Šroubovaný přípoj rámu v oblasti okapu s přenosem momentu

Popis

Cílem této studie je ověření šroubovaného přípoje rámu v oblasti okapu, jak je znázorněno na obr. 9.2.1. Vazník je šroubován pomocí čelní desky na přírubu sloupu. Sloup je vyztužen dvěma vodorovnými výztuhami v úrovních pásnic nosníku. Tlačené plechy, např. vodorovné výztuhy sloupu, panel stojiny ve smyku nebo tlaku a tlačená pásnice nosníku, jsou navrženy jako průřez třídy 3. Vodorovný nosník je dlouhý 6 m a je zatížen spojitým zatížením po celé délce.

Obr. 9.2.1 Šroubovaný přípoj rámu v oblasti okapu

Analytický model

Je zkoumáno osm komponent: koutový svar, panel stojiny ve smyku, stojina sloupu v příčném tlaku, stojina sloupu v příčném tahu, pásnice nosníku v tlaku a tahu, příruba sloupu v ohybu, čelní deska v ohybu a šrouby. Všechny komponenty jsou navrženy podle EN 1993-1-8:2005. Návrhové zatížení komponent závisí na jejich poloze. Panel stojiny ve smyku je zatížen návrhovými silami na svislé ose sloupu. Ostatní komponenty jsou zatíženy redukovanými návrhovými silami v přírubě sloupu, ke které je připojen vodorovný nosník.

Koutový svar

Svar je proveden po celém obvodu průřezu nosníku. Tloušťka svaru na pásnicích se může lišit od tloušťky svaru na stojině. Svislá posouvající síla je přenášena pouze svary na stojině a uvažuje se plastické rozdělení napětí. Ohybový moment je přenášen celým tvarem svaru a uvažuje se elastické rozdělení napětí. Je uvažována efektivní šířka svaru závislá na vodorovné tuhosti sloupu (z důvodu ohybu nevyztužené příruby sloupu). Návrh svaru je proveden podle EN 1993-1-8:2005, čl. 4.5.3.2(6). Posouzení je provedeno ve dvou hlavních bodech: na horní nebo dolní hraně pásnice (maximální ohybové napětí) a v místě křížení pásnice a stojiny (kombinace napětí od posouvající síly a ohybového momentu).

Panel stojiny ve smyku

Tloušťka stojiny sloupu je navržena nejvýše jako třída 3; viz EN 1993-1-8:2005, čl. 6.2.6.1(1). Jsou uvažovány dva příspěvky k únosnosti: odolnost stěny sloupu ve smyku a příspěvek z rámového chování přírub sloupu a vodorovných výztuh; viz EN 1993-1-8:2005, čl. 6.2.6.1 (6.7 a 6.8).

Stojina sloupu v příčném tlaku nebo tahu

Je uvažován vliv interakce smykového zatížení; viz EN 1993-1-8:2005, čl. 6.2.6.2 a tab. 6.3. Je uvažován vliv podélného napětí ve stěně sloupu; viz EN 1993-1-8:2005, čl. 6.2.6.2(2). Vodorovné výztuhy zabraňují boulení a jsou zahrnuty do únosnosti této komponenty s efektivní plochou.

Pásnice nosníku v tlaku

Vodorovný nosník je navržen nejvýše jako třída 3.

Příruba sloupu nebo čelní deska v ohybu

Efektivní délky pro kruhové a nekruhové porušení jsou uvažovány podle EN 1993-1-8:2005, čl. 6.2.6. Jsou uvažovány tři módy porušení podle EN 1993-1-8:2005, čl. 6.2.4.1.

Šrouby

Šrouby jsou navrženy podle EN 1993-1-8:2005, čl. 3.6.1. Návrhová únosnost zohledňuje odolnost proti protlačení a přetržení šroubu.

Numerický návrhový model

T-průřez je modelován čtyřuzlovými skořepinovými prvky, jak je popsáno v kapitole 3 a dále shrnuto. Každý uzel má 6 stupňů volnosti. Deformace prvku se skládají z membránových a ohybových příspěvků. Nelineární elasticko-plastický stav materiálu je vyšetřován v každé vrstvě integračního bodu. Posouzení je založeno na maximálním přetvoření stanoveném podle EN 1993-1-5:2006 hodnotou 5 %. Šrouby jsou rozděleny do tří dílčích komponent. První je dřík šroubu, který je modelován jako nelineární pružina a přenáší pouze tah. Druhá dílčí komponenta přenáší tahovou sílu do přírub. Třetí dílčí komponenta řeší přenos smyku.

Globální chování

Bylo provedeno porovnání globálního chování styčníku, popsaného diagramy moment–pootočení pro obě výše uvedené návrhové postupy. Pozornost byla zaměřena na hlavní charakteristiky diagramu moment–pootočení: počáteční tuhost, návrhová únosnost a deformační kapacita. Nosník IPE 330 je připojen ke sloupu HEB 300 pomocí prodloužené čelní desky s 5 řadami šroubů M24 8.8. Výsledky obou návrhových postupů jsou zobrazeny v grafu na obr. 9.2.2 a v tab. 9.2.1. Komponentová metoda (CM) obecně poskytuje vyšší počáteční tuhost ve srovnání s CBFEM. CBFEM poskytuje mírně vyšší návrhovou únosnost ve srovnání s CM ve všech případech, jak je uvedeno v kapitole 9.2.5. Rozdíl je až 10 %. Je také porovnána deformační kapacita. Deformační kapacita byla vypočtena podle (Beg et al. 2004), protože EC3 poskytuje omezené podklady pro deformační kapacitu přípojů s čelní deskou.

Obr. 9.2.2 Diagram moment–pootočení

Tab. 9.2.1 Přehled globálního chování

Ověření únosnosti

Návrhová únosnost vypočtená pomocí CBFEM byla v dalším kroku porovnána s výsledky komponentové metody. Porovnání bylo zaměřeno na únosnost a také na kritickou komponentu. Studie byla provedena pro parametr průřezu sloupu. Nosník IPE 330 je připojen ke sloupu prodlouženou čelní deskou s 5 řadami šroubů. Jsou použity šrouby M24 8.8. Rozměry čelní desky P15 s okrajovými vzdálenostmi a roztečemi šroubů v milimetrech jsou: výška 450 (50-103-75-75-75-73) a šířka 200 (50-100-50). Vnější hrana horní pásnice je 91 mm od okraje čelní desky. Pásnice nosníku jsou připojeny k čelní desce svary s tloušťkou koutového svaru 8 mm. Stojina nosníku je připojena svarem s tloušťkou koutového svaru 5 mm. Sloup je vyztužen vodorovnými výztuhami naproti pásnicím nosníku. Výztuhy mají tloušťku 15 mm a jejich šířka odpovídá šířce sloupu. Tloušťka výztuhy čelní desky je 10 mm a její šířka je 90 mm. Výsledky jsou uvedeny v tab. 9.2.2 a obr. 9.2.3.

Tab. 9.2.2 Návrhová únosnost pro parametr – profil sloupu

Obr. 9.2.3 Návrhová únosnost v závislosti na průřezu sloupu

Pro ilustraci přesnosti modelu CBFEM jsou výsledky parametrických studií shrnuty v grafu porovnávajícím únosnosti předpovězené pomocí CBFEM a CM; viz obr. 9.2.4. Výsledky ukazují, že CBFEM poskytuje mírně vyšší návrhovou únosnost ve srovnání s CM téměř ve všech případech. Rozdíl mezi oběma metodami je až 10 %.

Obr. 9.2.4 Ověření CBFEM vůči CM

Vzorový příklad

Vstupy

• Ocel S235
• Nosník IPE 330
• Sloup HEB 300
• Výška čelní desky h_p = 450 (50-103-75-75-75-73) mm
• Šířka čelní desky b_p = 200 (50-100-50) mm
• Čelní deska P15
• Výztuhy sloupu tloušťky 15 mm a šířky 300 mm
• Výztuha čelní desky tloušťky 10 mm, šířky a výšky 90 mm, sražení 20 mm 
• Tloušťka koutového svaru pásnice a_f = 8 mm
• Tloušťka koutového svaru stojiny a výztuhy čelní desky a_w = 5 mm
• Šrouby M24 8.8

Výstupy

• Návrhová únosnost v ohybu M_Rd = 206 kNm
• Odpovídající svislá posouvající síla V_Ed= –206 kN
• Mód porušení: plastifikace výztuhy nosníku na horní pásnici
• Využití šroubů 90,2 %
• Využití svarů 99,0 %