hrvatski

Karakterizacija ponašanja čvora čelične geodetske kupole

Geodetske kupole su građevine koje svojom stabilnošću, ali i estetikom danas sve više konkuriraju drugim vrstama građevina koje su raširenije u svijetu. Od pedesetih godina prošlog stoljeća svoju primjenu nalaze u kulturnim, stambenim i sportskim objektima. Kroz godine su se postupno razvijali različiti oblici i tehnike montaže takvih vrsta kupola te čvorni spojevi kao važni dijelovi te cjeline. Kao predmet istraživanja u ovom radu odabrano je najjednostavnije rješenje čvora kupole koje je optimalno iz aspekta montaže. Taj je čvor oblikovan kao spoj na preklop sastavljen od 5 do 6 štapnih elemenata sa spljoštenim krajevima koji su savinuti i međusobno spojeni jednim vijkom. Nedostatak ovakvog oblikovanja čvora je pojava učinaka drugog reda u blizini spoja, uslijed savinutosti krajeva i ekscentriciteta sile. Posljedica toga je značajno reducirana otpornost spoja u odnosu na otpornosti pojedinačnih elemenata. S ciljem poboljšanja ujednačavanja pouzdanosti konstrukcije kupole, odnosno procjene ponašanja takvog načina spajanja, detaljno je analizirano ponašanje jednog elementa u čvoru pri vlačnom i tlačnom opterećenju. Za određivanje otpornosti spoja korištena su tri pristupa, odnosno metodologije istraživanja - analitička, eksperimentalna i numerička. U praksi se koristi pojednostavljeni teorijski interakcijski izraz za procjenu otpornosti kritičnog presjeka savinutog spljoštenog dijela cijevi. Iako je uvriježen u praksi, nedostatak ovog analitičkog pristupa je da se postojanje ekscentriciteta uzima u obzir bez uvažavanja predznaka opterećenja i položaja elementa u čvornom spoju. Izuzetno nepovoljni preliminarni analitički rezultati bili su motivacija za provedbu eksperimentalne i numeričke metodologije istraživanja. Eksperimentalnom metodom u laboratoriju je ispitano 6 uzoraka spoja cijevi, od toga 3 na vlačnu te 3 na tlačnu silu. Utvrđeno je da vlačni uzorci otkazuju pritiskom po omotaču rupe, a tlačni izbočivanjem spljoštenog dijela cijevi. Dobiveni su dijagrami sila - pomak, za dva karakteristična mjerna mjesta te dijagrami sila - pomak preše kojima je opisano ponašanje uzoraka pod djelovanjem vlačne, odnosno tlačne uzdužne sile u cijevnom elementu. Analizom rezultata uočena je velika sličnost u ponašanju uzoraka. U svrhu utvrđivanja stvarnih svojstava materijala provedena je vlačna proba na 6 standardiziranih epruveta izvađenih iz uzoraka cijevi. Numerička istraživanja su provedena koristeći programski paket ANSYS 15.0. Na temelju laboratorijskih ispitivanja kalibrirana su 2 numerička modela ovisno o smjeru opterećenja (vlak ili tlak). Budući da je u laboratoriju ispitana samo jedna geometrijska konfiguracija za vlak i tlak, druga konfiguracije spoja analizirana je s dodatna dva numerička modela ovisno o smjeru opterećenja. Na temelju rezultata dobivenih numeričkim simulacijama utvrđeno je da je za otpornost čvora mjerodavno otkazivanje tlačnog elementa izbočivanjem spljoštenog dijela cijevi i to za drugu konfiguraciju spajanja. Nakon provedenog laboratorijskog i numeričkog istraživanja, napravljena je karakterizacija ponašanja na temelju dijagrama sila - pomak. Između ostalog, time su utvrđene mjerodavne otpornosti razmatranog čvornog spoja. Tako utvrđene eksperimentalne i numeričke otpornosti pokazuju zadovoljavajuće poklapanje s analitičkim otpornostima izračunatim koristeći izmjerena geometrijska i mehanička svojstva. Na temelju provedenih analiza predloženo je novo rješenje oblikovanja čvora, spajanjem ravnih (nesavinutih) spljoštenih dijelova cijevi na posebno oblikovani čelični lim. Na taj način se anulira nepovoljni utjecaj ekscentriciteta i učinaka drugog reda. Kako bi se dokazala učinkovitost takvog rješenja, napravljeni su dodatni numerički modeli te je na temelju rezultata te analize izvršena karakterizacija njihovog ponašanja. Iako je numeričkim simulacijama potvrđeno da se predloženim oblikovanjem spoja mogu ukloniti prethodno navedeni nedostaci, potrebno je tu konfiguraciju dodatno ispitati. Kako bi se dobilo realnije ponašanje čvornog spoja, preporuka je ispitivanje provesti na stvarnom čvoru na jednom polju ili pak na stvarnoj kupoli. Na kraju je potrebno naglasiti da je ovo istraživanje prvi korak rješenju inženjerskog problema iz prakse. Dobiveni rezultati i proizašli zaključci definitivno idu u prilog brze montaže i ujednačene pouzdanosti čitavog konstrukcijskog sustava geodetskih kupola. Provedeno istraživanje je doprinos povećanju sigurnosti ovog tipa konstrukcija koje se koriste na različitim manifestacijama s velikim brojem posjetitelja.

geodetska kupola, vijčani čvorni spoj, analitička metoda, laboratorijska ispitivanja, nelinearna numerička analiza

Mentori: Skejić, Davor ; Damjanović, Domagoj // Osvojena Rektorska nagrada za akademsku godinu 2016./2017.