Változó keresztmetszetű gerenda axis mérnöki alkalmazásai és keresztmetszeti változások hatása
A mérnöki faszerkezetekhez kapcsolódó modulok rendkívül széles tervezési területet ölelnek fel. Segítségükkel méretezhetünk egyszerű és bonyolult térbeli rúdszerkezeteket, azok keresztmetszeteit egyedi szempontrendszerek szerint optimalizálhatjuk, a tűzméretező modullal gondoskodhatunk a szerkezet tűzhatás alatti megbízhatóságáról is. Manapság egyre nagyobb teret kapnak a rétegelt ragasztott fapanel szerkezetek CLT (XLAM) az előnyös épületfizikai, szilárdsági tulajdonságaik és a szinte korlátlan alkalmazási lehetőségeik miatt. A fa rúdszerkezet méretező modullal egyszerű síkbeli és bonyolult térbeli modellek elemszintű vizsgálatára van lehetőségünk. A teherbírási és használhatósági vizsgálathoz szükséges paramétereket ún. méretezési elemekhez lehet hozzárendelni, mellyel figyelembe vehető a szerkezeti kialakítás is. Az elemszintű méretezési eljárás tartalmazza az egyes igénybevételek kölcsönhatásának szilárdsági és stabilitási vizsgálatát, de többféle lehajlás kritériumot figyelembe vevő lehajlásvizsgálatot is elvégezhetünk. Az elemeken lévő gyengítéseket az anyagkönyvtárban található előre definiált anyagokkal (fűrészelt áru, Glulam vagy LVL termék) lehet modellezni; az adatbázis tetszőlegesen bővíthető új vagy egyedi termékekkel. A modul változó keresztmetszetű megközelítése az ún. tervezési paraméterek szerint értelmezhető. Az eredmények kiértékelését többféle eszközzel támogatja a modul: diagramokban megjeleníthetők az eredmények és a számított paraméterek, de a méretezési elemek részletes eredményei külön ablakban is megtekinthetők.
A lehajlásvizsgálat két főirányban (lokális y, z tengely) végezhető el. A lehajlás viszonyítási pontja lehet relatív (végpontokhoz viszonyítva), de a tényleges elmozdulás is figyelembe vehető. A modul segítségével a faszerkezetek tűzhatásra való elem szintű méretezését végezhetjük el. Egyszerűsége okán az elemszintű vizsgálat a legelterjedtebb igazolási forma a mérnökök körében, ugyanis a szerkezet egy részének összetett vizsgálata, illetve a teljes szerkezet vizsgálata rendszerint nemlineáris numerikus modellt és nemlineáris statikai analízist igényel.
Részleges keresztmetszetek és dinamikus karakterisztika
A fa rúdszerkezet méretező modulja lehetővé teszi a változó keresztmetszetű tartók és körív tengelyű tartók esetén a nyírófeszültségek és a keresztirányú normálfeszültségek kiszámítását. Kétféle keresztmetszet változást vizsgálunk: egyenes tengelyű és körív tengelyű tartók esetén a nyírófeszültség képletei nemlineáris összefüggéseket mutatnak. A körív sugara, és az egyenestengelyű tartókhoz hasonlóan, a keresztmetszet változása befolyásolja a nyírófeszültség nagyságát és változását. A Grashof-képlet szerint a normálfeszültségek vonala a húzott tartókban hiperbolikus jelleggel változnak, még a Bernoulli-Navier hipotézis érvényessége esetén is. A változó keresztmetszetű gerenda és körív tengelyű tartó nyíró- és keresztirányú normálfeszültségeinek számítását végeselem módszerrel, numerikusan vagy analitikus összevetéssel hasonlítjuk össze.
Síkgörbe és körív tengelyű rudak esetén a tartó tengelyével párhuzamos szálak nem egyenlő hosszúak, ezért hajlításkor az egyes szálak megnyúlása nemlineárisan változik a súlyponti száltól mért távolsággal. Ennek megfelelően a normálfeszültség Grashof-féle hiperbolikus leírása érvényes lehet még a Bernoulli-Navier hipotézis tekintetében is. A változó keresztmetszetű gerenda és körív tengelyű tartó nyíró- és normálfeszültségeinek azonban numerikus és analitikus összevetése szükséges a megbízható tervezéshez. A cikk következő részében egy kéttámaszú fa gerenda lehajlásának számításáról lesz szó Eurocode figyelembevételével, ahol a terhelések két vonalmenti komponenssel rendelkeznek és az állandó teher is részletesen kiértékelésre kerül.
Gyakorlati példák és tervezési megfontolások
A számításokat különféle teheresetekre végezzük, például hóteherrel terhelt gerenda esetében a teher 0,8 kN/m-es értékkel hat, és a kombinációs tényezők ψ0=0,5; ψ1=0,2; ψ2=0,3. Közbülső födémgerenda terhelése esetén két eltérő intenzitású vonalmenti teher működik (2 kN/m és 0,25 kN/m). A figyelembe vett kombinációs tényezők azonosak mindkét tehernél: ψ0=0,7; ψ1=0,5; ψ2=0,3. A program a fából készült elemek rugalmassági modulusát csökkentett értékkel veszi figyelembe a merevségi mátrix felépítésénél, így a kúszás hatását közelíti a szabvány előírásainak megfelelően. A mérnöki példákban a kúszás hatását a középérték osztásával adtuk meg az EN 1995-1-1 2.3.2.2 bekezdése alapján.
A fa rúdszerkezeteknél faszerkezetek tűzhatásra való méretezése az ISO vagy paraméteres tűzgörbe alapján történik, és a méretezés során a csökkentett keresztmetszet módszere kerül alkalmazásra. A gyakorlatban előfordulhat, hogy a modell részletes vizsgálatát nemlineáris számításokkal kell végezni, ezért a DP1 és TD1 modulok közös alkalmazása javasolt. A tűzhatásnál a kezdeti beégési idő és a védelmi tönkremeneteli idő is fontos paraméter.
CLT és AXISVM CLT modul
A CLT paneles építés térhódítása és a dinamikusan fejlődő gyártási lehetőségek komoly kihívást jelentenek a tervezőmérnökök számára. Az AXISVM CLT modulja ehhez szilárd alapot biztosít, az erős mechanikai háttér pedig további fejlesztési lehetőséget rejt magában. A CLT modul tervezésekor az anyag adatbázis tartalmazza a gyakran előforduló rétegfelépítéseket és a jellemző szilárdsági paramétereket. A panelekben és rétegekben ébredő maximális feszültségek részletes vizsgálata is lehetséges. A modul erőteljes, héj-elvű számítási módszerre épül és az Eurocode 5 szabvány hiányosságait kiegészíti.
A CLT panelek méretezése során az eredményeket a maximális kihasználtság alapján értékelhetjük, de kölcsönhatás vizsgálatok részeredményei is felhasználhatók lehetnek. Az AXISVM CLT modulja lehetővé teszi a síkbeli és térbeli szerkezetek gazdaságos tervezését, a gazdaságosabb megoldások megtalálását. A modulban az optimalizálás PSO (Particle Swarm Optimization) módszerrel történik, amely a legkisebb súlyt, magasságot, szélességet és maximális kihasználtságot célozza, miközben figyelembe veszi a tervezési vizsgálatok körét is. A PSO algoritmus párhuzamosan használható és képes a lokális optimumon túl nyitottabb keresést végezni, az idő előrehaladtával a globális optimum közelébe érkezve. A kimeneti táblázat összefoglalja az optimalizálás eredményét és a javasolt keresztmetszeteket.
SC1 és SD modulok acélszerkezeteknél
Az SC1 modul acélszerkezeti kapcsolatok széleskörű ellenőrzésére szolgál, összesen 13 féle kapcsolat típus esetében. A kapcsolatok ellenőrzésekor a program a komponens módszert alkalmazza, és néhány kapcsolat mind csavarozott, mind hegesztett változatban vizsgálható. A részletes tervezési számítás 3D-ábra és nézetek segítségével nyújt teljes dokumentációt. A tervezést megkönnyíti az önálló acélkapcsolat funkció, amely lehetővé teszi szerkezetek kijelölése nélkül a kapcsolatok tervezését. A modul 7 szabadságfokot rendelhet a rúdelemekhez, és a kapcsolatok vizsgálata során a kieső vagy megtámasztó állapotokat is figyelembe veszi.
A tűzállósági méretezés acél elemeknél a magas hőmérséklet hatására bekövetkező szilárdság- és merevségcsökkenéseket is figyelembe veszi, kiemelve a kritikus hőmérsékletet. Az optimalizálás során acélszelvények keresztmetszeti méreteit is módosíthatjuk a gazdaságosabb és jobban kihasznált megoldások érdekében, és a tűzhatásos terhek is beépíthetők a terheléskombinációkba. A SD8 és SD1 modulokkal részletes szilárdsági és stabilitási számítások végezhetők, és a megfelelő paraméterekkel a tűzhatás figyelembevételével történő méretezés is lehetővé válik.
Az SC1 és SD8 modulok ötvözésével a vasaló és ferdehez kötött elemek jellemzői alapján a kritikus hőmérsékletek meghatározhatók, amely nélkülözhetetlen a gazdaságos tűzvédő festékbevonat megválasztásához. A modulok lehetővé teszik a kombinált terheléses és tűzhatásos vizsgálatokat, ahol a keresztmetszetek és viselkedések a konstrukció geometriai feltételei szerint alakulnak.
Összesítés és gyakorlati következtetések
A változó keresztmetszetű gerendák elemzésének alapja a rugalmas anyagú modellek alkalmazása, amelyet a modern faszerkezetek tervezésénél kiemelten fontos. A nyírófeszültségek és a keresztirányú normálfeszültségek meghatározása a geometria és a külső terhelések függvénye, és a Grashof-féle leírás segít a feszültségeloszlások megértésében. A modulok összegzett funkcionalitása lehetővé teszi a síkbeli és térbeli modellek gyors és megbízható méretezését, a tűzállósági követelmények figyelembevételével. A PSO alapú optimalizálás pedig segít a súly- és méretoptimalizálásban, miközben figyelembe veszi a vizsgálati követelményeket és a keresztmetszetek megfelelőségét.
tags: #valtozo #keresztmetszetu #gerenda #axis