Navrhování styčníků ocelových konstrukcí podle EN 1993-1-8

• Foto

Často není ani možné přesně určit, jak se daný styčník chová staticky, tedy zda svou tuhostí reprezentuje kloub nebo tuhé spojení. Se všemi těmito úskalími se musí statik vyrovnat a důležitým pomocníkem mu bývá zkušenost a cit pro konstrukci. To jsou však veličiny „neměřitelné“ a je potřeba je podložit exaktním a zdůvodněným matematickým propočtem. Návodem a současně předpisem pro posouzení styčníků ocelových konstrukcí je norma ČSN EN 1993-1-8. Tato norma patří do komplexu Eurokódů a duchu těchto norem nezůstává nic dlužna. Tradičně je možno se zde setkat s určitou mírou eurokódového chaosu, nelze očekávat jednoduchý a logický popis výpočtu, ale je nutno si pospojovat věci, které spolu souvisejí a vzájemně se ovlivňují. Kromě toho je potřeba listovat i v dalších odkazovaných svazcích Eurokódů.

Filozofie posudku styčníku podle uvedené normy je založena na principu komponent. Znamená to, že styčník je modelován jako sestava základních prvků (komponent), z nichž každý přispívá k celkové tuhosti a pevnosti styčníku. Každá komponenta je pak posouzena samostatně a pro každý druh namáhání styčníku je stanovena rozhodující komponenta, což je ta, pro kterou je dosaženo nejvyšší hodnoty využití. Jsou-li známy rozhodující komponenty styčníku, je pak možno velmi efektivně zvyšovat únosnost styčníku jako celku změnou právě té rozhodující komponenty.

Jako typické příklady komponent styčníku lze uvést: šrouby v tahu, šrouby ve střihu, šrouby v otlačení, čelní deska v ohybu, tlačená část stěny a pásnice nosníku, tažená část stěny nosníku, stěna sloupu ve smyku, stěna sloupu v tahu, pásnice sloupu v ohybu, svary, vytržení skupiny šroubů a další typy pro různá konstrukční uspořádání styčníků. Pro každou komponentu se vypočítává návrhová únosnost, pro některé z nich pak i tuhost a rotační kapacita.

Pro řešení takto komplexních úloh se nabízí využití výpočetní techniky a vhodného softwaru. Jedním z tradičních softwareových produktů, který problematiku styčníků ocelových konstrukcí řeší, je dvojice programů Ocelové spoje a Ocelová patka, které nabízí softwareová společnost Fine. Přesto, že není možno zde popsat jednotlivé výpočetní postupy u všech možných variant konstrukčního uspořádání styčníků, podívejme se, alespoň v hrubých obrysech na možnosti, které uvedené programy poskytují. Zmíníme se o základních, nejčastěji používaných typech a budeme sledovat základní parametry statického výpočtu, aniž bychom se pouštěli do detailů jednotlivých posudků.

OHYBOVĚ TUHÝ STYČNÍK
Jednu z možných variant ohybově tuhého (resp. polotuhého) připojení nosníku na sloup znázorňuje obr. 1. Pro posouzení únosnosti je styčník modelován komponentami: čelní deska v ohybu, pásnice sloupu v ohybu, šrouby v tahu, stěna sloupu ve smyku, pásnice náběhu v tlaku, stěna nosníku v tahu, stěna nosníku ve smyku, šrouby ve střihu, otlačení šroubů v čelní desce, otlačení šroubů v pásnici sloupu, čelní deska ve smyku, vytržení skupiny šroubů z čelní desky, napjatost ve svarech. Pro výpočet tuhosti styčníku se pro jednotlivé komponenty stanoví součinitel tuhosti a z výsledného celkového součinitele tuhosti se vypočítá celková rotační tuhost přípoje. Podle tuhosti je pak možno rozhodnout, má-li být na přípoj pohlíženo jako na tuhý či polotuhý.

KLOUBOVÝ STYČNÍK
Často používaným typem spoje je kloubové spojení nosníku s průvlakem. Schéma takového styčníku je znázorněno na obr. 2. Modelování spoje pomocí komponent se bude pochopitelně lišit od předešlého případu. Zde přijdou ke slovu komponenty: stěna nosníku ve smyku, šrouby ve střihu, otlačení šroubů v čelní desce, otlačení šroubů ve stěně průvlaku, čelní deska ve smyku, vytržení skupiny šroubů z čelní desky, napjatost ve svarech. Výpočet tuhosti zde odpadá, protože styčník je z hlediska statiky považován za kloubový.

STYČNÍKY PŘÍHRADOVÝCH KONSTRUKCÍ
Oblíbené příhradové konstrukce s sebou přinášejí další typy styčníků. Nejčastěji je to připojení prvků profilu úhelníku k pásům příhradových nosníků pomocí styčníkového plechu nebo svařené styky trubkových prutů, ať už kruhového nebo čtyřhranného průřezu. Typický trubkový styčník je vidět na obr. 3. U tohoto styčníku se pro každou z diagonál posuzuje porušení povrchu pásu, prolomení povrchu pásu smykem, porušení pásu smykem a porušení vlastní diagonály. Styčník příhradové konstrukce tvořený profily tvaru úhelníku konstruovaný pomocí styčníkového plechu je znázorněn na obr. 4. U styčníkového plechu se posuzuje smyková, normálová a momentová únosnost a únosnost svarů plechu. U jednotlivých diagonál se pak posuzuje oslabený průřez, šrouby ve smyku, otlačení šroubů na plechu a na průřezu prutu a vytržení skupiny šroubů. Pro posudek vytržení skupiny šroubů je potřeba posoudit všechny možné tvary vytržení, a to jak vytržení ze styčníkového plechu, tak vytržení z průřezu prutu.

PATKA OCELOVÉHO SLOUPU S KOTEVNÍMI ŠROUBY
Patka sloupu je speciálním typem styčníku ocelové konstrukce. K ocelovým prvkům zde přibývá betonová část základu, je tedy třeba použít patřičné partie z Eurokódu pro betonové konstrukce (EN 1992-1-1). Pro kotvení sloupů se používají speciální kotevní šrouby, např. šrouby s hákem nebo kotevní hlavou, či šrouby zalepené v předvrtaných otvorech. Příklad kotvení sloupu se zalepenými šrouby je ukázán na obr. 5.

Součástí výpočtu je posouzení únosnosti betonu v tlaku, posudek páčení šroubů v tažené části patního plechu, výpočet momentové únosnosti šroubů, posouzení svarů mezi sloupem a patním plechem, posouzení ohybu patního plechu. Pro další statické výpočty se též stanovuje celková tuhost spoje.

Designing the Joints of Steel Structures According to EN 1993-1-8
Static calculation of joints of steel structures according to EN 1993-1-8 involves performing a number of assessments on the individual components of joints, which can be quite laborious. This activity can be made significantly more effective using the appropriate software, which can facilitate manual calculation work for the design engineers and allow them to devote more time to choose different options of solution and optimization of structural elements.

Autor

• Ing. Starý Jan