Publication details
Abstracts and keywords
W pracy badano wpływ nieosiowości obciążenia ściskającego na stateczność oraz stany zakrytyczne ściskanych cienkościennych słupów o przekroju ceowym i zetowym wykonanych z kompozytu węglowo-epoksydowego. Badania prowadzono na fizycznych modelach konstrukcji wykonanych techniką autoklawową. Badane profile charakteryzowały się 8-warstwowym, symetrycznym układem warstw kompozytu względem płaszczyzny środkowej układu. Wykonane próbki poddawano ściskaniu na maszynie wytrzymałościowej, wprowadzając za pomocą specjalnie wykonanego przyrządu odpowiednie wartości mimośrodu obciążenia ściskającego. W trakcie prób rejestrowano pomiar siły, skrócenia słupa oraz ugięcia i odkształcenia ścianek i środnika profilu. W trakcie badań doświadczalnych obserwowano pracę konstrukcji ulegającej utracie stateczności, dla której wyznaczono zakrytyczne ścieżki równowagi pokazujące zależność siła-ugięcie. Uzyskane charakterystyki pozwoliły na wyznaczenie wartości obciążenia krytycznego konstrukcji rzeczywistej z wykorzystaniem odpowiednich metod aproksymacyjnych. Na podstawie otrzymanych wyników badań eksperymentalnych opracowano i walidowano modele numeryczne konstrukcji do obliczeń z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Zakres badań numerycznych obejmował liniową analizę stateczności, umożliwiającą wyznaczenie postaci wyboczenia w zależności od amplitudy nieosiowości obciążenia ściskającego oraz odpowiadających im wartości obciążenia krytycznego. Drugi etap obliczeń stanowiła nieliniowa analiza konstrukcji z zaimplementowanymi imperfekcjami geometrycznymi odpowiadającymi najniższym postaciom wyboczenia. Prowadzone obliczenia nieliniowe umożliwiły dokonanie oceny stopnia wytężenia kompozytu z wykorzystaniem kryterium Tsai–Wu. Obliczenia prowadzono do osiągnięcia parametru krytycznego w kryterium Tsai–Wu, co umożliwiło określenie mechanizmu inicjacji uszkodzenia materiału kompozytowego. Na podstawie uzyskanych wyników wyznaczono pokrytyczne ścieżki równowagi modeli numerycznych, które weryfikowano z charakterystykami doświadczalnymi konstrukcji rzeczywistych, uzyskując zadowalającą zgodność wyników symulacji numerycznych oraz badań doświadczalnych. Otrzymane wyniki potwierdziły adekwatność opracowanych modeli numerycznych do oceny utraty stateczności oraz pracy konstrukcji w zakresie zakrytycznym w zależności od wartości amplitudy mimośrodu obciążenia ściskającego.
The study investigates the effect of eccentric load on the stability and postcritical states of thin-walled carbon/epoxy composite C-section and Z-section columns under compression. Tests are performed on physical models of these structures produced by the autoclave technique. The columns have a symmetrical 8-ply layup. The test specimens are subjected to compression on a testing machine provided with a special fixture for introducing eccentric compressive loads. In the tests, loading force, column shortening, deflection and strains of the column walls and web are measured. The experiments involve examination of the operating performance of the structure undergoing buckling and determination of its postcritical equilibrium paths describing the relationship between force and deflection. The obtained characteristics led to determination of the critical load for real structures by suitable approximation methods. Based on the experimental results, numerical models of composite structures are designed and verified by the finite element method. The scope of the numerical analysis includes performing a nonlinear analysis of stability, which allows for determination of the buckling mode depending on the amplitude of compressive load eccentricity and the corresponding critical loads. The second stage of the analysis involves performing a nonlinear analysis of the structures with implemented geometric imperfections reflecting the lowest buckling modes. The nonlinear analysis is performed using the Tsai–Wu criterion to determine effort of the composite material. The computations are run until the critical parameter is reached in the Tsai–Wu criterion, allowing for description of the failure initiation mechanism in the composite material. Based on the results, postcritical equilibrium paths of the numerical models are determined. The equilibrium paths are then compared with the experimental characteristics of real structures. The numerical results and experimental findings show a satisfactory agreement. The results confirm that the numerical models are adequate for estimating the stability loss and performance of composite structures in the postcritical range, depending on the amplitude of compressive load eccentricity.
