Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

Vékonyfalú szerkezeti elemeket számos helyen alkalmaznak a szerkezet-építőmérnöki gyakorlatban. Az egyik tipikus előfordulás a hidegen alakított acélszerkezetek (HAA), melyeket régebben főként másodlagos teherviselő funkcióban alkalmaztak (pl. szelemen, falváztartó), de manapság egyre elterjedtebben alkalmaznak elsődleges teherviselő funkcióban is, például HAA rácsos tartók vagy keretek részeként. Ezen elemek gyártás- és szerelési technológiájának köszönhetően a keresztmetszetek egyszeresen szimmetrikusak vagy aszimmetrikusak, az elemek gyakran speciális kötőelemekkel kapcsolódnak egymáshoz (pl. önmetsző csavarok), és az elemek terhelése gyakran (többféle módon is) külpontos. A HAA elemeket felhasználják összetett szelvények készítésére is, és – a szerkezet-építőmérnöki gyakorlatban szinte egyedülálló módon – a HAA elemeket gyakran úgy erősítik, hogy egyszerűen egymásra helyezik (pl. szelemenek átlapolása, vagy trapézlemezek kettőzése, stb.) 

Általánosságban is elmondható, hogy a vékonyfalú elemek viselkedése összetett, köszönhetően az alkotólemezek nagy karcsúságának. HAA esetén a viselkedés tovább bonyolódhat a HAA elemek sajátosságai miatt, mint pl. aszimmetria, külpontosságok. A komplex problémák egy klasszikus mérnöki megközelítése, hogy a viselkedést egyszerűbb viselkedési formák szuperpozíciójaként értelmezzük. Másként fogalmazva, pl. az elmozdulásokat egyszerűbb, de gyakorlati jelentéssel bíró elmozdulási módokra bontjuk fel. Vékonyfalú elemek esetén ezen megközelítés szerint szokás globális (G), torzulásos (D), lokális (L), nyírási (S) és keresztirányú (T) viselkedéseket megkülönböztetni. Egy általános elmozdulás-alakváltozás mező tehát értelmezhető, mint a G, D, L, stb. alterekbe tartozó elmozdulások kombinációja. Gyakran az is hasznos, ha egy problémát egy adott altérre (vagy néhány altér uniójára) szűkítve oldunk meg, pl. ha a lineáris stabilitásvizsgálatot a G térben végezzük el, akkor ez közvetlenül vezet síkbeli kihajlásra, vagy térbeli elcsavarodó kihajlásra vagy kifordulásra. Vagy ha a lineáris stabilitásvizsgálatot az L térben végezzük el, akkor közvetlenül (más stabilitásvesztési formáktól szeparáltan) vizsgálható a lemezhorpadás, nyírási horpadás, vagy beroppanás.  

A közelmúltban került kidolgozásra a cFEM (elmozduláskorlátozott végeselem módszer), amely héjvégeselemes eljárás, de képes a különféle elmozdulási-alakváltozási módok elkülönítésére, azaz modális dekompozícióra. Ez azt jelenti, hogy a cFEM képes különféle problémák megoldására (pl. lineáris statikus vizsgálat, lineáris stabilitásvizsgálat, geometriailag nemlineáris vizsgálat, stb.) az elmozdulás-alakváltozás mező bármely alterében, valamint képes a vékonyfalú szerkezeti elem tetszőleges elmozdulásának identifikációjára, (mely elmozdulás pl. lehet egy stabilitásvizsgálat eredménye,) azaz a módszer objektíven képes meghatározni, hogy az adott elmozdulás mely elmozdulási komponensek szuperpozíciója. A cFEM alkalmazható tetszőleges vékonyfalú szerkezeti elemre, mely modellezhető téglalap alakú héj végeselemekkel (tehát a terhelések és megtámasztások gyakorlatilag tetszőlegesek lehetnek, az elem tartalmazhat lyukakat, stb.).     

A javasolt kutatás célja kettős. Az egyik célkitűzés magának a cFEM eljárásnak a fejlesztése, például kiterjesztése olyan szerkezetekre, melyek vékonyfalú elemekből épülnek fel (pl., hidegen alakított acél profilokból álló összetett szerkezeti elemek, hidegen alakított acél elemekből álló rácsos szerkezetek, keretek, stb.). Szintén célszerű lehet a módszer végeselem-választékát bővíteni, és/vagy a végeselemeket általánosítani (pl. anyagi nemlinearitás figyelembe vétele). 

A kutatás másik célkitűzése a vékonyfalú szerkezeti elemek és szerkezetek megoldatlan problémáinak vizsgálata, például HAA rácsos tartók és keretek, vagy HAA összetett szelvények viselkedésének vizsgálata, mely vizsgálatokon keresztül jobban megérthetjük a viselkedést befolyásoló tényezőket, és olyan javaslatokat dolgozhatunk ki, melyek akár magát a szerkezetet, akár azok méretezéséhez szükséges eljárásokat tehetik jobbá. A kutatások elsődleges eszköze a végeselemmódszer (VEM), egyrészt klasszikus VEM szoftverek alkalmazásán, másrészt a speciális cFEM eljárás alkalmazásán keresztül. De analitikus vizsgálatok és esetenként kísérleti munka is szükséges lehet.   

A doktorandusz jelölttel szemben elvárás, hogy járatos legyen a végeselemes módszerben, beleértve a fejlett, nemlineáris VEM analízist (pl. Ansys használatával). Szintén elengedhetetlen a programozási képesség, pl. szükséges a MatLab (minimum elemi szintű) programozása. 

 

******************************

 

Thin-walled structural members are applied in various structural engineering applications. One of the most typical appearance is the cold-formed steel (CFS) profiles, which are traditionally used as secondary load-bearing elements (e.g., purlins, rafters), but more and more used as primary load-bearing elements, too, e.g., as part of CFS trusses or CFS frames. Due to the production and installation technology, CFS members are typically mono-symmetrical or asymmetrical, they are connected by special fasteners (e.g., self-drilling screws), and subjected to loads with various eccentricities. Also, CFS members are used to form built-up members, and almost uniquely in structural engineering practice, the load bearing capacity sometimes is increased by simply placing CFS members one upon the other (e.g., overlaps in purlins, doubled trapezoidal sheets, etc.)   

In general, thin-walled members has complex behaviour, mainly due to the thin nature of their elements. In the case of CFS, however, the complexity is further increased by the special CFS features, such as asymmetry or eccentricities. A classic engineering approach to complex problems is to interpret the behaviour as the superposition of simpler behaviour components. In other words, e.g., the displacements are decomposed into simpler yet practically meaningful deformation modes. Accordingly, in case of thin-walled members it is usual to distinguish global (G), distortional (D), local (L), in plane shear (S) and transverse extension (T) behaviour. A general displacement-deformation field therefore can be interpreted as the combination from G, D, L, etc., Also, it is sometimes meaningful to solve a problem within a specific (deformation) sub-space or in a combination of some spaces, e.g., to solve buckling in the G space (which might lead to flexural buckling, flexural-torsional buckling, lateral-torsional buckling), or in the L space (which might lead to local-plate buckling, shear buckling or web crippling, separated from other forms of buckling), etc.  

Recently the constrained finite element method (cFEM) is introduced, which is a shell finite element method, but with modal decomposition ability. This means that cFEM is able to solve problems (like linear static analysis, linear buckling analysis, geometrically nonlinear analysis, etc.) in any deformation spaces, as well as it is able to identify any deformation of a thin-walled member (which might be the result of e.g. a buckling analysis), that is it is able to objectively tell how the actual deformation is superposed from the various components. cFEM has been proved to be applicable for the analysis of virtually any thin-walled member that can be modelled by rectangular shell finite elements (e.g. members with arbitrary supports, loading, members with holes, etc.). 

The general aim of the proposed research is two-fold. One aim is the further development of the cFEM method, for example to make it applicable for structures built up from thin-walled members (e.g., cold-formed steel built-up members, trusses, frames). It might also be reasonable to define new (shell) elements, or introduce material nonlinearity, etc. Another aim is to investigate certain yet unresolved problems of thin-walled structural elements and structures, e.g., to study the behaviour of CFS trusses, CFS portal frames, built-up members, etc., in order to understand the influencing factors of the behaviour, as well as to work out proposals to improve the structures or to improve the design procedures. The primary tool of the research is the finite element method, both classic finite element method (FEM) by using advanced FEM analysis software, and the special cFEM. But analytical studies as well as experimental work might also be necessary. 

The candidate doctoral student is expected to be familiar with advanced finite element analysis, including advanced nonlinear FEM analyses (e.g., Ansys). It is also essential to have programming skills, e.g. elementary programming in MatLab is a must.