Wytrzymałość spawanej bramy stalowej z prętami pionowymi w porównaniu ze skrzyżowanymi prętami ukośnymi

Poszukuję wskazówek, jak stworzyć przybliżoną prognozę dla następującego problemu.

Biorąc pod uwagę dwie stalowe bramy o tych samych wymiarach, z tego samego materiału - np. Wszystko jest takie samo. Jedyną różnicą jest to, że środkowe części mają różne struktury.

Po przyłożeniu pewnej siły do ​​szczytu brama zacznie się coraz bardziej deformować, a przy pewnej sile brama dotknie ziemi w miejscu, w którym wskazuje niebieska strzałka.

Szukam przybliżonego oszacowania, ile siły potrzeba na drugą bramę - tj. O ile bardziej „wytrzymały” jest druga brama.

Naprawdę nie potrzebuję żadnych dokładnych obliczeń, ale prawdopodobnie będę potrzebować danych materiałowych, więc:

• wspólna stalowa belka cienkościenna (grubość ścianki 25 mm x 25 mm x 2 mm)
• każdy punkt połączenia jest spawany, możemy uprościć i założyć, że spoiny są dokładnie tak mocne jak sam materiał
• punkty zawieszenia mogą utrzymywać nieskończoną siłę
• i wszelkie inne możliwe uproszczenia - ten problem nie dotyczy nauki o rakietach, ale rozwiązania wieczornej rozmowy z przyjacielem.

Jak powiedział grfrazee, nie będziesz mieć pewności, dopóki nie przeprowadzisz analizy elementu skończonego. Zaintrygowało mnie to pytanie jako kolegi i wdałem się w dyskusję na ten temat. Podczas gdy oboje zgodziliśmy się, że wzmocnienie po przekątnej byłoby lepsze w przeciwstawianiu się ugięciu, zastanawialiśmy się, jaki czynnik byłby lepszy.

Byliśmy bardzo ciekawi, więc rozstrzygnęliśmy debatę i przeprowadziliśmy szybką analizę strukturalną SkyCiv Structural 3D (możesz spróbować bezpłatnie przez miesiąc, jeśli ktoś się zastanawia). Konfiguracja obu bram zajęła około godziny, głównie dlatego, że musieliśmy wygenerować pozycje węzłów od zera. Tak czy inaczej, tutaj są wyniki liniowej analizy statycznej, która uwzględnia przyjęte przez ciebie założenia i uproszczenia. Zastosowaliśmy 5 kN POINT LOAD zarówno w F1, jak i F2, i sprawiliśmy, że każde wsparcie było wsparciem pinowym w określonych lokalizacjach. Zwróć uwagę, że w wynikach w kolorze 3D ugięcie jest 12 razy większe niż faktyczne ugięcie bramy w obu scenariuszach - jest przesadzone, dzięki czemu widać odchylony kształt bram.

Brama nr 1

$\text{y-deflection at the bottom-left of the gate} = 31.74\text{ mm}$

$\text{Max total deflection} = 32.10\text{ mm}$

Brama # 2

$\text{y-deflection at the bottom-left of the gate} = 7.84\text{ mm}$

$\text{Max total deflection} = 7.55\text{ mm}$

Stężenie po przekątnej (brama nr 2) jest zdecydowanie zwycięzcą. Tak więc, gdy obie bramy są poddawane temu samemu obciążeniu, wygląda na to, że bramka nr 2 lepiej opiera się ugięciu (tj. Jest bardziej sztywna) o współczynnik 4,25 .

Kilka ciekawszych punktów:

• W obydwu scenariuszach w prawym górnym wsporniku występuje dość duże naprężenie zginające ~ 350 MPa.
• W analizie nie uwzględniono ciężaru własnego wrót.

Dodam też, że wygląda na problem ze skalowaniem narysowanej siatki ukośnej, ponieważ kiedy ją modelowałem, zauważyłem, że punktów było znacznie mniej niż sugeruje to diagram. Zapewniłem, że równoległy odstęp między każdym rombem wynosił 300 mm. Oznacza to, że przekątna każdego rombu wynosi około 424 mm. Twoja brama ma 3300 mm długości, co oznacza, że ​​około 8 rombów powinno zmieścić się na twojej bramie w kierunku x - ale narysowałeś około 12. Pomyślałem, że dam ci znać.

Zakładając, że złącza są spawane, aby podczas rysowania górna brama odkształcała się, pionowe pręty będą musiały zgiąć się w kształt litery „S”. Elastyczność gięcia będzie proporcjonalna do sześcianu długości, jeśli wszystko inne będzie takie samo.

Sztywność trzech odcinków górnej bramy będzie proporcjonalna do , i . W całkowitej elastyczności dominuje najdłuższa (środkowa) sekcja.1 / 0,6 3 = 4,6 1 / 0,4 3 = $1/1^3 = 1$$1/0.6^3 = 4.6$$1/0.4^3 = 15.6$

W dolnej bramie pręty ukośne byłyby (do pierwszego przybliżenia) nieskończenie sztywniejsze niż pręty pionowe, ponieważ przenoszą ścinanie pod napięciem i ściskaniem po przekątnej, a nie przy zginaniu. Ogólna sztywność byłaby rzędu 4 lub 5 razy większa (na podstawie 4.6 powyżej).

Prawdopodobnie możesz uciec z mniejszą ilością materiału w ukośnych prętach (albo cieńszych lub mniejszych prętów), ale bardziej szczegółowa analiza to zbyt wiele pracy ręcznie i za darmo!

Nie ma znaczenia, czy odstępy między ukośnymi prętami odpowiadają pionom, o ile poziome pręty są wystarczająco mocne, aby rozdzielić obciążenie między nimi.

Jeśli sztywność jest jedynym kryterium, równie dobrze możesz mieć zewnętrzną prostokątną ramę i ukośne usztywnienie, bez żadnych odcinków „pionowych prętów”.

Chociaż dość dobrze opisałeś swój problem, nie sądzę, że znajdziesz satysfakcjonującą odpowiedź bez konieczności przeprowadzania dość złożonej analizy elementów skończonych na obu strukturach.

Pierwsza struktura bramy będzie zachowywać się podobnie jak kratownica Vierendeel, ponieważ wszystkie elementy są zasadniczo połączone momentem.

Druga konstrukcja bramy prawdopodobnie spadnie gdzieś między Vierendeel a tradycyjną kratownicą, choć nadal jest to w przeważającej części moment związany z faktycznym wyrównaniem punktów roboczych.

Zwykle kratownice są tak szczegółowe, że ich punkty pracy (tj. Środek działania siły osiowej w elementach) pokrywają się w przybliżeniu w tym samym punkcie. Ma to na celu zmniejszenie zgięcia dowolnego elementu, ponieważ mimośrodowość wynosi w przybliżeniu zero.

Druga brama ma pewne działanie kratownicy ze względu na sekcję w kształcie rombu pośrodku. Niestety, ponieważ punkty robocze sekcji diamentowej nie pokrywają się z sekcjami pionowymi / poziomymi, tracisz niektóre zalety działania kratownicy.