J.U. I SREDNJA KOLADr. Husein DaniVelika Kladua

TOPALOVI KENAN IV MT

LAHKE KONSTRUKCIJE

MATURSKI RAD

Velika Kladua, april 2015.

J.U. I SREDNJA KOLA Dr. Husein Dani Velika Kladua

Predmet: OSNOVI KONSTRUISANJA

MATURSKI RAD

Tema: LAHKE KONSTRUKCIJE

Kandidat: Topalovi Kenan

U okviru maturskog rada kandidat treba detaljno obraditi sljedee segmente:

1. Uvod2. Smisao lahkih konstrukcija3. Nominalna teina elemenata4. Faktori koji utiu na teinu elemenata5. Metode izrade lahkih konstrukcija6. Zakljuak

Velika Kladua, aprila 2015.god. MENTOR: FERID JAAREVI dipl. ing. ma.1.UVOD

Svaki mainski element ima svoju teinu. Jedan od osnovnih ciljeva svake konstrukcije je da bude to laka.Teina predstavlja jedan od osnovnih faktora za ocjenu uspjenosti konstruktovnog rjeenja mainskih sistema.Pojam ,,lahke konstrukcije odnosi se na one mainske konstrukcije ija je teina znatno manja od teine uobiajenih mainskih konstrukcija.Metoda izrade lahkih konstrukcija zavisi od raznih faktora.Za izradu tih konstrukcija koriste se standardni profile koji se mogu spajati na vie naina.Ove konstrukcije imaju jaku iroku primjenu kako u mainogradnji tako i u ostalim sferama ljudskog ivota.

2.SMISAO LAHKIH KONSTRUKCIJA U savremenoj gradnji mainskih sistema,jedan od osnovnih tendencija je smanjenje sopstvene mase(teine). Teina predstavlja jedan od osnovnih faktora za ocjenu uspjenosti konstruktivnog rjeenja mainskih sistema. Pojam ,,lahke konstrukcije odnosi se na one mainske konstrukcije ija teina je znatno manja od teine uobiajenih mainskih konstrukcija. Primjena lahkih konstrukcija je dosta iroka, a naroito u novije vrijeme kada se mnogo vodi rauna o cijeni materijala i mogunosti njegove nabavke na tritu.Lahke konsturkcije se koriste u avionskoj i automobilskoj industriji, u mostogradnji, gradnji objekata, mainskoj industriji i drugo. Smanjenje teine mainske konstrukcije postie se na vie naina: Primjenom takvih oblika elemenata kod kojih je materijal, pri optereenju elemenata, u svakom presjeku elementa podjednako napregnut, Izborom odgovarajueg materijala i njegovog kvaliteta, Skraivanjem duine elemenata, Odgovarajuim rjeenjima oslanjanja elemenata i drugo.

Za lahke konstrukcije moe se uspostaviti interesantna zakonitost izmeu ugraene koliine mase materijala (teine) G i jaine materijala m koja je predstavljena na sljedeem dijagramu.

Dijagram:Zavisnost teine i jaine materijala kod lahkih konstrukcija

2.1. OSNOVNE PREDNOSTI I NEDOSTACI LAHKIH KONSTRUKCIJA

Osnovne prednosti primjene lahkih konstrukcija su:

Uteda u materijalu a time i smanjenje cijene kotanja konstrukcije, Transport lahkih konstrukcija je jeftiniji i laki, Rukovanje i odravanje lahkih konstrukcija je mnogo lake i jednostavnije od normalnih konstrukcija, Pogonski trokovi za lahke konstrukcije su manji, Upotrebom lahkih konstrukcija se omoguava poveanje korisnog optereenja (avioni,vozila), Laka je gradnja lahkih konstrukcija.

Glavni nedostatak lahkih konstrukcija je poveana cijena zbog primjene skupih materijala i posebnih elemenata i sklopova koji zahtjevaju sloene tehnoloke postupke za njihovu izradu. Smanjenje teine kod lahkih konstrukcija je optimalno samo do odreene granice a koja zavisi od funkcije koju obavlja data konstrukcija.Jedan od specifinih primjera rjeavanja i dobivanja lahkih konstrukcija su prostorni reetkasti sistemi, koji se dobivaju spajanjem tapova u voritima pomou odgovarajuih spojnica. tapovi mogu biti razliitog presjeka i izraeni od razliitog materijala.

3.NOMINALNA TEINA ELEMENATA

Svaki elemenat ima svoju teinu. Odreivanje teine mogue je na osnovu izraza koji uzimaju u obzir dimenzije elemenata i specifinu teinu materijala elemenata.Tako ako se posmatra elemenat u obliku grede, koja je nepromjenljivog poprenog presjeka, njegova teina se moe odrediti pomou izraza:

Gn = A L [ N ]

gdje je: A [ m2 ] povrina poprenog presjeka grede, L [ m ] duina grede, [ N/m3 ] specifina teina materijala grede.

Na ovaj nain se proraunava nominalna teina, koja se razlikuje od stvarne teine. Razlika se ogleda u tome to se rijetko susreu elementi koji imaju oblik grede nepromjenljivog presjeka. Ova razlika se ne uzima u obzir kod razmatranja smanjenja teine elemenata, ve je dovoljno uzeti u obzir nominalnu teinu elementa. Ako se u prethodni obrazac uvedu faktori koji utiu na teinu elementa ( sistem oslanjanja, osobine oblika grede, osobine materijala i dr.),onda se dobiva transformimran obrazac za nominalnu teinu koji izgleda:

Gn = K1 K2 K3

gdje je: K1 - faktor opih uvjeta koji zavisi od sistema oslanjanja, optereenja, raspona oslonaca i od predvienih dimenzija, K2 - faktor profila, koji zavisi od geometrijskih osobina presjeka elementa (A, W, W0, I, I0), K3 - faktor materijala, kojim se daju odreene mehanike i fizike osobine materijala.

Na ovaj nain mogue je analizirati pojedinano svaki utjecaj na tainu elementa.Fakotri K zavise od usvojenog kruterijuma i od vrste materijala.Na osnovu naprezanja, a prema usvojenim kriterijuma, vri se proraun nominalnih teina elemenata, koje slue za konstruisanje elemenata lahkih konstrukcija.

4.FAKTORI KOJI UTIU NA TEINU ELEMENTA 4.1.UTICAJ OPIH UVJETA

Ako se posmatra izraz za nominalnu teinu elemenata, faktor K1 u tom izrazu predstavlja factor opih uvjeta. Ovaj faktor, bez obzira na vrstu naprezanja I na kriterijum proraunavanja zavisi od sile F. Smanjenjem sile F smanjuje se faktor K1 a time i teina grede. Za smanjenje sile postoje razliite mogunosti: Smanjivanjem teine grede koja se javlja kao aktivno optereenje, Smanjivanjem mase pokretnih dijelova mehanizma radi smanjenja inercijalnih sila F=ma, gdje je m-masa, a-ubrzanje, Smanjivanjem otpora trenja(F = Fn , gdje je Fn normalna sila , - koeficijent trenja) , Poveanjem ugaone brzine, odnosno broja obrtaja, elemenata za prenos snage , jer se na taj nain smanjuje obimna , time radijalna i aksijalna sila (ako postoji).

Duina grede, odnosno raspon izmeu oslonaca,takoer neposredno utie na teinu gred. Smanjivanje ove veliine se moe vriti maksimano sve do odrene realne granice. Meutim, smanjenje rastojanja se moe ostvariti uvoenjem novih oslonaca, primjenom elemenata manje zapremnine i dr. Smanjenje teine elemenata se moe izvriti I pomou primjene raznih vrsta sistema oslanjanja elemenata.

4.2.IZBOR PROFILA Osnovni uvjeti za izbor profila elemenata za lahke konstrkcije je optimalna teina. Osim ovoga uvjeta postoje i drugi uvjeti o kojima se mora voditi rauna pri izboru oblika profila. To su : cijena i mogunost nabavke, pogodnost profila za sklapanje sa drugim profilima za izradu i obradu , pogodnost profila za obavljanje odreene funkcije , prilagoenost profila naponskom stanju, usklaenost sa standardima i dr. Osim navdenih opih uvjeta postoje i posebni uvjeti,kao to su : veliina spoljane povrine ( zbog eventualne zatite od korozije ) , pogodnost profila za slaganje i pakovanje i pogodnost za transport. Ako se posmatra izraz za odreivanje nominalne teine tapa ( grede ) konstrukcije, moe se primjetiti da u njemu postoji faktor profila K2. Analiziranjem ovog faktora za razne vrste optereenja i drugih uvjeta moe se izvriti optimalan izbor profila za lahk ekonstrukcije. Prema svim do sada navedenim vrijednostima za faktor K2 se moe zakljuiti da je za profil koji je izloen zatezanju ili pritiskivanju uvijek K2 = 1. To znai da je nominalna teina takvih profila

Gn = K1 K2 K3 = K1 K3 .

Ovo znai da kod zatezanja i pritiskivanja oblik profila nema uticaja na teinu elemenata. Naponi na zatezanje su ravnomjerno rasporeeni po presjeku, osim u sluajevima kada je elemenat izloen koncentraciji napona. Kod lahkih konstrukcija je potrebno izbjegavati oblike kod kojih postoje izvori koncentracije napona. S obzirom da oblik profila pri zatezanju i pritiskivanju nema uticaja na teinu i izbor profila, to se kod ovako optereenih lahkih konstrukcija treba posvetiti vaa panja ostalim uvjetima za izbor racionalnog oblika profila.

4.3.IZBOR MATERIJALA

Vaan faktor koji utie na teinu elementa je vrsta i kvalitet materijala koji se upotrebljava za izradu tog elementa. Prema izrazu za nominalnu teinu, pomou faktora materijala K3 se uzimaju u obzir fizike i mehanike osobine materijala. Ove osobine utiu na teinu razliito, u zavisnosti od vrste optereenja.

4.4.PROSTORNI OBLIK I NAPONSKO STANJE

Osim optimalnog izbora pogodnog profila ( poprenog presjeka ) elemenata i materijala elemenata, na teinu elemenata se moe znatno uticati i izborom pogodnog prostornog ( geometrijskog ) oblika elemenata. Najjednostavnije objanjenje uticaja geometrijskih oblika na teinu elemenata moe se objasniti pomou ukljetenog nosaa ( konzole ) i grede na dva oslonca. Na slici 4.1. su prikazane dvije grede ( nosai ), koje su optereene silom F sa prikazanim dijagramom momenta savijanja. Ako bi se dimenzionisanje greda izvrilo samo prema maksimalnom momentu savijanja Msmax na cijeloj duini L , tada bi se po itavoj duini dobio nepromijenjen presjek ( rjeenje a ). Oigledno je da materijal nosaa nije adekvatno potpuno iskoriten u podruju malih momenata savijanja. Oduzimanjem materijala na nosau u podrujima malih momenata savijanja, do prihvatljivog iznosa sa stanovita konstrukcije, dobivaju se prostorni oblici nosaa ( rjeenje b ), koji imaju dosta manju teinu. Ako bi se vrilo dimenzionisanje nosaa prema uvjetu das u naponi u svakom presjeku jednaki onda bi se dobili idealni prostorni oblici, koje je teko izraditi zbog potrebe specijalnih postupaka izrade i poveanja trokova izrade.

Slika 4.1. Elementi izloeni savijanju

S obzirom da je prostorni oblik veoma znaajan sa stanovita teine materijala, u ovom podruju se vre stalna ispitivanja uz upotrebu najsavremenijih metoda. U priloenoj tabeli je dat poznati Klotov pregled masa jednostrano ukljetenih nosaa razliitih prostornih oblika I poprenih presjeka, izloenih savijanju silom F=1000 N, pri duini nosaa L=1000 mm i naponom savijanja na mjesta ukljetennja s=10 N/mm2. Teina se moe znatno smanjiti ako se u poljima manjih napona, u okolini neutralne ose, urade odreene veliine otvora,primjeri nosaa 6 i 8 iz tabele.

Tabela 4.1. Klotov pregled masa

Pri konstruisanju lahkih konstrukcija ima i drugih naina da se pr smanjenoj teini elemenata poveaju nosivost i krutost konstrukcija izloenih savijanju ili uvijanju. Neke karakteristine mogunosti su : Prilagoavanje geometrijskog oblika optereenja Primjena konstrukcija izvedenih od tankih limova Primjenom reetkastih konstrukcija sa tapovima izloenim zatezanju ili pritiskivanju Primjenom presovanih sklopova umjesto sklopova sa klinovima Primjenom elemenata izloenih prethodnom naponu Izbjegavanjem elemenata sa jakim izvorom koncentracije napona Primjenom tanjih i finije obraenih elemenata, kod kojih je vea izdrljivost i dr.

Slika 4.2.Elementi od lima

4.5.EKONOMISANJE MATERIJALOM

Izbor materijala za izradu elemenata lahkih konstrukcija se vri prvenstveno na osnovu namjene i funkcije konstrukcije. Meutim, sa stanovita ekonominosti, gdje se trai minimalna cijena izrade konstrukcije, veoma je vano voditi rauna o svim faktorima koji utiu na smanjenje cijene. Jedan od faktora je i ekonomisanje materijalom, koje u sebi sadre sljedee odredbe:

1. Izbjegavati materijale koji se teko nabavljaju. Uvozne materijale zamjeniti domaim.2. Izbjegavati skup materijal i po mogunosti ga zamjeniti jeftinijim. Odnos cijena materijala je sljedei: najskuplje su legure lahkih metala, neto su jeftiniji legirani elici,a jo jeftiniji elici negarantovanog sastava. Najniu cijenu ima elini i sivi liv.3. Skuplji material zamjeniti jeftinijim, tako to e se elementi izraivati od dva ili vie dijelova. Primjer ovakvog naina prikazan je na slici 4.3. kod izrade pua i punog zupanika. Tako je umjesto varijante a), kada je vratilo izraeno zajedno sa puem, bolja varijanta b), kada je vratilo izraeno od elika slabijeg kvaliteta a pu od elika boljeg kvaliteta. Ili kod punog toka c), kada je glavina izraena npr. od elinog liva a puni zupanik od kalajne bronze.

Slika 4.3. Koritenje dvije vrste materijala za izradu elemenata

4. Potrebno je koristiti istaknute osobine materijala. Tako sivi liv ima visoku pritisnu a malu zateznu vrstou. Konstrukcija elemenata od sivog liva, se zbog toga, i izvodi tako das u elementi u radu izloeni pritisku a ne zatezanju.5. Otpadak materijala svesti na minimalnu mjeru. To se postie primjenom tehnologije zavarinja umjesto tehnologije livenja kad je to god mogue, ili definisanje minimalne irine trake kod porsjecanja pri optimalnom rasporedu prosjecanja.6. Pri konstruisanju koristiti sve potrebne standard, eme se omoguuje racionalna proizvodnja.

5.METODE IZRADE LAHKIH KONSTURKCIJA

Metode izrade lahkih konstrukcija zavise od raznih fakotra: koji material se koristi, koji se oblik zahtjeva, broja komada koji se izrauju, veliine konstrukcije, namjene itd. Za izradu lahkih konstrukcija koriste se standardni profile, zatim oblici I profile koji se formiraju presovanjem, valjanjem, prosijecanjem, izvlaenjem i savijanjem. Navedeni profili se spajaju raznim nainima i postupcima, to zavisi od vrste i namjene konstrukcije i vrste materijala elemenata. Za spajanje metala se najvie koristi zavarivanje. Da bi se ovaj postupak izveo kvalitetno i obezbjedila sigurnost spojeva, prethodno se mora izvriti kvalitetna priprema spojeva za zavarivanje. Ovako zavarene konstrukcije se podvrgavaju povrinskoj obradi i zatiti. Proces zakivanja se primjenjuje za izradu konstrukcija od tankih limova i u uvjetima veih zahtjeva za dinamikom vrstoom spojeva, kao u avionskoj industriji. Takoer, zaspajanje profila od tankog lima se esto upotrebljava i takasto zavarivanje. Poreenjem metode zavarivanja i zakivanja konsturkcija, moe se rei da se zavarivanjem dobijaju lake konstrukcije. Na slici 5.1. su prikazani neki oblici spajanja profila zavarivanjem i zakivanjem.

Slika 5.1. Elementi izraeni zakivanjem i zavarivanjem

Jedna od specifinih metoda izrade lahkih konstrukcija je izrada porstornih reetkastih sistema ( konstrikcija ). Ove konstrukcije se upotrebljavaju u motogradnji, mainogradnji za izradu raznih noseih konstrukcija, za izradu raznih konstrukcija dizalica, fabrikih i drugih hala itd. Prostorni reetkasti sistemi, slika 5.2., se rade od profila raznih oblika, koji se spajaju u reetkaste pomou spojnica raznih izvedbi. Primjer spojnice dat je na slici 5.3.

Slika 5.2. Prostorna reetkasta konstrukcija

Oblast primjena raznih konstrukcionih rjeenja u cilju dobivanja lahkih konstrukcija je dosta iroka. Raznim kontrukcionim rjeenjima se moe dobiti manja teina konstrukcije a da pri tome ne doe do ugroenosti osnovne namjene konstrukcije.

Slika 5.3. Spojnica za reetkaste konstrukcije

Na slici 5.4. dat je primjer konstruktivnog rjeenja gdje je varijanta c) laka od varijante a) za 30%.

Slika 5.4.Smanjene teine elemenata razliitimkonstrukcionim rjeenjima

6.ZAKLJUAK

U ovom maturskom smo govorili o lahkim konstrukcijama openito, o njihovoj namjeni, primjeni i nainima spajanja. Pojam ,,lahke konstrukcije odnosi se na one mainske konstrukcije ija teina je znatno manja od teine uobiajenih mainskih konstrukcija. Takoer, govorili smo i o tome kako smanjitit njihovu sopstvenu teinu, to je jedan od glavnih problema tehnologa dananjice, tj. da se samnji teina a da funkcija konstrukcije ostane nepromijenjena. Nakon brojnih i opirnih ispitivanja danas postoji mnogo naina kako izraivati i od kojih materijala lahke konstrukcije, kako ih spajati itd. Materijal od kojeg su graeni dijelovi i njihova cijena igraju znatnu ulogu u samom odabiru i gradnji tih konstrukcija.

LITERATURA

Nedad Repi, Alija Zuko, Mirsad oli, Zahid Pita - ,,Osnovi konstruisanja http://www.sfsb.unios.hr/kth/zavar/tocka3/t31/lake_kon.html

SADRAJ

1.UVOD32.SMISAO LAHKIH KONSTRUKCIJA42.1. OSNOVNE PREDNOSTI I NEDOSTACI LAHKIH KONSTRUKCIJA63.NOMINALNA TEINA ELEMENATA74.FAKTORI KOJI UTIU NA TEINU ELEMENTA84.1.UTICAJ OPIH UVJETA84.2.IZBOR PROFILA94.3.IZBOR MATERIJALA104.4.PROSTORNI OBLIK I NAPONSKO STANJE104.5.EKONOMISANJE MATERIJALOM135.METODE IZRADE LAHKIH KONSTURKCIJA146.ZAKLJUAK17LITERATURA18

18