הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

יוני 2002

גג-קשת לאחסנה פתוחה

תקציר לספר הפרוייקטים

פרוייקט גמר

הכין: כהן ירון

מנחה: נגינסקי אלכסנדר.

מקום הביצוע: תל-אביב.

תקציר מנהלים

נושא הפרוייקט: גג-קשת לאחסנה פתוחה.

מטרת הפרוייקט:

· תכנון גג קשת לאחסנה פתוחה תוך הקפדה על משקל נמוך של הקונסטרוקציה. ההתייחסות למשקל מהווה מדד לעלות המבנה.

מטרות משנה:

· הכרות עם דרך עבודתו של מהנדס אזרחי, התמודדות עם בעיות במהלך התכנון ודרכי פתרון של בעיות אלו.

· התמודדות עם עומסים מורכבים כמו עומסי רוח הנובעים מגיאומטריה שאינה אורטוגונלית של המבנה.

· הכרות עם מאפייני תיכון של פרופילים דקי דופן המשמשים כרכיבים מבניים.

תאור העבודה:

· הגדרת הבעיה ההנדסית וביצוע אנליזה ראשונית על-מנת להציג ולבחון חלופות לבניית המבנה תוך שימוש בנוסחאות וטבלאות המשמשות כעזרי חישוב למהנדס האזרחי.

· קביעת הקריטריון לבחינת החלופות: קביעת הקריטריון מולו תיבחן כל חלופה נעשה מתוך הגדרת אופיו של המבנה כמבנה פלדה. בפרוייקט מסוג זה נקבע מחיר חומר הגלם לפי משקל. מכאן, שלמשקלו העצמי של המבנה השפעה מכרעת על עלותו הכספית. לכן, הקריטריון שנבחר כמדד לבחירת החלופה המועדפת הוא משקלו העצמי של המבנה.

בנוסף, בבחירת החלופה הובאו בחשבון שיקולים נוספים הנובעים מהגדרת העבודה כפרוייקט גמר, כגון: מקוריות שיטת הבנייה וצורות החישוב הנדרשות לניתוח המבנה.

· הגדרת החלופות: הפרוייקט עוסק בשתי חלופות לבניית המבנה. האחת משמשת דרך בנייה שגרתית וקונבנציונלית הדורשת חיבור של מספר רכיבים שונים ליצירת המבנה. רכיבים אלה הנם פרופילי RHS, מרישים וכיסוי פח גלי כמו במבני אחסנה רבים.

החלופה השנייה מציגה פתרון מקורי לדרישות הפרוייקט ע"י שימוש בפרופילי פח דקי דופן המעוצבים בקור, אשר אודות לצורתם המיוחדת משתלבים זה בזה לכדי מבנה שלם. למבנה מסוג זה יתרונות בולטים על שיטת הבנייה שהוצגה בחלופה מס' 1 כמו: משקל עצמי נמוך בכ-25%, פשטות הקמה ומס' קטן של רכיבים הדרושים להקמת המבנה.

יתרון נוסף, המשמעותי בעבודה המשמשת כפרוייקט גמר, הוא מקוריותה של צורת הבנייה המשתמשת בפרופילי פח דקי דופן אשר דרך ניתוח יציבותם אינה שגרתית.

לאחר בחינת יתרונותיה וחסרונותיה של כל חלופה, נבחרה חלופה מס' 2 כפתרון המיטבי לדרישות שהוגדרו.

· ביצוע אנליזה מפורטת: לאחר הבחירה בחלופה מס' 2 בוצעה אנליזה מפורטת למבנה, תוך התחשבות במצבי העמיסה האמיתיים של המבנה.

· הגדרת מצבי העמיסה של המבנה: העומסים השונים הפועלים על המבנה מגדירים מצבי עמיסה שונים עבורו עקב פעולתם של עומסים אלה בזמנים שונים, דבר המביא לכך שלעיתים המצב המסוכן למבנה הוא דווקא זה שבו לא פועלים כל העומסים.

- מצב עמיסה 1: משקל עצמי ועומס שימושי. עומס זה הוא עומס תמידי על המבנה ונובע ממשקלו העצמי ומהגדרת התקן עבור סוג זה של מבנים.

- מצב עמיסה 2: משקל עצמי, עומס שימושי ועומס רוח. בנוסף למשקל העצמי ולעומס השימושי פועל גם עומס רוח אשר, עקב צורתו הקשתית של המבנה, פועל בחלק מהקשת כתוספת לעומס הנובע ממצב עמיסה 1, ובחלקים אחרים כהפחתה ממצב עמיסה 1.

· ניתוח המבנה: המבנה נבחן לכפף, חוזק ויציבות כללית ומקומית. בחינת המבנה לכפף ולחוזק נעשתה ע"י תוכנת אלמנט סופי ANSYS.

הצורך בצורת חישוב נומרית, ע"י תוכנת אלמנט סופי, התעורר עקב גאומטריית המבנה המביאה לעומס רוח משתנה בגודלו ובכיוונו לאורך הקשת. לשם פתרון הבעיה בעזרת המחשב, עובדו נתוני הבעיה בהתאם להגדרות התקן והופעלו העומסים האמיתיים על דגם של המבנה שנבנה במחשב.

· בחינת התוצאות: תוצאות ההזזות שהתקבלו מהרצת המחשב עבור מצבי העמיסה השונים נבחנו בהשוואה לכפף המותר עפ"י התקן ותוצאות המאמצים נבחנו אל מול המאמצים המותרים. יציבות המבנה נבחנה בשני היבטים: יציבות כללית ויציבות מקומית.

· בחינת היציבות הכללית: מהשוואת התגובות בסמכים, עבור מצבי העמיסה השונים, לתגובה הקריטית, עבורה קיימת סכנה ליציבות המבנה, נבחנה יציבותו הכללית של המבנה.

· בחינת היציבות המקומית: יציבותו המקומית של החתך האופייני נבחנה בצורה מפורטת עפ"י המדריך לתכן רכיבים מפרופילים דקי דופן ותוך התייחסות לשני מצבים:

- חלקו העליון של החתך מצוי בלחיצה.

- חלקו התחתון של החתך מצוי בלחיצה.

עבור שני המצבים חושב מומנט התסבולת של החתך והושווה למומנטים המקסימליים שהתקבלו מהרצת המחשב.

תוצאות:

· כפף: תוצאות הכפף שהתקבלו מהרצת המחשב עבור מצבי העמיסה השונים, עומדות בהגבלות הכפף כפי שהוגדרו ע"י התקן.

· חוזק: מבחינת המאמצים שהתקבלו מהרצת המחשב עבור מצבי העמיסה השונים עולה כי המאמצים לאורך הקשת קטנים מהמאמצים המותרים.

· יציבות כללית: מהשוואת התגובות שהתקבלו מהרצת המחשב לתגובה הקריטית, שחושבה עפ"י הספרות, עולה כי אין סכנה לאובדן יציבות כללית של המבנה.

· יציבות מקומית: השוואת המומנטים שהתקבלו מהרצת המחשב למומנטי התסבולת, שחושבו עבור המצבים השונים, מראה כי אין סכנה לאובדן יציבות מקומית של החתך.

מסקנות:

· מבחינת חישובי הכפף, החוזק ויציבות המבנה ניתן להסיק כי הבחירה בפתרון של אלמנטים דקי דופן הייתה נכונה ומוצדקת וכן השיגה את מטרות הפרוייקט כפי שהוגדרו. בתוך כך הושגה אף הדרישה לצורת בנייה מקורית ולא שגרתית הדורשת הכרות עם צורת התיכון של רכיבים דקי דופן המשמשים כרכיבים מבניים.