7. NAVRHOVÁNÍ STYČNÍKŮ V EN

Transkript

1 7. AVRHOVÁÍ STYČÍKŮ V E Pro. Ing. Franišek Wal, CSc., Ing. Zeněk Sokol, Ph.D. Shrnuí ávrh sčníků v připravované evropské normě E vchází z kapiol 6 přeběžné norm EV 993--, z příloh J pro sčník oevřených proilů a z příloh K pro sčník uých průřezů, EV 993--/A. Obě příloh bl v průběhu obobí EV již jenou akualizován. ově jsou maeriál pro navrhování sčníků a jejich čásí shrnu o jenoho kompakního přepisu a rozšířen pole požaavků praxe. Překláaný příspěvek shrnuje hlavní změn. a příklau návrhu čepu a na sčnících prvků z uých průřezů jsou okumenován výho, keré použií evropských přepisů projekanům přináší. 7. ÚVOD Evropské sružení výrobců ocelových konsrukcí, Technická skupina, avrhování sčníků (ECCS TC) už o roku 99 shromažďuje připomínk k problemaice sčníků v přeběžné normě EV [], [], [3] a připravuje přecho na normu E [4]. Cílem práce je vužií všech poznaků z evropské eorie a praxe. Mezi hlavní akivi echnické skupin v éo oblasi lze zahrnou inenzivní spolupráci se Sružením pro výrobu rubek CIDECT, evropský program spolupráce ve věě a výzkumu COST C (avrhování polouhých sčníků) a program CESTRUCO (Vzělávání v oblasi konsrukčních sčníků) [5]. V roce 999 CE sanovil hlavní zása a uzavřel smlouvu s projekovým ýmem na konverzi norm. Tým vee Jouko Kouhi z VTT, Finsko. Projekový ým ve spolupráci s pracovní skupinou ECCS TC posupně připravil návrh čř koncepů závěrečného exu (pre Documen 54 E z 6.9.). V oblasi sčníků pracoval s více než 9 připomínkami nároních zásupců ve výboru pro Eurokó 3, (CE/TS5/SC3, reprezenanem za Českou republiku je Pro. Ing. Jinřich Melcher, DrSc.). Konečný návrh splnil.. požaavk na úplný echnický návrh a bl přija k hlasování na jaře. Bue-li maeriál přija (ex je připravován v lenu, pozn. auorů), bue ormálně zpracován během jenoho roku a současně přeložen o němčin a rancouzšin. Jeho zaveení jako evropské norm se přepokláá společně normami pro navrhování ocelových konsrukcí, keré jsou v různém sáiu rozpracovanosi [6]. Mezi hlavní přenosi návrhu evropské norm [4] zahrnuí návrhu spojovacích prosřeků, sčníků z rubek i z oevřených průřezů o jenoho exu. a záklaě nároních připomínek jsou rozšířen a přepracován čási věnované koevním šroubům, čepům, šroubovaným přípojům se šroub v proloužených ovorech, porušení šroubovaných přípojů ve smku, příavným úhelníkům a jenosranným kouovým svarům. Sčník z oevřených průřezů jsou řešen meoou komponen, kerá umožňuje úplný popis pracovního iagramu sčníků (kromě únosnosi určuje ohbovou uhos a eormační kapaciu). Meoa komponen je vužia i pro návrh kovení paní eskou. Hlavní změn jsou ále v exu shrnu a okumenován na příklaech. 7. K ÁVRHU E Tex norm [4] je ormálně členěn o semi čásí. Hlavní změn proi přenormě jsou ále sručně popsán. Kapiola : Úvo Úvo norm vmezuje rozsah použií a einuje hlavní pojm. Jsou ze shrnu použié smbol a einována geomerie. Kapiola : Zákla navrhování V éo kapiole jsou sanoven ílčí součiniele spolehlivosi pro sčník. Jsou shrnu přesav o působení vniřních sil a popsán moel pro posouzení excenrici ve šroubovaných

2 sčnících, viz obr. 7.. U nesmerick připojených pruů, napříkla úhelníků nebo T průřezů, lze os přípojů nahrai ěžišťovými osami, poku jsou pru připojen alespoň věma šroub. Přípanou excenriciu ve sčníku vvozující ohbové momen je řeba zohleni při návrhu prvků. ěžišťové os e šroub os přípojů Obr. 7. Os přípojů a ěžišťové os pruů ve sčníku, obr..5 v [4] Okaz na související evropské normové přepis jsou rozčleněn o semi skupin pro maeriál výrobní olerance, rozměr a echnické oací pomínk 3 rubk 4 šroub, maice a položk 5 svar 6 ný 7 výrobu ocelových konsrukcí Kapiola 3 Přípoje šroub, ný a čep V kapiole věnované přípojům šroub, ný a čep lze naléz někerá upřesnění a rozšíření kapiol 6 []. a koevní šroub lze použí maeriál pole norem pro záklaní maeriál (skupina ), pole norem pro šroub (skupina ) i pole norem pro beonářskou výzuž E. Mez kluzu pro koevní šroub je omezena na 64 MPa. Reukční součiniel pro únosnos šroubů v olačení v proloužených ovorech s osou kolmou k zaížení je zaveen na záklaě poznaků výzkumu [], kerý bl korinován na ČVUT v Praze ve spolupráci s SCI Lonýn, TU oingham, CUST Clermon-Ferran a CRIF Liège. Honoa reukčního součiniele,6 bla sanovena konzervaivně bez ohleu na élku ovoru. Omezení únosnosi při oslabení prvku ovor pro šroub blo přepracováno. Půvoní briský návrh bl nahrazen moelem plně vužívajícím plasických vlasnosí oceli. Pro sanovení únosnosi v kriickém řezu se sčíá únosnos čási průřezu přenášející zaížení smkem s únosnosí čási průřezu v ahu. V časém přípaě excenrického působení se konzervaivně počíá jen s polovinou ažené oblasi, viz obr. 7.. Obr. 7. Skupinové vržení při oslabení prvku ovor pro šroub, excenrické přípoje

3 Přípojný úhelník a jeho přípoj na sčníkový plech, viz obr. 7.3, se navrhuje na sílu o % věší než je síla působící v osávajícím rameni úhelníku. Spojovací prosřek ve spoji mezi přípojným úhelníkem a pruem z úhelníku se navrhují na sílu o 4% věší než je síla v osávajícím rameni. Přípojné úhelník připojující U průřez se navrhují obobně na sílu zvěšenou o % respekive %. Obr. 7.3 Přípojný úhelník Pro čep se mění požaavk na uspořáání sčníkového plechu čepu, viz obr. 7.6 a řešený příkla. Únosnos čepu se sanovuje v mezním savu únosnosi i použielnosi, v mezním savu použielnosi se navíc rozlišují rozebíraelné a nerozebíraelné čep. Kapiola 4 Svařované přípoje Záklaní meoou pro návrh kouových svarů je meoa srovnávacích napěí v kriickém řezu svaru. Alernaivně je možno použí meou únosnosi jenokové élk svaru, kerá je používána v německ mluvících zemích, viz obr σ I_ τii τ I_ F w,r F w,r,4 a a) a b) mm Obr. 7.4 ávrh kouového svaru, a) moel napjaosi ve svaru b) únosnos jenokové élk svaru bez ohleu na směr namáhání Mísní excenriciu v připojení jenosranným kouovým svarem nebo čásečně provařeným upým svarem, poku vzniká ahové napěí v kořeni svaru, viz obr. 7.5, je oporučeno vlouči vhoným konsrukčním uspořááním. Poku o není možné, je nuno uo excenriciu zavés o výpoču. Tao excenricia se neuplaní u přípojů uých průřezů. e e a) b) Obr. 7.5 Excenrické připojení s ahovým napěím v kořeni svaru a) vvozené ohbovým momenem, b) vvozené ahovou silou Kapiola 5 Analýza, klasiikace a moelování sčníků Kapiola je zaměřena na moelování sčníků v globální analýze. Jsou ze shrnu moelové přepokla pro sčník při pružné, uho-plasické a pružně-plasické globální analýze. Pro pružnou 3

4 globální analýzu je oporučen oha sečné uhosi sčníků při jejich vužií na mezi únosnosi. Pro globální analýzu příhraových nosníků z uých průřezů je shrnu vliv excenrici připojení mezipásových pruů a meze, k lze excenrické připojení zaneba. Klasiikace sčníků zajišťuje požaovanou přesnos globální analýz [9] a sanovuje hranice, k je možno skuečnou uhos sčníků zaneba a provés analýzu s uhými nebo kloubovými sčník, což vee ke zjenoušení výpoču. V exu je uveena klasiikace uhosi sčníků nosníků se sloup, viz []. orma umožňuje zjenoušený a komplexní moel, vhoný zvlášě pro spřažené ocelobeonové konsrukce, viz [], panelu sěn sloupu oevřeného průřezu ve smku. Kapiola 6 Sčník oevřených průřezů Tao kapiola obsahuje aplikaci meo komponen na návrh sčníků, v nichž se spojují H nebo I průřez [9]. Je uveen posup návrhu kovení sloupů paní eskou []. Meoa je vhoná přeevším pro návrh s poporou výpočení echnik, viz [] a [3]. Kapiola 7: Sčník uých průřezů Rozsáhlý experimenální a eoreický výzkum poporovaný Sružením výrobců rubek (CIDECT) vel k rozšíření a zpřesnění příloh K [] zpracované v její ruhé verzi (KK [3]) v roce 994. áročnos řešení je ána okrajovými pomínkami analických výrazů [4], keré bl zpracován pole experimenálních prací [5]. Výpočové program mohou usnani řešení a umožni jeho opimalizaci, [] a [6]. 7.3 ÁVRH ČEPU Konsrukční oporučení Čep, u nichž není požaováno naočení, lze navrhova jako šroubované spoje s jením šroubem. Délka šroubu v omo přípaě nesmí překroči 3. Požaavk na minimální rozměr plechu jsou na obr F S A / n A / A n n / 4,67 An /,5 4 A n oslabená plocha připojovaného průřezu F F / S S ávrh pro mezní sav únosnosi Čep se v mezním savu únosnosi posouí ve smku (jena plocha) F,6 A / F, v.r up M v olačení F,5 / F, b.r M S S F / S Obr. 7.6 Požaavk na rozměr plechu 4

5 v ohbu, přiom se momen na čepu M S počíá, obobně jako přenormě [], za přepoklau prosého uložení čepu ve spojovaných prvcích a rovnoměrného rozložení konakního napěí na čepu M,5 W / M, R el p M na kombinaci ohbu a smku M M S R F + F v.s v.r, S ke je průměr čepu, menší z meze kluzu čepu a připojované čási, up mez pevnosi čepu, p mez kluzu čepu, loušťka příslušné připojované čási, A plocha čepu, W el pružný průřezový moul čepu, M ílčí součiniel spolehlivosi pro průřez ří, nebo 3, M ílčí součiniel spolehlivosi pro průřez oslabený írami. ávrh pro mezní sav použielnosi V mezním savu použielnosi se posouí konakní napěí na čepu E FS,ser ( ),5 σ h,e,59 h,e, ke M 6,ser je průměr ír pro čep, F S,ser návrhová honoa síl v MSP, M6,ser ílčí součiniel spolehlivosi čepu pro mezní sav použielnosi. Vjímaelný čep se navíc posouí v olačení F,6 / F, b,r,ser M 6,ser b,s,ser v ohbu M, W / M. R,ser el up M S,ser Příkla návrhu čepu avrhněe čepový přípoj áhla, keré přenáší sílu k a navrhněe var sčníkového plechu. Plech i áhlo jsou vroben z oceli S75, čep je z oceli S355, součiniele spolehlivosi, 5,,3. M M Zvolíme průměr čepu 3 mm. Únosnos čepu ve smku ve vou smkových rovinách se vpoče jako F v.r,6 A M up,6 π 3 5 4,3 FS , k > k F S c c 5

6 Čep ve smku vhoví. Únosnos čepu v olačení pro maeriál s menší mezí kluzu min ( 75; 355) 75 MPa loušťku maeriálu ( ; ) min ( ; ) mm M a pro min se posouí pole vzahu,5, F b.r 93 7, k > k F,5 Olačení plechu vhoví. Momen únosnosi čepu M 3, W, 3 el p π p, π R M 3 M 3,5 je věší než působící momen S 6546 mm M S FS mm < mm M ( c) ( ) R Čep v ohbu vhoví. c c Čep se posouí na kombinaci ohbu a smku M F S S ,9 < M R Fv.R Ms Kombinace namáhání ohbem a smkem vhoví. Minimální průřezová plocha připojovaného áhla je F,5 S M A min mm z keré plne šířka 3, viz obr. 7.6 Amin 46 5,6 mm zaokrouhlí se na 3 3 mm. 3 Rozměr koncové čási áhla se navrhnou z násleujících vzahů: Amin 46 5,6 mm...zaokrouhlí se na 3 3 mm Amin 46 5,6 mm zaokrouhlí se na 3 3 mm, ao šířka musí bý oržena ve výseči ±45º o os áhla

7 Amin 46,67,67 7, mm... zvolí se 4 9 mm, ab celková šířka konce áhla 4 bla b mm PŘÍKLAD ÁVRHU T STYČÍKU Z TRUBEK Posuďe spoj svislice z rubk 6,3 5 a pásu z rubk 9,. Úhel připojení pruů θ 9. Svislice je zaížena lakem. S 4 k, pás přenáší lakovou sílu. S, k. Oba prvk jsou z oceli S355, součiniele spolehlivosi M, 5, Mj,. Průřezové ploch prvků pás, rubka 9,, A 6569 mm mezipásový pru, rubka 6,3 5, A 565 mm 6,3 6, S.S Sčník splňuje pomínk planosi použiých vzorců:,, ,3 9, 6,3,, , 5 9, 9, Pomínk jsou splněn. Únosnos sčníku se posouí pro různé způsob porušení. ejmenší je únosnosí celého sčníku. V přípaě T-sčníku může nasa porušení povrchu pásu nebo prolomení pásu smkem. Porušení povrchu pásu Tlaková síla působící v pásu ovlivňuje únosnos sčníku, její vliv je vjářen součinieli n p a k p. n A M + W,5,, M Mj.S.S p,,5, k p ( n + n ),,3 (,5 +,5 ), 774,,3. p p Součiniele β a vjařují poměr mezi rozměr spojovaných prvků jsou 6,3 β, 76, 9, 9,,955. Únosnos povrchu pásu je 7

8 .R sinθ 355 sin9 (, + 4, β ), k p, M Mj,, (, + 4,, 76 ),955, , k.,5, Porušení pásu prolomením smkem π + sinθ, sin θ M π 6, sin9, 3 sin 9,5,.R 3 Mj 94,3 k Celková únosnos sčníku Únosnos sčníku je vhovující, proože minimální únosnos pásu je věší než síla působící ve svislici min..r 43, k > 4 k.s 7.5 PŘÍKLAD ÁVRHU K STYČÍKU Z HRAATÝCH DUTÝCH PRŮŘEZŮ Posuďe sčník příhraové konsrukce. Diagonál jsou z uých průřezů 5 6 a jsou k pásu připojen po úhlem θ 45 s excenriciou e mm. Pás přenáší lakovou sílu θ. S 363,6 k, iagonál jsou zaížen silami. S 5 k (lak) a. S 5 k (ah). Všechn prvk jsou z oceli S355, součiniele spolehlivosi M,5, Mj,. Charakerisik jenolivých prvků pás, průřez, A 594 mm iagonála D, průřez 5 6, iagonála D, průřez 5 6, A 3363 mm A 3363 mm Zkonroluje se mez planosi vzahů použiých pro výpoče únosnosi. Pro excenriciu plaí,55 h e,5 h což je splněno, proože mm,5 5 mm..s 45 h5 g h5 45.S 6 b5 Diagonál musí vhovova pomínkám h 54, 363 b h e+ b a lačená iagonála musí kromě oho ješě splňova pomínku

9 b E h E,5...,5 5, , Pro pás musí plai h,5 b,... h b + h b +,5, Pomínk planosi vzorců jsou splněn. Z rozměrů prvků a uspořáání sčníku se určí mezera mezi připojovanými iagonálami + ( θ + θ ) h sin h h g e + sinθ sinθ sinθ sin θ ( ) sin 5 5 7,9 mm sin 45 sin 45 sin 45 sin 45 Porušení sčníku může nasa porušením pásu v laku, porušením pásu ve smku, prolomením pásu smkem nebo porušením iagonál. ejmenší z ěcho únosnosí je výslená únosnos sčníku. Porušení povrchu pásu v laku Tlaková síla působící v pásu snižuje jeho únosnos, eno vliv je vjářen součinieli n a k n. V přípaě ahové síl v pásu se použije k. n n M, Mj A.S M + W.S,5, 3636, 746, m bi β, 75 ke m je poče mezipásových pruů m b k n b,5,4,4,3 n,3, 746,9 β, 75 Síla v iagonále, kerá způsobí porušení pásové rubk, je m m b i + hi,.r,9 k n sinθ m b M Mj 9

10 ,,9,9,5 594, k (rozhouje). sin 45,5, Porušení pásu ve smku Pro určení smkové ploch pásu A v vpočeme součiniel α vjařující vliv velikosi mezer g ve sčníku α 4 g ,9 + 3,4 v ( h + b ) ( +,4 ) 356 mm A α Av, 3 sinθ , 3 sin45,5,.r M Mj Prolomení pásu smkem b 5 6 mm 5 mm b ep b.r h + b + b 3 sinθ sinθ ep, M Mj b 93, k 355 5, ,9 k 3 sin45 sin45,5, Porušení iagonál Eekivní šířka iagonál je b b e mm 5 mm b b R ( h 4 + b + b ) e, M Mj,,5, ( ) 937, k Celková únosnos sčníku (vjářená silou v iagonále) O únosnosi sčníku rozhouje porušení povrchu pásu. Jeho únosnos je vhovující, proože minimální únosnos je věší než síla působící v iagonálách min..r 594, k > 5 k.s,.s

11 7.6 ZÁVĚREM Rozšíření poznaků o chování sčníků zahrnué o evropské norm E [4] vchází z inenzivního evropského výzkumu problemaik prováěného v posleních esei leech. Maeriál přinese na 4 sranách uživaelům možnos spolehlivějšího a ekonomičějšího návrhu sčníků ocelových konsrukcí. Auoři příspěvku se poíleli na přípravě změn v pracovním kolekivu uvořeném ECCS TC a mohou zájemcům posknou pro pracovní účel ex návrhu včeně posleních oprav. Oznámení Práce vznikla při práci na projeku GAČR 3//7 s poporou výzkumných záměrů ciovaných v úvou éo publikace. Lieraura [] ČS P EV avrhování ocelových konsrukcí, ČSI, Praha 994, s. 37. [] ČS P EV změna A / J: avrhování ocelových konsrukcí, Příloha J, Sčník v konsrukčních sousavách, ČSI, Praha, s. -7. [3] ČS P EV změna A/K: avrhování ocelových konsrukcí, Příloha K, Sčník příhraových nosníků z uých průřezů, ČSI, Praha 996, s [4] EV 993--:xx: Design o Seel Srucures: Par.: Design o joins, čvrý koncep evropské norm, Brusel, září. [5] Sokol,Z.: Celoživoní vzělávání v oboru konsrukčních sčníků, Savební obzor,, roč., č. 3, s.69, Praha, ISS -47. [6] Vraný T., Sunička J.: Plané a připravované norm pro projekování ocelových konsrukcí v ČR, Ocelové konsrukce, č. 6/, s. 7-9, Osrava, ISS -73. [7] Bijlaar F.S.K., Selacek G., Sark J.W.B.: Saisical evaluaions o he resuls o bole connecions, Backgroun ocumenaion, D., Del, 99. [] Wal F., Mazura V., Moal M., Sokol Z.: Experimens o bole cover plae connecions wih sloe holes, v Conribuions o Experimenal Invesigaion o Engineering Maerials an Srucures, e. Konvalinka P., CTU Repors o:, v isku, Praha, s. -. ISB [9] Wal F., Sokol Z.: avrhování sčníků, ČVUT, Praha 999, s. 45, ISB [] Wal F., Sokol Z.: Klasiikace sčníků pole ohbové uhosi, Ocelové konsrukce, č. /, v isku, Osrava, ISS -73. [] Wal F.: Pak Sloupů - Column Bases, ČVUT, Praha 995, s. 37, ISB [] Wal F.: ávrh svařovaných sčníků oevřených proilů, Ocelové konsrukce, č. 5/, s. -, Osrava, ISS -73. [3] Voolan M.: FIE OCSPOJ, OCPATKA, uživaelská příručka, FIE, s. 4, Praha. [4] Warenier J., Packer J.A.: Connecions beween Hollow Secions, v Consrucional Seel esign, an Inernaional Guie, E. Dowling P., Haring J.E., Bjorhowe R., Elsevier, Lonýn 99, s , ISB [5] Oj R., Vainio H.: Design Hanbook or Rauaruukki Srucural Hollow Secions, Hämeenlinna, s. 53, ISB [6] Heinisuo M., Pnnönen J.: JOIT - heories implemene o he program, FISTEEL, VTT, Helsinki. s..