Robert Cybulski

Robert Cybulski
Politechnika Śląska
[email protected]
Analiza stateczności podwójnie giętych konstrukcji cienkościennych
W latach 80 XX wieku opracowano w USA technologię szybkiej budowy łukowych hal
stalowych, która charakteryzowała się krótkim czasem przedsięwzięcia oraz niskimi kosztami
realizacji. Istotą tego systemu jest realizowanie pełnego zakresu budowy obiektu
w docelowym miejscu jego wznoszenia. Wykorzystuje się do tego przenośną maszynę do
prefabrykacji profili. Podczas procesu technologicznego, z rolki blachy formowany jest
przekrój prostego panelu o długości odpowiadającej rozpiętości budowanej hali (tzw. proces
głównego gięcia), a następnie ten prosty panel jest formowany w łuk. Podczas fazy
powstawania elementu łukowego, na powierzchni profilu powstają małe fałdowania
poprzeczne (tzw. proces drugorzędnego gięcia). Przykładem takiej technologii są hale ABM
MIC oraz hale Hupro.
Są dwa główne problemy związane z tą technologią. Pierwszy to brak prostego i przystępnego
dla inżynierów modelu matematycznego tego profilu, który by opisywał jego skomplikowaną
budowę. Drugi to brak do końca poprawnych metod obliczeniowych według norm
europejskich (polskich). Dzięki proponowanemu projektowi, zostaną określone częściowe
procedury obliczeniowe wraz ze stworzeniem odpowiedniego modelu numerycznego do
analizy takowych obiektów.
Hale wykonane w opisanej technologii nie wymagają dużej ilość wykwalifikowanych
pracowników oraz czas budowy jest znacznie krótszy i mniej uciążliwy w porównaniu
z tradycyjnymi systemami co wpływa pozytywnie na otaczające środowisko naturalne oraz na
ludzi którzy użytkują sąsiednie nieruchomości.
W ostatnich latach doszło do szeregu katastrof lub awarii budowlanych w kraju i na świecie
samonośnych hal stalowych wybudowanych w podobnych technologiach. Awarie te były
spowodowane dużym obciążeniem zalegającego śniegu na konstrukcji oraz działaniem
znacznego obciążenia wynikających z podmuchów silnego wiatru. Ze wstępnych analiz
numerycznych, można wnioskować, że kluczem do zrozumienia tych katastrof i awarii jest
spadek nośności używanych profili, ze względu na poprzeczne pofałdowania powierzchni
samonośnych paneli.
Na terenie województwa śląskiego istnieją hale łukowe wybudowane w opisywanym
systemie, które spełniają funkcje użytkowe sal gimnastycznych w szkołach i przedszkolach.
Istnieją programy europejskie, które współfinansują budowy hal- sal gimnastycznych. Jest on
skierowany szczególnie dla biedniejszych gmin naszego województwa. Stalowe hale łukowe
o systemach podobnych do systemów Hupro czy ABM MIC są o wiele tańsze od
tradycyjnych hal i po dogłębnych badaniach mogą być wykorzystane z ogromnym
powodzeniem do budowy sal gimnastycznych, przekryć nad boiskami czy basenami
w naszym województwie.
Omawiany projekt badawczy składa się z następujących części:
1. Wstępna analiza numeryczna stateczności wycinków paneli.
Model numeryczny został zbudowany na podstawie ręcznych pomiarów geometrii paneli.
Przeprowadzono liniowe i nieliniowe analizy numeryczne stateczności, gdzie panel był
obciążony osiowo lub mimośrodowo siłą ściskającą. Na podstawie tych analiz
zaprojektowano stanowisko badawcze w laboratorium Wydziału Budownictwa Politechniki
Śląskiej.
2. Wstępne badania laboratoryjne.
Przeprowadzono badania w których próbki paneli ABM zostały poddane ściskaniu
mimośrodowemu oraz ściskaniu osiowemu. Porównano wyniki z badań z wynikami analiz
numerycznych. Dla próbek obciążonych mimośrodowo porównanie wyników jest
satysfakcjonujące, dla próbek obciążonych osiowo osiągnięto znacząco różniące się wyniki ze
względu na niedokładność geometrii modelu numerycznego panelu .
3. Przestrzenne skanowanie optyczne.
Aby poprawić rezultaty analizy numerycznej, wykonano przestrzenne skanowanie optyczne
próbek paneli ABM. Dzięki tej operacji uzyskano numeryczne modele paneli ABM, które
odzwierciedlają z bardzo dużą dokładnością ich geometrię.
4. Badania materiałowe.
Badanie te miały na celu określenie parametrów mechanicznych blachy z której są wykonane
panele przed gięciem na zimno i po gięciu na zimno w celu uzyskania docelowej geometrii.
5. Budowa dokładnego modelu numerycznego
Na podstawie punktów 3 i 4 zostanie zbudowany dokładny model numeryczny paneli ABM,
który uwzględnia wszystkie jego imperfekcje geometryczne.
6. Analiza liniowa i nieliniowa utraty stateczności lokalnej fałdowanych paneli.
Zostaną przeprowadzone następujące analizy numeryczne: liniowa analiza wyboczeniowa,
analiza kontroli długości łuku oraz analiza automatycznej stabilizacji (dostępna w programie
Abaqus). Na podstawie tych analiz zostanie zaprojektowane stanowisko badawcze
i przeprowadzona próba ściskania osiowego tych paneli. Wyniki badań numerycznych oraz
laboratoryjnych zostaną ze sobą porównane i na ich podstawie zostanie określony tzw.
zastępczy przekrój podwójnie giętych paneli, który jest potrzebny do projektowania hal
z elementów cienkościennych. Przekrój ten zostanie porównany z przekrojem wyliczonym na
podstawie obowiązując norm projektowych.