in sicer v dveh smereh: natančno eksperimentalno raziskati območje stebrov z malo globlano vitkostjo (okoli 0.2) in veliko lokalno vitkostjo (vsaj 1.0), saj so rezultati v tem območju ne glede na metodo precenjeni do 8 % v primeru tanjših zvarov in v primeru debelejših celo do 15 %. Druga smer nadaljnih raziskav bi bila sistematična eksperimentalna analiza vpliva različnih postopkov varjenja in debelin zvarov na razvoj zaostalih napetosti in posledično nosilnosti stebrov. Na ta način bi lahko natančneje sistematizirali in definirali različne razrede nepopolnosti.
Pomen za razvoj Slovenije
Pomen za razvoj Slovenije vidim predvsem v uspešnem mednarodnem sodelovanju in vpetosti podoktorskega projekta v aktualne mednarodne raziskave na priznanih evropskih univerzah. Na ta način je možen pretok znanja in izkušenj med različnimi raziskovalnimi okolji in državami. Slovenija se na ta način kaže kot agilna in relevantna članica evropske skupnosti na področju raziskav in prav tako glede strokovnih vprašanj. Vse omenjeno se izkazuje v naslednjem:
- 10 mesečno bivanje na Univerzi v Stuttgart, na Inštitutu za projektiranje in zasnovo pod vodstvom prof. Ulrike Kuhlmann, kjer sem opravil in vodil eksperimentalni del raziskav.
- Povezanost s Tehnično univerzo v Dortmundu (prof. Dieter Ungermann, doc. Betina Brune), kjer vzporedno opravljajo podobne raziskave na odprtih C profilih.
- Kot aktivni raziskovalec na področju stabilnosti sem na Univerzi v Stuttgartu sodeloval pri predavanjih za izbirni predmet K4a: Jeklene ploskovne konstrukcije (Stahlflächentragwerke)
- Članstvo v znanstvenem odboru ključne mednarodne konference s področja jeklenih konstrukcij: Eurosteel 2008, ki je bila 3.-5. septembra 2008 v Gradcu, v Avstriji.
- Udeležba različnih sestankov v okviru projekta ter dodatnih usposabljan na področju s podobno tematiko: Stahlbau-Kalender-Tag 20. junija 2008 v Stuttgartu, Deutscher Stahlbautag 9.-10. oktobra 2008 v Mainzu ter COMBRI Workshop »Stahl- und Verbundbrücken« 7. novembra 2008 v Düsseldorfu.
- Strokovno sodeloval pri načrtovanju in dimenzioniranju palične konstrukcije tretjega mostu preko Orinoca v Venezueli, v sodelovanju s projektivnim birojem Kuhlmann-Gerold-Krauss-Eisele iz Ostfilderna blizu Stuttgarta, katerega partner je prof. dr. Ulrike Kuhlmann. Pasova paličnih nosilcev sta namreč sestavljena iz varjenih škatlastih profilov in obremenjena v tlaku in upogibu - uporabnost raziskave na konkretnem primeru iz projektantske prakse.
- Vabilo na predstavitev rezultatov projekta na pomembnem sestanku evropske delovne skupine ECCS TWG 8.3 pristojne za aktualizacijo evropskih standardov s področja stabilnosti jeklenih konstrukcij.
- Udeležba in predstavitev rezultatov na različnih mednarodnih in domačih konferencah (Civil-Comp 2009, Funchalu na Madeiri; Stability and Ductility of Structures, Vilnius, Litva; ZGKS, Rogaška Slatina) in sestankih projektnih delovnih skupin (Köln, Stuttgart, Hirschberg, Hamburg).
- Kot aktivnega raziskovalca na področju stabilnost bil v času bivanja v Stuttgartu vključen dodatno v krajši razvojno-raziskovalni projekt na temo problema stabilnosti stebrov jeklenih zagatnih sten v elastični podlagi. Omogočeno mi je bilo sodelovanje pri dodatnih predstavitvah rezultatov študije in pri objavah (priznana nemška revija Stahlbau – 5. navedba pod točko 6, prispevek v zborniku kolokvija »Spundwände« v Hamburgu).
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
