Attractive large-scale glazing is currently an architectural trend. However, achieving adequate stiffness for larger glazing spans requires the use of complex cross-sections, generally aluminium sections of considerable height. Members with openwork webs are sometimes used in order to achieve increased load-bearing capacity and stiffness with reduced weight. The disadvantage is that this solution takes up a lot of space inside the building. A recently patented diagonalless member attempts to solve the above-mentioned problems. The member is fully demountable and allows glass units to be installed in the space between the chords. It consists of two chords spaced apart by metal sleeves with bolts passed through them. In this study, preliminary qualitative experimental tests were carried out to determine the behaviour of the member under load and to identify zones sensitive to local deformation. On this basis, numerical models (bar and 3D solid models, including contact interactions) were created and tested. Subsequently, the optimum sleeve spacing was determined, the effect of rotational and translational stiffness reduction at the nodes was investigated, and stress concentration zones and forms of stability loss were identified. A new form of local loss of stability of the chord facewall was identified, the so-called sliding push effect of the chord walls on the sleeve (within the larger openings). This is a completely different type of chord facewall failure from that found in known tubular welded joints. The research programme focused on identifying the phenomena occurring in the new member in order to provide a basis for further, more advanced analyses.
Atrakcyjne wielkopowierzchniowe przeszklenia są obecnie trendem architektonicznym. Jednak osiągniecie odpowiedniej sztywności przy większych rozpiętościach przeszklenia wymaga stosowania skomplikowanych przekrojów poprzecznych, na ogół aluminiowych o znacznej wysokości. W celu uzyskania zwiększonej nośności i sztywności przy zmniejszonej masie stosowane są niekiedy elementy o ażurowych środnikach. Wadą takiego rozwiązania jest to, że zabierają one sporo miejsca wewnątrz obiektu. Ostatnio opatentowany bezprzekątniowy element konstrukcyjny stanowi próbę rozwiązania w/w problemów. Element jest w pełni rozbieralny i umożliwia montaż szklanych tafli w przestrzeni pomiędzy pasami. Składa się z dwóch pasów rozsuniętych za pomocą tulei dystansowych, przez które przeprowadzone są śruby. Długość tulei jest dostosowana do wysokości pakietu szyb wraz z uszczelnieniem. Wzdłużny rozstaw tulei zagęszcza się od środka elementu w kierunku podpór. System otworowania pasów wykonany jest w taki sposób, aby otwory o większej średnicy usytuowane od strony wewnętrznej elementu umożliwiały pasowne przeprowadzenie przekroju tulei, które wchodzą do przestrzeni pasów. Powierzchnie czołowe przekroju na końcach tulei stykają się wówczas z powierzchnią wewnętrzną zewnętrznych ścianek pasów. Otwory o mniejszej średnicy w zewnętrznych ściankach pasów umożliwiają z kolei pasowne przeprowadzenie śrub. Śruby z tulejami mogą stanowić suwliwe skojarzenie i mają zapewnić współpracę poszczególnych części elementu złożonego. W innej wersji elementu, pasowanie śrub do otworów nie jest konieczne, a dodatkowym czynnikiem zapewniającym współpracę jest sprężenie śrub. Przestrzeń między pasami umożliwia umieszczenie pakietu szyb zespolonych w osi obojętnej złożonego elementu zginanego, co minimalizuje wpływ dodatkowych naprężeń normalnych przekazywanych z belki na uszczelki i szyby. Natomiast powstające w tym przypadku naprężenia styczne są kompensowane odkształcalnością uszczelek. Rozwiązanie opisane w patencie nr PL229439B1 jest w pewnym stopniu analogiczne do klasycznej belki Vierendeela. Zasadnicze różnice wynikają stąd, że połączenia pasów i słupków (tulei) nie zapewniają pełnej sztywności węzłów. Na ich podatność wpływają m.in.: 1) stopień sprężenia śrub, 2) dokładność dopasowania elementów składowych (pasów i tulei) na powierzchniach ich styku, 3) podatność ścianek pasów w obszarze kontaktu z tulejami. Do celów analizy rozważono cztery schematy statyczne różniące się rozmieszczeniem tulei dystansowych na długości belki. Program badan i symulacji numerycznych obejmował: 1. Model prętowy o sztywnych węzłach – wyznaczono optymalny rozstaw słupków (tulei) z warunku równomiernego obciążenia siłami tnącymi. 2. Model prętowy o węzłach podatnych – zbadano wpływ redukcji sztywności obrotowej i translacyjnej węzłów na rozkład sił wewnętrznych i ugięcie. 3. Wstępne badania doświadczalne na próbnym modelu fizycznym – osiągnięto wymierny efekt poznawczy wpływu węzłów o szczególnej konstrukcji na zachowanie się elementu, a także rozpoznano strefy wrażliwe na lokalne deformacje, m.in. strefa kontaktu ścianek bocznych tulei z krawędziami większych otworów w ściankach pasa. 4. Model bryłowy o pełnej ciągłości ścianek (model 1. generacji) – zidentyfikowano strefy koncentracji naprężeń, formy utraty stateczności oraz ujawniono potrzebę wprowadzenia dodatkowej tulei w środku rozpiętości belki. 5. Model bryłowy o niepełnej ciągłości ścianek przy uwzględnieniu zjawiska kontaktu (model 2. generacji) – zaobserwowano nową formę lokalnej utraty stateczności pasa, tzw. efekt przesuwnego napierania ścianki pasa na tuleję (w obrębie otworów większych). Jest to zupełnie inny rodzaj uszkodzenia ścianki czołowej pasa niż ten, który występuje w znanych rurowych połączeniach spawanych. Wystąpiły również zmiany dystrybucji i wielkości maksymalnych naprężeń na długości elementu. W artykule wykazano, że zagęszczenie podziału na segmenty przy podporach jest podyktowane prawem rozkładu sił tnących, natomiast dodanie tulei w środku rozpiętości belki wynika z potrzeby zmniejszenia długości wyboczeniowej środkowego segmentu z największym poziomem naprężeń ściskających. Wprowadzenie środkowej tulei daje znaczący wzrost pierwszej wartości własnej. Krótsze segmenty przy podporach skutkują niższymi nieprężeniami ścinającymi w tulejach. Zwiększanie podatności na poślizg podłużny w węzłach, w stosunku do zwiększania podatności na obrót węzłów w płaszczyźnie głównego zginania, powoduje mniejszą zdolność przeciwstawiania się zginaniu globalnemu i zwiększa pionowe ugięcie elementu. Efekt ten wywołuje wzrost sił tnących i momentów Vierendeela przy jednoczesnej redukcji sił normalnych od zginania globalnego. Redukcja sztywności węzłów między przypadkiem węzłów w pełni sztywnych a przypadkiem węzłów półsztywnych wywołuje niewielkie różnice w wielkościach sił przekrojowych i ugięciach. Program badan koncentrował się na identyfikacji zjawisk zachodzących w nowym elemencie konstrukcyjnym w celu stworzenia podstaw do dalszych, bardziej zaawansowanych analiz. Dalsze badania doświadczalne (na modelach stalowych w skali naturalnej) i symulacje numeryczne kolejnych generacji modeli (m.in. modelowanie łączników śrubowych, ich sprężenia i stref kontaktu z uwzględnieniem tarcia) będzie przedmiotem kolejnych prac autorów.
