English

Nagrađeni studentski radovi izrađeni pod mentorstvom djelatnika Katedre za metalne konstrukcije

Tihana Đukanović, Marcela Medić: ANALIZA DETALJA STOPE SKELE ZA OBNOVU ZAGREBAČKE KATEDRALE, Nagrađeni studentski rad za Rektorovu nagradu 2022./2023., mentori: prof.dr.sc. Davor Skejić, izv.prof.dr.sc. Marko Bartolac, Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, 2023. (poveznica)

Tijekom 2020. godine dogodila su se dva velika potresa koja su značajno oštetila Zagrebačku katedralu. Za osiguranje od urušavanja i obnovu tornjeva Zagrebačke katedrale izrađen je urgentni građevinski projekt nosive čelične skele. Za to rješenje odabrana je višesmjerna modularna lagana cijevna skela. Zbog velikih oštećenja tornjeva nije bilo moguće sidrenje skele po čitavoj visini tornjeva već samo na donjem dijelu koji je pretrpio manja oštećenja. To je rezultiralo izuzetno nepovoljnim konzolnim statičkim sustavom te relativno velikim opterećenjem baze skele. Zbog iznimne složenosti koncepta skele i geometrije tornjeva, morala su se primijeniti brojna nestandardna rješenja. Nestandardno rješenje je primijenjeno i kod detalja oslanjanja skele na čeličnu platformu koja započinje od baze tornjeva, oko 37 m od tla. Posljedično je osmišljen detalj za oslanjanje čelične konstrukcije skele koji je geometrijski prilagođen sigurnom i jednostavnom spajanju na čeličnu platformu. Predmet istraživanja ovog rada je analiza ponašanja primijenjenog nestandardnog (NS) detalja stope skele. S tim ciljem provedena je i usporedba sa standardnim (S) detaljem stope skele koji nije prilagodljiv za spajanje na čeličnu platformu. Laboratorijski su ispitana po tri uzorka obje skupine detalja stope na savijanje. Rezultati ispitivanja, u obliku dijagrama sila i pomak, ukazuju na vidljive razlike u ponašanju standardnih (S) i nestandardnih (NS) uzoraka detalja stope skele. Generalno, nestandardni detalj stope je krući, ali je i manje duktilan u odnosu na standardno rješenje. Takvo ponašanje je rezultat činjenice da nestandardni detalj ima ploču veće debljine s dodatnim ukrućenjima. Nadalje, u programskom paketu ABAQUS provedene su numeričke simulacije te su numerički modeli kalibrirani na rezultate laboratorijskih ispitivanja NS i S detalja. Obzirom da laboratorijskim ispitivanjem nije uzet u obzir utjecaj uzdužne sile koja se javlja u eksploataciji, provedena je parametarska numerička analiza. Analiza je pokazala da je primijenjeni nestandardni detalj stope skele pouzdan za oslanjanje 70 metarskih skela oko tornjeva Zagrebačke katedrale koje su izložene složenim kombinacija djelovanja.

Dora Golubiček, Lovro Novinc, Elena Perković: UTJECAJ VRSTE LJEPILA NA PONAŠANJE KONSTRUKCIJSKIH SPOJEVA IZMEĐU ALUMINIJA I ČELIKA, Nagrađeni studentski rad za Rektorovu nagradu 2022./2023., mentori: prof.dr.sc. Davor Skejić, izv.prof.dr.sc. Ivan Duvnjak, Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, 2023. (poveznica)

Kod zavarivanja čelika s aluminijem, zbog različitih fizikalnih i kemijskih svojstva tih dvaju metala, nameće se problematika formiranja intermetalne veze. Naime, zavarivanjem se narušavaju mehanička svojstva spoja i zone utjecaja topline, neposredno uz spoj, do te mjere da je direktno zavarivanje aluminija i čelika još uvijek otvorena i vrlo složena problematika. Drugi, puno prihvatljiviji, ali još uvijek nedovoljno istražen, način spajanja aluminija i čelika je lijepljenje. Kao adekvatniji način spajanja, adhezivne veze ističu se prednostima pred ostalim načinima spajanja konstruktivnih elemenata. Jedna od najvažnijih prednosti jest ujednačenija raspodjela naprezanja, čemu slijede i jednostavnost primjene, malen do nikakav utjecaj na mehanička svojstva materijala kao i širok spektar materijala koji se mogu spajati. Naravno, postoje i nedostaci u pogledu zahtjevnije površinske pripreme te niske čvrstoće odljepljivanja koje su se kroz eksperimentalni dio rada detaljno razradile i opisale. U radu je prikazano originalno istraživanje primjene ljepila kao spojnog sredstva za spajanje aluminijskih i čeličnih konstruktivnih elemenata. Provedena eksperimentalna i numerička istraživanja obuhvatila su utjecaj četiri vrste lijepila na ponašanje lijepljenih spojeva između aluminijskih kutnika i čelične ploče. Kvantificiran je i utjecaj pripreme lijepljenih površina i same debljine sloja pojedine vrste ljepila. Provedene, vrlo kompleksne, numeričke simulacije dosta dobro opisuju eksperimentalno ponašanje razmatranih tipova spojeva naročito u prvoj fazi ponašanja i mogu poslužiti kao baza za daljnje kalibriranje numeričkih modela. Takvi modeli će moći u potpunosti simulirati ponašanje lijepljenih spojeva te će se s njima moći provesti optimiziranje u pogledu geometrije analiziranih spojeva i odabira optimalne vrste ljepila. To je ujedno i smjernica za daljnja istraživanja koja će u konačnici voditi i do češće uporabe ljepila kod aluminijskih konstrukcija.

Andrea Rajić: PONAŠANJE LAGANOG SPREGNUTOG NOSAČA – SASTAVLJENI HLADNO OBLIKOVANI ČELIK-BETON U SAVIJANJU, Nagrađeni studentski rad za Rektorovu nagradu 2020./2021., mentor: doc. dr. sc. Ivan Lukačević, Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, 2021. (poveznica)

Hladno oblikovani C profili nisu uobičajeni u građevinskoj praksi kao dio spregnutih nosača i još uvijek ne postoje normirani postupci za njihovo projektiranje. Međutim, istraživanja su pokazala njihovo iznimno dobro ponašanje pod djelovanjem opterećenja i mogućnost lagane izgradnje. U ovom istraživanju analitički je pokazano kako se savijanje spregnutih nosača sastavljenih od čeličnih profila klase 3, odnosno klase 4 može računati s plastičnom otpornošću čeličnog presjeka te kako način povezivanja hladno oblikovanih C profila i stupanj posmične veze između čeličnog i betonskog dijela presjeka utječu na otpornost na savijanje spregnutog nosača. Primjenom numeričkih parametarskih analiza u računalnom programu ABAQUS/CAE računala se otpornost na savijanje razmatranih nosača. Pokazano je da se otpornost na savijanje spregnutih nosača sastavljenih od C profila koji su spojeni točkastim spajalima u području hrptova na različitim razmacima razlikuju od otpornosti na savijanje u slučaju kada se pretpostavi da su profili potpuno povezani jedan s drugim. Prema tome, dokazano je da postoji ovisnost otpornosti na savijanja o broju i rasporedu točkastih spajala na dodiru čeličnih profila kao i u slučaju broja i rasporeda točkastih spajala na sljubnici čelika i betona. Prikazani rezultati predstavljaju osnovu za prilagodbu proračuna otpornosti na savijanje spregnutih nosača u ovisnosti o međusobnom načinu spajanja hladno oblikovanih čeličnih profila i različitog stupnja posmične veze.

Mislav Pedišić, Anđelo Valčić: OPTIMIZACIJA SASTAVLJENIH HLADNO OBLIKOVANIH KONSTRUKCIJSKIH ELEMENATA IZLOŽENIH SAVIJANJU, Nagrađeni studentski rad za Rektorovu nagradu 2018./2019., mentor: doc. dr. sc. Ivan Lukačević, Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, 2019. (poveznica)

         

Sastavljeni hladno oblikovani konstrukcijski elementi mogu biti vrlo djelotvorni i atraktivni konstrukcijski elementi zbog uštede materijala, ali i zbog jednostavnosti ugradnje. Stoga se hladno oblikovani sastavljeni profili često koriste kao nosivi elementi u konstrukcijama ili kao razni tipovi pokrova i obloga. Međutim, tipovi profila koji još uvijek imaju najširu primjenu su toplo valjani profili. Uzimajući u obzir sekundarne elemente međukatnih konstrukcija višekatnih zgrada ili sekundarne nosače u vidu podrožnica kod konstrukcija hala, najčešću primjenu imaju uskopojasni standardizirani europski profili – IPE. Unatoč tome, s obzirom na velik broj ovakvih elemenata u konstrukcijama smanjenje utroška materijala na ovim elementima može značajno utjecati smanjenje troškova izgradnje. Kao rješenje tog problema, ovaj rad istražuje primjenu hladno oblikovanih tankostijenih profila kao alternativnog rješenja sekundarnim nosačima izvedenim toplo valjanim IPE profilima. Analitičke i numeričke parametarske studije provedene u ovom radu pokazale su da uz pogodno oblikovanje i raspored spojnih sredstava, optimizirani hladno oblikovani tankostijeni elementi pokazuju bolja svojstva (veća otpornost elementa na savijanje), uz manji utrošak materijala, što dovodi do mogućih manjih troškova izgradnje. Na temelju dobivenih rezultata, moguća su daljnja istraživanja vezana na pronalazak povoljnijih tipova presjeka hladno oblikovanih profila koji mogu dovesti do još boljih alternativnih rješenja.

Anamarija Alagušić, Gabrijela Hrg, Marija Lokin: KARAKTERIZACIJA PONAŠANJA ČVORA ČELIČNE GEODETSKE KUPOLE, Nagrađeni studentski rad za Rektorovu nagradu 2016./2017., mentori: izv. prof. dr. sc. Davor Skejić, izv. prof. dr. sc. Domagoj Damjanović, Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, 2017. (poveznica)

          

Geodetske kupole su građevine koje svojom stabilnošću, ali i estetikom danas sve više konkuriraju drugim vrstama građevina koje su raširenije u svijetu. Od pedesetih godina prošlog stoljeća svoju primjenu nalaze u kulturnim, stambenim i sportskim objektima. Kroz godine su se postupno razvijali različiti oblici i tehnike montaže takvih vrsta kupola te čvorni spojevi kao važni dijelovi te cjeline. Kao predmet istraživanja u ovom radu odabrano je najjednostavnije rješenje čvora kupole koje je optimalno iz aspekta montaže. Taj je čvor oblikovan kao spoj na preklop sastavljen od 5 do 6 štapnih elemenata sa spljoštenim krajevima koji su savinuti i međusobno spojeni jednim vijkom. Nedostatak ovakvog oblikovanja čvora je pojava učinaka drugog reda u blizini spoja, uslijed savinutosti krajeva i ekscentriciteta sile. Posljedica toga je značajno reducirana otpornost spoja u odnosu na otpornosti pojedinačnih elemenata. S ciljem poboljšanja ujednačavanja pouzdanosti konstrukcije kupole, odnosno procjene ponašanja takvog načina spajanja, detaljno je analizirano ponašanje jednog elementa u čvoru pri vlačnom i tlačnom opterećenju. Za određivanje otpornosti spoja korištena su tri pristupa, odnosno metodologije istraživanja - analitička, eksperimentalna i numerička. U praksi se koristi pojednostavljeni teorijski interakcijski izraz za procjenu otpornosti kritičnog presjeka savinutog spljoštenog dijela cijevi. Iako je uvriježen u praksi, nedostatak ovog analitičkog pristupa je da se postojanje ekscentriciteta uzima u obzir bez uvažavanja predznaka opterećenja i položaja elementa u čvornom spoju. Izuzetno nepovoljni preliminarni analitički rezultati bili su motivacija za provedbu eksperimentalne i numeričke metodologije istraživanja. Eksperimentalnom metodom u laboratoriju je ispitano 6 uzoraka spoja cijevi, od toga 3 na vlačnu te 3 na tlačnu silu. Utvrđeno je da vlačni uzorci otkazuju pritiskom po omotaču rupe, a tlačni izbočivanjem spljoštenog dijela cijevi. Dobiveni su dijagrami sila - pomak, za dva karakteristična mjerna mjesta te dijagrami sila - pomak preše kojima je opisano ponašanje uzoraka pod djelovanjem vlačne, odnosno tlačne uzdužne sile u cijevnom elementu. Analizom rezultata uočena je velika sličnost u ponašanju uzoraka. U svrhu utvrđivanja stvarnih svojstava materijala provedena je vlačna proba na 6 standardiziranih epruveta izvađenih iz uzoraka cijevi. Numerička istraživanja su provedena koristeći programski paket ANSYS 15.0. Na temelju laboratorijskih ispitivanja kalibrirana su 2 numerička modela ovisno o smjeru opterećenja (vlak ili tlak). Budući da je u laboratoriju ispitana samo jedna geometrijska konfiguracija za vlak i tlak, druga konfiguracije spoja analizirana je s dodatna dva numerička modela ovisno o smjeru opterećenja. Na temelju rezultata dobivenih numeričkim simulacijama utvrđeno je da je za otpornost čvora mjerodavno otkazivanje tlačnog elementa izbočivanjem spljoštenog dijela cijevi i to za drugu konfiguraciju spajanja. Nakon provedenog laboratorijskog i numeričkog istraživanja, napravljena je karakterizacija ponašanja na temelju dijagrama sila - pomak. Između ostalog, time su utvrđene mjerodavne otpornosti razmatranog čvornog spoja. Tako utvrđene eksperimentalne i numeričke otpornosti pokazuju zadovoljavajuće poklapanje s analitičkim otpornostima izračunatim koristeći izmjerena geometrijska i mehanička svojstva. Na temelju provedenih analiza predloženo je novo rješenje oblikovanja čvora, spajanjem ravnih (nesavinutih) spljoštenih dijelova cijevi na posebno oblikovani čelični lim. Na taj način se anulira nepovoljni utjecaj ekscentriciteta i učinaka drugog reda. Kako bi se dokazala učinkovitost takvog rješenja, napravljeni su dodatni numerički modeli te je na temelju rezultata te analize izvršena karakterizacija njihovog ponašanja. Iako je numeričkim simulacijama potvrđeno da se predloženim oblikovanjem spoja mogu ukloniti prethodno navedeni nedostaci, potrebno je tu konfiguraciju dodatno ispitati. Kako bi se dobilo realnije ponašanje čvornog spoja, preporuka je ispitivanje provesti na stvarnom čvoru na jednom polju ili pak na stvarnoj kupoli. Na kraju je potrebno naglasiti da je ovo istraživanje prvi korak rješenju inženjerskog problema iz prakse. Dobiveni rezultati i proizašli zaključci definitivno idu u prilog brze montaže i ujednačene pouzdanosti čitavog konstrukcijskog sustava geodetskih kupola. Provedeno istraživanje je doprinos povećanju sigurnosti ovog tipa konstrukcija koje se koriste na različitim manifestacijama s velikim brojem posjetitelja.

Ivan Čudina: ODREĐIVANJE ELASTIČNOG KRITIČNOG MOMENTA NOSAČA JEDNOOSNO SIMETRIČNOG POPREČNOG PRESJEKA PRIMJENOM NUMERIČKIH SIMULACIJA, Nagrađeni studentski rad za Rektorovu nagradu 2016./2017., mentor: dr. sc. Ivan Lukačević, Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, 2017. (poveznica)

Vruće valjani U profili učestalo su korišteni kao nosači u građevinskoj praksi. Međutim u europskim normama, ali ni u drugim normama u svijetu, ne postoje normirani postupci za proračun nosača izvedenih iz U profila na bočno torzijsko izvijanje. U dostupnoj literaturi mogu se naći rezultati ispitivanja realne otpornosti nosača izvedenih iz U profila naprezanih na savijanje zajedno s predloženim proračunskim postupcima. Međutim, nigdje nije razjašnjen postupak proračuna elastičnog kritičnog momenta takvih nosača. Primjenom numeričkih parametarskih simulacija u računalnom paketu Ansys računao se elastični kritični moment nosača izvedenih iz U profila za različite uvjete oslanjanja i načine opterećivanja. Pokazano je da u određenim slučajevima može doći do određenog odstupanja elastičnog kritičnog momenta za centrično i ekscentrično opterećene nosače zbog utjecaja torzije koja se javlja prilikom ekscentričnog opterećenja. Međutim, zaključeno je da se te razlike mogu zanemariti uz uvjet da rezultanta vanjskih opterećenja prolazi kroz hrbat ekscentrično opterećenog nosača, što je gotovo uvijek i slučaj u praksi. Prema tome, dokazano je da se elastični kritični moment ekscentrično opterećenih nosača izvedenih iz U profila može računati na isti način kao u slučaju centrično opterećenih nosača sa dvoosno simetričnim poprečnim presjecima. Ovi rezultati su temeljni preduvjet za prilagodbu metode dokaza otpornosti na bočno torzijsko izvijanje za dvoosno simetrične poprečne presjeke dane europskoj normi kako bi se omogućila njena primjena na jednoosno simetrične poprečne presjeke.

Maja Milanović, Ivana Rogić, Ana Šitum: PROCJENA METODA ZA PRORAČUN POŽARNE OTPORNOSTI ČELIČNOG NOSAČA, Nagrađeni studentski rad za Rektorovu nagradu 2014./2015., mentor: doc. dr. sc. Davor Skejić, Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, 2015. (poveznica)

         

Požarno inženjerstvo, kao relativno nova znanstvena disciplina, zahtjeva ozbiljno usavršavanje s obzirom na poguban utjecaj požara na ljudske živote i imovinu. Ovaj rad izrađen je u sklopu znanstvenog istraživanja u svrhu poboljšanja metoda za proračun požarne otpornosti elemenata čeličnih konstrukcija. Prema dosadašnjem iskustvu, procjena požarne otpornosti čeličnih elemenata prema europskim normama je, uglavnom, konzervativna. S druge strane, napredne metode su izuzetno neujednačene, što je razumljivo s obzirom na činjenicu da postoji mnoštvo naprednih kompjuterskih programa, a opće znanje i unificiranost kriterija je neusklađeno. Kako bi se pojednostavljene normirane metode mogle unaprijediti potrebno ih je testirati na rezultate laboratorijskih ispitivanja. Puno je jednostavnije, i jeftinije, jednostavne metode unaprijediti korištenjem numeričkih simulacija koje moraju biti kalibrirane u odnosu na rezultate ispitivanja. U ovom radu opisan je prvi korak, te je prikazana usporedba rezultata dobivenih primjenom različitih metoda i rezultata laboratorijskih ispitivanja. Obrađene su pojednostavljene i napredne metode proračuna požarne otpornosti čeličnog nosača. Unutar pojednostavljenih (normiranih) metoda objašnjen je ručni proračun i proračun u programskom paketu Elefir-EN. Za proračun naprednom metodom odabran je sofisticirani programski paket ANSYS. Nadalje, predstavljena je međunarodna Round Robin studija u kojoj je 11 sudionika, od kojih je jedan bio i Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, neovisno provelo proračun (procjenu) požarne otpornosti čeličnog nosača na temelju jednakih ulaznih podataka. Nosač istih karakteristika ispitan je u uvjetima standardnog ISO požara u Tehničkom istraživačkom centar u Švedskoj, koji je bio inicijator Round Robin studije. Prikazana je usporedba rezultata svih sudionika studije, te je dana kompletna analiza koja je bila doprinos Sveučilišta u Zagrebu (Građevinskog fakulteta) ovom međunarodnom istraživanju. Nakon razrade i diskusije rezultata zaključeno je, suprotno očekivanju, da europske norme značajno precjenjuju požarnu otpornost ovog 'trivijalnog' problema. S druge strane, napredne metode zbog svoje složenosti i neusklađenosti razine znanja i kriterija otkazivanja, daju izuzetno neujednačene procjene. Preporučuje se daljnja istraživanja proširiti na nova laboratorijska ispitivanja iz čega će proizaći pravila za modeliranje naprednim metodama i usuglašeni kriteriji otkazivanja. Tek potom, na kalibriranim numeričkim metodama može se ostvariti poboljšanje jednostavnih metoda proračuna koje će osigurati zahtijevanu razinu pouzdanosti na europskoj razini.