Midtveisevalueringsrapport Gruppe: H13B06 HIOF, Fredrikstad

Transkript

1 Midtveisevalueringsrapport Gruppe: H13B06 HIOF, Fredrikstad

2 Forord Vi er en gruppe på tre studenter ved Høgskolen i Østfolds avdeling for; Ingeniørfag bygg. Denne rapporten er en del hovedprosjektet som igjen er siste del av vår bachelorutdannelse. Alle gruppens medlemmer ønsker i fremtiden å jobbe med temaer tilknyttet konstruksjon. Siden en av oss allerede har fått jobb hos Metacon Industrimek AS passet det godt at nettopp de kom på banen med et høvelig bachelorprosjekt. Metacon IndustrimekAS er som totallevrandør av stålbygg en av de ledende regionale aktørene. Metacon industrimek A/S ble etablert i Det eies av Metacon Holding A/S som igjen eies av; Lise Mette, Trond, Lene Marit og Andreas Aas. Metacon Industrimek A/S har kontorer og produksjonslokaler i Rakkestad, Østfold, de hadde i 2012; 40 ansatte og omsatte for 73,5 mill kr. I dette prosjektet har vi blandet teori fra design og konstruksjonsfagene med bruk av matematisk/numerisk programvare. Vi har i denne sammenheng vært nødt til å oppsøke kunnskap utenfor det vantige trepartssamarbeide: Skole, bedrift og prosjektgruppe. Dette har vært svært lærerikt. Vi vil rette en takk til Metacon Industrimek A/S, som tilbøy oss dette prosjektet. Vi takker for faglig veiledning samt økonomisk bistand til innkjøp av aktuell programmvare, kursavgifter og materiell i forbindelse med EXPO. 1

3 Table of Contents Forord... 1 Innholdsfortegnelse... 3 Sammendrag... 3 Project extract... 3 Prosjektintroduksjon... 4 Oppgaven, formål og organisering... 4 Bakgrunn for prosjektet Prosjektmål... 5 Startdefinisjon av prosjektformål... 5 Resultatmål:... 5 Avgrensing... 6 Omdefinert prosjektmål... 6 Prosjektets avgrensing i forhold til teori... 7 Om tredjeparts kontroll... 7 Knutepunktdesign Mekanikk/statikk... 7 Dimensjonering etter Eurokode Mathcad som prosjektverktøy Tilnærming til Mathcad Mathcad som beregningsverktøy... 8 Mathcad-filer som dokumentasjon... 8 Konklusjoner vedrørende Mathcad... 9 Resulterende beregningsmodeller... 9 Knutepunkt i fagverk, Gurt av H/I-bjelke, stegstaver av HUP Knutepunkt i fagverk, Gurt av HUP, stegstaver av HUP Knutepunkt, randdragerforbindelse Skjær i overgurt Endeplate på søyle Fotplate Beregning Beregning Beregning Beregning Oppsummering for beregninger i Mathcad Drøfting og konklusjon Kilder Vedlegg Vedlegg 1 Beregningsark som mal Vedlegg 2 Beregningsark som dokumentasjon

4 Innholdsfortegnelse Sammendrag Prosjektbeskrivelse på norsk Project extract Short project outline in English 3

5 Prosjektintroduksjon Oppgaven, formål og organisering Dette er en midtveisrapport for hovedoppgave til bachelorstudiet for gruppe H13B06. Bacheloroppgaven er et obligatorisk gruppearbeid og grunnlag for 15 studiepoeng. Dette arbeidet skal vise at vi behersker disipliner som; prosjektarbeid, praktisk administrativt arbeid, implementering av dataverktøy og evnen til å formidle lærdom. Bakteppe for arbeidet er en konstruksjonsoppgave utarbeidet i samarbeid med firmaet Metacon A/S. Tittelen på oppgaven er: Dokumentasjon av kapasitet til knutepunkter i stål. Bakgrunn for prosjektet. Firmaet Metacon A/S, som spesialiserer seg på prosjektering, design, produksjon og montering av industribygg med rammer i stål, har behov for et system for optimalisering og dokumentasjon for valg av profiler og tilhørende godstykkelser ved design av knutepunkter i stål. Per i dag bruker Metacon en kombinasjon av håndberegninger og regneark i Excel for sine beregninger. Problemet med dette er lavere grad av lønnsomhet i forhold til materialoptimalisering, samt at det ikke gir den oversiktlighet som kreves for rask, og dermed økonomisk tredjeparts kontroll. Metacon ønsker at vi skal lage regneark i Mathcad, et numerisk beregnings og dokumentasjonsprogram som brukes av ingeniører i hele verden. Fordelen med dette er at man får et godt beregningsverktøy for økonomisk optimalisering av egne konstruksjoner og samtidig en lettfattelig og logisk måte å dokumentere verdier for 3. parts kontroll. 4

6 Prosjektmål Startdefinisjon av prosjektformål Vi skal i denne oppgaven gjøre en vurdering om hvorvidt Mathcad egner seg som beregningsverktøy for Metacons behov. For å ha grunnlag til å kunne konkludere om dette må vi først finne en metode for å lage regneark, som på bakgrunn av lastbilde, velger stålprofiler. Dette regnearket må kunne presenteres på en slik måte at det forenkler tredjeparts kontroll. Dernest skal vi bruke denne metoden til å lage beregningsark for så mange av Metacons knutepunkter som vi rekker. Resultatmål: Vi har lagd en metode som med bakgrunn i input av datagrunnlag (profiltype, geometridata, stålkvaliteter, kraftpåvirkning osv.) gir utnyttelsesgrad for aktuell forbindelse som % av kapasitet. I utgangspunktet hadde vi sett for oss å sette Excel tabeller med alle profildata inn i Mathcad. Videre skulle vi lage funksjoner som på bakgrunn av geometridata og opptredende krefter, skulle velge riktige stålprofiler for oss. Dette greide vi ikke å løse på noen god måte. Excel tabeller innsatt i Mathcad ga ikke den funksjonaliteten vi hadde håpet på. I tillegg fant vi fort ut at valget av metode var uhensiktsmessig. Dette fordi at denne metoden ville valgt de profilene som ga kapasitet så nær opp mot 100% som mulig uten å ta andre hensyn, som for eksempel om det aktuelle profilet er standardvare, eller om det er forhold som kunne vanskeliggjøre sveis osv. Metoden fjernet kort og godt ingeniørkunnskap fra likningen, og det kunne vi ikke ha noe av. I vår valgte metode har vi i stedet valgt å legge inn tabelldata på form av matematiske matriser, hvor kolonne 1 definerer profilets dimensjon og rad 1 gir attributter, som for eksempel godstykkelse, tverrsnittsareal osv. Videre har vi laget en formel som velger attributter/egenskaper med utgangspunkt i valgte profildimensjoner. På denne måten genererer vi en matematisk modell for egenskapene til det aktuelle knutepunktet. Denne modellen utsettes så for de aktuelle randbetingelser (krefter; data fra simuleringsprogram). De forskjellige 5

7 kapasitetene beregnes etter Eurocode 3 og graden av utnyttelse gis ved utnyttelse som % av kapasitet. Denne valgte metoden er den mest hensiktsmessige, og den som gir størst bruksverdi for Metacon. Dette ble veldig klart for oss under arbeidet med den første knutepunktmodellen, det var dette Metacon ønsket og det er den mest formålstjenelige løsningen med tanke på at som oftest modellerer ferdig i Focus før de gjør beregningene. Det er imidlertid verdt å påpeke at denne metoden ikke sammenfaller med ordlyden i vårt definerte prosjektmål: Lage regneark, som på bakgrunn av lastbilde, velger stålprofiler. Vi ønsker således å omdefinere prosjektmålet. Avgrensing Omdefinert prosjektmål Vi skal i denne oppgaven gjøre en vurdering om hvorvidt Mathcad egner seg som beregningsverktøy for Metacons behov. For å ha grunnlag til å kunne konkludere om dette må vi først finne en metode for å lage regneark, som på bakgrunn av lastbilde, geometridata og valgte stålprofiler måler et gitt knutepunkts kapasiteter mot de belastninger de utsettes for. Dette regnearket må kunne presenteres på en slik måte at det forenkler tredjeparts kontroll. Dernest skal vi bruke denne metoden til å lage beregningsark for så mange av Metacons knutepunkter som vi rekker. 6

8 Prosjektets avgrensing i forhold til teori Om tredjeparts kontroll Mer utfyllende beskrivelser Knutepunktdesign. Selv om design av knutepunkter i stål er kjent stoff fra pensum har vi støtt på faglige utfordringer. Det rent statiske har stort sett gått fint mens det stadig dukker opp ukjente tilfeller i forhold til design etter Eurokode 3. Dette medfører selvfølgelig større innsikt i, og sikkerhet i forhold til design etter Eurokoder. Mekanikk/statikk Mer utfyllende beskrivelser Dimensjonering etter Eurokode 3 Mer utfyllende beskrivelser Mathcad som prosjektverktøy. Om Mathcad Mathcad er matematisk programvare først og fremst beregnet for beregninger, dokumentasjon og gjenbruk av beregningsmodeller for ingeniørformål. Mathcad ble først introdusert i 1986, da på operativsystemet DOS, det var den første numeriske beregningsprogrammet som tillott levende redigering av skrevet matematisk notasjon, kombinert med automatiske beregninger. Mathcad brukes i dag av ingeniører og forskere innen ulike disipliner over hele verden, da oftest innen mekanikk, kjemi, elektronikk og anlegg. Programmet er ansett som det 7

9 beste dataprogram for automatiske beregninger og validering av tekniske enheter, for eksempel SI-enheter, gjennom hele systemer av beregninger Programmet Mathcad ble opprinnelig skrevet av Allen Razdow (ved MIT og medgrunnlegger av Mathsoft). Mathcad eies nå av PTC (Parametric Technology Corporation). Mathcad er organisert som regneark, der ligninger og uttrykk skapes og manipuleres på samme grafisk format som de presenteres. Denne tilnærmingen er senere adoptert av andre systemer som Mathematica og Maple. Kilde: Wikipedia, PTC Tilnærming til Mathcad. Metacon spanderte kurs i Mathcad Prime 2.0 på samtlige prosjektdeltakere. Kurset fant sted 14/3-13 hos Metacon. Tilstede var foruten prosjektdeltakerne; Henning Klausen og 2 andre ansatte i Metacon. Kursholder var Magnus Eklund fra Science Software i Uppsala. Dette kurset har løftet Mathcad kunnskapene våre flere hakk, og vært helt essensielt i forhold til å kunne løse den overordnede oppgaven vår. Vi har imidlertid vært nødt til å ta en diskusjon om hvorvidt vi skulle bruke det nye programmet Mathcad Prime 2.0 eller om vi skulle bruke det noe eldre Mathcad 15. Dette har bakgrunn i at noe av funksjonaliteten fra 15 mangler i Prime 2.0. Dette har, for oss, fått direkte konsekvenser i forhold til valg av metode. Mathcad som beregningsverktøy Mer utfyllende beskrivelser Mathcad-filer som dokumentasjon Mer utfyllende beskrivelser 8

10 Konklusjoner vedrørende Mathcad Mer utfyllende beskrivelser Resulterende beregningsmodeller Siden vår oppgave har vært å lage beregningsmodeller som Metacon senere skal bruke daglig som maler for sine knutepunktsberegninger har det vært viktig for oss å kunne presentere en universell design for alle beregningsmalene. I tillegg har vi hatt som mål å lage modellene så enkle og komprimerte som mulig. Dette for å slippe å bla seg gjennom mange sider med utregninger for å kunne avlese aktuelle kapasitetsutnyttelser. Dette gir malene et preg av å være dedikert programvare og ser svært ryddig ut i daglig bruk. For å få til dette har vi valgt å skjule formler og utregning fra synlig beregning. Når man derimot skal bruke beregningene i dokumentasjonsøyemed er det imidlertid opportunt å åpne disse skjulte boksene slik at 3. Parts kontrollør får full adgang til underliggende metode. 9

11 Vedlegg Knutepunkt i fagverk, Gurt av H/I-bjelke, stegstaver av HUP Denne beregningen var den første vi utførte. Den ble vår prototype for valg av metode. Metacon godtok utkastet nermest umiddelbart etter at vi hadde den foreløpige modellen klar. Vi har allikevel senere omarbeidet den en del med tanke på lay-out og komprimering. Knutepunkt i fagverk, Gurt av HUP, stegstaver av HUP Knutepunkt, randdragerforbindelse Denne beregningen tar utgangspunkt i Metacons foretrukne løsning for randdragerforbindelse: Randdragere av IPE-bjelker forbundet med plate som stegskjøt hvor boltene opptar kraft mellom plate og bjelkesteg. Beskrivelse av Mathcadberegning. Først defineres all geometridata for aktuelle randdragere, platetykkelser og boltetyper. Dette defineres ved matematiske matriser slik at valgte dimensjoner lett kan kombineres med aktuelle flytspenninger og strekkfastheter. Vidre er det opp til brukeren å definere input som valgt IPE, plategeometri, boltevalg (kvalitet/antall), kant/endeavstander nder samt definere størrelsen på opptredende krefter. Med bakgrunn i disse kontrolleres først at man er innenfor gyldighetsområder definert i Eurokode 3, som for eksempel tverrsnittsklasser, maks/min kant og ende avstand og tilgjengelig geometri. Til slutt kontrolleres 10

12 aktuell belastning opp mot kapasitetskontroller i EK-3 tabell 3.4. og kap Graden av utnyttelse gis som % av kapasiteten, det vil si at man bør ligge så nær opp mot 100% som mulig for best mulig utnyttelse. Skjær i overgurt Endeplate på søyle Fotplate Beregning 7 Beregning 8 Beregning 9 Beregning 10 Oppsummering for beregninger i Mathcad Drøfting og konklusjon Om valg av metode Om brukbarhet i forhold til Metacons behov Om holdbarhet i forhold til kommende versjoner av Mathcad Om faglig kvalitet Kilder

13 Vedlegg Vedlegg 1 Beregningsark som mal Vedlegg 2 Beregningsark som dokumentasjon 12