Une introduction aux capacités d'analyse et de conception d'une structure de pont pour le concours AISC Student Steel Bridge

Presque toute l'année, les universités des États-Unis abritent leurs équipes et clubs respectifs AISC Student Steel Bridge qui concourent dans le Concours étudiant de pont en acier AISC. Cela implique un voyage d'une année universitaire pour concevoir et construire un pont à l'échelle du modèle qui est testé dans diverses conditions de chargement et d'autres critères de jugement.. Pour les étudiants, ce processus comprend tout, de la collecte de fonds à la conception préliminaire du pont, à la commande, fabrication et montage du pont. Parrainé et facilité par l'AISC, le Concours étudiant de ponts en acier donne aux étudiants une idée de l'approvisionnement en ingénierie dans le monde réel, processus de conception et de révision.

Un aspect très important du processus – vous pourriez dire le plus pertinent pour le travail post-universitaire – est l'analyse et la modélisation de la structure du pont. Les logiciels d'ingénierie structurelle jouent un rôle important en fournissant aux étudiants le pouvoir d'analyser rapidement et de prendre des décisions sur leurs conceptions de ponts tout au long du processus de conception..

SkyCiv Structural 3D offre aux étudiants le mélange parfait de puissance analytique et d'adaptabilité. SkyCiv est fier du temps de démarrage raccourci qu'il faut pour apprendre le logiciel et l'utiliser efficacement, conduit à plus de temps ajouter de la valeur à leurs projets, et plus tôt aussi.

analyser et effectuer les vérifications de l'acier de construction sur ce projet, jetons un coup d'œil à la conception préliminaire d'une structure de pont pour le concours AISC Student Steel Bridge.

 

Modélisation de la structure en treillis

Utilisation des documents de contrainte d'enveloppe de pont fournis par l'AISC dans l'AISC Student Steel Bridge – 2019 Règles, nous observons ce qui suit:

Figure 1: Dessin d'enveloppe de pont en acier étudiant AISC

(Source: Concours étudiant de pont en acier AISC 2019 Règles)

Nous utiliserons un Pratt Truss pour notre exemple. Cliquez sur les liens pour plus d'informations sur Types de fermes et Modélisation d'une ferme. Nous allons analyser les limons comme un membre unique pour simplifier notre modèle à ce stade. Des limons plus complexes peuvent facilement être modélisés au fur et à mesure que les étudiants avancent dans le processus de conception.

En regardant la section du pont, nous supposerons que le niveau du sol est l'élévation Y de 0, et le centre de gravité de notre limon passe par une élévation en Y de 1 le pied. En regardant l'élévation latérale, supposons que nos supports sont centrés sur chacun des 1′-0″ emplacements larges. le long de l'axe z 22 pieds. le long de l'axe z, le long de l'axe z 4.75 pi. Ensuite, le long de l'axe z, le long de l'axe z 22 le long de l'axe z 3.67 pi.

Maintenant que nous avons les dimensions générales de notre enveloppe de pont, le long de l'axe z. Voici notre table de nœuds, la direction X étant la dimension longue de la ferme et la direction Y étant l'élévation.

Par la suite, permet de dessiner des membres entre ces nœuds avec le modèle de treillis Pratt. Assurez-vous de sélectionner le “Charpente” bouton dans la fenêtre de gauche lors de la création d'éléments afin que les extrémités des éléments soient momentanément relâchées. Voici notre treillis Pratt:

Ajoutons maintenant quelques supports. Jeter un autre regard sur le dessin AISC Bridge Envelope, le pied droit est situé vers l'intérieur à partir de l'extrémité du pont, créer un porte-à-faux. Pour accueillir cela, permet de déplacer le nœud 6 et nœud 8 aligner avec l'emplacement de ce support; Le centre de la semelle est 3′-0″ vers l'intérieur à partir du bon trajet, donc notre dimension X sera 19 pieds. Ensuite, permet d'ajouter des supports de broches à N0de 1 et nœud 8. Jetez un œil à notre ferme mise à jour:

Prochain, répétons notre structure en treillis sur toute la largeur du pont. Cela peut être fait en sélectionnant la structure entière, y compris les nœuds et les supports, et aller à Éditer – Dupliquer. En regardant à nouveau la figure 1, nous supposerons que les fermes seront centrées de chaque côté de l'enveloppe du pont. Par conséquent, ils seront espacés de 4′- 3 1/2″, ou 4.22 pi, c'est notre dimension de duplication. Nous devons également ajuster les supports comme indiqué sur la figure 1, Catégorie de risque La première chose à faire pour déterminer les pressions de vent de conception est de classer la catégorie de risque du. Après avoir dupliqué notre structure en treillis sur l'axe latéral (Axe z), notre structure 3D ressemble maintenant à ceci:

Maintenant, nous devons connecter notre structure à l'aide de contreventements latéraux pour compléter la modélisation préliminaire de notre structure de pont. Cette partie de la conception est en quelque sorte un processus itératif pour les étudiants; ils essaieront de déterminer les points corrects pour connecter chaque ferme ensemble afin de minimiser le balancement latéral, la principale métrique jugée lors du cas de charge latérale. Mettons un renfort en diagonale entre les longerons supérieur et inférieur des fermes. Par exemple, comme le montre la vue de dessus:

La modélisation dans le module 3D structurel de SkyCiv est extrêmement intuitive et conduit à une analyse plus rapide et à des résultats plus simples. Donnez à vos élèves un essai de modélisation d'une ferme en 2D à l'aide de notre Outil gratuit de calcul de fermes.

 

Appliquer des charges à notre pont

Après la modélisation, nous pouvons maintenant commencer à appliquer les charges définies par AISC. Il existe deux types de charges, ou cas de charge, que le pont sera testé sur: Latéral et vertical. Les grandeurs de chaque cas de charge sont données par AISC, mais leur emplacement exact le long de la longueur du pont n'est pas. Par conséquent, les étudiants devront analyser plusieurs emplacements différents pour chaque cas de charge afin de déterminer le pire scénario pour chacun. Il convient de noter que chaque cas de charge est appliqué indépendamment; la structure ne voit pas les deux situations de chargement en même temps.

Étant donné que les charges fournies par l'AISC sont RÉEL charges qui seront utilisées dans la compétition, nous pouvons supposer qu'il s'agit de charges de service. Nous essayons de concevoir ce pont le plus léger possible tout en respectant les critères de déflexion. donc, nos combinaisons de charge n'incluront aucun facteur de charge amplificateur.

 

Cas de charge latérale

Pour le cas de charge latérale, regardons le dessin de charge fourni par AISC dans le 2019 Règles (Figure 2):

Figure 2: Plan d'essai de charge latérale pour la compétition étudiante de ponts en acier de l'AISC

(Source: Concours étudiant de pont en acier AISC 2019 Règles)

Première, vous remarquez que non seulement il y a un 50 force latérale de la livre sur le côté de la conduite, mais il y a un 75 charge verticale en livres sur le côté gauche au même emplacement relatif le long de la longueur du pont. Seconde, Remarque 2 indique que l'emplacement “S” est déterminé au hasard. Pendant les tests, AISC utilisant un caillebotis/platelage métallique pour supporter le poids ainsi qu'un point d'ancrage pour la force latérale:

Source: Guide de compétition AISC pour les participants

Dans cet exemple, nous appliquerons le 50 lb charge latérale sur le “Nœud 21″ de notre modèle. Le 75 La charge verticale lb du côté opposé sera appliquée sous forme de charge uniformément répartie sur les 3′-0” largeur de platelage.

\(Latéral:Charger = 50\:lb = 0.05\:kip)

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

Comme mentionné précédemment, ce sont des charges de service, donc ces deux charges se produiront sous le cas de charge que nous avons créé appelé “Cas de charge latérale” et sera considéré Charge en direct. La combinaison de charge suivante sera LC #1 et est comme suit:

\(LC\:1=1.0*Self\:Weight\:of\:Structure + 1.0*Latéral:Load\:Case\)

Encore une fois, les étudiants devront appliquer la charge latérale et verticale à plusieurs endroits le long de la longueur du pont pour déterminer l'emplacement qui donne les résultats d'analyse déterminants. Voici à quoi ressemble notre modèle si ces charges sont appliquées:

 

Cas de charge verticale

Pour le cas de charge verticale, regardons le dessin de charge fourni par AISC dans le 2019 Règles (Figure 2):

Figure 3: Plan d'essai de charge verticale pour la compétition de ponts en acier pour étudiants AISC

(Source: Concours étudiant de pont en acier AISC 2019 Règles)

Similaire au cas de charge latérale, les emplacements où agissent les charges verticales ne sont pas directement indiqués. Ce temps, il y a deux cas de charge distincts que nous devons évaluer. Première, il y a le 100 lb condition de précharge. ensuite, le supplément 1400 et 900 lbs sont ajoutés pour équivaloir à un 1500 et 1000 lb charge respectivement, tel qu'illustré à la figure 3. Nous supposerons que les charges sont réparties uniformément entre les fermes, et qu'ils agissent comme une charge uniformément répartie sur la longueur du platelage. Aussi, nous identifierons toutes les charges verticales comme Charge en direct.

Le préchargement sera son propre cas de charge et sera appelé “Cas de charge verticale – Précharge”. Appliquons les charges réparties centrées sur le nœud 21/9 et nœud 24/12. Nœud 24 et 12 se reflètent au centre du pont.

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

Par la suite, la combinaison de charge étant:

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

Voici à quoi ressemble notre modèle avec le boîtier de préchargement:

Maintenant, ajoutons la charge restante. Sur le côté gauche, la charge totale est maintenant 1500 le programme attribue des températures, et sur le côté droit il y a maintenant 1000 le programme attribue des températures. Nous enregistrerons cela comme un autre cas de charge appelé “Cas de charge verticale – Le total”.

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

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

Notre dernière combinaison de charge est donc identifiée comme:

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

Voici à quoi ressemble notre modèle avec la charge totale appliquée dans le cas de charge verticale:

Voir ci-dessous une photo d'une compétition récente et le mécanisme de chargement pour le cas de charge verticale:

Source: Guide de compétition AISC pour les participants

Analyse des cas de charge/combinaisons

La dernière partie de cet exercice consiste à exécuter l'analyse sur notre structure de pont et à interpréter les résultats. Avant de faire ça, examinons les combinaisons de charges et leurs facteurs de charge:

Ces charges sont des charges de service, nous utiliserons donc un facteur de charge de 1.0 sur tous. Ces trois combinaisons de charge encapsulent les conditions de charge présentées entre le cas de charge latérale et le cas de charge verticale, fourni par l'AISC. Maintenant, lançons notre analyse. A des fins pratiques, nous examinerons les résultats axiaux pour le treillis droit avec l'extrémité en porte-à-faux pour LC 3.

SkyCiv donne aux utilisateurs le pouvoir de se cacher, isoler et visualiser les résultats de leurs structures de la manière qu'ils jugent appropriée. Regardez toute la structure pour une idée plus globale, ou isoler des combinaisons ou des membres uniques à évaluer à un niveau plus granulaire. D'ici, les étudiants devront passer par le processus itératif de conception et de collaboration avec leur équipe. Les étudiants peuvent désormais se concentrer sur le fait de devenir des ingénieurs meilleurs et bien préparés, non seulement pour le concours AISC Student Steel Bridge, mais en tant qu'ingénieur stagiaire et ingénieur professionnel.

Cet exemple montre à quel point SkyCiv 3D peut être puissant mais simple, avec ses modules intuitifs s'adressant à des utilisateurs allant de l'étudiant ingénieur en première année à l'ingénieur principal au sommet de sa carrière. SkyCiv espère qu'il pourra être un outil de premier plan à utiliser en classe, permettant aux étudiants de se concentrer sur l'apprentissage de l'ingénierie plutôt que sur l'apprentissage du logiciel.

Références:

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