Příklady nevhodného návrhu styčníků ocelových konstrukcí

METODA CBFEM
Práce na nové metodě výrazně pokročily a technické veřejnost je s výsledky průběžně seznamována. Principem metody je spojení těch lepších vlastností běžně užívané metody komponent na jedné straně a metody konečných prvků na straně druhé. Metoda byla nazvána CBFEM – Component Based Finite Element Model.

CBFEM model styčníku je zpravidla sestaven jako soustava následujících prvků:

• Ocelové plechy – plechy se modelují jako stěnodeskové prvky s ideálním pružně‑plastickým materiálovým digramem.
• Kontakty mezi plechy – plechy přiložené k sobě jsou v kontaktu. Ten přenáší pouze tlakové namáhání. V tahu se nepřenáší nic a plechy se mohou volně rozevřít. Stejně tak se chová kontakt mezi ocelovou deskou a betonovým blokem.
• Svary – svary se modelují pomocí interpolačních vazeb mezi hranou jednoho plechu a plochou nebo hranou druhého plechu.
• Šrouby v tahu – šrouby pracují pouze při tahovém namáhání jako bilineární pružiny
• Šrouby ve smyku – šrouby pracují v obou směrech jako nelineární pružiny, kontaktní elementy zajišťují přenos sil jen v oblasti dotyku šroubu a stěny otvoru v plechu
• Kotevní šrouby – obdobný model jako pro šrouby v tahu
• Betonové kotevní bloky/stěny – betonové bloky jsou modelovány jako Winkler‑Pasternakovo podloží.

Celý výpočetní model styčníku obsahuje řadu nelinearit, většina komponent vykazuje nelineární vlastnosti. Vždy je nutné provádět materiálově nelineární výpočet za předpokladu malých deformací. Výsledkem výpočtu jsou napětí a přetvoření v ocelových deskách, svarech a betonovém bloku. Pro všechny šrouby i kotvy jsou přesně určeny tahové i smykové síly. Tyto hodnoty jsou pak použity pro posouzení jednotlivých komponent dle EN1993‑1‑8 a výhledově i dalších norem.

PŘÍKLAD „ŠROUBOVÉ PŘIPOJENÍ NOSNÍKU NA MĚKČÍ OSU SLOUPU“
V tomto případě projektant navrhl připojení nosníku se sloupem pomocí přípojného plechu přivařeného ke stojině sloupu. Bylo uvažováno pouze se zatížením smykovou a normálovou silou. Ve skutečnosti však plech funguje jako malá konzola, která je namáhaná i ohybovým momentem. Pokud se takové zatížení (koncové vnitřní síly N, V, M) přenese na tenkou stojinu sloupu, tak způsobí její nadměrné namáhání. V daném případě se stojina sloupu blíží povolené hranici plastické deformace již při 25% zatížení (viz obr. 1).

Podle způsobu porušení je možné navrhnout nutné úpravy pro vylepšení tohoto styčníku. Jednou z možností jsou přidané výztuhy na zadní straně sloupu (viz obr. 2).

Výztuhy dostatečně vyztuží stojinu průřezu sloupu a zabrání tak její nadměrné deformaci. Současně přenesou značnou část namáhání přímo do pásnic a rozloží tak koncentrované zatížení stojiny sloupu.

PŘÍKLAD „KŘÍŽENÍ TRUBKOVÝCH DIAGONÁL“
V dalším případě jde o nevhodné řešení, které je příčinou razantního poklesu tuhosti přípoje viz obr. 4. Z hlediska únosnosti byl přípoj navržen dostatečně. Nicméně malá tuhost může vést k neočekávanému chování v globální analýze celé konstrukce. Přípoj řeší křížení diagonál. V původním návrhu byl jeden prvek ponechán jako průběžný a styčníkové plechy k němu byly přivařeny z obou stran. Kruhový průřez je málo odolný na příčné namáhání a proto v důsledku velkých sil v diagonále ve druhém směru dochází ke změně tvaru průřezu trubky v elipsu (viz obr. 3).

Úprava styčníku je jednoduchá. Všechny diagonály propojíme jedním styčníkovým plechem (viz obr. 5). Nárůst tuhosti je patrný v tabulce na obr. 6. Celkem jednoduchá úprava má významný pozitivní dopad na tuhost připojení jednotlivých prvků. U prvku M2 jde o desetinásobný nárůst z 264 na 2 493,2 MN/m.

PŘÍKLAD „STYČNÍK PŘÍHRADOVÉHO STOŽÁRU“
V tomto případě nás kontaktoval projektant s prosbou o pomoc při návrhu styčníku stožáru linky vysokého napětí. Po zadání styčníku dle původního návrhu bylo patrné přetížení styčníkového plechu a jeho plastifikace zejména v místě šroubů. Z obr. č. 7 je také vidět, že excentrické připojení úhelníku M5 způsobuje velké deformace a šrouby nejsou schopny toto zatížení přenést.

Díky CBFEM metodě bylo nalezení kritického místa a návrh správného řešení snadné. Styčníkový plech byl zvětšen a byla k němu napojena dvojstřižným šroubovým spojem diagonála M4. Druhý styčníkový plech mohl být naopak výrazně zmenšen. Takové řešení při stejných nákladech dává zcela vyhovující výsledky.

Příklad ukazuje, že dobrý návrh nemusí být dražší. Naopak porozuměním průběhu sil a napětí ve styčníku lze dosáhnout skutečně ekonomického řešení.

ZÁVĚR – NÁVRHOVÝ NÁSTROJ PRO KAŽDODENNÍ PRAXI
Nově vyvinutá metoda CBFEM umožňuje optimální a bezpečný návrh styčníků ocelových konstrukcí. Výsledky poskytují statikovi jasnou informaci, na kolik jednotlivé části styčníku a styčník jako celek vyhovují, jakých deformací a vnitřních sil bylo při daném namáhání dosaženo. Statik snadno pochopí, co se ve styčníku přesně děje. Implementace metody do software IDEA Connection zaručila, že rychlost a pracnost jsou srovnatelné se stávajícími metodami, např. metodou komponent pro otevřené průřezy a návrhovými vzorci na únosnost styčníků uzavřených průřezů. Metoda CBFEM navíc umožňuje přesně analyzovat detaily, které musel projektant‑statik doposud jen odhadovat.

Materiál byl prezentován na konferenci Ocelové konstrukce 2015.

ZDROJE INFORMACÍ:
[1] ČSN EN1993‑1‑5, Navrhování ocelových konstrukcí, Boulení stěn, ČNI, Praha, 2006.
[2] ČSN EN1993‑1‑8, Navrhování ocelových konstrukcí, Navrhování styčníků, ČNI, Praha, 2006.
[3] Šabatka L., Wald F., Bajer M.: Praktické navrhování styčníků ocelových konstrukcí, 52. Celostátní konference o ocelových konstrukcích, 2014, Hustopeče
[4] Šabatka L., Wald F., Kabeláč J., Godrich L., Navrátil J.: Component based finite element model of structural connections, 12th International Conference on Steel, Space and Composite Structures 28–30 May 2014, Praque 

Examples of Improper Design of Steel Structure Joints
Most of the failures and accidents of steel structures is caused by a wrong design of details. In case of more complex joints, designers have only estimated the weaknesses of the joints, but they have not been able to clearly prove their suppositions until now. The newly developed CBFEM method (Component Based Finite Element Model method) allows optimal and safe design of joints. Results provide clear information for the structural engineer stating an extent to which each part of the joint and the joint itself meets the requirements. The following examples show real examples from the practice, where unsuitable joint designs were showed thanks to CBFEM method; the cause of the problem was analyzed and a better solution was found at the same time.

Autoři

• Ing. Šabatka Lubomír CSc.
• Prof. Ing. Wald František CSc.
• Ing. Kabeláč Jaromír
• Ing. Kolaja Drahoslav
• Ing. Rolný Martin