Stability criteria for hollow-section steel arches

Abstract

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της ευστάθειας χαλύβδινων τόξων κοίλης διατομής. Τα μεταλλικά τόξα κατασκευάζονται από κατεργασία ευθύγραμμων μελών με διάφορες μεθόδους. Η πιο διαδεδομένη μέθοδος για την καμπύλωση μελών δομικού χάλυβα είναι η εν ψυχρώ διαμόρφωση με χρήση τυμπάνων (roller-bending). Στην περίπτωση αυτή, το ευθύγραμμο μέλος διέρχεται από τη μηχανή καμπύλωσης που αποτελείται από τύμπανα, ενώ η επιθυμητή καμπυλότητα επιτυγχάνεται μέσω της κάμψης τριών σημείων που προκαλεί πλαστικές παραμορφώσεις. Η εν ψυχρώ διαμόρφωση εισάγει σημαντικές παραμένουσες τάσεις και παραμορφώσεις στα τόξα, επηρεάζοντας την μηχανική τους συμπεριφορά. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η αποτίμηση της επιρροής των παραμενουσών τάσεων και των γεωμετρικών ατελειών στην ευστάθεια των χαλύβδινων τόξων. Στο πλαίσιο της διατριβής εφαρμόζεται ένας συνδυασμός πειραματικών, αριθμητικών και αναλυτικών μεθόδων έρευνας. Τα αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών σε χαλύβδινα τόξα, καμπυλωμένα εν ψυχρώ, συγκρίνονται με τα αντίστοιχα αριθμητικά αποτελέσματα, στοχεύοντας στην πιστοποίηση των αριθμητικών προσομοιωμάτων. Η διαδικασία καμπύλωσης των τόξων προσομοιώνεται λεπτομερώς, λαμβάνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση που αναπτύσσεται μέσω επαφής του μέλους με τα τύμπανα της μηχανής. Διαπιστώνεται ικανοποιητική σύγκλιση μεταξύ των αριθμητικών και των πειραματικών αποτελεσμάτων σε όρους αντοχής, μετατοπίσεων και αναπτυσσόμενων παραμορφώσεων. Πραγματοποιείται μια εκτεταμένη αριθμητική διερεύνηση των παραμέτρων που επηρεάζουν τις κατανομές παραμενουσών τάσεων σε κοίλες τετραγωνικές, ορθογωνικές και κυκλικές διατομές. Κατόπιν, διερευνάται η επιρροή των παραμενουσών τάσεων στην ελαστοπλαστική συμπεριφορά της διατομής και στο κρίσιμο φορτίου λυγισμού του τόξου, με χρήση αναλυτικών μεθόδων. Η ευστάθεια των τόξων από χάλυβα αποτιμάται με ακρίβεια μέσω μη γραμμικών αριθμητικών αναλύσεων υλικού και γεωμετρίας, που περιλαμβάνουν αξιόπιστα μεγέθη γεωμετρικών ατελειών και κατανομών παραμενουσών τάσεων. Η πρωτοτυπία της διατριβής και η συμβολή της στην έρευνα και στην πράξη του μηχανικού συνοψίζονται, κυρίως, στην ανάπτυξη λεπτομερών αριθμητικών προσομοιωμάτων της διαδικασίας καμπύλωσης, στην παρουσίαση και ερμηνεία πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων σε χαλύβδινα τόξα, στη δημιουργία μοντέλων παραμενουσών τάσεων για καμπυλωμένα εν ψυχρώ μέλη κοίλης διατομής, και στη διατύπωση κατάλληλων οδηγιών σχεδιασμού υπό τη μορφή καμπυλών λυγισμού. Τα πειραματικά και αριθμητικά αποτελέσματα, αναδεικνύουν σημαντικά φαινόμενα που πηγάζουν από τη διαδικασία της εν ψυχρώ καμπύλωσης. Οι προτεινόμενες κατανομές παραμενουσών τάσεων είναι πολύ χρήσιμες στην ανάλυση των τοξωτών φορέων. Τέλος, οι προτεινόμενες καμπύλες λυγισμού μπορούν να εφαρμοσθούν αξιόπιστα στο σχεδιασμό χαλύβδινων τόξων, όπου μέχρι τώρα χρησιμοποιούνται καμπύλες λυγισμού για ευθύγραμμα μέλη.