Studium projektowania belek stalowych z otworami w środnikach

Przedmiotem niniejszej pracy dyplomowej jest studium projektowania belek stalowych z dużymi otworami w środnikach. Praca składa się z części studialnej oraz projektowo-badawczej.

belka z otworami

W części studialnej przestawiono przegląd literatury oraz aktualny stan wiedzy w zakresie belek otworowanych. Omówiono ewolucją i zastosowanie tych elementów, typowe kształty otworów oraz charakterystyczne dla nich lokalne mechanizmy zniszczenia, w tym mechanizm Vierendeela oraz wyboczenie słupka międzyotworowego. Zebrano zasady konstruowania wzmocnień (nakładki poziome i pionowe, pierścienie usztywniające) oraz ograniczenia geometryczne oraz zestaw procedur wymiarowani według najnowszej generacji przepisów Eurokod – normy EN 1993-1-13:2024 oraz EN 1993-1-14:2024.

W części projektowo – badawczej przeprowadzono badania doświadczalne czterech belek stalowych z profilu IPE300, z otworami kołowymi. Elementy podzielono na dwie pary wariantowe – o rozstawie szerokim i wąskim, przy czym w każdej parze badano belkę bez wzmocnień oraz ze wzmocnieniami otworów w postaci tulei z rur stalowych. Belki obciążano w schemacie trzypunktowego zginania, rejestrując siłę, ugięcie, odkształcenia punktowe oraz pole odkształceń metodą DIC. Uzyskane wyniki porównano z obliczeniami analitycznymi wykonanymi zgodnie z EN 1993-1-13 oraz analizą numeryczną metodą elementów skończonych (GMNIA) przeprowadzoną w programie Dlubal RFEM 6.

Przeprowadzone analizy pozwoliły potwierdzić, że nośność belek z otworami, zależy w głównej mierze od lokalnych mechanizmów zniszczenia. Dla belek o rozstawie szerokim mechanizmem miarodajnym było zginanie Vierendeela, natomiast dla rozstawu wąskiego – mechanizmy związane ze słupkiem międzyotworowym. Wykazano, że wzmocnienie pierścieniowe skutecznie redukuje koncentrację naprężeń przy krawędzi otworu i zwiększa nośność na zginanie Vierendeela, sprowadzając zachowanie belki osłabionej do zbliżonego elementu pełnościennego. Uzyskano dobrą zgodność wyników doświadczalnych, analitycznych i numerycznych zarówno w zakresie nośności jak i postaci zniszczenia co potwierdza słuszność procedur normowych zawartych w EN 1993-1-13 do projektowania tego typu elementów.