Design of steel industrial chimneys against buckling - Νικολούδη, Ειρήνη (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών, 2015)
Η ανάλυση και ο σχεδιασμός των λεπτότοιχων κατασκευών ξεκίνησε ήδη από τις αρχές του εικοστού αιώνα, όταν προέκυψε η ανάγκη για σχεδιασμό αεροσκαφών, διαστημοπλοίων, ρουκετών, υποβρυχίων και άλλων συναφών κατασκευών. Η σημαντική διαφοροποίηση αυτών των κατασκευών σε σχέση με άλλες γρήγορα έγινε αισθητή, καθώς παρατηρήθηκε ότι ήταν ιδιαίτερα ευαίσθητες σε γεωμετρικές ατέλειες, τοπικό λυγισμό και πλαστικοποιήσεις. Αρχικά, το ζήτημα του λυγισμού λεπτότοιχων κελυφών αντιμετωπίστηκε κάνοντας χρήση αναλυτικών μεθόδων σε σχετικά απλές εφαρμογές, όπως αυτήν της απλής αξονικής συμπίεσης. Ανάμεσα στους πρώτους ερευνητές που ασχολήθηκαν με το θέμα αυτό ήταν ο Timoshenko, ο Southwell και ο Lorenz, οι οποίοι καθιέρωσαν αναλυτικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται ευρέως ακόμα και σήμερα στους σύγχρονους κανονισμούς. Στις επόμενες δεκαετίες, πραγματοποιήθηκαν πολυάριθμα πειράματα, τα αποτελέσματα των οποίων σήμαναν τα μειονεκτήματα που προέκυπταν από τις υποθέσεις των αναλυτικών μεθόδων. Πρόσφατα, η σημαντική εξέλιξη των υπολογιστών και η ανάπτυξη της επιστήμης του πολιτικού μηχανικού κατέστησαν δυνατή τη χρήση πιο ανεπτυγμένων αριθμητικών διαδικασιών. Στην παρούσα εργασία, μελετάται μία βιομηχανική μεταλλική καπνοδόχος μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η καπνοδόχος έχει τα εξής γεωμετρικά χαρακτηριστικά: ύψος 60m, διάμετρος 7m και σταθερό πάχος τοιχωμάτων ίσο με 0.013m. Επίσης, είναι ενισχυμένη με περιφερειακές νευρώσεις, ή δαχτυλίδια, σε σταθερά διαστήματα των 5m. Οι νευρώσεις αυτές έχουν διατομή σχήματος L και διαστάσεις L120/120/10. Το υλικό που χρησιμοποιείται είναι χάλυβας S235 JR, σύμφωνα με τις διατάξεις του EN 13084-7. Ωστόσο, λόγω της θερμοκρασίας που λειτουργεί η καπνοδόχος, τα μηχανικά χαρακτηριστικά του χάλυβα S235 JR μειώνονται (σύμφωνα με τις αντίστοιχες οδηγίες του EN 13084-7). Τελικά, προκύπτει όριο διαρροής ίσο με 160MPa και μέτρο ελαστικότητας ίσο με 2.025×108kN/m2. Ακόμα, ο λόγος του Poisson είναι 0.3. Τα φορτία που ασκούνται στην κατασκευή χωρίζονται σε κατακόρυφα και οριζόντια. Τα πρώτα αποτελούνται από τα ίδια βάρη του κελύφους, των νευρώσεων και του εξοπλισμού που αναμένεται να υπάρχει σε τέτοιου είδους κατασκευές. Τα δεύτερα αφορούν φορτία ανέμου σύμφωνα με τις διατάξεις του EN 1991-1-4. Η αναλυτική διαδικασία που ακολουθείται στην παρούσα εργασία είναι απλοποιημένη υιοθετώντας κάποιες παραδοχές. Πρώτα από όλα, στους αναλυτικούς υπολογισμούς πραγματοποιείται η παραδοχή της θεωρίας δοκού. Σύμφωνα με αυτήν, η καπνοδόχος συμπεριφέρεται ως πρόβολος και, ως εκ τούτου, η μέγιστη τάση εμφανίζεται στη βάση της κατασκευής, στην πλευρά όπου ο άνεμος την συμπιέζει. Σε ό,τι αφορά τις αναλύσεις, πρώτον, θεωρούνται γραμμικές και ελαστικές συνθήκες, όπου υπολογίζεται η αντοχή λυγισμού, σύμφωνα με την κλασσική ελαστική θεωρία λυγισμού. Δεύτερον, θεωρούνται μη γραμμικές και ανελαστικές συνθήκες, όπου υπολογίζεται η αντοχή κατάρρευσης της κατασκευής, σύμφωνα με τις οδηγίες του κανονισμού CICIND. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, πραγματοποιούνται αριθμητικές αναλύσεις μέσω του λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων ADINA, με σκοπό τον υπολογισμό της απόκρισης και της αντοχής της καπνοδόχου. Ως εκ τούτου, δύο τύποι αριθμητικών προσομοιωμάτων μελετώνται, η μη ενισχυμένη και η ενισχυμένη κατασκευή. Η τελευταία ενισχύεται με εύκαμπτα (μέτρο ελαστικότητας ίσο με 2.025×108kN/m2) και ελαστο-πλαστικά (όριο διαρροής ίσο με 160MPa) ή ελαστικά δαχτυλίδια, στα πλαίσια των μη γραμμικών και γραμμικών αναλύσεων, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα τόσο των γραμμικών (LBA) όσο και των μη γραμμικών (GNA, MNA, GMNA) αναλύσεων παρουσιάζονται μέσω των δρόμων ισορροπίας και κατάλληλων στιγμιότυπων τη στιγμή της κατάρρευσης. Ως δείκτης αντοχής χρησιμοποιείται ένας φορτικός συντελεστής, ο οποίος πολλαπλασιάζει όλα τα φορτία μέχρι την κατάρρευση. Η σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων μεταξύ της μη ενισχυμένης και της ενισχυμένης κατασκευής δείχνει την επίδραση των νευρώσεων στην αντοχή και τις παραμορφώσεις. Η σύγκριση μεταξύ αναλυτικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων της μη ενισχυμένης κατασκευής επιτρέπει τον έλεγχο της επάρκειας των αναλυτικών μεθόδων για τον σχεδιασμό μη ενισχυμένων καπνοδόχων. Επιπρόσθετα, πραγματοποιείται μια παραμετρική μελέτη, στα πλαίσια της οποίας διερευνάται η επίδραση στην αντοχή δύο παραμέτρων: του διαστήματος μεταξύ των νευρώσεων και της δυσκαμψίας των νευρώσεων. Το διάστημα μεταξύ των νευρώσεων ξεκινά από 20m και φτάνει μέχρι και τα 2.5m. Όσον αφορά τη δεύτερη παράμετρο, συγκρίνονται δυο κατασκευές, αυτή με τις εύκαμπτες νευρώσεις και αυτή με τις δύσκαμπτες νευρώσεις. Στην τελευταία, χρησιμοποιούνται πολύ δύσκαμπτα και ελαστικά δαχτυλίδια. Τελικά, παρουσιάζονται μερικά συμπεράσματα που αφορούν τον πρακτικό σχεδιασμό των λεπτότοιχων καπνοδόχων. Τα συμπεράσματα αυτά είναι βασισμένα στα αποτελέσματα των παραπάνω αριθμητικών αναλύσεων. Έτσι, εκτιμάται η χρήση της κλασσικής ελαστικής θεωρίας λυγισμού στους αναλυτικούς υπολογισμούς. Επιπρόσθετα, μελετάται η αξιοπιστία της τάσης αστοχίας, σύμφωνα με τις οδηγίες του σχεδιαστικού κώδικα CICIND. Τέλος, λαμβάνει χώρα μια μελέτη βελτιστοποίησης της αντοχής, στα πλαίσια της οποίας εξετάζεται η παράμετρος του διαστήματος μεταξύ των νευρώσεων.