Εισαγωγή στις δυνατότητες ανάλυσης και σχεδίασης μιας κατασκευής γέφυρας για τον διαγωνισμό AISC Student Steel Bridge
Σχεδόν όλο το χρόνο, πανεπιστήμια στις Ηνωμένες Πολιτείες φιλοξενούν τις αντίστοιχες ομάδες και συλλόγους AISC Student Steel Bridge που διαγωνίζονται στο Διαγωνισμός AISC Student Steel Bridge. Αυτό συνεπάγεται ένα μεγάλο ταξίδι ακαδημαϊκού έτους σχεδιάζοντας και κατασκευάζοντας μια γέφυρα κλίμακας μοντέλου που δοκιμάζεται υπό διάφορες συνθήκες φόρτωσης και άλλα κριτήρια κρίσης. Για τους μαθητές, αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τα πάντα, από τη συγκέντρωση κεφαλαίων και τον προκαταρκτικό σχεδιασμό της γέφυρας, στην παραγγελία, κατασκευή και συναρμολόγηση της γέφυρας. Με τη χορηγία και τη διευκόλυνση της AISC, ο Διαγωνισμός Student Steel Bridge δίνει στους μαθητές μια αίσθηση πραγματικών προμηθειών μηχανικής, διαδικασίες σχεδιασμού και αναθεώρησης.
Μια πολύ σημαντική πτυχή της διαδικασίας – θα μπορούσατε να πείτε ότι σχετίζεται περισσότερο με τη μεταπτυχιακή εργασία – είναι η ανάλυση και η μοντελοποίηση της δομής της γέφυρας. Το λογισμικό δομικής μηχανικής διαδραματίζει σημαντικό ρόλο παρέχοντας στους μαθητές τη δύναμη να αναλύουν γρήγορα και να λαμβάνουν αποφάσεις σχετικά με τα σχέδια γεφυρών τους σε όλη τη διαδικασία σχεδιασμού.
Το SkyCiv Structural 3D προσφέρει στους μαθητές τον τέλειο συνδυασμό αναλυτικής ισχύος και προσαρμοστικότητας. Το SkyCiv υπερηφανεύεται για τον συντομευμένο χρόνο εκκίνησης που χρειάζεται για την εκμάθηση του λογισμικού και την αποτελεσματική λειτουργία του, οδηγώντας σε περισσότερο χρόνο προσθέτοντας αξία στα έργα τους, και νωρίτερα επίσης.
τότε χρειαζόμαστε κάτι μικρό και διαχειρίσιμο ως παράδειγμα έργου, ώστε να μπορείτε να κερδίσετε γρήγορα τη ζώνη σας, Ας ρίξουμε μια ματιά σε έναν προκαταρκτικό σχεδιασμό μιας δομής γέφυρας για τον διαγωνισμό AISC Student Steel Bridge.
Μοντελοποίηση της δομής δοκών
Χρήση των εγγράφων περιορισμού φακέλου γέφυρας που παρέχονται από την AISC στο AISC Student Steel Bridge – 2019 Κανόνες, παρατηρούμε τα εξής:
Φιγούρα 1: Σχέδιο με φάκελο AISC Student Steel Bridge
(Πηγή: Διαγωνισμός AISC Student Steel Bridge 2019 Κανόνες)
Θα χρησιμοποιήσουμε ένα Pratt Truss για το παράδειγμά μας. Κάντε κλικ στους συνδέσμους για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με Τύποι ζευκτών και Μοντελοποίηση ζευκτού. Θα αναλύσουμε τα stringers ως ένα μόνο μέλος για να απλοποιήσουμε το μοντέλο μας σε αυτό το στάδιο. Πιο πολύπλοκα stringers μπορούν εύκολα να μοντελοποιηθούν καθώς οι μαθητές προχωρούν στη διαδικασία σχεδιασμού.
Κοιτάζοντας το τμήμα της γέφυρας, θα υποθέσουμε ότι το επίπεδο του εδάφους είναι το Υ-υψόμετρο του 0, και το κέντρο του stringer μας διέρχεται από ένα Y-ανύψωση του 1 πόδι. Κοιτάζοντας το πλάγιο υψόμετρο, Ας υποθέσουμε ότι τα στηρίγματα μας είναι κεντραρισμένα σε καθένα από τα 1′-0″ ευρείες θέσεις ποδιών. Αυτό θα μας έδινε ένα μήκος χορδής από κάτω 22 πόδια. Για τον κορυφαίο κορδόνι της γέφυρας μας, ας πούμε ότι το κέντρο του διέρχεται από το Υ-υψόμετρο του 4.75 πόδια. Τελικά, θα υποθέσουμε ότι υπάρχουν έξι ίσα κενά μεταξύ των άκρων των κάτω χορδών μας, έτσι η απόσταση της θέσης σύνδεσης ζευκτών μας είναι 22 ft/6 = 3.67 πόδια.
Τώρα που έχουμε τις γενικές διαστάσεις ο φάκελος της γέφυρας μας, ας δημιουργήσουμε τους κόμβους. Εδώ είναι ο πίνακας κόμβων μας, με την κατεύθυνση Χ να είναι η μεγάλη διάσταση για το ζευκτό και την κατεύθυνση Υ να είναι η ανύψωση.
Ακολούθως, επιτρέπει να σχεδιάσουμε μέλη μεταξύ αυτών των κόμβων με το μοτίβο ζευκτών Pratt. Φροντίστε να επιλέξετε το “Δένω” κουμπί στο αριστερό παράθυρο κατά τη δημιουργία μελών, έτσι ώστε τα άκρα των μελών να απελευθερώνονται στιγμή. Εδώ είναι το ζευκτό μας Pratt:
Τώρα ας προσθέσουμε μερικές υποστηρίξεις. Ρίχνοντας άλλη μια ματιά στο σχέδιο AISC Bridge Envelope, η δεξιά βάση βρίσκεται προς τα μέσα από το τέλος της γέφυρας, δημιουργώντας έναν πρόβολο. Για να το χωρέσει αυτό, ας μετακινήσουμε τον κόμβο 6 και Κόμβος 8 για να ευθυγραμμιστεί με τη θέση αυτής της υποστήριξης; Το κέντρο του ποδιού είναι 3′-0″ προς τα μέσα από τη δεξιά βόλτα, έτσι θα είναι η διάσταση Χ μας 19 πόδια. Τελικά, Ας προσθέσουμε στηρίγματα ακίδων στο N0de 1 και Κόμβος 8. Ρίξτε μια ματιά στο ενημερωμένο ζευκτό μας:
Επόμενο, Ας επαναλάβουμε τη δομή του ζευκτού μας σε όλο το πλάτος της γέφυρας. Αυτό μπορεί να γίνει επιλέγοντας ολόκληρη τη δομή, συμπεριλαμβανομένων των κόμβων και των στηρίξεων, και πρόκειται να Επεξεργασία – Αντίγραφο. Κοιτάζοντας ξανά το Σχήμα 1, θα υποθέσουμε ότι τα ζευκτά θα είναι κεντραρισμένα σε κάθε πλευρά του περιβλήματος της γέφυρας. Επομένως, θα απέχουν 4′- 3 1/2″, ή 4.22 πόδια, αυτή είναι η διάστασή μας διπλασιασμού. Πρέπει επίσης να προσαρμόσουμε τα στηρίγματα όπως σημειώνεται στο σχήμα 1, το αριστερό ζευκτό έχει τη στήριξή του στο τέλος της γέφυρας. Αφού αντιγράψουμε τη δομή του ζευκτού μας κατά μήκος του πλευρικού άξονα (Η αντοχή σε κάμψη θα λαμβάνεται υπόψη σύμφωνα με το AS4600), Η τρισδιάστατη δομή μας μοιάζει τώρα με αυτό:
Τώρα, πρέπει να συνδέσουμε τη δομή μας χρησιμοποιώντας πλευρική στήριξη για να ολοκληρώσουμε την προκαταρκτική μοντελοποίηση της δομής της γέφυρας μας. Αυτό το τμήμα του σχεδίου είναι κάπως επαναληπτική διαδικασία για τους μαθητές; θα προσπαθήσουν να βρουν τα σωστά σημεία για να συνδέσουν κάθε δοκό μεταξύ τους για να ελαχιστοποιήσουν την πλευρική ταλάντευση, η κύρια μέτρηση που κρίθηκε κατά την περίπτωση πλευρικού φορτίου. Ας βάλουμε λίγη διαγώνια ενίσχυση μεταξύ των άνω και κάτω κορδονιών των ζευκτών. Για παράδειγμα, όπως φαίνεται από την επάνω όψη:
Η μοντελοποίηση στη μονάδα Structural 3D του SkyCiv είναι εξαιρετικά διαισθητική και οδηγεί σε ταχύτερη ανάλυση και πιο απλά αποτελέσματα. Δώστε στους μαθητές σας να δοκιμάσουν να μοντελοποιήσουν ένα ζευκτό σε 2D χρησιμοποιώντας το δικό μας Δωρεάν εργαλείο Υπολογιστής σχεδίασης Truss.
Εφαρμογή φορτίων στη Γέφυρα μας
Μετά το μόντελινγκ, τώρα μπορούμε να αρχίσουμε να εφαρμόζουμε τα φορτία που έχει ορίσει η AISC. Υπάρχουν δύο τύποι φορτίων, ή θήκες φόρτωσης, ότι η γέφυρα θα δοκιμαστεί: Πλευρικά και Κάθετα. Τα μεγέθη κάθε περίπτωσης φορτίου δίνονται από το AISC, αλλά η ακριβής θέση τους κατά μήκος της γέφυρας δεν είναι. Επομένως, οι μαθητές θα πρέπει να αναλύσουν πολλές διαφορετικές τοποθεσίες για κάθε περίπτωση φορτίου για να ανακαλύψουν το χειρότερο σενάριο για κάθε περίπτωση. Πρέπει να σημειωθεί ότι κάθε περίπτωση φόρτωσης εφαρμόζεται ανεξάρτητα; η δομή δεν βλέπει και τις δύο καταστάσεις φόρτωσης ταυτόχρονα.
Επειδή τα φορτία που παρέχονται από την AISC είναι ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ φορτία που θα χρησιμοποιηθούν στον διαγωνισμό, μπορούμε να υποθέσουμε ότι είναι φορτία υπηρεσιών. Προσπαθούμε να σχεδιάσουμε αυτή τη γέφυρα όσο πιο ελαφριά μπορούμε, ενώ παράλληλα πληρούμε τα κριτήρια εκτροπής. επομένως, Οι Συνδυασμοί Φορτίου μας δεν θα περιλαμβάνουν κανέναν ενισχυτικό συντελεστή φορτίου.
Πλάγια θήκη
Για την περίπτωση πλευρικού φορτίου, Ας δούμε το σχέδιο φορτίου που παρέχεται από την AISC στο 2019 Κανόνες (Φιγούρα 2):
Φιγούρα 2: Σχέδιο δοκιμής πλευρικού φορτίου για διαγωνισμό AISC Student Steel Bridge
(Πηγή: Διαγωνισμός AISC Student Steel Bridge 2019 Κανόνες)
Πρώτα, παρατηρείτε ότι όχι μόνο υπάρχει α 50 λίβρα πλευρική δύναμη στην πλευρά της διαδρομής, αλλά υπάρχει ένα 75 λίβρα κατακόρυφο φορτίο στην αριστερή πλευρά στην ίδια σχετική θέση κατά μήκος του μήκους της γέφυρας. Δεύτερος, Σημείωση 2 αναφέρει ότι η τοποθεσία “μικρό” προσδιορίζεται τυχαία. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, AISC που χρησιμοποιεί μεταλλικό πλέγμα/καταστρώματα για τη στήριξη του βάρους καθώς και σημείο αγκύρωσης για την πλευρική δύναμη:
Πηγή: Οδηγός Διαγωνισμού AISC για Συμμετέχοντες
Για αυτό το παράδειγμα, θα εφαρμόσουμε το 50 lb πλευρικό φορτίο στο “Κόμβος 21″ του μοντέλου μας. ο 75 lb κατακόρυφο φορτίο στην αντίθετη πλευρά θα εφαρμοστεί ως ομοιόμορφο κατανεμημένο φορτίο στα 3′-0” πλάτος του καταστρώματος.
\(Πλευρικός:Φορτίο = 50\:λίβρα = 0.05\:δέρμα μόσχου ακατέργαστου)
\(Vertical\:Load=75\:lb/3\:ft = 25\:lb/ft = 0.025\:kip/ft\)
Οπως αναφέρθηκε νωρίτερα, αυτά είναι φορτία υπηρεσιών, οπότε και τα δύο αυτά φορτία θα προκύψουν κάτω από την περίπτωση φόρτωσης που δημιουργήσαμε και ονομάζεται “Πλάγια θήκη” και θα ληφθούν υπόψη Η πίεση είναι. Ο επόμενος συνδυασμός φορτίου θα είναι LC #1 και έχει ως εξής:
\(LC\:1=1.0*Self\:Weight\:of\:Δομή + 1.0*Πλευρικός:Load\:Case\)
Πάλι, Οι μαθητές θα πρέπει να εφαρμόσουν το πλευρικό και το κατακόρυφο φορτίο σε πολλές θέσεις κατά μήκος της γέφυρας για να καταλάβουν τη θέση που δίνει τα αποτελέσματα της ανάλυσης. Δείτε πώς φαίνεται το μοντέλο μας θα εφαρμοστούν αυτά τα φορτία:
Κάθετη θήκη φόρτωσης
Για την περίπτωση κατακόρυφου φορτίου, Ας δούμε το σχέδιο φορτίου που παρέχεται από την AISC στο 2019 Κανόνες (Φιγούρα 2):
Φιγούρα 3: Σχέδιο δοκιμής κάθετου φορτίου για διαγωνισμό AISC Student Steel Bridge
(Πηγή: Διαγωνισμός AISC Student Steel Bridge 2019 Κανόνες)
Παρόμοια με την περίπτωση πλευρικού φορτίου, οι θέσεις στις οποίες δρουν τα κατακόρυφα φορτία δεν υποδεικνύονται άμεσα. Αυτή τη φορά, υπάρχουν δύο ξεχωριστές περιπτώσεις φόρτωσης που πρέπει να αξιολογήσουμε. Πρώτα, υπάρχει το 100 lb κατάσταση προφόρτωσης. Τότε, το πρόσθετο 1400 και 900 λίβρες προστίθενται για να ισοδυναμούν με α 1500 και 1000 lb φορτίο αντίστοιχα, όπως φαίνεται στο σχήμα 3. Θα υποθέσουμε ότι τα φορτία μεταφέρονται ομοιόμορφα μεταξύ των ζευκτών, και ότι λειτουργούν ως ένα ομοιόμορφο κατανεμημένο φορτίο σε όλο το μήκος του καταστρώματος. Επίσης, θα αναγνωρίσουμε όλα τα κατακόρυφα φορτία ως Η πίεση είναι.
Η προφόρτωση θα είναι η δική της θήκη φόρτωσης και θα κληθεί “Κάθετη θήκη φόρτωσης – Προφόρτιση”. Ας εφαρμόσουμε τα κατανεμημένα φορτία με κέντρο στον κόμβο 21/9 και Κόμβος 24/12. Κόμβος 24 και 12 καθρεφτίζονται στο κέντρο της γέφυρας.
\(Προφόρτιση = (100\:λίβρες/2)/3\:ft = 16.7\:lb/ft = 0.0167\:lb/ft\)
Ακολούθως, ο συνδυασμός φορτίου είναι:
\(LC\:2=1.0*Self\:Weight\:of\:Δομή + 1.0*Vertical\:Load\:Case-Preload\)
Δείτε πώς φαίνεται το μοντέλο μας με τη θήκη προφόρτωσης:
Τώρα, ας προσθέσουμε το υπόλοιπο φορτίο. Στην αριστερή πλευρά το συνολικό φορτίο είναι τώρα 1500 λίβρα, και στη δεξιά πλευρά υπάρχει τώρα 1000 λίβρα. Θα το αποθηκεύσουμε ως μια άλλη φόρτιση που ονομάζεται “Κάθετη θήκη φόρτωσης – Σύνολο”.
\(Total\:Load\:on\:Left\:Side\: = (1500\:λίβρες/2)/3\:ft = 250\:lb/ft = 0.25\:kip/ft\)
\(Total\:Load\:on\:Right\:Side\: = (1000\:λίβρες/2)/3\:ft = 167\:lb/ft = 0.167\:kip/ft\)
Ως εκ τούτου, ο τελευταίος συνδυασμός φορτίου μας προσδιορίζεται ως:
\(LC\:3=1.0*Self\:Weight\:of\:Δομή + 1.0*Vertical\:Load\:Total\)
Δείτε πώς φαίνεται το μοντέλο μας με το συνολικό φορτίο που εφαρμόζεται στην κατακόρυφη θήκη φόρτωσης:
Δείτε παρακάτω για μια εικόνα πρόσφατου διαγωνισμού και τον μηχανισμό φόρτωσης για την κάθετη θήκη φόρτωσης:
Πηγή: Οδηγός Διαγωνισμού AISC για Συμμετέχοντες
Ανάλυση Περιπτώσεων Φορτίου/Συνδυασμών
Το τελευταίο μέρος αυτής της άσκησης είναι η εκτέλεση της ανάλυσης στη δομή της γέφυρας μας και η ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Πριν το κάνουμε αυτό, Ας ρίξουμε μια ματιά στους συνδυασμούς φορτίων και τους συντελεστές φορτίου τους:
Αυτά τα φορτία είναι φορτία υπηρεσιών, οπότε θα χρησιμοποιήσουμε έναν συντελεστή φορτίου του 1.0 σε όλους αυτούς. Αυτοί οι τρεις συνδυασμοί φορτίου ενσωματώνουν τις συνθήκες φόρτωσης που παρουσιάζονται μεταξύ της περίπτωσης πλευρικού φορτίου και της θήκης κάθετου φορτίου, παρέχεται από την AISC. Τώρα, ας κάνουμε την ανάλυσή μας. Για πρακτικούς σκοπούς, θα δούμε τα αξονικά αποτελέσματα για το σωστό ζευκτό με το πρόβολο άκρο για LC 3.
Το SkyCiv δίνει στους χρήστες τη δυνατότητα να κρύβονται, απομονώνουν και βλέπουν τα αποτελέσματα των δομών τους με όποιον τρόπο θεωρούν κατάλληλο. Κοιτάξτε ολόκληρη τη δομή για μια πιο σφαιρική ιδέα, ή απομονώστε συνδυασμούς ή μεμονωμένα μέλη για αξιολόγηση σε πιο κοκκώδες επίπεδο. Από εδώ, Οι μαθητές θα πρέπει να περάσουν από την επαναληπτική διαδικασία σχεδιασμού και συνεργασίας με την ομάδα τους. Οι μαθητές μπορούν τώρα να επικεντρωθούν στο να γίνουν καλύτεροι και καλά προετοιμασμένοι μηχανικοί όχι μόνο για τον διαγωνισμό AISC Student Steel Bridge, αλλά ως Μηχανικός σε Εκπαίδευση και Επαγγελματίας Μηχανικός.
Αυτό το παράδειγμα δείχνει πόσο ισχυρό αλλά απλό μπορεί να είναι το SkyCiv 3D, με τις διαισθητικές ενότητες που απευθύνονται σε χρήστες που κυμαίνονται από πρωτοετείς φοιτητές μηχανικών έως βασικούς μηχανικούς στο απόγειο της σταδιοδρομίας τους. Το SkyCiv ελπίζει ότι μπορεί να είναι ένα σημαντικό εργαλείο για χρήση μέσα στην τάξη, επιτρέποντας στους μαθητές να επικεντρωθούν στη μάθηση σχετικά με τη μηχανική αντί να μάθουν για το λογισμικό.
βιβλιογραφικές αναφορές:
- «Προγράμματα Πανεπιστημίων». AISC, 2019, www.aisc.org/education/university-programs/student-steel-bridge-competition/.
