Experimentálně stanovená tuhost rámového rohu tenkostěnné ocelové konstrukce

• Foto

NÁVRH
Při sklonu příčle je rámový roh kromě ohybového momentu a posouvající sily namáhán i normálovou silou. Nejjednodušším řešením je vložení tlustého styčníkového plechu, viz např. [1]. S touto variantou se i při vyztužení plechu v tlačené části pásnicí dosahuje výrazně nižší únosnosti, než mají připojované pruty. Tuhost styčníku se zvyšuje lepením. Řešení neumožňuje využít dolní pásnici příčle k montáži zateplení. Navržený rámový roh je tvořen dvojicí rohových vložek tvaru U, které se zasunují do průřezu sloupu a příčle, viz obr. 1 a 2. Vložky jsou v rohu přivařeny na šikmou čelní desku, která vyztužuje panel stěny ve smyku. K profilům sloupu a příčle a mezi sebou jsou vložky spojeny šrouby. Ohybovou tuhost styčníku zajišťuje čelní deska a vhodná geometrie rozmístění šroubů. Detail se osvědčil pro konstrukce se stejnými profily sloupů i rámových příčlí ze dvou profilů tvaru C. Řešení s vložkou nevyžaduje výrobu složitějších svařených prvků. Spojovací části lze snadno připravit na ohraňovacím lisu. Vlastní svaření přípravku s využitím čelní desky neklade zvláštní nároky na přesnost montáže nebo na polohovací přípravek pro výrobu vložky.

Předběžný návrh vycházel z rozboru zatížení a z globální analýzy prutové konstrukce Skála & Vít s. r. o. Hala je určena pro druhou sněhovou oblast. V rámovém rohu při mezním stavu únosnosti působí ohybový moment 101 kNm a normálová síla –54 kN. Při návrhu spoje byla podle [4], [5] a [6] ověřena únosnost vložek třídy 4 při namáhání ohybem za tlaku, momentová únosnost šroubovaného spoje na základě otlačení šroubů a plechů a boulení plechů mezi šrouby. Konstrukční svar na čelní desku má větší účinnou výšku než je tloušťka spojovaných materiálů. Navržené řešení bylo vyzkoušeno v laboratoři Kloknerova ústavu ČVUT v Praze.

ZKOUŠKY
K ověření ohybové tuhosti, únosnosti a deformační kapacity při statickém a opakovaném zatížení bylo uskutečněno šest zkoušek ve dvou sériích. Zkoušela se vždy dvojice výřezů z konstrukce. Každý výřez sestával z části sloupu, příčle, a z vložky rámového rohu. Pro stabilizaci ve vodorovném směru byl výřez při zkoušce opatřen vnějším i vnitřním pláštěm ze sendvičových panelů. První série o třech zkouškách byla provedena na vzorcích s vložkou o tloušťce 4 mm a druhá na vzorcích o tloušťce 3 mm. Výřezy konstrukce se styčníky byly na koncích opatřeny kloubovém uložením z kulatiny Ø 12 a zatěžovány osovou silou. Geometrie výřezů konstrukce byla navržena tak, aby byl zkušební prvek namáhán stejnou kombinací ohybu a normálové síly jako při rozhodující kombinaci zatížení na skutečné konstrukci, viz obr. 3 a 4 . Pro jednotlivé zkoušky byla volena odlišná historie zatěžování.

První zkouška z každé série byla zatížena rostoucím zatížením. Do požadované únosnosti se postupovalo po krocích s ustálením deformací na každém kroku. Na předpokládané mezi použitelnosti byl vzorek odtížen na 10 % očekávané únosnosti. Poté byl vzorek zatěžován až do dosažení největší únosnosti. Tyto zkoušky jsou označeny jako 4-1S, resp. 3-1S, kde první číslice uvádí tloušťku vložky v mm, druhá číslice značí číslo zkoušky v sérii a písmeno S značí, že vzorek byl zatěžován rostoucím zatížením. Druhý vzorek v sérii byl zatěžován při odtěžování. Předpokládaná únosnost, která byla zjištěna již první zkouškou, byla rozdělena na sedm úrovní. Po dosažení každé úrovně zatížení byl vzorek odtížen na 15 % únosnosti. Zkouška lépe umožnila sledovat počáteční tuhost a průběh nelineárního chování při plastifikaci a boulení tenkých plechů. Vzorky byly označeny 4-2C a 3-2C, kde C značí, že vzorek byl zatěžován s odlehčením. Při třetí zkoušce v každé sérii bylo zatěžováno třikrát opakovaně na každé úrovni zatížení, viz [7]. Průběh zatížení vycházel opět z únosnosti zjištěné při předchozí zkoušce.

Deformace během zkoušky byly měřeny průhyboměry v místě zatěžování a u vložky. Velikost působící síly byla určována kalibrovaným zatěžovacím členem. Během zkoušky byla geometrie vzorků zaznamenávána fotogrammetricky. Záběry dvěma kalibrovanými fotoaparáty s konstantní základnou umožňují během zatěžování vytvořit 3D obraz vzorku. Z naměřených dat průhyboměrů byly sestaveny pracovní diagramy. Na obr. 5 a 6 jsou znázorněny závislosti momentu na natočení pro obě série zkoušek. Důležitou informaci přináší tvary porušení vzorku. Vzorky s vložkou o tloušťce 4 mm se porušily lokální ztrátou stability pásnice spojovaného prvku, viz obr. 7. Styčník u těchto vzorků dosáhl větší únosnosti než spojované prvky konstrukce. Vzorky s vložkou o tloušťce 3 mm se porušily lokální ztrátou stability pásnice a stojiny vložky rámového rohu viz obr. 8 a 9.

MATERIÁLOVÉ ZKOUŠKY
Ze zkušebních vzorků obou sérii byly provedeny tři materiálové zkoušky z připojovaných profilů i z vložky. U první série byly u připojovaných profilů průměrné hodnoty meze pevnosti f_u,obs = 328 MPa, meze kluzu f_y,obs = 244 MPa a tažnosti 50,4 % a u plechu vložky 387 MPa, 320 MPa a 36,8 %. U druhé série byly u připojovaných profilů průměrné hodnoty meze pevnosti 415 MPa, meze kluzu 355 MPa a tažnosti 37,9 % a u plechu vložky 550 MPa, 454 MPa a 28,1 %.

VYHODNOCENÍ EXPERIMENTŮ
Naměřené hodnoty momentů a natočení při porušení a v lineárním stavu, viz [8], jsou shrnuty v tab. 1 kde M_u,obs je moment ve vzorku při zatížení silou na mezi únosnosti, ð_u,obs je natočení od momentu M_u,obs, Sj,obs sečná tuhost vztažená k mezi únosnosti, M_el,obs moment ve vzorku v elastickém stavu, ð_u,obs je natočení od momentu M_el,obs a S_j,ini,obs je počáteční tečná tuhost spoje.

Charakteristická hodnota tuhosti se uvažuje podle A.6.3.3 [4] jako 95 % změřené hodnoty. Vložka o tloušťce 4 mm má počáteční tuhost S_j,ini = 16.720 kNm/rad. Sečná tuhost vztažená k mezi únosnosti nabývá hodnoty S_j = 4.750 kNm/rad. Vložka o tloušťce 3 mm má počáteční tuhost S_j,ini = 18.800 kNm/rad. Sečná tuhost vztažená k mezi únosnosti nabývá hodnoty S_j = 4.370 kNm/rad. Pro dané rozpětí konstrukce lze styčník klasifikovat podle tuhosti na tuhý, polotuhý a kloubový. Pru tuhý styčník nevyztuženém rámu se vychází z požadavku na přesnost výpočtu vodorovné deformace mezní stav použitelnosti 20 %, viz [10]. Pokud se tento požadavek neporovná samostatným posouzením, požaduje se poměrná tuhost styčníku ku příčli nejméně 25. Pro příčli 18 m má být tuhost ohybně tuhého styčníku nejméně:

viz. Obr. 5 – Pracovní diagramy vzorků s vložkou tl. 4 mm

viz. Obr. 6 – Pracovní diagramy vzorků s vložkou tl. 3 mm

SHRNUTÍ
U zkoušených vzorků s vložkou o tloušťce 4 mm s roztečí vnějších šroubů 200 mm byla ze zkoušky stanovena charakteristická hodnota počáteční tuhosti styčníku 16.720 kNm/rad. Podle ČSN EN 1993-1-8:2005, viz [5], se doporučuje při globální analýze tuhost spoje zohlednit. Rámový roh s vložkou o tloušťce 3 mm byl navržen s větší vnější roztečí šroubů 240 mm, viz obr. 3, a charakteristická hodnota počáteční tuhosti styčníku 18.800 kNm/rad podle [5] odpovídá pro danou konstrukci tuhému spoji. Ve výsledném řešení byla použita vložka tl. 4 mm s podélnou roztečí vnějších šroubů 240 mm. Tuhost styčníků se ve výpočtu zohledňovala.

Příprava, provedení a vyhodnocení zkoušek bylo podpořeno výzkumným záměrem MŠMT Udržitelná výstavba MSM 6840770005. Výsledky práce jsou u Úřadu průmyslového vlastnictví České republiky chráněny užitným vzorem č. 18977.

LITERATURA:
[1] Materiály AccessSteel, viz URL: www.access-steel.com, výklad viz www.access-steel.cz
[2] Klich, R., Wojnar, A., Kozłowski, A.: Badania doświadczalne węzłów narożnych ram wykonanych z profili cinkościennych, Officyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, ISSN 0209-2646, Rzeszów 2008
[3] Dunai, L., Foti, P.: Experimental behaviour mode sof cold-formed frame-corners, Connections in Steel Structures V., pp. 234–525, Amsterdam, 2004, ISBN 90-9019809-1
[4] ČSN EN 1993-1-3: 2008: Navrhování ocelových konstrukcí, Obecná pravidla – Doplňující pravidla pro tenkostěnné za studena tvarované prvky a plošné profily, ČNI, Praha, 2008
[5] ČSN EN 1993-1-8: 2006: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-8: Navrhování styčníků, ČNI, Praha, 2006
[6] ČSN EN 1993-1-5: 2008: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-5: Boulení stěn, ČNI, Praha, 2008
[7] ECCS, Recomended testing procedure for assessing the behaviour of structural steel elements under cyclic loading. European convention for constructional steelwork, TC1 TWG 1.3. Brussels, 1986
[8] Wald, F., Žižka, J.: Únosnost ocelových rámových šroubovaných spojů, vyhodnocení experimentu, ČVUT v Praze, Praha 2008
[9] ECCS, European recommendations for steel construction, the design and testing of connections in steel sheeting and sections, Publication No. 21, Brussels, 1983
[10] Sokol, Z., Wald, F.: Navrhování styčníků, ČVUT v Praze, Praha 1999, 144 s. ISBN 80-01-02073-8.

Experimentally Determined Strength of Frame Corner of Thin-wall Steel Structure
The article introduces flexible strength of new geometry of frame corner of thin-wall steel bar structure with poles and front sides made of a pair of shape C profiles. The behaviour of node which was designed for insulated agricultural buildings was experimentally tested for the impacts of static and seismic load.

Autoři

• Prof. Ing. Wald František CSc.
• Ing. Ferkl Vladimír
• Ing. Žižka Jiří