Alumínium szerkezetek tervezése 4. előadás

Szakmérnöki kurzus Alumínium szerkezetek tervezése 4. előadás Komjádi uszoda felújítása. Japán hídszerkezet rekonstrukciós kutatás. Japán közlekedési csomópont rekonstrukció. Dr. Vigh László Gergely egyetemi docens BME Hidak és Szerkezetek Tanszék Kmf85.20; geri@vbt.bme.hu Dr. Fernezely Sándor

1) Bevezetés A tárgy felépítése 2) Az alumínium, az alumínium ötvözetek jellemzői, gyártástechnológia 3) Az alumínium szerkezetek sajátosságai 4) Méretezés az Eurocode 9 alapján 5) Számítási példák az EC9 szerint 6) Szerkezetrekonstrukció

Komjádi uszoda rekonstrukciója Fernezelyi Sándor Vigh L. Gergely Poligon-Teta Kft. CEOS Kft. Forrás: Fernezelyi; Seregi

Komjádi uszoda 1976 alumínium kéthéjú donga (hevederekkel összekötött 1,2 mm-es lemezek, köztük kemény poliuretán hab szigetelés) fajlagos anyagfelhasználás: 22 kg/m 2 fesztáv: 40 m (fix tető) és 42 m (mozgatható rész) AlMgSi alu szegecsek; rozsdamentes acél csavarok széleskörű kutatás: korrózióvédelem, kapcsolatok, 1:1 teherbírási kísérlet, stb.

ME Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék artószerkezet-rekonstrukciós Szakmérnöki Kép

városi víz használata erőteljesebb korrozív környezet poliuretán festék védelem, 5-6 évenkénti újrafestés speciális fűtő-ventilációs rendszer (támaszoknál meleg levegő befúvás; taréjnál szívásmeleg levegő végigáramlik a dongahéj vonalán, azt fűtve és szárítva gazdasági okokból a ventilációs rendszert kikapcsolták pár év elteltével kondenzáció újrafestést elhanyagolták 20 év után: első állapotfelmérés meglepően jó eredmény 4-5 évenként újabb felmérés 2009: felújítás halaszthatatlan

Alumínium donga reprezentatívszemrevételezés (korróziós nyomok, mechanikai sérülések, kapcsolatok sérülése, hiányzó kapcsolati elemek, stb.): felület 10%-a 8 anyagvizsgálati minta: mechanikai jellemzők változatlanok korróziós mérés: ultrahangos nem okés mikroszkóp minta 16 helyről Mintavétel Állapotfelmérés Korróziós mélység (µm) 1. 3. 11. 14. 16. 20. a b a b a b a b a b a b 1. 83,5 122,0 34,4 16,2 79,6 24,1 141 22,1 50,6 51,1 68,3 21,1 2. 75,2 53,6 21,1 100,7 48,6 108,1 20,6 89,4 46,7 81,1 26 3. 83,5 31,4 89,4 80,1 50,1 21,1 70,3 74,6 28,5 4. 74,7 31,0 191,6 79,1 123,8 29,5 208,3 21,6 28,5 5. 17,2 34,9 220,6 173,4 105,6 27 73,2 157,2 34,9 6. 50,1 29,5 61,9 91,4 171 211,3 A méretek µm ben értendők. a: belső b: külső

Acél támasz korróziós mérés: ultrahangos, 120 helyen fix ív alatt: enyhe korrózió (1-2 mm), mérsékelt renovációs szükség mozgatható ív alatt: súlyos korróziós károk (44% krm-iterület) teljes sarucsere szükséges

Eurocode 9 Szerkezeti analízis állapotfelmérés eredményeinek (korróziós krm. csökkenés) figyelembe vételével globális analízis globális teherbírás nincs veszélyben de sarucsere szükséges a mozgatható ív alatt

Sarucsere Rekonstrukciós munka

Alu donga felülettisztítás: nedves homokfúvás magas nyomás: hólyagosodás, üregesedés, réteges leválás ált. 0,1~0,15 mm (8-12%) korrodált környezetben akár lyukadás összes Al lemez ellenőrzése (2268 db) 66%: nincs 26%: enyhe 6%: erőteljes károsodás globális teherbírást nem befolyásolta lokális javítás: rozsdamentes acél szegecses hevederezés (eredeti anyag) új korrózióvédelem

2010 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 2030?

Japán hídszerkezet rekonstrukció Vigh L. Gergely Ichiro Okura Dunai László Nobuyasu Hagisawa Rokuro Nishiyama Makoto Naruo Taiki Nakahara Forrás: Okuraet al; Vigh; Vigh et al;

kiváltó okok: Kiinduló projekt hidak öregedése, forgalomnövekedés, fesztáv növelése JIS szabványos járműteher 20 tf25 tf lehetséges megoldás pályalemez cseréje kisebb súlyúra csökken a holtteher, nő a hasznos teherbírás Osaka University - 1999: alumínium ötvözetek alkalmazása kis fajsúly

Pályalemez rendszer 200 250 ortotróp lemez: extrudált profilok FSW

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

Pályalemez rendszer FSW FSW FSW FSW 200 250 Alumínium lemez főtartók ortotróp lemez: extrudált profilok FSW

Pályalemez rendszer FSW FSW FSW FSW 200 250 Alumínium lemez főtartók ortotróp lemez: extrudált profilok FSW gerenda szegmens a főteherviselő irányban

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

Kísérletianalízis Szakítópróbák Teherbírási teszt (B-gerenda) Fárasztó teszt (B-gerenda)

FSW mechanikaijellemzők alapanyag: A6N01S-T5 FSW technológia Névleges feszültség [MPa] 300 250 200 150 100 50 215.754 268.271 alapanyag Alapanyag FSW keresztirányban 0 70290 0,311 221,261 245,141 268,629 7,950 0 2 4 6 8 10 12 14 FSW kereszt FSW hossz szakítópróbák Nyúlás [%] 219.389 FSW hosszirányban E ν f prop f 0,2 f u ε u [MPa] [-] [MPa] [MPa] [MPa] [%] 69042 0,324 56,698 112,369 220,560-67297 0,330 83,723 126,975 218,305 30,503

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

B típusú gerenda -Teherbírási teszt 100 750 P l = 1500 1700 mm 750 100 400 z FSW 250 FSW x 250

1200,00 1000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 B típusú gerenda -Teherbírási teszt Pult,exp = 1152.105 kn P ult,beam = 1064.538 kn Pcr = 921.560 kn Pprop,exp = 803.341 kn 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 Lehajlás [mm] Teher [kn] 6.11 18.10

Teher [kn] 1200,00 1000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 B típusú gerenda -Teherbírási teszt P ult,exp = 1152.105 kn P ult,beam = 1064.538 kn P cr = 921.560 kn P prop,exp = 803.341 kn 6.11 18.10 0,00 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

Numerikusmodellfejlesztés 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

1200 1000 800 600 400 200 P ult,1 = 1151.508 kn P ult,exp = 1152.105 kn 0 5 10 15 20 25 Deflection of centerpoint [mm] Test combined material 0 Load [kn]

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

k é z s n p a T é i 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 ze E e k M B szer ó t r Ta

alap Eurocode eljárás hajlítási ellenállás: keresztirányú teher: interkació:

módosított EC eljárás

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 fáradás: z σ x local felső öv- lokális lemeznyomaték alsó öv -globális nyomaték x

Nr. 40x100 prismatic steel 750 Ge ometria i jellemzők A A P l = 1500 mm Steel girder Elastic layer l = 100 1 750 Te hertartomá ny A-A p Nyo m. tart. z FSW FSW Fesz. tart. l l 1 W x,el,2 P min P max P Μ σ Alakv. tart. m m mm 3 tf (kn) knm MPa µ ε 1 1,5 0,1 1 30 9505,3 7 5,0 (49,0) 50,0 ( 490,3) 4 5,0 ( 441,3) 15 9,97 122,1 61 17 63 du pla 2 2,0 0,1 65 47 52,68 2,5 (24,5) 25,0 ( 245,2) 2 2,5 ( 220,6) 10 7,57 164,2 86 23 71 szimpla 3 2,0 0,1 65 47 52,68 2,2 (21,6) 22,0 ( 215,7) 1 9,8 ( 194,2) 94,6 6 144,5 72 20 86 szimpla 4 2,0 0,1 65 47 52,68 1,4 (13,7) 14,0 ( 137,3) 1 2,6 ( 123,6) 60,2 4 92,00 0 13 28 szimpla ε x Megj.

1000 Fesz ültségtartomány [MP a] 100 10 2 3 1 4 alapanyag, R = 0.1 B-gerenda, R = 0.1 EC 9 (rész let:44-4.5) 10000 100000 1000000 10000000 100000000 5 EUROCODE 9 (részlet: 44-4.5) S-N görbe: FSW csökkenti a fáradási szilárdságot 3-4.: felületi hibánál keletkező repedés hegesztési irány hegesztés előtt α már hegesztett Ismétlődési sz ám

alapanyag: rideg törés Alapanyag FSW kereszt FSW hossz FSW régió: fáradt repedés E ν f prop f 0,2 f u ε u [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 repedésterjedés: FSW: fáradt repedés alapanyag: rideg törés

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

Közlekedési csomópont rekonstrukció Vigh L. Gergely Ichiro Okura Dunai László Nobuyasu Hagisawa Rokuro Nishiyama Takahisa Utaki Kouji Kitamura Osamu Okada Forrás: Okuraet al; Vigh; Vigh et al;

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

Szerkezeti rendszer Alumínium pályalemez főtartók: acél vagy alumínium?

web plate Többszörösen merevített gerinclemezes tartók 2x70x10 600 mm welding horizontal stiffener vertical stiffener 150x6 + 120x6 1xbsxt s 1275 mm 150x6 joining (MIG, FSW) P 150 150 150 150 2x70x10 600 mm 4 2x70x10 600 mm extruded profiles kis merevítőborda = lemezszerű viselkedés

Depth from web top [mm] Imperfekciók különböző gyártási eljárások okozta kezdeti imperfekciók: -300-200 -100 0 100 200 before after difference stiffener and weld location stiffener and weld loc., middle of the web geometriai imperfekció hegesztési sajátfeszültségek Hegesztési sajátfeszültségek Residual stress [MPa] 0 50 100 150 200 250 300 Web depth [mm] 633.9 422.6 211.3 0 Geometriai imperfekciók 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Imperfection [mm]

2x70x10 600 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] S0 --- --- --- S8 20 4 150 6 + 6 S9 1275 600 4 25 5 3 S10 30 5 S12 200 10 30 5 J1 200 14 J2 1902 634 4.5 260 22 2 25 4.5 J3 200 12 1xbsxt s 1275 mm 150x6 + 120x6 P 150 150 150 150 150x6 2x70x10 600 mm 4 2x70x10 600 mm

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 S12 S10 S0 S0: no stiffener S8: 20x4 mm S9: 25x5 mm S10: 30x5 mm S12: 30x5 mm (strong flange) Deflection (mm) S8 S9 0 10 20 30 40 0 Load (kn) Teherbírási kísérletek

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 0.006 ~ 1

Lineáris stabilitási vizsgálat

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

Virtuális kísérletek tesztelt gerendák Load (kn) 1000 900 800 700 600 500 400 300 S12 S8 S0: no stiffener S8: 20x4 mm 200 S9: 25x5 mm 100 S10: 30x5 mm S12: 30x5 mm (strong flange) 0 0 5 10 15 20 25 S0 Deflection (mm) S10 S9 Load (kn) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 J2 J1 0 0 10 20 30 40 50 60 Deflection (mm) J1: bending J2: bending + shear J3: bending + shear J3

Javaslat szabványos lejárás módosítására

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 + - - 0.36f 0.2 0.12f 0.2 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 500 1000 1500 x (mm) HAZ material HAZ material 600 500 400 300 200 100 0 Geometrical imperfection (mm) y (mm) 0 1 2 Imperfection (mm) welding

Paraméteres vizsgálat gyártási eljárás hatása a teherbírásra ρ (-) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 EC9/1: unwelded, heat-treated EC9/2: welded, heat-treated or unwelded, non heat-treated 0 1 2 3 4 λ P (-) MIG/1 MIG/2 FSW EC9/3: welded, non heat-treated FSW+small imp.

Load (kn) 1200 1000 800 600 400 200 0 0 10 20 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) 1200 1000 800 600 400 200 0 t w = 8 mm, b s = 25 mm, t s = 4.5 mm 160x20, MIG1 160x20, MIG2 160x40, MIG1 160x40, MIG2 0 20 40 60 Deflection (mm) Load (kn) 600 500 400 300 200 100 0 t w = 4.5 mm, b s = 36 mm, t s = 10 mm 160x20, MIG1 160x20, MIG2 160x40, MIG1 160x40, MIG2 0 10 20 30 Deflection (mm)

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

Irodalom Fernezelyi Sándor, Kövesdi Balázs, Vigh L Gergely. Alumíniumszerkezetek tervezése az Eurocode 9 alapján. Budapest: Terc Kiadó, 2012. 218 p. TALAT: Training in Aluminium Application Technologies http://www.eaa.net/eaa/education/talat/index.htm European Aluminium Association: http://www.eaa.net/ MSZ EN1993-1-5:2006. Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 1-5: Plated structural elements. MSZ EN1999-1-1:2007. Eurocode 9: Design of aluminium structures- Part 1-1 : General structural rules Vigh L G. Virtual and real test based analysis and design of non-conventional thin-walled metal structures. 128 p. 2006. (PhD) Vigh L G, Okura I. Fatigue behaviour of Friction Stir Welded aluminium bridge deck segment. MATERIALS & DESIGN 44: pp. 119-127. (2013) Vigh L G. On the Eurocodebuckling formulas of multi-stiffened metal plates.international Colloquium on Stability and Ductility of Steel Structures, SDSS 2006, Proceeding. Lisbon, Portugália, 2006.09.06-2006.09.08. Lisbon: pp. 545-552. Vigh L G. Influence of curved flange-to-web connection on the transverse load resistance of extruded or hot-rolled I girders.thin-walled STRUCTURES 60:(C) pp. 127-136. (2012) Simon József, Kemenczés András, Vigh László Gergely. Bordákkal merevített, nyomott lemezek optimális bordaméretének vizsgálata nemlineáris analízis alapján. XI. ANSYS Konferencia econ Felhasználói Találkozó, 2011. április 19., Budapest Vigh László Gergely, Kovács Nauzika, Dunai László, Szatmári István. Merevítetlen és merevített lemezek stabilitásvizsgálata Duna-hidakon. pp. 113-118. BME Hidak és Szerkezetek Tanszéke Tudományos Közleményei (2005) Vigh L G, Okura I. Buckling of multi-stiffened metal plates fabricated by non-conventional methods. The Seventh International Conference on Computational Structures Technology. Lisbon, Portugália, 2004.09.07-2004.09.09. Stirlingshire: Civil-Comp Press, 19 p. Paper 255. Vigh L G. Virtualexperiments of FSW-fabricatedaluminiumstructuralelements. Proc. 6th International ConferenceonComputationalStructuresTechnology. Prague, Csehország, 2002.09.04-2002.09.06. Stirlingshire: Civil-Comp Press, 16 p. Paper 102. Vigh L G. Alumínium szerkezeti elemek kísérleti és numerikus analízise. MAGÉSZ HÍRLEVÉL-MAGYARORSZÁGI ACÉLSZERKEZET-GYÁRTÓK ÉS ÉPÍTŐK SZÖVETSÉGÉNEK LAPJA IV:(3) pp. 20-23. (2002) Okura I, Naruo M, Vigh L G, Hagisawa N, Toda H. Fatigue of Aluminum Decks Fabricated by Friction Stir Welding. Proc. 8th International Conference on Joints in Aluminium. München, 2001. pp. 4.1.1-4.1.12. Mikami K, Kitamura K, Okura I, Vigh L G, Utaki T. Development of aluminium stiffened plate. Proc. 1st Symposium on Implementation of Aluminum Alloy Structures, Handai Frontier Research Center. Osaka, Japán, 2004.01.29. pp. 52-54. Vigh L G. Virtualexperiments of FSW-fabricatedaluminiumstructuralelements. Proc. 6th International ConferenceonComputationalStructuresTechnology. Prague, 2002. 16 p. Paper 102. OkuraI, KitamuraK, AkasakiK, UtakiT,Vigh L G, MikawaK. Proposalof a newaluminumstiffenedgirder. KOZO KOGAKU RONBUNSCHU A-JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING A 51A:(1) pp. 203-210. (2005) Fernezelyi S. Refurbishment of great span movable aluminium roof of a swimming pool. Proc. Eurosteel 2011, Budapest. 2011. Seregi, G, Fernezelyi, S, Alumínium tetőszerkezet, Magyar Építőipar, Vol. 9, No. 2, pp. 142-149, 1977.

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