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