Projekt badawczy Angelhy: Innowacyjne rozwiązania dla stalowych słupów kratowych

Redukacja wagi dzięki zastosowaniu S460

Projekt badawczy Angelhy, realizowany przez 42 miesiące w latach 2017-2020 i finansowany przez Komisję Europejską i we współpracy z ArcelorMittal Belval & Differdange SA (AMBD), miał na celu opracowanie zasad projektowania, które będą wykorzystywały potencjał nośny kątowników. Głównym zamierzeniem było również ulepszenie istniejących zasad w zakresie elementów złożonych oraz wprowadzenie innowacyjnych typów elementów złożonych, składających się z dwóch kątowników o nierównych przekrojach.

Zakres projektu obejmował:

• analizę rynku wież transmisyjnych (instalacja nowych linii i wzmocnienie już istniejących)
• studia projektów dotyczące wież telekomunikacyjnych i transmisyjnych
• analiza słupów kratowych ze stali o wysokiej wytrzymałości S460
• testowanie elementów hybrydowych
• opracowanie zasad projektowania, a następnie przeprowadzenie testów w pełnej skali na kompletnych słupach
• wytyczne dotyczące modeli analitycznych i projektowania kompletnych słupów (np. odporność na wyboczenie połączonych ze sobą kątowników i system klasyfikacji przekrojów poprzecznych kątowników równoramiennych)
• zalecenia projektowe dla Eurokodu 3.

Innowacyjne rozwiązania

Stalowe słupy kratowe, wykonane z w pełni nadających się do recyklingu walcowanych na gorąco profili kątowych, często budowane są w trudnym terenie z ograniczonym dostępem dla ciężkich pojazdów. Są one typowym rozwiązaniem dla wież transmisyjnych i telekomunikacyjnych.

Studium projektu zostało opracowane w celu zidentyfikowania wspólnej typologii wież transmisyjnych w Europie, a następnie zaprojektowania pojedynczych słupów (ponieważ skupiono się na kątownikach i ich zachowaniu konstrukcyjnym) zgodnie z normą EN 50341-1:2021 i w porównaniu do norm EN 1993-1-1, EN 1993-3-1 oraz nieliniowych metod projektowania. Wspomniane studium projektu zostało wykorzystane jako podstawa do dalszych badań w ramach projektu Angelhy.

Założenia projektowe obejmowały gatunek stali S355 J2 zgodnie z normą EN 10025-2:2004. Warto zauważyć, że norma EN 50241 (i niemiecki załącznik krajowy - ponieważ projekt powstał w Niemczech) nie obejmuje gatunków stali o wysokiej wytrzymałości. Norma EN 50241 i niemiecki załącznik krajowy obejmują tylko gatunki stali S235 i S355 w J0 i J2.

Przeprowadzono automatyczną optymalizację przy użyciu oprogramowania TOWER v15 w celu znalezienia najlżejszej konstrukcji o najwyższym stopniu wydajności. Stwierdzono, że ciężar konstrukcji można zmniejszyć, stosując stal S460 do profili w podstawie wieży oraz profili poziomych w ramionach poprzecznych. Na przykład, zaprojektowana samonośna wieża ze stali S355 miała całkowitą masę 66 ton, podczas gdy ta sama wieża ze stali S460 miała całkowitą masę zaledwie 56 ton.

Zastosowanie stali o wysokiej wytrzymałości, takiej jak S460, w stalowych słupach kratowych prowadzi do zmniejszenia ciężaru konstrukcyjnego oraz kosztów, zmniejszając ciężar znormalizowanych słupów nawet o 20% w porównaniu do zwykłych gatunków stali (np. S355). Skutkuje to lżejszymi konstrukcjami, które są łatwiejsze i szybsze w montażu.

Rozszerzenie Eurokodów o zastosowanie stali S460 pozwoliłoby wykorzystać zalety stali o wysokiej wytrzymałości. 

Więcej szczegółów można znaleźć w części 3 nagranej prezentacji projektu badawczego.

Projekt badawczy obejmował zasady projektowania pojedynczych kątowników (kątowników równoramiennych) i elementów złożonych (profili łączonych grzbietowo i przewiązkami), takie jak te zawarte w normach EN 1993-1-1 i EN 1993-3-1 (z odniesieniami do EN 1993-1-5 i EN 50341). Ponieważ zasady i wzory stosowane w większości kodeksów zostały opracowane głównie dla przekrojów I lub H, istnieją pewne niespójności i brakujące zasady w tych dokumentach normatywnych. Zaobserwowano nowy rodzaj uszkodzenia (niestabilność segmentu) wymagający opracowania specjalnej formuły projektowej. Dlatego jednym z głównych celów projektu było opracowanie zasad projektowania dla klasyfikacji i nośności kątowników oraz dla nośności i stateczności elementów z profilami kątowymi. 

Godne uwagi wyniki obejmują:

Elementy pojedyncze 

• Tryb niestabilności skrętnej można osiągnąć tylko wtedy, gdy element konstrukcyjny jest obciążony w centrum ścinania, co nie ma miejsca w przypadku słupów,
• Zaobserwowano tendencję kątowników do wyboczenia wzdłuż osi słabej, nawet jeśli niestabilność jest wyboczeniem skrętnym, co oznacza, że obliczenia należy uprościć,
• Krzywa wyboczeniowa z podwajającą się tzw. „półką plastyczną” (plateau) powinna być stosowana do bocznego wyboczenia skrętnego zamiast krzywej d, jak proponuje obecny kod,
• Tryb niestateczności segmentu, zdefiniowany jako "tryb niestateczności związany z wyboczeniem więcej niż jednego elementu tworzącego segment", wymaga opracowania specjalnego wzoru obliczeniowego. Uproszczony model nie uwzględnia sztywności obrotowej głównej podpory, dlatego opracowano ostateczny model uwzględniający ten czynnik.

Elementy złożone

• Zbadano nośność elementów złożonych. Chociaż istnieje kilka metod projektowania, istnieje niespójność między różnymi podejściami projektowymi dla blisko rozmieszczonych elementów złożonych. W ramach projektu badawczego opracowano bardziej przejrzyste metody obliczeniowe dla wyboczenia głównej osi połączonych ze sobą elementów konstrukcyjnych poddanych ściskaniu oraz słupów złożonych z przewiązkami poddanych ściskaniu i zginaniu.

Więcej szczegółów można znaleźć w części 4 nagranej prezentacji projektu badawczego.