Trapézlemez gerincő tartók beroppanásvizsgálata

Hidak és Szerkezetek Tanszéke

Trapézlemez gerincő tartók vizsgálata

DUNAI László Ulrike KUHLMANN

Témavezetık:

PhD disszertáció

KÖVESDI Balázs

Házivédés, 2010. 05. 19.

Patch loading resistance of girders with corrugated webs

Trapézlemez gerincő tartók beroppanásvizsgálata

Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem



4. Kutatás összefoglalása, új tudományos eredmények

Házivédés, 2010. 05. 19.

3.6. Nyíró- és keresztirányú erı kölcsönhatásának vizsgálata

3.5. Parciális tényezı meghatározása

3.4. Külpontos terhelés vizsgálata

3.3. FEM alapú méretezési eljárás kidolgozása

3.2. Kísérleti program végrehajtása

3.1. Numerikus modellezés és paramétervizsgálat

3. Kidolgozott témakörök

2. Problémafelvetés – célkitőzés – kutatási stratégia

1. Szerkezeti kialakítás ismertetése

Bevezetés



Gerinc acél profillemezbıl

Öv vasbetonból


Házivédés, 2010. 05. 19.

- Magyarországon is aktuális a téma.

- Japánban kedvelt szerkezeti kialakítás.

- Elsı ilyen típusú hidat Franciaországban építették.

- Elmúlt 20 évben fejlıdött ki.

Szerkezeti kialakítás



3. Egyidejő nyíró- és keresztirányú erı kölcsönhatása

2. Erıbevezetés külpontosságának vizsgálata

Házivédés, 2010. 05. 19.


Cél: gyakorlatban használható, kísérleteken és végeselemes számításokon alapuló méretezési eljárás kidolgozása.

nincs szabványos méretezési eljárás

Beroppanás !!!

erıbevezetési hely folyamatosan változik

1. Lokális, koncentrált erıbevezetés

Problémafelvetés




- méretezési módszer kidolgozása

- numerikus paramétervizsgálat

- kísérletek – virtuális kísérletek végrehajtása

- szerkezeti viselkedés vizsgálata

Házivédés, 2010. 05. 19.

- numerikus modell kidolgozása – verifikálása kísérletek alapján

- korábbi kutatások áttekintése és új kutatási irányok meghatározása

- szakirodalmi áttekintés

Kutatási stratégia



Cél: 1, Tipikus hídszerkezetre jellemzı paramétertartomány vizsgálata. 2. Szerkezeti viselkedés vizsgálata. 3. Méretezési eljárás kidolgozása.

Céljuk: csarnokszerkezetek teherbírásának meghatározása koncentrált erıbevezetés alatt.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

200

numerikus vizsgálatok: Elgaaly és Seshadri (1997) Luo és Edlund (1996)

400

1, Szabványos méretezési eljárás nincs. 2, Kísérletek tisztán acél gerendákon: 17 kísérlet: 6 db Aravena és Edlund (1987), 6 db Kähönen (1988), 5 db Elgaaly és Seshadri (1997).

600

1000

1200

Házivédés, 2010. 05. 19.

800 h w /t w [-]

typical parameter range for bridges

Experimental investigations Leiva-Aravena and Edlund [8] Kähönen [5] Elgaaly and Seshadri [9] fdf Numerical xcxc investigations Elgaaly and Seshadri [9] Lou and Edlund [10]


Beroppanásvizsgálat


ss/hw [-]


131.28 82.33 102.35 95.68 73.43

1

2

3

4

5

100.73

87.36

99.79

79.74

122.81

FR,num


FR,exp

Próbatest

1.372

0.913

0.975

0.969

0.935

FR,num/FR,exp

Modell verifikáció

alapja: Elgaaly és Seshadri kísérletei

Házivédés, 2010. 05. 19.

F

numerikus modell

Numerikus modell kidolgozása


-10

-8

-6

-4

lateral displacement of the loaded fold

deflection at the midspan

-2

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

(1)

2

(1)

(2)

4

(3)

6

(4)

e [mm] 8

(3)

(1)

lokális horpadás több mezıben

Jellemzı tönkremeneteli módok


lokális horpadás 1 mezıben

-12

(3)

(2)

900

Házivédés, 2010. 05. 19.

globális horpadás

(4)

(2)


Szerkezeti viselkedés


F [kN]



méretezési eljárás

Házivédés, 2010. 05. 19.

paraméterek teherbírást befolyásoló hatásának meghatározása

Vizsgált paraméterek 1, hajlítási szög: α= 15° - 30° - 45° - 65° 2, gerincmezı oldalaránya: hw/tw= 200 – 300 – 400 - 500 3, lemezmezı oldalaránya: a1/tw= 12,5 – 25 – 50 – 75 – 100 -117 4, erıbevezetési hossz: ss/hw= 0,4 – 0,5 - 0,6 – 0,7 - 0,8 5, övszélesség: bf= 150 – 300 – 400 – 500mm 6, övvastagság: tf= 20 – 30 – 40 – 60 – 80 – 100mm

Numerikus paramétervizsgálat




Kísérleti elrendezés és a vizsgált próbatest

Házivédés, 2010. 05. 19.

jellemzı geometriájú próbatesten. 2. Szerkezeti viselkedés vizsgálata különbözı kísérleti elrendezésekben. 3. Korábban kidolgozott méretezési eljárás verifikálása, továbbfejlesztése.

Kísérleti program: 12 próbatest vizsgálata Kísérletek célja: 1. Beroppanási ellenállás meghatározása tipikus hídszerkezetre

Kísérleti program




Tönkremeneteli mód:

100 0

500 400 300 200

800 700 600

1000 900

0

5

10

15

5. erıbevezetés külpontosságának vizsgálata.

4. övvastagság vizsgálata (20, 30 mm),

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

25

Házivédés, 2010. 05. 19.

20

e [mm]

lateral displacement

deflection

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

Kísérleti program: 1. terhelt mezı vizsgálata (párhuzamos, ferde, kettı találkozása),

Kísérleti program


. F [kN]


0


0

1000

2000

3000

4000

5000

1000

2000

3000

numerical calculations experimental results from literature own experiments mean value standard deviation

4000

5000

4 3 2

tf/tw <4 4 ≤ tf/tw ≤ 7 7 < tf/tw

Házivédés, 2010. 05. 19.

n

tf/tw

6000

F R,proposed method [kN]

FR , fl = 2 ⋅ n ⋅ M pl . f ⋅ χ ⋅ t w ⋅ f yw

övlemez ellenállása: 6000

FR , w = χ ⋅ tw ⋅ f yw ⋅ ss ⋅ kα

FR = (FR , w + FR , fl )

gerinc ellenállása:

Beroppanási ellenállás:

2. Méretezési módszer verifikálása, továbbfejlesztése.

1. Vizsgált paraméterek teherbírást befolyásoló hatásnak meghatározása.

Eredmények értékelése


F R,num ; F R,literature ; F R,exp [kN]



Kísérletek alapján ajánlás kidolgozása a geometriai helyettesítı imperfekcióra.

EC3-1-5 ajánlásai

Nincs szabványos ajánlás az EC3-ban trapézlemez gerincő tartókra.

Kulcskérdés: helyettesítı geometriai imperfekció felvétele.

Cél: felületszerkezeti modell segítségével a tervezési ellenállás értékének meghatározása.

Házivédés, 2010. 05. 19.

Geometriai helyettesítı imperfekció




3. Szinuszhullám alakú imperfekció az EC3 modellje alapján

1. Lokális horpadáshoz tartozó sajátalak

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

200

f ( x) = e

0

−

1000

1200

Házivédés, 2010. 05. 19.

1400

hw [mm]

e(-x)*sin(x)

1 ⋅ k ⋅ π ⋅ x) hw

800

⋅ sin(

600

1 ⋅x hw ⋅m

400

exp(-x)*sin(x)

4. Ajánlott imperfekciós alak az elsı sajátalak numerikus közelítésére

2. Tönkremeneteli alak

Vizsgált imperfekciós alakok


e [mm]


-1,5

-1

-0,5

900

920

940

960

980

1000

1020

1040


-2

experiment

sin(x) shape

ultimate shape

1. buckling mode

1060

0

0,5

1

1,5

e [mm] 2

Házivédés, 2010. 05. 19.

Ferde lemezmezı terhelt

Imperfekció érzékenységi vizsgálat mindhárom imperfekciós alak alkalmazásával.

Kísérleti háttér:

Imperfection sensitivity - specimen 3.

1. Sajátalak formájú, 2. tönkremeneteli alak formájú, 3. EC3 szerinti sin(x) alakú imperfekcióhoz.

Imperfekció nagyságának meghatározása


Amplitúdó meghatározása:

F [kN]


1

2

3

4

sin(x) +- shape

1. buckling mode

ultimate shape

5

7 specimen

6

8

Imperfection scaling factor

9


10

12

Házivédés, 2010. 05. 19.

11

szükséges imperfekció nagyság

Ajánlás az alkalmazandó imperfekció nagyságára: ai/200 sin(x) imperfekció esetén: ai/200 sajátalak formájú imperfekció esetén:

0

100

200

300

400

500

600

Összes kísérleti eredmény kiértékelése alapján

Imperfekció nagyságának meghatározása


.

ai/


Külpontosság hatásának vizsgálata


Erıbevezetési szélesség hatásának vizsgálata

Külpontosság további teherbíráscsökkenést eredményez.

Centrikus esetben ez önmagában már teherbíráscsökkenést okoz.

Erıbevezetés szélessége kisebb, mint az övszélesség.

Külpontosság hatásának vizsgálata

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1350

0

m

50

1

decreasing tendency

100

200

250

Házivédés, 2010. 05. 19.

150

ssa [mm]

developed model

experimental result

numerical results

breaking point

Erıbevezetés szélességének és külpontosságának hatása


F [kN]

red

(a)

FR m ssa a3 (1-b)

(a)

Házivédés, 2010. 05. 19.

beroppanás ellenállás, ha a teljes öv terhelt, teherbíráscsökkenés mértéke, erıbevezetés szélessége, az a pont, ameddig nincs teherbíráscsökkentı hatása az erıbevezetés szélesség csökkenésének.

= FR⋅ ⋅ {1 − m[a3 ⋅ (1 − b) − ssa ]}


FR

Méretezési eljárás:

(b)

Viselkedés modellje: (b)


Erıbevezetés szélességének hatása


FRred m3 e/bf

= FR ⋅

   

Széles – keskeny erıbevezetés:

Házivédés, 2010. 05. 19.

beroppanás ellenállás az teherszélesség figyelembe vételével, teherbíráscsökkenés mértéke, külpontosság nagysága.

 e ⋅ 1 − m3 ⋅  bf 


FR

red

Méretezési eljárás:

Viselkedés modellje:

red 2


Erıbevezetés külpontosságának hatása


0,85

0,9

0,95

1

1,05


0

5

10

15

20

25

Statisztikai kiértékelés:

3 méretezési módszer

n [-]

1,1

1,15

0

1000

2000

3000

4000

γ M1

1,2

r [-]

subdatabase #3

5000

6000

7000

0

3 parciális tényezı

1000

2000

3000

5000

6000

7000

Házivédés, 2010. 05. 19.

4000

F R,design method [kN]

subdatabase #3


Parciális tényezı meghatározása


F R,num [kN]


3. Geometriai bizonytalanság figyelembe vétele.

(

2

)(

(

2

)

2

)(

(

2

) (

)(

)

2

 n  2 2 Vr = Vδ + 1 ⋅ ∏ VXi + 1  ⋅ VFEM + 1 − 1  j =1  2

Házivédés, 2010. 05. 19.

Vr = Vδ + 1 ⋅ Vgeom1 + 1 ⋅ Vgeom 2 + 1 ⋅ VFEM + 1 − 1

2

2. Numerikus modell bizonytalanságának figyelembe vétele.

1. Anyag- és számítási modell bizonytalanságának szétválasztása.

Mivel a méretezési eljárás nagyrészt numerikus szimuláción alapszik, ezt figyelembe vettem a parciális tényezı meghatározásánál.

EN1990 tartalmaz erre vonatkozóan ajánlást, ha az méretezési eljárás kísérletek alapján lett kidolgozva.

)


Parciális tényezı meghatározása




Házivédés, 2010. 05. 19.

Cél: Új (F+V) interakciós képlet kidolgozása trapézgerincő tartókra.

2. Szakirodalomban nagyon kis számú kutatás található, fıleg trapézgerincő tartók esetére.

1. EC3-ban nincs ajánlás keresztirányú- és nyíróerı interakciójának figyelembe vételére.

Tervezésben figyelembe kéne venni.

Gyakorlatban, fıleg betolással épülı hidaknál gondot okozhat nagy nyíró- (V) és keresztirányú koncentrált erı (F) egyidejő jelenléte.

F+V kölcsönhatásának vizsgálata



0

0,1

0,2


0,3

0,5

1.2

0,6

0,7

0,9

≤ 1 .0

0,8

1.2

 V − 0.5 ⋅ F  F    +   VR    FR 

0,4

current proposal (lower limit)

Elgaaly et al

numerical results of Elgaaly et al

numerical calculations

1. ajánlott interakciós képlet:

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

Numerikus eredmények kiértékelése (hatások szeparálásával)

1

Házivédés, 2010. 05. 19.

1,1

F/FR,num



(V-0,5F) / VR,num .


- Gerinc ellenállása

Beroppanási ellenállás


Házivédés, 2010. 05. 19.

Interakció hatása csökken

nyírási ellenállás nagyobb lesz

gerinc kevésbé dolgozik beroppanás ellen

Következtetés: Interakció hatása kifejezhetı a beroppanási ellenállásban a gerinc és öv ellenállásainak arányával.

Ha az öv ellenállás domináns

szintén domináns lehet

- Övlemez ellenállása

Gerinc ellenállása a domináns

Nyírási ellenállás



.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

0

0,2

0,3

F R,w / F R,fl=1,00 F R,w / F R,fl=2,0 F R,w / F R,fl=2,6 F R,w / F R,fl=3,2 F R,w / F R,fl=3,75 current proposal (a=1.6) current proposal (a=1.4) current proposal (a=1.3) current proposal (a=1.25) current proposal (a=1.2)

0,1

0,4

 FR , w − 0.25⋅  FR , fl 

   

+ 0.8

0,5


a=e


de

0,6

0,7

0,9

a > 1.2

0,8

1

1,1

F/FR,num

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

0,0

0,5

1,0

1,5

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

F R,w / FR,fl

developed approximation

numerical calculations

a

Házivédés, 2010. 05. 19.

2,0

a

 V − 0.5 ⋅ F   F    +   ≤ 1.0 VR    FR 

ajánlott interakciós görbe:


kitevı meghatározása:

(V-0,5F) / VR,num


index of the interaction equation



Házivédés, 2010. 05. 19.

a, Kidolgoztam egy adatbázist, mely a trapézgerincő tartók beroppanási ellenállási értékeit tartalmazza a hídszerkezetekre jellemzı paramétertartományban. b, Meghatároztam a keresztirányú erı hatására létrejövı lehetséges tönkremeneteli módokat, mely lehet az egyes lemezmezık lokális horpadása, valamint a teljes gerinclemez globális horpadása. c, Meghatároztam a beroppanási ellenállás és a vizsgált paraméterek közti összefüggéseket, ha a tönkremenetel módja a gerinclemez lokális horpadása. A vizsgált paraméterek az erıbevezetési hossz, a lemezmezı szélesség/vastagság aránya, a hajlítási szög, az övlemez szélessége és vastagsága, valamint az erıbevezetés szélessége és a külpontosság. d, Meghatároztam egy minimális teherelosztólemez méretet, mely alkalmazásával a hidak betolása közben a koncentrált erıbevezetés következtében a lokális keresztirányú övhajlítási tönkremenetelt el lehet kerülni.

Meghatároztam azokat a geometriai paramétereket, melyek befolyásolják a trapézgerincő tartók beroppanási ellenállását és meghatároztam ezek hatását a szerkezeti viselkedésre nemlineáris végeselemes analízis alapján.

1. tézis




Házivédés, 2010. 05. 19.

a, Megvizsgáltam és elemeztem a korábban kidolgozott trapézgerincő tartók beroppanási ellenállását meghatározó méretezési eljárásokat, és megállapítottam, hogy Kähönen méretezési eljárása adja a legjobb eredményt a vizsgált paramétertartományban, ha a tönkremeneteli mód a gerinclemez lokális horpadása. b, Kiegészítettem a méretezési módszert az erıbevezetési szélesség teherbírást befolyásoló hatásának, valamint az erıbevezetés külpontosságából származó teherbíráscsökkenés figyelembe vételével. d, A méretezési eljárás eredményeit statisztikailag kiértékeltem és meghatároztam az alkalmazandó parciális tényezı értékét az ellenállás tervezési szintjének meghatározásához.

A trapézlemez gerincő tartók beroppanási ellenállásának meghatározására egy módosított méretezési eljárás lett kidolgozva a BME Hidak és Szerkezetek Tanszéke és a Stuttgarti Egyetem Konstruktion und Entwurf Tanszékének együttmőködésében. A méretezési eljárás szakirodalmi kísérleteken és a kísérletek által verifikált numerikus számítások alapján lett kidolgozva. A tézis a témakörben elvégzett saját kutatási eredményeket foglalja össze.

2. tézis




Házivédés, 2010. 05. 19.

a, Meghatároztam és jellemeztem a kísérletben tapasztalt tönkremeneteli módokat és szerkezeti viselkedéseket a vizsgált paraméterek függvényében. b, Megállapítottam, hogy a beroppanási ellenállásban az övlemez ellenállása függ az öv- és gerinclemez vastagságának arányától (tf/tw) is, és a köztük lévı összefüggést meghatároztam. c, A kísérletek alapján a Braun és Kuhlmann által kidolgozott méretezési eljárást pontosítottam.

Megterveztem és végrehajtottam egy kísérleti programot trapézlemez gerincő tartók beroppanási ellenállásának meghatározására 12 nagy léptékő próbatesten.

3. tézis




Házivédés, 2010. 05. 19.

a, Meghatároztam a helyettesítı geometriai imperfekció hatását a szerkezeti viselkedésre (a merevségre, a beroppanási ellenállásra, a leszálló ágra, valamint a tönkremeneteli módra). b, Három különbözı imperfekciós alakot vizsgáltam és meghatároztam a hatásukat a szerkezeti viselkedésre. Egy módosított alakot dolgoztam ki a helyettesítı geometriai imperfekció felvételére, mely a lokális horpadáshoz tartozó sajátalakon alapszik és zárt képlet formájában megadható. c, Az imperfekcióérzékenységi vizsgálat és a kísérleti eredmények alapján ajánlást dolgoztam ki a helyettesítı geometriai imperfekció nagyságának felvételére.

Kidolgoztam egy végeselem alapú méretezési eljárást trapézgerincő tartók beroppanási ellenállásának meghatározására.

4. tézis




Házivédés, 2010. 05. 19.

a, Igazoltam, hogy az Elgaaly és Seshadri által kidolgozott ajánlás a nyírás és a koncentrált keresztirányú erı interakciójának figyelembe vételére egy jó közelítést ad egy, az általuk vizsgált paramétertartománynál sokkal szélesebb tartományban is. b, Kidolgoztam és bevezettem egy u.n. „mozgó” interakciós görbét, mely figyelembe veszi az interakciót befolyásoló geometriai paraméterek hatását és a tartó terhelési viszonyát, mely eredményeként gazdaságosabb tervezést tesz lehetıvé.

Interakciós görbét dolgoztam ki a koncentrált keresztirányú erı és nyíróerı kölcsönhatásának figyelembe vételétre.

5. tézis




Házivédés, 2010. 05. 19.

3. Vasbeton övlemezek beroppanási ellenállást befolyásoló hatásának vizsgálata.

2. Szinuszhullám gerincő tartókra a kidolgozott eljárások alkalmazhatóságának vizsgálata.

1. Hajlítás és keresztirányú erı kölcsönhatásának vizsgálata.

További kutatási irányok



Témavezetıimnek:

Ulrike Kuhlmann

Dunai László

Köszönetnyilvánítás


Házivédés, 2010. 05. 19.




Házivédés, 2010. 05. 19.

Universität Stuttgart Kunstruktion und Entwurf Tanszékének dolgozói

Szerkezetvizsgáló Labor munkatársak

BME Hidak és Szerkezetek Tanszéke dolgozói

Benjamin Braun



Házivédés, 2010. 05. 19.


Köszönöm a figyelmet!


Trapézlemez gerincő tartók beroppanásvizsgálata

Recommend Documents