Αντοχή ελαστοπλαστικών κυλινδρικών κελύφων υπό εγκάρσια φορτία και πίεση : αναλυτικές μέθοδοι και επίλυση πεπερασμένων στοιχείων

Abstract

Η παρούσα εργασία μελετά την αντοχή κυλινδρικών κελυφών υπό την επίδραση εγκάρσιας φόρτισης και πίεσης. Η διερεύνηση γίνεται αριθμητικά με χρήση μη γραμμικής ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων καθώς και αναλυτικά μέσω απλοποιημένων μοντέλων. Η έρευνα εμβαθύνει κυρίως στην επίδραση της πίεσης (εσωτερικής) στο φορτίο που μπορούν να παραλάβουν τα κελύφη σε ορισμένο βάθος διείσδυσης. Η ερευνά βασίστηκε αρχικά σε αποτελέσματα πειραμάτων που διεξήχθησαν από το ΤΝΟ (Ολλανδικό Ίδρυμα Ερευνών). Στόχος των πειραμάτων ήταν ο προσδιορισμός της απόκρισης των σωλήνων υπό την επίδραση φόρτισης με διεισδυτές συγκεκριμένης μορφής. Οι σωλήνες αυτοί χρησιμοποιούνται συνήθως ως υπόγειοι αγωγοί φυσικού αεριού, και έπρεπε να εξεταστεί η αντοχή τους σε εγκάρσιες φορτίσεις που προκαλούνται για παράδειγμα από μηχανήματα εκσκαφής και να ελεγχθεί η επιρροή αντοχής από το πάχος, τη διάμετρο, τις ιδιότητες του υλικού και την εσωτερική πίεση του κελύφους. Κατά την προσομοίωση των πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιούνται στοιχεία κελύφους, και λαμβάνεται υπόψη η μη γραμμικότητα της γεωμετρίας και του υλικού. Εξετάζονται κυλινδρικά κελύφη από χάλυβα (D/t < 50) με σχετικά μεγάλο πάχος, τα οποία υφίστανται ανελαστικές παραμορφώσεις. Αναλύονται τρισδιάστατες περιπτώσεις, όπου η εφαρμογή του φορτίου γίνεται μέσω διεισδυτών σύμφωνα με αυτούς που χρησιμοποιήθηκαν στα προαναφερθέντα πειράματα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται κυρίως υπό τη μορφή διαγραμμάτων δύναμης-μετατόπισης. Μελετώνται επίσης κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, όπως η επίδραση του μήκους, των συνοριακών συνθηκών καν διαφόρων τιμών πίεσης. Χρησιμοποιούνται επίσης δυο αναλυτικές μέθοδοι για την προσομοίωση του φαινομένου. Αρχικά υιοθετείται η απλοποιημένη αναλυτική λύση που πρότεινε το ΤΝΟ η οποία βασίζεται σε μια στατική ισορροπία του ελαστοπλαστικού κελύφους θεωρούμενο ως δακτύλιο (διδιάστατη ανάλυση) και δίνει μια ποιοτική εικόνα της απόκρισης του κελύφους. Παρουσιάζεται επίσης μια αναλυτική μέθοδος για τριδιάστατη ανάλυση του κελύφους η οποία βασίζεται σε μια ελαστοπλαστική κινηματική θεώρηση και ερμηνεύει ποιοτικά τους πιο σημαντικούς παράγοντες της απόκρισης του κελύφους. Η μέθοδος αυτή είχε παρουσιαστεί από προηγούμενη ερευνητική εργασία και εδώ τροποποιήθηκε για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας. Τα αναλυτικά αποτελέσματα είναι σε συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα καθώς και τα αποτελέσματα πεπερασμένων στοιχείων.