Alumínium szerkezetek tervezése 5. előadás

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; geri@vbt.bme.hu

Japán hídszerkezet rekonstrukció

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

Pályalemez rendszer 200 250 ortotróp lemez: extrudált profilok

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

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

Pályalemez rendszer 200 250 Alumínium lemez főtartók ortotróp lemez: extrudált profilok gerenda szegmens a fő teherviselő irányban

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

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

mechanikai jellemzők alapanyag: A6N01S T5 technológia Névleges feszültség [MPa] 300 250 200 150 100 50 215.754 268.271 alapanyag Alapanyag keresztirányban 0 70290 0,311 221,261 245,141 268,629 7,950 0 2 4 6 8 10 12 14 kereszt hossz szakítópróbák Nyúlás [%] 219.389 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

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

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

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

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

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

Nr. 40x100 prismatic steel 750 Geometriai jellemzők A A P l = 1500 mm Steel girder Elastic layer l = 100 1 750 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 0,1 1309505,37 5,0 (49,0) 50,0 (490,3) 45,0 (441,3) 159,97 122,161 1763 dupla 2 2,0 0,1 654752,68 2,5 (24,5) 25,0 (245,2) 22,5 (220,6) 107,57 164,286 2371 szimpla 3 2,0 0,1 654752,68 2,2 (21,6) 22,0 (215,7) 19,8 (194,2) 94,66 144,572 2086 szimpla 4 2,0 0,1 654752,68 1,4 (13,7) 14,0 (137,3) 12,6 (123,6) 60,24 92,000 1328 szimpla x Megj.

1000 Feszültségtartomány [MPa] 100 10 2 3 1 4 alapanyag, R = 0.1 B-gerenda, R = 0.1 EC9 (részlet:44-4.5) 10000 100000 1000000 10000000 100000000 5 EUROCODE 9 (részlet: 44-4.5) S-N görbe: csökkenti a fáradási szilárdságot 3 4.: felületi hibánál keletkező repedés hegesztési irány hegesztés előtt α már hegesztett Ismétlődési szám

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] [%] 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 30,503 250 repedésterjedés: z : fáradt repedés alapanyag: rideg törés x

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

Közlekedési csomópont rekonstrukció

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

Szerkezeti rendszer Alumínium pályalemez főtartók: acél vagy alumínium?

Többszörösen merevített web plate gerinclemezes tartók 2x70x10 600 mm welding horizontal stiffener vertical stiffener 150x6 + 120x6 1xbsxt s 1275 mm 150x6 joining (MIG, ) 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 EC9/3: welded, non heat-treated +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

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