Trapézlemez gerincő tartók beroppanásvizsgálata

Témavezetı: Dr. Dunai László Készítette: Kövesdi Balázs

Bevezetés

• Korábbi eredmények rövid áttekintése

• Kísérletek bemutatása és értékelése

• Új kutatási irányok megfogalmazása

• Hajlítás és beroppanás interakciójának vizsgálata

• Végeselem alapú méretezési eljárás kidolgozása

• Eddigi munka összegzése

• További kutatási irányok

Korábbi eredmények áttekintéseBeroppanásvizsgálat Fáradásvizsgálat

Szakirodalmi háttér alapján

Numerikus modell kidolgozása

Paramétervizsgálat (teherbírást befolyásoló paraméterek meghatározása)

Analitikus méretezési eljárás kidolgozása

ywwplfyww

fw

ftMkftss

RRR

⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅

=+=

δρ α 42

Szakirodalmi háttér alapján

Kísérleti program kidolgozása

1. Kísérletek értékelése2. Szerkezeti részlet fáradási

osztályba sorolása

Kísérletek bemutatásaKísérleti program: 12 próbatest

Vizsgálati célok: 1. terhelt mezı hatása (párhuzamos, ferde, kettı találkozása)

2. erıbevezetési hossz hatása (90, 200, 380 mm)

3. fesztáv hatása (1140, 1500, 1875 mm)

4. övvastagság hatása (20, 30 mm)

5. excentricitás hatása

Kísérletek felhasználása,új kutatási irányok

Kísérletek és méretezési eljárás összehasonlítása

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Rdesign [kN]

Rex

p [k

N]

k ísérletek

1. Méretezési eljárás módosítása és igazolása

Interakció vizsgálata (gerinc nélkül számolva)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

n2=F Ed /FRd

n1=M

Ed/M

Rd

.

négyzetes összegzés

EC3 síkgerinc

kísérlet

2. Beroppanás és hajlításinterakciója

3. Végeselem alapú méretezési eljárás kidolgozása

Helyettesítı geometriai imperfekciófelvételének kidolgozása

Beroppanás és hajlítás interakciója

EC3 ajánlása síkgerincő tartókra: 4,18,0 12 ≤⋅+ ηη

Kísérletek azt mutatták, hogy trapézlemez gerincő tartókra nem, vagy csak korlátozottan használható.

Cél: Új interakciós képlet kidolgozása trapézgerincő tartókra.

Kutatási stratégia: 1. Kísérletek felhasználásával és2. nagyszámú numerikus paraméter-

vizsgálattal az interakció vizsgálata

Új görbe meghatározása

Beroppanás és hajlítás interakciójaNumerikus eredmények kiértékelése

Interakció vizsgálata (összes eredmény)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4n2 - beroppanási kihasználtság

n1 -

haj

lítás

i kih

aszn

álts

ág

.

.

EC3 ajánlás s ikgerincő tartókra

numerikus eredmények

kísérletek

ajánlás 1

1. ajánlás új interakciós képletre: 0,13.0 12 ≤⋅+ ηη

Beroppanás és hajlítás interakciója

Az 1. ajánlás bizonyos esetekben gazdaságtalan tervezéshez vezethet.

Hajlítónyomatékot öv veszi fel

Keresztirányú erıt öv és gerinc együtt

1. Öv ellenállása dominál 2. Gerinc ellenállása dominál

Hajlítás és beroppanás interakciója jelentıs teherbíráscsökkenést

eredményez.

1. ajánlás alkalmazható

Hajlítás és beroppanás interakciója nem okoz jelentıs teherbírás-

csökkenést.

2. ajánlást dolgoztunk ki

Beroppanás és hajlítás interakciója

Kiindulás: Beroppanási ellenállásban az övek 4 képlékeny csuklókialakulásával vesznek részt.

ss

Feltételezés: Két képlékeny csukló ellenállását elviszi a hajlítónyomaték.Ezek kiesnek a beroppanási ellenállás szempontjából.

0,12/

1 12 ≤⋅

−−+ ηη

u

fu

P

PP2. ajánlás:

Beroppanás és hajlítás interakciója

Interakció vizsgálata (ss=90mm)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4n2 - beroppanási kihasználtság

n1 -

haj

lítás

i kih

aszn

álts

ág

.

.

ajánlás 1

EC3 ajánlása

numerikus eredmények

ajánlás 2

Két ajánlás bemutatása

1. Öv ellenállása dominálPl: erıbevezetési hossz kicsi

övvastagság relatív nagy

1. ajánlás alkalmazható

2. Gerinc ellenállása dominálPl: erıbevezetési hossz nagy

övvastagság relatív kicsi

Interakció vizsgálata (ss=600mm)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4n2 - beroppanási kihasználtság

n1 -

haj

lítás

i kih

aszn

álts

ág

.

.

ajánlás 1

EC3 ajánlása

numerikus eredmények

ajánlás 2

2. ajánlás alkalmazható

A két ajánlás közül mindig a kedvezıbb alkalmazható.

Végeselem alapú méretezési eljárás

Kutatási stratégia:

1. Végeselemes modell kidolgozása a kísérleti próbatestekhez

2. Kísérleti teherbírás numerikus eredmények

3. Kísérleti tönkremeneteli alak végeselemes modell

4. Kísérleti erı-elmozdulás diagramm numerikus modell

5. Numerikus modell verifikálása

6. Geometriai helyettesítı imperfekció felvételére ajánlás kidolgozása

Cél: Felületszerkezeti modell segítségével a tervezési ellenállás értékének meghatározása.

Helyettesítı geomeriai imperfekció: - geometriai pontatlanságokatfigyelembe vesz - anyagi inhomogenitást

- sajátfeszültségeket

Végeselem alapú méretezési eljárás

1. Végeselemes modell:

2. Kísérleti teherbírás és a numerikus számítás összehasonlítása:

RAnsys

[kN]Rexp [kN]

Rexp/ RAnsys

1. próbatest 731,59 754,20 1,032. probatest 979,01 956,48 0,983. próbatest 734,26 764,75 1,044. próbatest 983,11 949,02 0,975. probatest 1248,44 1192,01 0,956. próbatest 1243,59 1119,33 0,907. próbatest 983,11 1077,72 1,108. próbatest 1383,90 1263,94 0,919. próbatest 1211,56 1220,48 1,0110. próbatest 1103,45 1090,00 0,9911. próbatest 1390,32 1280,99 0,9212. próbatest 731,59 772,39 1,06

Végeselem alapú méretezési eljárás3. Kísérleti tönkremeneteli alak végeselemes modell

Végeselem alapú méretezési eljárás3. Kísérleti tönkremeneteli alak végeselemes modell

Végeselem alapú méretezési eljárás

4. Kísérleti erı-elmozdulás diagramm numerikus modell

5. próbatest

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

-15 -10 -5 0 5 10e [mm]F

[kN

]

lehajlás

kitérés

ANSYS_lehajlás

ANSYS_kitérés

Végeselem alapú méretezési eljárás

Észrevétel a kísérletbıl: A leszálló ágban az egyes próbatestek között jelentıs különbségek vannak.

Erı- elmozdulás diagrammok

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1 2 3 4 5 6

e [mm ]

F [k

N]

ger2

ger3

ger4

ger5

Erı- elmozdulás diagramm (ss=90;200;380)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 2 4 6 8 10 12

e [m m ]

F [k

N]

ger4

ger5

ger14

OK: Imperfekció

Geometriai helyettesítı imperfekció

Geometriai helyettesítı imperfekcióranincs szabványos ajánlástrapézlemez gerincő tartókra.

EC3-1-5 ajánlásai

Cél: Kísérletek alapján a geometriai helyettesítı imperfekcióra ajánláskidolgozása

alak amplitúdó

Geometriai helyettesítı imperfekció

Alak meghatározása: 1. Sajátalak2. Tönkremeneteli alak3. EC3 szerinti sin(x)

1. Sajátalak jól leírható: )1

sin()(1

xkL

exfx

mL ⋅⋅⋅⋅=⋅

⋅−

πSin(x)

-1,50

-1,00

-0,50

0,00

0,50

1,00

1,50

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

hw [mm]

e [m

m]

sinx

exp(-x)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

hw [mm]

e [m

m]

e(-x)*sin(x)x

exp(-x)*sin(x)

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

hw [mm]

e [m

m]

e(-x)*sin(x) k: nullpontok távolságát

m: lecsengés mértékétszabályozza

Geometriai helyettesítı imperfekció

Sajátalakok (a1 változik) a1=a2 ss=500

-0,01

-0,005

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0 50 100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1350

1400

1450

1500

hw [mm]

a1=200

a1=250

a1=300

a1=350

a1=400

a1=500

Sajátalakok alakulása az ai függvényében

ai: lecsengést és a hullámhosszat is befolyásolja

Geometriai helyettesítı imperfekció

Megvizsgáltam, hogy m és k milyen paraméterektıl függenek:

paraméter m k

hw

tw

bf

tf

L

ai

nem

a

ss

igen

nem

nem

nem

nem

igen

igen igen

igen

nem

nem

nem

nem

nem

nem

k = f(ss/ai) m = f(hw/ai, ss)

Geometriai helyettesítı imperfekció

k meghatározása:

Sajátalak hullámhosszak

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

0 0,5 1 1,5 2ss / a1 [ ]

hu

llám

hos

sz /

a1

[ ]

a1/tw=83

a1/tw=67

a1/tw=50

a1/tw=33

a1/tw=42

a1/tw=100

)(ii

w

a

ssf

a

hk ⋅=

Geometriai helyettesítı imperfekció

m meghatározása: 2 eset van, ha ss>ai

ss<ai

Ha ss>aiSajátalakok lecsengése, ha ss>a1

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10hw/ai [ ]

max

/ m

in [

]

max/min leolvasható errıl a diagrammról

Geometriai helyettesítı imperfekció

k- m

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

max / min [ ]

m [

]

k=5

k=4

k=3

k=2

Max/min és k ismeretében az m megadható

Ha ss<ai lecsengés felgyorsul max/min-t módosítani kell

Geometriai helyettesítı imperfekció

Amplitúdó meghatározása: 1. Sajátalak2. Tönkremeneteli alak3. EC3 szerinti sin(x)

Kísérletekbıl indultam ki Imperfekció érzékenységet vizsgáltam mindhárom imperfekciós alak alkalmazásával

Imperfekció érzékenység - gerenda 3

900

920

940

960

980

1000

1020

1040

1060

-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2

e [mm]

F [k

N]

1. sajátalak

kísérlet

tönkremeneteli alak

sin(x)

Ferde lemezmezıterhelt

Geometriai helyettesítı imperfekcióImperfekció érzékenység - gerenda 7

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

-3 -2 -1 0 1 2 3

e [mm]

F [k

N]

1. sajátalak

kísérlet

tönkremeneteli alak

sin(x)_+-

Kísérlettel összehasonlítva a szükséges imperfekció nagysága meghatározható.

Párhuzamos lemezmezı terhelt

Geometriai helyettesítı imperfekcióKísérletbıl az imperfekció nagysága L/

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12próbatest

ai/

[ ]

.

tönkremeneteli alak

1. sajátalak

sin(x)_+-

Alkalmazandó imperfekció nagysága:sin(x) imperfekció: ai/200sajátalak imperfekció: ai/200tönkremeneteli alak: ai/300

Összefoglalás

1. Beroppanásvizsgálat

1.1. Kísérleti program kidolgozása, kísérletek végrehajtása1.2. Numerikus modell kidolgozása1.3. Numerikus paramétervizsgálat végrehajtása1.4. Analitikus méretezési módszer kidolgozása1.5. Beroppanás és hajlítás interakciójának figyelembe vétele1.6. Végeselem alapú méretezési eljárás kidolgozása

1.2., 1.3., 1.4. pontok publikálva: 3 konferencia cikkbenfolyóiratcikk elkészült

1.1., 1.6. publikálása: konferenciacikk készülıben (leadás: április 20.)

Összefoglalás

2. Fáradásvizsgálat

2.1. Kísérleti program kidolgozása, kísérletek végrehajtása2.2. Kísérletek kiértékelése 2.3. Szerkezeti részlet fáradási osztályba sorolása

2.1., 2.2., 2.3. publikálva: MAGÉSZ 2009, IV. évfolyam 1. számpp.38-43.

További kutatási irányok

Beroppanás témakörében:

Fáradás témakörében:

1. Erıbevezetés excentricitásának vizsgálata

2. Használhatósági határállapotban a teherbírás megadása (részben kész)

1. Geometriai feszültség alapú fáradási osztályba sorolás

2. Anyagvizsgálatok elvégzése és értékelése

3. Varrathatás élettartamot befolyásoló hatásának vizsgálata

4. Harmonika hatás vizsgálata

Köszönöm megtisztelı figyelmüket!