Hőszigetelő anyagba ágyazott vékonyfalú acélszerkezetek viselkedése / Behaviour of heat insulation material encased thin-walled steel structures

Nyilvántartási szám: 
21/03
Témavezető neve: 
A téma rövid leírása, a kidolgozandó feladat részletezése: 
Az építőmérnöki területen bekövetkező fejlődés, valamint az építményekkel kapcsolatban állított egyre szigorodó fenntarthatósági követelmények a meglevő szerkezetek optimalizálásához, valamint újszerű építési rendszerek létrejöttéhez vezetnek. Régóta elterjedt építési mód kisebb léptékű lakóépületek, közintézmények esetén, hogy a teherhordó szerkezetet vékonyfalú acél elemekből alakítják ki, ezzel anyagtakarékos szerkezetet hozva létre. Ezen szerkezetek továbbfejlesztésének egy lehetséges iránya, amikor a teherhordó acél vázat kis testsűrűségű hőszigetelő anyagba – pl. ultrakönnyű betonba – ágyazzák. Az így létrejövő komplex szerkezet kevesebb féle felhasznált anyaggal képes kielégíteni az összetett épületszerkezeti követelményeket, tűz elleni védelmet ad, valamint megfelelő ágyazó anyag használata esetén igen alacsony energiafelhasználású (passzív) házak is építhetők.
Tartószerkezeti szempontból az ágyazó anyag jelentősen befolyásolja a tartószerkezeti funkciót betöltő acélelemek stabilitási viselkedését. Ennek vizsgálatára a Hidak és Szerkezetek Tanszéken kutatás kezdődött, melynek során kísérleti alapú, numerikus és analitikus modellek születtek, valamint korlátozott alkalmazhatósági körrel rendelkező méretezési eljárás került kifejlesztésre. Ennek a számítási eljárásnak a fejlesztése további munkát igényel, hogy gazdaságos és nagyobb építészeti szabadságot jelentő rendszer jöhessen létre.
A jelentkező feladata egy már megkezdett kutatási munka folytatása. Az elvégzendő feladatrészek a következők:
    (i) a meglevő kísérleti bázisra épülő, azt kiegészítő, az eredmények értelmezési tartományát kiterjesztő kísérletek megtervezése, elvégzése és kiértékelése szerkezeti elemek szintjén;
    (ii) nemlineáris végeselemes modell fejlesztése, validálása, ennek segítségével a kísérleti eredmények kiterjesztése;
    (iii) az új kísérleti és numerikus eredmények összevetése a meglevő méretezési eljárással, ennek továbbfejlesztése, kiegészítése az új eredmények tükrében;
    (iv) szerkezeti részletek vizsgálatára vonatkozó további kísérletek megtervezése, elvégzése, kiértékelése;
    (v) a szerkezeti elemek csomópontjainak viselkedését követő számítási eljárás kidolgozása, alkalmazhatóságának igazolása.
A kutatás eredményeképp egy méretezési eljárás kiegészítése a cél, mely a tervezői gyakorlatban közvetlenül hasznosulhat.
 
***
Developments in the field of civil engineering, as well as the increasingly stringent sustainability requirements for structures, are leading to the optimization of existing building systems and the creation of new ones. For residential buildings and public institutions it is now a common construction method to use thin-walled steel elements as the main load-bearing structure, thus creating a material-saving structure. A possible direction for the further development of these structures is when the load-bearing steel frame is encased in a low-density thermal insulation material (e.g., in ultra-lightweight concrete). The resulting complex structure is able to meet the complex building constructional requirements with fewer materials used, provides fire protection, and houses can be built with very low energy consumption (even reaching passive category) if the appropriate encasing material is used.
From the structural point of view, the encasing material significantly influences the stability behaviour of the load-bearing steel members. To investigate this, a research programme was conducted at the BME, Department of Structural Engineering, during which experimental-based, numerical and analytical models were developed, and a design procedure with a limited scope of application was proposed. The development of this calculation procedure requires further work in order to create a system that is economical and provides greater architectural freedom.
The objective is to continue a research work that has already begun. The parts of the task to be performed are as follows:
    (i) to design, carry out and evaluate experiments on structural elements, experiments should be based on and supplement the existing database, extending the interpretation range of the results;
    (ii) further increase the range of experimental results using validated advanced nonlinear finite element models;
    (iii) to compare newly obtained numerical and experimental results with the design procedure, to improve, amend the procedure;
    (iv) to design, carry out and evaluate experiments on details and joints of the structural system;
    (v) to develop and verify a calculation procedure which can adequately describe the behaviour of structural details and joints.
As a result of the research activity an improved design procedure will be established, which can be directly applied in the practical design.
 

 

A téma meghatározó irodalma: 
1. Yu, W. W., LaBoube, R. A.: Cold-formed steel design, John Wiley & Sons, 2010
2. Hegedűs, I., Kollár, L. P.: Sandwich beam theory in structural stability analysis, in Structural stability in engineering practice; Ed. Kollár, L. E&FN Spon, London, GB, 1999, pp. 187–241
3. Hegyi, P., Dunai, L.: Experimental study on ultra-lightweight-concrete encased cold-formed steel structures: Part I: Stability behaviour of elements subjected to bending; THIN-WALLED STRUCTURES 101 pp. 75-84., 10 p. (2016)
4. Hegyi, P., Dunai, L.: Experimental investigations on ultra-lightweight-concrete encased cold-formed steel structures: Part II: Stability behaviour of elements subjected to compression; THIN-WALLED STRUCTURES 101 pp. 100-108., 9 p. (2016)
5. Hegyi, P., Dunai, L.: Experimental investigation of thin-walled column-end joints encased in ultra-lightweight concrete; PERIODICA POLYTECHNICA-CIVIL ENGINEERING 61: 4 pp. 951-957., 7 p. (2017)
6. Othuman Mydin, M. A., Wang, Y. C.: Structural performance of lightweight steel-foamed concrete–steel composite walling system under compression, THIN-WALLED STRUCTURES Vol. 49 No. 1 pp. 66–76., 11 p. (2011)
7. Hassinen, P.: Evaluation of the compression strength of profiled metal sheet faces of sandwich panels, THIN-WALLED STRUCTURES Vol. 27 No. 1 pp. 31–41., 11 p. (1997)
8. Misiek, T. H., Frank, F., Ummenhofer, T. H.: Load-bearing capacity of longitudinally stiffened thin-walled sheeting on an elastic foundation provided by insulation materials, Advances in Steel and Aluminium Structures (2011)
 
A téma hazai és nemzetközi folyóiratai: 
1. Thin-Walled Structures
2. Journal of Constructional Steel Research
3. Steel and Composite Structures 
4. Periodica Polytechnica – Civil Engineering
5. MAGÉSZ Acélszerkezetek
 
A témavezető utóbbi tíz évben megjelent 5 legfontosabb publikációja: 
1. Hegyi, P., Dunai, L.: Experimental investigation of thin-walled column-end joints encased in ultra-lightweight concrete; PERIODICA POLYTECHNICA-CIVIL ENGINEERING 61: 4 pp. 951-957., 7 p. (2017)
2. Hegyi, P., Dunai, L.: Experimental study on ultra-lightweight-concrete encased cold-formed steel structures: Part I: Stability behaviour of elements subjected to bending; THIN-WALLED STRUCTURES 101 pp. 75-84., 10 p. (2016)
3. Hegyi, P., Dunai, L.: Experimental investigations on ultra-lightweight-concrete encased cold-formed steel structures: Part II: Stability behaviour of elements subjected to compression; THIN-WALLED STRUCTURES 101 pp. 100-108., 9 p. (2016)
4. Hegyi, P., Dunai, L.: Cold-formed C-sections encased in ultra-lightweight concrete: Development of a Eurocode-based design method; In: Jönsson, Jeppe (szerk.) Proceedings of the 8th European Conference on Steel and Composite Structures, Eurosteel 2017
5. Kövesdi, B., Jáger, B., Hegyi, P., Kachichian, M., Dunai, L.: Investigation of Innovative Steel-Concrete Composite and Hybrid Bridge Girders Using Corrugated Steel Web, In: Kim, Y. J., Yoshitake, I., Vimonsatit, V., He, X., Ji, Y. (szerk.) Proceedings of the BEI-2019 Bridge Engineering Institute Conference, pp. 134-138., 5 p. (2019)
 
A témavezető fenti folyóiratokban megjelent 5 közleménye: 
1. Hegyi, P., Dunai, L.: Experimental investigation of thin-walled column-end joints encased in ultra-lightweight concrete; PERIODICA POLYTECHNICA-CIVIL ENGINEERING 61: 4 pp. 951-957., 7 p. (2017)
2. Hegyi, P., Dunai, L.: Experimental study on ultra-lightweight-concrete encased cold-formed steel structures: Part I: Stability behaviour of elements subjected to bending; THIN-WALLED STRUCTURES 101 pp. 75-84., 10 p. (2016)
3. Hegyi, P., Dunai, L.: Experimental investigations on ultra-lightweight-concrete encased cold-formed steel structures: Part II: Stability behaviour of elements subjected to compression; THIN-WALLED STRUCTURES 101 pp. 100-108., 9 p. (2016)
4. Bartal, M., Hegyi, P., Apáti, J., Kövesdi, B., Vigh, L. G.: Keretszerkezetek innovatív energiaelnyelő szerkezeti kialakításának fejlesztése: Hosszbordával merevített képlékeny csukló numerikus és kísérleti vizsgálata; MAGÉSZ ACÉLSZERKEZETEK 12: 1. különszám pp. 32-40., 9 p. (2015)
5. Hegyi, P., Somodi, B.: A beton lassú alakváltozásának modellezése és öszvérszerkezetekre gyakorolt hatása; MAGÉSZ ACÉLSZERKEZETEK 9: 3 pp. 72-80., 9 p. (2012)
 
Státusz: 
elfogadott