Buckling check tools for plate panel and column structures

Abstract

Buckling is, besides yielding, one of the major causes of failures in structures, and buckling checks are therefore an integral part of strength analyses. Checks can be performed either with methods requiring heavy numerical calculations or with equations based on rules and recommendations from a classification society. Numerical calculations are extremely time-consuming and commercial buckling check programs are expensive. There is therefore a need for buckling check tools based on the recommendations of a classification society that are fast to use and easy to share.

The work presented in this thesis is based on the rules and recommendations of DNV (Det Norske Veritas). Eight Excel-based buckling tools to be used for stability analyses of plated and column structures were created. They cover the flexural buckling of columns, buckling of unstiffened plates and buckling of plates stiffened in one direction. The tools for unstiffened and stiffened plates cover the load cases of uniform and linear varying longitudinal and transverse compression, lateral load, shear and biaxially loaded with shear. The effective width method is presented, because the rules and recommendations of DNV are based on this theory. The theory part of the thesis also covers the Finite Element Method (FEM), as the results from the created tools were compared to those from FEM-analyses.

The results from the tools were verified with hand calculations and tested to be in line with certain basic results of buckling of plates and columns known to be true. In addition, the results from the tool for stiffened plates were compared with those from an old project. These comparisons showed that the results from the FEM-analyses were generally more conservative for slender plates whereas the results from the buckling check tools were generally more conservative for thicker plates. The buckling resistance calculated by the tools did not exceed the yield strength. While the results from the tests and comparison where mostly in line with what was expected, a few unforeseen outcomes are presented, and reasons for them discussed. As future work it would be recommended to expand the tools to cover plates with cutouts as they could not be included in this thesis due to currently unreliable rules. Additional tools for varying boundary conditions as well as plates stiffened in two directions would also be welcomed.

Lommahdus ja nurjahdus ovat myötäämisen ohella yleisimpiä rakennevaurioihin johtavia syitä, ja tästä syystä ne muodostavatkin tärkeän osan lujuusanalyyseja. Analyysit voidaan suorittaa joko vaativin numeerisin laskentamenetelmin tai luokituslaitosten sääntöihin ja suosituksiin perustuvien yhtälöiden avulla. Numeeristen laskentamenetelmien käyttö on äärimmäisen aikaa vievää, kun taas kaupalliset lommahduslaskentaohjelmat ovat kalliita. Tästä syystä helposti jaettavissa olevalle, nopeakäyttöiselle, luokituslaitoksen sääntöihin ja suosituksiin perustuvalle laskentaohjelmalle on tarvetta.

Opinnäytetyössä luotiin kahdeksan Excel-pohjaista levy- ja pilarirakenteiden stabiilisuusanalyyseissa käytettävää laskentaohjelmaa. Laskentaohjelmat kattavat pilarin nurjahduksen, jäykistämättömän levykentän lommahduksen sekä yhteen suuntaan jäykistetyn levykentän lommahduksen. Levyrakenteiden laskentaohjelmien kattamat kuormitustyypit ovat tasainen ja lineaarisesti vaihtuva pitkittäinen ja poikittainen kuormitus, leikkaus, sivuttainen kuormitus sekä yhtäaikaisesti vaikuttavat poikittainen kuormitus, pitkittäinen kuormitus ja leikkauskuormitus.

Työssä esitetyt laskentaohjelmat pohjautuvat DNV:n (Det Norske Veritas) sääntöihin ja suosituksiin. Tehollisen leveyden menetelmä on esitelty siksi, että DNV:n säännöt ja suositukset perustuvat tähän teoriaan. Työn teoriaosuus kattaa myös elementtimenetelmän (FEM), koska luotujen työkalujen tuloksia verrattiin FEM-analyyseista saatuihin tuloksiin.

Laskentaohjelmien antamat tulokset verifioitiin käsin laskemalla ja varmistamalla, että ne noudattavat tiettyjä lommahduksen ja nurjahduksen tunnettuja perussääntöjä. Jäykistetyille levykentille luodun ohjelman antamia tuloksia verrattiin myös vanhasta projektista saatuihin tuloksiin. Nämä vertailut osoittivat, että FEM-analyysit antoivat yleisesti ottaen konservatiivisempia tuloksia hoikille levykentille, kun taas laskentaohjelmat antoivat yleisesti ottaen konservatiivisempia tuloksia paksummille levykentille. Laskentaohjelmien antamat lommahduskestävyydet eivät ylittäneet myötörajaa. Testien ja vertailujen tulokset olivat odotettuja, muutamaa yllättävää tapausta lukuun ottamatta. Nämä tapaukset, mukaan lukien mahdolliset syyt, on käsitelty tässä työssä.

On suositeltavaa että tulevaisuudessa laskentatyökalut laajennettaisiin kattamaan myös reiälliset levykentät, joita ei voitu käsitellä tämän työn yhteydessä epäluotettavia tuloksia antavien sääntöjen takia. On myös suotavaa laajentaa laskentaohjelmia kattamaan erilaisia reunaehtoja ja kahteen suuntaan jäykistettyjä levykenttiä.