Eine Einführung in die Analyse- und Entwurfsmöglichkeiten einer Brückenkonstruktion für den AISC Student Steel Bridge-Wettbewerb

Fast das ganze Jahr über, Universitäten in den Vereinigten Staaten beherbergen ihre jeweiligen AISC Student Steel Bridge-Teams und -Clubs, die im Wettbewerb gegeneinander antreten AISC Student Steel Bridge-Wettbewerb. Dies erfordert eine einjährige Studienreise zum Entwurf und Bau einer Brücke im Modellmaßstab, die unter verschiedenen Belastungsbedingungen und anderen Bewertungskriterien getestet wird. Für die Schüler, Dieser Prozess umfasst alles von der Mittelbeschaffung bis zum vorläufigen Brückenentwurf, zur Bestellung, Herstellung und Montage der Brücke. Gesponsert und unterstützt von AISC, Der Student Steel Bridge-Wettbewerb vermittelt Studenten einen Eindruck von der realen Ingenieurbeschaffung, Gestaltung und Überprüfung von Prozessen.

Ein sehr wichtiger Aspekt des Prozesses – man könnte sagen, am relevantesten für die Postgraduiertenarbeit – ist die Analyse und Modellierung der Brückenkonstruktion. Software für den Bauingenieurwesen spielt eine wichtige Rolle, indem sie Studenten die Möglichkeit gibt, ihre Brückenentwürfe während des gesamten Entwurfsprozesses schnell zu analysieren und Entscheidungen zu treffen.

SkyCiv Structural 3D bietet Schülern die perfekte Mischung aus Analyseleistung und Anpassungsfähigkeit. SkyCiv ist stolz auf die verkürzte Startzeit, die zum Erlernen der Software und zum effektiven Betrieb erforderlich ist, was zu mehr Zeit führt den Wert erhöhen zu ihren Projekten, und auch früher.

dann ist dies das Tutorial für Sie, Schauen wir uns einen vorläufigen Entwurf einer Brückenkonstruktion für den AISC Student Steel Bridge-Wettbewerb an.

 

Modellierung der Fachwerkstruktur

Verwendung der von AISC bereitgestellten Dokumente zur Brückenhüllenbeschränkung in der AISC Student Steel Bridge – 2019 Regeln, Wir beobachten Folgendes:

Zahl 1: AISC Student Steel Bridge Envelope Drawing

(Quelle: AISC-Studenten-Stahlbrückenwettbewerb 2019 Regeln)

Für unser Beispiel verwenden wir einen Pratt Truss. Klicken Sie auf die Links, um weitere Informationen zu erhalten Fachwerktypen und Modellieren eines Fachwerks. Wir werden die Stringer als einzelnes Element analysieren, um unser Modell in dieser Phase zu vereinfachen. Komplexere Stringer können problemlos modelliert werden, während die Studierenden im Designprozess voranschreiten.

Blick auf den Brückenabschnitt, Wir gehen davon aus, dass die Bodenhöhe die Y-Höhe von ist 0, und der Schwerpunkt unseres Stringers verläuft durch eine Y-Höhe von 1 Fuß. Blick auf die Seitenansicht, Nehmen wir an, dass unsere Stützen jeweils auf der 1 zentriert sind′-0″ breite Standplätze. Dies würde uns eine Länge des unteren Stringers von ergeben 22 Füße. Für den Obergurt unseres Brückenfachwerks, Nehmen wir an, dass sein Schwerpunkt durch die Y-Höhe von verläuft 4.75 ft. Schließlich, Wir gehen davon aus, dass zwischen den Enden unserer unteren Stringer sechs gleiche Abstände bestehen, Daher beträgt unser Abstand zwischen den Verbindungsstellen des Fachwerks 22 ft/6 = 3.67 ft.

Jetzt haben wir die allgemeinen Abmessungen unserer Brückenhülle, Lassen Sie uns die Knoten erstellen. Hier ist unsere Knotentabelle, wobei die X-Richtung die Länge des Fachwerks und die Y-Richtung die Höhe ist.

Anschließend, Zeichnen wir Elemente zwischen diesen Knoten mit dem Pratt-Fachwerkmuster. Stellen Sie sicher, dass Sie das auswählen “Fachwerk” Klicken Sie beim Erstellen von Elementen auf die Schaltfläche im linken Fenster, damit die Enden der Elemente sofort freigegeben werden. Hier ist unser Pratt-Fachwerk:

Fügen wir nun einige Stützen hinzu. Schauen Sie sich noch einmal die Zeichnung der AISC-Brückenhülle an, Der rechte Standfuß befindet sich weiter innen vom Ende der Brücke, Erstellen eines Auslegers. Um dem Rechnung zu tragen, Lass uns den Knoten verschieben 6 und Knoten 8 um mit dem Standort dieser Stütze übereinzustimmen; Die Mitte des Fundaments ist 3′-0″ nach innen von der rechten Fahrt, so wird unsere X-Dimension sein 19 Füße. Schließlich, Fügen wir Pin-Unterstützungen bei N0de hinzu 1 und Knoten 8. Werfen Sie einen Blick auf unser aktualisiertes Fachwerk:

Nächster, Wiederholen wir unsere Fachwerkstruktur über die gesamte Breite der Brücke. Dies kann durch Auswahl der gesamten Struktur erfolgen, einschließlich Knoten und Stützen, und gehen Bearbeiten – Duplikat. Schauen Sie sich die Abbildung noch einmal an 1, Wir gehen davon aus, dass die Träger auf beiden Seiten der Brückenhülle zentriert sind. Deshalb, sie werden im Abstand von 4 angeordnet sein′- 3 1/2″, oder 4.22 ft, Das ist unsere Vervielfältigungsdimension. Wir müssen auch die Stützen anpassen, wie in der Abbildung dargestellt 1, Das linke Fachwerk hat seine Stütze am Ende der Brücke. Nachdem wir unsere Fachwerkstruktur über die Querachse dupliziert haben (Die Druckfestigkeit wird gemäß AS4600 berücksichtigt), Unsere 3D-Struktur sieht jetzt so aus:

Jetzt, Wir müssen unsere Struktur durch seitliche Aussteifungen verbinden, um die vorläufige Modellierung unserer Brückenstruktur abzuschließen. Dieser Teil des Entwurfs ist für die Studierenden eine Art iterativer Prozess; Sie werden versuchen, die richtigen Punkte für die Verbindung jedes Fachwerks herauszufinden, um seitliche Schwankungen zu minimieren, die Hauptmetrik, die während des Lateral Load Case beurteilt wird. Bringen wir eine diagonale Verstärkung zwischen den oberen und unteren Längsträgern der Fachwerke an. Beispielsweise, wie aus der Draufsicht ersichtlich:

Die Modellierung im Structural 3D-Modul von SkyCiv ist äußerst intuitiv und führt zu schnelleren Analysen und einfacheren Ergebnissen. Probieren Sie mit unseren Schülern aus, ein Fachwerk in 2D zu modellieren Kostenloses Fachwerkrechner-Tool.

 

Aufbringen von Lasten auf unsere Brücke

Nach dem Modellieren, Jetzt können wir beginnen, die von AISC festgelegten Lasten anzuwenden. Es gibt zwei Lastarten von Lasten, oder Lastfälle, auf dem die Brücke getestet wird: Seitlich und vertikal. Die Größen der einzelnen Lastfälle werden von AISC angegeben, Ihre genaue Lage entlang der Brückenlänge ist jedoch nicht bekannt. Deshalb, Die Schüler müssen für jeden Lastfall mehrere verschiedene Standorte analysieren, um für jeden das Worst-Case-Szenario herauszufinden. Es ist zu beachten, dass jeder Lastfall unabhängig angewendet wird; Die Struktur erkennt nicht beide Belastungssituationen gleichzeitig.

Denn die von AISC gelieferten Lasten sind TATSÄCHLICH Lasten, die im Wettbewerb verwendet werden, Wir können davon ausgehen, dass es sich um Servicelasten handelt. Wir versuchen, diese Brücke so leicht wie möglich zu gestalten und gleichzeitig die Durchbiegungskriterien zu erfüllen. deshalb, Unsere Lastkombinationen enthalten keine verstärkenden Lastfaktoren.

 

Seitlicher Lastfall

Für den seitlichen Lastfall, Schauen wir uns die von AISC bereitgestellte Lastzeichnung im an 2019 Regeln (Zahl 2):

Zahl 2: Plan für seitliche Belastungstests für den AISC Student Steel Bridge-Wettbewerb

(Quelle: AISC-Studenten-Stahlbrückenwettbewerb 2019 Regeln)

Zuerst, Sie bemerken, dass es nicht nur eine gibt 50 Pfund Seitenkraft auf der Fahrseite, aber es gibt eine 75 Pfund vertikale Last auf der linken Seite an der gleichen relativen Stelle entlang der Brückenlänge. Sekunde, Hinweis 2 gibt an, dass der Standort “S.” wird zufällig bestimmt. Beim Testen, AISC verwendet Metallgitter/Terrassendielen zur Abstützung des Gewichts sowie einen Ankerpunkt für die seitliche Kraft:

Quelle: AISC-Wettbewerbsleitfaden für Teilnehmer

Für dieses Beispiel, Wir werden das anwenden 50 lb seitliche Belastung auf die “Knoten 21″ unseres Modells. Das 75 Die vertikale Last von lb auf der gegenüberliegenden Seite wird als gleichmäßig verteilte Last über die 3 aufgebracht′-0” Breite der Terrassendiele.

\(Seitlich:Laden = 50\:lb = 0.05\:pennen)

\(Vertical\:Load=75\:lb/3\:ft = 25\:lb/ft = 0.025\:kip/ft\)

Wie bereits erwähnt, es handelt sich hierbei um Servicelasten, Daher treten beide Lasten unter dem von uns erstellten Lastfall namens auf “Seitlicher Lastfall” und werden berücksichtigt Live laden. Die nachfolgende Lastkombination ist LC #1 und ist wie folgt:

\(LC\:1=1.0*Self\:Weight\:of\:Struktur + 1.0*Seitlich:Load\:Case\)

Nochmal, Die Schüler müssen die seitliche und vertikale Last an mehreren Stellen entlang der Brückenlänge anwenden, um herauszufinden, an welcher Stelle die maßgeblichen Analyseergebnisse vorliegen. So sieht unser Modell aus, wenn diese Lasten angewendet werden:

 

Vertikaler Lastfall

Für den vertikalen Lastfall, Schauen wir uns die von AISC bereitgestellte Lastzeichnung im an 2019 Regeln (Zahl 2):

Zahl 3: Vertikaler Belastungstestplan für den AISC Student Steel Bridge-Wettbewerb

(Quelle: AISC-Studenten-Stahlbrückenwettbewerb 2019 Regeln)

Ähnlich dem seitlichen Lastfall, Die Orte, an denen die Vertikallasten wirken, werden nicht direkt angegeben. Diesmal, Es gibt zwei separate Lastfälle, die wir bewerten müssen. Zuerst, dort ist der 100 lb Vorladezustand. Dann, Das zusätzliche 1400 und 900 Pfund werden addiert, um a zu entsprechen 1500 und 1000 lb-Last bzw, wie in Abbildung gezeigt 3. Wir gehen davon aus, dass die Lasten gleichmäßig zwischen den Fachwerken getragen werden, und dass sie als gleichmäßig verteilte Last über die Länge des Belags wirken. Ebenfalls, Wir werden alle vertikalen Lasten als identifizieren Live laden.

Die Vorspannung stellt einen eigenen Lastfall dar und wird aufgerufen “Vertikaler Lastfall – Vorladen”. Wenden wir die verteilten Lasten zentriert am Knoten an 21/9 und Knoten 24/12. Knoten 24 und 12 werden in der Mitte der Brücke gespiegelt.

\(Vorspannung = (100\:lb/2)/3\:ft = 16.7\:lb/ft = 0.0167\:lb/ft\)

Anschließend, die Lastkombination ist:

\(LC\:2=1.0*Self\:Weight\:of\:Struktur + 1.0*Vertical\:Load\:Case-Preload\)

So sieht unser Modell mit dem Vorladegehäuse aus:

Jetzt, Fügen wir die verbleibende Last hinzu. Auf der linken Seite steht nun die Gesamtlast 1500 Pfund, und auf der rechten Seite gibt es jetzt 1000 Pfund. Wir werden dies als weiteren Lastfall mit dem Namen speichern “Vertikaler Lastfall – Gesamt”.

\(Total\:Load\:on\:Left\:Side\: = (1500\:lb/2)/3\:ft = 250\:lb/ft = 0.25\:kip/ft\)

\(Total\:Load\:on\:Right\:Side\: = (1000\:lb/2)/3\:ft = 167\:lb/ft = 0.167\:kip/ft\)

Unsere letzte Lastkombination wird daher als gekennzeichnet:

\(LC\:3=1.0*Self\:Weight\:of\:Struktur + 1.0*Vertical\:Load\:Total\)

So sieht unser Modell mit der Gesamtlast im vertikalen Lastfall aus:

Nachfolgend finden Sie ein Bild eines kürzlich durchgeführten Wettbewerbs und des Lademechanismus für den vertikalen Lastfall:

Quelle: AISC-Wettbewerbsleitfaden für Teilnehmer

Analyse von Lastfällen/-kombinationen

Der letzte Teil dieser Übung besteht darin, die Analyse unserer Brückenstruktur durchzuführen und die Ergebnisse zu interpretieren. Bevor wir das tun, Werfen wir einen Blick auf die Lastkombinationen und deren Belastungsfaktoren:

Bei diesen Lasten handelt es sich um Gebrauchslasten, Wir verwenden also einen Auslastungsfaktor von 1.0 auf allen. Diese drei Lastkombinationen fassen die Belastungsbedingungen zusammen, die zwischen dem seitlichen Lastfall und dem vertikalen Lastfall vorliegen, bereitgestellt von AISC. Jetzt, Lassen Sie uns unsere Analyse durchführen. Für praktische Zwecke, Wir werden uns die axialen Ergebnisse für das rechte Fachwerk mit dem auskragenden Ende für LC ansehen 3.

SkyCiv gibt den Benutzern die Möglichkeit, sich zu verstecken, Isolieren und betrachten Sie ihre Strukturergebnisse auf die Art und Weise, die sie für richtig halten. Schauen Sie sich die gesamte Struktur an, um eine globalere Vorstellung zu erhalten, oder isolieren Sie Kombinationen oder einzelne Mitglieder, um sie auf einer detaillierteren Ebene auszuwerten. Von hier, Die Studierenden müssen den iterativen Entwurfs- und Zusammenarbeitsprozess mit ihrem Team durchlaufen. Die Studierenden können sich nun darauf konzentrieren, bessere und gut vorbereitete Ingenieure zu werden, nicht nur für den AISC Student Steel Bridge-Wettbewerb, Sofortiger Zugriff auf leistungsstarke Analysesoftware für alle Ihre.

Dieses Beispiel zeigt, wie leistungsfähig und doch einfach SkyCiv 3D sein kann, Mit seinen intuitiven Modulen richtet es sich an Benutzer vom ersten Studienjahr der Ingenieurwissenschaften bis hin zu leitenden Ingenieuren auf dem Höhepunkt ihrer Karriere. Dieses Beispiel zeigt, wie leistungsfähig und doch einfach SkyCiv 3D sein kann, So können sich die Schüler auf das Erlernen der Technik statt auf das Erlernen der Software konzentrieren.

Verweise:

• „Universitätsprogramme.“ AISC, 2019, www.aisc.org/education/university-programs/student-steel-bridge-competition/.