بررسي آزمايشگاهي و عددي حساسيت باربري محوري فشاري اعضاي لوله‌اي فولادي به ناراستي‌هاي هندسي

An Experimental/Numerical Study on the Sensitivity of Axial Compressive Load Bearing Response of Steel Tubular to Geometrical Imperfections

اعضاي لوله‌اي درعمل به دليل فرآيند ساخت و آسيب‌هاي وارده در مراحل حمل و نقل و نصب لوله فاقد يك هندسه استوانه‌اي كامل و بي‌نقص هستند. در واقع ناراستي‌هايي در مقطع و طول آن‌ها وجود دارد. حضور ناراستي‌ مي‌تواند بر رفتار اعضاي لوله‌اي مقابل بارهاي وارده تا حد زيادي تاثير گذار باشد. در اين پژوهش، تاثير حضور ناراستي بر رفتار اعضاي لوله‌اي تحت بارگذاري يك سويه محوري فشاري به صورت آزمايشگاهي و مدل‌سازي عددي مورد بررسي قرار گرفته است. در ابتدا چهار نمونه آزمايشگاهي از لوله فولادي با درجه X70 و با نسبت قطر به ضخامت (D/t) 22 پس از انجام اسكن سه بعدي مورد آزمايش قرار گرفته‌اند. نتايج نشان دادند كه حضور ناراستي در اعضاي لوله‌اي منجر به بروز كمانش محلي در لوله شده و بر تنش فشاري حداكثر قابل تحمل در عضو (?_L) و كرنش معادل آن(?_L) تاثير گذار است. هندسه ناراستي در نظر گرفته شده در مدل عددي بر اساس مودهاي مختلف كمانش در اعضاي لوله‌اي مي‌باشد. نتايج حاصل از مدل‌سازي عددي و نتايج آزمايشگاهي با يكديگر مقايسه شده و به طور كلي مطابقت قابل قبولي مشاهده شده است. در ادامه از مدل عددي به منظور بررسي تاثير عواملي مانند هندسه ناراستي، دامنه ناراستي (A)، نسبت D/t و نسبت ?/L استفاده شده است. نتايج نشان دادند كه مودهاي بالاتر و متقارن، تاثير بيشتري بر رفتار يك سويه فشاري اعضاي لوله‌اي دارد. با افزايش دامنه ناراستي، ?_L و ?_L كاهش مي‌يابند اما مرتبه كاهش هر دو پارامتر متاثر از هندسه ناراستي و نسبت D/t و ?/L است. با توجه به نتايج به‌دست آمده مشخص است كه تاثير ناراستي بر ?_L بسيار بزرگتر از تاثير ناراستي بر ?_L است.

In practice, steel tubulars lack a mathematically perfect cylindrical shape, due to non-uniformities introduced during the manufacturing process, construction methods, damages incurred in the transport. The imperfections might exist in the cross section and along the tubular member. Imperfections can greatly affect the behavior of tubular members. The work presented in this paper is perusing effect of geometrical imperfections on steel tubes under monotonic axial compressive loading. An experimental model testing along with a numerical simulation approach has been employed. The small scale experiments were conducted on X70 steel pipes with diameter 44 (mm) and D/t of 22. The results showed that under monotonic loading the presence of imperfection in the tubular member leads to local buckling of the tube and has a decreasing effect on the limit stress (?_L) and on the strain corresponding to the ultimate load (?_L). The geometry of the imperfections introduced to the numerical model is based on the scaled down buckling mode shapes of the tubular specimen. In general, a reasonable agreement has been noticed between the experimental and the numerical results. The numerical model has then been used to study the effect of geometry of imperfection and imperfection amplitude (A), D/t and (?/L) on the response of steel tubes to monotonic axial compressive loading. The results showed that the monotonic response was more sensitive to higher mode shapes as compared to the lower modes and to symmetric modes as compare to non-symmetric modes. The limit stress and the strain corresponding to the ultimate load decrease as imperfection amplitude increases. The stress-strain path was also found to be affected by the geometry of imperfections, D/t and the imperfection wave length. The results of the current study also shows that the tube imperfection has a more profound effect on the limit strain (?_L) in comparison to that on the limit stress (?_L).