PRAKTICKÉ NAVRHOVÁNÍ STYČNÍKŮ OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ

Transkript

1 PRAKTICKÉ NAVRHOVÁNÍ STYČNÍKŮ OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ Lubomír Šabatka, IDEA RS s.r.o. František Wald, FSv ČVUT Praha Miroslav Bajer, FAST VUT Brno ÚVODEM Návrh styčníků ocelové konstrukce vyžaduje zvláštní pozornost. Statici mají dostatek kvalitních nástrojů pro návrh štíhlých prutů a jejich průřezů. Je paradoxem, že ačkoliv většina poruch a havárií ocelových konstrukcí je způsobena právě chybným návrhem detailu, výpočetních nástrojů pro jejich navrhování je výrazně méně a většinou jim chybí dostatečná obecnost. Na minulé konferenci jsme předložili výsledky první fáze výzkumného a vývojového projektu na pokročilé navrhování styčníků ocelových konstrukcí Pokročilý software pro optimální návrh obecných styčníků stavebních ocelových konstrukcí. Řešitelský tým projektu byl sestaven z pracovníků firmy IDEA RS s.r.o., Katedry ocelových a dřevěných konstrukcí stavební fakulty ČVUT v Praze a Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí stavební fakulty VUT Brno. Projekt začal v roce 2013 a bude dokončen v roce Řešitelský tým si dal za cíl vymyslet, vyvinout a ověřit metodu: Dostatečně obecnou, aby byla použitelná pro naprostou většinu styčníků, kotvení a detailů ze stavební praxe. Dostatečně jednoduchou a rychlou, aby pro běžnou praxi statika poskytovala výsledky ve srovnatelném čase jako doposud existující metody a nástroje. Dostatečně srozumitelnou, aby inženýr statik získal jasnou informaci o chování styčníku, o namáhání a rezervách jednotlivých jeho částí a celkové bezpečnosti a spolehlivosti návrhu. Obrázek 1: Nová metoda je ověřována i zkouškami v laboratoři METODA CBFEM Práce na nové metodě výrazně pokročily a technické veřejnost je s výsledky průběžně seznamována. Principem metody je spojení těch lepších vlastností běžně užívané metody komponent na jedné straně a metody konečných prvků na straně druhé. Metoda byla nazvána CBFEM Component Based Finite Element Model.

2 CBFEM model styčníku je zpravidla sestaven jako soustava následujících prvků: Ocelové plechy plechy se modelují jako stěnodeskové prvky s ideálním pružně-plastickým materiálovým digramem. Kontakty mezi plechy plechy přiložené k sobě jsou v kontaktu. Ten přenáší pouze tlakové namáhání. V tahu se nepřenáší nic a plechy se mohou volně rozevřít. Stejně tak se chová kontakt mezi ocelovou deskou a betonovým blokem. Svary svary se modelují pomocí interpolačních vazeb mezi hranou jednoho plechu a plochou nebo hranou druhého plechu. Šrouby v tahu šrouby pracují pouze při tahovém namáhání jako bilineární pružiny Šrouby ve smyku šrouby pracují v obou směrech jako nelineární pružiny, kontaktní elementy zajišťují přenos sil jen v oblasti dotyku šroubu a stěny otvoru v plechu Kotevní šrouby obdobný model jako pro šrouby v tahu Betonové kotevní bloky/ stěny betonové bloky jsou modelovány jako Winkler-Pasternakovo podloží. Celý výpočetní model styčníku obsahuje řadu nelinearit, většina komponent vykazuje nelineární vlastnosti. Vždy je nutné provádět materiálově nelineární výpočet za předpokladu malých deformací. Výsledkem výpočtu jsou napětí a přetvoření v ocelových deskách, svarech a betonovém bloku. Pro všechny šrouby i kotvy jsou přesně určeny tahové i smykové síly. Tyto hodnoty jsou pak použity pro posouzení jednotlivých komponent dle EN a výhledově i dalších norem. CHOVÁNÍ ŠROUBŮ V TAHU A VE SMYKU Model šroubů na osové namáhání byl již několikrát popsán. Nicméně původní lineární pracovní diagram byl na základě verifikačních výpočtů nahrazen bilineárním, které mnohem lépe vystihuje chování šroubů blízko meze únosnosti a dává lepší výsledky pro větší skupiny šroubů. Ve smyku je model ještě náročnější. Model musí zohlednit vůle v otvorech, otlačení plechů, ohyb dříku šroubu a další jevy. Šroub samotný je modelován jako jednorozměrná pružina. Pokud bychom koncové body pružiny propojili přímo s nejbližším bodem sítě, došlo by k výrazné singularitě a materiál v okolí bodu by začal rychle plastizovat. Body pružiny šroubu je nutno propojit s větším počtem uzlů sítě, protože šroub je ve skutečnosti poměrně rozměrné těleso. Tahová osová síla ve šroubu se přenáší do desky jako spojité zatížení v oblasti odvozené od průměru hlavy šroubu (matice), podložky a tloušťky desky. Obrázek 2: Oblast roznosu sil ze šroubu do desky při osovém namáhání Smyková síla na šroubu je přenášena jako spojité zatížení jen na straně otvoru, kde je šroub vtlačován do desky. Toto spojité zatížení odpovídá poměrům při otlačení dříku do desky.

3 Obrázek 3: Oblast roznosu sil ze šroubu do desky při smykovém namáhání. Síla ze šroubu se přenáší do plechu jen na straně kontaktu šroubu s plechem. ANALÝZA ŠROUBOVÉHO PŘIPOJENÍ UZAVŘENÉHO OBDÉLNÍKOVÉHO PROFILU Na základě nové metody CBFEM byl vyvinut softwarový produkt IDEA Connection. Software umožňuje modelovat styčníky prakticky libovolného tvaru. Spočítané výsledky přehlednou formou ukazují projektantovi skutečné chování styčníku. Umožnuje pochopit přenos napětí mezi nosným a připojeným prvkem a rychle nalézt slabá místa návrhu. Toto je v dalším ukázáno na analýze připojení prutu s uzavřeným obdélníkovým profilem prostřednictvím šroubovaného styčníkového plechu. V praxi se používají různá řešení, my ukážeme 4 nejčastější. Analýzu jsme prováděli pro profil K120/80/6.3 a tahovou sílu 400kN.

4 Obrázek 4: Varianty připojení prutu na styčníkový plech: víčko s přivařeným plechem / plech ve výřezech prutu / prut ve výřezech plechu / prut v obdélníkovém výřezu plechu Velmi častý je přípoj na víčko a k němu přivařený styčníkový plech. Plech je namáhán optimálně, napětí se plynule přenáší ke šroubům. Spoj je ale složen ze dvou plechů a je potřeba provést více svarů. Obrázek 5: Styčníkový plech přivařený k víčku Nejvíce se asi používá spoj s deskou vloženou do výřezů v profilu prutu. Je použit jen jeden plech obdélníkového tvaru a provedou se oboustranné koutové svary mezi deskou a profilem po celé délce výřezu. Zapojení svarů do přenosu napětí je vidět na obrázku č.6. Obrázek 6: Styčníkový plech vevařený do zářezů v K profilu Projektati se snaží vyhnout provádění výřezů v prutu, kdy může být zvláště u kruhových trubek problém s dodržením polohy výřezů na obou koncích prutu v jedné rovině. Proto se výřezy provádějí ve styčníkové desce. Svar lze provést nejen z venkovní strany profilu, ale v omezené délce i zevnitř. V uvedeném příkladu je svar uvnitř proveden v délce 40mm. Obrázek 7: Styčníkový plech se dvěma výřezy

5 Podobným řešením je provedení obdélníkového výřezu v připojovací desce. V tomto případě ale styčníkový plech musí být širší, aby byl nahrazen chybějící materiál výřezu. Obrázek 8: Styčníkový plech s obdélníkovým výřezem Cílem projektu není vývoj nových nebo optimalizovaných styčníků. To kolektiv řešitelů nechává pro jiné projekty a hlavně pro zkušené projektanty z praxe. Naším cílem je poskytnout projektantům nástroj pro objektivní rozhodování. OBECNÉ MOŽNOSTI METODY CBFEM V první fázi vývoje metody CBFEM jsme se soustředili na základní typy připojení prutů a na běžné způsoby kotvení. V roce 2014 byly vyvinuty výrobní operace pro ořezy prutů a plechů, výztuhy, žebra, otvory, normální i odsazené čelní desky, zárodky, příložky, styčníkové plechy, připojovací plechy uzavřených profilů, úhelníky a obecné spoje skupinou šroubů. Obrázek 9: Typy dostupných výrobních operací pro konstruování styčníku Kombinováním výrobních operací v jednom styčníku lze tvořit skutečně libovolná konstrukční uspořádání. Projektanti se nebojí metodu používat i na řešení, se kterými se při vývoji vůbec

6 neuvažovalo. Příkladem je krátká konzola na betonové stěně sloužící jako podepření sloupu viz obrázek č.10. Obrázek 10: Příklad kotvení sloupu k betonové stěně 6 SHRNUTÍ NÁVRHOVÝ NÁSTROJ PRO KAŽDODENNÍ PRAXI Nově vyvinutá metoda CBFEM umožňuje optimální a bezpečný návrh styčníků ocelových konstrukcí. Výsledky poskytují statikovi jasnou informaci, na kolik jednotlivé části styčníku a styčník jako celek vyhovují, jakých deformací a vnitřních sil bylo při daném namáhání dosaženo. Statik snadno pochopí, co se ve styčníku přesně děje. Implementace metody do software IDEA Connection zaručila, že rychlost a pracnost jsou srovnatelné se stávajícími metodami, např. metodou komponent pro otevřené průřezy a návrhovými vzorci na únosnost styčníků uzavřených průřezů. Metoda CBFEM navíc umožňuje přesně analyzovat detaily, které musel projektant-statik doposud jen odhadovat. OZNÁMENÍ Výzkum je podpořen grantem Technologické agentury České republiky Pokročilý software pro optimální návrh obecných styčníků stavebních ocelových konstrukcí č. TA LITERATURA ČSN EN , Navrhování ocelových konstrukcí, Boulení stěn, ČNI, Praha, ČSN EN , Navrhování ocelových konstrukcí, Navrhování styčníků, ČNI, Praha, Šabatka L., Kabeláč J., Wald F., Bajer M.: Výpočetní modely styčníků ocelových konstrukcí, 51. Celostátní konference o ocelových konstrukcích, 2013, Hustopeče Šabatka L., Wald F., Kabeláč J., Godrich L., Navrátil J.: Component based finite element model of structural connections, 12 th International Conference on Steel, Space and Composite Structures May 2014, Praque Zienkiewicz O. C., Taylor R. L., The Finite Element for Solid and Structural Mechanics, Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford UK, 6thedition, 2005.