Když inženýři soutěží – 6 způsobů, jak navrhnout ocelový přípoj

Týmy se skládaly ze stavebních inženýrů z projekčních kanceláří a výrobců ocelových konstrukcí, přičemž každý tým vedl zkušený návrhář přípojů. Poté, co skupiny představily své návrhy, měli jsme z IDEA StatiCa příležitost modelovat přípoje pomocí aplikace Connection. Díky tomu jsme mohli okamžitě analyzovat výsledky a společně je prodiskutovat.

Návrhy a výsledky podrobněji vysvětlujeme níže. Článek je rozdělen do dvou částí, jedna pro každou výzvu v návrhu ocelového přípoje.

1 – Návrh složitého přípoje sloup-nosník s okrajovými nosníky

V první návrhové výzvě jsme se zaměřili na styčník spojující čtyři prvky. Vnitřní síly a profily z toho učinily náročný návrhový úkol, jak dokládá rozmanitost řešení: každý ze šesti týmů zvolil jiný přístup. Právě to dělá toto povolání tak fascinujícím: neexistuje nikdy jedno správné řešení.

Největší výzva nastala při přípoji okrajových nosníků. Dva uzavřené obdélníkové průřezy (180/180/6) musely být připojeny ke sloupu (HEA160) nebo hlavnímu nosníku (IPE400). V kombinaci s předepsanými zatíženími to vytvořilo obtížnou návrhovou situaci.

Níže je přehled přípojů, skic a modelů zpracovaných v softwaru pro ocelové přípoje IDEA StatiCa. Poté se věnujeme každému přípoji a zdůrazňujeme klíčové poznatky z diskusí a výsledků.

Skupina A

Skupina A se rozhodla prodloužit sloup a připojit hlavní nosník (IPE400) pomocí čelní desky. Výzva spočívala především v připojení okrajových nosníků z uzavřených obdélníkových průřezů ke sloupu HEA160. Pro tento účel byl navržen přípoj se styčníkovým plechem a dvěma šrouby M36. Při modelování v IDEA StatiCa však rychle vyšlo najevo, že pro tuto velikost šroubů není dostatek prostoru. Jak zdůraznili odborníci na workshopu, je nezbytné kreslit v měřítku, aby bylo možné posoudit vyrobitelnost přípoje.

Místo přímého svařovaného přípoje se skupina rozhodla prodloužit spojovací plech skrze drážku ve stojině sloupu, aby bylo dosaženo lepšího přenosu sil a snížení napětí ve stojině sloupu.

Při výpočtu přípoje v IDEA StatiCa vznikají v přípoji okrajových nosníků velká plastická přetvoření. Vlivem vysoké osové tlakové síly 400 kN v okrajových nosnících a excentricity ve styčníkovém plechu vzniká v přípoji ohybový moment. Při použití nástroje pro analýzu metodou konečných prvků, jako je IDEA StatiCa, se to rychle projeví prostřednictvím vzniklých deformací.

Zvýšením tlouštěk plechů může přípoj splnit požadavky. S průběžným plechem tloušťky 35 mm a šrouby 2× M33 8.8 je dosaženo dostatečné pevnosti a tuhosti.

Ačkoli je řešení uspokojivé, stojí za zvážení vyloučení excentricity, které je pravděpodobně konstrukčně efektivnější.

Skupina B

Skupina B měla podobný přípoj, ale zde byl prodloužen hlavní nosník. Volba symetrického přípoje nosníků z uzavřených čtvercových průřezů (SHS) zabraňuje vzniku dodatečného ohybového momentu. Při předepsaných tlouštěkách plechů je plastické přetvoření těsně pod hranicí 5 %.

Zesílením plechů a zajištěním dostatečných svarů lze odolat kombinaci osového tlaku a vodorovného smyku a udržet plastické přetvoření pod 5 %.

Pouze šrouby stále nevyhovují při použití 4× M24 8.8. Pouhé zesílení šroubů však problém neřeší, protože normové posouzení je omezeno únosností v otlačení. Alternativním řešením je zvýšení třídy oceli spojovacích plechů na S355. To umožňuje dosáhnout optimálních výsledků pouze s minimálním zvýšením tloušťky plechů a velikosti šroubů.

Skupina C

Skupina C má podobný přípoj, ale na rozdíl od skupin A a B je vhodnější pro vodorovné zatížení, protože styčníkový plech je otočen o čtvrt otáčky. Opět se setkáváme s excentricitou a narážíme na stejné problémy jako ve skupině A. Použití čtyř šroubů místo dvou činí styčník tužším, ale stále pozorujeme vysoké plastické přetvoření a deformace. Přivaření styčníkového plechu k výztuze a zvýšení tlouštěk plechů pomáhají zvýšit tuhost styčníku, ale excentricita bude vždy přítomna.

Zvýšením tlouštěk plechů z 15 mm na 30 mm může styčník splnit návrhové požadavky se šrouby 4× M24 8.8.

Tento typ styčníku funguje nejbezpečněji bez excentricit. Pokud je excentricita z praktických důvodů nevyhnutelná, bude přípoj zvláště vhodný pro přenos příčné síly v jednom směru, ve směru, kde je přípoj nejpevnější. Kombinace excentricity s velkou normálovou tlakovou silou a příčnou silou ve slabém směru přípoje způsobí vybočení prvku a riziko boulení.

Analýza boulení

Pro správné posouzení tohoto rizika má smysl provést dodatečnou analýzu boulení. V IDEA StatiCa lze provést lineární analýzu boulení, která ukazuje, že u plechů s nedostatečnou tloušťkou může nastat tvar boulení připomínající globální boulení. Na základě odpovídajícího součinitele boulení lze toto interpretovat jako porušení boulením.

Více informací o tom a o tom, jak IDEA StatiCa provádí lineární analýzu boulení, naleznete v následujícím článku Globální boulení vs. lokální boulení. Co to znamená?

Skupina D

Skupina D volí jiný přístup a problémům pozorovaným u prvních tří skupin se přímo vyhýbá pokračováním okrajových nosníků. IPE400 je připojen k částečně průběžnému sloupu pomocí čelní desky a k okrajovému nosníku pomocí malého příložného plechu. Výsledky ukazují, že přípoj konstrukčně dobře funguje a síly jsou efektivně přenášeny.

Protože se jedná o smykový přípoj, skupina doporučuje použít drážkový otvor v žiletce, aby se zabránilo přenosu nadměrné síly přes šroub při natočení nosníku. Tím se zabrání vysokým napětím v příložném plechu a stěně uzavřeného obdélníkového průřezu. Tato návrhová úvaha ovlivňuje také rotační tuhost styčníku.

Analýza tuhosti

Pro stanovení přesné tuhosti styčníku lze v IDEA StatiCa provést analýzu tuhosti. Diagram moment-rotace je vygenerován a na základě Eurokódu může být styčník klasifikován jako plně tuhý, polotuhý nebo kloubový.

Při analýze přípoje střešního nosníku pro skupinu D poskytuje IDEA StatiCa rotační tuhost, která je považována za polotuhý přípoj. Tuto tuhost lze v globálním konstrukčním modelu reprezentovat pomocí rotační tuhosti pružiny.

Pokud je však požadován jednoduchý přípoj, musí být detail upraven tak, aby byl přípoj skutečně klasifikován jako kloubový. Jak je znázorněno na obrázku níže, v situaci (2) byl realizován kloub snížením horní řady šroubů. 

Skupina E

Skupina E prodloužila střešní nosník a umístila jej na vrchol sloupu. Okrajové nosníky byly připojeny ke střešnímu nosníku pomocí čelních desek, čímž bylo zajištěno správné přenášení sil ve styčníku.

Aby bylo umožněno montování šroubů, skupina navrhla výřez ve stěně uzavřeného průřezu. Promyšlené řešení, protože praktičnost je zásadním hlediskem. Výřez vytváří odlišné rozdělení napětí v zářezu, ale použitím kulatého výřezu zůstávají koncentrace napětí omezené.

Skupina F

Jak jsme viděli, přípoj okrajových nosníků vytváří návrhové výzvy. Skupina F je řeší nahrazením okrajových nosníků profily HEA160. To usnadňuje připojení nosníků ke sloupu a poskytuje dostatek prostoru pro montáž šroubů. Přípoj dobře funguje při tlaku a čelní desky efektivně přenášejí síly skrze sloup.

Okrajové nosníky však mohou být také namáhány tahovou silou 400 kN. V tomto zatěžovacím stavu přípoj nevyhovuje. Zvýšením tloušťky čelních desek z 15 mm na 20 mm jsou splněny požadavky na pevnost a přípoj je vhodný pro tahové i tlakové zatížení.

Connection Library

Nevíte, jak modelovat konkrétní ocelový styčník? Connection Library v IDEA StatiCa vám poskytuje okamžitý přístup k desítkám praktických příkladů a pomáhá vám rychleji najít správné řešení. Jde o cenný zdroj, který mnoho stavebních inženýrů využívá jako inspiraci při navrhování ocelových přípojů.

2 – Návrh přípoje patní desky sloupu se ztužením

Druhá návrhová výzva se týká přípoje patní desky sloupu. Diagonální ztužení může být provedeno ve třech různých profilech a je zatíženo tlakovou silou 500 kN. Samotný sloup je namáhán značnou tlakovou silou 2000 kN.

Pozornost je zaměřena na přípoj diagonály ke sloupu a na návrh patní desky včetně kotev a základu. Na základě předložených skic a prezentací byly přípoje modelovány a analyzovány v IDEA StatiCa. I tentokrát tento návrh ukazuje, že je možných více řešení přípoje: neexistuje jediná správná odpověď. Níže uvádíme přehled různých návrhů včetně výsledků z IDEA StatiCa. Poté se věnujeme hlavním návrhovým úvahám a skupiny hodnotíme souhrnně, nikoli jednotlivě.

Přípoj ztužidla ke sloupu

Pro přípoj ztužidla zvolily tři skupiny (A, C, E) čelní desku s pahýlem a zbývající tři skupiny (B, D, F) zvolily styčníkový plech se šroubovým přípojením.

Návrh přípoje s pahýlem zajišťuje přímý přenos tlakové síly bez komplikací v přípoji. Volbou profilu HEA je montáž šroubů snadno proveditelná a stojina diagonálního prvku je zarovnána se stojinou sloupu. Výsledkem je, že napětí jsou dobře přenášena do sloupu, jak je patrné z řešení skupin A, C a E (viz obrázek).

Naproti tomu skupiny B, D a F zvolily přípoj se styčníkovým plechem. Uvažovaly s otočením sloupu o čtvrt otáčky, aby bylo možné připojit ztužidlo uvnitř sloupu bez nadměrného nároku na prostor. V takovém případě je však styčníkový plech připojen přímo, ale příčně ke stojině sloupu, a vlivem vysokých tlakových sil mohou vznikat špičková napětí ve stojině sloupu. Výpočty v IDEA StatiCa ukazují, že návrh je těsně v přijatelných mezích, ale stavební inženýr by měl zůstat obezřetný. Pokud se stojina začne plasticky deformovat, je vhodné sloup otočit, zvýšit tloušťku stojiny nebo přidat výztuhy.

V návrzích s přípojením styčníkovým plechem je výhodné provést přípoj symetricky a nenechat plechy příliš vyčnívat, ze stejných důvodů, které jsme probrali v první návrhové výzvě. Přípoj B má asymetrické uspořádání, ale plech tloušťky 20 mm a použití šesti šroubů účinně odolávají vzniklému momentu a udržují napětí v přijatelných mezích.

Návrh patní desky sloupu

Při návrhu patní desky a betonového základu existují také důležité úvahy. Vlivem vysokých tlakových sil je zásadní, aby byla napětí dobře rozložena přes patní desku do betonu. Toho lze dosáhnout volbou silnějšího plechu a jeho rozšířením za profil sloupu, aby byla napětí lépe rozložena.

Obrázek níže porovnává napětí v patní desce a kontaktní napětí v betonu pro patní desku tloušťky 40 mm a 10 mm. Pokud je patní deska příliš tenká, napětí se soustřeďuje kolem profilu sloupu místo toho, aby bylo účinně rozloženo. V důsledku toho se efektivní kontaktní plocha na betonu stává příliš malou, což vede k tlakovým napětím překračujícím přípustnou mez.

Základ sloupu

Vidíme různá řešení základů, s maltovým ložem nebo bez něj, a kotvy s podložkami nebo bez nich. Použité kotvy se pohybují od M20 do M30.

Výpočty v IDEA StatiCa ukazují, že žádný z přípojů nevyhovuje pro normové posouzení kotev. Ve výchozím nastavení jsou smykové síly přenášeny přes kotvy. Kotvy M20 jsou shledány jako nedostatečně pevné a nemohou odolat smykovým silám. Naproti tomu kotvy M30 8.8 v kombinaci s podložkou jsou dostatečně pevné pro přenos smykových sil. Normové posouzení přesto stále nevyhovuje, protože problém nyní nespočívá v oceli, ale v porušení betonu.

Smykové síly na kotvách způsobují porušení betonu na hraně, přičemž kotvy se vytrhávají z betonu. IDEA StatiCa Connection počítá s nevyztuženým betonem, takže porušení betonu při vyšších silách je nevyhnutelné.

Pokud nelze síly snížit, zbývají čtyři možná řešení.

1. Optimalizovat přenos smykové síly přidáním smykové zarážky. Tímto způsobem je veškerý smyk přenášen smykovou zarážkou a porušení kotev a vytržení betonu je zamezeno.
2. Přenést smykové síly třením místo přes kotvy. Vysoká tlaková síla ve sloupu poskytuje dostatečnou třecí odolnost. 
3. Upravit betonový blok. Zvýšením okrajové vzdálenosti nebo třídy betonu je beton méně náchylný k vytržení.
4. Navrhnout přídavnou výztuž v betonovém bloku. Tímto způsobem ocelová výztuž odolává tahovým silám a zabraňuje vytržení betonu. Toto řešení lze modelovat a analyzovat pomocí IDEA StatiCa 3D Detail.

Jak je patrné ze skic návrhářů, pouze skupina E zahrnula do svého návrhu vyztužení. Přidáním ocelové výztuže do betonového prvku lze zabránit mechanismům porušení, jako je vytržení betonového kužele a porušení betonu na hraně.

Zajímá vás, jak ušetřit čas při návrhu vyztužení bez kompromisů v oblasti bezpečnosti?

• Zhlédněte tento webinář o využití vyztužení při návrhu kotvení
• Nebo se podívejte na tento výukový program IDEA StatiCa o excentricky zatíženém kotvení v aplikaci Detail.

Závěrečné slovo

Ocelové přípoje navrhlo 6 skupin, modelovaly se v IDEA StatiCa a diskutovaly se zkušenými stavebními inženýry. Pomocí IDEA StatiCa jsme mohli podrobně analyzovat výsledky a identifikovat a prodiskutovat důležité návrhové úvahy. Tento workshop ukazuje, že mnoho přípojů lze navrhnout nesčetným množstvím způsobů a že nikdy neexistuje jediné správné řešení. Přesvědčili jsme se o důležitosti kreslení v měřítku a sledování cesty sil v přípoji. Analýza tuhostí a vizualizace toho, jak se styčník bude deformovat, je dobrým myšlenkovým experimentem pro pochopení chování styčníku.

"Představivost je důležitější než znalosti," řekl kdysi muž jménem Albert Einstein. A to jistě platí i pro návrh ocelových přípojů. Každý, kdo si dokáže představit, jak styčník vypadá, jak bude vyroben, zda jsou proporce správné, jak budou síly proudit a jak se přípoj bude deformovat, je již o krok blíže k tomu, aby se stal nejlepším návrhářem ocelových přípojů.