Bewertung des Biege- und Translationsverhaltens von Sandwichelementen bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen

Autor: Shoushtarian Mofrad, Ashkan
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
Předmět:
Popis: Steel cladding structures such as sandwich panels can replace bracing systems to provide further stability to individual structural members such as beams and columns. Previous researches studied the stabilizing effects of sandwich panels on the whole structure at ambient temperatures. It was shown that considerable savings could be achieved in the case of using steel cladding systems. In the STABFI (Steel Cladding Systems for Stabilisation of Steel Buildings in Fire) project, the primary objective was to study the stabilizing behavior of cladding systems in the fire. The current thesis is a part of the STABFI project focusing on the bending and translational stiffness of sandwich panels at ambient and elevated temperatures. The thesis consists of two separate parts, the bending and translational performance of sandwich panels at ambient and elevated temperatures. Sandwich panels are typically composites of two thin steel sheets and a core of higher thickness and lower density. They are valued for their excellent thermal properties. This research employs two different materials, including mineral wool (MW) and Polyisocyanurate (PIR), as a core. In the first part of the thesis, the bending tests carried out in Prague are described. The experimental results are presented in the first phase of this part. A finite element (FE) model is developed to validate simulations with experimental results, and then a comprehensive parametric study is carried out. During the parametric study, different factors such as panel thickness, width, span, the thickness of steel sheets, and the fire's influence on panels' mechanical behavior are investigated. Moreover, the analytical solutions obtained from Eurocodes (EN 14509, 2013) at ambient temperature are employed to predict the bending stiffness values. The analytical solutions are then developed to apply at elevated temperatures by incorporating the reduction factors into the equations. Eventually, the accuracy of suggested analytical equations is compared with numerical results. In the second part of the thesis, after presenting the translational tests which also conducted in Prague and validation of FE models, an extensive parametric study on the decisive factors such as the steel sheet thicknesses, screw diameters and temperature effects on the sandwich panel connections behavior is performed. The parametric study shows how each parameter affects the shear resistance and stiffness of sandwich panel connections. Furthermore, the deterioration of shear performance at elevated temperatures is evaluated. The analytical solutions achieved from the ECCS manual are used to estimate the shear stiffness and resistance of connections at ambient temperatures. At elevated temperatures, the equations are developed to anticipate the abovementioned values in the fire case. Finally, the safety and accuracy of proposed analytical solutions are assessed.
Stahlverkleidungskonstruktionen wie Sandwichelemente können Aussteifungssysteme ersetzen, um einzelnen Bauteilen wie Trägern und Stützen zusätzliche Stabilität zu verleihen. Frühere Forschungen untersuchten die stabilisierende Wirkung von Sandwichelementen auf die gesamte Struktur bei Raumtemperaturen. Es wurde gezeigt, dass bei der Verwendung von Stahlverkleidungssystemen erhebliche Einsparungen erzielt werden können. Im Projekt STABFI (Steel Cladding Systems for Stabilisation of Steel Buildings in Fire) war das primäre Ziel die Untersuchung des stabilisierenden Verhaltens von Bekleidungssystemen im Brandfall. Die vorliegende Arbeit ist ein Teil des STABFI-Projekts und beschäftigt sich mit der Biege- und Translationssteifigkeit von Sandwichpaneelen bei Raum- und erhöhten Temperaturen. Die Arbeit besteht aus zwei separaten Teilen, dem Biege- und dem Translationsverhalten von Sandwichpaneelen bei Umgebungs- und erhöhter Temperatur. Im ersten Teil der Arbeit werden die in Prag durchgeführten Biegeversuche beschrieben. Die experimentellen Ergebnisse werden in der ersten Phase dieses Teils vorgestellt. Ein Finite-Elemente-Modell (FE) wird entwickelt, um die Simulationen mit den experimentellen Ergebnissen zu validieren, danach wird eine umfassende parametrische Studie durchgeführt. Während der parametrischen Studie werden verschiedene Faktoren wie Plattendicke, Breite, Spannweite, die Dicke der Stahlbleche und der Einfluss des Feuers auf das mechanische Verhalten der Platten untersucht. Außerdem werden die analytischen Lösungen aus den Eurocodes (EN 14509, 2013) bei Umgebungstemperatur verwendet, um die Biegesteifigkeitswerte vorherzusagen. Die analytischen Lösungen werden dann für die Anwendung bei erhöhten Temperaturen entwickelt, indem die Reduktionsfaktoren in die Gleichungen aufgenommen werden. Schließlich wird die Genauigkeit der vorgeschlagenen analytischen Gleichungen mit numerischen Ergebnissen verglichen. Im zweiten Teil der Arbeit wird nach der Vorstellung der ebenfalls in Prag Translationsversuche und der Validierung der FE-Modelle eine umfangreiche parametrische Studie zu den entscheidenden Faktoren wie den Stahlblechdicken, Schraubendurchmessern und Temperatureffekten auf das Verhalten der Sandwichelementverbindungen durchgeführt. Die parametrische Studie zeigt, wie sich die einzelnen Parameter auf die Scherfestigkeit und Steifigkeit von Sandwichelementverbindungen auswirken. Darüber hinaus wird die Verschlechterung des Scherverhaltens bei erhöhten Temperaturen bewertet. Die analytischen Lösungen aus dem ECCS-Handbuch werden verwendet, um die Schersteifigkeit und den Widerstand der Verbindungen bei Raumtemperaturen abzuschätzen. Bei erhöhten Temperaturen werden die Gleichungen entwickelt, um die oben genannten Werte für den Brandfall zu antizipieren. Abschließend werden die Sicherheit und Genauigkeit der vorgeschlagenen analytischen Lösungen bewertet.
Schriftenreihe Stahlbau; 20
Databáze: OpenAIRE
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