Influenta consolidarii profilelor formate la rece perforate asupra comportarii la compresiune axiala a structurilor de depozitare de tip rafturi din otel

Aceasta cercetare propune solutii inovatoare pentru imbunatatirea integritatii structurale a rafturilor metalice de depozitare, concentrandu-se pe profilele verticale de la baza stalpilor. Au fost explorate doua metode de consolidare, care au aratat imbunatatiri semnificative in ceea ce priveste rezistenta la compresiune. Prima metoda a oferit o crestere de 48,3%, in timp ce a doua metoda, folosind un profil in forma de C, a dus la o imbunatatire remarcabila, de 76,72%, a capacitatii de incarcare axiala. Aceste solutii contribuie la obtinerea unor sisteme de depozitare mai sigure si mai fiabile, in special in zonele seismice, si evidentiaza posibilitatea consolidarilor locale ale structurilor de depozitare existente.

INTRODUCERE

 In ultimele decenii, avansul economic si nevoile de stocare au stimulat dezvoltarea sistemelor de rafturi industriale pentru depozitare. Aceste structuri sunt realizate adesea din profile de otel formate la rece (CFS) datorita echilibrului eficient intre capacitatea de rezistenta si masa lor redusa. Sistemele de rafturi (fig. 1) sunt adaptabile si se monteaza usor in variate aranjamente. Totusi, procesul de formare la rece si subtierea materialului pot introduce puncte slabe, mai ales la elementele principale verticale de la baza acestor structuri, elemente care, coroborat si cu o redundanta structurala redusa, sunt esentiale pentru mentinerea stabilitatii si capacitatii de incarcare a sistemului. Se poate observa o crestere semnificativa a cercetarii in acest domeniu, reflectata printr-un numar mare de publicatii [1–6] si standarde de proiectare specifice [7–9].

Cercetari de laborator [10–13] si analize numerice bazate pe metoda elementelor finite [14–16] au fost efectuate de diversi cercetatori. In unele studii, cercetatorii au prezentat tehnici inovatoare pentru a imbunatati rezistenta la compresiune a stalpilor prin utilizarea de bolturi si distantiere dispuse pe diverse lungimi de-a lungul stalpilor. Astfel s-au obtinut imbunatatiri semnificative. In acest articol vom aduce in atentie identificarea, prin analiza comparativa a rezultatelor incercarilor experimentale pe tronsoane de 1 m, a doua posibile solutii pentru cresterea capacitatii portante la compresiune axiala prin introducerea unor profile suplimentare in interiorul sectiunilor stalpilor si prinderea acestora cu suruburi M8.

Fig. 1: Raft industrial tipic realizat din profile din otel formate la rece

MATERIALE SI METODOLOGIE 

Materialul utilizat in programul experimental pentru toate profilele laminate la rece este otelul S355 J2C, iar pentru profilele cu rol de consolidare, S355 MC. Grosimea tablei din care sunt formate profilele este de 2 mm atat pentru cele de baza cat si pentru cele de consolidare. Suruburile folosite la prinderea ansamblurilor sunt M8, dispuse la distanta de 300 mm.

Fig. 2: Sectiunile profilelor testate la compresiune axiala: a ‒ profilul de baza; b ‒ consolidare cu metoda I (2 profile L); c ‒ consolidare cu metoda II (1 profil C)

Fig. 3: Incercarea profilelor de baza neconsolidate: a ‒ vedere laterala profile; b ‒ vedere frontala; c ‒ test la compresiune centrica; d ‒ elemente cedate prin distorsiune dupa incercarea experimentala

Fig. 4: Incercarea profilelor de consolidare prin metoda I: a ‒ vedere sectiune transversala profile; b ‒ vedere frontala; c ‒ elemente cedate la incovoiere dupa incercarea experimentala

Fig. 5: Incercarea profilelor de consolidare prin metoda II: a ‒ vedere frontala profile; b ‒ vedere laterala; c ‒ elemente cedate local dupa incercarea experimentala

In cazul profilelor de baza, au fost testate un numar de 3 specimene. Prin metoda de consolidare I au fost testate doar 2 specimene, din motive tehnice; prin metoda II de consolidare, numarul specimenelor testate a fost de 3. Experimentele s-au desfasurat in cadrul laboratorului Facultatii de Constructii si Instalatii din Iasi. Pentru incarcarea axiala centrica s-a folosit o presa hidraulica (fig. 3c) cu control manual. Pentru inregistrarea fortelor s-a utilizat o celula de forta de 500 kN, iar pentru inregistrarea deplasarilor axiale s-au utilizat 2 traductori de deplasare tip LVDT pozitionati pe directia axei neutre. Semnalul de la traductorii de deplasare si celula de forta au fost achizitionati printr-un sistem de achizitie a datelor ESAM Traveller cu un pas de 0,02 s. Rata de incarcare a specimenelor a fost relativ constanta, de 1,5 kN/s, pana la aparitia mecanismului de cedare. In figurile 3, 4 si 5 sunt prezentate imagini ale profilelor testate si mecanismele de cedare a acestora.

REZULTATE SI DISCUTII

 Dupa realizarea experimentelor au fost procesate datele inregistrate, reprezentate in figura 6 intr-un grafic forta‒deplasare cu valorile medii ale celor 3 incercari. Profilul de baza, notat in graficul comparativ ca „90´52 2RG”, arata o forta maxima (F_m) de 86,165 kN la o deplasare de 2,7 mm. Aceasta valoare reflecta caracteristicile initiale ale profilului neintarit, stabilind un punct de referinta pentru comparatie.

In ceea ce priveste profilul consolidat prin metoda I, etichetat in grafic ca „90´52 2RG + L43.5´23”, afisat cu culoarea rosie, s-a observat o crestere semnificativa a fortei maxime pana la 127,78 kN la o deplasare de 3 mm, ceea ce reprezinta o crestere procentuala de aproximativ 48,30% fata de profilul de baza.

Mai departe, aplicand metoda II de consolidare, indicata in grafic prin linia albastra si notatia „90´52 2RG + C85´47”, s-a atins o forta maxima de 152,27 kN la o deplasare de 4 mm. Comparativ cu profilul de baza, aceasta constituie o crestere procentuala de aproximativ 76,72%, marcand cea mai mare imbunatatire in performanta structurala a probelor testate.

Cedarea structurala a avut loc in mod diferit pentru fiecare caz: profilul de baza a prezentat cedare prin pierderea stabilitatii generale, caracterizata printr-un flambaj distorsional. Pentru profilul consolidat prin metoda I, cedarea a fost o combinatie intre incovoiere si flambaj distorsional, pe cand metoda II a condus la cedarea prin flambaj local.

Fig. 6: Curbe forta‒deplasare comparative

 CONCLUZII

 Acest studiu a avut ca scop principal investigarea influentei diferitelor metode de consolidare asupra comportamentului la compresiune axiala al profilelor formate la rece perforate, utilizate in elementele verticale ale structurilor de rafturi din otel pentru depozitarea paletizata. Rezultatele experimentale au aratat o imbunatatire semnificativa a capacitatii portante a profilelor consolidate, comparativ cu cele neconsolidate. In mod specific, metoda I de consolidare cu 2 profile L independente adaugate in interior a dus la o crestere a rezistentei cu 48,3%, in timp ce metoda II cu un profil C adaugat in interior si prins cu suruburi a inregistrat o crestere de 76,72%.

Aceste constatari evidentiaza potentialul consolidarilor locale pentru cresterea rezistentei structurilor existente, in special in zonele cu activitate seismica insemnata. Avand in vedere comportamentul diferit la cedare al celor trei tipuri de profile testate, cercetarea contribuie la intelegerea alegerii metodelor de consolidare potrivite pentru diferite scenarii de incarcare.

Se recomanda efectuarea unor studii suplimentare pentru a evalua eficacitatea pe termen lung a acestor metode de consolidare, precum si extinderea cercetarii pentru a include si alte tipuri de profile si sisteme de rafturi. De asemenea, ar fi de interes dezvoltarea de modele analitice sau numerice care sa poata prezice comportamentul la cedare al profilelor consolidate, in scopul facilitarii proiectarii si optimizarii acestora.

In contextul actual, unde siguranta structurilor devine tot mai imperativa, rezultatele prezentate in acest articol contribuie la consolidarea cunostintelor tehnice necesare pentru cresterea rezilientei infrastructurii critice.

BIBLIOGRAFIE

 [1] TALEBIAN, N. (2018). Upright Frame Shear Stiffness and Upright Biaxial Bending in the Design of Cold-Formed Steel Storage Rack-Supported Buildings. PhD Thesis. https://doi.org/10.25904/1912/1700;

[2] KANYILMAZ, A., CASTIGLIONI, C. A., BRAMBILLA, G., & CHIARELLI, G. P. (2016). Experimental assessment of the seismic behavior of unbraced steel storage pallet racks. Thin-Walled Structures, 108, 391–405. https://doi.org/10.1016/J.TWS.2016.09.001;

[3] XIAN-ZHONG, Z., LIU-SI, D., ZHAO-QI, H., CHONG, R., XIAN-ZHONG, Z., LIU-SI, D., … CHONG, R. (2019). Review of the research on steel storage rack structures. Engineering Mechanics, 2019, Vol. 36, Issue 8, Pages: 1-15, 36(8), 1–15. https://doi.org/10.6052/J.ISSN.1000-4750.2018.10.ST12;

[4] MIYAZAKI, J. P. de L., DE CARVALHO, A. S., MARTINS, C. H., & ROSSI, A. (2023). Evaluation of the interaction between distortional–global buckling in perforated cold-formed steel rack sections. Structures, 54, 808–824. https://doi.org/10.1016/J.ISTRUC.2023.05.105;

[5] HE, Z., PENG, S., ZHOU, X., LI, Z., YANG, G., & ZHANG, Z. (2024). Design recommendation of cold-formed steel built-up sections under concentric and eccentric compression. Journal of Constructional Steel Research, 212, 108255. https://doi.org/10.1016/J.JCSR.2023.108255;

[6] TAHERI, E., FIROUZIANHAJI, A., USEFI, N., MEHRABI, P., RONAGH, H., & SAMALI, B. (2019). Investigation of a method for strengthening perforated cold-formed steel profiles under compression loads. Applied Sciences (Switzerland), 9 (23). https://doi.org/10.3390/APP9235085;

[7] MDRAP (2015). GP 128-2014: Guide for the Calculation and Design of Steel Rack Structures for Display and Storage in Commercial Spaces Subject to Seismic Action (in lb. romana). Accesat pe 20.05.2023;

[8] European Committee for Standardization (2009). EN 15512: Steel Static Storage Systems. Adjustable Pallet Racking Systems. Principles for Structural Design;

[9] European Committee for Standardization (n.d.). EN 16681:2016: Steel static storage systems. Adjustable pallet racking systems. Principles for seismic design. Retrieved from https://dokumen.pub/en-166812016-steel-static-storage-systems-adjustable-pallet-racking-systems-principles-for-seismic-design.html;

[10] DUBINA, D., & UNGUREANU, V. (2021). Local-distortional and Overall Interactive Buckling of Unstiffened Open Cross-section Thin-walled Steel Members. SSRN Electronic Journal. https://doi.org/10.2139/ssrn.3871146;

[11] CRISAN, A., UNGUREANU, V., & DUBINA, D. (2012). Behaviour of cold-formed steel perforated sections in compression. Part 1 ‒ Experimental investigations. Thin-Walled Structures, 61, 86–96. https://doi.org/10.1016/J.TWS.2012.07.016;

[12] GALATANU, T. F., & UNGUREANU, V. V. (n.d.). The Experimental Tests of the Joint Assembly of Thin Walled Steel Profiles KB;

[13] TARANU, G., UNGUREANU, V., NAGY, Z., LUCA, S.-G., ALEXA-STRATULAT, M.-S., & TOMA, I.-O. (2024). Comparative Experimental Study on Improving Structural Performance of the Base Upright Profiles of Steel Storage Pallet Racks under Operational Conditions;

[14] LUKACEVIC, I., UNGUREANU, V., VALCIC, A., & CURKOVIC, I. (2021). Numerical study on bending resistance of cold-formed steel back-to-back built-up elements. ce/papers, 4 (2–4). https://doi.org/10.1002/cepa.1320;

[15] TARANU, G., VENGHIAC, V.-M., OLTEANU-DONTOV, I., ROTARU, A., & TOMA, I.-O. (2022). Sustainable Design for CFS Structures: Experimental Data and Numerical Models of Hinged Connections. Sustainability (Switzerland), 14(13). https://doi.org/10.3390/su14137813;

[16] COIMBRA, K. F., ALVES, V. N., SARMANHO, A. M. C., & DE ALMEIDA NEIVA, L. H. (2022). Optimization of rack-section cold-formed profiles columns. Journal of Constructional Steel Research, 196, 107422. https://doi.org/10.1016/J.JCSR.2022.107422.

Autori:

s. l. dr. ing. George TARANU ‒ Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi” din Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii

prof. univ. dr. ing. Viorel UNGUREANU ‒ Universitatea Politehnica din Timisoara, Facultatea de Constructii

conf. univ. dr. ing. Zsolt NAGY ‒ Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii

s. l. dr. ing. Vasile-Mircea VENGHIAC ‒ Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi” din Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii

drd. ing. Serban IACOB ‒ Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi” din Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii

(Lucrare prezentata la a 18-a Conferinta Nationala de Constructii Metalice ‒ „Construieste cu STEEL” ‒ 15-16 aprilie 2024, Cluj-Napoca, Romania | www.con-steel.ro)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 217 – septembrie 2024, pag. 65-67