Introducción a las capacidades de análisis y diseño de una estructura de puente para el concurso de puentes de acero para estudiantes de AISC

Casi todo el año, Las universidades de los Estados Unidos albergan a sus respectivos equipos y clubes AISC Student Steel Bridge que compiten en el Concurso de puentes de acero para estudiantes AISC. Esto implica un viaje de un año académico largo diseñando y construyendo un puente a escala modelo que se prueba bajo varias condiciones de carga y otros criterios de evaluación. Para los estudiantes, Este proceso incluye todo, desde la recaudación de fondos y el diseño preliminar del puente., al pedido, fabricación y montaje del puente. Patrocinado y facilitado por AISC, El concurso Student Steel Bridge ofrece a los estudiantes una sensación de adquisición de ingeniería del mundo real., procesos de diseño y revisión.

Un aspecto muy importante del proceso – se podría decir que es más relevante para el trabajo de posgrado – es el análisis y modelado de la estructura del puente. El software de ingeniería estructural juega un papel importante al proporcionar a los estudiantes el poder de analizar y tomar decisiones rápidamente sobre los diseños de sus puentes durante todo el proceso de diseño..

SkyCiv Structural 3D brinda a los estudiantes la combinación perfecta de poder analítico y adaptabilidad. SkyCiv se enorgullece de la reducción del tiempo inicial que se necesita para aprender el software y operarlo de manera efectiva., lo que lleva a más tiempo valor agregado a sus proyectos, y antes tambien.

Con eso en mente, echemos un vistazo a un diseño preliminar de una estructura de puente para la competencia AISC Student Steel Bridge.

 

Modelado de la estructura de celosía

Uso de los documentos de restricción del sobre del puente proporcionados por AISC en el Puente de acero para estudiantes de AISC – 2019 Reglas, observamos lo siguiente:

Figura 1: Dibujo de sobre de puente de acero para estudiantes AISC

(Fuente: Concurso de puentes de acero para estudiantes de AISC 2019 Reglas)

Usaremos un Pratt Truss para nuestro ejemplo. Haga clic en los enlaces para obtener más información sobre Tipos de celosías y Modelado de una armadura. Vamos a analizar los largueros como un solo miembro para simplificar nuestro modelo en esta etapa.. Los largueros más complejos se pueden modelar fácilmente a medida que los estudiantes avanzan en el proceso de diseño..

Mirando la sección del puente, asumiremos que el nivel del suelo es la elevación Y de 0, y el centroide de nuestro larguerillo pasa a través de una elevación en Y de 1 pie. Mirando la elevación lateral, supongamos que nuestros soportes están centrados en cada uno de los 1′-0″ ubicaciones de zapatas anchas. Esto nos daría una longitud de larguero inferior de 22 pies. Para el larguero superior de nuestra armadura de puente, digamos que su centroide pasa a través de la elevación Y de 4.75 ft. Finalmente, asumiremos que hay seis espacios iguales entre los extremos de nuestros largueros inferiores, por lo que nuestro espaciado de ubicación de conexión de truss es 22 pies / 6 = 3.67 ft.

Ahora que tenemos las dimensiones generales, nuestra envolvente de puente, vamos a crear los nodos. Aquí está nuestra tabla de nodos, siendo la dirección X la dimensión larga de la armadura y la dirección Y la elevación.

Después, Dibujemos miembros entre estos nodos con el patrón de celosía de Pratt. Asegúrese de seleccionar el “Momento de Flexión” botón en la ventana izquierda al crear miembros para que los extremos de los miembros se suelten por un momento. Aquí está nuestro truss Pratt:

Ahora agreguemos algunos soportes. Echando otro vistazo al dibujo de la envolvente del puente AISC, la base derecha está ubicada hacia adentro desde el final del puente, creando un voladizo. Para acomodar esto, vamos a mover el nodo 6 y nodo 8 para alinearse con la ubicación de este soporte; El centro de la zapata es 3′-0″ hacia adentro desde el paseo correcto, entonces nuestra dimensión X será 19 pies. Finalmente, vamos a agregar soportes de pines en N0de 1 y nodo 8. Eche un vistazo a nuestro truss actualizado:

próximo, Repitamos nuestra estructura de celosía a lo ancho del puente.. Esto se puede hacer seleccionando toda la estructura., incluyendo nodos y soportes, y yendo a Editar – Duplicar. Mirando de nuevo a la figura 1, asumiremos que las cerchas estarán centradas dentro de cada lado de la envolvente del puente. Por lo tanto, estarán espaciados en 4′- 3 1/2″, o 4.22 ft, esta es nuestra dimensión de duplicación. También necesitamos ajustar los soportes como se indica en la Figura 1, la cercha izquierda tiene su soporte al final del puente. Después de duplicar nuestra estructura de celosía a lo largo del eje lateral (Eje Z), nuestra estructura 3D ahora se ve así:

Ahora, Necesitamos conectar nuestra estructura usando arriostramientos laterales para completar el modelado preliminar de nuestra estructura de puente.. Esta parte del diseño es un proceso iterativo para los estudiantes.; tratarán de averiguar los puntos correctos para conectar cada truss para minimizar el balanceo lateral, la métrica principal juzgada durante el caso de carga lateral. Pongamos un refuerzo diagonal entre los largueros superior e inferior de las armaduras. Por ejemplo, como se muestra en la vista superior:

El modelado en el módulo Structural 3D de SkyCiv es extremadamente intuitivo y conduce a un análisis más rápido y a resultados más simples.. Dé a sus estudiantes una oportunidad para modelar una armadura en 2D usando nuestro Calculadora de celosía gratuita.

 

Aplicación de cargas a nuestro puente

Después de modelar, ahora podemos empezar a aplicar las cargas establecidas por AISC. Hay dos tipos de carga de cargas, o casos de carga, que el puente será probado en: Lateral y Vertical. Las magnitudes de cada caso de carga están dadas por AISC, pero su ubicación exacta a lo largo de la longitud del puente no es. Por lo tanto, Los estudiantes deberán analizar múltiples ubicaciones diferentes para cada caso de carga para descubrir el peor escenario para cada caso.. Cabe señalar que cada caso de carga se aplica de forma independiente; la estructura no ve ambas situaciones de carga al mismo tiempo.

Porque las cargas que son suministradas por AISC son REAL cargas que se utilizarán en la competición, podemos asumir que son cargas de servicio. Estamos tratando de diseñar este puente lo más liviano que podamos sin dejar de cumplir con los criterios de deflexión.. por lo tanto, Nuestras combinaciones de carga no incluirán ningún factor de carga amplificador..

 

Caso de carga lateral

Para el caso de carga lateral, Veamos el plano de carga proporcionado por AISC en el 2019 Reglas (Figura 2):

Figura 2: Plan de prueba de carga lateral para la competencia de puentes de acero para estudiantes AISC

(Fuente: Concurso de puentes de acero para estudiantes de AISC 2019 Reglas)

primero, notas que no solo hay un 50 libra de fuerza lateral en el lado del paseo, pero hay un 75 libra de carga vertical en el lado izquierdo en la misma ubicación relativa a lo largo de la longitud del puente. Segundo, Nota 2 afirma que la ubicación “S” se determina al azar. Durante la prueba, AISC que usa rejilla / plataforma de metal para soportar el peso, así como un punto de anclaje para la fuerza lateral:

Fuente: Guía de competición AISC para participantes

En este ejemplo, aplicaremos el 50 lb de carga lateral en el “Nodo 21″ de nuestro modelo. El 75 lb de carga vertical en el lado opuesto se aplicará como una carga distribuida uniforme sobre los 3′-0” ancho de la plataforma.

\(Lateral:Carga = 50\:lb = 0.05\:dormir)

\(Vertical:Cargar=75:libra/3:ft = 25\:lb / pie = 0.025\:kip / ft )

Como se mencionó anteriormente, estas son cargas de servicio, por lo que ambas cargas ocurrirán bajo el caso de carga que creamos llamado “Caso de carga lateral” y será considerado Carga viva. La siguiente combinación de carga será LC #1 y es como sigue:

\(LC :1= 1.0 * Yo mismo :Peso:de:Estructura + 1.0*Lateral:Load\:Case\)

De nuevo, Los estudiantes deberán aplicar la carga lateral y vertical en múltiples ubicaciones a lo largo de la longitud del puente para determinar la ubicación que da los resultados del análisis gobernante.. Así es como se ve nuestro modelo, se aplicarán estas cargas:

 

Caso de carga vertical

Para el caso de carga vertical, Veamos el plano de carga proporcionado por AISC en el 2019 Reglas (Figura 2):

Figura 3: Plan de prueba de carga vertical para la competencia de puentes de acero para estudiantes AISC

(Fuente: Concurso de puentes de acero para estudiantes de AISC 2019 Reglas)

Similar al caso de carga lateral, las ubicaciones donde actúan las cargas verticales no están indicadas directamente. Esta vez, hay dos casos de carga separados que debemos evaluar. primero, ahí está el 100 lb condición de precarga. Luego, el adicional 1400 y 900 libras se añaden para equivaler a un 1500 y 1000 lb de carga respectivamente, como se muestra en la figura 3. Supondremos que las cargas se llevan uniformemente entre las cerchas., y que actúan como una carga distribuida uniformemente a lo largo de la plataforma. también, identificaremos todas las cargas verticales como Carga viva.

La precarga será su propio caso de carga y se llamará “Caso de carga vertical – Precarga”. Apliquemos las cargas distribuidas centradas en el nodo 21/9 y nodo 24/12. Nodo 24 y 12 se reflejan en el centro del puente.

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

Después, la combinación de carga es:

\(LC :2= 1.0 * Yo mismo :Peso:de:Estructura + 1.0*Vertical:Load\:Case-Preload\)

Así es como se ve nuestro modelo con el estuche de precarga:

Ahora, agreguemos la carga restante. En el lado izquierdo, la carga total ahora es 1500 lb, y en el lado derecho hay ahora 1000 lb. Guardaremos esto como otro caso de carga llamado “Caso de carga vertical – Total”.

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

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

Por tanto, nuestra última combinación de carga se identifica como:

\(LC :3= 1.0 * Yo mismo :Peso:de:Estructura + 1.0*Vertical:Load\:Total)

Así es como se ve nuestro modelo con la carga total aplicada en el caso de carga vertical:

Vea a continuación una imagen de una competencia reciente y el mecanismo de carga para el caso de carga vertical:

Fuente: Guía de competición AISC para participantes

Análisis de casos / combinaciones de carga

La última parte de este ejercicio consiste en ejecutar el análisis de la estructura de nuestro puente e interpretar los resultados.. Antes de hacer eso, echemos un vistazo a las combinaciones de carga y sus factores de carga:

Estas cargas son cargas de servicio, así que usaremos un factor de carga de 1.0 en todos ellos. Estas tres combinaciones de carga encapsulan las condiciones de carga presentadas entre el caso de carga lateral y el caso de carga vertical., proporcionado por AISC. Ahora, ejecutemos nuestro análisis. Para fines prácticos, veremos los resultados axiales para el truss derecho con el extremo en voladizo para LC 3.

SkyCiv da a los usuarios el poder de esconderse, aislar y ver los resultados de sus estructuras de la forma que consideren adecuada. Mire la estructura completa para una idea más global, o aislar combinaciones o miembros individuales para evaluar en un nivel más granular. De aquí, los estudiantes deberán pasar por el proceso iterativo de diseño y colaboración con su equipo. Los estudiantes ahora pueden concentrarse en convertirse en ingenieros mejores y mejor preparados no solo para la competencia Student Steel Bridge de AISC, pero como ingeniero en formación e ingeniero profesional.

Este ejemplo muestra lo poderoso pero simple que puede ser SkyCiv 3D, con sus módulos intuitivos dirigidos a usuarios que van desde estudiantes de ingeniería de primer año hasta ingenieros principales en la cima de sus carreras. SkyCiv espera que pueda ser una herramienta destacada para su uso en el aula., Permitir que los estudiantes se concentren en aprender sobre ingeniería en lugar de aprender sobre el software..

Referencias:

• "Programas universitarios". AISC, 2019, www.aisc.org/education/university-programs/student-steel-bridge-competition/.