Několik příkladů nevhodného návrhu styčníků ocelových konstrukcí a možná řešení
Některé poruchy a havárie ocelových konstrukcí jsou způsobeny chybným návrhem detailu. U složitějších styčníků projektanti doposud pouze odhadovali slabá místa, ale nedokázali jasně potvrdit své domněnky. Metoda CBFEM umožňuje optimální a bezpečný návrh styčníků. Výsledky poskytují statikovi jasnou informaci, nakolik jednotlivé části styčníku i styčník jako celek vyhovují požadavkům bezpečného návrhu. Na následujících příkladech lze posoudit případy z praxe, u kterých byl metodou CBFEM prokázán nevhodný návrh styčníku, byla analyzována příčina problému a současně nalezeno vhodnější řešení.
Metoda CBFEM
Práce na nové metodě výrazně pokročily a technická veřejnost je s výsledky průběžně seznamována. Principem metody je spojení 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/komponent:
- 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 ve všech směrech jako nelineární pružiny, přičemž kontaktní elementy zajišťují přenos sil jen v oblasti dotyku šroubu a stěny otvoru v plechu.
- Kotevní šrouby – použije se obdobný model jako pro šrouby v tahu.
- Betonové kotevní bloky/ stěny – betonové bloky jsou modelovány jako Winkler-Pasternakovo podloží.
Výpočetní model styčníku obsahuje řadu nelinearit, neboť většina komponent vykazuje nelineární vlastnosti. Vždy je proto 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 určeny tahové i smykové síly. Tyto hodnoty jsou pak použity pro posouzení jednotlivých komponent dle EN1993-1-8 a výhledově i dalších norem.
První příklad: Šroubové připojení nosníku na měkkou osu sloupu
V tomto případě projektant navrhl připojení nosníku na sloup pomocí přípojného plechu přivařeného ke stojině sloupu. Bylo uvažováno se zatížením smykovou a normálovou silou. Ve skutečnosti však plech funguje jako krátká konzola, která je namáhaná i ohybovým momentem. Z výpočtů plyne, že pokud se toto zatížení (N,V,M) přenese na tenkou stojinu sloupu, způsobí její nadměrné namáhání. V daném případě se stojina sloupu přiblížila povolené hranici plastické deformace již při 25 % předpokládaného zatížení (viz obr. 1).
Obr. 1: Původní návrh přípoje, přehled posudků, průběh plastické deformace
Při znalosti způsobu porušení je možné navrhnout vhodné úpravy pro vylepšení tohoto styčníku. Jednou z možností jsou přidané výztuhy na zadní straně sloupu (viz obr. 2).
Obr. 2: Výztuhy na zadní straně sloupu, přehled posudků, průběh plastické deformace
Výztuhy dostatečně vyztuží stojinu sloupu a zabrání tak její nadměrné deformaci. Současně přenesou značnou část namáhání přímo do pásnic a zmenší tak koncentrované zatížení stojiny sloupu.
Druhý 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 prut ponechán jako průběžný a styčníkové plechy k němu byly přivařeny z obou stran. Kruhový průřez je ale 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).
Obr. 3: Nevhodné řešení křížení diagonál
Obr. 4: Tuhost přípoje v tahu
Úprava styčníku je jednoduchá. Všechny diagonály se propojí jedním styčníkovým plechem (viz obr. 5). Nárůst tuhosti je patrný v tabulce na obr. 6. Je vidět, že celkem jednoduchá úprava má významný pozitivní dopad na tuhost připojení jednotlivých prvků. U prvku M2 jde o desetinásobný nárůst z 264 na 2493,2 MN/m.
Obr. 5: Změna řešení křížení diagonál
Obr. 6: Tuhosti připojených prvků po opravě styčníku
Třetí příklad: Styčník příhradového stožáru
V tomto případě nás požádal projektant o pomoc při návrhu styčníku stožáru. Po prověření styčníku dle původního návrhu projektanta je 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.
Obr. 7: Původní návrh styčníku stožáru, průběhy napětí, deformace
Díky CBFEM metodě bylo nalezení kritického místa styčníku a návrh správného řešení snadné. Styčníkový plech byl zvětšen a byla k přes něj napojena dvojstřižným šroubovým spojem diagonála M4. Druhý styčníkový plech mohl být naopak výrazně zmenšen. Takové řešení při stejných nákladech dává zcela vyhovující výsledky.
Obr. 8: Úprava styčníkového plechu, posudek přetvoření
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 informaci, nakolik jednotlivé části styčníku a styčník jako celek vyhovují, jakých deformací a vnitřních sil bylo při daném namáhání dosaženo. Navíc statik pochopí, co se ve styčníku děje.
Implementace metody do software IDEA Connection zaručila, že rychlost a pracnost jsou srovnatelné se stávajícími metodami posuzování styčníků, např. metodou komponent pro otevřené průřezy či návrhovými vzorci na stanovení únosnosti styčníků uzavřených průřezů. Metoda CBFEM navíc umožňuje přesně analyzovat detaily, které musel projektant-statik doposud jen odhadovat.
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.
- Šabatka L., Wald F., Bajer M.: Praktické navrhování styčníků ocelových konstrukcí, 52. Celostátní konference o ocelových konstrukcích, 2014, Hustopeče
- Šabatka L., Wald F., Kabeláč J., Goedrich 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
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.
