Mechanical properties of steel sandwich panel with corrugated core

Abstract

Aim of this study was to assess the strength of the steel sandwich panel with a corrugated core, as manufactured currently by HT-Laser. This assessment was done with analytical calculations, FEM and laboratory tests. There were six research questions: 1) What is the static strength of corrugated core sandwich panel? 2) How loading direction and type affect the strength? 3) How possible manufacturing defects affect the strength? 4) What is the risk of local buckling? 5) What kind of enhancements can be made to increase strength? 6) How well do analytical and finite element calculations match laboratory tests? FEM and analytical calculations can predict global behaviour of the corrugated core sandwich panel when compared with experimental results. Maximum allowable transverse load for the panel was 21.2 kN/m2 for end-support, and 22.9 kN/m2 for all-round support. Other loading directions or types were not tested, but type of support has an effect on strength. Local buckling happens on the upper faceplate. FEM nonlinear analysis did not predict the upper faceplate buckling. There was however no catastrophic failure such as multiple weld failures or sudden drop in load carrying capacity, and the panel had a lot of plastic capacity. Manufacturing defects were not observed to affect strength. Four different options to better strength were tested in FEM. All of them increased the strength and require modifications to the manufacturing process to varying extend. 1 mm faceplate requires only modification of laser parameters. This study left room for further research: Capacity assessment of welds, local point load capacity of faceplate, fatigue strength and vibration behaviour of the panel, prototyping of panel alternatives and conducting strength tests.

Työn tarkoituksena oli tutkia HT-Laserin valmistaman aaltoytimellisen teräskennolevyn kestävyyttä. Tutkimus toteutettiin analyyttisin laskennoin, FEM:llä ja laboratoriokokeilla. Tutkimuskysymyksiä oli kuusi: 1) Mikä on aaltoytimellisen teräskennolevyn staattinen kestävyys? 2) Miten kuormitussuunta ja -tyyppi vaikuttavat kestävyyteen? 3) Miten valmistusvirheet vaikuttavat kestävyyteen? 4) Mikä on paikallisen lommahduksen riski? 5) Millaiset parannukset nostavat kestävyyttä? 6) Kuinka hyvin analyyttiset laskennat ja FEM-tulokset vastaavat laboratorituloksia? FEM- ja analyyttiset laskennat voivat ennustaa laboratoritesteissä mitattua kennolevyn globaalia käyttäytymistä. Maksimimaalinen sallittu poikittainen kuormitus kennolevylle oli 21.2 kN/m2 päistään tuettuna, ja 22.9 kN/m2 jokaiselta sivulta tuettuna. Muita kuormitussuuntia ei testattu, mutta tuentatyypillä oli vaikutus kestävyyteen. Paikallinen lommahdus tapahtuu pintalevyssä. Epälineaarinen FEM-laskenta ei ennustanut pintalevyn lommahdusta. Katastrofaalista hajoamista, kuten useiden kiinnityshitsien yhtäaikaista pettämistä tai kuormankantokyvyn yllättävää menetystä, ei tapahtunut, ja kennolevyllä oli paljon plastista kapasiteettia. Valmistusvirheiden ei havaittu vaikuttavan kestävyyteen. Neljää vaihtoehtoista FEM-mallia kestävyyden parantamiseksi testattiin. Jokainen malli paransi kennolevyn kestävyyttä ja vaatii eritasoisia muutoksia valmistusprosessiin. 1 mm pintalevy vaatii ainoastaan laserhitsausparametrien muutoksen. Lisätutkimuksia vaativia seikkoja tuli ilmi tutkimuksen aikana: kiinnityshitsien kapasiteettitarkastelu, pintalevyn lokaalinen pistekuorman kestävyys, kennolevyn väsymiskestävyys ja värähtelykäyttäytyminen sekä vaihtoehtoisten kennolevyjen prototyypitys ja kestävyysmittaukset.