innovatív acél- és öszvérszerkezetek · új anyag, gyártástechnológia, szerkezeti...
TRANSCRIPT
Innovatívacél- és öszvérszerkezetek
1
Dunai László
MTA doktori védés 2008. május 21.
Innovatív szerkezet
Innovációmegújítás; új módszer, eljárás, eszköz, stb. bevezetése
2
Tartószerkezeti innovációúj anyag, gyártástechnológia, szerkezeti kialakítás, tervezési és szerelési eljárás
Innovatív acél- és öszvérszerkezet --- disszertáció ---új típusú szerkezet + szerkezeti viselkedés + analízis és méretezés
Új típusú szerkezet
1. Vékonyfalú, hidegen alakított acél- és öszvérszerkezetekcsarnok- és családi ház tartószerkezet
új keret- és födémszerkezet
2. Acél- és öszvérszerkezetek csomópontjaimagasépítési nyomatékbíró keretszerkezet
3
magasépítési nyomatékbíró keretszerkezet véglemezes kapcsolat / szeizmikus
3. Nagyméretű, különleges acélszerkezetekhűtőtorony és Duna-híd
új szerkezeti kialakítás + méret +szereléstechnológia
szerkezeti viselkedés tervezés
Kutatási módszer
VEM modell
KÍS
TER
Előkészítő
Verifikációs VEM analízis
4
SÉRLET
RVEZÉS
Validációs
Tervezési
Prototípus
Módszer
Kialakítás
Jellemzők
Kutatócsoport
Doktorandusz hallgatókÁdány S., Erdélyi Sz., Fóti P., Jakab G., Joó A., Kovács N., Vigh L.G.
Szerkezetvizsgáló laboratórium
5
BME: Kaltenbach L., Kálló M.; TU Lisbon: L. Calado
IPARI PARTNEREKLindab: Kotormán I.PiHun: Cholnoky P.Főmterv: Horváth A., Nagy Zs.
Vékonyfalú szerkezetekVékonyfalú szerkezetek
6
Szerkezeti probléma
keretszerkezet
vékonyfalú szerkezet
7
keretsarok
oszlop
födémszerkezet
Nyomott rúd
vékonyfalú szerkezet
8
torzulásos horpadás lemezhorpadás + kihajlás
elemvég beroppanás
Keretsarok
2,0
4,0
6,0
Mom
ent
[kN
m]
vékonyfalú szerkezet
lemezhorpadás
9
0,0
0 20 40 60 80 100 120Displacement [0,001 rad]
0
1
2
3
4
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
Rotation [rad]
Mom
ent [
kNm
]
csavar kihúzódás
1. tézis
Kidolgoztam egy új típusú, hidegen hajlított acél szelvényekből álló keret-szerkezeti rendszert, meghatároztam a viselkedési jellemzőit és igazoltam az alkalmazhatóságátkísérleti vizsgálatok alapján. A szerkezeti kialakítás jellegzetességei: (i) portál keret hidegen alakított, vékonyfalú C-szelvényű elemekkel, amelyek gerincükön csatlakoznak egymáshoz (ii) önfúrócsavaros
vékonyfalú szerkezet
10
elemekkel, amelyek gerincükön csatlakoznak egymáshoz (ii) önfúrócsavaros kapcsolattal és (iii) dupla C-szelvényből kialakított zárt típusú oszloppal.
1.1 Meghatároztam a dupla C-szelvényű, zárt kialakítású nyomott rúdkölcsönhatási jelenségeket tartalmazó stabilitási viselkedési módjaités számítási módszert adtam a tervezési nyomási ellenállásmeghatározására.
1.2Meghatároztam a keretsarok csomópontnak az elemvég és kapcsolat kölcsönhatási jelenségein alapuló viselkedési módjait, és jellemeztem ezeket a lokális kapcsolóelemkísérletek eredményei alapján.
Öszvérfödém – nyírókapcsolat
3..6 mm > 6 mm< 3 mm
vékonyfalú szerkezet
csavar tönkremenetel
11
9,912
12,264
0
2
4
6
8
10
12
14
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
relative displacement [mm]
forc
e/s
crew
[kN
] ar
a b
a
b a) EJ-1-t2.0-sp-rf b) SX-1-t2.0-sp-rf
Öszvérgerenda
vékonyfalú szerkezet
12
0
25
50
75
100
125
150
175
200
-250 -150 -50 50 150 250 350 450 550
stress [N/mm2]
hei
gh
t [m
m]
5 kN
10 kN
15 kN
20 kN
25 kN
30 kN
35,97 kN
2. tézis
Kidolgoztam egy új típusú öszvérszerkezetű födémgerendát, meghatároztam a viselkedési jellemzőit és igazoltam az alkalmazhatóságátkísérleti vizsgálatok alapján. A szerkezeti kialakítás jellegzetességei: (i) hidegen alakított, vékony-falú acél C-szelvény, acél trapézlemez és vasbetonlemez, (ii) részlegesen behajtott önfúrócsavaros nyírókapcsolattal együttdolgoztatva.
vékonyfalú szerkezet
13
behajtott önfúrócsavaros nyírókapcsolattal együttdolgoztatva.
2.1Kinyomó kísérletek eredményei alapján osztályoztam az önfúrócsavarosnyírókapcsolatok viselkedési módjaités meghatároztam a gyakorlati szempontból alkalmazható kialakítást.
2.2Öszvérgerendakísérletek alapján bizonyítottam a részleges nyíró-kapcsolaton és képlékenyfeszültség-eloszláson alapuló méretezési eljárásalkalmazhatóságát.
Csomópontok ciklikus viselkedése
14
Szerkezeti probléma
Disszipatív keretszerkezet
Disszipatív zóna: csavarozott véglemezes csomópont
Mj,Ed
centre of compression
véglemezes csomópont
15
véglemezes csomópont
Hiszterézis viselkedés ?
Kísérleti és végeselemes analízis
Méretezésszemi-empírikus modellszerkesztési szabályok
Kísérleti vizsgálatok
Force position Force positionForce position
véglemez törés
véglemezes csomópont
16
190
370
50
100
50
200
920
270
920
270270
920
200
50
100
50
190
370
200
50
100
50
370
190
A-A section
A A
support support
acél öszvér-75
-50
-25
0
25
50
75
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100rotation [mrad]
mom
ent [
kNm
] x
VEM modell és analízis
Modified Petersson-Popov model
0
200
400
600
norm
al s
tre
ss [M
Pa] acél ciklikus analízise
VEM modell:geometria + anyag csomópont hiszterézis viselkedés
véglemezes csomópont
17
-600
-400
-200
0
-0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
normal strain
norm
al s
tre
ss [M
Pa]
TS1
-3
-2
-1
0
1
2
3
0 2 4 6 8 10u/ue
F/F
e
T-elem ciklikus analízise
Szemi-empirikus modell
stable plastic cycles
design curve
pplast MM 1, =
M
poligonal cycle
monotonic curve
M
M1p
-M1p
degradáció
véglemezes csomópont
18
plast,Θp1ΘyΘ Θ
-M1p
monoton viselkedés tipikus hiszterézis
-100-75-50-25
0255075
100
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100rotation [mrad]
mom
ent [
kNm
] x
ciklikus tervezésiparaméterek
3. tézis
Meghatároztam acél és öszvérszerkezetű csavarozott véglemezes csomópontokciklikus viselkedésétkísérleti és numerikus vizsgálatok alapján.
3.1Kidolgoztam a csomópont ciklikus viselkedésének vizsgálatáraalkalmas geometriailag és fizikailag nemlineáris végeselemes modell alapelveit.
véglemezes csomópont
19
geometriailag és fizikailag nemlineáris végeselemes modell alapelveit. Bevezettem és kidolgoztam az általános, rétegelt “elfajuló” héjelem ágyazási rétegét, a feltételes támaszok és a véglemez alatti beton viselkedésének modellezésére. Módszert adtam ciklikus csomóponti modellek ellenőrzésére.
3.2Meghatároztam egy szemi-empirikus ciklikus tervezési modell alapelveit, a (i) monoton nyomaték-elfordulás összefüggés, (ii) a viselkedési módra jellemző ciklikus poligonális mintagörbe és (iii) a kísérletileg meghatározott degradációs összefüggés alapján.
Nagyméretű, különleges szerkezetek
Acélszerkezetű hűtőtoronyAcélszerkezetű hűtőtorony
Pentele DunaPentele Duna--híd híd ––DunaújvárosDunaújváros
20
Pentele DunaPentele Duna--híd híd ––DunaújvárosDunaújváros
Acélszerkezetű hűtőtorony
21
Hűtőtorony csomópont
Szerkezeti kialakítás – viselkedés – méretezés ?
hűtőtorony
22
Kísérleti vizsgálatok
hűtőtorony
23
gyűrűs héjhorpadás
átlós héjhorpadás
VEM modell
Lokális kapcsolat modell
Csavarozott kapcsolat viselkedés, méretezés
hűtőtorony
24
viselkedés, méretezés
Globális csomópont modell
Instabilitási analízis, virtuális kísérlet, prototípus fejlesztés, méretezés
VEM analízis
instabilitási analízis
hűtőtorony
25
(b)(a) (c)
(d)
0
20
40
60
80
100
120
140
-5 5 15 25
Deflection of the joint [mm]
Lo
ad [k
N]
Analysis
Experiment
virtuális kísérlet
Pentele Duna-híd – végleges állapot
26
Ívstabilitás Ívstabilitás –– hídmodellhídmodell
Duna-híd
27
Kísérleti és VEM eredmények
Kísérlet
VEM analízis
Duna-híd
28
síkbeli kihajlás
síkra merőleges kihajlás
Méretezés
Méretezési eljárások biztonsági szintje ?
Szerelési állapotSzerelési állapotSzerelési állapot
29
VEM modellek
temporary supporting bars
#3.3
#3.4
#3.5
#3.6
globális hídmodell
Duna-híd
30
#3.1 #3.2
N (+M)
V
N (+M)
V
N + MV
N + MV
csomóponti lokális modell
erőbevezetés lokális modelljelokális lemez modell
VEM analízis
instabilitási analízisfeszültség-koncentráció
Duna-híd
31
σcr = 3560 MPa
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 1 2 3 4 5 6
Lateral deflection of panel center [mm]
Load
[N/m
m2]
FEM
EC3-1-5
Hungarian Standard (allowable stress)
1,47 x Hungarian Standard
normal imperfection
large imperfection
virtuális kísérlet
PróbaterhelésPróbaterhelés
32
4. tézis
Kísérleti és numerikus vizsgálatokat hajtottam végre acél hűtőtorony csomó-pontjának és kosárfül alakú, párhuzamos kábelekkel függesztett ívhíd tervezésének támogatására. Meghatároztam a csőszelvényű elemek csomó-ponti viselkedési módjait és a függesztett ív globális stabilitási jelenségeit.
33
A kísérleti és numerikus eredmények alapján:
4.1 Igazoltam az acélszerkezetű hűtőtorony csomópont prototípusok, illetve az alkalmazott méretezési eljárásokmegfelelőségét.
4.2Meghatároztam a szabványos stabilitási eljárások biztonsági szintjétpárhuzamos kábelekkel függesztett kosárfül alakú ívek esetén és ezzel bizonyítottam ezek alkalmazhatóságát az ívhíd gyakorlati tervezésesorán.
Köszönöm!Köszönöm!
34
Köszönöm!Köszönöm!
35
Köszönöm!Köszönöm!
36