Teherviselő faszerkezet csavaros kapcsolatának tervezési tapasztalatai az európai előírások szerint

Átírás

1 Teherviselő faszerkezet csavaros kapcsolatának tervezési tapasztalatai az európai előírások szerint Joó Balázs Designing olted connections according to European standards The suject of the article is the strength design of a olted connection of a load earing wood structure, using the Hungarian and the European standards. First we calculated the dimensions according to the Hungarian standard. We also designed it ased on the European standard. Additionally we performed stress analysis using the finite element method. According to the calculations, the load carrying capacity of the connection did not fulfil the requirements. This was confirmed y finite element analysis. The finite element method, that makes numerical experimentation possile, is a useful tool for designing connections. Key words: Wood construction, Strength design, Standards, Eurocode, Finite Element Method Bevezetés A dolgozat témája favázas hallgatói kollégium tartószerkezeti tervezése és méretezése a magyar és az európai szaványok szerint. Célunk a evezetendő uniós és a hatályos magyar szaványok összehasonlítása egy favázas hallgatói kollégium tartószerkezeti csomópontjának méretezésén keresztül. A tervezést mindkét szavány szerint elkészítettük. Végeselem módszerrel elvégeztük a csavaros kapcsolat feszültséganalízisét is. Végül a két rendszer összehasonlítását, és a levonható következtetéseket ismertetjük. A magyar és az európai szaványok Magyarország jelenlegi integrációs törekvései alapján az Európai-uniós csatlakozás a közeljövően várható. Ez a folyamat jelentős változásokat hoz magával a tartószerkezet-tervezés területén is; e mérnöki tevékenységet is uniós előírások szerint kell onyolítani. Az Európai Szaványügyi Bizottság (CEN) 199-en az épületek tervezésére vonatkozó harmonizált szaványokat dolgozott ki. Ez kezdeten az egyes tagállamokan alternatív tartószerkezeti szaványként funkcionálna, késő azok helyére lépne. A tagállamok a saját országukra vonatkozólag elkészítik a Nemzeti Alkalmazási Dokumentumot (NAD), amelynek feladata, hogy hatósági úton iztosítsa a szavány területi érvényességét, illetve megkönnyítse annak értelmezését. Ezeket az európai szavánnyal együtt kell használni. Magyarország a CEN tagja szeretne lenni, ezért a csatlakozáshoz szükséges feltételeket iztosítania kell. Formálisan hatálya léptették az összes fontos EC-ot honosított európai szaványtervezetként, és a tartószerkezet-tervezési szaványok kötelező jellege megszűnik. Ezen kívül természetesen még számos feltételnek kell eleget tennünk. Továra is előírt követelmény, hogy A tervező felelős a) az építészeti-műszaki tervezésre vonatkozó minőségi, iztonsági és szakmai szaályok, építési előírások etartásáért, továá ) az általa készített építészeti-műszaki tervek szakszerűségéért. (MSZ 12/1-1989) Ezen túl a tervezés alapjául szolgáló követelményeken a tervező és a megízó megállapodnak (Wittmann 2). A diákszálló alaprajzának, méreteinek és szerkezetének ismertetése Egy favázas hallgatói diákotthon szerkezeti tervezésével foglalkoztunk. Az épület kétszintes, a tetőtér eépítés faszerkezetű, funkcióját tekintve diákszálló, 24 szoás, és 48 férőhelyes. A hasznos alapterület megközelítőleg 8 m 2 (1. ára). Az alaprajzi elrendezést, a rétegrendet és az építészeti megoldást szakirodalom alapján terveztük meg, a tartószerkezet anyagát és formáját pedig szerkezettervezési Joó Balázs doktorandusz hallgató, NyME Műszaki Mechanika és Tartószerkezetek Intézet FAIPAR LI. ÉVF. 1. SZÁM 3

2 1, 3,9 2,2,,18 3,72,18 2,2,18 A - A metszet M 1 : 1 3,9 3,72,18, + 1,9 m + 9,16 m + 8,98 m + 7,47m + 7,31 m + 6,12 m +,84 m A csavaros kapcsolat számítása során az igényevételi árákról olvasható le a kapcsolat igényevétele (N M =64,32 kn). Ezt az értéket kell összehasonlítani a kapcsolat határ teherírásával (N H =73,78 kn), mely alapján a kapcsolat teherírásra megfelel. A kapcsolat megfelel továá a magyar szaványan leírt szerkesztési szaályoknak is (2. ára)., 3,81 2,2 3,81 3,31,,, 1,7 3,31 1. ára A diákszálló függőleges metszete 8 3d d 3d d 7d 7d 3d 2. ára. A kapcsolat kialakítása + 3,1 m + 2,73 m, m + - -,84 m 3 d = 3 14 = 42 mm < mm d = 14 = 7 mm < 8 mm 3 d = 3 14 = 42 mm 42 mm 7 d = 7 14 = 98 mm 98 mm tapasztalatok alapján határoztuk meg (Rónai és Somfalvi 1982). Méretezés a magyar szavány szerint A méretezést a magyar teher-, fa tartószerkezeti-, és anyagszavány szerint végeztük el. A statikai számítás során a valóságot legjoan megközelítő statikai modellt vettük fel, a mérnöki rugalmasságtan alapelveivel összhangan. A tartószerkezet anyaga LVL (laminated veneer lumer), hámozott furnérlemezekől ragasztott tartószerkezeti anyag. Paramétereinek meghatározásáan a forgalmazó cég (Baillou Kft., Biatorágy) volt segítségünkre. A teherelemzést, a terhelési esetek és a teherkominációk meghatározását a magyar teherszaványok szerint végeztük el. A szerkezetek súlyát térfogatuk és sűrűségük alapján határoztuk meg. A hasznos és meteorológiai terhek felvételénél a szavány ide vonatkozó előírásai alapján jártunk el (Massányi és Dulácska 1989). 28 ger. oszl. ger. Méretezés az európai szaványok szerint Az előzőekhez hasonlóan a diákszálló építészeti-, műszaki dokumentációjáól kiindulva végeztük el a statikai számítást. A rúdszerkezet igényevételi árájáról meghatározható a kapcsolatra jutó igényevétel szélső értéke, és azt hasonlítottuk össze a kapcsolatra jellemző teherírással. A méretezés során azt kell ellenőrizni, hogy a teherírási határállapotan a tervezési hatások nem haladják-e meg a szerkezet tervezési ellenállását. Statikai modell építése az előzőeknek megfelelően történt, lényeges változtatásra nem volt szükség. A főállás anyaga a koráan is alkalmazott KERTO-S LVL, melynek elvégezték az európai szavány szerinti anyagvizsgálatát, így a jellemző szilárdsági értékeket a forgalmazó cég a rendelkezésünkre tudta ocsátani. A karakterisztikus értékeket a tervezéshez módosítani kell az X X k t = km, [ 1 ] γ X t, X k - tervezési és karakterisztikus jellemző k m - módosítási tényező γ - iztonsági tényező általános összefüggés szerint. A terheket időeli változásuk alapján csoportosították, hasonlóan a magyar szaványhoz. A terheket kominációs szaály szerint kell egyidejűleg figyeleme venni, az egyes hatások pedig az F = γ F, [ 2 ] t F t, F k -terhelési és karakterisztikus hatás γ - iztonsági tényező összefüggés alapján módosulnak. k MÁRCIUS

3 3. ára. A kapcsolat mechanikai és végeselem modellje y x z ux uy1 A G -állandó hatás Q -eseti hatás Ψ -reprezentatív együttható Az önsúly megállapításakor a tartó geometriai adatainak és sűrűségének karakterisztikus értékéől indultunk ki. A hasznos és a meteorológiai terhek megállapítása az európai előírások szerint történt. A hasznos teher karakterisztikus értéke lakóépületek födémterületeire q k = 2, kn/m 2. A felszíni hóteher karakterisztikus értéke a Dunántúl térségéen s k = 1,2 kn/m 2. A szélteher megállapításakor a lehető legtö egyszerűsítést figyeleme véve kaptunk,387 kn/m 2 értéket, melyet még a külső nyomási tényezőkkel kell módosítani. A statikai rendszer, a terhek és a geometria ismeretéen az igényevételek az előzőekkel összhangan meghatározhatók. A kapcsolatra jutó igényevétel nagysága S d = 79,378 kn, míg a kapcsolatra számított maximális teherírási szint R d =,22 kn, tehát a kapcsolat teherírása nem volt kielégítő. A kapcsolatra vonatkozó szerkesztési szaályokat sem teljesíti maradéktalanul a szerkezet ára. Az érintkezési feladat eredménye Tartós és átmeneti állapotan a parciális iztonsági tényezőket ehelyettesítve az alái kominációs szaályt kell alkalmazni az egyes tehertípusok kominálására: n 1, 3 G + 1, Q1 + 1, Ψ i Q i, [ 3 ] i= 2 A kritikus kapcsolat viselkedésének elemzése végeselem-módszerrel Az előzőeken vázolt kapcsolatot végeselem módszerrel elemeztük. A vizsgálat tulajdonképpen egy érintkezési (kontakt) feladat, mely nemlineáris számítási eljárást igényel (3. ára). A szerkezet elemzéséhez szükségünk volt mechanikai és végeselem modellre. Kihasználva a geometria és a terhek szimmetriáját, az elmetszett tartórészeken az igényevételi árának megfelelő hatásokat működtetjük. A végeselem modell a testmodellre épülő matematikai modell, melynek megjelenési formája az elemeosztás. A faanyag anyagtörvénye ortotróp, lineárisan rugalmas, a csavar homogén és izotróp. A két anyag között a számításhoz szükséges kontaktelemeket definiáltuk. Az egymástól független rugalmas állandókat (9. technikai állandó) az LVL anyag esetéen részen a gyártó cég garantálta, részen pedig szakirodalom alapján vettük fel. A nyugalmi súrlódási együttható a csap és az LVL anyag között µ =,6. A megoldás során tö egyszerűsítést is alkalmaztunk. A rendszer szaadság- FAIPAR LI. ÉVF. 1. SZÁM

4 foka, vagyis a csomópontok szaad elmozdulása 972 (Fodor 2, Szalai 1994). A végeredmény szempontjáól legfontosa eredményt a megváltozott tartóalak jelenti. A jellemző elmozdulások a 4. ára alapján u x =,441 mm, u y1 =,821 mm. A feszültségelemzést elvégeztük húzó és nyomó normálfeszültségek valamint nyírófeszültségek esetéen is. A kapott értékeket összehasonlítva a tervezési szilárdságokkal megállapítható, hogy a tervezési feszültségek és a valóságan kialakuló feszültségviszonyok közel állnak egymáshoz, de a rostra merőleges húzófeszültségek az oszlop esetéen meghaladták az Eurocode által előírt tervezési szilárdságot. A keletkező nyírófeszültségek nem okozzák a méretezési határállapot átlépését. A feszültségek számszerű értékei: Rosttal párhuzamos nyomófeszültség: 8,2 N/mm 2 < 17,4 N/mm 2 Rostra merőleges nyomófeszültség: 1,69 N/mm 2 < 3,23 N/mm 2 Rosttal párhuzamos húzófeszültség:,2 N/mm 2 < 17,4 N/mm 2 Rostra merőleges húzófeszültség: 1,29 N/mm 2 >,37 N/mm 2 Nyírófeszültség: 1, N/mm 2 < 1,8 N/mm 2 A tervezés tapasztalatai, a szaványrendszerek összehasonlítása A két tervezési rendszert a szerkezeti ellenállás és az igényevétel mértéke szerint hasonlítjuk össze. A ellenállás oldalról közelítve, az anyagminőség megítéléséen nagy segítségünkre volt, hogy az alapanyagot gyártó cég az LVL minősítését mindkét szavány szerint elvégezte. Az LVL anyag határfeszültségei (MSZ) és a szilárdságok karakterisztikus (EC) értékei ismertek, és mindkét eseten kiemelkedők a tömörfához viszonyítva. A kapcsolat teherírására vonatkozó összefüggések alkalmazásakor kiderült, hogy a magyar szavány szerint közel 9 %-os kihasználtságú kapcsolat az új előírásoknak nem felelt meg, a tervezési igényevételek a kapcsolat teherírását 6 %-kal túllépték. A kapcsolat ellenőrzését végeselem-módszerrel végeztük el. A numerikus számítás eredményeképpen megállapítottuk, hogy a kapcsolat valóan nem felel meg az új előírásnak. A faanyagra jellemző kis értékű rostra merőleges húzószilárdságot a tényleges feszültség túllépte. A kapcsolóelemek a teherviselésen közel azonos mértéken vesznek részt. A szerkezet igényevételének oldaláról közelítve, még a prolémát, az önsúlyan lényeges eltérés nem található, az os 1 % emelkedés a magasa iztonsági tényezőnek tudható e. A hasznos teher esetéen a karakterisztikus érték és a iztonsági tényező is magasa volt. A meteorológiai terhek meghatározásakor tö tényezőt kellett figyeleme venni az új szavány szerint. Hóteher esetéen a Dunántúlon 2%-kal magasa érték figyelemevétele szükséges a NAD szerint. A magasa iztonsági tényezőkkel együtt mintegy 8%-kal nagyo hóteher alakult ki, mint az MSZ szerint. A szélhatás vonatkozásáan a differenciált számítás mindkét eseten jellemző. A teherírási és a terhelési oldal összevetésével megállapítható az európai szaványokról, hogy a szerkezet elemeinek kihasználtsága általáan nőtt, a megnövekedett igényevételeknek pedig a kapcsolat már nem felelt meg. Általánosságan elmondható, hogy a mértékadó jellemzők az új szaványok esetéen kis mértéken növekedtek, a határjellemzők pedig kise-nagyo mértéken csökkentek. A két rendszert összehasonlítva a következő legfontosa következtetéseket lehet végeredményként levonni: A differenciálta tervezési rendszeren (EC) a teherírási és terhelési oldal változásai hatással voltak a szerkezet kihasználtságára. A kapcsolat teherírása az európai előírásnak nem felelt meg. Az európai szavány nagyo tervezői szaadságot enged meg, ugyanakkor felelősségteljes mérnöki munkát igényel. Irodalomjegyzék 1. Fodor T. 2 Tartószerkezetek II. elmélete és számítása. Bevezetés a végeselem-módszer elméletée. Kézirat, Sopron 2. Massányi T., Dulácska E Statikusok kézikönyve. Műszaki Könyvkiadó, Budapest 3. Rónai F., Somfalvi Gy.1982 Fa tartószerkezetek. Műszaki Könyvkiadó, Budapest MÁRCIUS

5 4. Szalai J A faanyag és faalapú anyagok anizotróp rugalmasság-, és szilárdságtana. Hillerand Nyomda Kft.Sopron. Wittmann Gy. 2 Mérnöki faszerkezetek I. Mezőgazdasági Szaktudás Kiad, Budapest 6. MSZ ENV :2, EUROCODE Faszerkezetek tervezése 7. MSZ 12/ Építmények teherhordó faszerkezeteinek erőtani tervezése. Néhány nyárfajta faanyag-tulajdonságának összefoglaló jellegű ismertetése. 2.rész Baos Károly, Zsomor Ferenc Various properties of some poplar variants xylem. Part 2. The investigation descried in this paper included five Populus x euramericana variants that are currently eing used in Hungarian short-rotation plantations. The wood originated from four sites with different soil and climatic conditions. Assessed properties included ark, hardwood and sapwood thickness, annual ring width, fire length, wood density and ending strength. The first part of the article descried the experimental materials and methods, and the results of the thickness measurements. The second part contains the rest of the experimental results and concludes the article Key words: Poplar, clones, Wood properties Az előző száman megjelent cikk folytatásaként a vizsgált nyárfajták faanyag-tulajdonságának összefoglaló jellegű ismertetése következik. A vizsgált nyárfajták évgyűrűszélessége A Szolnok Alcsisziget 14A erdőterületen mért évgyűrűszélességi értékeket az 1. ára összegzi I-214 Pannonia Koltay Kopecky I-214 Pannonia Koltay Kopecky 1. ára A Szolnok Alcsisziget 14A erdőrészleten mért 3. ára A Balkány 2E erdőrészleten mért I-214 Triplo Sudar 2. ára A Gyula Dooz 6E erdőrészleten mért I-214 Triplo 4. ára A Pásztó 28A erdőrészleten mért Dr. Baos Károly CSc., egy. docens, ELTE Növényszervezettan Tanszék, Dr. Zsomori Ferenc osztályvezető, OMMI FAIPAR LI. ÉVF. 1. SZÁM 7