Comparison of structural element resistance calculations using analytical and FEM methods using the example of a steel girder

Abstract

Ovaj završni rad detaljno obrađuje analizu i dimenzioniranje čeličnog nosača za podizanje valovitih stranica primjenom dvaju suvremenih inženjerskih pristupa: analitičkog proračuna prema Eurokod normama i metode konačnih elemenata (MKE). U uvodnom dijelu izložene su temeljne značajke materijala, modeli ponašanja i osnovni principi otpornosti materijala, uključujući razradu unutarnjih i vanjskih sila, aksijalnih naprezanja te naprezanja na savijanje. Posebno su obrađeni kriteriji nosivosti, sigurnosti i dimenzioniranja svih ključnih dijelova nosača (kuka, ušica, grede, varovi), uz provedene provjere naprezanja i ispunjenosti uvjeta čvrstoće za svaku komponentu. Praktična primjena Eurokoda 1 i 3 detaljno je prikazana kroz proračune statičkih i dinamičkih opterećenja, kao i kroz dimenzioniranje zavarenih spojeva prema važećim normama. Drugi dio rada posvećen je metodi konačnih elemenata, gdje su najprije objašnjene teorijske osnove MKE, a potom prikazana praktična primjena u inženjerskoj analizi. U tu svrhu izrađen je primjer kontaktne analize između kuke i vijka u ANSYS programu, gdje su analizirani raspodjela naprezanja, plastične deformacije i kontaktni tlakovi u kritičnim zonama spoja. Uz to, u radu je proveden i proračun kompletnog nosača metodom konačnih elemenata u ANSYS-u, čime je omogućena detaljna procjena ponašanja konstrukcije pod realnim opterećenjima, uključujući analizu svih ključnih dijelova konstrukcije. Na kraju rada napravljena je usporedba rezultata dobivenih analitičkim proračunom i numeričkom analizom u ANSYS-u, čime su prikazane sličnosti i razlike između tradicionalnog pristupa proračunu i suvremenih numeričkih metoda, te mogućnosti njihove primjene u inženjerskoj praksi.This thesis provides a comprehensive analysis and design of a steel lifting beam for corrugated panel handling, employing two contemporary engineering approaches: analytical calculation according to Eurocode standards and the finite element method (FEM). The introductory section presents the fundamental material properties, behavioral models, and basic principles of strength of materials, including the analysis of internal and external forces, axial stresses, and bending stresses. Special attention is given to the load-bearing capacity, safety, and dimensioning criteria for all key beam components (hook, lug, beam, welds), with stress checks and strength verifications for each part. The practical application of Eurocode 1 and 3 is demonstrated through detailed calculations of static and dynamic loads, as well as the dimensioning of welded joints in accordance with current standards. The second part of the thesis is dedicated to the finite element method, first explaining its theoretical background and then illustrating its practical application in engineering analysis. For this purpose, an example of contact analysis between the hook and the bolt in ANSYS software is provided, including the evaluation of stress distribution, plastic deformations, and contact pressures in critical joint zones. Additionally, the thesis includes a complete FEM calculation of the lifting beam in ANSYS, enabling a detailed assessment of the structure’s behavior under real loads, with analysis of all key structural elements. At the end of the thesis, a comparison of results obtained by analytical calculation and numerical analysis in ANSYS is presented, highlighting the similarities and differences between the traditional calculation approach and modern numerical methods, as well as their applicability in engineering practice