AISC Öğrenci Çelik Köprü Yarışması için Köprü Yapısının Analiz ve Tasarım Yeteneklerine Giriş

Neredeyse yıl boyunca, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki üniversiteler, kendi AISC Öğrenci Çelik Köprüsü takımlarına ve AISC Öğrenci Çelik Köprü yarışması. Bu, çeşitli yükleme koşulları ve diğer değerlendirme kriterleri altında test edilen, model ölçekli bir köprü tasarlamak ve inşa etmek için bir akademik yıl süren bir yolculuğu gerektirir.. Öğrenciler için, bu süreç bağış toplama ve ön köprü tasarımına kadar her şeyi içerir, siparişe, köprünün imalat ve montajı. AISC'nin sponsorluğunda ve kolaylaştırıcılığında, Öğrenci Çelik Köprü Yarışması öğrencilere gerçek dünyadaki mühendislik satın alma duygusunu veriyor, süreçlerin tasarlanması ve gözden geçirilmesi.

Sürecin çok önemli bir yönü – lisansüstü çalışmayla en alakalı olduğunu söyleyebilirsin – köprü yapısının analizi ve modellenmesidir. Yapı mühendisliği yazılımı, öğrencilere tasarım süreci boyunca köprü tasarımlarını hızlı bir şekilde analiz etme ve karar verme gücü sağlayarak önemli bir rol oynamaktadır..

SkyCiv Structural 3D, öğrencilere analitik güç ve uyarlanabilirliğin mükemmel karışımını sunar. SkyCiv, yazılımı öğrenmek ve etkili bir şekilde çalıştırmak için gereken başlangıç ​​süresinin kısaltılmasıyla gurur duymaktadır, daha fazla zamana yol açıyor değer eklemek onların projelerine, ve daha erken.

o zaman örnek bir proje olarak küçük ve yönetilebilir bir şeye ihtiyacımız var, böylece kemerinizin altında hızlı bir kazanç elde edebilirsiniz., AISC Öğrenci Çelik Köprü yarışması için bir köprü yapısının ön tasarımına bakalım.

 

Kafes Yapının Modellenmesi

AISC Öğrenci Çelik Köprüsü'nde AISC tarafından sağlanan köprü zarfı kısıtlama belgelerini kullanma – 2019 Tüzük, aşağıdakileri gözlemliyoruz:

Figür 1: AISC Öğrenci Çelik Köprü Zarf Çizimi

(Kaynak: AISC Öğrenci Çelik Köprü Yarışması 2019 Tüzük)

Örneğimiz için Pratt Truss kullanacağız. Hakkında daha fazla bilgi için bağlantılara tıklayın Kafes Çeşitleri ve Kafes Modelleme. Bu aşamada modelimizi basitleştirmek için stringerleri tek eleman olarak analiz edeceğiz.. Öğrenciler tasarım sürecinde ilerledikçe daha karmaşık kirişler kolaylıkla modellenebilir.

Köprü kısmına bakıyorum, Zemin seviyesinin Y yüksekliği olduğunu varsayacağız. 0, ve kirişimizin ağırlık merkezi Y yüksekliğinden geçiyor 1 ayak. Yan cepheye bakıldığında, desteklerimizin her birinde ortalandığını varsayalım.′-0″ geniş temel yerleri. Bu bize alt kiriş uzunluğunu verir 22 ayak. Köprü kafesimizin üst kirişi için, diyelim ki ağırlık merkezi Y yüksekliğinden geçiyor 4.75 ft. En sonunda, alt kirişlerimizin uçları arasında altı eşit boşluk olduğunu varsayacağız, yani kafes bağlantı konum aralığımız 22 ft/6 = 3.67 ft.

Artık köprü zarfımızın genel boyutlarına sahibiz, düğümleri oluşturalım. İşte düğüm tablomuz, X yönü kafes kirişin uzun boyutu ve Y yönü yükseklik olmak üzere.

Daha sonra, Pratt kafes deseni ile bu düğümler arasındaki üyeleri çizelim. seçeneğini seçtiğinizden emin olun. “Kafes” Üyeler oluşturulurken sol penceredeki düğme, böylece üyelerin uçlarının anında serbest bırakılmasını sağlar. İşte Pratt kafesimiz:

Şimdi bazı destekler ekleyelim. AISC Köprü Zarfı çizimine yeniden bakış, sağ temel köprünün ucundan içeriye doğru yerleştirilmiştir, bir konsol oluşturmak. Bunu karşılamak için, Düğümü taşıyalım 6 ve Düğüm 8 bu desteğin konumuna uyum sağlamak için; Temelin merkezi 3′-0″ sağ sürüşten içeriye doğru, yani X boyutumuz şöyle olacak 19 ayak. En sonunda, N0de'ye pin destekleri ekleyelim 1 ve Düğüm 8. Güncellenen kafesimize bir göz atın:

Sonraki, kafes yapımızı köprünün genişliği boyunca tekrarlayalım. Bu, tüm yapının seçilmesiyle yapılabilir., düğümler ve destekler dahil, ve gidiyorum Düzenle – Kopyalamak. Tekrar resme bakıyorum 1, Kafes kirişlerin köprü zarfının her iki yanında ortalanacağını varsayacağız. Bu nedenle, 4 aralıklarla yerleştirilecekler′- 3 1/2″, veya 4.22 ft, bu bizim çoğaltma boyutumuz. Destekleri de Şekilde belirtildiği gibi ayarlamamız gerekiyor. 1, sol kafes kirişin desteği köprünün sonundadır. Kafes yapımızı yan eksen boyunca kopyaladıktan sonra (AS4600'e göre Eğilme Mukavemeti için gerekli olan azaltma faktörü), 3 boyutlu yapımız artık şuna benziyor:

Şimdi, köprü yapımızın ön modellemesini tamamlamak için yapımızı yanal destek kullanarak bağlamamız gerekiyor. Tasarımın bu kısmı öğrenciler için tekrarlanan bir süreçtir.; yanal sallanmayı en aza indirmek için her bir kirişi birbirine bağlamak için doğru noktaları bulmaya çalışacaklar, Yan Yük Durumunda değerlendirilen ana metrik. Kafeslerin üst ve alt kirişleri arasına bir miktar çapraz takviye koyalım. Örneğin, üst görünümden gösterildiği gibi:

SkyCiv'in Yapısal 3D modülündeki modelleme son derece sezgiseldir ve daha hızlı analiz ve daha basit sonuçlara yol açar. Öğrencilerinize bizim kullanarak bir kafes kirişi 2 boyutlu modellemeyi deneyin. Ücretsiz Kafes Hesaplama aracı.

 

Köprümüze Yük Uygulamak

Modellemeden sonra, artık AISC tarafından belirlenen yükleri uygulamaya başlayabiliriz. İki yük türü vardır, veya yükleme durumları, köprünün test edileceği: Yanal ve Dikey. Her yük durumunun büyüklüğü AISC tarafından verilmektedir., ancak köprü uzunluğu boyunca bunların kesin konumu bilinmiyor. Bu nedenle, öğrencilerin her biri için en kötü durum senaryosunu bulmak amacıyla her yük durumu için birden fazla farklı konumu analiz etmeleri gerekecektir.. Her yük durumunun bağımsız olarak uygulandığına dikkat edilmelidir.; yapı her iki yükleme durumunu aynı anda görmüyor.

Çünkü AISC tarafından sağlanan yükler GERÇEK Yarışmada kullanılacak yükler, bunların hizmet yükleri olduğunu varsayabiliriz. Bu köprüyü elimizden gelen en hafif şekilde tasarlamaya çalışırken aynı zamanda sapma kriterlerini de karşılamaya çalışıyoruz.. bu nedenle, Yük Kombinasyonlarımız herhangi bir artırıcı yük faktörü içermeyecektir.

 

Yan Yük Durumu

Yan Yük Durumu için, AISC tarafından sağlanan yük çizimine bakalım. 2019 Tüzük (Figür 2):

Figür 2: AISC Öğrenci Çelik Köprü Yarışması için Yanal Yük Test Planı

(Kaynak: AISC Öğrenci Çelik Köprü Yarışması 2019 Tüzük)

İlk, sadece orada olmadığını fark ettiniz 50 sürüş tarafındaki pound yanal kuvvet, ama bir tane var 75 köprü uzunluğu boyunca aynı göreceli konumda sol taraftaki pound dikey yükü. İkinci, Not 2 konumu belirtiyor “S” rastgele belirlenir. Test sırasında, Ağırlığı desteklemek için metal ızgara/döşemenin yanı sıra yanal kuvvet için bir bağlantı noktası kullanan AISC:

Kaynak: Katılımcılar için AISC Yarışma Rehberi

Bu örnek için, uygulayacağız 50 lb yanal yük “Düğüm 21″ bizim modelimizin. NS 75 Karşı taraftaki lb dikey yük, 3'e eşit dağıtılmış yük olarak uygulanacaktır.′-0” döşeme genişliği.

\(Yanal:Yük = 50\:pound = 0.05\:kip)

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

Daha önce belirtildiği gibi, bunlar hizmet yükleridir, yani bu yüklerin her ikisi de oluşturduğumuz yük durumu altında meydana gelecektir. “Yan Yük Durumu” ve dikkate alınacak basınç. Sonraki yük kombinasyonu LC olacaktır #1 ve aşağıdaki gibidir:

\(LC\:1=1.0*Self\:Weight\:of\:Yapısı + 1.0*Yanal:Load\:Case\)

Tekrar, Öğrencilerin, yönetim analiz sonuçlarını veren konumu bulmak için köprü uzunluğu boyunca birden fazla konumda yanal ve dikey yükü uygulamaları gerekecektir.. Modelimiz şu şekilde görünüyor, bu yükler uygulanacak mı?:

 

Dikey Yük Durumu

Dikey Yük Durumu İçin, AISC tarafından sağlanan yük çizimine bakalım. 2019 Tüzük (Figür 2):

Figür 3: AISC Öğrenci Çelik Köprü Yarışması için Düşey Yük Test Planı

(Kaynak: AISC Öğrenci Çelik Köprü Yarışması 2019 Tüzük)

Yanal yük durumuna benzer, dikey yüklerin etki ettiği yerler doğrudan gösterilmez. Bu zaman, değerlendirmemiz gereken iki ayrı yükleme durumu var. İlk, orada 100 lb ön yükleme koşulu. Sonra, Ilave 1400 ve 900 a'ya eşitlemek için lbs eklenir 1500 ve 1000 sırasıyla lb yük, Şekilde gösterildiği gibi 3. Yüklerin kafes kirişler arasında eşit olarak taşındığını varsayacağız., ve döşemenin uzunluğu boyunca düzgün dağıtılmış bir yük gibi davrandıklarını. Ayrıca, tüm dikey yükleri şu şekilde tanımlayacağız: basınç.

Ön yükleme kendi yükleme durumu olacak ve çağrılacaktır. “Dikey Yük Durumu – Ön yükleme”. Düğümde ortalanmış dağıtılmış yükleri uygulayalım 21/9 ve Düğüm 24/12. Düğüm 24 ve 12 köprünün ortasına yansıtılır.

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

Daha sonra, yük kombinasyonu:

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

İşte modelimizin önyükleme durumuyla nasıl göründüğü:

Şimdi, kalan yükü ekleyelim. Sol tarafta toplam yük artık 1500 Tekrarlayan Faktör C'nin olup olmadığını belirleyebilirsiniz., ve sağ tarafta şimdi var 1000 Tekrarlayan Faktör C'nin olup olmadığını belirleyebilirsiniz.. Bunu, adı verilen başka bir yük durumu olarak kaydedeceğiz. “Dikey Yük Durumu – Toplam”.

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

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

Son yük kombinasyonumuz bu nedenle şu şekilde tanımlanır::

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

Dikey yük durumunda uygulanan toplam yük ile modelimiz şu şekilde görünüyor:

Yakın zamanda yapılan bir yarışmanın resmi ve dikey yük durumu için yükleme mekanizması için aşağıya bakın:

Kaynak: Katılımcılar için AISC Yarışma Rehberi

Yük Durumlarının/Kombinasyonlarının Analizi

Bu alıştırmanın son kısmı analizin köprü yapımız üzerinde yürütülmesi ve sonuçların yorumlanmasıdır.. Bunu yapmadan önce, yük kombinasyonlarına ve bunların yük faktörlerine bir göz atalım:

Bu yükler servis yükleridir, yani yük faktörünü kullanacağız 1.0 hepsinin üzerinde. Bu üç yük kombinasyonu, Yatay Yük Durumu ile Dikey Yük Durumu arasında sunulan yükleme koşullarını özetlemektedir., AISC tarafından sağlanmıştır. Şimdi, analizimizi çalıştıralım. doğru desteklere sahip olduğunuzu iki kez kontrol edin, LC için dirsekli uçlu sağ kafes kirişin eksenel sonuçlarına bakacağız 3.

SkyCiv kullanıcılara saklanma gücü veriyor, yapılarının sonuçlarını izole edin ve uygun gördükleri şekilde görüntüleyin. Daha küresel bir fikir için yapının tamamına bakın, veya daha ayrıntılı bir düzeyde değerlendirmek için kombinasyonları veya tekli üyeleri izole edin. Buradan, öğrencilerin ekipleriyle yinelemeli tasarım ve işbirliği sürecinden geçmeleri gerekecek. Öğrenciler artık yalnızca AISC Öğrenci Çelik Köprüsü yarışması için değil, daha iyi ve iyi hazırlanmış mühendisler olmaya odaklanabilirler., ancak Eğitimde Mühendis ve Profesyonel Mühendis olarak.

Bu örnek SkyCiv 3D'nin ne kadar güçlü ve basit olabileceğini gösteriyor, Mühendislik birinci sınıf öğrencilerinden, kariyerlerinin zirvesindeki baş mühendislere kadar uzanan kullanıcılara yönelik sezgisel modülleri ile. SkyCiv, bunun sınıfta kullanım için öne çıkan bir araç olabileceğini umuyor, öğrencilerin yazılım hakkında bilgi edinmek yerine mühendislik hakkında öğrenmeye odaklanmalarına olanak tanır.

Referanslar:

• “Üniversite Programları.” AISC, 2019, www.aisc.org/education/university-programs/student-steel-bridge-competition/.