Shear Buckling Resistance of Thin Metal Plate at Non-Uniform Elevated Temperatures
Salminen, Mikko (2010)
Salminen, Mikko
2010
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2010-10-06
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201202011019
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201202011019
Tiivistelmä
Shear buckling of metal plates at elevated temperatures occurs in many applications when considering the resistance of metal structures. Such applications include webs of all-metal sandwich panels in fire, webs of hot gas ducts, webs of slim floor beams of buildings in fire, etc. This study presents a design method for calculating the shear buckling load of a rectangular simply supported metal plate when temperature distribution across the height of the plate is non-uniform. The behaviour of the web can be thought of as involving three stages. Only the shear buckling stage is considered in this study. The post-critical stage that involves tension field resistance and yielding of the flanges will be considered in forthcoming studies.
Simply supported rectangular plates made of carbon steel, aluminium and stainless steel are the basic cases examined in this study. They occur frequently in design. In cases where temperature across the plate is high and uniform, solutions and test results for shear resistance can be found in literature. This study proposes a calculation method for the cases, where temperature varies across the height of the plate linearly and nonlinearly. Unfortunately, no test results are available for such cases.
The proposed method is based on the results of the finite element method and a search of solutions applying different averaging schemata, of which the most promising one is chosen. The basic idea is to use the equations and reduction factors provided in the Eurocodes. Only the reduction factor for elastic modulus is needed here. Calculations are performed for different types of plates at different temperature distributions. The FEM results are compared with the results from different calculation methods. The goal of the study is to find a practical method for reducing the elastic modulus of a plate with only a single value and then calculate the critical shear stress using Eurocode equations. The results of graphic design method correlate closely with those of the finite element analyses. Metallilevyjen leikkauslommahdus korkeissa lämpötiloissa on ilmiö, joka esiintyy monissa sovellutuksissa kun käsitellään metallirakenteiden kestävyyttä. Metallikennojen ja hattupalkkien uumat tulipalossa sekä kuumien kaasukanavien uumat ovat esimerkkejä sovellutuksista. Tässä tutkimuksessa esitetään suunnittelumenetelmä vapaasti tuetun, suorakulmaisen metallilevyn leikkauslommahduskuorman laskemiseen siinä tapauksessa, kun lämpötilajakautuma ei ole vakio levyn korkeudella. Uuman käyttäytyminen kuorman kasvaessa voidaan jakaa kolmeen osaan. Ainoastaan leikkauslommahdusta käsitellään tässä työssä. Leikkauslommahduksen jälkeisiä vaiheita eli vetokentän kestävyyttä ja laippojen myötäämistä käsitellään seuraavissa tutkimuksissa.
Tässä tutkimuksessa käsitellään vapaasti tuettuja, suorakulmaisia, hiiliteräksestä, alumiinista ja ruostumattomasta teräksestä valmistettuja levyjä, jotka esiintyvät tyypillisesti rakenteiden suunnittelussa. Tapauksiin, joissa levyn lämpötila on korkea ja tasainen, löytyy laskentateorioita ja testituloksia kirjallisuudesta. Tässä työssä esitetään laskentamenetelmä tapauksiin, joissa lämpötila vaihtuu lineaarisesti ja epälineaarisesti levyn korkeudella. Valitettavasti testituloksia tällaisiin tapauksiin ei ole tarjolla.
Kehitetty laskentamenetelmä perustuu numeerisella laskennalla saatuihin tuloksiin ja erilaisiin keskiarvomenetelmiin. Ideana on käyttää eurokoodien yhtälöitä ja materiaaliominaisuuksien pienennyskertoimia. Tutkittaessa leikkauslommahdusta, ainoastaan kimmokertoimen pienennyskerrointa tarvitaan. Laskelmat tehdään erilaisille levyille erilaisilla lämpötilajakautumilla. Numeerisen laskennan tuloksia verrataan eri menetelmillä saatuihin tuloksiin. Tutkimuksen tavoitteena on löytää käytännöllinen menetelmä levyn kimmokertoimen pienentämiseen yhdellä arvolla ja sitten laskea leikkauslommahduskestävyys käyttäen eurokoodien yhtälöitä. Graafisen menetelmän tulokset korreloivat hyvin numeerisesta laskennasta saatujen tulosten kanssa.
Simply supported rectangular plates made of carbon steel, aluminium and stainless steel are the basic cases examined in this study. They occur frequently in design. In cases where temperature across the plate is high and uniform, solutions and test results for shear resistance can be found in literature. This study proposes a calculation method for the cases, where temperature varies across the height of the plate linearly and nonlinearly. Unfortunately, no test results are available for such cases.
The proposed method is based on the results of the finite element method and a search of solutions applying different averaging schemata, of which the most promising one is chosen. The basic idea is to use the equations and reduction factors provided in the Eurocodes. Only the reduction factor for elastic modulus is needed here. Calculations are performed for different types of plates at different temperature distributions. The FEM results are compared with the results from different calculation methods. The goal of the study is to find a practical method for reducing the elastic modulus of a plate with only a single value and then calculate the critical shear stress using Eurocode equations. The results of graphic design method correlate closely with those of the finite element analyses.
Tässä tutkimuksessa käsitellään vapaasti tuettuja, suorakulmaisia, hiiliteräksestä, alumiinista ja ruostumattomasta teräksestä valmistettuja levyjä, jotka esiintyvät tyypillisesti rakenteiden suunnittelussa. Tapauksiin, joissa levyn lämpötila on korkea ja tasainen, löytyy laskentateorioita ja testituloksia kirjallisuudesta. Tässä työssä esitetään laskentamenetelmä tapauksiin, joissa lämpötila vaihtuu lineaarisesti ja epälineaarisesti levyn korkeudella. Valitettavasti testituloksia tällaisiin tapauksiin ei ole tarjolla.
Kehitetty laskentamenetelmä perustuu numeerisella laskennalla saatuihin tuloksiin ja erilaisiin keskiarvomenetelmiin. Ideana on käyttää eurokoodien yhtälöitä ja materiaaliominaisuuksien pienennyskertoimia. Tutkittaessa leikkauslommahdusta, ainoastaan kimmokertoimen pienennyskerrointa tarvitaan. Laskelmat tehdään erilaisille levyille erilaisilla lämpötilajakautumilla. Numeerisen laskennan tuloksia verrataan eri menetelmillä saatuihin tuloksiin. Tutkimuksen tavoitteena on löytää käytännöllinen menetelmä levyn kimmokertoimen pienentämiseen yhdellä arvolla ja sitten laskea leikkauslommahduskestävyys käyttäen eurokoodien yhtälöitä. Graafisen menetelmän tulokset korreloivat hyvin numeerisesta laskennasta saatujen tulosten kanssa.