Innovatív terméktervezés

Átírás

1 Nyugat-magyarrszági Egyetem Bencsik Balázs, Elek László, Hegedűs József, Kvács Zslt, Lakats Ágnes Innvatív terméktervezés Műszaki metaadatbázis alapú fenntartható e-learning és tudástár létrehzása TÁMOP A/1-11/

2 GSPublisherEngine tudasfelh.hu A pályázat keretein belül létrehztunk egy speciális, felhő alapú adatbázist, tudásfelhő néven, ami egymástól függetlenül is értelmes tudásmrzsákból építkezik. Ezekből az elemi építőkövekből lehet felépíteni egy-egy órai tananyagt, vagy akár egy tantárgy teljes jegyzetét. A létrejött tananyagkat a prgram nline frdítja le egy adtt eszközre, így a tananyagk ptimálisan tudnak megjelenni a diákk kstelefnján, vagy akár egy nagy előadó kivetítőjén is. A prjektben résztvevő ktatók a saját maguk által fejlesztett, létrehztt tananyagkat feltöltötték a felhő alapú adatbázisba. A felhasznált anyagk minden eleme mindig magával GSPublisherEngine viszi az eredetileg megadtt metaadatkat (pl. fénykép készítője), így a felhasználás srán a hivatkzás autmatikussá válik. Ma nagyn sk ktatási kísérlet zajlik a világban, de még nem látszik pntsan, hgy a frdíttt sztály (flipped classrm) vagy a MOOC (massive pen nline curses) nyílt videó anyagai jelentik a járható utat. Az aznban mindenki számára világs, hgy váltztatni kell a megszktt módszereken. A kidlgztt tudásfelhő keretrendszer egyszerre képes kezelni az egyéni tanulási utakat, de akár ki tud szlgálni több ezer hallgatót is egyszerre. Minden ktató a saját belátása szerint tudja alkalmazni, használni, alakítani az adatbázisát, valamint szabadn használhatja a másk által feltöltött tanagyag elemeket anélkül, hgy a hivatkzásra külön hangsúlyt kellene fektetnie. Az egyes elemekből összeállíttt jegyzetek akár személyre szabhatók, ha pntsan behatárlható a célcsprt tudásszintje. Az elkészült tananyagk nem statikus, nymtattt (PDF) jegyzetek, hanem egy állandóan váltzó, váltztatható képekből, videókból és 3D mdellekből felépített dinamikus rendszer. Az ktatók az ipar által megkövetelt legmdernebb technlógiákat naprakészen tudják beépíteni a tudásfelhőben tárlt dinamikus jegyzeteikbe anélkül, hgy új PDF jegyzetet kellene kiadni. Ez az nline rendszer biztsítja a tananyagknak és magának az ktatásnak a fenntarthatóságát is. A dinamikus, metaadat struktúrára épülő tananyagainknak ebben a jegyzetben, csak egy pillanatfelvétele, lenymata tud megjelenni. A videóknak, az interaktív és 3D struktúráknak, valamint a frissülő tartalmaknak a megjelenítésére így nincsen lehetőségünk. Az e-learning nem feleslegessé teszi a tanárkat, hanem lehetővé teszi számukra, hgy úgy fglalkzhassanak a diákjaikkal, ahgy a mai, felgyrsult világ megköveteli.

3 " A szilárdsági tervezés igénye bútrk esetében. A szilárdsági-tartóssági jellemzők tervezésének gyakrlatára bútrk esetében jellemző, hgy: - alárendelt a jelentőségük; - nincsenek leírt tervezői eljárásk, - a meglévő ismeret és alkalmazható módszerek sincsenek benn a tervezői köztudatban. A bútrk tervezése srán a szilárdsági méretezés nem elsődleges szempnt, a funkcinális, ergnómiai, frmai követelményeket általában fntsabbnak tekintik mind a felhasználók, mind a tervezők. Ugyanakkr használat közben a bútrkat is erőhatásk érik, és elvárjuk, hgy ezeket a tervezett élettartamuk srán kársdás nélkül elviseljék. Számtalan példa igazlja, hgy ez az elvárás nem mindig teljesül. Lásd 1-4. kép. A biztnságs használat igénye mellett az anyagtakaréksság is követelmény: ha frmai-esztétikai kk nem indklják, pazarlás az erőtanilag szükségesnél erősebb szelvényeket alkalmazni az egyes szerkezeti elemekhez. Márpedig szilárdsági tervezés nélkül nem tudhatjuk, mennyivel több anyagt építünk be, mint indklt lenne. Mindezek indklttá teszik, hgy a tervezés srán a bútrkat is a más teherviselő szerkezeteknél alkalmaztt elvek szerint méretezzük. 1. kép: Szerkezeti kötéseinél tönkrement székváz.

4 " 2. kép: megfelelőségi vizsgálat srán tönkrement láb-káva kötés. " 3. kép. szekrény plcának törése használati teher hatására.

5 " 4. kép: szekrény összehúzó szerelvényének kiszakadása mzgatás következtében.

6 A szilárdsági tervezés alapelvei. Az erőtani méretezés minden esetben hárm lgikai szakaszból épül fel: a terhek és hatásk meghatárzása, a statikai mdell felállítása és megldása, valamint a mdell megldásával kaptt értékek összevetése a megengedhető értékekkel. Ez a felépítés bútrknál is követhető. Az összevetés történhet a megengedett feszültségeken alapuló, vagy a határállaptra történő méretezés elve alapján. A két méretezési módszer elkülönülése bútrk esetében csupán frmális, mivel nem indklt az egyidejűleg ható terhek szttt biztnsággal való figyelembevétele. A méretezéssel azt az igényt elégítjük ki, hgy a bútr a használatával járó igénybevételeket a tervezett élettartam srán adtt biztnsággal viselje, vagyis annak a valószínűsége, hgy a szerkezeti elemek, illetve kötések teherbírása kisebb, mint a terhek által kztt igénybevételek, a tervezett élettartam srán nem lehet nagybb egy megengedhető értéknél. Ez a kckázat vállalható értéke, amit gazdaságssági alapn, a tönkremenetel által kztt kárral összefüggésben lehet meghatárzni. Cél, hgy a tervezett élettartam srán az alábbi összefüggés teljesüljön: ahl 1 P ( R( t) S( t) ) 0 # (1) R(t) az időben váltzó teherbírás értéke, S(t) az időben váltzó terhek kzta igénybevétel értéke, 1/k a kckázat vállalható mértéke. Másképpen fgalmazva, a cél az, hgy ésszerű (és ismert) kckázati szinten fennálljn az alábbi összefüggés: [ ] k Smértékadó R # határállaptjellemző (2) Az 1. összefüggést magyarázza az 1. ábra, amelyen az igénybevételnek és a teherbírásnak az élettartam kezdeti időpntjára vnatkzó sűrűségfüggvénye látható µs, illetve µr a várható értékkel. (Igénybevétel-Teherbírás Átfedés, ITÁ mdell.) A sraffzással jelölt átfedési terület nagysága annak a valószínűségét jelenti, hgy az igénybevétel értéke meghaladja a teherbírás értékét, tehát a szerkezet, vagy szerkezeti elem tönkremegy. Az SM (Safety Margin) a teherbírás és igénybevétel különbsége, mint valószínűségi váltzó standardizált (u-elszlású) értéke az R(t)-S(t) = 0 esetben. Ennek segítségével a tönkremenetel valószínűsége kilvasható a standard nrmális elszlás F(u) elszlásfüggvényének táblázatából.

7 # A 2 összefüggést magyarázza a 2. ábra, miszerint a teherbírás várható értéke az élettartam srán csökken. A tervező a tönkremenetel valószínűségének az elfgadható érték alatt tartása érdekében a teherbírás és az igénybevétel elszlásának lyan valószínűségekhez tartzó értékét hasnlítja össze (Rhatárállapt és Sdesign), melyek együttes előfrdulásának a valószínűsége nem nagybb, mint a tönkremenetel kckázatának vállalható értéke. Az Rhatárállapt és Sdesign meghatárzását különböző szerkezetek méretezésére tervezési kódexek írják elő. Európában a teherhrdó faszerkezetek esetében az Eurcde 5: Design f timber structures 1. ábra: a megbízhatóság ITÁ mdellje Igénybevétel (S) Teherbírás (R) határállapt érték

8 # 2. ábra: a megbízhatóság Igénybevétel-Teherbírás-Idő mdellje, ha az igénybevétel elszlásfüggvénye időben állandóaz Eurcde 5 alapelveinek érvényesítése bútrk tervezésénél Ez az elv tartószerkezetek méretezésénél kdifikált frmában érvényesül. Faszerkezeteknél Európában az Eurcde 5: Design f timber structures szabvány írja le az eljárás alkalmazását. Amikr az ilyen méretezési elvet és eljárást bútrknál kívánjuk alkalmazni, az építmények teherhrdó szerkezeteivel szemben különbségek adódnak az alábbiak kapcsán: - rövidebb tervezett élettartam, - kevésbé szigrú környezeti kitettség, - kckázat ésszerű szintje (milyen tervezési mértékadó értékek) - terhek-teherkmbinációk jellege, egyidejűségük: bútrknál általában egyszerűbb. 1 k # # #, a kckázat ésszerű szintje. Felvétele a kárhányad,, azaz ismeretében lehetséges. A bútrknál figyelembe kell venni, hgy tönkremenetelük nagyn ritkán jár személyi sérüléssel, így az kztt kár nem lyan mértékű, mint más, mérnöki tartószerkezetek esetében. Emiatt a tönkremenetel nagybb (mintegy 0,005 értékű) kckázata engedhető meg, alakváltzási határállaptkra ennél is magasabb az ésszerű kckázat, így a megbízhatóság célértékei: 3 Bútr végső határállaptaira R(t) = 1 - # 5 10 = 0,995 D C kár újralétesítésköltsége 1 Ilyen alapn teherhrdó épületszerkezetek végső határállaptaira # k = Ugyanezen szerkezeteknél használati (alakváltzási határállaptkra # k =

9 # 2 Alakváltzási határállaptkra R(t) = 1 - # 2 10 = 0,98 Ez úgy közelíthető meg, hgy az állaptjellemző krlátjaként, azaz határfeszültségként az épületszerkezeteknél alkalmaztt 1 -es alkalmazási valószínűséghez tartzó érték helyett az 5 - es alulmaradási valószínűségi értéket vesszük alapul, alakváltzási számításnál pedig a rugalmas anyagjellemzők várható értékénél kétszeres szórással kisebb értékkel számlunk. Az EC 5 alapelveit és metdikáját akarjuk bútrk tervezésére adaptálni, Az EC 5 előírásai a vázlt megbízhatósági elveket az alábbiak szerint viszik át a tervezés gyakrlatába: Végső határállaptt, vagy valamely szelvény, elem vagy kapcslat túlztt defrmációját tekintve igazlni kell, hgy Ahl Sd a belső erő tervezési értéke, Sd Rd Rd az ahhz tartzó ellenállás tervezési értéke. Az ellenállás tervezési értéke a szóban frgó anyagi tulajdnság és a gemetriai jellemzők tervezési értékének, esetleg tvábbi jellemzőknek is a függvénye: Rd = R(Xd, ad, ) Az anyagi tulajdnság tervezési értékét a következő összefüggéssel állapítjuk meg: Rk Rd = k md γ ahl k md # a módsító együttható, amely magába fglalja a terhelés időtartamának és a nedvességtartalmnak a hatását az anyag jellemző szilárdságára (1. táblázat), γ M # az anyagi tulajdnság váltzéknyságát figyelembevevő biztnsági együttható. Teherbírási (végső) határállaptnál: # γ M =1,3 fánál és fás anyagknál, # γ M =1,25 szerkezeti kötésekben használt acélra. R k # az anyagi tulajdnság (szilárdság, rugalmassági tényező) jellemző értéke, amit vizsgálatkkal lehet meghatárzni. A jellemző érték általában a szóban frgó tulajdnság statisztikai elszlásának 5%-s kvantilise, egyes esetekben várható értéke. Terhelés A terhelés tervezési értékeit (Fd) az alábbi összefüggéssel határzzuk meg: F # d = γ F Fk, állandó terhelés esetében: # Gd = γ G Gk, M

10 # ahl: # γ és # γ F G a terhelés biztnsági együtthatói, (állandó terhelés esetében EC 5:1995 alapján: # γ G = 1,2 ) # Fk és# Gk a terhelés karakterisztikus értékei. A terhelés tartamának sztályzása: Tartós több mint 10 évig pl. saját tömeg, Hsszú ideig tartó 6 hónaptól 10 évig pl. tárlt terhelés (könyvek, irattárak), Közepes ideig tartó 1 héttől 6 hónapig tartó használati terhelés, Rövid ideig tartó kevesebb, mint 1 hétig (székek, ágyak, asztalk, stb.), Pillanatnyi 0 rendkívüli (véletlenszerű) A terhelés tervezési értékeit tapasztalati ismeretekből és statisztikai elemzésekből, de determinisztikus módn is megadhatják. A terhelés biztnsági tényezője figyelembe veszi a véletlenszerű hatáskkal kapcslats ismeretek hiánysságát valamint a nem véletlen hatáskat is. Megbízhatósági mérlegelések alapján határzzák meg, a rendelkezésre álló adatk statisztikai értékelésével. Az együttható lehet 1, vagy 1-nél kisebb, illetve nagybb: n=1 akkr, ha a használat mindennapi körülményeiről van szó, a használati határállaptra n>1 kedvezőtlen terhelésnél, a teherbírási határállaptra n<1 kedvező terhelésnél A terhelés hatásait (S) a terhelés tervezett értékeiből (F), gemetriai mennyiségekből (a) esetleg anyagtulajdnságkból (X) állapítják meg: S = S F, F,... a, a,... X,...) Terhelésnél (illetve terhelések hatásainál) szkáss a felső kvantilis, néhány esetben megfelelő lehet az alsó érték is, pl. a helyzet stabilitásáról való meggyőződés esetén. A teherbírásnál rendszerint az alsó kvantilis értékét vagy átlagértéket használnak. A tervezett feszültséget (esetleg a belső erőket és nymatékkat) az épületmechanika módszerei és a rugalmasság elmélete alapján állapítják meg, rendszerint a feszültségek és a relatív alakváltzásk közti visznyra vnatkzó feltétel alapján (EC 5:1995). d k md ( d, 1 d,2 d,1 d, 2 d 1. táblázat A # módsító együttható értékei (Eurcde 5:1995)

11 Anyag / terhelés összesített időtartama Kitettségi sztály Tömörfa és rétegeltlemezek Tartós (több mint 10 év) 0,60 0,60 0,50 Hsszú ideig tartó (6 hónap 10 év) 0,70 0,70 0,55 Közepes ideig tartó (1 hét 6 hónap) 0,80 0,80 0,65 Rövid ideig tartó (egy hétnél rövidebb) 0,90 0,90 0,70 Pillanatnyi 1,10 1,10 0,90 Frgácslapk a EN és EN szabvány alapján Tartós 0,40 Hsszú ideig tartó 0,50 Közepes ideig tartó 0,70 Rövid ideig tartó 0,90 Pillanatnyi 1,10 Frgácslapk a EN és EN szabvány alapján, OBS az EN 300 szabvány alapján. Farstlemezek a EN szabvány alapján (kemény) Tartós 0,30 0,20 Hsszú ideig tartó 0,45 0,30 Közepes ideig tartó 0,65 0,45 Rövid ideig tartó 0,85 0,60 Pillanatnyi 1,10 0,80 Farstlemezek a EN szabvány alapján (félkemény és kemény) Tartós 0,20 Hsszú ideig tartó 0,40 Közepes ideig tartó 0,60 Rövid ideig tartó 0,80 Pillanatnyi 1,10 #

12 Bútrk szerkezeti anyagainak tervezési szilárdsága A bútrk szerkezeti anyagai közé tartznak: - természetes faanyagk, - kmpzit fatermékek, - fémek, - műanyagk, - üveg. Az utóbbi hárm anyagféleség hmgén, iztróp anyagként viselkedik. Szilárdsági és rugalmassági jellemzőik kis váltzéknyságúak, adtt összetétel, gyártási eljárás esetén ismertek, vagy szabványs mérésekkel meghatárzhatók. A természetes faanyagk esetében a szilárdsági tulajdnságk adtt fafajn belül is jelentős váltzéknysága a tervezéshez a szilárdság un. karakterisztikus, vagy jellemző értékének) alsó 5%- s kvantilis) használatát teszi indklttá. A karakterisztikus értékek meghatárzásának módját az EN 338. szabvány adja meg. Az így meghatárztt karakterisztikus értékekre az Eurcde 5. tervezési előírás ad meg faanyag szilárdsági kategóriákat lmbs és tűlevelű fafajcsprtkra, valamint előírja a szilárdság tervezési értékének számítási módját. Bútrk szilárdsági tervezésékr, ha más adat nem áll rendelkezésünkre, kiindulhatunk az EC 5-ben az adtt fafajra jellemző szilárdsági kategória karakterisztikus szilárdsági értékeiből. A szilárdsági kategóriának való megfeleltetésben a sűrűség karakterisztikus értéke támpntul szlgálhat. A szilárdságk tervezési értékének kiszámításáhz aznban figyelembe kell venni a bútr szerkezetek és használatuk sajátsságait: σ Ennek megfelelően a tervezési értékek számítása: # Közepes időtartamú terhelésre: # σ 1,2 kar kar σ terv = k md 1,2 = 0,7 1,2 = 0, 64 σ kar Hsszú ideig tartó terhelésre: # γ M 1,3 A szilárdságk adtt fafajra vnatkzó várható értékének ismeretében tervezési értékekként a méretezéssel elérendő biztnságra alkalmas érték a várható érték egyharmada: # Agglmerált termékek esetében, amennyiben a szilárdságk termékszabványban megadtt minősítő értékei állnak rendelkezésünkre (gyakri eset), ezekből a várható értékeket becsülhetjük. A tapasztalat szerint a variációs együttható v = 0,12 értéke reálisan óvats becslés, ezzel a várható érték, illetve abból a tervezési érték az alábbiak szerint alakul: σ terv = k md kar kar terv = k md 1,2 = 0,8 1,2 = 0, 74 γ M 1,3 σ σ σ σ γ kar M σ = terv σ σ 3 kar

13 # σ # = σ nrm = 1,2 σ nrm ( 1 1,645 0,1) Közepes időtartamú terhelésre: # σ Hsszú ideig tartó terhelésre: # Amennyiben várható érték áll rendelkezésünkre: Közepes időtartamú terhelésre: σ terv =,60 σ # Hsszú ideig tartó terhelésre: σ terv = 0,60 σ nrm 0 nrm σ σ σ = 0,45 1,2 3 nrm nrm terv = k md 1,2 = 0,65 1,2 = 0, 60 γ M 1,3 Bútrk terhei A terhek között figyelembe kell venni a bútr rendeltetésszerű és rendellenes használata srán fellépő erőhatáskat is. Nagyságukat tekintve széleskörű felmérések eredményeire támaszkdhatunk. Ezek a felmérések elsősrban a bútrk megfelelőségének igazlására és a bútrk minősítésére alkalmazható szabványk kidlgzását szlgálták. Eredményükként a szabványkban vizsgálati erőhatásk jelennek meg, amelyek lényegében lefedik az adtt bútrdarab használati élettartama alatt várható mechanikai erőhatásk milyenségét és nagyságát. Az erőhatásk között szerepelnek statikus, tartós, ismétlődő és dinamikus terhelések. Rövididejű statikus terhelés lép fel például egy székvázn, amikr a rajta ülő személy a háttámlának dől és azt hátrafelé feszíti, vagy a karsszékszék karjaira támaszkdva azkat függőlegesen vagy ldalirányban feszíti. Tartós terhelés hat a szekrények plcaira, székvázra a rajta ülő személy, heverővázra a rajta fekvő személy súlyereje flytán. Ismétlődő terhelés veszi igénybe a székvázakat a leülés felállás srán, az ülő személy előidézte billegtetés srán az élettartam alatt több tízezerszer. (1. ábra) Dinamikus erőhatás terheli a nehéz, megraktt bútrkat elmzdításkr (2. ábra.), ülő- és fekvőbútrkat hirtelen ráhelyezkedés srán, a székeket szállítással, takarítással összefüggő rakáslás, dbálás, elejtés srán. A terhelő erők nagysága, esetenként a milyensége függ attól, hgy az adtt bútr milyen használati körülmények közé kerül, azaz lakásbútrként, közösségi helyiségek bútraként, vagy extrém használati körülmények között szlgál. σ σ nrm nrm terv = k md 1,2 = 0,45 1,2 = 0, 42 γ M 1,3 σ σ = 0,60 1,2 2 σ σ σ σ nrm nrm

14 # # 1. ábra: szekrények vizsgálata ldalirányú erőhatásra. 2. ábra: széktámla fárasztó vizsgálata.

15 Bútr szerkezeti kötések viselkedése A szilárdságilag megfelelő bútr tervezéséhez tudni kell, milyen, és mekkra igénybevételek lépnek fel a szerkezeti elemekben és kötésekben. Általáns térbeli esetben az igénybevételeknek a krdinátairányk szerinti hárm erő-, és hárm nymaték-összetevőjével kell számlni, lásd az 1, 2. és 3. ábrát. A bútrk szerkezeti kapcslatainak teherbírását beflyásló tényezők A szerkezeti kapcslatk teherbírását fából (és faalapú anyagból) készült szerkezetek esetében az alábbi tényezők határzzák meg: - Fafaj, anyag milyensége (ezzel járó rttróp szilárdsági és rugalmassági jellemzők) - A kötés típusa (ragaszttt, ldható, saját csaps, idegen kapcslóelemes) - A kötés gemetriája (keresztmetszet, csap frmája, méretei) - Az alkalmaztt ragasztó (típusa, összetétele, mennyisége) - Az illesztés szrssága - Megmunkálási jellemzők (méretpntsság, az illeszkedő felületek minősége) - A kialakult ragaszttt kötés tulajdnságai (rétegvastagság, ragasztó penetráció) - Tvábbi megmunkálási jellemzők (a felfekvések pntssága, nedvességtartalm eltérések) A felsrlás elején álló tényezők tervezési tényezőkként vehetők figyelembe, a szilárdságt meghatárzó szerepük a felsrlás srrendjében csökkenő. A sr végén álló tényezőket célszerű úgy kezelni, hgy azk a kötések teherbírásának a szórását eredményezik. A tervezés elvi megfntlásai A csmópntk szilárdsági tervezésével kapcslats egyik nehézség az, hgy a kötés tönkremenetelét nem egyetlen feszültség-összetevő, hanem egy bnylult feszültségállapt határzza meg, aminek a pnts ismerete meglehetősen nehéz. A feszültségállapt bnylultságát az kzza, hgy a csmópnt nem hmgén, hanem eltérő tulajdnságú anyagkból felépülő véges kiterjedésű test. Így a bnylult feszültségállapt akkr is fennáll, ha egyidejűleg egyféle típusú külső terhelés hat (például síkbeli hajlítás, vagy húzóterhelés). Márpedig bútr csmópntk esetében a terhelések lyank, hgy csaknem mindig többféle igénybevétel (síkbeli, síkból kitérő, hajlító, nrmál, nyíró) egyidejű jelenlétével kell számlni. A fellépő feszültségállapt bnylultságát pedig fkzza a faanyag rttróp természete, eltérő tulajdnságú anyagk (pl. ragasztóréteg, ragasztóval átitattt faréteg) jelenléte, illesztés miatti előfeszítés, megmunkálási pntatlanság miatti kntaktushiány. A felsrlt nehézségek miatt a feszültségi állapt összetevőinek zárt frmájú meghatárzása a valóságs esetek többségében gyakrlatilag lehetetlen. A különféle csmópnt kialakításk ragaszttt, sajátcsaps vagy idegen csaps kötések, kötőelemekkel megvalósíttt ldhatatlan vagy ldható kötések teherbírására adatkat hármféle útn nyerhetünk: - Tapasztalati útn, labratóriumi mérésekkel. A tapasztalati módszer esetében a nehézséget a csmópnt kialakításk méreti, frmai, anyagi váltzatssága jelenti. - Elméleti számításkkal. A meglévő eljárásk kezelhető bnylultságú, a tényleges csmópnt viselkedését gyakran csak alig megközelítő, általában túlegyszerűsített mdelleken alapulnak.

16 # - Tapasztalati összefüggésekkel, melyek nagyszámú kísérleti eredmény feldlgzásán alapulnak. Az összefüggések elvi alapja a tönkremenetelben dminánsnak ítélt feszültségek fellépésének jellege, valamint a teherbírás adtt anyagjellemzőktől és gemetriai méretektől való függősége. A függvényben szereplő állandók, együtthatók, kitevők értéke regresszió-számítással adódik (Eckelman 1991, 1994, Kvács 2001.). A teherbírás várható értékének és tervezési értékének a kapcslata A méretezéssel elérendő biztnság igényének bútrk esetében úgy tehetünk eleget, ha a kötés teherbírás várható értékének 30 %-át tekintjük méretezési értéknek (Eckelman, 1994., Kvács, 2001.). Ezt az értéket nem haladhatja meg az élettartam srán várható terhekből származó igénybevétel mértékadó értéke, ami bútrk esetében a vizsgálati terhelésnek megfelelő érték. A méretezési és a mértékadó érték hányadsa tehát legfeljebb 1 lehet. Több igénybevétel kmpnens (például hajlítás, csap kihúzás) esetén az egyes kmpnensekre vnatkzó hányadsk összege nem haladhatja meg az 1-es értéket. A tvábbiakban a kötések teherbírásának várható értékét határzzuk meg statikus terhelési körülményekre. Ismétlődő terhelési körülmények esetén a fakötésekre jellemző kársdáshalmzódási jelenség miatt a tervezett élettartamhz kapcslódó ciklusszámtól függő mértékben csökken a kötés teherbírása. Ezért annak tervezési értékét es ismétlődési számig 0,75-s tényezővel, nagybb ismétlődési szám esetés 0,5-ös tényezővel tvább kell csökkenteni. 1. ábra: keret csmópnt igénybevételi kmpnensei.

17 # 2. ábra: szlp-kávakötés igénybevételi kmpnensi. # 3. ábra: kávakötés igénybevételi kmpnensei.

18 Bútr szilárdsági mdell - keretszerkezet Az igénybevételek krrekt meghatárzáshz a váz- vagy lapszerkezetű bútr, mint tartószerkezet (rúdszerkezet, felületszerkezet) erőtani elemzése szükséges a bútrdarab statikai mdelljének felvételével és a mdell megldásával. Vázszerkezetű bútrk esetében a mdell leggyakrabban statikailag határzatlan térbeli keretszerkezet (1. kép, 1. ábra), a fakötésekre jellemző csmópnti sajátsságkkal. Ezek a csmópnti sajátsságk befgási merevség értékek - a terhelés jellegétől, azaz időtartamától, ismétlődésétől, dinamikus vltától is függenek, és lényegesen beflyáslhatják az adtt terhelésnél kialakuló igénybevételeket. Síkbeli és térbeli keretszerkezetek számítására léteznek számítógépes prgramk, melyek a mdellezett szerkezet elemzését megkönnyítik. A számításk elve a keretszerkezetek elmélete, a megldási módszer többnyire az un. mátrix-elmzdulás módszer, amely az egyes szerkezeti elemek (rúdszakaszk) merevségi mátrixából a kapcslódásaiknak megfelelően az egész szerkezet merevségi mátrixát állítja össze. Ez lesz az ismeretlen elmzduláskra felírható egyenletrendszer együttható-mátrixa. A módszer a mdellre pnts eredményt szlgáltat. Ezzel az eljárással, illetve számítógépes installációjával a szerkezeti kötések kísérleti útn meghatárztt véges merevségi, más szóval hajléknysági jellemzői is figyelembe vehetők, melyek a terhelés és csmópnti alakváltzás kapcslatát írják le (Lásd a 2. és 3. ábrát). Az 1. táblázat az ldhatatlan keretkötések hárm gyakri típusára tartalmaz irányadó értékeket a síkbeli, valamint síkból kitérő hajlításkr érvényesülő hajléknysági együtthatókra a kötés méreti jellemzők függvényében. Ezeket az adatkat sk kísérleti vizsgálat támasztja alá. A számítási mdellben való mellőzésük az eredmények számttevő eltéréséhez vezet. Értékük váltzása egy nagyságrenden belül kis hatású. A keretszerkezet mdell inputjait a szerkezet (rúdszakaszk és csmópntk) tplógiája, a rúdszakaszk keresztmetszeti valamint anyagi jellemzői, a rúdszakaszk csmópntkba való kapcslódásának hajléknysági jellemzői, a csmópntkban vagy rúdszakaszkn ható külső terhelés kmpnensek, valamint a csmópntk elmzdulási szabadságfkai jelentik. Lásd a 4, 5. és 6. ábrát. A számítás kimeneteként valamennyi csmópnt elmzdulás-összetevőit, valamint a rúdvégek igénybevétel összetevőit kapjuk, melyekből a csmópnt-közi, mezőértékek egyszerűen származtathatók. Nem áll még rendelkezésre lyan gyakrlati számítási eljárás, amellyel felületszerkezetű bútrk pnts erőtani számítása elvégezhető lenne. Az ilyen szerkezetekre a végeselemes, közelítő számítási módszer alkalmas, amit száms szftver támgat (ANSYS, SlidWrks, Cnsl, Pr- Engineer, stb.). Sk bútrdarab kmbinált, részben héj-, részben vázszerkezetű. Ezek a szerkezetek a keretszerkezet számítás és a végeselem módszer együttes alkalmazásával, vagy tisztán végeselem módszerrel vizsgálhatók. Végeselem módszer alkalmazása esetében a számítási mdell a valóságs gemetriát tartalmazhatja, bár célszerű lehet ebben az esetben is egyszerűsíteni azt.

19 # # 1. kép: vázszerkezetű bútr (szék) valóságs kialakítása 1. ábra: az 1. képen mutattt szék vázának, mint tartószerkezetnek a statikai mdellje.

20 # # 2. ábra: faanyagú szerkezeti csmópnt (kötés) idealizált és valóságs viselkedése síkbeli hajlító nymatékkal terhelve; balldali ábra: ideális tökéletesen merev kapcslat; jbbldali ábra: valóságs, szögváltzást elszenvedő kapcslat, az alakváltzás felnagyíttt bemutatásával. 3. ábra: a térbeli hat igénybevétel kmpnensnek megfelelő csmópnti alakváltzás összetevők keret sarkkötés esetében.

21 # 4. ábra: input az 1. ábra statikai mdelljének számításáhz; a csmópntk krdinátái kávaelemekkel párhuzams tengelyű krdinátarendszerben. # 5. ábra: input az 1. ábra statikai mdelljének számításáhz; a rúdszakaszk keresztmetszeti jellemzői és keresztmetszetük rientációja.

22 # 6. ábra: input az 1. ábra statikai mdelljének számításáhz.

23 Bútr szilárdsági mdell végeselem mdell Nem áll még rendelkezésre lyan gyakrlati számítási eljárás, amellyel felületszerkezetű bútrk pnts erőtani számítása elvégezhető lenne. Az ilyen szerkezetekre a végeselemes, közelítő számítási módszer alkalmas, amit száms szftver támgat (ANSYS, SlidWrks, Cnsl, Sfistik, Pr-Engineer, stb.). Sk bútrdarab kmbinált, részben héj-, részben vázszerkezetű. Ezek a szerkezetek a keretszerkezet számítás és a végeselem módszer együttes alkalmazásával, vagy tisztán végeselem módszerrel vizsgálhatók. Végeselem módszer alkalmazása esetében a számítási mdell a valóságs gemetriát tartalmazhatja, bár célszerű lehet ebben az esetben is egyszerűsíteni azt. A végeselem módszer numerikus eljárás parciális differenciálegyenletekkel leírható mérnöki prblémák, un. peremérték feladatk közelítő megldására. Jelentősége abban áll, hgy a prblémát leíró differenciálegyenlet(rendszer) az bjektum bnylultabb (valóságs) gemetriájával a legtöbb esetben analitikusan nem megldható, így a hagymánys, analitikus eljárás alkalmazásáhz az bjektumn túlztt mértékű egyszerűsítést kellene alkalmazni. A végeselem mdell szilárdsági számításk esetében az bjektum gemetriai mdelljéből, elemeinek anyagmdelljeiből (rugalmas, lineáris, nemlineáris, elaszt-plasztikus, viszkózus, stb.) és a hzzájuk tartzó jellemzőkből, a külső terhekből (hatásfelület, nagyság, irány, megszlás, időfüggés stb), valamint a megtámasztáskból (csúcsk, élek, felületek szabadságfkai) áll ami a gemetria behálózásával, un. diszkretizálásával egészítünk ki. A diszkretizálás az egész elemzett tartmány kisebb tartmánykra végeselemekre - való felsztását jelenti, a számítási mód ezekre az egyszerű gemetriájú, kis résztartmánykra keresi a valóságshz közelítő megldást. A közelítés pntssága a választtt elemtípustól (lineáris, kvadratikus, köbös, stb) flytnssági feltételektől, valamint a hálózás sűrűségétől függ. Összetett szerkezeteknél az egyes szerkezeti elemekre érintkezési feltételeket kell meghatárzni, kölcsönös elmzdulási lehetőségeiket emellett a kapcslóelemek különböző típusaival lehet mdellezni. A mdellről elmndttak előállítása számítógépesen az un. elő-feldlgzás (preprcessing) srán történik meg. A mdellt (skismeretlenes lineáris egyenletrendszer) a megldó prgram (slver) ldja meg. Megldásként előáll valamennyi csmópntra valamennyi elmzdulásösszetevő, nyúlásösszetevő, feszültség-összetevő valóságst közelítő értéke. A prgramt használó az utófeldlgzás (pst-prcessing) srán ebből jelenítheti meg a számára fnts eredményeket a kívánt frmában, azaz kmpnens és eredő elmzdulás és feszültség ábrát színsávs, vagy vektrs frmában határló felületekre vagy metszetekre, biztnsági tényező elszlását, listázhatja a csmópnti értékeket, felületi eredő értékeket, stb. Bútrk szilárdsági mdellezése tekintetében is lényeges, hgy az un. térfgati elemek mellett használhatunk felületelemeket (héjak, tárcsák mdellezésére), valamint vnalelemeket (rúdelem, gerendaelem) vázszerkezetek mdellezésére, ezáltal a számítási igén és a megldás időszükséglete jelentősen csökkenthető. Ugyancsak fnts, hgy a vnalelemekkel mdellezett váz ra nem csak feszültségértékeket, hanem igénybevételi ábrákat is előállít a prgram (4. ábra), ami megkönnyíti a kötések teherbírásával történő összehasnlítást. Székváz Sfistik prgrammal előállíttt végeselemes mdelljét mutatja az 1. ábra a háttámla terhelésekr kialakuló feszültségekkel; a háttámlát héjelemekkel hálóztuk be. A 2. ábra ugyancsak a Sfistik prgram használatával készült, egy plcs szekrény mdelljét mutatja, egy merev és egy hajléknyan beépített vízszintes sztóval, valamint egy szabadn alátámaszttt plccal, szintén héjelemek használatával.

24 # A 3. ábra íróasztal Sfistik prgrammal készült szilárdságtani mdellje, az asztallap defrmációját mutatja felnagyítva, a 4. ábra ugyanennél az asztalnál a vnalelemekkel mdellezett vázban és a kapcslatkban ébredő erőket mutatja. 1. ábra: ülő-és hátfelületén terhelt szék végeselemes szilárdsági mdellje, Sfistik prgram # 2. ábra: vízszintes felületein terhelt szekrény végeselemes szilárdsági mdellje, Sfistik prgram

25 # 3. ábra: irdai asztal szabványs terhelésekr fellépő alakváltzás mdellezése végeselem módszerrel, az elmzdulásk 1-nél nagybb léptékű megjelenítésével. # 4. ábra: az irdai asztal vázelemeinek és kötőelemeinek hajlító igénybevételi ábrája.

26 Különleges (intelligens) anyagk felhasználása a termékfejlesztésben 5. Az anyagtudmány fejlődése Kr anyagaihz kötődik (kő, brnz, vas) A kémiai szerkezet felismerése lehetővé teszi anyagk célztt fejlesztését (szerkezeti anyagk). Ezek környezetükkel érintkeznek, frmájukat igyekeznek őrizni Funkcinális anyagk: nem a legelőnyösebb mechanikai tulajdnságk elérése a fő cél, hanem fizikai tulajdnságaik összekapcslása egy rendszeren belül (pl.: Szelén, Szilícium) Intelligens anyagk: azk a funkcinális szintetikus anyagk, amelyek érzékelik közvetlen környezetük állaptának egy vagy több jellemzőjét, a jeleket feldlgzzák, majd ezekre, állaptuk megváltztatásával, gyrs és egyértelmű választ adnak. 6. Anyagválasztás A mérnöki feladatk legfntsabb és az egyik legnehezebb része A ma mérnöke számára ezer anyagféleség áll rendelkezésére (fémek, kerámiák, üveganyagk, plimerek, elasztmerek, a belőlük készült kmpzitk) Egy termékhez felhasznált alapanyagk választásnál figyelembe kell venni a terméket érő külső igénybevételeket és az anyag alakításáhz felhasználható technlógiákat. A tervező feladata az, hgy a knstrukció, az anyag és a feldlgzási technlógia hármas legptimálisabb kmbinációval valósítsa meg az igénybevételeknek megfelelő terméket. Általában nem csak egy jó megldás van A lehetséges megldásk közül a legkisebb költségráfrdítással járó és a legnagybb hzzáadtt értékkel rendelkező megldást kell választani. 1. ábra. Az anyag-,technlógia-, knstrukció kapcslata