Sylabus přednášek OCELOVÉ KONSTRUKCE Studijní program: STAVEBNÍ INŽENÝRSTVÍ pro bakalářské studium Kód předmětu: K134OK1 4 kredity (2 + 2), zápočet, zkouška Prof. Ing. František Wald, CSc., místnost B 632 1. Úvod, historie i ocelových konstrukcí, k použití, významné stavby, výroba oceli 2. Vlastnosti oceli, zkoušky materiálu, značení oceli 3. Výroba konstrukcí 4. Spolehlivost konstrukcí, mezní stavy, normy pro navrhování, tah 5. Tlak, vzpěrný tlak 6. Klasifikace průřezů, ohyb, hospodárný návrh 7. Svařování, svařované spoje 8. Nýtování a šroubování, šroubované spoje 9. Skelety budov, prostorová tuhost 10. Skelety budov, spoje 11. Jednopodlažní haly 12. Haly velkých rozpětí 13. Mosty, názvosloví, lávky 14. Ochrana proti korozi a požáru 1 2 Obsah přednášky, Tahová zkouška - Mez kluzu f y - Mez pevnosti f u - Tažnost =ΔL δ L 0 3 4 Výroba ocelových konstrukcí Ocelové konstrukce k - globální komodita Ve výrobně svařujeme Na stavbě šroubujeme Vyrábět konstrukce podle projektu, bez výrobní dokumentace, se nedoporučuje č Obsah přednášky 5 6
SPOLEHLIVOST KONSTRUKCÍ 1. Intuice (podepřeno zkušeností) 2. Součinitele bezpečnosti (hrubé odhady) 3. Pravděpodobnostní metody návrhu Zvláštním předmět ř studijního programu Stavební inženýrství Metoda dílčích součinitelů spolehlivosti Polopravděpodobnostní metoda Základ evropských norem pro navrhování konstrukcí 7 Dělení zatížení Původ Gravitační působení (vlastní hmotnost) Klimatická (sníh, vítr, déšť, námraza, teplota) Užitná (zatížení stropů v budovách) Určitost Přesně stanovitelná (např. zatížení mostů) Značně neurčitá (např. vítr) Pravidelnost Pravidelně Nemusí vzniknout vůbec Přírodní katastrofy (zemětřesení) Nehody (výbuch) 8 Klasifikace zatížení Podle proměny v čase Stálá (G) Proměnná - nahodilá (Q) Mimořádná (A) Velikost zatížení Pomocí statistických ti ti charakteristik Velikost zatížení Četnost výskytu Podle proměny v prostoru Pevná (se stálým působištěm) Volná (působiště se může měnit) Z hlediska zrychlení Statická Dynamická (nezanedbatelné zrychlení) 9 Histogram Nahradit teoretickou křivkou Střední hodnotu, rozptyl Gaussovo normální rozdělení pravděpodobnosti 10 Zřícení střech od zatížení sněhem Zima 2006 Největší sníh byl 1946 V ČR 20 leté vyhodnocování Evropská koncepce 50 let -v ČR verze 2007 Kolapsy jiné příčiny než sníh Zřícení střech od zatížení sněhem Sníh nad 900 m n.m. se obtížněji předpovídář Do 900 m n. m. je zatěžovací zkouška 11 12
Návrhové zatížení F d Pravděpodobnost p F max = γ F F k F min = γ F F k F k charakteristická hodnota p výsledná pravděpodobnost 13 β = 38 3,8 pro mezní stav únosnosti β = 1,5 pro mezní stav použitelnosti pro návrhovou životnost konstrukce (obvykle 50 let) Index spolehlivosti β = μ z /σ z μ z průměrů ě σ z směrodatná odchylka náhodné veličiny Z Z = R - S R únosnost S zatížení 14 Kombinace většího počtu zatížení ÚNOSNOST R (resistance) Zmírňující ň í součinitel it kombinace zatížení í ψ Materiál proměnná ě kvalita Dynamický součinitel δ Dynamické účinky Dynamický výpočet Kvazistatický výpočet Únosnost nahodile proměnnou veličinou Příklad taženého prutu R k = A f y A plocha f y charakteristická hodnota meze kluzu Histogram výsledků 15 16 Návrhová únosnost R d (design resistance) R d = R k / γ M R k charakteristická hodnota γ M dílčí součinitel spolehlivosti materiálu Princip spolehlivosti S d R d S d největší možný návrhový účinek zatížení R d nejmenší možná návrhová únosnost konstrukce 17 18
Obsah přednášky 19 MEZNÍ STAVY Mezní stav konstrukce při překročení přestanou být splněna kritéria stavu únosnosti Pevnost Vzpěrná pevnost Pevnost na únavu Křehký lom Stabilita polohy použitelnosti (v provozním stavu konstrukce) Deformace Pružné, Trvalé celkové Kmitání Estetika 20 Příklad - Mezní stav stability polohy E d,dst E d,stb E d,dst návrhové účinky destabilizujících zatížení E d,ds = H h E d,stb návrhové účinky stabilizujících zatížení E d,stb = G b Při mezním stavu únosnosti Extrémní zatížení í (γ F > 10) 1,0) F d = F k * γ F Minimální únosnost (γ M > 1,0) R d = R k / γ F 21 Mezní stav použitelnosti V běžném provozu Běžné zatížení (γ F =1) Nominální rozměry konstrukce Pro únosnost konstrukce Charakteristické hodnoty meze kluzu (γ M =1) Materiálové charakteristiky (E, G) Nominální hodnotou (průměr) 22 Příklad - Spolehlivost na pracovním diagramu Obsah přednášky σ 300 200 MSÚ 100 MSP 0 Napětí, MPa 235 235 / γ M E = 2,06 *E5 Poměrné protažení 0 005 0,05 01 0,1 015 0,15 02 0,2 025 0,25 ε 23 24
Evropské normy Většina výrobkové normy Návrhové normy y( (Eurokódy) Evropské normy od 1980 Evropská normalizační komisi (CEN) od 1990 ČR člen od 1998 Předběžné normy (ENV) Národní aplikační dokument (NAD) - národní odlišnosti Rámečkové hodnoty národní odlišnosti ve spolehlivosti Definitivní evropské normy (EN) v 2005-2006 Národní příloha, velmi omezená 25 Navrhování ocelových konstrukcí po 2010 EN 1990 Zásady EN 1991 zatížení EN Materiál EN 1090 Výroba EN 1993 EN 1997 Zakládání EN 1998 Zemětřesení - Zatížení - Navrhování EN Průřezy EN Šrouby EN Svařování 26 NORMY PRO NAVRHOVÁNÍ Nejsou zákonem (dány zákonem) Respektovány jako doklad posledních poznatků vědy a techniky Česká harmonizovaná soustava ČSN 73 1401 Navrhování ocelových konstrukcí Česká norma - mezní stavy od 1968 V roce 1998 obdobná jako evropská předběžná norma Evropská harmonizovaná soustava ČSN P ENV 1993-1-11 1 Navrhování ocelových konstrukcí k Předběžná evropská norma (P, V) doplněna Českým ý národním aplikačním dokumentem končí 2008 ČSN EN 1993-1-1 Navrhování ocelových konstrukcí Evropská norma Doplněna národní přílohou (přeložena, lze koupit pro ostatní evropské země 27 Zavádění Eurokódů v Evropě Opouštění národních norem bolestivé (BS, DIN atd.) Národní přílohy v 2007 a později Například pro 1991-1-2, vydána od 2002, má NA asi jen ČR V ČR jedna z obtíží při zavádění - spolehlivost zatížení X materiálu 1. Systém ČSN 2. Systém ENV 3. Systém EN Přecházet mezi systémy nelze. 28 Evropské návrhové normy EN 1990 Eurokód 0 Zásady navrhování od 2004 ČSN EN 1991 Eurokód 1 Zatížení staveb od 2004 ČSN EN 1992 Eurokód 2 Navrhování betonových konstrukcí od 2005 ČSN EN 1993 Eurokód 3 Navrhování ocelových konstrukcí od 2005 ČSN EN 1994 Eurokód 4 Navrhování spřažených ocelobet. konstrukcí od 2005 ČSN EN 1995 Eurokód 5 Navrhování dřevěných konstrukcí od 2005 ČSN EN 1996 Eurokód 6 Navrhování zděných konstrukcí EN 1997 Eurokód 7 Geotechnické navrhování EN 1998 Eurokód 8 Navrhování konstrukcí na účinky zemětřesení EN 1999 Eurokód 9 Navrhování hliníkových konstrukcí 29 Ocelové konstrukce EUROKÓD 3 Ocelové konstrukce EN 1993-1-1 Ocelové konstrukce Obecná pravidla 12/06 EN 1993-1-2 Ocelové konstrukce Navrhování konstrukcí na účinky ypožáru 12/06 EN 1993-1-3 Ocelové konstrukce Tenkostěnné 04/07 EN 1993-1-4 Ocelové konstrukce Korozivzdorné oceli 01/08 EN 1993-1-5 Ocelové konstrukce Boulení stěn 04/07 EN 1993-1-6 Ocelové konstrukce Pevnost a stabilita ocelových skořepin 07/07 EN 1993-1-7 Ocelové konstrukce Příčně zatížené deskostěnové konstrukce 11/07 EN 1993-1-8 Ocelové konstrukce Spoje 12/06 EN 1993-1-9 Ocelové konstrukce Únava 09/06 EN 1993-1-10 Ocelové konstrukce Křehký lom 12/06 EN 1993-1-11 Ocelové konstrukce Navrhování ocelových tažených prvků 01/08 EN 1993-1-12 Ocelové konstrukce Doplňující pravidla pro oceli vysoké pevnosti do třídy S700 09/07 EN 1993-2 Ocelové konstrukce Mosty 04/07 EN 1993-3-1 Ocelové konstrukce Stožáry 05/07 EN 1993-3-2 Ocelové konstrukce Komíny 05/07 EN 1993-4-1 Ocelové konstrukce Zásobníky 09/07 EN 1993-4-2 Ocelové konstrukce Nádrže 09/07 EN 1993-4-3 Ocelové konstrukce Potrubí 09/07 EN 1993-5 Ocelové konstrukce Piloty a štětové stěny 09/07 EN 1993-6 Ocelové konstrukce Jeřábové dráhy EUROKÓD 4 Ocelobetonové konstrukce EN 1994-1-1 Ocelobetonové konstrukce Obecná pravidla 08/06 EN 1994-1-2 Ocelobetonové konstrukce Navrhování konstr. na účinky požáru 12/06 EN 1994-2 Ocelobetonové konstrukce Mosty 01/07 30
Dvě harmonizované soustavy (v současnosti) Podle dvou norem (liší se nastavením spolehlivosti) ČSN 73 1401 ČSN P ENV 1993-1-1 a ČSN EN 1993-1-1 Zatížení Česká cesta (normy ČSN 73 0035 a ČSN 73 1401) γ F = (1,20; 1,40) γ M = (1,15 až 1,50) Evropská cesta (normy ČSN EN 1991 a ČSN EN 1993) Předběžná norma ( s českým zatížením, s evropským zatížením) Evropská norma γ F = (1,35; 1,50) γ M = (1,00 až 1,25) Přeskakování mezi oběma systémy nelze/nedoporučuje se 31 Součinitele γ F ; γ M v evropských normách EN Ocelové profily Válcování - kladné tolerance Materiál - kladné tolerance γ F = (1,35; 1,50) γ M = (1,00 až 1,25) Únosnost průřezů kterékoliv třídy γ M0 = 1,00 Únosnost průřezů ů při posuzování stability prutů γ M1 = 100 1,00 Únosnost průřezů při porušení oslabeného průřezu v tahu γ M2 = 1,25 Únosnost šroubů; nýtů; čepů; svarů γ M2 = 125 1,25 Únosnost čepů v mezním stavu použitelnosti γ M3,ser = 1,25 32 Dílčí součinitele bezpečnosti ČSN EN γ M = 1,00 Druh zatížení Účinek Provozní zatížení Extrémní zatížení Stálé příznivý γ G = 10 1,0 γ G,min = 10 1,0 Nepříznivý γ G = 1,0 γ G,max = 1,35 Proměnné γ Q =10 1,0 γ Q =150 1,50 33 Obsah přednášky 34 Úrovně programů pro OK Zakázky Předběžný návrh Statika Kreslení Komunikace mezi systémy Databáze Ucelené systémy Jednoúčelové nástroje Úrovně statické analýzy Předběžná Tabulky Doporučení Inženýrské modely Analytické modely (vzorečky) Diskrétní analýza MKP 35 36
Statické řešení Zatížení Globální analýza Stabilita Štíhlé pruty imperfekce Teorie druhého řádu Posouzení průřezů Posouzení detailů Další (za požáru) Např. RStab, SCIA.ESA, FINE 37 Kreslení Grafické např. AutoCad, Archicad Nadstavby pro OK Objektové např. Bocad, Strucad, Xsteel Výstupy Výkresy pro kontrolu Data pro NC stroje a polohovadla Programy pro správu objektů Objektů/technologii 38 Obsah přednášky 39 40 Příklad Zatížení F F d = γ F F k F Únosnost R = R γ = Af γ = Af d k M y M yd f = f γ yd y M 41 42
TAŽENÝ PRUT Rozložení napětí σ = N / A Únosnost taženého prutu Plného průřezu N pl,rd = A f y / γ M0 Oslabeného průřezu (dírami) N u,rd = 0,9 A net f u / γ M2 43 44 Účinná plocha A net Zalomený řez Excentricita Vždy respektovat t moment M Možno zjednodušeně 45 46 Mezní stav použitelnosti Průhyb taženého vlákna Kmitání Lano Tenké dráty Vysokopevnostní ocel (1500 MPa) Splétaná nižší modul pružnosti - dotlačování drátů E 140 000 MPa S rovnoběžnými dráty Výroba na stavbě Kmitání Lávky nižší než 1-2 Hz 47 48
Obsah přednášky Aktualita Shrnutí spolehlivost návrhu Metoda mezních stavů metoda dílčích součinitelů spolehlivosti únosnosti ypoužitelnosti Dílčí součinitele spolehlivosti: součinitel materiálu γ M součinitel zatížení γ F Princip spolehlivosti γ S R γ F k k M 49 50 Shrnutí spolehlivost návrhu Zatížení stálá (G) proměnná - nahodilá (Q) mimořádná Zatížení,,parametry materiálu: charakteristické návrhové Kombinace zatížení Dvě harmonizované soustavy (v současnosti) Zatížení Materiál Česká cesta (normy ČSN 73 0035 a ČSN 73 1401) γ F = (1,20; 1,40) γ M = (1,1515 až 1,50) Evropská cesta (normy ČSN EN 1991 a ČSN EN 1993) Předběžná norma ( s českým zatížením, s evropským zatížením) Evropská norma γ F = (1,35; 1,50) γ M = (1,1010 až 1,25) Normy pro navrhování ČSN ČSN P ENV ČSN EN 51 Na vysoké škole se vyučují principy V praxi je třeba příslušné součinitele dostudovat /zvolit Znalost zásad a EN může být výhoda 52 Únosnost taženého prutu Obsah přednášky plného průřezu N pl.rd = A f y / γ M0 průřezu oslabeného dírami N u.rd = 09 0,9 A net f u / γ M2 53 Nejlepší OK 2007 54
Sylabus přednášek 1. Úvod, historie i ocelových konstrukcí, k použití, významné stavby, výroba oceli 2. Vlastnosti oceli, zkoušky materiálu, značení oceli 3. Výroba konstrukcí 4. Spolehlivost konstrukcí, mezní stavy, normy pro navrhování, tah 5. Tlak, vzpěrný tlak 6. Klasifikace průřezů, ohyb, hospodárný návrh 7. Svařování, svařované spoje 8. Nýtování a šroubování, šroubované spoje 9. Skelety budov, prostorová tuhost 10. Skelety budov, spoje 11. Jednopodlažní haly 12. Haly velkých rozpětí 13. Mosty, názvosloví, lávky 14. Ochrana proti korozi a požáru Děkuji za pozornost 55 56