Přípoje prvků z dutých profilů (HSS) - čím jsou výjimečné?

Tento článek je dostupný také v dalších jazycích:
Milované architekty, obávané dodavateli. Styčníky dutých ocelových profilů mohou být skutečnou noční můrou. Pokud jsou však správně navrženy, mohou pomoci eliminovat obvyklý "chlad" ocelových konstrukcí.

Není pochyb o tom, že ocel je skvělým materiálem pro stavby nosných konstrukcí. Je hezké vidět, když se návrh konstrukce vydaří a výsledek je i vizuálně povedený. Vzpomínám si na výrok svého univerzitního profesora a uznávaného inženýra, který říkával, že "Dobrá konstrukce by měla být pravdivá". Ať už to znamená cokoli, v mých uších to vždy znělo tak, že princip nosnosti by měl být jasný, a to nejen odborníkovi, ale i nezasvěcenému pozorovateli.

Pro architekta nebo projektanta může být takový přístup často nelehký úkol. Pokud se ale podaří takovou konstrukci navrhnout, detaily jsou klíčové. Ty totiž často odlišují dojem veřejně užívané budovy od průmyslové konstrukce.

Ptačí hnízdo – ocelová konstrukce Pekingského Národního Stadionu je krásným příkladem použití prutů HSS v ikonickém architektonickém díle. Použitý uzavřený typ průřezu prutů zcela ovlivnil celkový dojem objemu konstrukce.

Při řešení exponované nosné konstrukce jsou duté konstrukční profily (HSS) požadované častěji než profily otevřené. Čím méně je viditelných spojů, tím lépe. Pokud je již spoj nutný, pak je žádoucí spíše svařovaný než šroubový. A pokud již je šroubový spoj nevyhnutelný, pak čím méně šroubů, tím lépe. A tak dále...

To, co je pro autora kýženým cílem, je čistá a jednoduše vypadající konstrukce. Ta ovšem může být pro statika opravdu nechtěná, a ještě méně pak potěší výrobce a montážní firmu. 

Ať už je ale situace jakákoli, úkolem kvalifikovaného a nadšeného statika není hledat způsoby, jak se obtížným situacím vyhýbat, ale jak je vyřešit.

Podívejme se blíže na to, co se skrývá za oblastí konstrukcí využívajících prvky HSS. Které průřezy vlastně spadají do této kategorie? Ve zkratce, jsou to všechny průřezy, které nejsou otevřené (jak prosté, že?).

Standardní trubkové průřezy

Jaký arzenál trubek má statik pro svoji práci dnes k dispozici?

  • RHS – obdélníkový dutý profil
  • SHS – čtvercové duté profily
  • CHS – kruhové duté profily
  • Výjimečně i eliptické profily

Užití trubkových profilů

Prvky z dutých průřezů můžeme použít téměř v každé oblasti. Nejčastější aplikací jsou však:

  • Sloupy
  • Ztužidla
  • Příhradoviny
  • Zakřivené pruty

Jak se vlastně trubky vyrábí

Je to docela běžná otázka. Jak se vlastně všechny ty trubky vyrábějí? Existují dva základní způsoby:

  • Za studena ohýbané / válcované + svařované 

(trubky se vyrábějí ohýbáním plechu do požadovaného tvaru a poté se svařují do uzavřeného profilu)

  • Kontinuální válcování

(základní materiál se zahřeje na vysokou teplotu, vytvaruje se do válce a poté se jím protlačí bodec ve tvaru projektilu)


Výhody trubkových profilů

  • Estetika: čistší vzhled než u otevřených sekcí
  • Úspory:
    - váží méně, měly být tedy být levnější
    - menší plocha s nižšími náklady na povrchovou úpravu
  • Skvělé statické parametry
    - únosnost proti kroucení je až 200krát vyšší než u některých otevřených profilů (tvary I, C, L a T)
    - vyšší tlaková únosnost při stejné vzpěrné délce 
  • Možnost použít i jako plášť betonového sloupu (pro zvýšení tlakové únosnosti)
  • Široká škála standardních rozměrů

Když už mluvíme o široké škále standardních velikostí, jaké jsou dnes maximální dostupné standardní velikosti

Odpověď bychom mohli najít v nové největší kontinuální válcovně ERW na světě, která byla nedávno postavena v Chicagu a je chloubou amerického výrobce ocelových potrubí a dutých profilů Zekelman Industries. Doposud byl v USA poskytován maximální rozměr HSS 16 "x16 "x5/8" (406x406x16 mm).

V této nové válcovně zvýšili maximální velikost trubek až na:

SHS - 22"x1" (559x25 mm)

RHS - 34"x10"x1" (864x254x25 mm)

CHS - 28"x1" (711x25 mm)

Nevýhody trubkových profilů

  • Nejsou ideální pro použití jako ohýbané prvky kvůli větší spotřebě oceli ve srovnání s ekvivalentním I-průřezem
  • Šroubové spoje se obtížně instalují, protože průřez je uzavřený

Jak se vypořádat s přípoji dutých profilů?

Mistrovským dílem v použití dutých profilů pro střešní konstrukci, a to i ve vztahu k BIM propojení mezi několika návrhovými nástroji, je projekt HUNGEXPO, který realizovala společnost KÉSZ Rumunsko. Je to úspěšný příběh, ve kterém se odpovídajícím způsobem setkala náročná architektonická koncepce s dovednostmi inženýrů a moderními projekčními nástroji.

Pracovní postup návrhu s odkazy na software: 

Rhinoceros/Grasshopper -> Pangolin plugin -> ConSteel -> IDEA StatiCa Connection -> Tekla Structures

HUNGEXPO vstupní hala výstaviště

Takové konstrukce samozřejmě nejsou pro většinu statiků každodenním chlebem. Častěji řeší standardní spoje připravené podle různých konstrukčních příruček.

Konstrukční předpisy a manuály zabývající se navrhováním přípojů pro HSS

Pokud se chcete seznámit s některými regionálními směrnicemi, zde uvádím ty nejdůležitější:

  • AISC 360 - Kapitola K
  • Příručka pro navrhování AISC č. 24: Duté spoje konstrukčních profilů
  • CISC Design Guide (Duté konstrukční profily - spoje a vazníky 1997)
  • EN 1993-1-8 - kapitola 7
  • Průvodce navrhováním CIDECT (Mezinárodní výbor pro vývoj a studium trubkových konstrukcí)
  • Příručka pro navrhování HSS, 3. díl: PŘÍPOJE NA HSS PRVCÍCH (Steel Tube Institute)

Nezáleží na tom, zda se řídíte nějakou manuálem pro návrh, firemní sadou přípojů nebo zda vytváříte zcela nový typ přípoje od začátku. Vždy musíte projít následujícími základními kroky: 

V případě, že posouzení nevyjde jako vyhovující hned v prvním kole, je třeba iterovat, dokud nedosáhnete požadovaného výsledku.

Výhody řešení přípojů trubkových prvků v IDEA StatiCa

Spoustu času, zejména na začátku, vám může ušetřit sada základních šablon návrhu, která je součástí aplikace IDEA StatiCa Connection. V Průvodci spuštěním jsou připraveny desítky vzorů, které jsou přednastaveny pro finální úpravy.

V případě, že se první návrh neukáže jako ideální řešení, stačí pouze kliknout pravým tlačítkem myši na funkci "Připojit k" a v okně Prohlížeče vám aplikace nabídne další desítky návrhů. Zde jsou uloženy nejen výchozí sady, ale i předchozí návrhy uživatele. Všchny ty, které jsou pro konkrétní geometrii vhodné, si tedy zobrazíte během několika sekund.

Pokud máte zájem a chcete si vyzkoušet některé vzorové projekty, můžete si je snadno stáhnout v našem Centru podpory IDEA StatiCa.

Možnosti šroubových přípojů pro duté profily:

Jako první možnost, jak zajistit montáž přípojů HSS, můžeme uvažovat o několika jednoduchých řešeních. Tato řešení však mohou přinést i některé překážky.

Jednoduché řešeníMožná komplikace
1) Použití průchozích šroubůTy mohou při utahování deformovat tvar dutého průřezu
2) Vyřezání závitu ve stěně trubkového prvkuŘezané závity nemusí být dostatečně únosné v tahu
3) Přivařit matici z vnitřní strany trubkového prvku Přivařování matic představuje další náklady a nejsou vždy proveditelné v úzkých místech

Na trhu existuje několik řešení, která byla navržena speciálně pro šroubové přípoje dutých profilů. 

   a) "Blind bolts" šrouby

   b) "Hollo bolts" šrouby

   c) SHURIKEN – konstrukční držáky matic

Jaké softwarové nástroje lze použít pro návrh přípojů trubkových prvků?

Na trhu je celá řada aplikací pro návrh přípojů tohoto typu. Povedený přehled zpracoval Steel Tube Institute ve svém nedávném článku, který je věnován dnešním softwarovým nástrojům pro trubkové přípoje. Velmi dobře se umístila aplikace IDEA StatiCa Connection, jež jako jediná nabízí analýzu pomocí metody konečných prvků, a je tedy schopna modelovat jakoukoli topologii přípoje. Z tohoto přehledu vyšla IDEA StatiCa také jako jediný nástroj splňující všechny hodnocené parametry. 

Jaké překážky se mohou objevit během návrhu?

Poměrně často přehlédnutou chybou nebo nedokonalostí v návrhu může být absence posudku na lokální deformaci dutého průřezu. Uživatelé aplikace IDEA StatiCa Connection tento úkol vyřeší velmi jednoduše. V dialogu nastavení je vloženo jednoduché zaškrtávací políčko. Je-li tato funkce zapnuta, je kontrola lokální deformace obsažena v analýze přípoje.  

Speciality týkající se přípojů HSS byly rovněž uvedeny v našich Teoretických podkladech věnovaných přípojům prutů s dutým průřezem

Kromě problému lokální deformace můžeme najít důležitý rozdíl mezi způsoby porušení tenkostěnných a standardních dutých prutů:

(červená čára – tenkostěnné pruty, zelená čára - standardní pruty v tlaku, modrá čára - standardní pruty v tahu)

Další zdroje informací pro přípoje dutých prutů

Návrh a analýza HSS přípojů by nemohly být dostatečně přesné bez GMNA (geometricky a materiálově nelineární analýza). K čemu byla tato analýza vyvinuta a kdy ji využít? Všechny informace jsou shrnuty v jednom z předchozích příspěvků na našem blogu, věnovaném právě tomuto tématu. 

Pokud hledáte inspiraci pro kruhové duté profily, mohly by vás zaujmout webináře věnované ztužidlovým přípojům z CHS průřezů a 3D víceprvkovému přípoji kombinujícímu profily CHS a SHS

Závěrečné poselství 

Výzvu pro dnešní inženýry hezky vystihl Jason McCool ve svém rozhovoru pro Steel Tube Institute. Uvedl, že dobrým přístupem k řešení složitostí dnešních požadavků na konstrukční přípoje je myšlení založené na "out of box", podpořené pohledem na voěřená řešení z různých regionů.

V současném globálním světě bez informačních hranic může být obohacující náhlédnout do kuchyně statiků z různých částí světa. I když neexistuje dokonalý přípoj pro všechny typy konstrukcí, vždy můžeme zlepšovat naše návrhy sdílením osvědčených postupů.

zdroje: http://architectuul.com

            http://madehow.com