Kombinovaný spoj vysokých tenkostěnných ocelových vaznic

Přemysl Pařenica

Doctoral thesis

Combined Connection of High Thin-Walled Steel Purlins

Abstract:

Tenkostěnné za studena válcované průřezy jsou stále více využívány ve stavebnictví, zejména u zastřešení velkorozponových hal používaných v dnešní době například pro tvorbu rozsáhlých logistických center, stavbách občanské vybavenosti a v dalších typech stavebních a technologických konstrukcí. Jejich použití má výhody zejména v úspoře materiálu, ve snižování nákladů na výstavbu, snadnější manipulaci s jednotlivými konstrukčními prvky z důvodu nižší hmotnosti. Jednou z mála nevýhod těchto prvků může být komplikovaná metodika návrhu a posouzení. K jistým nevýhodám také patří, vlivem subtilnosti tenkostěnných konstrukcí, jejich nižší robustnost a tím i nižší odolnost konstrukcí proti nestandardním způsobům namáhání a dalším mimořádným situacím. V nyní platných doporučených návrhových postupech (Eurokód 3) nejsou dostatečně postihnuty postupy návrhu zejména v místech uložení a spojů tenkostěnných konstrukcí. Únosnost konstrukce z tenkostěnných prvků závisí v nemalé míře na únosnosti detailů v místě uložení na nosnou konstrukci a místech vzájemného napojování jednotlivých tenkostěnných prvků. Proto je u tenkostěnných konstrukcí nutné použití přídavných konstrukčních prvků, jako jsou lokální výztuhy, stabilizační prvky, podpěry a další konstrukční opatření, například zdvojování profilů nebo odstupňování tloušťky materiálu různých částí prvků konstrukce. Důležité je především zajistit, aby navržené spoje nevnášely do konstrukce lokální nestability a byly dostatečně tuhé a únosné. Prezentovaná disertační práce je zaměřena na chování vysokých tenkostěnných vaznic (300 a 350 mm) v místě napojení na nosnou konstrukci a vyhodnocení, zda lze k návrhu tohoto typu detailu použít existující normový přístup. Detail napojení byl zkoumán ve variantách s výztužným clipem a bez něj. Detaily uložení tenkostěnných vaznic byly nejprve zkoumány experimentálně. Cílem experimentů bylo zjištění chování a únosnost detailu napojení střešních vaznic na nosnou konstrukci. Dalším cílem bylo zjištění vlivu přídavného výztužného clipu na celkovou únosnost napojení. Z tohoto důvodu byly testovány jednotlivé zatěžovací sestavy jak s osazeným výztužným clipem, tak i bez něj. V rámci experimentů byly provedeny také materiálové zkoušky plechů testovaných vaznic. Získané laboratorní výsledky byly porovnány s výstupy numerických simulací provedených experimentů. Veškeré vytvořené modely byly provedeny jako komplexní prostorové modely a zahrnovaly geometrické, konstrukční a materiálové nelinearity. V místech dotyku jednotlivých částí modelu byly nastaveny nelineární kontakty zohledňující tření mezi povrchy. Jelikož byla snaha o vytvoření co nejvýstižnějšího modelu testované sestavy, bylo nutné vytvořit modely spojů, které budou co nejvíce vystihovat skutečné chování spojů v konstrukci. Získané poznatky byly rovněž porovnány s analytickým postupem dle normy. Poté byly vyvozeny závěry k použitelnosti stávajících normových přístupů pro studované spoje vaznic a možnostem numerického modelování jako doplňku experimentálního přístupu.

Abstract:

Thin-walled cold-rolled cross-sections are increasingly used in construction, especially in the roofing of large-span halls used today, for example, for the creation of large logistics centers, civic amenities and other types of buildings and technological structures. Their use has advantages especially in saving materials, in reducing construction costs, and easier handling of individual structural elements due to lower weight. One of the few disadvantages of these elements may be the complicated design and assessment methodology. Certain disadvantages also include, due to the subtlety of thin-walled structures, their lower robustness, and thus lower resistance of structures to non-standard methods of stress and other emergency situations. In the currently recommended design procedures (Eurocode 3), the design procedures are not sufficiently affected, especially in the place of installation and joints of thin-walled structures. The load-bearing capacity of a structure made of thin-walled elements depends to a large extent on the load-bearing capacity of details at the place of mounting on the supporting structure and at the points of interconnection of individual thin-walled elements. Therefore, in the case of thin-walled structures, it is necessary to use additional structural elements, such as local reinforcement, stabilizing elements, supports and other structural measures, such as doubling the profiles or grading the material thickness of different parts of the structural elements. It is especially important to ensure that the designed joints do not introduce local instability into the structure and are sufficiently rigid and load-bearing. The presented dissertation is focused on the behavior of high thin-walled purlins (300 and 350 mm) at the point of connection to the supporting structure and the evaluation of whether the existing standard approach can be used to design this type of detail. The detail of the connection was examined in variants with and without a reinforcing clip. The details of the placement of thin-walled purlins were first investigated experimentally. The aim of the experiments was to determine the behavior and bearing capacity of the detail of the connection of roof purlins to the supporting structure. Another goal was to determine the effect of the additional reinforcement clip on the overall load-bearing capacity of the connection. For this reason, the individual load assemblies were tested both with and without a reinforced clip. As part of the experiments, material tests of the sheets of the tested purlins were also performed. The obtained laboratory results were compared with the outputs of numerical simulations of the performed experiments. All created models were performed as complex spatial models and included geometric, structural, and material nonlinearities. Non-linear contacts were set at the points of contact of the individual parts of the model, considering the friction between the surfaces. As the effort was made to create the most concise model of the tested assembly, it was necessary to create models of joints that will capture as much as possible the actual behavior of the joints in the structure. The obtained knowledge was also compared with the analytical procedure according to the standard. Then conclusions were drawn on the applicability of existing standard approaches for the studied purlin joints and the possibilities of numerical modeling as a complement to the experimental approach.

Keywords

tenkostěnné profily, ocel, vysoké vaznice, kombinovaný spoj, numerické modelování, experimenty

Keywords

thin-walled, steel, high purlins, combined connections, numerical modeling, experiments

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 1. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 2. 7. 2021
• Supervisor: Jiří Brožovský
• Reader: Milan Šmak, Michal Jandera, Stanislav Kmeť

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta stavební

Doctoral programme / field:
Stavební inženýrství / Teorie konstrukcí