Byggbranschen rör sig mot att minska sitt koldioxidavtryck inom alla områden, särskilt vad gäller användningen av stål, eftersom dess tillverkningsprocess är mycket energikrävande. En avgörande del av detta är att optimera stålkonstruktioner så att så lite material som möjligt används, samtidigt som erforderlig bärighet bibehålls. För att möjliggöra ett effektivt materialutnyttjande i stålkonstruktioner används cirkulära ihåliga ståltvärsnitt (CHS) i stor utsträckning inom infrastrukturen, bland annat som fackverk, balkar och pelare, tack vare deras strukturella effektivitet. Emellertid har en betydande brist i de gällande designriktlinjerna för CHS-element i tvärsnittsklass 4 (väldigt slanka element) identifierats då det inte finns någon fullt applicerbar modell för dessa. Samtidigt har interaktion mellan globala och lokala knäckningsmoder påvisats sänka kapaciteten i slanka tvärsnitt men denna interaktions inverkan på bärigheten är inte beaktad i de nuvarande designriktlinjerna.
Syfte och metod
Denna masteruppsats syftar till att ingående undersöka hur CHS beter sig när dem blir belastade axiellt. Där emfas har lagts vid hur mod-interaktionen mellan globala och lokala knäckningsmoder påverkar hållfastheten av dessa tvärsnitt. Ur detta var målet att komplettera och jämföra hur de nuvarande designriktlinjerna dimensionerar dessa tvärsnitt mot resultaten. För att uppfylla syftet med denna masteruppsats började arbetet med en litteraturstudie för att fördjupa kunskapen i området. Detta efterföljdes av utvecklingen av en FE-modell som kunde efterlikna knäckningsbeteendet av andra studier följt av en parametrisk studie som täckte de geometrier och parametrar som var av relevansför att få ett helhetsperspektiv av knäckningsbeteendet för dessa stålrör.
Resultat
Resultaten av den parametriska studien i jämförelse med designriktlinjerna visar att den nuvarande designmetoden skapar problem för stålrör i tvärsnittsklass 4 då dessa betraktas som en skalstruktur medan deras beteende liknas vid en pelare. Detta ledde till både över- och underdimensionering av stålrören. För att hitta en bättre metod undersöktes en effektiv area-metod och en lokal knäckningsreduktionsfaktor från brittiska standarden för stålbyggnad (BS5950-1) och en studie av Toffolon och Taras (2017). Dessa två designmetoder överensstämde bättre med resultaten och gav både säkrare och mer effektiv dimensionering av stålrör i tvärsnittsklass 4.
Utöver detta lades fokus vid att undersöka modinteraktionen mellan global och lokal knäckning. Här påvisades det att i pelare med interaktiv brottmod sänktes den ultimata bärförmågan med omkring 8 % jämfört med en pelare med enbart lokala moder även om geometrin för tvärsnittet var i princip likadan. Detta påvisar att direkt när interaktion sker sänks bärförmågan drastiskt. Ur detta identifierades två parametrar som kan användas för att avgöra övergången från interaktivt till helt lokalt knäckningsbeteende – L′ & Ncr,global/Ncr,lokal – vilket kan användas för att bestämma om ett CHS befinner sig i det kritiska området för interaktion eller inte.
Slutsats
De viktigaste slutsatserna som kunde dras var: (i) De nuvarande designriktlinjerna tenderar att överskatta knäckhållfastheten av CHS i tvärsnittsklass 4 och en effektiv area-metod, likt den i brittiska standarden, eliminerar denna överskattning av knäckhållfastheten men ger konservativ design med reduktionsfaktorn som undersöktes, och (ii) interaktiv knäckning sänker knäckhållfastheten av CHS med upp till 8 % direkt när interaktionen börjar vilket gör att detta bör beaktas i design.
Läs hela examensarbetet här:
Interaktiv knäckning och Designutvärdering av Cirkulära Ihåliga Ståltvärsnitt. Chalmers Tekniska Högskola.
Författare
Sebastian Knutsson, Chalmers Tekniska Högskola
Hossein Nabavi, Chalmers Tekniska Högskola
Bästa Examensarbetet 2025
På Stålbyggnadsdagen delades stipendiet för bästa examensarbete 2025 ut till Sebastian Knutsson och Hossein Nabavi från Chalmers Tekniska Högskola. Handledare har varit Jincheng Yang, WSP och Fatima Hlal, Chalmers Tekniska Högskola. Examinator: Mohammad al-Emrani. Stipendiet finansieras av Structorstiftelsen.
Prismotivering:
Arbetet behandlar interaktion mellan knäckning och skalbuckling hos tryckta konstruktions-element utformade som cylindriska skal. Metodiken är parametrisk elastoplastisk andra ordnin-gens finit elementberäkning. En kombination av lokala och globala imperfektioner ansätts spän-ningsfritt i modellen varefter laster läggs på inkrementellt och nodkoordinater uppdateras efter varje lösningssteg. Lösningen framskrider till dess jämvikt inte längre kan upprätthållas och då är bärförmågan funnen. Formen på initialimperfektioner fås ur egenvärdesanalys och deras storlek hämtas från eurokod 3, del 1-14 och 1-6. Resultat jämförs därefter med normenlig predik-terad bärförmåga och avvikelser diskuteras. Arbetet är snyggt och väldisponerat och använd metod är state-of-the-art. Kort sagt ett utmärkt examensarbete och välförtjänt av priset som bästa examensarbete inom Stålbyggnad 2025.
