Distortion and internal warping torsion of a double symmetric hollow section

This thesis is made in cooperation with Laboratory of Steel Structures and the steel company SSAB. Maximization of the benefits of high-strength steel usually requires the usage of thin wall thicknesses. This means the failures related to buckling, distortion and warping stand out. One must be aware of these phenomena to design thin-walled structures stressed with forces such as torsional loading. It is also important to take into account small stress ranges when evaluating the accurate fatigue strength of structures. The objective of this thesis is to clarify the theory of the uniform and non-uniform torsion. This paper focuses on warping due to the non-uniform torsion in double symmetric box girder and structural hollow section. The arisen stress states are explained and researched using the finite element method. Another research target is the distortion in double symmetric box girder due to torsion, and the restraining effect of transverse diaphragms at the load end. Multiple transverse diaphragms are used to study more efficient restraining against warping and distortion than a common one end plate structure.

Tämä tutkimus on tehty yhteistyössä Lappeenrannan teknillisen yliopiston Teräsrakenteiden laboratorion ja SSAB teräsyhtiön kanssa. Lujia teräksiä käytettäessä parhaan hyödyn aikaansaamiseksi on usein ohutlevyrakenteiden käyttö suotavaa niiden kevyen rakenteen ansiosta. Tällöin vaurioilmiöt johtuen paikallisesta lommahduksesta, poikkileikkauksen vinoutumisesta, vääristymisestä ja käyristymisestä korostuvat. Suunnittelijan tulee olla tietoinen niistä ja ymmärtää kyseiset ilmiöt suunnitellessaan ohutlevyrakenteita, jotka joutuvat kuormituksessa esimerkiksi väännön alaisiksi. Siten tarkan väsymiskestävyyden arvioimisessa on syytä ottaa huomioon kyseisten ilmiöiden aiheuttamat pienetkin jännitysvaihtelut. Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää puhtaan ja estetyn väännön erot ja seuraukset. Työssä keskitytään estetyn väännön aiheuttamaan primääriseen ja sekundääriseen käyristymiseen kaksoissymmetrisissä kotelorakenteissa ja rakenneputkissa. Syntyvät jännitystilat ovat selitetty ja havainnollistettu tutkimuksessa tehdyillä elementtimalleilla. Toinen tärkeä kohde on väännöstä johtuva vinoutuminen kaksoissymmetrisessä kotelopalkissa ja sen estäminen poikittaisilla jäykistelevyillä palkin ulkoisen vääntökuorman vaikutuspäädyssä. Työssä tutkitaan kuinka lisäksi toisen jäykistelevyn sijoittaminen palkin sisälle estää vinoutumista ja maadoittaa käyristymistä verrattuna yleisesti käytettyyn pelkkään päätylevyyn.