Συμπεριφορά Μελών από Ελατά Γωνιακά υπό Έκκεντρη Θλίψη 

Μεταπτυχιακός Φοιτητής : Γομάτος Ηλίας                        
Επιβλέπων Καθηγητής: Βάγιας Ι., Καθηγητής
Ημερομηνία : Ιούνιος  2018

Μέλη από ελατά γωνιακά χρησιμοποιούνται ευρέως ως θλιβόμενα μέλη σε  φορείς δικτυωμάτων, όπως οι πύργοι τηλεπικοινωνιών σε απομακρυσμένες περιοχές, εξαιτίας των απλών συνδέσεων που απαιτούν και της ευκολίας μεταφοράς τους, παράγοντες που συντελούν στην εύκολη ανέγερση, καθώς και σε μια πιο οικονομική κατασκευή. Τα μονά γωνιακά μέλη, λόγω της μορφής της σύνδεσής τους φορτίζονται κυρίως έκκεντρα. Σε αυτό το πεδίο, υπάρχει έλλειψη έρευνας της συμπεριφοράς τους τόσο σε πειραματικό επίπεδο, όσο και από πλευράς αριθμητικών προσεγγίσεων. Επιπλέον στους ΕΝ1993-1-1 και ΕΝ1993-3-1 ο σχεδιασμός των διατομών γωνιακών βασίζεται σε άλλου τύπου διατομές, που τον καθιστά συντηρητικό. Στην εργασία αυτή γίνεται μια αριθμητική προσέγγιση εργαστηριακών δοκιμών μελών από γωνιακά υπό έκκεντρη θλίψη, που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήρι μεταλλικών κατασκευών του Ε.Μ.Π., με σκοπό την αξιολόγηση και σύγκριση των αποτελεσμάτων.

Η διατομή που χρησιμοποιήθηκε για τις εργαστηριακές δοκιμές λυγισμού ήταν η πρότυπη διατομή ισοσκελούς γωνιακού L70/7. Το υλικό που επιλέχθηκε ήταν χάλυβας ποιότητας S235JR. Οι ιδιότητές του  προσδιορίστηκαν μέσω εργαστηριακών δοκιμών εφελκυσμού σε 8 δοκίμια βάσει των προδιαγραφών του ΕΝ ISO 6892-1, από τα οποία προέκυψε ο καταστατικός νόμος του υλικού και οι μέσες τιμές τάσης διαρροής και μέγιστης αντοχής. Οι συνοριακές συνθήκες που εφαρμόστηκαν ήταν αρθρώσεις που προσομοιώθηκαν με ειδικά μεταλλικά εξαρτήματα. Τα μέλη από ελατά γωνιακά συνδέθηκαν με τα μεταλλικά εξαρτήματα μέσω μετωπικών πλακών με ειδικές οπές, ώστε να μετακινείται το μέλος ως προς άξονα που περνά από τις αρθρώσεις ανάλογα με την επιθυμητή εκκεντρότητα. Το μήκος λυγισμού θεωρήθηκε ως η απόσταση μεταξύ των αρθρώσεων. Τέσσερα διαφορετικά μήκη λυγισμού επιλέχθηκαν. Οι γεωμετρικές ατέλειες που μετρήθηκαν ήταν πολύ μικρές.

Ως αριθμητική μέθοδος επιλέχθηκε αυτή των πεπερασμένων στοιχείων. Η προσομοίωση των εργαστηριακών δοκιμών λυγισμού πραγματοποιήθηκε και με shell και με solid πεπερασμένα στοιχεία. Ο χαρακτηρισμός της διατομής L70/7 ως λεπτότοιχης (λόγος πάχους προς πλάτος σκέλους γωνιακού 1/10) δίνει τη δυνατότητα προσομοίωσης της μέσης επιφάνειας του γωνιακού με shell elements, με επιλογή τετραπλευρικών στοιχείων ως πιο ακριβή. Τα solid elements, με χρήση εξαεδρικών, από την άλλη προσφέρουν ένα γεωμετρικά πιο ακριβές προσομοίωμα του φορέα, με κόστος όμως σε υπολογιστικό χρόνο. Μετά από δοκιμές προέκυψε επαρκής διακριτοποίηση για κάθε προσομοίωμα. Αρχικά ένα πιο πλήρες προσομοίωμα της πειραματικής διάταξης από solid στοιχεία δημιουργήθηκε, ώστε να αξιολογηθούν τα απλοποιημένα μοντέλα, που τελικώς χρησιμοποιήθηκαν για τις αναλύσεις.

Για τον καταστατικό νόμο του υλικού χρησιμοποιήθηκε απλοποιημένο διγραμμικό διάγραμμα τάσεων-παραμορφώσεων με μέτρο ελαστικότητας 210GPa, λόγο Poison 0.3 και τάση διαρροής τη μέση που προέκυψε από τις πειραματικές δοκιμές εφελκυσμού. Για το μετελαστικό κλάδο έγιναν παραμετρικές αναλύσεις με διαφορετικά μέτρα κράτυνσης ώστε να προσεγγιστεί όσο καλύτερα γινόταν ο μη γραμμικός καταστατικός νόμος του υλικού των δοκιμών.

Δύο τύποι ανάλυσης πραγματοποιήθηκαν. Ελαστική ιδιομορφική ανάλυση λυγισμού, τα αποτελέσματα της οποίας χρησιμοποιήθηκαν για την εφαρμογή των γεωμετρικών ατελειών στα μοντέλα και ανελαστική ανάλυση λυγισμού με μη γραμμικότητα γεωμετρίας και υλικού. Ένα σημείο αναφοράς σε κάθε άκρο του προσομοιώματος δημιουργήθηκε ώστε να εφαρμοσθούν σε αυτό οι συνοριακές συνθήκες αρθρώσεως και το φορτίο, τα οποία συνδέθηκαν με τους αντίστοιχους κόμβους ακραίας διατομής του προσομοιώματος με rigid body constraints.

Από τις αναλύσεις παράχθηκαν διαγράμματα φορτίου-αξονικής παραμόρφωσης, φορτίου-εγκάρσιων μετακινήσεων του μέσου καθώς και οι καμπύλες φορτίου–στροφής στο μέσο οι οποίες συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες της πειραματικής διαδικασίας, ώστε να αξιολογηθούν οι τελευταίες. Από την αξιολόγηση προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα τόσο για τη συμπεριφορά των μελών, όσο και μια αξιολόγηση των παραδοχών που έγιναν κατά την πειραματική διαδικασία.

 

Δείτε τη ΜΕ στη βιβλιοθήκη του ΕΜΠ