Alumínium szerkezetek tervezése 5. előadás

Átírás

1 Szakmérnöki kurzus Alumínium szerkezetek tervezése 5. előadás Japán hídszerkezet rekonstrukciós kutatás. Japán közlekedési csomópont rekonstrukció. Dr. Vigh László Gergely egyetemi docens BME Hidak és Szerkezetek Tanszék Kmf85.20;

2 Japán hídszerkezet rekonstrukció

3 kiváltó okok: Kiinduló projekt hidak örgedése, forgalomnövekedés, fesztáv növelése JIS szabványos járműteher 20 tf 25 tf lehetséges megoldás pályalemez cseréje kisebb súlyúra csökken a holtteher, nő a hasznos teherbírás Osaka University 1999: alumínium ötvözetek alkalmazása kis fajsúly

4 Pályalemez rendszer ortotróp lemez: extrudált profilok

5 Pályalemez rendszer Advancing side of weld Shoulder Trailing edge of the rotation tool Vertical force 200 Retreating side of weld Probe Joint 250 Leading edge of the rotation tool ortotróp lemez: extrudált profilok

6 Pályalemez rendszer Alumínium lemez főtartók ortotróp lemez: extrudált profilok

7 Pályalemez rendszer Alumínium lemez főtartók ortotróp lemez: extrudált profilok gerenda szegmens a fő teherviselő irányban

8 Pályalemez rendszer kiterjesztés a lemezre A gerenda B gerenda lemezdarab együttes viselkedés tervezési eljárás Alumínium lemez főtartók ortotróp lemez: extrudált profilok gerenda szegmens a fő teherviselő irányban vizsgálatok szakítópróbák teherbírási kísérlet és numerikus analízis fárasztó kísérlet szabványok

9 Kísérleti analízisek Szakítópróbák Teherbírási teszt (B gerenda) Fárasztó teszt (B gerenda)

10 mechanikai jellemzők alapanyag: A6N01S T5 technológia Névleges feszültség [MPa] alapanyag Alapanyag keresztirányban , , , ,629 7, kereszt hossz szakítópróbák Nyúlás [%] hosszirányban E ν f prop f 0,2 f u ε u [MPa] [-] [MPa] [MPa] [MPa] [%] ,324 56, , , ,330 83, , ,305 30,503

11 mechanikai jellemzők MIG kisebb szilárdsági redukció: MIG egyezményes folyási határ: 65 70% 55% szakítószilárdság: 90% 75% hegesztés által befolyásolt zóna: MIG 2x20 mm 2x25.4 mm

12 B típusú gerenda Teherbírási teszt P l = mm z 250 x 250

13 1200, ,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 B típusú gerenda Teherbírási teszt Pult,exp = kn P ult,beam = kn Pcr = kn Pprop,exp = kn 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 Lehajlás [mm] Teher [kn]

14 Teher [kn] 1200, ,00 800,00 600,00 400,00 200,00 B típusú gerenda Teherbírási teszt P ult,exp = kn P ult,beam = kn P cr = kn P prop,exp = kn ,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 Lehajlás [mm] eredmények: arányossági teher: 803 kn beroppanás: 922 kn teherbírás: 1152 kn

15 Teher [kn] 1200, ,00 800,00 600,00 400,00 200,00 B típusú gerenda Teherbírási teszt P ult,exp = kn P ult,beam = kn P cr = kn P prop,exp = kn ,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 Lehajlás [mm] eredmények: arányossági teher: 803 kn beroppanás: 922 kn teherbírás: 1152 kn

16 Numerikus modell fejlesztés anyagmodell kontakt viselkedés öv gerinc kapcsolat: lekerekítés hatása top A out top A in x top t orig,out top t orig,in web t orig P top t eff,out top l out R = 5 cm top l in top t eff,in web t orig web l eff web t eff web t orig ~ 4 cm P MARC K7 R = 5 cm A 2 A 1 t 3 t 2 web t orig z

17 P ult,1 = kn P ult,exp = kn Deflection of centerpoint [mm] Test combined material 0 Load [kn]

18 Keresztirányú teher Beroppanás EC eljárás lekerekítés hatása? parametrikus vizsgálat, virtuális kísérletsorozat (GMNIA) javaslat az EC eljárására anyagi és geometriai nemlineáris analízis ekvivalens geometriai imperfekció

19

20

21 alap Eurocode eljárás hajlítási ellenállás: keresztirányú teher: interkació:

22 módosított EC eljárás

23

24 Járműteher σ y global lokális nyomaték okozta repedés a felsö övben y M y global x globális keresztirányú nyomaték okozta repedés az alsó övben Fáradás L = 2 m σ x local fáradás: felső öv lokális lemeznyomaték z alsó öv - globális nyomaték x

25 Nr. 40x100 prismatic steel 750 Geometriai jellemzők A A P l = 1500 mm Steel girder Elastic layer l = Tehertartomány A-A p Nyom. tart. z Fesz. tart. Alakv. tart. l l 1 W x,el,2 P min P max Δ P ΔΜ Δσ Δε m m mm 3 tf (kn) knm MPa με 1 1,5 0, ,37 5,0 (49,0) 50,0 (490,3) 45,0 (441,3) 159,97 122, dupla 2 2,0 0, ,68 2,5 (24,5) 25,0 (245,2) 22,5 (220,6) 107,57 164, szimpla 3 2,0 0, ,68 2,2 (21,6) 22,0 (215,7) 19,8 (194,2) 94,66 144, szimpla 4 2,0 0, ,68 1,4 (13,7) 14,0 (137,3) 12,6 (123,6) 60,24 92, szimpla x Megj.

26 1000 Feszültségtartomány [MPa] alapanyag, R = 0.1 B-gerenda, R = 0.1 EC9 (részlet:44-4.5) EUROCODE 9 (részlet: ) S-N görbe: csökkenti a fáradási szilárdságot 3 4.: felületi hibánál keletkező repedés hegesztési irány hegesztés előtt α már hegesztett Ismétlődési szám

27 400 alapanyag: rideg törés Alapanyag kereszt hossz régió: fáradt repedés E ν f prop f 0,2 f u ε u [MPa] [-] [MPa] [MPa] [MPa] [%] , , , ,629 7, ,324 56, , , ,330 83, , ,305 30, repedésterjedés: z : fáradt repedés alapanyag: rideg törés x

28 a koncepció és alkalmazhatósága bizonyítva MIG Összefoglaló megállapítások numerikus modell virtuális kísérletekhez szabványos eljárás módosítása tervezéshez szilárd alap továbblépési lehetőségek

29 Közlekedési csomópont rekonstrukció

30 japán állami projekt 1999: elővárosi közl. csomópontok átalakítása szgk. felüljáróval több ezer csp. követelmény: gazdaságos (gyors és könnyű) kivitelezés könnyűszerkezetes kialakítás tömeggyártás pl. sajtolt profil Kiinduló projekt

31 Szerkezeti rendszer Alumínium pályalemez főtartók: acél vagy alumínium?

32 Többszörösen merevített web plate gerinclemezes tartók 2x70x mm welding horizontal stiffener vertical stiffener 150x x6 1xbsxt s 1275 mm 150x6 joining (MIG, ) P x70x mm 4 2x70x mm extruded profiles kis merevítőborda = lemezszerű viselkedés

33 Depth from web top [mm] Imperfekciók különböző gyártási eljárások okozta kezdeti imperfekciók: before after difference stiffener and weld location stiffener and weld loc., middle of the web geometriai imperfekció hegesztési sajátfeszültségek Hegesztési sajátfeszültségek Residual stress [MPa] Web depth [mm] Geometriai imperfekciók Imperfection [mm]

34 2x70x mm Teherbírási kísérletek Spec. # L w b w t w b f t f n s b s t s [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [-] [mm] [mm] S S S S S J J J xbsxt s 1275 mm 150x x6 P x6 2x70x mm 4 2x70x mm

35 S12 S10 S0 S0: no stiffener S8: 20x4 mm S9: 25x5 mm S10: 30x5 mm S12: 30x5 mm (strong flange) Deflection (mm) S8 S Load (kn) Teherbírási kísérletek

36 Lineáris stabilitási vizsgálat (n s +1)b p = b y w( x, y) = m= 1 n= 1 A mn a x mπx nπy sin sin a b i th stiffener b p t p b s Parameter t s Range a 600 ~ 4200 mm α 1 ~ 7 t p 2 ~ 10 mm n s 1 ~ 5 b s 20 ~ 100 mm t s 2 ~ 10 mm ψ -1 ~ 1 τ/σ 0 ~ 3 γ 0.1 ~ 2700 δ ~ 1

37 Lineáris stabilitási vizsgálat

38 Lineáris stabilitási vizsgálat

39 Virtuális kísérleti technika modellfejlesztés geometriai és anyagi nemlinearitás tényleges anyagjellemzőkkel tényleges geometriai imperfekciókkal tényleges sajátfeszültségekkel

40 Virtuális kísérletek tesztelt gerendák Load (kn) S12 S8 S0: no stiffener S8: 20x4 mm 200 S9: 25x5 mm 100 S10: 30x5 mm S12: 30x5 mm (strong flange) S0 Deflection (mm) S10 S9 Load (kn) J2 J Deflection (mm) J1: bending J2: bending + shear J3: bending + shear J3

41 Javaslat szabványos lejárás módosítására

42 Paraméteres vizsgálat gyártási eljárás hatása a teherbírásra a) 0.6f y b) c) 0.6f y 0.3f y 0.3f y + 0.6f + y 0.3f y f f x (mm) HAZ material HAZ material Geometrical imperfection (mm y (mm) Imperfection (mm) welding

43 Paraméteres vizsgálat gyártási eljárás hatása a teherbírásra ρ (-) EC9/1: unwelded, heat-treated EC9/2: welded, heat-treated or unwelded, non heat-treated λ P (-) MIG/1 MIG/2 EC9/3: welded, non heat-treated +small imp.

44 Load (kn) Deflection (mm) acél alumínium alumínium t w = 6.5 mm, b s = 25 mm, t s = 4.5 mm 260x22, conv 260x22, middle 200x12, conv 200x12, middle Load (kn) t w = 8 mm, b s = 25 mm, t s = 4.5 mm 160x20, MIG1 160x20, MIG2 160x40, MIG1 160x40, MIG Deflection (mm) Load (kn) t w = 4.5 mm, b s = 36 mm, t s = 10 mm 160x20, MIG1 160x20, MIG2 160x40, MIG1 160x40, MIG Deflection (mm)

45 az új koncepció és alkalmazhatósága bizonyítva tág paraméteres vizsgálat virtuális kísérletekkel szilárd alap a szabványmódosító javaslatokhoz továbblépési lehetőségek: más bordageometria egyéb gyártási technológia szerkezeti optimálás stb. Összefoglaló megállapítások

46 Köszönöm a figyelmet! Dr. Vigh László Gergely egyetemi docens BME Hidak és Szerkezetek Tanszék Kmf85.20; geri@vbt.bme.hu