Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemÉpítőmérnöki Kar - építőmérnök képzés 1782 óta

A hibrid szerkezeti kialakítás (nagyszilárságú acél övek és normálszilárdságú gerinclemezek) alkalmazása gazdaságos megoldást jelent az acél gerendahidak teherbíróképességének és költséghatékonyságának növelésére. A jelenlegi fejlett acélgyártásnak köszönhetően környezetvédelmi, fenntarthatósági és gazdasági szempontból is előnyösebb, ha nagyszilárdságú acélt alkalmazunk nagyobb keresztmetszeti területű normálszilárdságú acélok helyett ugyanakkora igénybevétel felvételére. Hajlított gerendák esetén a hibrid gerendák tipikus elrendezése olyan, hogy normálszilárdságú gerinclemezhez nagyobb szilárdságú öveket társítunk. Ez a kialakítás gazdaságosabb megoldást eredményez a homogén gerendákhoz képest, de méretezésük lényegesen összetettebb, és hídépítési alkalmazásuk számos olyan kérdést vet fel, melyet a jelenlegi méretezési eljárások alkalmazásával nem tudunk megválaszolni.

A hibrid gerendák viselkedési sajátossága, hogy a képlékeny és rugalmas teherbírásuk aránya lényegesen nagyobb, mint a hagyományos homogén gerendáké, melynek eredményeképpen jelentősen nagyobb maradó deformációk alakulhatnak ki a szerkezetben. Az Eurocode szabvány előírja a rugalmas szerkezeti viselkedést hídszerkezetek méretezése során, amely hibrid gerendáknál túlzottan konzervatív méretezésre vezet. Ezért ezen gerendák esetén a rugalmas-részlegesen képlékeny méretezés jelenthet gazdaságos megoldást, melynek részletei azonban napjainkban még nincsenek kidolgozva. A képlékeny deformációk megengedése esetén a maradó deformációk pontos meghatározása kiemelt jelentőségű összetett feladat, különösen a hídszerkezeteket terhelő ismétlődő terhelésre, mely további vizsgálatokat és kutatási munkát igényel a gyakorlati alkalmazás előtt. Ezért a jelen kutatás célja a hibrid gerendák alkalmazhatóságának elősegítése a hazai és európai hídépítési gyakorlatban. Ennek érdekében egyrészt ki kell dolgozni egy méretezési eljárást, mellyel a maradó deformációk meghatározhatók általános többtámaszú gerendatartók esetére. Ennek végrehajtása elsősorban a beállásvizsgálatokon keresztül valósulhat meg. Célunk meghatározni azokat a paramétereket, amelyek mellett a hibrid gerendák anyagválasztásainak előnyei kihasználhatók, ugyanakkor ezzel egyidejűleg a maradó deformációk elfogadható mértékűek maradnak, további célunk ezen paraméterek meghatározási módszertanát a gyakorlatban alkalmazható méretezési eljárás formájában kidolgozni.

A jelöltnek egyebek mellett a következő feladatokat kell elvégeznie:

• Kutatási stratégia kidolgozása.

• Átfogó szakirodalmi áttekintés az alábbi területeken: (i) acél hibrid gerendák szerkezeti sajátosságai; (ii) nyomatéki, nyíróerő és M-V interkaciós ellenállásának meghatározása; (iii) hibrid gerendák gazdaságossági és fentarthatósági kérdései; (iv) hibrid gerendák maradó deformációi; (v) általános képlékenységi és beállásvizsgálatok gerendaszerkezetek esetére.

• A szakirodalmi áttekintés és a kutatási stratégia alapján végre kell hajtani egy átfogó kutatási programot, amely tartalmazza általános többtámaszú hibrid gerendák beállásvizsgálatát, kitérve a maradó alakváltozásokra és beállási sajátnyomatékokra. A maradó deformációk vonatkozásában cél egy egyszerűsített, empirikus/analitikus konzervatív eljárás kidolgozása, amely a hétköznapi gyakorlatban is alkalmazható.

• Fejlett numerikus modell kidolgozása és validálása, mellyel hibrid gerendák nyírási és interakciós ellenállása vizsgálható. A numerikus eredményeket fel kell dolgozni, és át kell tekinteni, hogy a meglévő, gyakorlati tervezési eljárásokat hol és hogyan lehetne kiegészíteni a numerikus vizsgálatok eredményeivel. Végezetül ki kell dolgozni azokat a méretezési képleteket, melyek használhatóvá teszik a vizsgált szerkezeti megoldást a gyakorlati alkalmazás számára. A numerikus számítások validálására a BME Hidak és Szerkezetek Tanszék laboratóriumban végzett kísérletek eredményeit lehet felhasználni.

***

Hybrid steel for beam members (Flanges of the section are made with high strength steel while the web is made with normal strength steel) is an excellent solution to improve girders' capacity and cost efficiency. Due to the specifics of the steel material production, it is preferable, from environmental protection and economic points of view, if the resistance results from higher-strength steel instead of larger cross-sections from the same internal force. In the case of bent girders, the high strength falnges are associated with a normal-strength web as the typical arrangement of hybrid beams. This structural arrangement results in a more economical solution compared to homogeneous beams. Still, their design is significantly more complex, and their application in bridge construction raises many questions we cannot answer using the current standards.

Hybrid members' peculiarity is that the ratio of the bending resistance of the cross-section and its elastic limit is significantly higher than in the case of conventional steel beams, therefore, significantly larger residual deformations can develop in the structure. The Eurocode standard requires flexible structural behavior in bridge design, which is too conservative for hybrid beams. In the case of hibrid beams, partially plastic behavior can be an economical solution, however the details of this design process have not yet been developed yet. If plastic deformations are allowed, the accurate determination of the residual deformations is an important and complex process especially under arbitarary cyclic loading condition. This requires further tests and research work before practical application. The aim of the research is to assist the applicability of hybrid beams for bridge engineering in Hungary and in Europe. For this goal on the one hand, it is necessary to develop a calculation procedure where the residual deformations can be determined for general continuous girders. The analysis of the mechanism of the plasticity, remaining deformations, and the shake-down of the structure can explore these deformations.

It is necessary to determine the parameters under which the advantages of the hibrid material configuartion can be exploited, while at the same time the residual deformations remain at an acceptable level. Our further goal is to develop the methodology for determining these parameters and implement as a design procedure that can be used in practice.

Among other things, the candidate will be required to carry out the following tasks:

• Develop the research strategy.

• A comprehensive literature review of: (i) hybrid girders optimal hybrid factor; (ii) hybrid girders bending, shear and M-V interaction; (iii) hybrid girders economics aspects and sustainability; (iv) hybrid girders residual deformations; (v) shake-down and general plastic theory.

• On the basis of the literature review and the research strategy, a comprehensive test program should designed and implemented, which includes the shake-down analisis of general multi-support hybrid beams, paying attention to residual deformations and redistribution moments. A simplified, empirical/analytical conservative procedure must be developed for residual deformations, which can also be used in pracitce design.

• A detailed numerical model must also be developed and validated, which can be used to examine the shear and interaction behavior of hybrid beams. The numerical results must be processed, and it must be reviewed where and how the existing, practical design procedures could be supplemented with the results of the numerical tests. Finally, the design formulas that make the examined structural solution usable for practical application must be also developed. The experimental tests for model validation can be performed in the laboratory of the Department of Structural Engineering.