PŘÍSPĚVEK K URČOVÁNÍ NÁVRHOVÝCH CHARAKTERISTIK KONSTRUKČNÍCH OCELÍ V EVROPSKÝCH NORMÁCH

Transkript

1 II. ročník celosttní konference SPOLEHLIVOST KONSTRUKCÍ Téma: Cesta k pravděpodobnostnímu posudku bezpečnosti, provozuschopnosti a trvanlivosti konstrukcí Dům technik Ostrava ISBN PŘÍSPĚVEK K URČOVÁNÍ NÁVRHOVÝCH CHARAKTERISTIK KONSTRUKČNÍCH OCELÍ V EVROPSKÝCH NORMÁCH Lubomír Rozlívka a Miroslav Fajkus Abstract The paper characterises basic factors necessar for determination of true values of design strength of structural steels and coefficient of material reliabilit for new European standards for designing of steel structures. These values are ield point of steel and deviations of dimensions of materials and structures from nominal values. The design values can be determined b statistic methods or with use of computer simulation. Application of the Annex Z to the Eurocode 3 is not recommended for these cases. 1. Úvod V souvislosti se zahjenou konkrétní transformací předběžných evropských norem (Eurokódů - ENV) pro navrhovní stavebních konstrukcí na jednotné zvazné evropské norm (EN) se zvšuje význam různých výzkumných programů (často velmi rozshlých), které jsou zaměřen na statistické zhodnocení pevnostních a geometrických charakteristik relných ocelových materilů, nosných prvků nebo konstrukcí, ab blo možné určit a zajistit jejich požadovanou funkční spolehlivost současně s rostoucími nrok na snadnou proveditelnost a celkovou efektivnost viz [1] až [4]. Výsledkem těchto prací mají být použitelné a ověřené hodnot součinitelů spolehlivosti konstrukčních ocelí pro novou generaci evropských norem navrhovní, nebo věrohodné nvrhové histogram důležitých charakteristik materilu, použitelné pro relnou a výstižnou počítačovou simulaci podmínek různých mezních stavů a nosných konstrukcí. Pro české konstrukční oceli přitom je (obdobně jako pro další srovnatelné materil pro nosné konstrukce z ostatních evropských zemí) zsadně důležité, ab jejich jakost bla statistick ověřena a přitom bl prokzn soulad s evropskými požadavk a hodnotami. To je logick a samozřejm podmínka pro uplatnění nových evropských norem v soustavě ČSN, nutn pro zabezpečení potřebné spolehlivosti českých mostrenských výrobků a pro jejich úspěšnou konkurenceschopnost na nročném společném evropském (a světovém) trhu. Některé zkladní aspekt této komplexní problematik jsou naznačen v dalších čstech tohoto příspěvku. 2. Mez kluzu oceli Mez kluzu f je nejdůležitější pevnostní charakteristikou konstrukční oceli. Běžně se kontroluje v hutích a slouží pro určení hodnot nvrhové pevnosti materilu f d nebo hodnot dílčích součinitelů spolehlivosti materilu γ M v normch pro navrhovní ocelových konstrukcí. Jako příklad lze ukzat histogram měřených hodnot meze kluzu pro plech z ocelí S235 a S355 na obrzku 1 a 2 viz [3]. Lubomír Rozlívka, Ing., CSc., Institut ocelových konstrukcí, s.r.o., Hlavní 18, Frýdek-Místek, tel.: (0658) , (0603) , IOK-Rozlivka@cmail.cz. Miroslav Fajkus, Ing., VÚHŽ, a.s., Dobr u Frýdku, tel.: (0658) , Fajkus@VUHZ.cz.

2 56 Obr.1: Histogram hodnot meze kluzu f plechů tl. 9,5 až 30 mm z oceli S235. Obr.2: Histogram hodnot meze kluzu f plechů tl. 8 až 40 mm z ocelí S355. Pro objektivní stanovení nvrhových charakteristik f d nebo γ M je nní potřebné ově-řit a sprvně určit zejména nsledující hodnot a zvislosti: charakteristickou hodnotu meze kluzu f k pro jednotlivé sortiment konstrukčních mate-rilů, definovanou 5% statistickou zrukou podkročení, včetně porovnní se jmenovitý-mi hodnotami, garantovanými v technických dodacích podmínkch hutních výrobků viz hodnot X0,05 na obrzcích 1 a 2, zvislost charakteristické hodnot meze kluzu na jmenovité tloušťce průřezu, kter se všeobecně snižuje se zvětšovním tloušťk materilu. Obvkle se uvažují jmenovité hodnot meze kluzu podle norem navrhovní (ENV , ČSN ) nebo podle dodacích pomínek (EN 10025, EN 10113) viz [5] a obrzek 3, sprvně b se však měl uvažovat hodnot zjištěné statistickou analýzou příklad pro evropské oceli podle [6] je na obrzku 4, časov proměnnost hodnot meze kluzu (zejména při zavdění nových hutních technologií, např. kontilití) nebo rozdíl pro různé druh a tvar vlcovaných průřezů, jak je ukzno např. v [7] a [8]. 3. Odchlk rozměrů materilu a konstrukcí Druhým zkladním faktorem, který ovlivňuje únosnost ocelového prvku nebo konstrukce jsou odchlk skutečných rozměrů hutních materilů od jejich jmenovitých rozměrů a výrobní nebo montžní odchlk skutečných ocelových prvků nebo konstrukcí od rozměrů, uvažovaných v nvrhu. Mezní odchlk (tolerance) rozměrů vlcovaných materilů jsou dn v normch hutních materilů (např. EN pro plech nebo EN pro průřez I a H), tolerance rozměrů ocelových prvků a konstrukcí jsou stanoven v normch provdění ocelových konstrukcí (zejména v ENV nebo v ČSN ).

3 57 Obr.3: Jmenovité hodnot meze kluzu v zvislosti na tloušťce materilu podle Euro-kódu 3 nebo EN a EN Obr.4: Průměrné a charakteristické hodnot meze kluzu oceli S275. Statistické soubor měřených odchlek skutečných rozměrů hutních materilů od jmenovitých hodnot jsou zpravidla podstatně menší (a jen vjímečně dostupné) než srovnatelné soubor relných hodnot meze kluzu. Obvkle to jsou rozměrové odchlk tvarových tčí (IPE, L, ) příklad podle [9] je na obrzku 5, nebo registrované skutečné tloušťk plechů, viz např. [8]. Podklad pro analýzu odchlek skutečných rozměrů svařovaných nosných prvků nebo celých konstrukcí od nominlních hodnot jsou ještě vzcnější pro informaci jsou v tabulce 1 uveden relativní hodnot statických veličin svařovaných nosníků podle [10]. Hodnocení vlivu odchlek rozměrů hutních materilů i nosných prvků a konstrukcí proto obvkle vchzí z mezních tolerancí, určených podle příslušných technických norem příklad pro svařované nosník podle [11] je (také pro porovnní s měřenými odchlkami v tabulce 1) ukzn na obrzku 6.

4 58 četnost Profil IPE 80 až IPE 240 Alfa A alfa A Obr.5: Relativní hodnot průřezové ploch α A = A skut / A nom profilů IPE. Obr.6: Relativní hodnot průřezové ploch, momentu setrvačnosti a průřezového modulu svařovaných nosníků Tabulka 1: Relativní statické hodnot svařovaných nosníků Nosník Hodnota α A = A skut / A nom α I = I skut / I nom H 1 = 470 β = b w / t w = 90 n = 10 H 2 = 620 β = b w / t w = 120 n = 16 H 3 = 774 β = b w / t w = 150 n = 17 H 4 = 924 β = b w / t w = 180 n = 12 H 1 až H 4 n = 55 0,9689 0,9862 1,0499 0,9531 1,0051 1,0348 0,9872 1,0186 1,0540 0,9797 1,0206 1,0724 0,9531 1,0076 1,0724 0,9371 0,9607 0,9939 0,9315 0,9799 1,0056 0,9784 1,0040 1,0373 0,9823 1,0057 1,0286 0,9315 0,9876 1,0373 α W,el = W el,skut / W el,nom 0,9475 0,9664 1,0044 0,9380 0,9842 1,0077 0,9823 1,0068 1,0366 0,9862 1,0076 1,0316 0,9380 0,9912 1,0366 α W,pl = W pl,skut / W pl,nom 0,9531 0,9707 1,0155 0,9405 0,9896 1,0148 0,9826 1,0098 1,0385 0,9828 1,0113 1,0405 0,9405 0,9954 1,0405 V současné době měřené hodnot rozměrových odchlek (i odvozené soubor relativních statických veličin hutních materilů i nosných prvků) vedou k obdobným výsledkům, dobře porovnatelným s hodnotami uvedenými v této kapitole. Jejich analýze však je i nadle nutné věnovat potřebnou pozornost. 4. Nvrhov pevnost oceli Únosnost (odolnost) ocelového konstrukčního prvku zvisí na obou diskutovaných zkladních charakteristikch: na mezi kluzu f použité oceli a na odchlkch skutečných rozměrů nosného prvku od jeho nominlních rozměrů, které je možné vjdřit pomocí hodnot

5 59 relativní statické veličin α i, kter vstupuje do výpočtu mezního napětí ocelového prvku. Všeobecně je možné předpokldat, že to jsou veličin vzjemně zcela nezvislé a jejich statistické parametr je proto možné všetřovat odděleně. Soubor měřených hodnot meze kluzu oceli je zpravidla určen střední hodnotou m, směrodatnou odchlkou s a šikmostí a a obdobně soubor hodnot relativní statické veličin pro výpočet napětí ocelového prvku střední hodnotou m α, směrodatnou odchlkou s α a šikmostí a α. Z nich je možné (viz [4]) vpočítat zkladní parametr souboru hodnot únosnosti R konstručního prvku, kter je součinem sledovaných veličin f a α i : střední hodnota: m = m m R směrodatn odchlka: s = m m ( ù + ù + ù ù ) R šikmost: ar aù + aù + 6ù ù = ,5 ( ù + ù + ù ù ) kde variační součinitele jsou: s ù = a m s ù = m Pro vbraný tp rozdělení (který nejlépe vhovuje rozdělení měřených hodnot meze kluzu f ) a pro požadovanou pravděpodobnost dosažení příslušného mezního stavu (kter se může diferencovat pro rozdílné tříd účelu konstrukce) se pak přímo určí hodnota nvrhové pevnosti oceli f d. Ze jmenovité hodnot meze kluzu f,nom (nebo lépe z charakteristické hodnot f,k ) se potom odvodí hodnota dílčího součinitele spolehlivosti materilu γ M ze vztahu: γ M nom f, nom fd, =, nebo lépe: γ f, k M, k = fd Současn úroveň výpočetní technik již umožňuje na zkladě moderních simulačních postupů (viz [12] a další příspěvk této konference) počítat hodnot nvrhové pevnosti oceli f d přímo. Relné soubor hodnot meze kluzu oceli a rozměrových odchlek nosných průřezů se v tomto výpočtu uplatní jako zkladní a spolehlivé vstupní veličin. V soustavě Eurokódů pro navrhovní stavebních konstrukcí je postup stanovení nvrhové pevnosti konstrukčních prvků na zkladě zkoušek definovn v Příloze Z k ENV viz [13]. Tato metodika se nní prosazuje rovněž pro určovní nvrhové pevnosti konstrukčních ocelí na zladě měřených souborů pevnostních dat (mezí kluzu) a rozměrových odchlek z relné výrob profilů IPE a H v zpadoevropských vlcovnch. V porovnní s metodikou popsanou v tomto příspěvku je přímý postup podle příloh Z podstatně složitější, méně přehledný a v některých případech může vést k nepřesným a neoprvněně otimistickým zvěrům. Další program prací v této oblasti je proto potřebné orientovat na dopracovní jednotné evropské metodik objektivního hodnocení nvrhových veličin konstrukčních ocelí, ab blo možné prokzat, že české konstrukční oceli mají potřebné aplikační vlastnosti plně srovnatelné s materil z ostatních zemí Evropské unie. Oznmení Příspěvek bl vpracovn s podporou grantu č. 103/00/0758 GA ČR.

6 60 Literatura [1] ROZLÍVKA, L.: Příprava evropské metodik pro hodnocení vlastností konstrukčních ocelí, 1. konference Spolehlivost konstrukcí, Ostrava, [2] ROZLÍVKA, L., HRALA, F.: Problém při uplatňovní evropských norem, Ocelové konstrukce, 1 / [3] FAJKUS, M.: Histogram vlastností konstrukčních ocelí a rozměrů vlcovaných průřezů, VÚHŽ Dobr, [4] MRÁZIK, A.: Teória spoľahlivosti ocelových konštrukcií, VEDA SAV, Bratislava, [5] HRALA, F.: Jmenovité hodnot meze kluzu konstrukčních ocelí, Podklad k nvrhu EN , Interní dokument IOK, [6] CECCONI, A., CROCE, P., SALWATORE, W.: Statistical properties of the european production of structural steels, Konference ESREL, Lisabon, [7] MRÁZIK, A., SADOVSKÝ, Z.: Katalóg štatistických údajov o medzi kluzu, pevnosti v ťahu a ťažnosti ocelí, ÚSTARCH SAV, Bratislava, [8] ROZLÍVKA, L.: Statistický rozbor výpočtových charakteristik plechů, Výzkumn zprva, VÍTKOVICE Výzkum strojních a ocelových konstrukcí, Ostrava, [9] ROZLÍVKA, L., FAJKUS, M.: Rozměrové úchlk profilů IPE, úhelníků, plochých a kruhových tčí jako faktor pro určení nvrhové pevnosti konstrukčních ocelí, Interní dokument IOK, [10] JUHÁS, P.: Úchlk rozměrů a tvarů konstrukcí podklad pro revizi ČSN , Výzkumn zprva, ÚSTARCH SAV, Bratislava, [11] ROZLÍVKA, L., DVOŘÁČEK, P., FAJKUS, M.: Rozměrové úchlk ocelových svařovaných nosníků a jejich vliv na nvrhovou pevnost konstrukčních ocelí, Stavební obzor, 1999, č. 2. [12] MAREK, P., GUŠTAR, M., ANAGNOS, T.: Simulation-Based Reliabilit Assessment for Structural Engineers, CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, [13] ČSN P ENV Navrhovní ocelových konstrukcí Změna A2, ČSNI Praha, 2000.