ინჟინრული დაპირისპირება: როგორ შეიძლება ფოლადის შეერთების დაგეგმვა 6 განსხვავებული მეთოდით

A ჯგუფი

A ჯგუფმა გადაწყვიტა სვეტის გაგრძელება და მთავარი რიგელის (IPE400) მიერთება დამხმარე ფირფიტით (endplate). ძირითადი სირთულე იყო მილკვადრატების სექციის (RHS) მიერთება HEA160 სვეტთან. ამ პრობლემის გადასაჭრელად გუნდმა შემოგვთავაზა კავშირის ვერსია დამჭერი ფირფიტით (gusset plate) და ორი ცალი M36 ჭანჭიკის გამოყენებით.

თუმცა, IDEA StatiCa-ში მოდელირებისას მალევე გამოიკვეთა, რომ მოცემული ჭანჭიკის ზომისთვის არასაკმარისი სივრცე იყო. როგორც სემინარის მიმდინარეობისას ექსპერტებმა აღნიშნეს, აუცილებელია კავშირის მასშტაბურად დახაზვა — ეს მნიშვნელოვანია მისი  შესრულებადობის სწორად შესაფასებლად.

პირდაპირი შედუღებული კავშირის ნაცვლად, ჯგუფმა აირჩია დამაკავშირებელი ფირფიტის გაგრძელება სვეტის კედელში არსებული ღრიჭოს მეშვეობით, რათა ძალების გადანაწილება უფრო ეფექტურად მოხდეს და სვეტის კედლებზე მოქმედი ძალები შემცირდეს.

IDEA StatiCa-ში შეერთების გაანგარიშებისას, კიდისებრი რიგელების შეერთებისას წარმოიქმნება დიდი პლასტიკური დეფორმაციები. კიდისებრი რიგელების 400 კნ-ის მაღალი ღერძული შეკუმშვის ძალისა და ღერძისებრი ფირფიტის ექსვენტრიულობის გამო, შეერთებისას წარმოიქმნება მღუნავი მომენტი.

საბოლოო ელემენტების ანალიზის სისტემის, როგორიცაა IDEA StatiCa, გამოყენებით, ეს ეფექტები მკაფიოდ ჩანს დეფორმაციების ვიზუალური სურათის მიხედვით.

ფირფიტების სისქის გაზრდით კავშირი ტექნიკურ მოთხოვნებს აკმაყოფილებს. 35 მმ სისქის უწყვეტი ფირფიტისა და ორი M33 8.8 ჭანჭიკის გამოყენებით მიღწეულია საკმარისი სიმტკიცე და სიხისტე.

მიუხედავად იმისა, რომ გადაწყვეტა მისაღებია, ექსცენტრულობის თავიდან აცილება ღირს განსახილველად, რადგან, სავარაუდოდ, ეს იქნება კონსტრუქციულად უფრო ეფექტური მიდგომა.

B ჯგუფი
B ჯგუფს მსგავს ტიპის კავშირი ჰქონდა, თუმცა ამ შემთხვევაში გაგრძელებული იყო მთავარი რიგელი. კვადრატული მილის სექციის (SHS) რიგელების სიმეტრიული მიერთების არჩევით მოხერხდა დამატებითი მომენტის თავიდან აცილება. დადგენილი ფირფიტის სისქეებით პლასტიკური დეფორმაცია რჩება 5%-იან ზღვარს ქვემოთ.

ფირფიტების სისქის გაზრდით და საკმარისი შედუღების უზრუნველყოფით, შესაძლებელია ღერძული შეკუმშვისა და ჰორიზონტალური ძვრის კომბინაციის წინააღმდეგობა, რაც პლასტმასის დეფორმაციას 5%-ზე დაბლა შეინარჩუნებს.

4x M24 8.8-ის გამოყენებისას მხოლოდ ჭანჭიკები არ არის დამაკმაყოფილებელი. თუმცა, ჭანჭიკების უბრალოდ გამაგრება პრობლემას არ წყვეტს, რადგან კოდის შემოწმება შეზღუდულია საკისრების წინაღობით. ალტერნატიული გამოსავალია შემაერთებელი ფირფიტების ფოლადის კლასის გაზრდა S355-მდე. ეს საშუალებას იძლევა ოპტიმალური შედეგების მიღწევის ფირფიტის სისქისა და ჭანჭიკის ზომის მხოლოდ მინიმალური ზრდით.

C ჯგუფი
C ჯგუფსაც ჰქონდა მსგავსი ტიპის კავშირი, თუმცა A და B ჯგუფებისგან განსხვავებით, მისი გადაწყვეტა უკეთესად არის მორგებული ჰორიზონტალური დატვირთვებისთვის, რადგან დამჭერი ფირფიტა (gusset plate) 90 გრადუსითაა შემობრუნებული.
აქაც გვაქვს საქმე ექსცენტრულობასთან და ვაწყდებით იგივე პრობლემებს, რაც A ჯგუფთან შეინიშნებოდა.

ორი ჭანჭიკის ნაცვლად ოთხის გამოყენება კავშირს მეტ სიხისტეს ანიჭებს, თუმცა მაინც ვხედავთ მნიშვნელოვან პლასტიკურ დეფორმაციებსა და გადახრებს.
დამჭერი ფირფიტის გამამაგრებელ ელემენტზე (stiffener) შერწყმა და ფირფიტების სისქის გაზრდა ნამდვილად აძლიერებს კავშირს, თუმცა ექსცენტრულობა მაინც რჩება და მას მთლიანად ვერ ავარიდებთ.

ფირფიტის სისქის 15 მმ-დან 30 მმ-მდე გაზრდით, შეერთებას შეუძლია დააკმაყოფილოს დიზაინის მოთხოვნები 4x M24 8.8 ჭანჭიკით.

ამ ტიპის შეერთება ყველაზე უსაფრთხოდ ფუნქციონირებს ექსცენტრიულობის გარეშე. თუ ექსცენტრიულობა გარდაუვალია პრაქტიკული მიზეზების გამო, შეერთება განსაკუთრებით შესაფერისი იქნება განივი ძალის ერთი მიმართულებით გადასაცემად, იმ მიმართულებით, სადაც შეერთება ყველაზე ხისტია. ექსცენტრიულობის დიდი ნორმალური შეკუმშვის ძალისა და შეერთების სუსტი მიმართულებით განივი ძალის კომბინაცია გამოიწვევს ელემენტის მოხრას და ღუნვის რისკს.

ღუნვის ანალიზი
ამ რისკის სრულფასოვნად შეფასებისთვის მიზანშეწონილია დამატებითი დეფორმაციის ანალიზის ჩატარება. IDEA StatiCa-ის საშუალებით შესაძლებელია წრფივი დეფორმაციების ანალიზი (Linear Buckling Analysis), რომელიც აჩვენებს, რომ არასაკმარისი სისქის ფირფიტების შემთხვევაში შეიძლება მოხდეს გლობალური ჩაღუნვის მსგავსი დეფორმაცია.

D ჯგუფი
D ჯგუფმა სრულიად განსხვავებული მიდგომა აირჩია და იმ პრობლემების თავიდან აცილება შეძლო, რომლებიც პირველ სამ ჯგუფში შეინიშნებოდა — მათ გადაწყვიტეს გვერდითი რიგელების გაგრძელება.

IPE400 რიგელი მიერთებულია ნაწილობრივ გაგრძელებულ სვეტთან ბოლო ფირფიტის საშუალებით და ასევე მიერთებულია გვერდით რიგელთან მცირე ზომის ფირფიტით.
შედეგებმა აჩვენა, რომ ეს კავშირი კონსტრუქციულად გამართულია და დატვირთვების გადაცემა ეფექტურად ხდება.

მიუხედავად იმისა, რომ ეს (shear) კავშირია, ჯგუფი რეკომენდაციას იძლევა, რომ მცირე ზომის ფირფიტაში გამოყენებულ იქნას ღრიჭოსებური ხვრელი (slotted hole), რათა სხივის ბრუნვისას ჭანჭიკზე არ მოხდეს ჭარბი ძალის გადაცემა. ამის შედეგად შესაძლებელია თავიდან ავიცილოთ მაღალი დაჭიმულობები როგორც მცირე ზომის ფირფიტაში, ასევე მართკუთხა მილის სექციის კედელში. ამის გათვალისწინება ასევე იმოქმედებს კავშირის ბრუნვით სიხისტეზე.

სიხისტის ანალიზი
კავშირის ზუსტი სიხისტის განსაზღვრისთვის შესაძლებელია IDEA StatiCa-ში სიხისტის ანალიზის ჩატარება. პროგრამა აგენერირებს მომენტ-ბრუნვის დიაგრამას, ხოლო ევროკოდების მიხედვით, კავშირი კლასიფიცირდება როგორც სრულიად ხისტი, ნახევრად ხისტი ან გამაგრებული.

D ჯგუფის სახურავის რიგელის კავშირის ანალიზისას, IDEA StatiCa აჩვენებს ბრუნვით სიხისტეს, რომელიც კლასიფიცირდება როგორც ნახევრად ხისტი. ეს სიხისტე შესაძლებელია მოდელირებულ იქნას გლობალურ კონსტრუქციულ მოდელში ბრუნვითი ზამბარის სიხისტის სახით.

თუმცა, თუ აუცილებელია მარტივი (Pinned) კავშირი, კვანძის დეტალი შესაბამისად უნდა გადაიხედოს, რათა ის რეალურად აკმაყოფილებდეს ამ კატეგორიას. როგორც ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში, სიტუაციაში (2) საკინძი რეალიზებულია ზედა ჭანჭიკების რიგის დაწევით.

E ჯგუფი
E ჯგუფმა გადაწყვიტა სახურავის რიგელის გაგრძელება და მისი მოთავსება სვეტის ზედა ნაწილზე.
გვერდითი რიგელები მიერთებული იყო სახურავის მთავარ რიგელზე ბოლო ფირფიტებით, რაც უზრუნველყოფდა ძალების ეფექტურ გადაცემას კვანძში.

ჭანჭიკების აწყობის უზრუნველსაყოფად, ჯგუფმა შემოგვთავაზა ღრუ კედელში ამოჭრილი. გააზრებული გადაწყვეტა, რადგან პრაქტიკულობა მთავარი საზრუნავია. ამოჭრა ქმნის სტრესის განსხვავებულ განაწილებას ჭრილში, მაგრამ მრგვალი ამოჭრის გამოყენებით, სტრესის კონცენტრაცია შეზღუდული რჩება.

F ჯგუფი
როგორც უკვე ვნახეთ, გვერდითი რიგელების კავშირი იწვევს დიზაინის სირთულეებს.
F ჯგუფმა ამ პრობლემების მოსაგვარებლად გადაწყვიტა გვერდითი რიგელების შეცვლა HEA160 პროფილებით. ეს მნიშვნელოვნად ადვილებს რიგელების სვეტთან მიერთებას და უზრუნველყოფს ჭანჭიკების მონტაჟისთვის საკმარის სივრცეს. შეერთება კარგად მუშაობს შეკუმშვის დროს და ბოლო ფირფიტები ეფექტურად გადასცემს ძალებს სვეტში.

თუმცა, კიდის სხივებს ასევე შეიძლება დაექვემდებაროს 400 კნ-ის დაჭიმვის დატვირთვა. ამ დატვირთვის შემთხვევაში, შეერთება არ არის დამაკმაყოფილებელი. ბოლო ფილების სისქის 15 მმ-დან 20 მმ-მდე გაზრდით, დაკმაყოფილებულია სიმტკიცის მოთხოვნები და შეერთება შესაფერისია დაჭიმვისა და შეკუმშვის დატვირთვებისთვის.

შეერთებების ბიბლიოთეკა

არ ხართ დარწმუნებული, თუ როგორ უნდა მოდელირდეს კონკრეტული ფოლადის შეერთება? IDEA StatiCa-ს შეერთებების ბიბლიოთეკა გაძლევთ მყისიერ წვდომას ათობით პრაქტიკულ მაგალითზე, რაც დაგეხმარებათ სწორი გადაწყვეტის უფრო სწრაფად პოვნაში. ეს არის ღირებული რესურსი, რომელსაც ბევრი კონსტრუქტორი ინჟინერი იყენებს შთაგონებისთვის ფოლადის შეერთებების დიზაინის შექმნისას.

2 – სვეტის საბაზისო ფილის შეერთების დიზაინი გამაგრებით

მეორე დიზაინის გამოწვევა მოიცავს სვეტის საბაზისო ფილის შეერთებას. დიაგონალური გამაგრება შეიძლება გაკეთდეს სამ სხვადასხვა პროფილში და დატვირთულია 500 კნ-ის შეკუმშვის ძალით. თავად სვეტი განიცდის მნიშვნელოვან შეკუმშვის ძალას 2000 კნ-ის ოდენობით.

ყურადღება გამახვილებულია დიაგონალსა და სვეტს შორის კავშირზე, ასევე საბაზისო ფილის დიზაინზე, მათ შორის ანკერებსა და საძირკველზე. წარმოდგენილი ესკიზებისა და პრეზენტაციების საფუძველზე, შეერთებები მოდელირებული და გაანალიზებულია IDEA StatiCa-ში. კიდევ ერთხელ, ეს დიზაინი აჩვენებს, რომ შესაძლებელია შეერთების მრავალი გადაწყვეტა: არ არსებობს ერთი სწორი პასუხი. ქვემოთ წარმოგიდგენთ სხვადასხვა დიზაინის მიმოხილვას, მათ შორის IDEA StatiCa-ს შედეგებს. შემდეგ განვიხილავთ დიზაინის ძირითად მოსაზრებებს, ჯგუფებს კოლექტიურად მივმართავთ და არა ინდივიდუალურად.

სვეტთან შეერთების სამაგრი

სამაგრების შესაერთებლად, სამმა ჯგუფმა (A, C, E) აირჩია ბოლო ფირფიტა ღეროვანი შეერთებით, ხოლო დანარჩენმა სამმა ჯგუფმა (B, D, F) აირჩია საყრდენი ფირფიტა ჭანჭიკიანი შეერთებით.

ღეროვანი შეერთების დიზაინი უზრუნველყოფს შეკუმშვის ძალის პირდაპირ გადაცემას შეერთებისას გართულებების გარეშე. HEA პროფილის არჩევით, ჭანჭიკების აწყობა ადვილად შესაძლებელია და დიაგონალური ელემენტის ქსელი სვეტის ქსელთან არის გასწორებული. შედეგად, დაძაბულობა კარგად გადაეცემა სვეტს, როგორც ეს ჩანს A, C და E ჯგუფების ნახაზებში (იხ. სურათი).

ამის საპირისპიროდ, B, D და F ჯგუფებმა აირჩიეს ფიქსაციის ფირფიტის შეერთება. ეს ითვალისწინებდა სვეტის მეოთხედ ბრუნვით შემობრუნებას, რათა სამაგრი სვეტის შიგნით შეერთებულიყო ზედმეტი სივრცის დაკავების გარეშე. თუმცა, ამ შემთხვევაში, ფიქსაციის ფირფიტა პირდაპირ, მაგრამ განივი მიმართულებით, სვეტის ქსელთან არის დაკავშირებული და მაღალი შეკუმშვის ძალების გამო, სვეტის ქსელში შეიძლება წარმოიშვას პიკური დაძაბულობა. IDEA StatiCa-ში გამოთვლები აჩვენებს, რომ დიზაინი მხოლოდ მისაღებ ზღვრებშია, მაგრამ კონსტრუქტორმა სიფრთხილე უნდა შეინარჩუნოს. თუ ქსელი პლასტიკურად დეფორმაციას დაიწყებს, მიზანშეწონილია სვეტის შემობრუნება, ქსელის სისქის გაზრდა ან გამაგრების დამატება.

ფიქსაციის ფირფიტის შეერთების მქონე დიზაინებში უპირატესობაა შეერთების სიმეტრიული გაკეთება და ფირფიტების ზედმეტად გამოწევის თავიდან აცილება, იმავე მიზეზების გამო, რაც პირველ დიზაინის გამოწვევაში განვიხილეთ. B შეერთებას ახასიათებს ასიმეტრიული განლაგება, მაგრამ 20 მმ სისქის ფირფიტა და ექვსი ჭანჭიკის გამოყენება ეფექტურად უძლებს შედეგად მიღებულ მომენტს, ინარჩუნებს დაძაბულობას მისაღებ ზღვრებში.

სვეტის საბაზისო ფილის დიზაინი

საბაზისო ფილის და ბეტონის საძირკვლის დიზაინში ასევე მნიშვნელოვანია გასათვალისწინებელი საკითხები. მაღალი შეკუმშვის ძალების გამო, უმნიშვნელოვანესია, რომ დაძაბულობები კარგად განაწილდეს საბაზისო ფილის გავლით ბეტონში. ამის მიღწევა შესაძლებელია უფრო სქელი ფილის არჩევით და მისი სვეტის პროფილზე უფრო ფართოდ გაკეთებით, რათა დაძაბულობები უკეთ განაწილდეს.

ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში შედარებულია საბაზისო ფილაში დაძაბულობები და ბეტონში კონტაქტური დაძაბულობები 40 მმ და 10 მმ სისქის საბაზისო ფილისთვის. თუ საბაზისო ფილა ძალიან თხელია, დაძაბულობები კონცენტრირდება სვეტის პროფილის გარშემო, ეფექტურად განაწილების ნაცვლად. შედეგად, ბეტონზე ეფექტური კონტაქტის ფართობი ძალიან მცირე ხდება, რაც იწვევს შეკუმშვის დაძაბულობებს, რომლებიც აღემატება დასაშვებ ზღვარს.

სვეტის ფუნდამენტი

ჩვენ ვხედავთ სხვადასხვა საძირკვლის გადაწყვეტილებებს, ნაღმტყორცნის შეერთებით ან მის გარეშე, და ანკერებს საყელური ფირფიტებით ან მის გარეშე. გამოყენებული ანკერები მერყეობს M20-დან M30-მდე.

IDEA StatiCa-ში გამოთვლები აჩვენებს, რომ არცერთი შეერთება არ არის დამაკმაყოფილებელი ანკერების შესამოწმებლად. ნაგულისხმევად, ძვრის ძალები დაყენებულია ანკერების მეშვეობით გადასაცემად. M20 ანკერები აღმოჩნდა არასაკმარისად მტკიცე და ვერ უძლებენ ძვრის ძალებს. ამის საპირისპიროდ, ანკერები M30 8.8, საყელური ფირფიტასთან ერთად, საკმარისად მტკიცეა ძვრის ძალების გადასატანად. მიუხედავად ამისა, კოდის შემოწმება მაინც არ არის დამაკმაყოფილებელი, რადგან პრობლემა ახლა არა ფოლადშია, არამედ ბეტონის რღვევაშია.

ანკერებზე ძვრის ძალები იწვევს ბეტონის კიდის რღვევას, რის შედეგადაც ანკერები ბეტონიდან იშლება. IDEA StatiCa Connection გამოთვლებს აკეთებს გაუმაგრებელი ბეტონით, ამიტომ ბეტონის რღვევა უფრო მაღალი ძალების დროს გარდაუვალია.

თუ ძალების შემცირება შეუძლებელია, რჩება ოთხი შესაძლო გამოსავალი:

1. ძვრის ძალის გადაცემის ოპტიმიზაცია ძვრის სამაგრის დამატებით. ამ გზით, ძვრის ყველა ძალა გადადის ძვრის გასაღებით და თავიდან აცილებულია ანკერების დაზიანება და ბეტონის გარღვევა.
2. ძვრის ძალების გადატანა ხახუნის გზით ხდება და არა ანკერების მეშვეობით. სვეტში მაღალი შეკუმშვის ძალა უზრუნველყოფს საკმარის ხახუნის წინააღმდეგობას.
3. შეცვალეთ ბეტონის ბლოკი. კიდეებს შორის მანძილის ან ბეტონის კლასის გაზრდით, ბეტონის გარღვევის ალბათობა მცირდება.
4. დააპროექტეთ დამატებითი არმატურა ბეტონის ბლოკში. ამ გზით, ფოლადის არმატურა ეწინააღმდეგება დაჭიმვის ძალებს და ხელს უშლის ბეტონის გარღვევას. ამ გადაწყვეტის მოდელირება და ანალიზი შესაძლებელია IDEA StatiCa 3D Detail-ის გამოყენებით.

როგორც დიზაინერების ესკიზებშია ნაჩვენები, მხოლოდ E ჯგუფმა ჩართო არმატურა თავის დიზაინში. ბეტონის ელემენტზე ფოლადის არმატურის დამატებით შესაძლებელია ისეთი უკმარისობის მექანიზმების თავიდან აცილება, როგორიცაა ბეტონის კონუსის გატეხვა და ბეტონის კიდის უკმარისობის ავარია.

დასკვნითი სიტყვა

ფოლადის შეერთებები შექმნილია 6 ჯგუფის მიერ, მოდელირებულია IDEA StatiCa-ში და განხილულია გამოცდილ კონსტრუქტორებთან. IDEA StatiCa-ს გამოყენებით, ჩვენ შევძელით შედეგების დეტალურად გაანალიზება და მნიშვნელოვანი დიზაინის მოსაზრებების იდენტიფიცირება და განხილვა. ეს სემინარი აჩვენებს, რომ მრავალი შეერთების დაპროექტება შესაძლებელია უსასრულო რაოდენობის გზით და რომ არასდროს არსებობს ერთი სწორი გადაწყვეტა. ჩვენ გამოვცადეთ მასშტაბის დახაზვისა და შეერთებაში ძალების გზის თვალყურის დევნების მნიშვნელობა. სიხისტის ანალიზი და იმის ვიზუალიზაცია, თუ როგორ დეფორმირდება შეერთება, კარგი აზროვნების ექსპერიმენტია იმის გასაგებად, თუ როგორ მოიქცევა შეერთება.

„წარმოსახვა უფრო მნიშვნელოვანია, ვიდრე ცოდნა“, – თქვა ერთხელ ალბერტ აინშტაინმა. და ეს, რა თქმა უნდა, ეხება ფოლადის შეერთების დიზაინსაც. ყველას, ვისაც შეუძლია წარმოიდგინოს, როგორ გამოიყურება შეერთება, როგორ იქნება დამზადებული, სწორია თუ არა პროპორციები, როგორ მოედინება ძალები და როგორ დეფორმირდება შეერთება, უკვე ერთი ნაბიჯით უახლოვდება საუკეთესო ფოლადის შეერთების დიზაინერად გახდომას.