Trapézlemez gerincő tartók beroppanásvizsgálata

Átírás

1 Trapézlemez gerincő tartók beroppanásvizsgálata Patch loading resistance of girders with corrugated webs KÖVESDI Balázs PhD disszertáció Témavezetık: DUNAI László Ulrike KUHLMANN

2 Bevezetés 1. Szerkezeti kialakítás ismertetése 2. Problémafelvetés célkitőzés kutatási stratégia 3. Kidolgozott témakörök 3.1. Numerikus modellezés és paramétervizsgálat 3.2. Kísérleti program végrehajtása 3.3. FEM alapú méretezési eljárás kidolgozása 3.4. Külpontos terhelés vizsgálata 3.5. Parciális tényezı meghatározása 3.6. Nyíró- és keresztirányú erı kölcsönhatásának vizsgálata 4. Kutatás összefoglalása, új tudományos eredmények

3 Szerkezeti kialakítás Öv vasbetonból Gerinc acél profillemezbıl - Elmúlt 20 évben fejlıdött ki. - Elsı ilyen típusú hidat Franciaországban építették. - Japánban kedvelt szerkezeti kialakítás. - Magyarországon is aktuális a téma.

4 Problémafelvetés 1. Lokális, koncentrált erıbevezetés erıbevezetési hely folyamatosan változik Beroppanás!!! nincs szabványos méretezési eljárás Cél: gyakorlatban használható, kísérleteken és végeselemes számításokon alapuló méretezési eljárás kidolgozása. 2. Erıbevezetés külpontosságának vizsgálata 3. Egyidejő nyíró- és keresztirányú erı kölcsönhatása

5 Kutatási stratégia - szakirodalmi áttekintés - korábbi kutatások áttekintése és új kutatási irányok meghatározása - numerikus modell kidolgozása verifikálása kísérletek alapján - szerkezeti viselkedés vizsgálata - kísérletek virtuális kísérletek végrehajtása - numerikus paramétervizsgálat - méretezési módszer kidolgozása

6 Beroppanásvizsgálat 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). numerikus vizsgálatok: Elgaaly és Seshadri (1997) Luo és Edlund (1996) Céljuk: csarnokszerkezetek teherbírásának meghatározása koncentrált erıbevezetés alatt ss/hw [-] Cél: 1, Tipikus hídszerkezetre jellemzı paramétertartomány vizsgálata. 2. Szerkezeti viselkedés vizsgálata. 3. Méretezési eljárás kidolgozása 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] typical parameter range for bridges hw/tw [-]

7 Numerikus modell kidolgozása alapja: Elgaaly és Seshadri kísérletei numerikus modell F Modell verifikáció Próbatest F R,exp F R,num F R,num /F R,exp

8 Szerkezeti viselkedés F [kn] (2) (3) 700 (2) (3) (1) (2) 600 (1) (4) (1) 500 deflection at the midspan lateral displacement of the loaded fold (3) (4) e [mm] Jellemzı tönkremeneteli módok lokális horpadás 1 mezıben lokális horpadás több mezıben globális horpadás

9 Numerikus paramétervizsgálat Vizsgált paraméterek 1, hajlítási szög: α= , gerincmezı oldalaránya: h w /t w = , lemezmezı oldalaránya: a 1 /t w = 12, , erıbevezetési hossz: ss/h w = 0,4 0,5-0,6 0,7-0,8 5, övszélesség: b f = mm 6, övvastagság: t f = mm paraméterek teherbírást befolyásoló hatásának meghatározása méretezési eljárás

10 Kísérleti program Kísérleti program: 12 próbatest vizsgálata Kísérletek célja: Kísérleti elrendezés és a vizsgált próbatest 1. Beroppanási ellenállás meghatározása tipikus hídszerkezetre jellemzı geometriájú próbatesten. 2. Szerkezeti viselkedés vizsgálata különbözı kísérleti elrendezésekben. 3. Korábban kidolgozott méretezési eljárás verifikálása, továbbfejlesztése.

11 Kísérleti program Kísérleti program: 1. terhelt mezı vizsgálata (párhuzamos, ferde, kettı találkozása), 2. erıbevezetési hossz vizsgálata (90, 200, 380 mm), 3. fesztáv vizsgálata (1140, 1500, 1875 mm), 4. övvastagság vizsgálata (20, 30 mm), 5. erıbevezetés külpontosságának vizsgálata. Tönkremeneteli mód: deflection lateral displacement F [kn]. e [mm]

12 Eredmények értékelése 1. Vizsgált paraméterek teherbírást befolyásoló hatásnak meghatározása. 2. Méretezési módszer verifikálása, továbbfejlesztése. Beroppanási ellenállás: gerinc ellenállása: övlemez ellenállása: ( F ) F R = R, w + F R, fl F R, w = t w f yw ss χ k α F = χ R, fl 2 n M pl. f t w f yw t f /t w n t f /t w <4 4 4 t f /t w < t f /t w numerical calculations experimental results from literature own experiments mean value standard deviation F R,num ; F R,literature ; F R,exp [kn] 0 FR,proposed method [kn]

13 Geometriai helyettesítı imperfekció Cél: felületszerkezeti modell segítségével a tervezési ellenállás értékének meghatározása. Kulcskérdés: helyettesítı geometriai imperfekció felvétele. Nincs szabványos ajánlás az EC3-ban trapézlemez gerincő tartókra. EC3-1-5 ajánlásai Kísérletek alapján ajánlás kidolgozása a geometriai helyettesítı imperfekcióra.

14 Vizsgált imperfekciós alakok 1. Lokális horpadáshoz tartozó sajátalak 2. Tönkremeneteli alak 3. Szinuszhullám alakú imperfekció az EC3 modellje alapján 4. Ajánlott imperfekciós alak az elsı sajátalak numerikus közelítésére 0,80 0,60 exp(-x)*sin(x) e [mm] 0,40 e(-x)*sin(x) 0,20 0,00-0,20 hw [mm] ,40-0,60-0,80-1,00 f ( x ) = e 1 h x m 1 w sin( k π h w x )

15 Imperfekció nagyságának meghatározása Amplitúdó meghatározása: 1. Sajátalak formájú, 2. tönkremeneteli alak formájú, 3. EC3 szerinti sin(x) alakú imperfekcióhoz. Kísérleti háttér: Imperfekció érzékenységi vizsgálat mindhárom imperfekciós alak alkalmazásával. Imperfection sensitivity - specimen Ferde lemezmezı terhelt 1. buckling mode ultimate shape sin(x) shape experiment F [kn] e [mm] -2-1,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2

16 Imperfekció nagyságának meghatározása Összes kísérleti eredmény kiértékelése alapján szükséges imperfekció nagyság ultimate shape 1. buckling mode sin(x) +- shape Imperfection scaling factor ai/ specimen Ajánlás az alkalmazandó imperfekció nagyságára: sin(x) imperfekció esetén: sajátalak formájú imperfekció esetén: a i /200 a i /200

17 Erıbevezetés szélességének és külpontosságának hatása Külpontosság hatásának vizsgálata Erıbevezetés szélessége kisebb, mint az övszélesség. Centrikus esetben ez önmagában már teherbíráscsökkenést okoz Külpontosság további teherbíráscsökkenést eredményez decreasing tendency m 1 breaking point F [kn] Erıbevezetési szélesség hatásának vizsgálata Külpontosság hatásának vizsgálata numerical results experimental result developed model ss a [mm]

18 Erıbevezetés szélességének hatása Viselkedés modellje: (a) (b) (a) (b) Méretezési eljárás: { ma [ (1 b ]} red R = F R 1 3 ) ss F a F R beroppanás ellenállás, ha a teljes öv terhelt, m teherbíráscsökkenés mértéke, ss a erıbevezetés szélessége, a 3 (1-b) az a pont, ameddig nincs teherbíráscsökkentı hatása az erıbevezetés szélesség csökkenésének.

19 Erıbevezetés külpontosságának hatása Viselkedés modellje: Széles keskeny erıbevezetés: Méretezési eljárás: red 2 red F R 3 e = F R 1 m b f F red R beroppanás ellenállás az teherszélesség figyelembe vételével, m 3 teherbíráscsökkenés mértéke, e/b f külpontosság nagysága.

20 Parciális tényezı meghatározása 3 méretezési módszer 3 parciális tényezı Statisztikai kiértékelés: n [-] subdatabase # subdatabase #3 F R,num [kn] r [-] 0 0 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 FR,design method [kn] γ M1

21 Parciális tényezı meghatározása EN1990 tartalmaz erre vonatkozóan ajánlást, ha az méretezési eljárás kísérletek alapján lett kidolgozva. Mivel a méretezési eljárás nagyrészt numerikus szimuláción alapszik, ezt figyelembe vettem a parciális tényezı meghatározásánál. 1. Anyag- és számítási modell bizonytalanságának szétválasztása. 2. Numerikus modell bizonytalanságának figyelembe vétele. V r = ( V δ + 1) ( V Xi + 1) ( V FEM + 1) 1 = 3. Geometriai bizonytalanság figyelembe vétele. 2 2 n j V r = ( V δ + 1) ( V geom 1 + 1) ( V geom 2 + 1) ( V FEM + 1) 1 2 2

22 F+V kölcsönhatásának vizsgálata Gyakorlatban, fıleg betolással épülı hidaknál gondot okozhat nagy nyíró- (V) és keresztirányú koncentrált erı (F) egyidejő jelenléte. Tervezésben figyelembe kéne venni. 1. EC3-ban nincs ajánlás keresztirányú- és nyíróerı interakciójának figyelembe vételére. 2. Szakirodalomban nagyon kis számú kutatás található, fıleg trapézgerincő tartók esetére. Cél: Új (F+V) interakciós képlet kidolgozása trapézgerincő tartókra.

23 F+V kölcsönhatásának vizsgálata Numerikus eredmények kiértékelése (hatások szeparálásával) 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 (V-0,5F) / VR,num. 0,3 0,2 0,1 0 numerical calculations numerical results of Elgaaly et al Elgaaly et al current proposal (lower limit) F/FR,num 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1. ajánlott interakciós képlet: V 0.5 V F R F R F

24 F+V kölcsönhatásának vizsgálata Nyírási ellenállás Gerinc ellenállása a domináns Beroppanási ellenállás - Gerinc ellenállása - Övlemez ellenállása szintén domináns lehet Ha az öv ellenállás domináns gerinc kevésbé dolgozik beroppanás ellen Következtetés: Interakció hatása kifejezhetı a beroppanási ellenállásban a gerinc és öv ellenállásainak arányával. nyírási ellenállás nagyobb lesz Interakció hatása csökken

25 F+V kölcsönhatásának vizsgálata 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 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) ajánlott interakciós görbe: 2,0 1,9 V 0.5 V F a + R F F R a 1.0 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 numerical calculations developed approximation FR,w / FR,fl 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 index of the interaction equation (V-0,5F) / VR,num. F/FR,num 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 kitevı meghatározása: F 0.25 F fl R, w R, a = e a > 1. 2 de

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

27 2. tézis 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. 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.

28 3. tézis Megterveztem és végrehajtottam egy kísérleti programot trapézlemez gerincő tartók beroppanási ellenállásának meghatározására 12 nagy léptékő próbatesten. 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 (t f /t w ) is, és a köztük lévı összefüggést meghatároztam. c, A kísérletek alapján a Braun és Kuhlmann által kidolgozott méretezési eljárást pontosítottam.

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

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

31 További kutatási irányok 1. Hajlítás és keresztirányú erı kölcsönhatásának vizsgálata. 2. Szinuszhullám gerincő tartókra a kidolgozott eljárások alkalmazhatóságának vizsgálata. 3. Vasbeton övlemezek beroppanási ellenállást befolyásoló hatásának vizsgálata.

32 Köszönetnyilvánítás Témavezetıimnek: Dunai László Ulrike Kuhlmann

33 Benjamin Braun BME dolgozói Szerkezetvizsgáló Labor munkatársak Universität Stuttgart Kunstruktion und Entwurf Tanszékének dolgozói

34 Köszönöm a figyelmet!