General buckling analysis of steel built-up columns using finite element modelling

Abstract

The paper investigates the general buckling of an axially loaded column using the finite element method with different slenderness ratios of axes x-x and z-z. The paper deals with three different modes of buckling. The conducted numerical experiments have suggested correction factors and appropriate buckling modes of the built-up columns. The obtained modelling results were compared with data on analytical calculations made according to Lithuanian national codes STR and Eurocode 3. The FEM analysis of the builtup column has showed that both codes (STR and EC3) are giving safe enough results for a considered type of conditions for column support.

Article in English.

Plieninių spragotųjų kolonų bendrojo pastovumo skaičiavimas, modeliuojant uždavinį baigtiniais elementais

Santrauka. Straipsnyje nagrinėjami plieninių spragotųjų kolonų elgsenos ypatumai, atsižvelgiant į skirtingas STR 2.05.08:2005 ir EC3-1-1 metodikas. Didžiausią susidomėjimą kelia faktas, kad, taikant EC3 metodiką, nėra nagrinėjama spragotosios kolonos kluptis apie didesnio standumo x-x ašį (1 pav.). Naudojantis turima ir kitų autorių patirtimi apžvelgta spragotosios centriškai gniuždomos kolonos elgsena, siekiant nustatyti jos klumpamąją galią, kai kolonos liauniai yra didesnio standumo, o mažesnio standumo plokštumoje yra skirtingi. Nagrinėtos trys skaičiuotinės situacijos: 1) spragotoji kolona idealiai tiesi, o abi kolonos juostos perima vienodas ašines jėgas (STR2.05.08:2005 prielaida); 2) spragotoji kolona tiesi, bet kolonos juostos ašinės jėgos padidintos dėl pradinio kolonos nuokrypio nuo tiesiosios ašies ir papildomo lenkiamojo momento (EC 3-1-1 prielaida); 3) kolona su pradiniu nuokrypiu, o ašinės juostų apkrovos yra vienodos (EC3-1-1 prielaida). Pradiniai modeliavimo duomenys pateikti 1 lentelėje. Kolonos juostos modeliuotos plokštelės tipo baigtinais elementais, o tinklelio strypai – strypiniais. Kolonos įtvirtinimo sąlygos ir skaičiuojamieji ilgiai pateikti 2 pav. Atlikus skaitinį modeliavimą gauti kolonos bendrojo klupumo pataisos koeficientai (2 lentelė) ir kolonos klupumo pavidalai (5 ir 6 pav.).

Kaip matyti iš 7 pav., skaitinio modeliavimo rezultatai 2-uoju ir 3-iuoju atvejais yra skirtingi, nors turėtų būti vienodi modeliuojant pagal EC3 prielaidas. Galima teigti, kad antruoju atveju (spragotoji kolona tiesi, bet kolonos juostų ašinės jėgos padidintos dėl pradinio kolonos nuokrypio ir papildomo lenkiamojo momento) gaunami tikslesni rezultatai.

Skirtumas tarp 1-ojo (STR) ir 2-ojo atvejo (EC3) nėra didelis; nuo 22% iki 30% (9 pav.). Kai kolonos liaunis λ _x=35, pataisos koeficientas yra 2,11, naudojant EC3, ir 1,78, taikant STR metodą. Nedidelio liaunio kolonų bendrojo klupumo atsarga, naudojant EC3 prielaidas, yra 30% didesnė nei taikant STR metodą. Kai liaunis λ _x=200, pataisos koeficientas yra 1,16 pagal EC3 ir 1,38 pagal STR metodiką. Liaunų kolonų klupumo atsarga pagal EC3 yra 23% mažesnė nei pagal STR metodą.

1-uoju ir 2-uoju atveju (1 lentelė) kolonų kluptis įvyko iš plokstumos apie z-z ašį (6 pav.), nes šioje plokštumoje kolonų liaunis didesnis. Kolonų klupumo pavidalas atitinka analitinius skaičiavimus tiek STR, tiek EC3 metodu.

3-uoju ir 4-uoju atveju (1 lentelė) kolonos klupo apie x-x ašį (5 pav.), nes šioje plokštumoje kolonos liaunis gerokai didesnis (2 pav.). Klupumo pavidalas atitinka analitinius skaičiavimus pagal STR metodiką. Taikant EC3 metodiką kolona turėjo klupti iš plokštumos, t. y. apie z-z ašį. Šis klupumo pavidalas taip pat buvo pasiektas, tačiau vėliau (žr. pataisos koeficientus 2 lentelėje.). Taip yra todėl, kad pagal EC3 metodiką tiesiog nereikalauja visos kolonos pastovumo tikrinti apie x-x ašį.

Atlikus skaitinius modeliavimus galima teigti, kad abu metodai STR ir EC3 yra saugūs (pataisos koeficientai visada didesni už vienetą) duotomis kolonos galų įtvirtinimo sąlygomis. Tik mažo liaunio kolonų λ_x≤80 didesnė atsarga gauta STR metodu, o liaunų kolonų, kai λ_x>80 didesnė atsarga gauta taikant EC3 metodą.

Reikšminiai žodžiai: plieninė spragotoji kolona, klupumas, bendrojo pastovumo skaičiavimas, modeliavimas baigtiniais elementais

Keyword : steel built-up column, buckling modes, general buckling analysis, FEM simulation, comparison