Direct design and assessment of the limit states of steel planar frames using CSD advanced analysis

This paper is entirely devoted to practical aspects of direct design and assessment of safety and serviceability of steel planar framework using advanced analysis. The development of advanced analysis has been driven by a desire for a more accurate representation of the behaviour of planar framework by considering the beam and spring numerical modelling technique together with plasticity and geometrically nonlinear effects as well as structural imperfections accounted for. The validated 2D version of CSD advanced analysis developed by the author is used in this paper for its practical application towards the resistance and serviceability assessment of existing simple construction framework. This steel braced frame was a subject of technical expertise. The same structure geometry but with different joint detailing is then considered to show how the effect of joint properties may affect the braced frame performance. Results of investigations are presented in the form of frame global response at both the ultimate limit state and the serviceability limit state, and also in the form of member local responses. Conclusions with regard to general design and assessment practice are drawn.

Artykuł dotyczy projektowania z wykorzystaniem analizy zaawansowanej. Przedstawiono krótki przegląd aktualnego stanu badań w tym zakresie i wkład autora w rozwój bezpośredniego projektowania i oceny konstrukcji stalowych przy użyciu zaawansowanej analizy CSD, która jest najbardziej zbliżona do rzeczywistego zachowania się stalowych szkieletowych systemów nośnych. Zaproponowano schemat oceny projektu przy użyciu analizy CSD dla układów płaskich, uwzględniający możliwość oceny stanów granicznych nośności i użytkowania w jednym przebiegu analizy. Do zaprezentowania różnic w modelowaniem struktury za pomocą zaawansowanej metody klasycznego udoskonalonego przegubu plastycznego (RPH) i proponowanej metody ciągłej degradacji sztywności (CSD) wykorzystano kratownicę Misesa wrażliwą na wyboczenie sprężyste. Przykład pokazuje różnice między obu podejściami analitycznymi w przypadku, gdy elementy kratownicy są wykonane z kątowników połączonych z konstrukcją za pomocą spoin lub śrub. Główny cel tego artykułu, ocenę projektu przy użyciu analizy CSD, zilustrowano praktycznym zastosowaniem zaproponowanego schematu oceny w szczegółowych badaniach stanów granicznych nośności i użytkowalności (ULS i SLS) prostej konstrukcji o schemacie ramy stężonej. Konstrukcja ta była przedmiotem ekspertyzy technicznej wykonywanej w Politechnice Warszawskiej w odniesieniu do wersji pierwotnie zbudowanej, a także wersji zmodyfikowanej, uwzględniającej wzmocnienie części elementów. Zbadano stan pierwotnie zaprojektowanej ramy, dokonując oceny ULS i SLS w zgodnie z proponowanym algorytmem. Przedstawiono wyniki obliczeń ramy, a następnie skutki wzmocnień jej elementów i porównano obie sytuacje projektowe. Następnie rozważono tę samą geometrię ramy, ale z uwzględnieniem półsztywnych i nominalnie sztywnych połączeń rygli ze słupami. Porównano stopnie wykorzystania kryteriów stanów granicznych i wpływ degradacji sztywności elementów na ich wartości. Ukazano przydatność prezentowanego podejścia w ocenie stanu istniejącego i projektowaniu ramowych konstrukcji stalowych.