TPD Enkelstukproductie Groep 4 brug 1
Module: THEP1 Product: Technisch product dossier Opdrachtgever: Dhr. van Tiel Groep: WP27A + WP27B Projectgroep: module 4 brug 1 Groepsnaam: Module 4 Bridge (groep 4) Periode: Blok 4 Ingeleverd op: 03-06-2014 Opdrachtnemers- Groepsleden: A.J Houweling J. Hop M. van der Jagt S. Kaptein A. Keetman R. Keulen 2
Voorwoord De opdracht is om een module van een brug te ontwerpen voor de HHS te Delft. Eisen waren dat de burg een mobiele belasting van 1000N aankon en werd ondersteund door een onderspanning. Specifiek was onze opdracht om de 4e module te ontwerpen. Een beperking was het gebrek aan mogelijkheden met de bouwmaterialen, daar alles gemaakt moest worden van 1mm aluminium- en staalplaat. Ondanks dit zijn wij toch tot een werkend ontwerp gekomen. Ook onze dank aan onze tutor dhr. van Steijn en dhr. van Tiel voor zijn lessen en de leuke opdracht. Samenvatting Dit productdossier bevat alle informatie nodig om de brugmodule te fabriceren. Het ontwerp is te vinden in de werktekeningen, en zal gefabriceerd worden in de werkplaats van TIS-D. 3
Inhoud Voorwoord... 3 Samenvatting... 3 Inleiding... 5 Eindconcept... 6 Onderdelenlijst... 7 Materiaalkeuze... 7 Materiaallijst... 7 Bewerkingsmethoden... 7 Assemblage... 8 Kosten en baten... 13 Kosten... 13 Baten... 13 Berekeningen... 14 Afmetingen van de brug:... 14 Krachten op de module... 15 Krachten op de staven... 16 Conclusie staafkrachten... 19 Krachten op de verbindingen... 19 Bijlagen... 20 I. Concept Offerte... 20 II. Testrapport, buig en trekproeven... 21 Doorbuiging en Torsie... 21 Kerfslag... 22 Afschuiving... 23 Trekproef... 24 Verbindingen... 25 III. Normenverwijzingen... 26 IV. Werktekeningen... 28 4
Inleiding Aanleiding De afdeling TISD van de HHS sluit het jaar af met een groots project waarin alle geleerde vaardigheden samenkomen in een groots project. Dit jaar is dat een brug bestaande uit diverse modules, waarbij elke groep 1 module ontwerpt en bouwt. Doelstelling Dit rapport is een overzicht van onze module, hoe wij tot deze module gekomen zijn en welke tests wij hebben uitgevoerd. Onderzoeksvraag Hoe dient een module van een brug ontworpen te worden, aan welke eisen dient deze te voldoen, en hoe kan deze gefabriceerd worden. 5
Eindconcept 6
Onderdelenlijst Materiaalkeuze Bij het ontwerpen van het concept is er een materiaalkeuze gemaakt, deze was ook afhankelijk van het voor ons beschikbaar gestelde materiaal. Het concept bestaat voornamelijk uit plaatmateriaal van staal en aluminium. Ook wordt er nog gebruik gemaakt van popnagels. Voor de rest worden er geen andere materialen gebruikt. Materiaallijst - 1 Staalplaat 1x1000x500mm - 1 Aluminium plaat 1x1000x500mm - Popnagels Bewerkingsmethoden Tijden de bouw van het concept worden bewerkingsmethoden gebruikt, omdat de onderdelen zelf geproduceerd moeten worden. Het concept bestaat uit staalplaten, en deze moeten op maat geknipt en gebogen worden. Verder zijn er geen onderdelen die voorbewerkt moeten worden omdat er geen gebruik wordt gemaakt van lijmen of lassen of iets dergelijks waarbij dit nodig is. Er zullen wel gaten moeten worden geboord. Dus de bewerkingsmethoden die van toepassing zijn op het concept zijn: knippen, buigen en boren. 7
Assemblage Nadat alle onderdelen in de werkplaats individueel vervaardigd zijn moeten ze aan elkaar vast gemaakt worden. In dit hoofdstuk, assemblage, staat stap voor stap beschreven hoe de brug-module in elkaar gezet kan worden. De brug is volledig symmetrisch dus de assemblage van de linkerkant is hetzelfde als de assemblage van de rechterkant. Als bevestigingsmethode worden popnagels gebruikt, tenzij anders aangegeven. Stap 1. Bevestig staaf 1,2 en 3 aan schetsplaat A: A 1 3 2 Stap 2. Bevestig staaf 4 en 5 aan schetsplaten B,C en D. Deze schetsplaten worden vervolgens aan staaf 1,2 en 3 vastgemaakt. B 4 C 5 D 8
Stap 3. Bevestig staaf 6 en 7 aan de schetsplaten B en D. Vervolgens: bevestig de staven 8 en 9 aan schetsplaat A. Ten slotte: maak de zijkant af door de schetsplaten E en F vast te maken 6 E 8 9 F 7 Stap 4. Herhaal stap 1,2 en 3 9
Stap 5. Bevestig staaf 10 aan de voorkant van staaf 3. 10 Stap 6. Bevestig staaf 11 aan de achterkant van staaf 3 11 10
Stap 7. Bevestig staven 12 en 13 aan de voorkant. Dit gebeurt met M6 bouten, deze bouten moeten los kunnen om de module aan module 5 of 3 te bevestigen. 12 Stap 8. 13 Bevestig staven 14 en 15 aan de achterkant. Dit gebeurt ook met M6 bouten, deze bouten moeten los kunnen om de module aan module 3 of 5 te bevestigen. 14 15 11
Stap 9. Bevestig de staven 16,17,18 en 19 aan de bovenkant. 16 17 18 19 12
Kosten en baten Kosten Dit project kost voornamelijk tijd en energie van de projectgroep. Er wordt namelijk van uitgegaan dat er 196 studiebelastings uren voor nodig zijn om het project te laten slagen. De kosten uitgedrukt in euro's zal relatief klein zijn omdat er weinig materiaal gebruikt zal worden. Er wordt namelijk hoogstens gebruik gemaakt van een stalen en aluminium plaat met een dikte van 1 millimeter en een oppervlak van 0,5 vierkante meter, dat ter beschikking wordt gesteld door De Haagse Hogeschool. De kosten voor die platen, de popnagels en de bouten en moeren zijn berekend in de kostenraming en bedragen ongeveer 50 euro bij mekaar. Tevens zouden er kosten zijn voor manuren en machineuren, de geschatte kosten van die werkplaatskosten zijn 40 euro, dit is gebaseerd op het feit dat er niet veel machines en geen dure machines nodig zijn. De geschatte werkplaatsuren die benodigd zijn wordt geschat op 20 uur. Dit betekend dat de totale kosten zo'n 850 euro zullen bedragen voor het maken van het product. Baten De baten van dit project zijn de competenties en kennis die opgedaan en verbeterd worden door elk projectlid. Tevens kan het studiepunten opleveren, mits de student de andere delen van de leerlijn naar behoren afrond. 13
Berekeningen De brug-module die ontworpen moet worden, moet natuurlijk sterk genoeg zijn. Om aan te kunnen tonen dat de module sterk genoeg is moet de module worden doorgerekend. Hieronder staat het bewijs dat de module sterk genoeg is stap voor stap uiteengezet Afmetingen van de brug: Deze zijn nodig om de krachten te achterhalen die op de module van toepassing zijn. Draadmodel van de brug Berekening, afmetingen van de brug 14
Krachten op de module Nu de afmetingen van de brug bekend zijn kan bepaald worden hoe groot de krachten op de module zijn. De kracht die er op de bovenkant van de brug komt te staan is gegeven: Een mobiele belasting van een persoon. Deze is weergegeven als F=M (massa persoon) * G (9.81) Voor een extra stukje veiligheid in het ontwerpen van de brug, wordt er uitgegaan van een extreem zwaar persoon met een massa van 150 kg. Hierdoor word de mobiele belasting een belasting van 150*9.81=1500N. De brug zal het meest belast worden als de mobiele belasting, de persoon in het midden van de brug zal staan. Door uit te gaan van dit scenario worden de berekeningen gebaseerd op een worst case scenario, en staan de grootste krachten op de brug. Draadmodel brug, met de kracht in het midden en de steunpuntreactiekrachten Voor het ontwerp van module 4 zijn de krachten in staaf A-C van belang. Deze krachten zijn te berekenen met de snede methode: lengtes v. d. staven Berekening kracht op module 15
De kracht die de module over moet kunnen brengen als er een persoon van 150kg in het midden van de brug staat, dus in het ergste geval, is een drukkracht van 1687.5 N: Krachten op de staven Het brugontwerp dat uit het Conceptenrapport naar voren is gekomen is een combinatie van, aan elkaar ge-popnagelde profielen, met een kruis en een staander om de krachten op te vangen. Het gekozen module ontwerp Deze module moet de drukkrachten aan de zijkant aankunnen en tegelijkertijd de kracht die de persoon op de bovenkant op de module uitoefent. Ook hierbij wordt uitgegaan van een worst case scenario, dus dat de kracht van de persoon in het midden van de module wordt uitgeoefend. 16
Zijaanzicht van de module, met krachten Het oppervlak van de staven in het ontwerp moeten dusdanig groot genoeg zijn dat ze de krachten die op de module worden uitgeoefend op kunnen vangen zonder kapot te gaan. Om dit te berekenen zijn ten eerste de krachten in alle staven nodig: Staaf Kracht Trek/druk (N) A-E 425 druk C-F 281 trek C-E 796 druk F-D 281 trek D-E 796 druk E-B 425 druk E-F 0 0 17
Met deze krachten kan de spanning in de staven van de brug worden bepaald. Deze spanning mag niet hoger zijn dan de maximale spanning die het materiaal kan hebben. 68,9 gpa elasticiteits modules alu 200 gpa elasticiteits modules staal 290 mpa maximale trekkracht alu 400 mpa maximale trekkracht staal Oppervlakte = kracht/spanning Oppervlakte = kracht/spanning kracht (N) benodigte oppervlakte (mm²) alu benodigte oppervlakte (mm²) staal a-e 425 1,465517241 1,0625 c-f 281 0,968965517 0,7025 c-e 796 2,744827586 1,99 f-d 281 0,968965517 0,7025 d-e 796 2,744827586 1,99 e-b 425 1,465517241 1,0625 e-f 0 0 0 Naast het feit dat de maximale spanning in het materiaal niet overschreden mag worden moet er ook voor gezorgd worden dat er geen knik ontstaat in de drukstaven. Dit wordt gedaan door profielen te maken waarvan de slankheid dusdanig klein is dat er geen knik ontstaat. Voor de slankheid geldt: Lambda is de lengte in de krachtrichting gedeeld door de wortel van het traagheidsmoment gedeeld door de oppervlakte. Berekening traagheidsmoment, L profiel 18
knik Staaf lengte traagheids oppervlakte (mm) moment (mm²) Vorm lambda afmetingen belasting a-e 375 9208 68 U 32,2257526 30*20 Druk a-c 200 1549 39 L 31,7348603 20*20 Druk b-e 375 9208 68 U 32,2257526 30*20 Druk c-e 425 5734 59 L 43,1108009 30*30 Druk b-d 200 1549 39 L 31,7348603 20*20 Druk e-d 425 5734 59 L 43,1108009 30*30 Druk e-f 200 1549 39 L 31,7348603 20*20 Druk c-f 375 1549 39 L 59,502863 20*20 Trek f-d 375 1549 39 L 59,502863 20*20 Trek Conclusie staafkrachten De lambda van alle staven is kleiner dan 50, dus er is bij geen van de staven sprake van knik. De oppervlakte van de staven is ook groter dan de minimale oppervlakte die nodig is om de kracht te kunnen dragen. Dit betekent dat in theorie alle staven sterk genoeg zijn om de kracht aan te kunnen. Krachten op de verbindingen De verbindingen tussen de staven, in de module worden gemaakt met popnagels. De kracht die deze popnagels over kunnen brengen is beperkt. De maximale kracht die er in de brug- constructie op een verbinding komt te staan is een kracht van 750 N. Een aluminium popnagel zou voor deze belasting een minimale diameter van 1.64 mm moeten hebben. De popnagels die voor de constructie gebruikt gaan worden hebben een diameter van 3 mm. Verder worden op elke verbinding minimaal 2 popnagels gebruikt. Op deze manier zijn de popnagels altijd sterk genoeg. 19
Bijlagen I. Concept Offerte Module 4 Bridge Rotterdamseweg 137, 2628 AL Delft T (+31)651505496 De Haagse Hogeschool T.a.v. de heer W.W. van Tiel 2628 AL Delft Telefoon : 015-260 6200 Fax : 015-260 6201 Delft, 03 juni 2014 Offerte Offerte : 00000001 versie: 1 Uw referentie : Uw aanvraag d.d. 02 juni 2014 Datum ontvangst aanvraag : 02-06-2014 Datum gewenst antwoord : 05-06-2014 Datum geldig t/m : 08-06-2014 Artikel Omschrijving Aantal Prijs Totaal 1. Module 4 1 st. 5372, - 5372, - Totaal regels 5372, - Eindtotaal 5372, - Prijzen zijn exclusief BTW Leveringsconditie Levertijd Verzendmethode Betalingsconditie : Af werkplaats : In onderling overleg : Lokale assemblage : 30 dagen netto Met vriendelijke groet, J. Hancock De informatie in deze offerte is alleen voor de geadresseerde, derde partijen kunnen hieraan geen rechten ontlenen. De informatie in deze offerte is aan verandering onderhevig zodra de geldigheidsdatum overschreden is. Bij twijfel heeft de uitgever van deze offerte altijd gelijk. Alle druk- en zetfouten voorbehouden. 20
II. Testrapport, buig en trekproeven In het kader van materiaalonderzoek zijn er 4 verschillende tests uitgevoerd op een verzameling materialen en verbindingen, teneinde het mogelijk maken van een gefundeerde materiaal- en verbindingskeuze voor de brug. Hieronder volgen de conclusies die getrokken zijn aan de hand van de meetresultaten (zie bijlagen X t/m Y). Doorbuiging en Torsie In deze proef werd een aluminium staaf belast op doorbuiging en torsie. Uit de resultaten volgt dat de doorbuiging en torsie recht evenredig toenemen met de belasting. Meetresultaten Aluminium Staaf Ingeklemde lengte: 590 mm diameter: 10 mm Doorbuiging Doorbuiging/kg Gewicht (kg) 0,5 Doorbuiging (mm) 0,065 7,692307692 1 0,126 7,936507937 1,5 0,19 7,894736842 2 0,254 7,874015748 Torsie Uitwijking/kg Gewicht (kg) 0,5 Uitwijking hefboom (mm) 0,072 6,944444444 1 0,144 6,944444444 1,5 0,217 6,912442396 2 0,292 6,849315068 21
Kerfslag Hierbij werden een messing en een stalen staaf ingeklemd, waarna er een hamer werd losgelaten; welke tegen de staven aansloeg De conclusie is dat staal een impulsweerstand heeft die #x zo groot is als die van messing Meetresultaten Kerfslagproef Messing staaf Stalen staaf Impulsweerstand (kn) 4,809 20,647 22
Afschuiving In deze proef zijn koperen staven belast op enkelzijdige en dubbelzijdige afschuiving. De dubbelzijdig ingeklemde staaf was bestendig tegen een bijna 2x zo grote belasting (5.8kN - 10.1kN), kon ruim 2x zo ver afschuiven voor breuk (13.8 mm - 28.2 mm); en had een maximale shear strength die 1.5x hoger (206 N/mm 2-356 N/mm 2 ) was dan die van de enkelzijdig ingeklemde staaf. Meetresultaten koperen staaf Diameter: 6mm Enkelzijdige afschuiving Fshearmax Afschuiving Shear strength 5.8 kn 13.2 mm 206 N/mm^2 Dubbelzijdige afschuiving Fshearmax Afschuiving Shear strength 10.1 kn 28.2 mm 356 N/mm^2 23
Trekproef Er werden 4 soorten verbindingen belast op trek (popnagel 5mm in aluminium, popnagel 5 mm in staal, popnagel 15 mm in staal, puntlas op staal). Ook werden er 3 plaatjes waarin een verzwakking in een specifieke vorm was aangebracht getest (2 halve cirkels uitgeponst; 2 driehoeken uitgeknipt; 2 rechthoeken uitgeknipt). 24
Verbindingen Van de verbindingen kon de aluminium popnagel het verste uitrekken voordat de verbinding faalde (7.9 mm), de puntlas het minste (2.4 mm). De hoogste kracht kon gerealiseerd worden in de puntlas (4.6kN), met de aluminium popnagel als zwakste (1.416kN) De maximale belasting per mm 2 werd bereikt in de puntlas (184.6 N/mm 2 ); de laagste in de aluminium popnagel (56.6 N/mm 2 ). 25
III. Normenverwijzingen Over bruggen en de constructie daarvan zijn door de NEN erg veel normen opgesteld. Omdat het analyseren van al deze normen een apart project zou bevatten, zijn er uit het document NEN-EN 1993-2+C1:2011/NB:2011 (Eurocode 3: Ontwerp en berekening van staalconstructies - Deel 2: Stalen bruggen)(bijgevoegd in de bijlagen) de normen gehaald waarvan redelijkerwijs te verwachten is dat zij voor het ontwerp van onze brug relevant zijn. Uit dit document zijn de volgende normen gehaald: Om de duurzaamheid te waarborgen, moeten bruggen en hun componenten ofwel zijn ontworpen en berekend teneinde schade zo klein mogelijk te houden ofwel zijn beschermd tegen te grote vervormingen, aftakeling, vermoeiing en buitengewone belastingen die worden verwacht gedurende de ontwerplevensduur. Blijvende verbindingen tussen constructieve onderdelen van de brug behoren te zijn uitgevoerd met voorspanbouten met een verbinding volgens categorie C. Als alternatief mogen pasbouten, klinknagels of lassen zijn gebruikt teneinde glijden (slippen) te vermijden. De plaatsvastheid van aansluitende onderdelen moet zijn gewaarborgd. Indien de plaatsvastheid is bereikt door lassen of om andere redenen lassen zijn aangebracht, dan moeten deze lassen zo zijn ontworpen dat de volledige vermoeiingsbelasting is op te nemen. Permanente verbindingen in delen van de brug waarin wisselende belastingen optreden, moeten schuifvast zijn ontworpen. De verbinding moet zo zijn ontworpen dat geen vocht kan binnendringen. Bij het ontwerp moet tussen constructiedelen voldoende ruimte zijn opengehouden om schilderwerk te kunnen uitvoeren, te kunnen lassen en klinken en bouten te kunnen aandraaien. Om er zeker van te zijn dat alle onderdelen aan de juiste eisen voldoen dient de veiligheidsfactor boven de 1.25 te liggen. (H6.1; pg. 11) Elke verbinding en doorsnede van een verbinding moet ten minste de rekenwaarden van de krachten en momenten kunnen overdragen, behorend bij 50 % van het grensdraagvermogen van de kleinste aangesloten doorsnede. 26
Elke verbinding en doorsnede van een verbinding moet ten minste 50 % meer kunnen overdragen dan de berekende rekenwaarden van de krachten en momenten, zij het met het grensdraagvermogen van de kleinste aangesloten doorsnede als bovengrens. Elke verbinding en doorsnede van een verbinding in een onderdeel van de hoofddraagconstructie zoals een hoofdligger of dwarsdrager moet ten minste de rekenwaarde van de krachten en momenten van de kleinste aangesloten doorsnede kunnen overdragen. Bij excentrisch aangesloten verbindingen moet het effect van de excentriciteit op de verbinding in rekening zijn gebracht. Voor klinknagels moet de waarde voor f t,k,rep gelijk zijn genomen zijn aan 600 N/mm2 en moet gm gelijk zijn genomen aan 1,0, waarin: - f t,k,rep is de representatieve treksterkte van het materiaal van de klinknagel; - γm is de aan te houden materiaalfactor. Bij voorspanboutverbindingen die op trek zijn belast, moet zijn nagegaan welke doorsnede door de aanwezigheid van boutgaten het ongunstigst is belast. Hierbij geldt dat bij de bepaling van de verzwakking in een willekeurige doorsnede alle gaten in die doorsnede moeten zijn afgetrokken. Voor de krachtoverdracht mag zijn aangenomen dat in de maatgevende doorsnede 40 % van de per bout over te brengen kracht vóór de beschouwde doorsnede is overgebracht. Zie tabel NB.4 voor toegelaten spleetgrootten bij voegovergangen Zie tabel NB.5 voor vereiste dekplaatdikte 27
IV. Werktekeningen 28