Globální analýza portálových rámů z nerezové oceli

Abstract

Korozivzdorná ocel je atraktivním konstrukčním materiálem díky své vysoké tažnosti, dostatečné houževnatosti, výraznému zpevnění materiálu a dobré požární odolnosti. Nicméně doposud bylo provedeno jen velmi omezené množství zatěžovacích zkoušek celých konstrukcí z korozivzdorné oceli. Proto byly v rámci prezentovaného výzkumu provedeny zatěžovací zkoušky sedmi portálových rámů z austenitické korozivzdorné oceli, přičemž pět rámů bylo vyrobeno z uzavřených průřezů a dva rámy byly vyrobeny z otevřených I průřezů. Rámy měly kloubově uložené sloupy a byly zatěžovány jak svisle, tak vodorovně. Cílem zatěžovacích zkoušek bylo zachytit účinky materiálové nelinearity na globální chování rámů z korozivzdorné oceli. Nelinearita materiálu totiž vede k postupnému poklesu tuhosti, a tudíž i k větším deformacím celé konstrukce. Větší deformace následně vedou k vyšším účinkům druhého řádu. Na základě provedených experimentů byl vytvořen a validován numerický model portálového rámu. Validovaný numerický model byl použit pro parametrickou studii, jejímž cílem bylo dosáhnout širšího spektra výsledků, než jaké by bylo možné pokrýt experimentálně. Numericky stanovené únosnosti rámů byly porovnávány s analytickým postupem podle Eurokódů. Bylo zjištěno, že únosnost rámů určená dle Eurokódů byla v průměru o 6,5 % vyšší než únosnost stanovená pokročilou numerickou simulací, což znamená, že predikce Eurokódů byla na nebezpečné straně. Byla navržena modifikace návrhového postupu týkající se zvýšení velikosti imperfekce ve tvaru počátečního naklonění konstrukce. Výsledné únosnosti rámů dle modifikovaného návrhového postupu s velkou přesností odpovídaly výsledkům numerických simulací v rámci parametrické studie. Bylo provedeno statistické posouzení bezpečnosti tohoto nově navrženého postupu. Bylo prokázáno, že předložený návrhový postup je vyhovující a výsledné dílčí součinitele únosnosti zapadají do stávajícího rámce platných hodnot těchto součinitelů.

Stainless steel is an attractive structural material due to its high ductility, appropriate toughness, significant strain hardening and good fire resistance. However, there is a very limited amount of experimental data on whole structures made of stainless steel members. Therefore, loading tests were carried out on seven austenitic stainless steel frames, with five frames made of hollow sections and two frames made of I-sections. The frames had pinned columns and were loaded both vertically and horizontally. The objective of the loading tests was to capture the effects of material nonlinearity on the global behaviour of the stainless steel frames. In fact, material nonlinearity leads to a gradual loss of stiffness, which results in higher deformations and thus a higher second order effect. A numerical model of the studied frames was developed and validated on the basis of the performed experiments. The validated numerical model was further used for the parametric study, which aimed to achieve a wider range of results than could be covered experimentally. The numerically determined ultimate capacities were compared with the analytical procedure according to the Eurocodes. It was found that the ultimate capacity according to the Eurocodes was on average 6.5% higher than the ultimate capacity determined by advanced numerical simulation, which means the Eurocodes prediction is on the unsafe side. A modification of the design procedure was proposed concerning an increase in the magnitude of the sway imperfection (initial inclination of the columns). The results of the modified design procedure were found to be consistent with the results of the numerical simulations within the parametric study. A safety assessment of this proposed design procedure was carried out. The proposed design procedure was found to be acceptable and the resulting partial factors fit within the existing framework of codified values of the partial safety factors.