Obrázek 1: Rozdíl v rozložení napětí na štíhlých prutech a v nepravidelné části styčníku

Podobné dokumenty
PRAKTICKÉ NAVRHOVÁNÍ STYČNÍKŮ OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ

VYZTUŽOVÁNÍ PORUCHOVÝCH OBLASTÍ ŽELEZOBETONOVÉ KONSTRUKCE: NÁVRH VYZTUŽENÍ ŽELEZOBETONOVÉHO VAZNÍKU S MALÝM OTVOREM

NÁVRH VÝZTUŽE ŽELEZOBETONOVÉHO VAZNÍKU S MALÝM OTVOREM

Šroubovaný přípoj konzoly na sloup

Vliv př ípojů přůtů na křitické zatíz éní

VYZTUŽOVÁNÍ PORUCHOVÝCH OBLASTÍ ŽELEZOBETONOVÉ KONSTRUKCE: NÁVRH VYZTUŽENÍ ŽELEZOBETONOVÉHO VAZNÍKU S VELKÝM OTVOREM

Navrhování konstrukcí z korozivzdorných ocelí

ZÁKLADNÍ PŘÍPADY NAMÁHÁNÍ

Prvky betonových konstrukcí BL01 12 přednáška. Prvky namáhané kroutícím momentem Prvky z prostého betonu Řešení prvků při místním namáhání

Prvky betonových konstrukcí BL01 3. přednáška

Problematika navrhování železobetonových prvků a ocelových styčníků a jejich posuzování ČKAIT semináře 2017

PŘÍKLAD č. 1 Třecí styk ohýbaného nosníku

Prvky betonových konstrukcí BL01 3. přednáška

Program předmětu YMVB. 1. Modelování konstrukcí ( ) 2. Lokální modelování ( )

133PSBZ Požární spolehlivost betonových a zděných konstrukcí. Přednáška A9. ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

Ing. Jakub Kršík Ing. Tomáš Pail. Navrhování betonových konstrukcí 1D

133YPNB Požární návrh betonových a zděných konstrukcí. 4. přednáška. prof. Ing. Jaroslav Procházka, CSc.

Materiálové vlastnosti: Poissonův součinitel ν = 0,3. Nominální mez kluzu (ocel S350GD + Z275): Rozměry průřezu:

Prvky betonových konstrukcí BL01 6 přednáška. Dimenzování průřezů namáhaných posouvající silou prvky se smykovou výztuží, Podélný smyk,

Jednotný programový dokument pro cíl 3 regionu (NUTS2) hl. m. Praha (JPD3)

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

Návrh prutů stabilizovaných sendvičovými panely

Posouzení trapézového plechu - VUT FAST KDK Ondřej Pešek Draft 2017

BO004 KOVOVÉ KONSTRUKCE I

3. Tenkostěnné za studena tvarované OK Výroba, zvláštnosti návrhu, základní případy namáhání, spoje, přístup podle Eurokódu.

Sylabus přednášek OCELOVÉ KONSTRUKCE. Princip spolehlivosti v mezních stavech. Obsah přednášky. Návrhová únosnost R d (design resistance)

VYZTUŽOVÁNÍ PORUCHOVÝCH OBLASTÍ ŽELEZOBETONOVÉ KONSTRUKCE: RÁMOVÝ ROH S OSAMĚLÝM BŘEMENEM V JEHO BLÍZKOSTI

Experimentální výzkum vlivu zesílení konstrukce valené klenby lepenou uhlíkovou výztuží

INTERAKCE VNITŘNÍCH SIL PŘI DIMENZOVÁNÍ DLE EC2

8. Střešní ztužení. Patky vetknutých sloupů. Rámové haly.

NCCI: Předběžný návrh přípoje čelní deskou. Obsah

Část 5.8 Částečně obetonovaný spřažený ocelobetonový sloup

Tabulky únosností trapézových profilů ArcelorMittal (výroba Senica)

Aktuální trendy v oblasti modelování

NCCI: Předběžný návrh přípojů deskou na stojině nosníku

Stanovení požární odolnosti. Přestup tepla do konstrukce v ČSN EN

Náhradní ohybová tuhost nosníku

Sylabus přednášek OCELOVÉ KONSTRUKCE. Vzpěrná pevnost skutečného prutu. Obsah přednášky. Únosnost tlačeného prutu. Výsledky zkoušek tlačených prutů

STAVEBNÍ KONSTRUKCE. Témata k profilové ústní maturitní zkoušce. Školní rok Třída 4SVA, 4SVB. obor M/01 Stavebnictví

Tepelně izolační styčník s čelní deskou. Zdeněk Sokol České vysoké učení technické v Praze

I. Přehled norem pro ocelové konstrukce ČSN EN Úvod

133PSBZ Požární spolehlivost betonových a zděných konstrukcí. Přednáška B3. ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí

Statika 2. Vybrané partie z plasticity. Miroslav Vokáč 2. prosince ČVUT v Praze, Fakulta architektury.

7. přednáška OCELOVÉ KONSTRUKCE VŠB. Technická univerzita Ostrava Fakulta stavební Podéš 1875, éště. Miloš Rieger

Část 3: Analýza konstrukce. DIF SEK Část 3: Analýza konstrukce 0/ 43

Sada 2 Dřevěné a ocelové konstrukce

Požární zkouška v Cardingtonu, ocelobetonová deska

Prvky betonových konstrukcí BL01 5. přednáška

NÁVRH OCELOVÝCH STYČNÍKŮ A PŘÍPOJŮ

Řešený příklad: Šroubový přípoj taženého úhelníku ztužidla ke styčníkovému plechu

Návrh žebrové desky vystavené účinku požáru (řešený příklad)

NCCI: Koncepce a typické uspořádání jednoduchých prutových konstrukcí

Posouzení piloty Vstupní data

Stěnové nosníky. Obr. 1 Stěnové nosníky - průběh σ x podle teorie lineární pružnosti.

Stabilita ocelových stěn

Ocelové konstrukce požární návrh

IDEA Connection Release Listopad 2014 Nová a vylepšená funkcionalita

2. přednáška OCELOVÉ KONSTRUKCE VŠB. Technická univerzita Ostrava Fakulta stavební Podéš 1875, éště. Miloš Rieger

9. Spřažené ocelobetonové nosníky Spřažené ocelobetonové konstrukce, návrh nosníků teorie plasticity a pružnosti.

Ocelobetonové stropní konstrukce vystavené požáru Jednoduchá metoda pro požární návrh

Výpočet přetvoření a dimenzování pilotové skupiny

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

1 Použité značky a symboly

Příklad č.1. BO002 Prvky kovových konstrukcí

Posouzení za požární situace

Co je nového 2017 R2

při postupném zatěžování opět rozlišujeme tři stádia (viz ohyb): stádium I prvek není porušen ohybovými ani smykovými trhlinami řešení jako homogenní

PRUŽNOST A PLASTICITA I

Schöck Isokorb typ QS

Interakce ocelové konstrukce s podložím

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

NCCI: Návrh styku ve vrcholu rámové konstrukce

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

IDEA StatiCa novinky

Libor Kasl 1, Alois Materna 2

TENKOSTĚNNÉ A SPŘAŽENÉ KONSTRUKCE

NCCI: Modelování rámů - pružná analýza. Obsah

Pružnost a pevnost (132PRPE) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady. Část 1 - Test

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Betonové konstrukce (S)

studentská kopie 3. Vaznice - tenkostěnná 3.1 Vnitřní (mezilehlá) vaznice

Šroubované spoje namáhané smykem Šroubované spoje namáhané tahem Třecí spoje (spoje s VP šrouby) Vůle a rozteče. Vliv páčení

ZÁKLADNÍ PRINCIPY NAVRHOVÁNÍ ŽELEZOBETONOVÝCH KONSTRUKCÍ A JEJICH KRITICKÝCH OBLASTÍ

POŽÁRNÍ EXPERIMENT NA OSMIPODLAŽNÍM OBJEKTU V CARDINGTONU

PRŮBĚH ZKOUŠKY A OKRUHY OTÁZEK KE ZKOUŠCE Z PŘEDMĚTU BETONOVÉ PRVKY předmět BL01 rok 2012/2013

Cvičební texty 2003 programu celoživotního vzdělávání MŠMT ČR Požární odolnost stavebních konstrukcí podle evropských norem

Příklad č.1. BO002 Prvky kovových konstrukcí

Průvodní zpráva ke statickému výpočtu

Program dalšího vzdělávání

Prvky betonových konstrukcí BL01 7 přednáška

Jednoduchá metoda pro návrh ocelobetonového stropu

EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘOVÁNÍ STYČNÍKŮ DŘEVĚNÉHO SKELETU EXPERIMENTAL VERIFICATION OF JOINTS IN TIMBER SKELETONS

Vybrané okruhy znalostí z předmětů stavební mechanika, pružnost a pevnost důležité i pro studium předmětů KP3C a KP5A - navrhování nosných konstrukcí

Klopením rozumíme ztrátu stability při ohybu, při které dojde k vybočení prutu z roviny jeho prvotního ohybu (viz obr.). Obr.

STATICKÉ POSOUZENÍ K AKCI: RD BENJAMIN. Ing. Ivan Blažek NÁVRHY A PROJEKTY STAVEB

Jednotný programový dokument pro cíl 3 regionu (NUTS2) hl. m. Praha (JPD3)

NÁVRH OHYBOVÉ VÝZTUŽE ŽB TRÁMU

Předpjatý beton Přednáška 9. Obsah Prvky namáhané smykem a kroucením, analýza napjatosti, dimenzování.

Definujte poměrné protažení (schematicky nakreslete a uved te jednotky) Napište hlavní kroky postupu při posouzení prutu na vzpěrný tlak.

Transkript:

VÝPOČETNÍ MODELY STYČNÍKŮ OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ Lubomír Šabatka, IDEA RS s.r.o. Jaromír Kabeláč, IDEA RS s.r.o. František Wald, FSv ČVUT Praha Miroslav Bajer, FAST VUT Brno 1 ÚVODEM Při návrhu ocelové konstrukce využije statik nejčastěji prutové prvky, ale na konstrukci je řada míst, kde prutová teorie neplatí, viz Da Silva 2008, např. svařované styčníky, šroubové spoje, kotvení, otvory ve stěnách, změny výšky průřezu a lokální břemena. Pro návrh štíhlých prutů má statik k dispozici jasné a přehledné metody pro výpočet vnitřních sil a dostatek kvalitních softwarových nástrojů pro dimenzování, viz ČSN EN1993-1-1. V průřezech při pružném chování platí Navierova hypotéza. Jasný je i model pro pružno-plastické rozdělení napětí po průřezu. Platné normy dostatečně popisují potřebné posudky na pevnost i stabilitu, ČSN EN1993-1-5. Obrázek 1: Rozdíl v rozložení napětí na štíhlých prutech a v nepravidelné části styčníku V neprutových částech ocelové konstrukce je situace složitější. Průběh napětí v průřezech není pravidelný, viz obr. 1. Jeho studium a pochopení vyžaduje složitější matematické modely. Většina jevů je výrazně nelineární povahy, např. plastizování materiálu plechů, kontakty mezi čelními deskami nebo mezi patními deskami a betonovým základem, jednostranné působení šroubů a kotev, svary, viz (Jaspart a Demonceau 2008). Normy, ČSN EN1993-1-8, i odborná literatura, např. nabízí inženýrské metody řešení. Jejich obecným rysem je, že jsou odvozeny pro typické tvary konstrukcí a jednoduchá namáhání, viz (Kuhlmann a Kühnemund 2001). Jejich použití je obvykle pracné, metody se obtížně algoritmizují a zpravidla málo vypovídají o skutečném chování. 2 LZE PŘÍPOJE NAVRHOVAT JINAK? Lze a dále jsou předloženy výsledky první fáze výzkumného a vývojového projektu na pokročilé navrhování styčníků ocelových konstrukcí. Po několikaleté teoretické přípravě máme příležitost pracovat na projektu Pokročilý software pro optimální návrh obecných styčníků stavebních ocelových konstrukcí podpořený Technologickou agenturou ČR. Řešitelský tým 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 letos a bude dokončen v roce 2015. Vývojový 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.

Tažnost 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. 3 POČÍTEJME METODOU KONEČNÝCH PRVKŮ A NELINEÁRNĚ Pro výpočet detailů ocelových konstrukcí lze využít principů metody konečných prvků (např. O. C. Zienkiewicz and Taylor R). Geometrický model přípoje je rozdělen do základních komponent typu deska, šroub, betonová patka, které jsou propojeny do jednoho výpočtového modelu. Výsledkem výpočtu jsou základní veličiny, jako jsou napětí a poměrná přetvoření v deskových částech, síly přenášené šrouby nebo síly přenášené vazbami představující svar. Veličiny jsou dále využity pro posouzení jednotlivých komponent a přípoje jako celku z hlediska únosnosti a tuhosti. Obecně platí, že většina komponent v přípojích vykazuje nelineární vlastnosti. Úloha se proto řeší nelineárně za předpokladu malých deformací. napětí Reálná tahová křivka Mez kluzu Idealizovaný diagram Mezní plastické přetvoření přetvoření Obrázek 2: Reálná tahová křivka a idealizovaný pružno-plastický diagram materiálu 3.1 Materiálový model prutů a plechů Ocelové přípoje jsou tvořeny připojovanými profily doplněnými výztužnými prvky, které lze geometricky rozložit do jednotlivých desek. Pro tyto desky je použito plošného prvku přenášejícího jak membránové tak i ohybové složky. Protože se hledá skutečná únosnost přípoje, je v materiálovém modelu zohledněno plastické chování oceli. Použití napětí získaných lineárním výpočtem by vedlo ke konzervativnímu odhadu a zkreslilo skutečné chování. Ve stavební praxi se skutečný pracovní diagram pro návrh nahrazuje ideálně plastickým materiálem, viz obr. 2. Výhodou ideálně plastického materiálu je, že stačí znát pouze mez kluzu a modul pružnosti pro popis materiálové křivky. Stavební oceli mají zaručenou tažnost 15 %. Za předpokladu lineární míry přetvoření a vzhledem k použitému plastickému modelu lze použít reálnou mezní hodnotu plastického přetvoření přibližně 5%. 3.2 Tlačené plechy Štíhlé plechy ve styčníku, které jsou tlačeny, např. část pásnice a stěny a výztuhy sloupu, nosníku nebo čelní desky, mohou lokálně boulit. Při výpočtu je lze identifikovat a na základě jejich způsobu namáhání a geometrických a okrajových podmínek stanovit jejich únosnost, viz (Braun a Kuhlmann 2012) a ČSN EN1993-1-5. V modelu styčníku se prověří a omezí jejich štíhlost, nebo omezí jejich únosnost a je-li podle požadavku projektanta konstrukčně vhodné a ekonomické, využije postkritické rezervy uvažováním redukované meze kluzu. 3.3 Model šroubového spoje a kotevního šroubového spoje Model šroubového spoje je popsán jako nelineární kontakt mezi dvěma plechy o konečné velikosti s odpovídající tahovou a smykovou tuhostí, viz (Razavi a kol 2007). Kotevní šroubový spoj je modelován jako nelineární kontakt mezi betonovým blokem a patním plechem. Podloží (betonová

patka) je účinné pouze v tlaku, tak jak to ukazuje následující graf pracovního digramu podloží, viz obrázek 3. Výsledné kontaktní tlaky jsou použity pro posouzení, zda nedojde k drcení betonu. Stykové napětí Otevření kontaktu Kontakt působí Vzájemná deformace Obrázek 3: Pracovní diagram kontaktu mezi betonovou patkou a patní deskou Kotevní šroub je modelován jako pružina, která pracuje v tahu a je neúčinná v tlaku. Pracovní diagram šroubu je na obrázku 4. Výsledná síla je použita pro následné posouzení únosnosti kotevního šroubu. Síla v kotvě Kotva působí Neúčinnost kotvy Deformace kotvy Obrázek 4: Pracovní digram kotevního šroubu 4 VÝPOČETNÍ MODEL MKP SE VYTVOŘÍ AUTOMATICKY Projektant se sestavením MKP modelu nemusí zabývat. Jak lze automaticky připravit model MKP a posudek styčníku lze ukázat na příkladu svařovaného styčníku horního pasu vazníku, viz obrázek 5. Obrázek 5: Příklad přípoje otevřených průřezů Horní pás z profilu HEA280 je namáhán tlakovou silou 1336 kn, posouvající síla je 147 kn a ohybový moment 70 knm. Ve svislici z HEA180 je tlak 683 kn a v diagonále z HEA140 je tah

611kN. Obrázek 6 ukazuje poměrné přetvoření stěny pasu. Maximální hodnota je 30%, tedy mezní hodnota 5% je několikanásobně překročena. Přípoj není možné takto provést. Obrázek 6: Poměrné přetvoření stěny pasu I profil horního pasu musí být vyztužen výztuhami. Obrázek 7 ukazuje vliv dvou svislých výztuh navazujících na pásnice svislice a diagonály. Obrázek 7: Poměrné přetvoření pro styčník se dvěma svislými výztuhami Zde je patrné výrazné zlepšení nad svislicí, maximální hodnota poměrného protažení poklesla na 5,7%, ale styčník stále nevyhovuje. Při použití tří výztuh, je už chování styčníku vyhovující, viz obrázek 8. Obrázek 8: Poměrné přetvoření pro styčník se třemi svislými výztuhami Maximální poměrné protažení pokleslo pod 3%. Projektant ovšem může řešení styčníku dále optimalizovat. Zajímavým řešením jsou i dvě šikmé výztuhy nad svislicí a diagonálou, viz obrázek 9.

Obrázek 9: Poměrné přetvoření pro styčník se dvěma šikmými výztuhami Řešení se ukazuje jako nejoptimálnější. Namáhání stěny téměř vymizí a napětí z pásnic svislice a diagonály se přenáší pouze do pásnic horního pasu, který je dobře přenáší. Oproti svislým výztuhám profilu 10x80 lze navrhnout jen minimální výztuhy o profilu 6x40 a přesto je řešení řádově lepší než všechny předcházející. Ani kotvení není problém Další možnosti metody analýzy styčníků lze ukázat na příkladu kotvení sloupu. Konec sloupu a patní deska jsou modelovány konečnými prvky, kotvy jsou nelineární pružiny a betonová patka se chová jako podloží. Obrázek 10: Srovnávací napětí pro kotvení patní deskou Obrázek 10 nás jasně informuje, ve kterých místech bylo dosaženo meze kluzu materiálu. V kotvách jsou spočítány skutečné síly. Celý výpočet patky trval 3 sekundy. Jednotlivé prvky lze studovat samostatně. Na obrázku 11 jsou ukázány detailní výsledky na patní desce. a) b) Obrázek 11: Podrobnosti o namáhání patní desky, a) oblasti plastifikace, b) kontaktní napětí

Obrázek 11a ukazuje zóny, kde došlo k plastifikaci. Hodnota 1.1 % odpovídá spolehlivému návrhu patní desky. Na obrázku 11b je kontaktní napětí mezi patní deskou a betonovým základem. V barevné části dochází k tlaku plechu na beton, ve zbylé části není mezi materiály kontakt. Metoda umožňuje analyzovat různé typy namáhání. Lze ji bez problému použít například pro výpočet patky sloupu namáhaného ohybovými momenty v obou směrech. a) b) Obrázek 12: Patní deska namáhaná šikmým ohybem, a) zdeformovaný tvar konstrukce, b) tvar kontaktní oblasti Na obrázku 12a je ukázán zdeformovaný tvar konstrukce. Lze dobře odečíst rozdíl v silách v tažených kotvách. Obrázek 12b podrobněji dokumentuje vliv šikmého ohybu na tvar kontaktní oblasti mezi patní deskou a betonovým blokem. SHRNUTÍ NÁVRHOVÝ NÁSTROJ PRO KAŽDODENNÍ PRAXI Předložená metoda umožňuje optimální návrh styčníků ocelových konstrukcí. Výsledky poskytují statikovi jasnou informaci, na kolik jednotlivé části styčníku a styčník jako celek vyhoví, jakých deformací a vnitřních sil bylo při daném namáhání dosaženo, co se v něm vlastně děje. Rychlost a pracnost jsou srovnatelné se stávajícími metodami, např. metodou komponent pro otevřené průřezy a návrhovými vzorci na únosnost styčníků uzavřených průřezů. Metoda umožňuje přesně analyzovat detaily, které musel projektant-statik doposud jen odhadovat. OZNÁMENÍ Výzkum je podpořen grantem Pokročilý software pro optimální návrh obecných styčníků stavebních ocelových konstrukcí TA03010680. LITERATURA ČSN EN1993-1-5, Navrhování ocelových konstrukcí, Boulení stěn, ČNI, Praha, 2006. ČSN EN1993-1-8, Navrhování ocelových konstrukcí, Navrhování styčníků, ČNI, Praha, 2006. Da Silva Simoes L.: Towards a consistent design approach for steel joints under generalized loading, Journal of Constructional Steel Research, 64, 1059-1075, 2008. J.-P., Demonceau J.-F.: European design recommendations for simple joints in steel structures. Journal of Constructional Steel Research, 64, 7-8, 2008, 822-832. Kuhlmann U., Kühnemund F.: Komponente Stützensteg auf Druck Traglast unter Berücksichtigung einer Stützennormalkraft. Priebe, J. Eberwien, U. (Hrsg.): Festschrift zu Ehren von Prof. Dr.-Ing. Günther Valtinat, 2001, 291-300. Razavi H, Abolmaali A, Ghassemieh M., Invisible elastic bolt model concept for finite element analysis of bolted connections, Journal of Constructional Steel Research 63, 2007, 647 657. Zienkiewicz O. C., Taylor R. L., The Finite Element for Solid and Structural Mechanics, Elsevier Butterworth- Heinemann, Oxford UK, 6thedition, 2005. Braun B., Kuhlmann U., Reduced stress design of plates under biaxial compression. Steel Construction 5, No. 1, 2012, 33-40.