Design of lattice towers from hot-rolled equal leg steel angles

Abstract

Angles profiles have been used since the very beginning of steel construction due to their easy transportation and on-site erection. However, they exhibit specific features that clearly distinguish them from other types of common sections, what inevitably leads to the need for the development of specific design provisions. In a first step, existing European specifications on hot-rolled equal angle sections were critically reviewed and then, in a second step, extensive experimental, analytical and numerical studies have been conducted to propose a complete and duly validated set of design rules covering all aspects of design for angles. These rules include cross section classification, cross section resistance for all types of loading as well as rules for member design to individual and combined internal normal forces and moments. All the proposed rules are written in Eurocode 3 format to allow a direct possible inclusion in forthcoming drafts. Furthermore, angle profiles are extensively used in lattice towers and masts for telecommunication purposes or electric power transmission. Such types of towers are mainly designed according to EN 1993-3-1 and EN 50341-1, based on a first-order linear elastic structural analysis of a truss structure. An assessment of the current design approach is performed, where the tower has been simulated with a full non-linear finite element software, considering relevant imperfections as well as geometrical and material non-linearities. The importance of the second order effects in the analysis is underlined while the existence of an instability mode not properly covered directly by the norms, and usually therefore not checked, is highlighted. Two analytical models for the prediction of the critical load of the new buckling mode are proposed and validated numerically. Both proposed models are rather easy to apply and may fill the gap in the existing design recommendations for lattice towers.

Τα προφίλ γωνιακών διατομών χρησιμοποιούνται από τα πρώτα χρόνια των χαλύβδινων κατασκευών λόγω της εύκολης μεταφοράς τους και της επί τόπου συναρμολόγησής τους. Ωστόσο, παρουσιάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά που τα διαφοροποιούν από τους άλλους τύπους κοινών διατομών, γεγονός που οδηγεί αναπόφευκτα στην ανάγκη ανάπτυξης ειδικών κανόνων σχεδιασμού. Σε πρώτη φάση ελέγχθηκαν και αξιολογήθηκαν οι υφιστάμενες ευρωπαϊκές διατάξεις για τα ισοσκελή γωνιακά θερμής έλασης, και στη συνέχεια, διεξήχθησαν εκτεταμένες πειραματικές, αναλυτικές και αριθμητικές μελέτες ώστε να προταθεί ένα ολοκληρωμένο και πλήρως επικυρωμένο σύνολο κανόνων σχεδιασμού που να καλύπτει όλες τις πτυχές του σχεδιασμού των γωνιακών. Οι κανόνες αυτοί περιλαμβάνουν την ταξινόμηση της διατομής, την αντοχή της διατομής για όλους τους τύπους φόρτισης, καθώς και κανόνες για το σχεδιασμό μελών υπό μεμονωμένες ή και συνδυασμένες εσωτερικές αξονικές δυνάμεις και ροπές. Όλοι οι προτεινόμενοι κανόνες είναι γραμμένοι υπό την μορφή των διατάξεων του Ευρωκώδικα 3, ώστε να είναι δυνατή η άμεση ενσωμάτωσή τους στην επερχόμενη έκδοση. Επιπλέον, τα γωνιακά προφίλ χρησιμοποιούνται ευρέως σε δικτυωτούς πύργους και ιστούς για τηλεπικοινωνιακούς σκοπούς ή για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Τέτοιοι τύποι πύργων σχεδιάζονται κυρίως σύμφωνα με τα πρότυπα EN 1993-3-1 και EN 50341-1, βάσει μιας γραμμικής ελαστικής ανάλυσης πρώτης τάξεως όπου η κατασκευή προσομοιώνεται ως ένα δικτύωμα. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται αξιολόγηση της τρέχουσας προσέγγισης σχεδιασμού, όπου ο πύργος προσομοιώνεται με ένα λογισμικό μη γραμμικών πεπερασμένων στοιχείων, λαμβάνοντας υπόψη τις αρχικές ατέλειες στην κατασκευή καθώς και τις μη γραμμικότητες του υλικού και της γεωμετρίας. Υπογραμμίζεται η σημασία των φαινομένων δευτέρας τάξεως στην ανάλυση, ενώ επισημαίνεται η ύπαρξη μιας μορφής αστάθειας που δεν καλύπτεται άμεσα από τους κανονισμούς και ως εκ τούτου, συνήθως δεν ελέγχεται. Στην συνέχεια, δύο αναλυτικά μοντέλα για την πρόβλεψη του κρίσιμου φορτίου του νέου τρόπου λυγισμού προτείνονται και επικυρώνονται αριθμητικά. Και τα δύο προτεινόμενα μοντέλα είναι εύκολα στην εφαρμογή τους και μπορούν να καλύψουν το κενό στις υπάρχουσες συστάσεις σχεδιασμού για δικτυωτούς πύργους.

Les profilés de type « cornière » sont utilisés depuis le début de la construction métallique en raison de leur facilité de transport et de montage sur site. Cependant, ils présentent des caractéristiques spécifiques qui les distinguent clairement des autres types de sections courantes, ce qui conduit inévitablement à la nécessité de développer des règles de dimensionnement spécifiques. Dans un premier temps, les spécifications européennes existantes pour le dimensionnement de cornières laminées à chaud à semelles égales ont fait l’objet d’une analyse critique. Ensuite, dans un second temps, des études expérimentales, analytiques et numériques approfondies ont été menées afin de proposer un ensemble complet et dûment validé de règles de dimensionnement pour la vérification de cornières. Ces règles comprennent la classification des sections transversales, le calcul de la résistance des sections transversales pour tous types de sollicitation ainsi que les règles de dimensionnement pour les membrures sous effort axial et/ou moment de flexion. Toutes les règles proposées sont écrites au format de l’Eurocode 3 afin de permettre, si souhaité, une insertion directe de celles-ci dans les versions à venir. De plus, les cornières sont largement utilisées dans les tours et les mâts en treillis destinés aux télécommunications ou au transport d'énergie électrique. Ces tours sont principalement dimensionnées selon les normes EN 1993-3-1 et EN 50341-1, sur la base d'une analyse structurale élastique linéaire du premier ordre d'une structure en treillis. Une évaluation de l'approche de dimensionnement actuelle est effectuée via la simulation d’une tour avec un logiciel aux éléments finis non linéaires complets, en tenant compte des imperfections ainsi que des non-linéarités géométriques et matérielles. L'importance des effets du second ordre dans l'analyse est soulignée, tandis que l'existence d'un mode d'instabilité qui n'est pas couvert directement par les normes, et qui n'est donc généralement pas vérifié, est mise en évidence. Deux modèles analytiques pour la prédiction de la charge critique du nouveau mode d’instabilité sont proposés et validés numériquement. Les deux modèles proposés sont assez faciles à appliquer et peuvent combler une lacune dans les recommandations de dimensionnement existantes pour les tours en treillis.