Amikor a mérnökök versenyeznek – 6 módszer egy acél kapcsolat tervezésére

A csapatok szerkezeti mérnökökből álltak, akik mérnöki irodáktól és acélszerkezet-gyártóktól érkeztek, és mindegyiket egy tapasztalt kapcsolattervező irányította. Miután a csoportok bemutatták terveiket, az IDEA StatiCa részéről lehetőségünk volt a kapcsolatokat a Connection alkalmazással modellezni. Így azonnal elemezhettük az eredményeket, és közösen megvitathattuk azokat.

Az alábbiakban részletesebben ismertetjük a terveket és az eredményeket. A cikk két részre oszlik, mindkét acél kapcsolat tervezési kihívásnak egy-egy részt szentelve.

1 - Összetett oszlop-gerenda kapcsolat tervezése szélső gerendákkal

Az első tervezési kihívásban négy elemet összekötő csomópontra összpontosítottunk. A belső erők és a profilok kihívást jelentő tervezési feladattá tették ezt, amit a megoldások sokfélesége is jól mutat: a hat csapat mindegyike más megközelítést választott. Pontosan ez teszi ezt a szakmát olyan lenyűgözővé: soha nincs egyetlen helyes megoldás.

A legnagyobb kihívást a szélső gerendák kapcsolata jelentette. Két négyszög keresztmetszetű üreges szelvényt (180/180/6) kellett egy oszlophoz (HEA160) vagy főgerendához (IPE400) csatlakoztatni. A ráható terhekkel együtt ez nehéz tervezési helyzetet teremtett.

Az alábbiakban áttekintést adunk az IDEA StatiCa acélszerkezet-tervező szoftverben kidolgozott kapcsolatokról, vázlatokról és modellekről. Ezt követően megvitatjuk az egyes kapcsolatokat, és kiemeljük a megbeszélések és eredmények legfontosabb tanulságait.

A csoport

Az A csoport úgy döntött, hogy meghosszabbítja az oszlopot, és a főgerendát (IPE400) homloklemezzel csatlakoztatja. A kihívást főként az RHS szélső gerendák HEA160 oszlophoz való csatlakoztatása jelentette. Erre egy csomólemez-kapcsolatot javasoltak két M36-os csavarral. Az IDEA StatiCa-ban végzett modellezés során azonban hamar kiderült, hogy nincs elegendő hely ehhez a csavarmérethez. Ahogy a workshop szakértői hangsúlyozták, elengedhetetlen a méretarányos rajzolás a kapcsolat gyárthatóságának megértéséhez.

Közvetlen hegesztett kapcsolat helyett a csoport úgy döntött, hogy a csatlakozó lemezt egy résen keresztül vezeti át az oszlopgerincén, hogy jobban átvigyék az erőket és csökkentsék a feszültségeket az oszlopgerincben.

Az IDEA StatiCa-ban végzett kapcsolatszámítás során nagy képlékeny alakváltozások lépnek fel a szélső gerendák kapcsolatában. A szélső gerendákban lévő 400 kN-os nagy tengelyirányú nyomóerő és a csomólemez excentricitása miatt hajlítónyomaték keletkezik a kapcsolatban. Az IDEA StatiCa-hoz hasonló végeselem-módszeren alapuló eszköz használatával ez gyorsan láthatóvá válik a fellépő deformációkon keresztül.

A lemezvastagságok növelésével a kapcsolat teljesítheti a követelményeket. Egy folytonos 35 mm-es lemezzel és 2x M33 8.8-as csavarral elegendő szilárdság és merevség érhető el.

Bár a megoldás kielégítő, érdemes megfontolni az excentricitás elkerülését, ami valószínűleg szerkezetileg is hatékonyabb.

B csoport

A B csoportnak hasonló kapcsolata volt, de itt a főgerendát hosszabbították meg. A négyzet keresztmetszetű üreges szelvény (SHS) gerendák szimmetrikus kapcsolatának megválasztásával elkerülhető a további hajlítónyomaték. Az előírt lemezvastagságokkal a képlékeny alakváltozás éppen az 5%-os határ alatt marad.

A lemezek vastagításával és megfelelő hegesztések biztosításával a tengelyirányú nyomás és a vízszintes nyírás kombinációja felvehető, miközben a képlékeny alakváltozás 5% alatt marad.

Csak a csavarok nem kielégítők még 4x M24 8.8-as csavar alkalmazása esetén sem. A csavarok egyszerű megerősítése azonban nem oldja meg a problémát, mivel a szabványellenőrzés a palástnyomási ellenállás által korlátozott. Alternatív megoldás a kapcsolati lemezek acélminőségének növelése S355-re. Ez lehetővé teszi az optimális eredmények elérését a lemezvastagság és a csavarméret minimális növelésével.

C csoport

A C csoportnak hasonló kapcsolata van, de az A és B csoporttól eltérően ez jobban alkalmas vízszintes terhelésre, mivel a csomólemez negyedfordulattal el van forgatva. Ismét excentricitással van dolgunk, és ugyanazokkal a problémákkal találkozunk, mint az A csoportnál. Két helyett négy csavar használata merevebb csomópontot eredményez, de még mindig nagy képlékeny alakváltozást és deformációt látunk. A csomólemez merevítőhöz való hegesztése és a lemezvastagságok növelése segít a csomópont merevítésében, de az excentricitás mindig jelen lesz.

A lemezvastagságok 15 mm-ről 30 mm-re növelésével a csomópont 4x M24 8.8-as csavarral teljesítheti a tervezési követelményeket.

Ez a csomóponttípus excentricitások nélkül működik a legbiztonságosabban. Ha az excentricitás gyakorlati okokból elkerülhetetlen, a kapcsolat különösen alkalmas lesz egy irányban ható keresztirányú erő átvitelére, abban az irányban, ahol a kapcsolat a legmerevebb. Az excentricitás, a nagy normál nyomóerő és a kapcsolat gyenge irányában ható keresztirányú erő kombinációja a szerkezeti elem kihajlását és kihajlási kockázatot okoz.

Kihajlási analízis

A kockázat megfelelő értékeléséhez érdemes kiegészítő kihajlási analízist végezni. Az IDEA StatiCa-val lineáris kihajlási analízis végezhető, amely megmutatja, hogy elégtelen vastagságú lemezek esetén globális kihajlásra emlékeztető kihajlási alak léphet fel. A megfelelő kihajlási tényező alapján ez kihajlási tönkremenetelként értelmezhető.

Erről és arról, hogy az IDEA StatiCa hogyan végzi a lineáris kihajlási analízist, további információk találhatók a következő cikkben: Globális kihajlás vs. lokális kihajlás. Mit jelent ez?

D csoport

A D csoport más megközelítést alkalmaz, és az első három csoportnál látott problémákat közvetlenül elkerüli a szélső gerendák folytatásával. Az IPE400 homloklemezzel csatlakozik a részben folytonos oszlophoz, és egy kis hevederlemezzel a szélső gerendához. Az eredmények azt mutatják, hogy a kapcsolat szerkezetileg jól teljesít, és az erők hatékonyan adódnak át.

Mivel nyírási kapcsolatról van szó, a csoport azt javasolja, hogy a hevederlemezben hornyolt lyukat alkalmazzanak, hogy megakadályozzák a túlzott erő átvitelét a csavaron keresztül a gerenda elfordulása során. Ez elkerüli a nagy feszültségeket a hevederlemezben és a négyszög keresztmetszetű üreges szelvény falában. Ez a tervezési megfontolás a csomópont forgási merevségét is befolyásolja.

Merevségi analízis

A csomópont pontos merevségének meghatározásához merevségi analízis végezhető az IDEA StatiCa-val. A nyomaték-elfordulás diagram elkészül, és az Eurocode alapján a csomópont teljesen merevként, félmerevként vagy csuklósként osztályozható.

A D csoport tetőgerendájának kapcsolatát elemezve az IDEA StatiCa félmerevnek tekintett forgási merevséget ad. Ez a merevség a globális szerkezeti modellben forgási rugómerevséggel reprezentálható.

Ha azonban egyszerű kapcsolatra van szükség, a részletet úgy kell módosítani, hogy a kapcsolat valóban csuklósként legyen osztályozva. Az alábbi ábrán látható módon a (2) helyzetben csuklót valósítottak meg a felső csavarsor lesüllyesztésével. 

E csoport

Az E csoport meghosszabbította a tetőgerendát, és az oszlop tetejére helyezte. A szélső gerendákat homloklemezekkel csatlakoztatták a tetőgerendához, biztosítva az erők megfelelő átvitelét a csomópontban.

A csavarok összeszereléséhez a csoport kivágást javasolt az üreges szelvény falában. Ez egy átgondolt megoldás, mivel a gyakorlati megvalósíthatóság kiemelt szempont. A kivágás eltérő feszültségeloszlást hoz létre a bevágásban, de kerek kivágás alkalmazásával a feszültségkoncentrációk korlátozottak maradnak.

F csoport

Ahogy láttuk, a szélső gerendák kapcsolata tervezési kihívásokat okoz. Az F csoport ezeket úgy oldja meg, hogy a szélső gerendákat HEA160 szelvényekre cseréli. Ez megkönnyíti a gerendák oszlophoz való csatlakoztatását, és elegendő helyet biztosít a csavarok felszereléséhez. A kapcsolat jól teljesít nyomás alatt, és a homloklemezek hatékonyan vezetik az erőket az oszlopon keresztül.

A szélső gerendák azonban húzóterhelésnek is ki lehetnek téve, 400 kN értékkel. Ebben a teheresetben a kapcsolat nem kielégítő. A homloklemezek vastagságának 15 mm-ről 20 mm-re növelésével a szilárdsági követelmények teljesülnek, és a kapcsolat alkalmas húzó- és nyomóterhelésre egyaránt.

Connection Library

Nem tudja, hogyan modellezzen egy adott acél csomópontot? Az IDEA StatiCa Connection Libraryja azonnali hozzáférést biztosít tucatnyi gyakorlati példához, segítve a megfelelő megoldás gyorsabb megtalálását. Ez egy értékes forrás, amelyet sok statikus mérnök inspirációként használ acél kapcsolatok tervezésekor.

2 - Oszlop talplemez kapcsolat tervezése merevítő ráccsal

A második tervezési kihívás egy oszlop talplemez kapcsolatot érint. Az átlós merevítő három különböző szelvényből készülhet, és 500 kN-os nyomóerővel van terhelve. Maga az oszlop jelentős, 2000 kN-os nyomóerőt vesz fel.

A fókusz az átlós merevítő és az oszlop közötti kapcsolaton, valamint a talplemez tervezésén van, beleértve a horgonyokat és az alapozást. A benyújtott vázlatok és bemutatók alapján a kapcsolatokat az IDEA StatiCa-ban modellezték és elemezték. Ez a tervezés ismét megmutatja, hogy több kapcsolati megoldás is lehetséges: nincs egyetlen helyes válasz. Az alábbiakban bemutatjuk a különböző tervek áttekintését, beleértve az IDEA StatiCa eredményeit. Ezt követően megvitatjuk a fő tervezési szempontokat, a csoportokat egyenként helyett összességében tárgyalva.

Merevítő csatlakozása az oszlophoz

A merevítő csatlakoztatásához három csoport (A, C, E) homloklemezzel ellátott csonkos kapcsolatot választott, a másik három csoport (B, D, F) pedig csomólemezzel ellátott csavaros kapcsolatot választott.

A csonkos kapcsolat kialakítása közvetlen nyomóerő-átvitelt biztosít a kapcsolatban fellépő bonyodalmak nélkül. HEA szelvény választásával a csavarok összeszerelése könnyen megvalósítható, és az átlós elem gerince az oszlop gerincével van egy vonalban. Ennek eredményeként a feszültségek jól adódnak át az oszlopba, ahogy az A, C és E csoportok megoldásaiban látható (lásd az ábrát).

Ezzel szemben a B, D és F csoportok csomólemez-kapcsolatot választottak. Ez magában foglalta az oszlop negyedfordulattal való elforgatását, hogy a merevítő az oszlopon belül csatlakoztatható legyen anélkül, hogy túl sok helyet foglalna el. Ebben az esetben azonban a csomólemez közvetlenül, de keresztirányban csatlakozik az oszlop gerincéhez, és a nagy nyomóerők miatt csúcsfeszültségek léphetnek fel az oszlop gerincében. Az IDEA StatiCa-ban végzett számítások azt mutatják, hogy a terv éppen az elfogadható határon belül van, de a statikus mérnöknek óvatosnak kell maradnia. Ha a gerinc képlékenyen kezd deformálódni, célszerű az oszlopot elforgatni, a gerincvastagságot növelni, vagy merevítőket hozzáadni.

A csomólemez-kapcsolatot alkalmazó tervekben előnyös a kapcsolatot szimmetrikussá tenni, és a lemezeket nem túl messzire kinyújtani, ugyanazokból az okokból, amelyeket az első tervezési kihívásban tárgyaltunk. A B kapcsolat aszimmetrikus elrendezést mutat, de a 20 mm vastag lemez és hat csavar alkalmazása hatékonyan ellenáll a keletkező nyomatéknak, a feszültségeket elfogadható határon belül tartva.

Oszlop talplemez tervezése

A talplemez és a betonalap tervezésénél is fontos szempontok merülnek fel. A nagy nyomóerők miatt elengedhetetlen, hogy a feszültségek jól oszoljanak el a talplemezen keresztül a betonba. Ez elérhető vastagabb lemez választásával és az oszlopszelvénynél szélesebbre méretezésével, hogy a feszültségek jobban eloszoljanak.

Az alábbi ábra összehasonlítja a talplemez feszültségeit és a beton érintkezési feszültségeit 40 mm és 10 mm vastag talplemez esetén. Ha a talplemez túl vékony, a feszültségek az oszlopszelvény körül koncentrálódnak ahelyett, hogy hatékonyan eloszlanának. Ennek eredményeként a beton tényleges érintkezési felülete túl kicsi lesz, ami a megengedett határt meghaladó nyomófeszültségekhez vezet.

Oszlopalap

Különböző alapozási megoldásokat látunk, habarcsréteggel vagy anélkül, valamint alátétlemezzel vagy anélküli horgonyokkal. Az alkalmazott horgonyok M20-tól M30-ig terjednek.

Az IDEA StatiCa-ban végzett számítások azt mutatják, hogy egyik kapcsolat sem kielégítő a horgonyok ellenőrzése szempontjából.Alapértelmezés szerint a nyíróerőket a horgonyokon keresztül kell átvinni. Az M20-as horgonyok nem elég erősek, és nem tudják felvenni a nyíróerőket. Ezzel szemben az M30 8.8-as horgonyok alátétlemezzel kombinálva elegendő erővel rendelkeznek a nyíróerők átvitelére. Mindazonáltal a szabványellenőrzés még mindig nem kielégítő, mivel a probléma most nem az acélban, hanem a beton tönkremenetelében rejlik.

A horgonyokon ható nyíróerők a beton szélső tönkremenetelét okozzák, a horgonyok kiszakadnak a betonból. Az IDEA StatiCa Connection vasalatlan betonnal számol, ezért nagyobb erők esetén a beton tönkremenetele elkerülhetetlen.

Ha az erők nem csökkenthetők, négy lehetséges megoldás marad.

1. A nyíróerő-átvitel optimalizálása nyírófog hozzáadásával. Így az összes nyírást a nyírófog veszi fel, és elkerülhető a horgonyok tönkremenetele és a beton kiszakadása.
2. A nyíróerők átvitele súrlódással a horgonyok helyett. Az oszlopban lévő nagy nyomóerő elegendő súrlódási ellenállást biztosít. 
3. A betonblokk módosítása. A szélső távolság vagy a betonosztály növelésével a beton kevésbé hajlamos a kiszakadásra.
4. Kiegészítő vasalás tervezése a betonblokkban. Így az acélvasalás felveszi a húzóerőket és megakadályozza a beton kiszakadását. Ez a megoldás az IDEA StatiCa 3D Detail segítségével modellezhető és elemezhető.

Ahogy a tervezők vázlatain látható, csak az E csoport foglalt bele vasalást a tervébe. Acélvasalás hozzáadásával a betoneleméhez olyan tönkremeneteli mechanizmusok előzhetők meg, mint a betonkúp kiszakadása és a beton szélső tönkremenetele.

Kíváncsi, hogyan takaríthat meg időt a vasalástervezésben a biztonság veszélyeztetése nélkül?

• Nézze meg ezt a webinárt a vasalás horgonytervezésben való felhasználásáról
• Vagy tekintse meg ezt az IDEA StatiCa oktatóanyagot a excentrikusan terhelt horgonyzásról a Detail-ben.

Záró gondolatok

Az acél kapcsolatokat 6 csoport tervezte, az IDEA StatiCa-ban modellezte, és tapasztalt statikus mérnökökkel vitatta meg. Az IDEA StatiCa segítségével részletesen elemezhettük az eredményeket, és azonosíthattuk, majd megvitathattuk a fontos tervezési szempontokat. Ez a workshop megmutatja, hogy sok kapcsolat végtelen számú módon tervezhető, és soha nincs egyetlen helyes megoldás. Megtapasztaltuk a méretarányos rajzolás és a kapcsolatban lévő erők útjának követésének fontosságát. A merevségek elemzése és a csomópont deformációjának vizualizálása hasznos gondolatkísérlet annak megértéséhez, hogyan viselkedik egy csomópont.

"A képzelet fontosabb a tudásnál" – mondta egyszer egy Albert Einstein nevű ember. Ez minden bizonnyal az acél kapcsolatok tervezésére is igaz. Aki el tudja képzelni, hogyan néz ki egy csomópont, hogyan készül el, megfelelők-e az arányok, hogyan folynak az erők, és hogyan deformálódik a kapcsolat, már egy lépéssel közelebb van ahhoz, hogy a legjobb acél kapcsolattervező legyen.