Title Analiza uzdužne granične nosivosti u konceptualnoj sintezi tankostjenih konstrukcija Title (english) Analysis of longitudinal ultimate load-capacity in concept synthesis of thin-walled structures Author Stanislav Kitarović Mentor Vedran Žanić (mentor)Committee member Ivica Smojver (predsjednik povjerenstva)Committee member Vedran Žanić (član povjerenstva)Committee member Albert Zamarin (član povjerenstva)Granter University of Zagreb Defense date and country 2012-06-28, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 629 - Transport vehicle engineering 53 - Physics Abstract Ekonomski i ekološki aspekti gradnje i uporabe složenih tankostjenih konstrukcija (zrakoplov, brod, itd.) u današnje vrijeme uvjetuju sve izraženije zahtjeve za što većim smanjenjem pri tome utrošenog materijala i energije, tj. za iznalaženjem što racionalnijih i ekonomičnijih projektnih varijanti, koje stoga neminovno karakteriziraju i sve manje rezerve sigurnosti. U konceptualnoj sintezi nosivih konstrukcija razmatranje graničnih stanja omogućava neposredno razmatranje situacija u kojima konstrukcija, neki njen dio ili spoj, više ne može vršiti pridruženu funkciju, čime se omogućava utvrđivanje stvarne karakteristične razine i rezerve sigurnosti razmatrane konstrukcije. S tim u vezi, provedenim istraživanjem nastojalo se razviti unaprjeđenu metodu analize progresivnog kolapsa, tj. unaprijediti razmatranje graničnog stanja nosivosti pri konceptualnom projektiranju monotonih tankostjenih konstrukcija opterećenih tokom eksploatacije pretežno poprečnim (vertikalnim) savijanjem. Predloženom metodom se kroz obuhvaćanje različitih efekata raspodijeljenog opterećenja pri poprečnom savijanju omogućava kvalitetnije razmatranje uzdužne granične nosivosti (graničnog momenta savijanja) razmatrane konstrukcije te točnije i pouzdanije određivanje kritičnog poprečnog presjeka i njegove kolapsne sekvence uslijed ekstremnog savijanja. U tome smislu, uporaba predložene metode u okviru optimizacijske petlje konceptualne sinteze može rezultirati kvalitetnijom razinom i međuodnosom projektnih atributa (cijena, masa, sigurnost) nedominiranih projektnih varijanti, odnosno racionalnijim i ekonomičnijim preferiranim projektnim rješenjima. \Nakon opisa postojeće (polazne) inkrementalno-iterativne metode analize progresivnog kolapsa (zasnovane na Smithovom pristupu), prikazani su različiti aspekti njenog unapređenja, predloženi u okviru ovoga rada. Detaljnije je razmotrena geometrijski nelinearna kinematika ravnog savijanja Euler-Bernoullijeve grede s posebnim naglaskom na slučaj ravnog savijanja bez djelovanja vanjske uzdužne sile, a koji se može smatrati prikladnom idealizacijom većine zrakoplovnih (i brodograđevnih) konstrukcija. Razmotreni su različiti aspekti pojave deplanacije poprečnih presjeka pri poprečnom ravnom savijanju, pri čemu je opisana postojeća numerička metoda za određivanje (diskretne) raspodjele deplanacijskih uzdužnih pomaka te je na temelju teorije Lockwood-Taylora izvedena metoda za određivanje korigirane raspodjele uzdužnih duljinskih deformacija, prilagođena kontekstu razmatranog problema. Razmotreni su različiti aspekti smične nosivosti ravne oplate uključujući elastično smično izvijanje te različite načine njegovog odgađanja sukladno mogućnostima koje teorijski opis te pojave pruža. Izveden je kriterij osiguranja lokalnog smičnog izvijanja te su prikazane postojeće formulacije smične granične nosivosti. Opisana je korištena formulacija utjecaja (granične) smične nosivosti na uzdužnu (graničnu) nosivost te je na posljetku detaljno opisan dijagram toka algoritma unaprjeđene inkrementalno-iterativne metode analize progresivnog kolapsa, uz osvrt na ograničenja njene primjene te razlike s obzirom na polaznu metodu. Razina točnosti rezultata predložene metode prikazana je na nekoliko primjera monotonih tankostjenih ukrepljenih kutijastih nosača opterećenih različitim slučajevima (čistog i poprečnog) ravnog savijanja, pri čemu su prikazani i međusobno uspoređeni rezultati dobiveni polaznom i predloženom metodom, eksperimentalnim ispitivanjem te numeričkim simulacijama (\NLMKE).
Abstract (english) Contemporary economical and ecological aspects of production and exploitation of the complex thin-walled structures (aircraft, ship, etc.) increasingly stimulate growing emphasis on reduction of the thereby consumed amount of material and energy. Compliance with this requirement demands contrivance of ever more rational and economically feasible design variants, which are consequently and imminently characterized by decreased inherent safety margins. Since evaluation of the structural limit states implies direct consideration of the situations when structure (or some of it's components or joints) loses ability to perform it's intended function, considerably accurate and reliable determination of true structural safety level and it's corresponding safety margin might be employed in the process of structural concept synthesis. In this respect, objective of the presented research is development of the improved progressive collapse analysis method and consequent enhancement of the ultimate limit state evaluation in the concept design of monotonous thin-walled structures subjected to predominantly transverse (vertical) flexural loads during exploitation. By subsumption of various distributed load effects, proposed method enables more sophisticated evaluation of longitudinal ultimate load-capacity (ultimate bending moment) and more accurate and reliable identification of the critical cross section and proprietary collapse sequence due to extreme bending. In that sense, implementation of the proposed method within framework of the optimization based conceptual synthesis can result in a higher quality level of design attributes (cost, mass, safety) for nondominated design variants and more rational and economically feasible preferred design solutions. After detailed description and review of the existing incremental-iterative progressive collapse analysis method (based on Smith's approach), various aspects of the proposed methodological extensions are presented. Detailed discussion regarding geometrically nonlinear kinematics of Euler-Bernoulli beam is presented with special emphasis on the case of symmetric bending devoid of the longitudinal force action, since it could be considered as the appropriate idealization for the most of the aircraft and ship structures. Relevant aspects of the cross sectional warping due to transverse symmetric bending are discussed and existing numerical method for determination of the cross sectional (discrete) distribution of longitudinal warping displacements is described. Furthermore, a method for determination of the corrected normal (longitudinal) strain distribution based on Lockwood-Taylor theory is derived. Various aspects of shear load resistance of the plane plating are reviewed, including elastic shear buckling and various means of it's deferment allowed by the current theoretical description of that phenomena. Local shear buckling imminence criteria for plane stiffened panels is derived, various existing semi-empirical formulations of the ultimate shear strength are presented and accepted elliptical formulation of the interaction between (ultimate) shear strength and longitudinal (ultimate) strength is described. Finally, detailed description of the proposed incremental-iterative progressive collapse analysis method is given. Accuracy level of the proposed method is demonstrated on a few different examples of monotonous thin-walled stiffened box girders submitted to different load cases of (pure and transverse) symmetric bending and results obtained by the initial and proposed method, experimental testing and numerical simulations (NLFEM) are comparatively reviewed.
Keywords
sigurnost konstrukcija
granično stanje nosivosti
granična čvrstoća
uzdužna granična nosivost
granični moment savijanja
smična granična nosivost
analiza progresivnog kolapsa
kolapsna sekvenca
poprečno ravno (vertikalno) savijanje
deplanacija
Keywords (english)
structural safety
ultimate limit state
ultimate strength
longitudinal ultimate loadcapacity
ultimate bending moment
ultimate shear load-capacity
progressive collapse analysis
collapse sequence
transverse symmetric (vertical) bending
warping
buck
Language croatian URN:NBN urn:nbn:hr:235:348479 Study programme Title: Mechanical Engineering and Naval Architecture Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2020-05-10 21:19:15
