Komputerowe wspomaganie nauczania przedmiotu Konstrukcje metalowe

Transkrypt

1 PAWLUŚ Doroa 1 PIĘCIORAK Edya 2 Kompuerowe wspomaganie nauzania przedmiou Konsrukje mealowe WSTĘP W dobie szybkiego rozwoju ehniki, auomayzaji żyia oraz zdobyzy ehnologii informayznej i Inerneu kompuer jes podsawowym narzędziem pray w wielu obszarah żyia. Edukaja na poziomie szkolniwa wyższego o dziedzina, w kórej wykorzysanie kompuerów do elów wspomagania proesu nauzania jes nie ylko dość popularne, ale wręz bezwzględnie porzebne. Konsrukje mealowe są powszehnie sosowane w różnyh gałęziah gospodarki, a przede wszyskim w budowniwie. W programah sudiów wielu kierunków kszałenia znajduje się przedmio Konsrukje mealowe, na kórym sudeni zdobywają umiejęność projekowania konsrukji. Projekowanie dzisiaj wspierane jes programami kompuerowymi, kóryh elem jes między innymi usprawnienie, przyspieszenie i uławienie pray projekanom. W arykule przedsawiono możliwośi płynąe z zasosowania programów kompuerowyh w nauzaniu przedmiou Konsrukje mealowe. Ponado zaproponowano własną aplikaję inerneową, kóra ma uławić sudenom wykonywanie porzebnyh oblizeń oraz zapoznać ih z poszzególnymi proedurami normowymi związanymi z projekowaniem salowyh konsrukji inżynierskih. 1 INFORMATYKA W DYDAKTYCE PRZEDMIOTU KONSTRUKCJE METALOWE 1.1 Formy kompuerowego wspomagania nauzania przedmiou Zasosowanie ehnologii informayznej w dydakye przedmiou Konsrukje mealowe może odbywać się poprzez: wspomaganie kompuerem samego proesu edukayjnego (prezenaje mulimedialne, filmy edukayjne, maeriały dydakyzne w formie elekroniznej, elekronizna forma przekazu wykonywanyh ćwizeń, elekronizna forma sprawdzania wiedzy, zasoby inerneowe), korzysanie z goowyh profesjonalnyh programów, worzenie własnyh aplikaji na porzeby nauzania. Do najzęśiej wykorzysywanyh w projekowaniu konsrukji mealowyh goowyh profesjonalnyh programów kompuerowyh można zalizyć między innymi: programy maemayzne umożliwiająe dokonywanie zaawansowanyh oblizeń inżynierskih, akie jak Mahad [9], Mirosof Exel [10]. Pozwalają one worzyć profesjonalne dokumeny ehnizne zawierająe wzory, wykresy, zesawienia abelaryzne. Posługują się nimi sudeni na wszyskih rzeh sopniah sudiów, programy przeznazone do worzenia i analizy nieskomplikowanyh konsrukji inżynierskih, akie jak RM-WIN [14], Rama3D [13], Soldis [16]. Są one przeważnie sosowane przez sudenów I sopnia w poząkowej fazie nauzania przedmiou, ze względu na ławość i szybkość opanowania obsługi programu. Korzysanie na ym eapie kszałenia z bardziej zaawansowanyh programów jes urudnione z uwagi na niepełną jeszze wiedzę inżynierską, 1 AGH w Krakowie, Wydział Górniwa i Geoinżynierii, Kaedra Geomehaniki, Budowniwa i Geoehniki; Kraków; al. A. Mikiewiza 30. Tel: , dpawlus@agh.edu.pl 2 AGH w Krakowie, Wydział Górniwa i Geoinżynierii, Kaedra Geomehaniki, Budowniwa i Geoehniki; Kraków; al. A. Mikiewiza 30. Tel: , epie@agh.edu.pl 8504

2 programy służe do modelowania, analizy i wymiarowania konsrukji inżynierskih, akie jak Robo Sruural Analysis [15], Advane Design [8]. Ze względu na swoją złożoność wykorzysywane są one zazwyzaj po osiągnięiu odpowiedniego poziomu wiedzy inżynierskiej oraz opanowaniu obsługi samego programu. Korzysają z nih w szzególnośi sudeni II sopnia zarówno w ramah ćwizeń projekowyh jak i pra dyplomowyh oraz sudeni końząy I sopień w ramah pra inżynierskih, programy przeznazone do symulaji skomplikowanyh zagadnień inżynierskih przy pomoy MES, akie jak Ansys [3], Abaqus [6], Mar [12], Adina [2]. Sięgają po nie najzęśiej sudenidyplomani i dokorani szukająy nieypowyh rozwiązań dla różnorodnyh problemów z zakresu budowniwa, programy do modelowania i worzenia dokumenaji rysunkowej konsrukji inżynierskih, akie jak Auoad [4], Brisad [7], Advane Seel [8], Revi Sruure [4]. Służą one sudenom wszyskih rzeh sopni sudiów, programy do koszorysowania robó inżynierskih, akie jak Zuzia [17], Norma PRO [5]. Powyższe programy mogą być wykorzysywane przez sudenów na różnyh eapah projekowania konsrukji mealowyh, kóryh shema powsawania można zaprezenować nasępująą: eap kszałowania konsrukji związany z określeniem kszału, wymiarów oraz rodzajów zasosowanyh maeriałów [4, 7, 10], eap zesawienia obiążeń działająyh na konsrukję w elu wyznazenia siły wewnęrznyh w poszzególnyh elemenah konsrukji oraz jej połązeniah [13, 14, 16, 15, 8], eap wymiarowania konsrukji polegająy ogólnie ujmują na sprawdzeniu zy nośność elemenu jes większa niż siła działająa na dany elemen (sprawdzenie sanu SGN) oraz zy przemieszzenia elemenu są mniejsze niż dopuszzalne (sprawdzenie sanu SGU) [15, 8, 9], eap końząy proes wykonywania projeku związany jes z worzeniem dokumenaji ehniznej, rysunków konsrukyjnyh i wykonawzyh, zesawień maeriałów [4, 7, 8, 4, 10]. Powsawanie projeku konsrukji salowyh wymaga od sudenów dokładnośi, zaangażowania i poświęenia odpowiedniej ilośi zasu. Bardzo isone saje się przy ym przygoowanie prawidłowyh oblizeń podzas wymiarowania konsrukji. Korzysanie z goowyh rozwiązań w posai programów kompuerowyh przysosowanyh do analizy konsrukji oraz jej wymiarowania niesie za sobą wiele korzyśi, ale i niebezpiezeńsw. Największa ih zalea o szybki wynik w posai zwymiarowanej konsrukji uzyskany małym nakładem pray poząkowej. Aby mó jednak korzysać z yh udogodnień suden powinien przede wszyskim posiadać odpowiednią wiedzę inżynierską oraz w sposób dogłębny poznać działanie samego programu. Isona jes również odpowiednia inerpreaja i konrola uzyskanyh wyników oraz świadomość że program jes ylko narzędziem w ih rękah i nie należy mu bezgraniznie wierzyć. Zanim jednak suden posiądzie wszyskie e umiejęnośi, konieznym jes, aby poznał odpowiednie oblizeniowe proedury normowe projekowania konsrukji. W Polse podobnie jak w innyh krajah Unii Europejskiej wprowadzone zosały normy europejskie zw. Eurokody, kóre są zbiorem ujednolionyh reguł projekowania konsrukji budowlanyh. W rakie zajęć z przedmiou Konsrukje mealowe suden zosaje zapoznany z odpowiednimi normami oraz sposobami ih wykorzysania podzas kolejnyh eapów projekowania. Lizba norm, ih obszerność oraz znazna lizba proedur związana z ih zasosowaniem powoduje wydłużenie proesu projekowania w sosunku do projekowania kompuerowego. Ponado wraz ze wzrosem praohłonnośi oblizeń wzrasa prawdopodobieńswo popełnienia błędów. W związku z powyższym, z jednej srony, aby nie zniehęić sudena do projekowania, a z drugiej, aby przekazać mu koniezna wiedzę uzasadnianym saje się worzenie na porzeby dydakyki własnyh, nieskomplikowanyh aplikaji oblizeń normowyh. Mają one na elu skróić zas wykonywania danego zagadnienia, zapoznać użykownika z okiem oblizeń, usprawnić i wyjaśnić jego przebieg dają na końu nayhmiasowy wynik. 8505

3 1.2 Przykład oblizeń normowyh Wyznazanie klasy przekroju jes jedną z wielu proedur normy [1] kórą należy wykonać podzas eapu wymiarowania konsrukji salowyh. Klasyfikaja przekroju jes uzależniona od sosunku szerokośi do grubośi jego zęśi poddanyh śiskaniu (zęśi wewnęrznej zwanej środnikiem i zęśi wspornikowej zwanej pasem). Poniżej przedsawiono przykładowe oblizenia doyząe wyznazenia klasy przekroju kszałownika HEA 260 ze sali gaunku S355, poddanego zginaniu względem osi y-y. W dalszej zęśi pray przykład en zosanie wykorzysany do wyznazenia klasy przekroju za pomoą własnej aplikaji. Rys. 1. Przekrój dwueownika HEA 260 Dane Wymiary kszałownika HEA 260 przedsawionego na rysunku 1: h = 250 mm b f = 260 mm f = 12,5 mm w = 7,5 mm r = 24 mm Grania plasyznośi sali dla gaunku sali S355 (z kórej wykonano kszałownik) odzyano z abliy 3.1 normy [1]. Wynosi ona: N max f 12,5mm 40mm f y mm gdzie: f y warość graniy plasyznośi Aby wyznazyć klasę przekroju ałego kszałownika, należy osobno wylizyć klasę przekroju środnika oraz klasę przekroju pasa kszałownika. Wyznazenie klasy przekroju środnika kszałownika HEA 260 Oblizenie szerokośi śianki wewnęrznej (parz rys. 1): h 2 f 2 r 250mm 2 12,5mm 2 24mm 177mm (1) Oblizenie smukłośi śianki wewnęrznej /: w 177mm 23,6 7,5mm (2) 8506

4 Oblizenie współzynnika ε: 235 f y ,81 (3) Oblizenie smukłośi graniznej śianki wewnęrznej klasy 1 poddanej zginaniu: ,81 58,32 (4) Porównanie zgodnie z ablią 5.2 normy [1] smukłośi śianki wewnęrznej / wyznazonej we wzorze (2) ze smukłośią granizną dla śianki wewnęrznej klasy 1 poddanej zginaniu wyznazoną we wzorze (4): 23, ,32 (5) Na podsawie nierównośi (5) i abliy 5.2 normy [1] środnik kszałownika HEA 260 spełnia warunek klasy 1. Wyznazenie klasy przekroju pasa kszałownika HEA 260 Oblizenie szerokośi śianki wspornikowej : b f w 2 r 260mm 7,5mm 2 24mm 102,25mm 2 2 Oblizenie smukłośi śianki wspornikowej /: f 102,25mm 8,18 12,5mm (6) (7) Oblizenie smukłośi graniznej śianki wspornikowej klasy 1 poddanej śiskaniu: 9 9 0,81 7,29 (8) Porównanie zgodnie z ablią 5.2 normy [1] smukłośi śianki wspornikowej / wyznazonej we wzorze (7) ze smukłośią granizną dla śianki wspornikowej klasy 1 poddanej śiskaniu wyznazoną we wzorze (8): 8,18 9 7,29 (9) Na podsawie nierównośi (9) i abliy 5.2 normy [1] pas kszałownika HEA 260 nie spełnia warunku klasy 1. Oblizenie smukłośi graniznej śianki wspornikowej klasy 2 poddanej śiskaniu: ,81 8,10 (10) 8507

5 Porównanie zgodnie z ablią 5.2 normy [1] smukłośi śianki wspornikowej / wyznazonej we wzorze (7) ze smukłośią granizną dla śianki wspornikowej klasy 2 poddanej śiskaniu wyznazoną we wzorze (10): 8, ,10 (11) Na podsawie nierównośi (11) i abliy 5.2 normy [1] pas kszałownika HEA 260 nie spełnia warunku klasy 2. Oblizenie smukłośi graniznej śianki wspornikowej klasy 3 poddanej śiskaniu: ,81 11,34 (12) Porównanie zgodnie z ablią 5.2 normy [1] smukłośi śianki wspornikowej / wyznazonej we wzorze (7) ze smukłośią granizną dla śianki wspornikowej klasy 3 poddanej śiskaniu wyznazoną we wzorze (12): 8, ,34 (13) Na podsawie nierównośi (13) i abliy 5.2 normy [1] pas kszałownika HEA 260 spełnia warunek klasy 3. Wyznazenie klasy ałego przekroju kszałownika HEA 260 Zgodnie z punkem 5.5.2(6) normy [1] przekrój jes klasyfikowany wedle najwyższej (najmniej korzysnej) klasy pasa i środnika. Na podsawie nierównośi (5) środnik jes klasy 1, a na podsawie nierównośi (13) pas jes klasy 3. Cały kszałownika HEA 260 jes wię klasy 3. 2 KONCEPCJA APLIKACJI WSPOMAGAJACEJ WYKONYWANIE OBLICZEŃ NORMOWYCH W RAMACH PRZEDMIOTU KONSTRUKCJE METALOWE Aplikaja ma na elu uławienie sudenom wykonywania oblizeń normowyh porzebnyh do realizaji projeku z przedmiou Konsrukje mealowe. Zadaniem jej jes akże zapoznanie sudenów z poszzególnymi proedurami normowymi związanymi z projekowaniem konsrukji salowyh. W związku z ym spełnione muszą być nasępująe wymagania: program ma być ławo dosępny dla użykownika niezależnie od miejsa jego przebywania, inerfejs aplikaji musi być przyjazny dla użykownika, oblizenia w programie prowadzone są krok po kroku według proedur zawaryh w normie [1], ak by użykownik mógł się z nimi zapoznać, pokazane są wykorzysywane w oblizeniah wzory, aby użykownik wiedział jak uzyskano poszzególne wyniki, przy oblizeniah powinny znajdować się odnośniki informująe o numerze użyego z normy [1] wzoru, a akże objaśnienia doyząe wykonywanyh oblizeń, należy w miarę możliwośi weryfikować dane wprowadzane przez użykownika, aby zminimalizować prawdopodobieńswo popełnienia błędu przy ih wpisywaniu. Aby zapewnić ławy dosęp do programu zdeydowano, że będzie miał on posać aplikaji inerneowej (web) komunikująej się z użykownikiem za pomoą przeglądarki inerneowej. Dzięki emu nie rzeba go insalować, nie jes on akże zależny od sysemu operayjnego kompuera na kórym będzie działał. Ponado akualizaja aplikaji jes przeprowadzana przez jej adminisraora i nie wymaga działań ze srony użykownika. 8508

6 Program składa się z kilku modułów odpowiadająyh poszzególnym oblizeniom wykonywanym podzas projekowania konsrukji salowyh. Do oblizeń yh należą między innymi: wyznazanie klasy przekroju, sprawdzenie warunku nośnośi przekroju przy roziąganiu, sprawdzenie warunku nośnośi przekroju przy śiskaniu, sprawdzenie warunku nośnośi przekroju przy zginaniu, sprawdzenie warunku nośnośi przekroju przy zginaniu ze zwihrzeniem, sprawdzenie warunku nośnośi przekroju przy śinaniu, sprawdzenie warunku nośnośi przekroju przy skręaniu, sprawdzenie warunku nośnośi przekroju przy zginaniu ze śinaniem, sprawdzenie warunku nośnośi przekroju przy zginaniu z siłą podłużną, sprawdzenie warunku nośnośi przekroju przy zginaniu ze śinaniem i siła podłużną, sprawdzenie warunku nośnośi elemenu ze względu na wybozenie, sprawdzenie warunku nośnośi elemenów śiskanyh i zginanyh, sprawdzenie warunku nośnośi elemenów śiskanyh i zginanyh, wyznazanie siły kryyznej przy sprężysym wybozeniu gięnym, gięno-skręnym i skręnym, wyznazanie momenu kryyznego przy zwihrzeniu sprężysym, uproszzona oena zwihrzenia belek, sprawdzenie warunku ugięia belki. Do realizaji wymienionyh wyżej oblizeń posłużą nasępująe moduły: 1. Wyznazanie klasy przekroju. 2. Sprawdzenie sanu graniznego nośnośi. 3. Sprawdzenie sanu graniznego użykowania. 4. Wyznazanie siły kryyznej przy sprężysym wybozeniu gięnym, gięno skręnym i skręnym. 5. Wyznazanie momenu kryyznego przy zwihrzeniu sprężysym. 6. Uproszzona oena zwihrzenia belek. 7. Inne. Lisa modułów nie jes zamknięa. Aplikaję zaprojekowano ak, by można ją było ławo rozbudowywać dodają kolejne moduły. Obenie wykonano moduł służąy do wyznazania klasy przekroju profilu salowego. W przyszłośi planowane jes uworzenie wszyskih wymieniowyh wyżej modułów. Niekóre z nih zosaną wykonanyh przez sudenów w ramah projeków inżynierskih. Oprogramowanie zosało napisane w językah php i hml przy wykorzysaniu środowiska Mirosof Experssion Web [11]. 2.1 Opis działania programu Jak już wześniej napisano aplikaja będzie dosępna dla użykowników poprzez przeglądarkę inerneową. Nie wymaga insalaji ani korzysania z żadnyh innyh programów. Po zalogowaniu do sysemu użykownik wybiera rodzaj oblizeń, kóre he wykonać. Uruhamiany jes właśiwy moduł i użykownik może przeprowadzać odpowiednie oblizenia korzysają z form ekranowyh. Poniżej przedsawiono działanie modułu służąego do wyznazania klasy przekroju. Zaprezenowane oblizenia doyzą opisanego w poprzednim rozdziale dwueownika gorąowalowanego poddanego zginaniu względem osi y-y. 1. Użykownik wybiera opję Wyznazanie klasy przekroju z okna zawierająego spis wszyskih dosępnyh oblizeń (rys. 2). 8509

7 Rys. 2. Okno wyboru rodzaju oblizeń 2. Zosaje wyświelone okno (rys. 3) umożliwiająe wybór konkrenego profilu salowego. Elemeny zosały pogrupowane w zależnośi od ih rodzaju i przedsawione przy pomoy rysunków, aby uławić użykownikowi idenyfikaję konkrenego profilu. Po wybraniu obieku można konynuować działanie wiskają przyisk wybierają przyisk., lub wróić do srony głównej aplikaji Rys. 3. Okno umożliwiająe wybór profilu salowego 3. Kolejne okno (rys. 4) umożliwia wprowadzenie danyh doyząyh dwueownika. Należy wpisać wymiary kszałownika zgodnie z oznazeniami podanymi na rysunku, podać warość graniy plasyznośi sali dla danego przypadku oraz wybrać rozkłady naprężeń w przekroju środnika i pasa. W oknie znajduje się informaja z jakiej abeli i normy należy skorzysać przy określeniu warośi graniy plasyznośi sali. Aby przejść do okna z oblizeniami należy zawierdzić wprowadzone dane przyiskiem. Aby ofnąć się do poprzedniego okna należy naisnąć. Jeżeli użykownik wpisze błędne warośi lub nie wpisze wszyskih danyh 8510

8 porzebnyh do oblizeń pojawia się komunika informująy o błędzie i konieznośi uzupełnienia lub ponownego ih wprowadzenia. Rys. 4. Okno umożliwiająe wprowadzenie danyh do oblizeń związanyh z wyznazaniem klasy przekroju dwueownika gorąowalowanego 4. Nasępnie wyświelane są kolejno okna prezenująe oblizania związane z wyznazaniem klasy przekroju środnika dwueownika (rys. 5), pasa dwueownika (rys. 6) i osaeznie ałego dwueownika (rys. 7). W oknah pokazane są wzory wykorzysane do oblizeń oraz odnośnik do normy, na podsawie kórej wykonano oblizenia i klasyfikaje. Między oknami można przehodzić za pomoą przyisków i. Rys. 5. Okno ukazująe oblizenia oraz przyporządkowanie do odpowiedniej klasy środnika dwueownika 8511

9 Rys. 6. Okno ukazująe oblizenia oraz przyporządkowanie do odpowiedniej klasy pasa dwueownika Rys. 7. Okno ukazująe przyporządkowanie do odpowiedniej klasy ałego dwueownika Formy ekranowe doyząe wyznazenie klas przekrojów innyh profili salowyh pokazanyh na rysunku 2 zosały zaprojekowane analogizne jak dla dwueownika gorąowalowanego z uwzględnieniem odpowiednih proedur zawaryh w normie [1]. WNIOSKI Wykorzysanie przedsawionego w arykule oprogramowania w dydakye przedmiou Konsrukje mealowe niewąpliwie uławia zarówno prowadząemu jak i słuhazowi proes kszałenia, wpływają o jes isone, na jego efekywność. Aplikaja usprawnia przebieg oblizeń inżynierskih, dzięki zemu sają się one prossze i bardziej zyelne dla odbiory, a zas ih wykonywania znaznie się skraa. Opróz ego zapoznaje ona użykownika z okiem oblizeń doyząyh danego zagadnienia. Ponado program może być używany zarówno przez wykładowę jak i sudena do konroli poprawnośi uzyskanyh analiyznie oblizeń (kolokwium, egzamin, ćwizenia projekowe, ćwizenia laboraoryjne). Przygoowuje również sudena do korzysania z bardziej zaawansowanyh programów w późniejszym eapie kszałenia. Co więej po ukońzeniu kursu Konsrukje mealowe sudeni mogą worzyć podobne aplikaje w ramah pra inżynierskih lub dyplomowyh. Publikaja zosała zrealizowana w ramah projeku /AS. Sreszzenie Niniejszy arykuł doyzy zasosowania informayki w dydakye szkół wyższyh. Przedsawiono w nim sposoby kompuerowego wspomagania nauzania przedmiou Konsrukje mealowe. Omówiono akże oprogramowanie służąe do projekowania konsrukji salowyh wykorzysywane przez sudenów na różnyh 8512

10 eapah edukaji. Nasępnie ukazano porzebę isnienia prosyh w obsłudze programów kompuerowyh do oblizeń normowyh. Zaprezenowano własną aplikaję inerneową służąą do wykonywania przez sudenów oblizeń normowyh doyząyh projekowania konsrukji w ramah przedmiou Konsrukje mealowe. Ma ona nie ylko uławić sudenom wykonywanie porzebnyh oblizeń, ale również zapoznać ih z poszzególnymi proedurami normowymi związanymi z projekowaniem konsrukji salowyh. W arykule opisano własnośi uworzonego oprogramowania, jego budowę oraz możliwośi rozwoju. Przedsawiono akże jego działanie na przykładzie wybranej proedury normowej. Compuer assisane eahing of he subje Meal Sruures Absra This arile onerns he appliaion of ompuer ehnology in eahing in higher eduaion. I shows how ompuer-aided eahing suppors he subje "Meal sruures". I also presens sofware for he design of seel sruures used by sudens a differen sages of eduaion and emphasises he need for simple, user s friendly sofware for norm alulaion. An own web appliaion for alulaions of norms for sruural design performed by he sudens a meal sruures, was presened. I does no only help sudens o perform he neessary alulaions, bu also familiarizes hem wih he differen proedures relaed o he design of seel sruures. The arile desribes he properies of he reaed sofware, is sruure and developmen possibiliies. I also shows is operaion on he example of seleed norms. BIBLIOGRAFIA 1. PN-EN :2006. Eurokod 3. Projekowanie konsrukji salowyh. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły doyząe budynków (norma)