Grinzi compuse din profile cu pereti subtiri formate la rece cu goluri in inima

Profilele din otel formate la rece sunt elemente usoare care se pot asambla sub diferite forme, ca de exemplu grinzi cu zabrele sau grinzi cu inima din tabla cutata. Acestea pot fi utilizate cu succes in cladirile rezidentiale sau de birouri, incluzand spatii pentru instalatii. Golurile pentru instalatii amplasate pe inima grinzilor reprezinta un punct vulnerabil si trebuie tratate cu atentie pentru a nu afecta capacitatea initiala. In cadrul Centrului de Excelenta CEMSIG al Universitatii Politehnica Timisoara s-a desfasurat un amplu program experimental pe grinzi compuse, cu talpi din profile de tip C si inima din tabla cutata. Imbinarea dintre elementele grinzii compuse s-a realizat prin doua metode, si anume: sudare electrica prin presiune in puncte si brazare MIG.

Acest articol prezinta cercetarile experimentale, la scara reala, pe doua astfel de grinzi cu goluri prevazute in inima, utilizand doua solutii diferite de consolidare a golurilor, in functie de tehnologia de sudare. O tabla plana a fost sudata in puncte de inima din tabla cutata, bordand golul, iar pentru brazarea MIG s-a utilizat o rigidizare transversala, bordand golul pe perimetrul acestuia. In cazul bordarii golului folosind brazarea MIG s-a observat o influenta mai mica a golului asupra capacitatii portante a grinzii, in timp ce in cazul solutiei de sudare prin presiune in puncte, capacitatea acesteia este influentata de prezenta golului.

Rezultatele campaniilor experimentale precedente, desfasurate pe grinzi compuse cu inima cutata (CWB) realizate din profile cu pereti subtiri formate la rece, au aratat o capacitate portanta mare si un comportament ductil al acestei solutii [1,2]. Acestea evidentiaza posibilitatea folosirii lor la scara larga. Pentru imbinarea elementelor s-au folosit doua metode, sudura electrica prin presiune in puncte si brazarea MIG.

Datorita raportului rezistenta-greutate mare, grinzile cu inima din tabla cutata reprezinta o solutie atractiva pentru cladirile rezidentiale sau de birouri. De multe ori, pentru acest tip de cladiri trebuie prevazute goluri in grinzi pentru trecerea instalatiilor, aceasta fiind o solutie uzuala. Profilele ajurate sunt cunoscute pentru economia de material si posibilitatea folosirii lor pentru deschideri mari. Folosirea solutiilor constand in profile din otel cu pereti subtiri formate la rece de tipul grinzilor cu zabrele au dezavantajul unei manopere ridicate si a unui numar mare de imbinari/suruburi.

Automatizarea proceselor de fabricatie este posibila, dar in cazul profilelor cu pereti subtiri aceasta este ingreunata de dificultatea sudurii. Cu toate acestea, progresele din domeniul industriei auto permit imbinarea profilelor subtiri prin sudarea electrica prin presiune in puncte (SW) sau prin brazarea MIG.

Sensibilitatea elementelor si structurilor din profile cu pereti subtiri formate la rece la imperfectiuni este bine cunoscuta [3-5] si cu siguranta pozitionarea de goluri in inima grinzii reduce si mai mult capacitatea sa portanta. Doua solutii pentru consolidarea golului din inima grinzii sunt studiate, in functie de tipul de imbinare. In cazul sudurii in puncte, o tabla metalica pozitionata in planul inimii poate fi sudata cu usurinta. In cazul brazarii MIG este mai potrivita o tabla metalica sudata perpendicular pe planul inimii. Pe baza rezultatelor experimentale se observa ca comportamentul acestui tip de grinzi este dat de capacitatea portanta si de deformare, dar si de dezvoltarea fenomenelor de instabilitate.

Programul experimental

In campaniile experimentale precedente, au fost testate 5 grinzi cu inima din tabla cutata (2 asamblate cu sudura electrica prin presiune in puncte si 3 folosind brazarea MIG), utilizand diferite grosimi ale panourilor de inima si de forfecare [1,2]. Acest articol prezinta cercetarile experimentale, la scara reala, pe doua astfel de grinzi cu goluri prevazute in inima, utilizand doua solutii diferite de consolidare a golurilor, in functie de tehnologia de sudare, prima fiind asamblata folosind sudura electrica prin presiune in puncte (CWB-SW) si a doua folosind brazarea MIG (CWB-CMT).

Standul experimental

Grinzile compuse cu inima din tabla cutata au fost testate intr-un cadru rigid, avand ambele capete fixate de cadru. Un piston hidraulic de 500 kN solicita grinda folosind un sistem de parghii care distribuie forta in 4 puncte, simuland o incarcare uniform distribuita. Limitarea deplasarilor din afara planului de incarcare a fost realizata folosind o structura separata care blocheaza deplasarile laterale in doua sectiuni din lungul grinzii.

Figura 1 prezinta standul experimental cu pozitionarea specimenului pentru testul de incovoiere.

Pentru a simula o incarcare quasi-statica, o deplasare de 2 mm/s a fost aplicata de pistonul hidraulic. Forta a fost inregistrata prin celula de forta a pistonului hidraulic, in timp ce deplasarile verticale au fost monitorizate la fiecare sfert din deschidere, folosind traductoare liniare (fig. 2a). Deplasarile relative dintre talpi si piesele de reazem, cat si deformatiile lor au fost inregistrate de traductoare de deplasari liniare, ca in figura 2b.

Specimenele testate

Spre deosebire de specimenele din testele precedente, pe grinzile compuse CWB fara goluri, unde inima era realizata din panouri de tabla cutata de aproximativ 1 m latime, conectate intre ele, la aceste specimene inima a fost realizata dintr-o singura bucata de tabla cutata. Prin urmare, asamblarea grinzii compuse se realizeaza in trei etape: (1) conectarea panourilor de forfecare de tabla cutata, (2) conectarea talpilor de inima si (3) prinderea de piesele de imbinare, operatiunea finala constand in (4) realizarea golului. O masina portabila de taiere, prin miscare circulara, a tablei a fost folosita pentru taierea perimetrului golului, dupa gaurirea prealabila a colturilor acestuia. Desi asamblarea componentelor grinzii a fost facuta prin doua tehnologii diferite de sudura, procesul de asamblare este prezentat in figura 3 doar pentru specimenul sudat in puncte. Avand acelasi material ca si grinzile compuse fara goluri, proprietatile mecanice au rezultat similar cu cele din [1]. Tabla cutata de 1 mm grosime a inimii este S250GD+Z, in timp ce panourile de forfecare de 1,2 mm si 2,0 mm grosime si profilele C au o limita de curgere caracteristica unui otel S350GD+Z.

Grinda prezinta urmatoarele componente: (1) inima din tabla cutata de 1 mm grosime, (2) panourile de forfecare din tabla plana de 1.2 mm, (3) profilele tip C dispuse spate in spate ca talpi – 2×C120/2.0, (4) profilele U150/2.0 pozitionate sub punctele de aplicare a fortei, (5) suruburile M12 grupa 8.8 pentru imbinarea talpilor de piesele de prindere (fig. 4).

Trebuie mentionat ca inaltimea cutelor grinzii imbinate cu sudura in puncte a fost de 60 mm, in timp ce cele ale grinzi brazate MIG au fost de 45 mm. Dimensiunile golului au fost stabilite pentru a avea o inaltime rezonabila pentru instalatii, iar lungimea a fost limitata de distanta dintre cutele tablei, astfel incat a fost obtinuta o pozitie optima a punctelor de sudura. In cazul brazarii MIG, lungimea golului a fost aleasa astfel incat sa fie similara cu cea a grinzii imbinate cu sudura in puncte. Pozitia golului a fost aleasa pentru a evita zonele de moment maxim din mijlocul grinzii si zonele de forta taietoare din vecinatatea reazemelor.

Aceleasi tehnologii de sudare folosite pentru asamblarea grinzii au fost folosite si pentru consolidarea golului inimii. In functie de tipul sudurii, au fost selectate configuratii diferite. Pentru grinda asamblata cu puncte de sudura, o tabla plana de 2 mm grosime a fost sudata pe conturul golului. Dimensiunile sunt prezentate in figura 5. O singura tabla a fost folosita din cauza cutelor de pe partea opusa care nu permiteau sudura. Tabla a fost indoita la 90° in ambele parti, paralel cu talpile si sudata de acestea. Forma nedeformata a grinzii CWB-SW-WO este prezentata in figura 6.

In cazul grinzii asamblate prin brazare MIG, o tabla metalica de 1,2 mm grosime a fost indoita pentru a urmari forma golului. Avand in vedere inaltimea cutei de 45 mm, o tabla mai lata a fost necesara pentru a putea realiza brazarea MIG. De asemenea, pentru a facilita insertia, placa de consolidare a fost compusa din doua profile de tip U de 80 de mm latime.

Pe laturile paralele cu talpile, brazarea a fost realizata alternativ pe fiecare cuta, in timp ce pe laturile verticale a fost realizata ca segmente intermitente.

Figura 7 prezinta solutia de consolidare a golului. Grinda compusa asamblata folosind brazarea MIG este prezentata in figura 8.

Rezultatele experimentele

Raspunsul grinzii nu este evaluat doar tinand cont de capacitatea portanta, ci si de mecanismul de cedare care a dus la colaps. Incepand cu vederea generala, figura 9 prezinta forma deformata a grinzii asamblate folosind puncte de sudura. Deformatii semnificative sunt observate in partea din stanga golului din inima grinzii.

La nivel de componente, deformatiile si cedarile locale au fost observate in urmatoarea ordine: (1) voalare prin forfecare a panourilor de forfecare, (2) deformatii ale tablei cutate in coltul golului, (3) distorsiune a cutelor in vecinatatea capetelor grinzii, (4) voalare prin forfecare a cutelor, (5) voalare prin forfecare a tablei cutate, (6) cedare a punctelor de sudura dupa cresterea deformatiilor si (7) voalarea talpilor la punctele de aplicare a fortei.

Primele patru instabilitati au aparut in prima parte a degradarii capacitatii, cum se arata in figura 10, in timp ce (5), (6) si (7) au aparut dupa deplasari mari ale grinzii cu deformatii plastice (fig. 11).

Curba forta-deplasare este comparata in figura 12 cu curbele obtinute de la grinda CWB fara goluri [1]. De mentionat ca, desi configuratia generala este similara, in testele precedente inima era compusa din segmente de aproximativ 1 m, cu grosimi variabile de-a lungul grinzii. Prin urmare, precizarea ca forta este redusa este incorecta. Din punct de vedere calitativ, se poate observa ca grinda testata are o rigiditate de 12.106 N/mm, de acelasi ordin de marime ca in testele precedente. Pe de alta parte, o capacitate mai mica era de asteptat comparativ cu testele precedente, unde grosimea panourilor de forfecare de langa rezeme era mai mare, 1,2 mm.

Al 2-lea specimen, cel asamblat prin brazare MIG, prezinta deplasari crescute in partea de deschidere unde se afla golul, dar doar in etapele finale ale incercarii (fig. 13).

Cu toate acestea, in timpul testelor, fenomenele de instabilitate si cedari locale au fost aproape simetrice, lucru prezentat in secventa deformatelor grinzii din figura 14. Consolidarea golului din inima, impreuna cu brazarea MIG au dus la sectiuni rigide ale grinzii, deasupra si sub gol.

Degradarea raspunsului elastic a fost initiata de voalari ale panourilor de forfecare, mai putin evidente decat voalarile tablei cutate a inimii. In cele din urma, cresterea deplasarii a dus la extinderea voalarii locale la pierderea stabilitatii prin forfecare a tablei cutate a inimii (fig. 15). In timpul extinderii flambajului de la tabla cutata catre golul din inima, pierderi de stabilitate ale panourilor de forfecare si ale talpilor au fost observate, ca in figura 16.

In comparatie cu rezultatele obtinute pentru grinda compusa CWB fara goluri [2], curba forta-deplasare a testului curent sugereaza o contributie minima a golului la capacitatea portanta a grinzii.

Atat rigiditatea initiala, 27.746 N/mm, cat si ductilitatea grinzii sunt comparabile cu grinzile testate anterior, asa cum se poate vedea in figura 17.

Ca si in cazul grinzii sudate in puncte de sudura, cele doua cazuri (specimenele cu si fara gol in inima) nu au fost identice, insa capacitatea portanta a grinzii CWB cu gol se afla intre specimenul CMT 1 care are atat tabla cutata cat si panourile de forfecare de grosimea 1,2 mm si specimenul CMT 2 cu tabla cutata si panourile de forfecare de grosimea 1,0 mm.

Din moment ce specimenele testate au fost identice din punct de vedere al configuratiei si grosimii componentelor, cu exceptia tipului sudurii si solutiei de consolidare a golului, raspunsul celor doua grinzi poate fi comparat. O rigiditate mai mare poate fi observata in cazul grinzii asamblate folosind brazarea MIG, cu o crestere de ductilitate (fig. 18). Cresterea rigiditatii este datorata constrangerii cutelor impotriva distorsiunilor. Specimenul asamblat prin puncte de sudura permite distorsiunea cutelor, permitand deformatii in primele etape ale incarcarii, reducand astfel rigiditatea initiala.

Concluzii

Folosirea golurilor in inima din tabla cutata a grinzilor asamblate din profile formate la rece este posibila doar prin consolidarea golului. Folosind metode similare de imbinare ca cele folosite pentru asamblarea grinzii, a fost obtinuta o capacitate portanta adecvata. In cazul sudurii in puncte, o tabla dispusa paralel cu planul inimii poate fi folosita pentru consolidarea golului. Corelat cu rigiditatea mica a cutelor din cauza prinderilor discrete ale sudurii in puncte, doar 61% din capacitatea portanta a specimenului asamblat folosind brazarea MIG a fost atinsa. Stabilitatea inimii grinzii SW, in zona afectata de gol, induce un punct slab care constituie principala sursa de deformare a grinzii.

Prin imbinarea tablei cutate de talpi prin brazare MIG creste rigiditatea grinzii si a cutelor de asemenea. Impreuna cu bordarea din jurul golului, restul sectiunii din zona golului poate transmite forte taietoare fara mari deformatii, conducand catre o capacitate portanta similara cu cele din testele precedente pe grinzile fara goluri. In ceea ce priveste ductilitatea, specimenul asamblat folosind brazarea MIG permite o mai mare deformare a grinzii, in timp ce pentru specimenul asamblat cu sudura in puncte cedarile locale sunt concentrate in zonele golului, atingand colapsul la deplasari mult mai mici.

Referinte

[1]        Ungureanu, V., Both, I., BurcA, M., GroSan, M., Neagu, C., DubinA, D., Built-up cold-formed steel beams using resistance spot welding: Experimental investigations. Proceedings of the Eight International Conference on Thin-Walled Structures (ICTWS 2018), Lisbon, Portugal, 24-27 July 2018 (e-Proceedings);

[2]        Ungureanu, V., Both, I., Tunea, D., GroSan, M., Neagu, C., Georgescu, M.  DubinA, D., Experimental investigations on built-up cold-formed steel beams using MIG brazing. Proceedings of the Eight International Conference on Thin-Walled Structures (ICTWS 2018), Lisbon, Portugal, 24-27 July 2018 (e-Proceedings);

[3]        Blum, H. B., Rasmussen, K. J. R., Experimental investigation of long-span cold-formed steel double channel portal frames. Journal of Constructional Steel Research, 155: 316-330, 2018;

[4]        Cardoso, F. S., Zhang, H., Rasmussen, K. J. R., Yan, S., Reliability calibrations for the design of cold-formed steel portal frames by advanced analysis. Engineering Structures, 182: 164-171, 2019;

[5]        Dubina, D., Structural analysis and design assisted by testing of cold-formed steel structures. Thin-Walled Structures, 46: 741-764, 2008.

Autori:
Viorel Ungureanu, Dan Dubina – Universitatea Politehnica Timisoara, Academia Romana – Filiala Timisoara
Ioan Both – Universitatea Politehnica Timisoara
Calin Neagu – Universitatea Politehnica Timisoara
Mircea Burca – Universitatea Politehnica Timisoara
Antonio A. Cristian – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 164 – noiembrie 2019, pag. 60