Szakmérnöki kurzus
k é z s s é n a épz Alumínium szerkezetek tervezése T i iK t e z k e ö k 5. előadászer érn s m ó k t r a a z T sS Japán hídszerkezet rekonstrukciós kutatás. s é ció i n uk Japán közlekedési csomópont rekonstrukció. a t r g t á s s n d o r k á l e i r z t S e z E e k BM szer Dr. Vigh László Gergely ó egyetemi docens t r BME Hidak és Szerkezetek Tanszék Ta Kmf85.20;
[email protected]
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak Japán hídszerkezet rekonstrukció t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Kiinduló projekt k é z s s é n z − hidak örgedése, forgalomnövekedés, fesztáv növelése Ta p é i t K − JIS szabványos járműteher 20 tf Æ 25 tf e i z k e ö k n r r e é z s m • lehetséges megoldás ó k t r a a z – pályalemez cseréje kisebb súlyúra T sS s é ció – csökken a holtteher, nő a hasznos teherbírás i n uk a t r g t á s s n d o r • Osaka University ‐ 1999 : k á l e i r z t − alumínium ötvözetek alkalmazása – kis fajsúly S e z E e k BM szer ó t r Ta • kiváltó okok:
Pályalemez rendszer k é z s s é n z a p T é • ortotróp lemez: i t K e i z – extrudált profilok k e ö k n r r – FSW e é z s m ó k t r a a z T sS s é ció i n uk a t r g t á s s n d o r k á l e i r z t S e z E e k BM szer ó t r Ta 200
250
Pályalemez rendszer k é z s s é n z a p T é • ortotróp lemez: i t K e i z – extrudált profilok k e ö k n r r – FSW e é z s m ó k t r a a z T sS s é ció i n uk a t r g t á s FSW ds n o r k á l e i r z t S e z E e k BM szer ó t r Ta FSW
FSW
200
250
FSW
FSW
Vertical force
Joint
Shoulder
Leading edge of the rotation tool
Advancing side of weld
Probe
Retreating side of weld
Trailing edge of the rotation tool
Pályalemez rendszer k é z s s é n z a p T é • ortotróp lemez: i t K e i z – extrudált profilok k e ö k n r r – FSW e é z s m ó k t r a a z T sS s é ció i n uk a t r Alumínium g t á s s n d lemez o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta FSW
FSW
200
250
FSW
FSW
főtartók
Pályalemez rendszer k é z s s é n z a p T é • ortotróp lemez: i t K e i z – extrudált profilok k e ö k n r r – FSW e é z s m ó k t • gerenda szegmens r a a z – a fő teherviselő S T s s é ó irányban i i c n uk a t r Alumínium g t á s s n d lemez o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta FSW
FSW
200
250
FSW
FSW
főtartók
Pályalemez rendszer k é z s s é n z a p T é • ortotróp lemez: i t K e i z – extrudált profilok k e ö k n r r – FSW e é z s m ó k t • gerenda szegmens r a a z – a fő teherviselő S T • kiterjesztés a lemezre s s é ó irányban i ‐“A”gerenda ni c a truk • vizsgálatok ‐“B”gerendagt Alumínium á s s n ‐ lemezdarab – szakítópróbák d lemez o r k á l e ‐ iegyüttes viselkedés – teherbírási kísérlet és r z t S numerikus analízis e • tervezési eljárás z E e k – fárasztó kísérlet M r e B sz – szabványok ó t r Ta főtartók
Kísérleti analízisek k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e • Szakítópróbáktósz kmé r a a z S T s s • Teherbírási teszt (B‐gerenda) é ció i n uk a t r g t á s • Fárasztó teszt (B‐gerenda) s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
FSW mechanikai jellemzők k é z s s szakítópróbák é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z alapanyag s m ó ak t r a z S T s s é ó i i FSW c n k a FSWtru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta alapanyag: A6N01S‐T5 FSW technológia 300
268.271
250
Névleges feszültség [MPa]
219.389
215.754
200
hosszirányban
150
keresztirányban
100
50
0
0
2
Alapanyag 4 FSW kereszt FSW hossz
E
ν
fprop
f0,2
fu
εu
[MPa]
[-]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[%]
221,261
245,141 10
268,629 12
7,950
70290
6
0,311
8
Nyúlás [% ]
69042
0,324
56,698
112,369
220,560
-
67297
0,330
83,723
126,975
218,305
30,503
14
FSW mechanikai jellemzők k é z s s é FSW ‐ MIG n z a p T é • kisebb szilárdsági redukció: FSW MIG i t K e i z k e ö k n r r e • hegesztés által befolyásolt zóna: é z s m ó FSW MIG k t r a a z T sS s é ció i n uk a t r g t á s s n d o r k á l e i r z t S e z E e k BM szer ó t r Ta egyezményes folyási határ: szakítószilárdság:
2x20 mm
65‐70% 90%
2x25.4 mm
55% 75%
“B”típusú gerenda ‐ Teherbírási teszt
k é z s s é n a épz T i iK t e z k FSW e ö k P n r r e é z s m ó k t r a a z T sS s é ció i n uk a t r g t á s s n d o r k á l e i r z t FSW S e z E e k BM szer ó t r Ta 250
250
400
750
100
x
750
l = 1500 1700 mm
100
z
“B”típusú gerenda ‐ Teherbírási teszt
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
1200,00
Pult,exp = 1152.105 kN
Pult,beam = 1064.538 kN
1000,00
Pcr = 921.560 kN
Pprop,exp = 803.341 kN
600,00
400,00
18.10
200,00
6.11
Teher [kN]
800,00
0,00 0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
Lehajlás [mm]
25,00
30,00
35,00
40,00
“B”típusú gerenda ‐ Teherbírási teszt
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer • eredmények: ó t – arányossági teher: 803 kN r a T – beroppanás: 922 kN
1200,00
Pult,exp = 1152.105 kN
Pult,beam = 1064.538 kN
1000,00
Pcr = 921.560 kN
Pprop,exp = 803.341 kN
600,00
400,00
18.10
200,00
6.11
Teher [kN]
800,00
0,00 0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
Lehajlás [mm]
25,00
30,00
35,00
– teherbírás: 1152 kN
40,00
“B”típusú gerenda ‐ Teherbírási teszt
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer • eredmények: ó t – arányossági teher: 803 kN r a T – beroppanás: 922 kN
1200,00
Pult,exp = 1152.105 kN
Pult,beam = 1064.538 kN
1000,00
Pcr = 921.560 kN
Pprop,exp = 803.341 kN
600,00
400,00
18.10
200,00
6.11
Teher [kN]
800,00
0,00 0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
Lehajlás [mm]
25,00
30,00
35,00
– teherbírás: 1152 kN
40,00
Numerikus modell fejlesztés
k s é n z a p T é P i P t K e i z k e ö k n r r e é z s m ó k t r a a z T sS s é ció i n uk a t r g t á s s n d o r k á l e i r z t S e z E e k BM szer ó t r Ta • anyagmodell • kontakt viselkedés • öv‐gerinc kapcsolat: lekerekítés hatása
MARC széK7
R = 5 cm
R = 5 cm
~ 4 cm
top A out
l top out
top
A in
t3
t top orig,in
t top orig,out
t top eff,out
t web orig
x
z
l top in
t top eff,in
t web orig
l web eff
A2
t web eff
t web orig
t2
A1
t web orig
Pult,1 = 1151.508 kN
1200
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta Pult,exp = 1152.105 kN
1000
Load [kN]
800
600
400
200
0
0
5
10
15
Deflection of centerpoint [mm] Test
combined material
20
25
Keresztirányú teher ‐ Beroppanás
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k r e BM• anyagi és geometriai nemlineáris analízis z s óekvivalens geometriai imperfekció t r • Ta
• EC eljárás Æ lekerekítés hatása? • parametrikus vizsgálat, virtuális kísérletsorozat (GMNIA) • javaslat az EC eljárására
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
•
alap Eurocode eljárás
k é z s s é n a épz T i iK t • keresztirányú teher: e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z e • E interkació: k BM szer ó t r Ta • hajlítási ellenállás:
•
módosított EC eljárás
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Fáradás
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á • fáradás: l e i r z et– felső öv ‐ lokális S z E lemeznyomaték e k BM szer – alsó öv - globális ó t nyomaték r a T Járműteher
lokális nyomaték okozta repedés a felsö övben
x
z
x
y
σxlocal
L = 2 m
Myglobal
σy
global
globális kereszt‐ irányú nyomaték okozta repedés az alsó övben
A-A
FSW
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z FSW S T s s é ció i n uk a t r g t á s s n d o r k á l e i r z t S e z E e k BM szer ó t r Ta p
P
40x100 prismatic steel
Steel girder Elastic layer
A
x
A
l1 = 100
750
750
l = 1500 mm
z
Ge ometria i jellemzők
Nr.
1 2 3 4
Te hertartomá ny
ΔP
Nyo m. tart.
Fes z. tart.
Ala kv. tart.
ΔΜ
Δσ
Δε
kNm
MPa
με
Me gj.
l
l1
m
m
mm
1 ,5
0,1
1 30 950 5,3 7
5,0
(49,0)
50 ,0
( 490,3)
4 5,0
( 441, 3)
15 9,97
1 22 ,1 61
17 63
du pla
2 ,0
0,1
65 47 52 ,6 8
2,5
(24,5)
25 ,0
( 245,2)
2 2,5
( 220, 6)
10 7,57
1 64 ,2 86
23 71
s z im pla
2 ,0
0,1
65 47 52 ,6 8
2,2
(21,6)
22 ,0
( 215,7)
1 9,8
( 194, 2)
9 4,6 6
1 44 ,5 72
20 86
s z im pla
2 ,0
0,1
65 47 52 ,6 8
1,4
(13,7)
14 ,0
( 137,3)
1 2,6
( 123, 6)
6 0,2 4
92 ,00 0
13 28
s z im pla
W x,el,2
P min
P max
3
tf (kN)
1000
•
alapanyag, R = 0.1
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta – FSW csökkenti a fáradási szilárdságot – 3‐4.: felületi hibánál keletkező repedés
B -gerenda, R = 0.1
E C 9 (rész let:44-4.5)
Fesz ültségtartomány [MP a]
S-N görbe:
2 3
Î
1
Î
100
4
5
α
hegesztési irány
EUR OCOD E 9 (részlet: 44-4.5)
hegesztés előtt
10
10000
100000
1000000
Ismétlődési sz ám
10000000
100000000
már hegesztett
400
FSW
250
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k FSW n r r e é z s m ó ak t r a z S T alapanyag: FSW régió: s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer • repedésterjedés: ó t – FSW: fáradt repedés r a T – alapanyag: rideg x
z
rideg törés
Alapanyag FSW kereszt FSW hossz
fáradt repedés
E
ν
fprop
f0,2
fu
εu
[MPa]
[-]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[%]
70290
0,311
221,261
245,141
268,629
7,950
69042
0,324
56,698
112,369
220,560
-
67297
0,330
83,723
126,975
218,305
30,503
törés
Összefoglaló megállapítások k é z • a koncepció és alkalmazhatósága bizonyítva s s é n z a p T é • FSW ‐ MIG i t K e i z k e ö • numerikus modell virtuális kísérletekhez k n r r e é z m • szabványos eljárás módosítása tós k r a a z S • tervezéshez szilárd alap s T s é ció i n uk • továbblépési lehetőségek a t r g t á s s n d o r k á l e i r z t S e z E e k BM szer ó t r Ta
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak Közlekedési csomópont rekonstrukció t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
Kiinduló projekt k é z s s é n a épz − elővárosi közl. csomópontok T i iK t átalakítása – szgk. felüljáróval e z k e ö k − több ezer csp. n r r e é z s m ó ak t r a z • követelmény: S T s s é ó i − gazdaságos (gyors és könnyű) i c n k a tru t kivitelezés Æ g á s s n könnyűszerkezetes kialakítás d o r k á l Æ tpl. sajtolt e i r − tömeggyártás z S e z profil E e k BM szer ó t r Ta • japán állami projekt ‐ 1999:
Szerkezeti rendszer k é z s s Alumínium é n a épz pályalemez T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e főtartók: acél z E e vagy alumínium? k M r B sze ó t r Ta
Többszörösen merevített gerinclemezes tartók
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re P i z S e z E e k BM szer ó t r Ta horizontal stiffener
web plate
welding
extruded profiles
vertical joining stiffener (MIG, FSW)
kis merevítőborda = lemezszerű viselkedés
150x6 + 120x6
2x70x10 600 mm
2x70x10 600 mm
150
1xbsxt s 1275 mm
150 150 150
150x6
4
2x70x10 600 mm
• Imperfekciók • különböző gyártási eljárások okozta kezdeti imperfekciók: •geometriai imperfekció •hegesztési sajátfeszültségek
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta Hegesztési sajátfeszültségek
Geometriai imperfekciók
633.9
Residual stress [MPa]
-300
-200
-100
0
100
200
before after
difference
stiffener and weld location
50
100 150
Web depth [mm]
Depth from web top [mm]
0
422.6
211.3
200 250
stiffener and weld loc., middle of the web
0
300
0
0.5
1
1.5
Imperfection [mm]
2
2.5
• Teherbírási kísérletek
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a t 2x70x10 150x6 + tru 2x70x10 g P 2x70x10 á s 600 mm 120x6n s 600 mm 4 d 600 mm o r k á l e i r z 150 t S e z E e 1xb xt 150 k M r 1275 mm B sze 150 ó t r a 150 T Spec. #
Lw
bw
tw
bf
tf
ns
bs
ts
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[-]
[mm]
[mm]
---
---
---
20
4
25
5
30
5
30
5
25
4.5
S0
S8
1275
S9
600
4
150
6+6
3
S10
S12
200
10
J1
200
14
260
22
200
12
1902
J2
634
J3
s
s
150x6
4.5
2
• Teherbírási kísérletek
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta 1000
S12
900 800
S10
Load (kN)
700
S8
600 500
S9
S0
400
S0: no stiffener S8: 20x4 mm S9: 25x5 mm S10: 30x5 mm S12: 30x5 mm (strong flange)
300 200 100
0
0
10
20
Deflection (mm)
30
40
• Lineáris stabilitási vizsgálat a
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n π π d o r ∑∑ k á l e i r z t S e z E e k BM szer ó t r Ta x
(ns+1)bp = b
ts
bp
ith stiffener
tp
y
w( x , y ) =
∞
∞
m =1 n =1
Amn sin
m x n y sin a b
bs
Parameter
Range
a α tp ns bs ts ψ τ/σ γ δ
600 ~ 4200 mm 1~7 2 ~ 10 mm 1~5 20 ~ 100 mm 2 ~ 10 mm -1 ~ 1 0~3 0.1 ~ 2700 0.006 ~ 1
• Lineáris stabilitási vizsgálat
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
• Lineáris stabilitási vizsgálat
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
• Virtuális kísérleti technika ‐ modellfejlesztés
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n • geometriai és anyagi nemlinearitás k a tru t g á s • tényleges anyagjellemzőkkel s n d o r k á l t-re i • ztényleges geometriai imperfekciókkal S e z E e • tényleges sajátfeszültségekkel k BM szer ó t r Ta
• Virtuális kísérletek – tesztelt gerendák
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta 1000
1000
900 800
S9
700
Load (kN)
Load (kN)
600
S8
500
S0
400
S0: no stiffener S8: 20x4 mm S9: 25x5 mm S10: 30x5 mm S12: 30x5 mm (strong flange)
300 200 100
J2: bending + shear
800
S10
700
J1: bending
J2
900
S12
J3: bending + shear
J1
600 500
J3
400 300 200 100
0
0
0
5
10
15
Deflection (mm)
20
25
0
10
20
30
40
Deflection (mm)
50
60
• Javaslat szabványos lejárás módosítására
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta
• Paraméteres vizsgálat – gyártási eljárás hatása a
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta teherbírásra
HAZ material
0.6f y
+ +
-
b)
0.3f y
-
0.6f y
+
+
-
0.3f y
-
+
+
+
0.36f 0.2
+
0.6f y
-
c)
0.3f y
0.12f 0.2
2.5
600
2
500
welding
400
1.5
y (mm)
a)
Geometrical imperfection (mm
HAZ material
1
300 200
0.5
100
0
0
0
500
1000
x (mm)
1500
0
1
2
Imperfection (mm)
• Paraméteres vizsgálat – gyártási eljárás hatása a
k é z s s é n a épz T i iK t MIG/1 e z k e ö MIG/2 k n r r e z FSW é s m ó k t r a FSW+small imp. a z T sS s é ció i n uk a t r g t á s s n d o r k á l e i r z t S e z E e k BM szer ó t r λ (-) Ta teherbírásra 1
0.9
EC9/1: unwelded, heat-treated
0.8 0.7
ρ (-)
0.6 0.5 0.4 0.3
EC9/2: welded, heat-treated or unwelded, non heat-treated
0.2 0.1
EC9/3: welded, non heat-treated
0
0
1
2
3
P
4
acél
alumínium
alumínium
600 tw = 4.5 mm, bs = 36 mm, ts = 10 mm
1000
1000
500
800
800
400
600 400
Load (kN)
1200 tw = 8 mm, bs = 25 mm, ts = 4.5 mm
Load (kN)
Load (kN)
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k BM szer ó t r Ta 1200 tw = 6.5 mm, bs = 25 mm, ts = 4.5 mm
600 400
160x20, MIG1
260x22, conv
260x22, middle
200
200x12, conv
200x12, middle
0
0
10
20
Deflection (mm)
160x20, MIG2
200
160x40, MIG1 160x40, MIG2
0
0
20
40
Deflection (mm)
60
300 200
160x20, MIG1 160x20, MIG2
100
160x40, MIG1 160x40, MIG2
0
0
10
20
Deflection (mm)
30
Összefoglaló megállapítások k é z • az új koncepció és alkalmazhatósága bizonyítva s s é n z a p T é • tág paraméteres vizsgálat virtuális kísérletekkel i t K e i z k e ö • szilárd alap a szabványmódosító javaslatokhoz k n r r e é z s m • továbblépési lehetőségek: ó k t r a a z • más bordageometria S T s s • egyéb gyártási technológiaé ó i i c • szerkezeti optimálásan k u t r g t á s • stb. s n d o r k á l e i r z t S e z E e k BM szer ó t r Ta
k é z s s é n a épz T i iK t e z k e ö k n r r e é z s m ó ak Köszönöm a figyelmet! t r a z S T s s é ó i i c n k a tru t g á s s n d o r k á l t-re i z S e z E e k M r e B Dr. Vigh László Gergely z s ó egyetemi docens t r a BME Hidak és Szerkezetek Tanszék T Kmf85.20;
[email protected]
