Klopení a kroucení nosníku

Co je to klopení a jaká je jeho příčina?

Klopení je deformace nosníku v důsledku působení zatížení mimo podélnou osu, které způsobí boční posun a následné zkroucení.

Nestabilizované ocelové nosníky jsou takové, jejichž tlačený pás se může volně posouvat v příčném směru, a které se mohou otáčet kolem své osy. Pokud tuto teorii aplikujeme na prostě podepřený nosník, pak je takovým pásem horní pás. Když se tato část nosníku vychýlí v příčném směru, snaží se tažená pásnice udržet nosník v přímém směru a vytváří "stabilizující" síly v důsledku příčného ohybu nosníku. Tyto síly však samy o sobě nemohou udržet nosník rovný. Únosnost nosníku při klopení je dána stabilzujícími silami a příčnou složkou tahových sil v taženém pásu.

Vzájemné působení tažených a tlačených pásnic nutí nezatížený nosník ke zkroucení. Odolnost proti tomuto jevu závisí na torzní tuhosti průřezu nosníku. Například nosníky s velkou tloušťkou pásnice mají pro danou výšku větší torzní tuhost než nosníky s menší tloušťkou pásnice. Existují i jiné průřezy, které mají rovněž větší tuhost (RHS/SHS) a často se používají na místech, kde působí zatížení mimo osu průřezu na velkém rozponu.

Chcete-li se podívat, jak se klopení projevuje v praxi, podívejte se na následující video.

Jaké faktory ovlivňují klopení?

Existují tři hlavní faktory:

1. Umístění působícího zatížení

2. Rozložení ohybového momentu

3. Podmínky koncového podepření

Oblast působení síly

Vliv klopení závisí na vzdálenosti mezi místem působení a středem smyku průřezu nosníku. Průřez je náchylnější ke klopení, pokud je zatížení aplikováno nad středem smyku. Účinek je menší, pokud je zatížení aplikováno podél středu smyku, a pokud je aplikováno pod ním, pak má nosník malou šanci na deformaci způsobenou tímto typem zatížení.

Střed smyku je bod na průřezu nosníku, kde působící zatížení nezpůsobuje jeho kroucení. Je závislý na tvaru průřezu. U symetrického průřezu je střed smyku a těžiště stejné. U nesymetrického průřezu se nemusí shodovat.

Rozložení ohybového momentu

Průřez s rovnoměrným ohybovým momentem po celé délce má menší odolnost proti vzpěru ve srovnání s jiným rozložením ohybového momentu.

Koncové podmínky podpory

Únosnost klopení nosníku se zvyšuje s tím, jak se zvětšují krajní podpory. Představme si nosník uloženým na podporách ve srovnání s nosníkem zalitým do betonové zdi. Ten má na koncích větší zatížení než první. Rozdíl mezi nimi je, že jeden se může kolem své osy volně otáčet a druhý ne.

Jak provést návrh nosníku

Zabezpečení pásnice proti klopení má pozitivní vliv na dimenzi nosníku. Toho lze dosáhnout například spřažením s betonovou deskou, částečné zabezpečení proti klopení můžou zajistit mezilehlé nosníky a vhodně umístěná ztužidla.

Tato opatření nám pomohou s návrhem prvků. Jaký vliv má ale klopení pro návrh přípojů?

Vnitřní sily v přípoji zabezpečení proti klopení neovlivní, má ale vliv na torzní tuhost prvku. Pokud tento vliv ignorujeme, může dojít k předimenzování přípoje.

V nové verzi aplikace IDEA StatiCa 22 jsme zavedli novou operaci – Stabilizace proti klopení prvku. Díky této operaci nedochází ke zkroucení prutu v přípoji a lze tak dosáhnout ekonomičtějších návrhů při zachování požadované bezpečnosti.