Szerkezetek analzise s mretezse Mrnki szerkezetek tervezse Biztonsg

Szerkezetek analízise és méretezése Mérnöki szerkezetek tervezése. Biztonság, kockázat, felelősség. Tartószerkezet-tervezés szerepe az építmények létrehozásában. A tartószerkezetek modellezése. Szabványok történeti áttekintése. Cserpes Imre, egy. Tanársegéd – Dr. Kegyes Brassai Orsolya előadás anyagai alapján

Mérnöki szerkezetek tervezése Tartószerkezetek Definíció A létesítménynek az a része, amelyet azét alakítunk ki, hogy kellő biztonsággal viselni tudja a rá ható terheket. A tartószerkezetek feladata Az épületekre ható erőket: a teherhordó szerkezetek veszik fel közvetítik a talajra. Az egész épület szempontjából alapvető követelmény, hogy megőrizze egyensúlyát. 2/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Szerkezettervezés A mérnöki szerkezetek tervezésének sajátos vonásai A mérnöki szerkezetek köre A szerkezettervezés folyamata A statikai tervezés Statikai modell Tervezési szempontok Gazdaságosság Esztétikai és környezeti megfontolások a szerkezettervezésben Urbanisztikai-városképi tervezés Építészeti (divat által is befolyásolt) megjelenés Biztonság. Kockázat. Felelősség 3/42

Mérnöki szerkezetek tervezése A mérnöki szerkezetek köre l Rendeltetéshez változatos funkcionális – formai – szerkezeti megoldás (pl. 3 -5 szintes, 8 -20 lakásos bérházak, társasházak ) l Viszonylag egyszerű és állandó rendeltetés, formai szempont kevésbé meghatározó, de kemény szerkezeti megfelelőségi követelmény (pl. távvezetékoszlopok, támfalak) l Rendeltetéshez változatos formai megjelenés, nagy méret, kiterjedés, magas költség, közcélú, szélesebb körű használat – szerkezeti erőjáték fontos Ø tágas terek kialakítása, lefedése, szerkezeti tagolása Ø magas házak merevítő- és tartószerkezetei Ø földalatti terek föld- és víznyomást viselő falazatai Ø jellegzetes mérnöki létesítmények (hidak) 4/42

Mérnöki szerkezetek tervezése A tartószerkezet fontossága építménytípusonként 5/42

Mérnöki szerkezetek tervezése A szerkezettervezés folyamata l l l l l Esztétikai - funkcionális követelmények, adottságok, környezeti feltételek átgondolása; Előterv(ek), elvi megoldási lehetőségeket bemutató tervanyag Egyeztetés az érintettek körében, döntés; A kiválasztott változat részletes megtervezése; Mechanikai törvények, tételek alkalmazása; Rendeltetésnek megfelelő szerkezeti változatok kialakítása; Gazdaságossági, hatósági, építészeti stb. igények teljesítésének ellenőrzése; Szerkezettervezői rugalmasság; Áthághatatlan erőtani szabályok, törvények következményeinek kifejtése. 6/42

Mérnöki szerkezetek tervezése A szerkezettervezés folyamata Kollár László: Bevezetés a tartószerkezetek tervezésébe. 7/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Statikai tervezés l l l l l szóba jöhető változatok erőjátéka mechanikai viselkedést befolyásoló terhelések, megtámasztási lehetőségek (alapozási megoldások) kivitelezési-technológiai adottságok tervezői lelemény és tudás egyszerűbb és bonyolultabb, durvább vagy finomabb közelítések, kézi vagy gépi számítás mindegyik modell-fajta lehet helyes vagy hibás bonyolultabb modellek ~ az erőjáték pontosabb követése ~ szerkezetkialakítási, gazdaságossági, kivitelezés-technológiai feltételek durvább közelítések ~ biztonságosabb megoldás 8/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Modell A modellalkotás lépései: l Mechanikai modell l Matematikai modell l Követelmények felállítása és ellenőrzése Kollár László: Bevezetés a tartószerkezetek tervezésébe. 9/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Statikai modell l Az erőtani vizsgálatok statikai modellre vonatkoznak A helyes modell l elfogadható közelítéssel követi a tényleges szerkezet viselkedését, l leképezi a valóságos szerkezet erőjátékát, l alkalmas a várható terheléseknek megfelelő kinematikai viselkedés elemzésére, l alkalmas a szükséges számítások elvégzésére, l áttekinthető módszerekkel vizsgálható. Tervezői tapasztalat és tudás l Közelítési pontosság l Közelítő méretfelvétel - ökölszabályok l Érzékeny erőjátékú szerkezetek l Korszerű szerkezeti anyagok 10/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Statikai modell durvább és finomabb közelítés l a szerkezeti kialakítás rendszerének megválasztása, közelítő méretek meghatározása l tényleges méretezés, alakváltozások, igénybevételek kiszámítása hibaforrások l lényeges hatás mellőzése, l téves feltevés, l számítási hiba, l a szoftver hiányos ismerete, l adatbevitel félrevezető lehet l a numerikus pontosság, l a számítási gyorsaság, l az ábrázolási technika látványossága 11/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Jó a tartószerkezet Ha a rá ható erőket egyszerű módon továbbítja a talajra Kollár László: Bevezetés a tartószerkezetek tervezésébe. 12/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Tervezési elvek és optimális megoldás l l egymásnak ellentmondó szilárdsági, alakváltozási, szerkezeti, tartóssági, gazdasági követelmények összehangolása abszolút érvényű szabály: az egyensúlyi feltételeket ki kell elégíteni Az optimum értelmezése a létesítmény megvalósításában érdekelt szereplők közös feladata Erőtani szempontból nem optimális esetek l optimális szerkezeti változat bemutatása l általánosabb optimumfeltételek vállalása l tömeg minimalizálása l költség, kivitelezési technológia, határidő 13/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Szerkezeti formák megválasztása l l l l l a várható igénybevételeknek legjobban megfelelő geometriai alak és arányok az igénybevételek nagyságának és jellegének megfelelő anyagok különleges esztétikai követelmények (: méretarányok) előírt korlátozó feltételek (: szélesség, magasság) anyagfelhasználási kényszerek (: műemléki környezet) gyártási megfontolások (: kiékelés, gombafödém) kompromisszumok vs költségek nagy terek lefedése függőtetők, ponyvaszerkezetek, membránhéjak megálmodás, statika, szilárdságtan, szerkezet 14/42

Mérnöki szerkezetek tervezése A szerkezetet meghatározó tényezők l Építészeti kialakítás Kollár László: Bevezetés a tartószerkezetek tervezésébe. l Egyéb, szakági szempontok Kollár László: Bevezetés a tartószerkezetek tervezésébe. 15/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Esztétikai és környezeti megfontolások l l közterületi látvány ~ vizuális kultúra ~ szubjektivitás közhasználatú építmények ~ ipari létesítmények kultúrtörténeti változások ~ politikai hangsúlyok ~ divat vs természettörvények esztétikai jellemzők l rendezettség, l arányosság, l megformáltság, l jellegzetesség, l építmény és környezet összhangja 16/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Esztétikai és környezeti megfontolások l l l l l tájékozott szemlélő vs laikus járókelő természeti analógiák környezeti hatás, környezetbe illeszkedés, tájalakítás flóra és fauna, élettér-szétválasztás változás ~ környezeti alkalmazkodóképesség környezeti hatásvizsgálat kötelezettségek, követelmények szabályozottsága társadalmi játszmák egyeztetések rendje, hiánya, időzítése évszázados hagyomány vs természetes szakmai kötelezettség vs költségszint 17/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Határozott és határozatlan szerkezetek Az erőjáték befolyásolása l egyetlen teherelrendezés - statikailag határozott szerkezet l többféle teherelrendezés - határozatlan szerkezetek Erőjáték és szerkezeti megoldás l ívtartók, többtámaszú gerendatartók l feszítőművek, feszítés l beépülő anyagok kihasználása, alakváltozások csökkentése 18/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Szerkezet, alapozás, talajkörnyezet l l l l kemény talaj - tetszőleges szerkezet puha talaj - süllyedések és süllyedéskülönbségek - igen merev vagy igen hajlékony szerkezet süllyedések korlátozása alapozási rendszerrel csatlakozó szerkezetek tervezése geotechnikai modellek és gépi számítási módszerek szerkezet, alapozás, talajkörnyezet - egyetlen kiterjesztett modell inhomogenitás, kezdeti feszültségállapot, anizotropia, nemlinearitás, irreverzibilitás 19/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Statikailag kedvezőtlen szerkezeti viselkedés l l különleges építészeti formák mellékhatások (: hőmérsékletváltozás, támaszelmozdulás, zsugorodás) elhanyagolása csatlakozó épületszerkezetek (: válaszfalak, nyílászárók) károsodása alakváltozások zavaró hatása (: használat, látvány) Szerkezeti anyagok megválasztása l korszerűség vs minőség 20/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Építésmód és kivitelezési pontosság l l l megépíthetőség építési, szerelési munkafázisok építésmód szerelési állványzatok ideiglenes és végleges erőjáték csatlakozó szerkezetek ~ kivitelezési pontosság ~ kiegyenlítő szerkezetek 21/42

Mérnöki szerkezetek tervezése A szerkezetet meghatározó tényezők l Kivitelezés Kollár László: Bevezetés a tartószerkezetek tervezésébe. 22/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Kinematikai hatások l l hőmérsékletváltozás, azonnali süllyedés vs konszolidációs süllyedés, kúszás, duzzadás-zsugorodás l mellvédek, erkélylemezek, elemekből rakott támfalak, átellenes hídfők l tágulási hézagok, saruszerkezetek l l l 23/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Gazdaságosság l l döntéselőkészítési szempontok előírt biztonsági tényezők, teherbírási, alakváltozási, stabilitási stb. követelmények élettartam, átalakítás, fenntartás egyszerűbb és olcsóbb szerkezetek vs karbantartás, élettartam szerkezettervezői megfontolások l keresztmetszet, alak, anyag l optimális tartószerkezeti elrendezés l teljes szerkezeti rendszer megválasztása l szerkezeti optimumnak megfelelő üzemeltetési mód 24/42

Mérnöki szerkezetek tervezése Alapkövetelmények Tartós ellenállóképesség l Hatásokkal szemben l A megvalósítás során, használat közben és rendkívüli állapotban Tartós használhatóság l Rendeltetést zavaró elmozdulások, alakváltozások, lengések, repedések nélkül 25/42

Történeti áttekintés l l Tapasztalati méretezés Megengedett feszültségek Osztott biztonsági tényezők és határállapotok Eurocode 26/42

Szerkezettervezés – EC szabványok alapjai Szerkezeti rendszer – méretezés Választott tartószerkezeti konstrukció meghatározza: l építészeti megjelenést l statikai erőjátékot l alkalmazhatósági kört Például: l ókori Egyiptom – oszlop-gerendás l Romanika – félköríves boltozatok l Gótika – támpillérekkel, támívekkel gyámolított csúcsíves boltozatok Helyesen megválasztott szerkezeti rendszer fontos, de! 27/42

Szerkezettervezés – EC szabványok alapjai Méretezés adatai Szerkezetre működő hatások (terhek) jellemzői: l szerkezeten való elhelyezkedése, nagysága l működésének időtartama, gyakorissága Szerkezeti anyagok mechanikai jellemzői: l szilárdság l rugalmassági modulus Szerkezet, szerkezeti elem geometriai adatai: l hossz l keresztmetszeti méretek Szerkezet állapota a vizsgálat során: rugalmas vagy képlékeny 28/42

Szerkezettervezés – EC szabványok alapjai Tervezési eljárások egyetlen osztott teljes valószínűségi eljárások biztonsági tényezős módszere • megengedett • törési biztonságon alapuló feszültségek módszere eljárás II. változata • törési biztonságon • félvalószínűségi eljárások alapuló eljárás I. Ø parciális tényezők változata módszere (Eurocode, MSZ) determinisztikus eljárások megbízhatósági módszer valószínűségi eljárások 29/42

Szerkezettervezés – EC szabványok alapjai Méretezési módszerek kezdetei Tapasztalati méretezési módszer l csak a szerkezeti elemeket tudták mérni, erősen deformálódott elemek helyett nagyobb keresztmetszetű elemek beépítése l azok a létesítményeke, amelyek nem feleltek meg, azok megsemmisültek > tapasztalat Az erőtani tervezés szabályozásának kiindulása l Hammurabi (Ie. 1760 ) Ø 228. §. Ha egy építmény az építését követően összedől, és ez az építtető halálát okozza, az építőmesternek is meg kell halni. l Napoleon törvényei (1804) Ø Ha egy építmény tönkremegy függetlenül attól, hogy ez az alapozás hibájából történt az építést követő tíz évig az építésznek saját költségén kötelessége azt kijavítani. l Budapest fő- és székváros 1892 -es Építési Szabályzata 30/42

Szerkezettervezés – EC szabványok alapjai Méretezési módszerek történeti áttekintése Egyetlen biztonsági tényezős eljárások l megengedett feszültségek esetében: l megengedett terheken alapuló eljárásnál: szerkezetekre ható terhek oldalán bizonytalanság > becsülni Ø anyagok szilárdsági, alakváltozási jellemzői laborban mérhető > méretezés bizonytalanságainak figyelembevétele egyetlen biztonsági tényezővel 1906 -os magyarországi előírás: Szabályzat Vasbetétes Beton Szerkezetek Tervezése és Építése Tárgyában módszer érvényben 1949 –ig Magyarországon, 1990 -ig máshol a világon, így Nyugat-Európában is módszer bírálata: állandó és esetleges terhek, mérési és számítási eredmények, rendeltetésszerű használat és használati állapot Ø l l l 31/42

Szerkezettervezés – EC szabványok alapjai Méretezési módszerek történeti áttekintése Osztott biztonsági tényezős eljárások Előzményei l Kazinczy Gábor – az anyagok képlékeny viselkedése; Mayer – a teherbírás bizonytalanságaira alapított osztott biztonsági tényezők elmélete; l Gvozgyev és Menyhárd István munkássága, akinek révén a világon először nálunk dolgozták ki 1950 -ben az osztott biztonsági tényezők rendszerén alapuló „Ideiglenes Közúti Hídszabályzatot”. Matematikai statisztikai módszerekkel vette figyelembe a bizonytalanságot: l terhek oldalán: más-más biztonsági tényező állandó és esetleges terhekre l anyagok szilárdságánál: a különböző anyagoknál más és más tényező Látványos fejlődés: nagyszilárdságú anyagok tömeges építési felhasználása, újfajta szerkezetek, karcsú szerkezetekkel nagy fesztávok 32/42

Szerkezettervezés – EC szabványok alapjai Méretezési módszerek fejlődése Osztott biztonsági tényezős eljárások l törési biztonságon alapuló eljárás l fél-valószínűségi eljárás l parciális tényezők módszere Ø a hagyományos osztott biztonsági tényezős eljárásnál nagyobb mértékben támaszkodik a valószínűségi elméleti alapokon nyugvó megbízhatósági elméletre Ø az előirányzott tervezési élettartam alatt azok megfelelő megbízhatósággal és gazdaságosan legyenek alkalmasak a rendeltetésszerű használatra Ø az erőtani követelmények teljesülésének ellenőrzéséhez teherbírási és használhatósági határállapotokat definiál Ø igazolni kell, hogy az alkalmazott tartószerkezeti és tehermodellek alapján eljárva a hatások, az anyagjellemzők vagy termékjellemzők és a geometriai méterek tervezési értékeit alkalmazva, a határállapot 33/42 túllépése, nem következik be

Szerkezettervezés – EC szabványok alapjai Osztott biztonsági tényezős eljárások 34/42

Tervezési követelmények A megfelelőség igazolásának logikája l A TARTÓSZERKEZETNEK ELLENÁLLÓKÉPESSÉGE VAN, AMELYNEK MECHANIKAI MENNYISÉGEKKEL JELLEMZETT HATÁRÁLLAPOT FELELTEHETŐ MEG l A TARTÓSZERKEZETBEN A HATÁSOK MECHANIKAI MENNYISÉGEKKEL JELLEMEZHETŐ ÁLLAPOTOKAT ÉBRESZTENEK l A MECHANIKAI MENNYISÉGEK ÉS HATÁSOK VALÓSZÍNŰSÉGI VÁLTOZÓK, EGYMÁSTÓL KÜLÖNBÖZŐ MEGBÍZHATÓSÁGGAL ADHATÓK MEG A HATÁS ÉS ELLENÁLLÓKÉPESSÉG JELLEGÉTŐL FÜGGŐEN 35/42

Biztonság, kockázat Valószínűségelméleti alapfogalmak l l VALÓSZÍNŰSÉG, KOCKÁZAT, MEGBÍZHATÓSÁG HISZTOGRAM, GYAKORISÁG, SŰRŰSÉGFÜGGVÉNY (R: ellenállás, F: hatás) 36/42

Biztonság, kockázat Valószínűségelméleti alapfogalmak l MEGBÍZHATÓSÁG, KOCKÁZAT, SZÓRÓDÁS/SZÓRÁS 37/42

Biztonság, kockázat Igénybevétel és ellenállás l A HATÁSOK KÖVETKEZMÉNYÉNEK TERVEZÉSI ÉRTÉKE ≤ A SZERKEZET ELLENÁLLÁSÁNAK TERVEZÉSI ÉRTÉKE 0 R-F 38/42

Biztonság, kockázat Tartalék l TEHERBÍRÁSI TARTALÉK R-F SŰRŰSÉGFÜGGVÉNYE (Gauss ~ normális) 39/42

Biztonság, kockázat A megfelelőség igazolásának logikája l l l A hatások következményeként kialakuló állapotokat ÖSSZE KELL HASONLÍTANI az anyagok, méretek, alakzatok által meghatározott ellenállóképességnek megfelelő állapotokkal. A tartószerkezetnek ellenállóképessége van, amelynek mechanikai mennyiségekkel jellemzett határállapot feleltehető meg. A tartószerkezetben a hatások mechanikai mennyiségekkel jellemezhető állapotokat ébresztenek. A mechanikai mennyiségek és hatások valószínűségi változók, egymástól különböző megbízhatósággal adhatók meg a hatás és ellenállóképesség jellegétől függően. 40/42

Biztonság, kockázat A megfelelés értelmezése AZ ÖSSZEHASONLÍTÁS KÉT HALMAZA l (A) IGÉNYBEVÉTELT OKOZÓ HATÁSOK SZÁMBAVÉTELE, TERHELÉSI ESETEK, HELYZETEK, ÁLLAPOTOK ÉRTELMEZÉSE l (B) ELLENÁLLÁS, ELLENÁLLÓKÉPESSÉG, ELŐÍRT IDEIG MEGKÖVETELT HASZNÁLHATÓSÁG JELLEMZÉSE OLYAN HATÁRÁLLAPOTOKKAL, AMELYEKBEN TELJESÜLNEK A TERVEZÉSI KÖVETELMÉNYEK HATÁSOKBÓL levezetett IGÉNYBEVÉTEL ≤ (HATÁS) KÖVETELMÉNYEKBŐL levezetett ELLENÁLLÁS (TEHERBÍRÁS) 41/42

Szerkezettervezés – EC szabványok alapjai Az Eurocode-ok rendszere MSZ EN 1990 A tervezés alapjai MSZ EN 1991 A tartószerk. érő hatások MSZ EN 1992 Betonszerk. tervezése MSZ EN 1994 Betonnal együttdolgozó acélszerk. tervezése MSZ EN 1993 Acélszerk. tervezése MSZ EN 1997 Geotechnikai tervezés MSZ EN 1996 Falazott szerk. tervezése MSZ EN 1995 Faszerkezetek tervezése MSZ EN 1999 Alumíniumszerk. tervezése MSZ EN 1998 Tartószerk. földrengésállóságának tervezése 42/42