Analiza wpływu uszkodzeń eksploatacyjnych elementów konstrukcji rusztowań na ich nośność

Abstract

W pacy przeanalizowano aktualny stan wiedzy na temat uszkodzeń eksploatacyjnych konstrukcji stalowych. Szczególną uwagę poświęcono rusztowaniom budowlanym. Dokonano opisu badań laboratoryjnych i symulacji komputerowych prowadzonych przez inne ośrodki badawcze. W literaturze przedmiotu nie odnaleziono ani badań, ani symulacji zachowania elementów konstrukcyjnych rusztowań z uszkodzeniami eksploatacyjnymi. W przeprowadzonych w ramach pracy badaniach wykazano występowanie wielu różnych typów uszkodzeń ramowych rusztowań budowlanych. Opisane w pracy to takie, które występowały bardzo często na wielu obiektach, więc można stwierdzić, że są charakterystycznymi dla danego elementu. Dokonano klasyfikacji i zwrócono uwagę na uszkodzenia mogące mieć istotny wpływ na nośność rusztowań oraz bezpieczeństwo ich użytkowania. Dokonano zestawienia liczbowego uszkodzeń na poszczególnych obiektach, z którego wynika, że niemal 70% konstrukcji rusztowań jest wznoszona także z elementów, które stwarzają zagrożenie dla ich nośności lub bezpieczeństwa użytkowania. W ramowych rusztowaniach budowlanych, głównymi elementami nośnymi są stojaki ram. W elementach tych, podczas eksploatacji występuje największe wytężenie elementu powodowane obciążeniem pionowym i poziomym. W związku z tym, w pracy wykonano analizę wpływu uszkodzeń stojaków na nośność rusztowania. Badania laboratoryjne podzielono na dwie grupy. Pierwszą grupą badań jest obciążenie wycinka stojaka o długości 40 cm, osiowa siłą ściskającą lub rozciągającą. W badaniach tych określano wpływ uszkodzenia w postaci punktowego wgięcia rury na nośność elementu. Próba rozciągania pozwoliła na stwierdzenie, że uszkodzenia o przyjętym do badań zakresie wielkości mają zaniedbywalny wpływ na nośność elementu. Natomiast podczas próby ściskania wykazano zmniejszenie nośności rury. Druga grupa badań laboratoryjnych została wykonana na całych ramach. W badaniach tych analizowano wpływ uszkodzenia w postaci łukowego wygięcia stojaka na nośność elementu. Podczas badań stwierdzono, że defekt o tej samej wielkości, zlokalizowany w płaszczyźnie ramy, powoduje znacznie mniejsze obniżenie nośności niż taki sam, w którym przemieszczenie wywołane deformacją jest prostopadłe do płaszczyzny ramy. Wszystkie przeprowadzone w laboratorium badania znalazły swoje odwzorowanie w modelach numerycznych. Przeprowadzone analizy numeryczne na modelach wycinków stojaków ramy złożonych z elementami powłokowych wykazały, że wyniki uzyskiwane z obliczeń, w których uszkodzenia w postaci punktowego wgięcia są modelowane tylko i wyłącznie poprzez uwzględnienie geometrii uszkodzenia, nie w pełni odwzorowują zachowanie rzeczywistego elementu poddanego obciążeniu. Dlatego w pracy zaproponowane zostały metody wprowadzenia zmian grubości elementów w modelu numerycznym. Przeprowadzone symulacje numeryczne całych ram wykazały, że wygięcia stojaków są istotne dla nośności rusztowań, a przede wszystkim następuje wzrost momentów zginających i w konsekwencji wzrost naprężeń normalnych. Analizy numeryczne pełnych ram, poza odwzorowaniem badań laboratoryjnych, rozszerzono o warianty, w których badano: wpływ wielkości uszkodzenia, sposobu zamocowania stojaków ramy oraz charakterystyk geometrycznych i materiałowych stojaków. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że połączenie pomiędzy ramami z zastosowaniem trzpieni można traktować jako połączenie sztywne. Wykonane w pracy obliczenia całych konstrukcji rusztowań pokazują, jak duży wpływ na wielkość naprężeń normalnych mogą mieć uszkodzenia w postaci łukowego wygięcia stojaka ramy. W pracy wykazano, że w celu uzyskania wiarygodnej oceny wpływu uszkodzeń na konstrukcję rusztowania, obliczenia należy przeprowadzić z uwzględnieniem nieliniowości geometrycznej i materiałowej. W obliczeniach całej konstrukcji analizowano wpływ lokalizacji i liczebności uszkodzeń wprowadzonych do konstrukcji, normowych i rzeczywistych imperfekcji geometrycznych, normowych wariantów obciążenia oraz wysokości rusztowania na wielkość naprężeń normalnych. Celem przeprowadzonych badań oraz analiz numerycznych jest zwiększenie poziomu wiedzy na temat wpływu uszkodzeń eksploatacyjnych na nośność głównych elementów konstrukcyjnych w rusztowaniach budowlanych. Uzyskane informacje wpłyną pozytywnie na poziom bezpieczeństwa zarówno na etapie montażu, eksploatacji, jak i projektowania konstrukcji.