Popis
Cílem této studie je ověření metody konečných prvků založené na komponentách (CBFEM) pro styčník nosník-sloup s pásnicí třídy 4 stojiny sloupu pomocí metody komponent (CM).
Analytický model
Komponenta stojiny sloupu ve smyku je popsána v čl. 6.2.6.1 normy EN 1993-1-8:2005. Návrhová metoda je omezena na štíhlost stojiny sloupu d / tw ≤ 69 ε. Stojiny s vyšší štíhlostí se navrhují podle EN 1993-1-5:2006 čl. 5 a přílohy A. Únosnost ve smyku se skládá z únosnosti při boulení ve smyku panelu stojiny a únosnosti rámu tvořeného pásnicemi a výztuhami obklopujícími panel. Únosnost panelu stojiny při boulení vychází z kritického smykového napětí
kde σE je Eulerovo kritické napětí desky
Součinitel boulení kτ se stanoví podle EN 1993-1-5:2006, příloha A.3.
Štíhlost panelu stojiny je
Součinitel snížení únosnosti χw se stanoví podle EN 1993-1-5:2006 čl. 5.3.
Únosnost panelu stojiny při boulení ve smyku je
Únosnost rámu lze navrhnout podle čl. 6.2.6.1 normy EN 1993-1-8:2005.
Návrhový model konečných prvků
Návrhový postup pro štíhlé plechy je popsán v oddíle 3.10. V softwaru je implementována lineární analýza boulení. Výpočet návrhových únosností se provádí podle návrhového postupu. Hodnota FCBFEM je uživatelem interpolována tak, aby ρ ∙ αult,k/γM1 bylo rovno 1.
Je studován styčník nosník-sloup se štíhlou stojinou sloupu. Výška stojiny nosníku se mění, a tím se mění i šířka panelu stojiny sloupu. Geometrie příkladů je popsána v Tab. 6.2.1. Styčník je zatížen ohybovým momentem.
Tab. 6.2.1 Přehled příkladů
| Příklad | Pásnice sloupu | Stojina sloupu | Nosník | Materiál | ||
| bf | tf | hw | tw | IPE | ||
| [mm] | [mm] | [mm] | [mm] | |||
| IPE400 | 250 | 10 | 820 | 4 | 400 | S235 |
| IPE 450 | 250 | 10 | 820 | 4 | 450 | S235 |
| IPE500 | 250 | 10 | 820 | 4 | 500 | S235 |
| IPE 550 | 250 | 10 | 820 | 4 | 550 | S235 |
| IPE600 | 250 | 10 | 820 | 4 | 600 | S235 |


Globální chování a ověření
Globální chování styčníku nosník-sloup se štíhlou stojinou sloupu popsané diagramem moment-rotace v modelu CBFEM je znázorněno na Obr. 6.2.2. Pozornost je zaměřena na hlavní charakteristiky: návrhovou únosnost a kritické zatížení. Diagram je doplněn o bod, kde začíná plastizace, a o únosnost při 5% plastickém přetvoření.
Ověření únosnosti
Návrhová únosnost vypočtená metodou CBFEM je porovnána s CM. Porovnání je zaměřeno na plastickou únosnost. Výsledky jsou uspořádány v Tab. 6.2.2a. Obr. 6.2.2a zobrazuje rozdíly mezi oběma výpočetními metodami. Tab. 6.2.2b uvádí data návrhové únosnosti při boulení. Tab. 6.2.2c a Obr. 6.2.3c zobrazují rozdíly mezi oběma výpočetními metodami při výpočtu únosnosti při boulení. Diagram na Obr. 6.2.3c ukazuje vliv výšky průřezu nosníku na únosnosti a kritická zatížení v posuzovaných příkladech.
Tab. 6.2.2a Plastické únosnosti CM a CBFEM


Tab. 6.2.2b Návrhová únosnost při boulení

Tab. 6.2.2c Únosnosti při boulení CM a CBFEM


Výsledky vykazují dobrou shodu v kritickém zatížení a návrhové únosnosti. Model CBFEM styčníku s nosníkem IPE600 je znázorněn na Obr. 6.2.3a. První tvar boulení styčníku je znázorněn na Obr. 6.2.3b.


Ověřovací studie potvrdily přesnost modelu CBFEM pro predikci chování panelu stojiny sloupu. Výsledky CBFEM jsou porovnány s výsledky CM. Oba postupy předpovídají podobné globální chování styčníku.
Vzorový příklad
Vstupy
Nosník
- Ocel S235
- IPE600
Sloup
- Ocel S235
- Tloušťka pásnice tf = 10 mm
- Šířka pásnice bf = 250 mm
- Tloušťka stojiny tw = 4 mm
- Výška stojiny hw = 800 mm
- Výška průřezu h = 820 mm
- Přesah nad horní pásnicí nosníku 20 mm
Výztuha stojiny
- Ocel S235
- Tloušťka výztuhy tw = 19 mm
- Šířka výztuhy hw = 250 mm
- Svary aw,stiff = 10 mm
- Výztuhy naproti horní a dolní pásnici
Nastavení normy – Model a síť
- Počet prvků na stojině nebo pásnici největšího prvku 24
Výstupy
- Zatížení při 5% plastickém přetvoření Mult,k = 283 kNm
- Návrhová únosnost MCBFEM = 181 kNm
- Kritický součinitel boulení (pro M = 189 kNm) αcr = 1,19
- Součinitel zatížení při 5% plastickém přetvoření αult,k = Mult,k / MCBFEM = 283/181 = 1,56
Reference
EN 1993-1-5, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-5: Plated Structural Elements, CEN, Brussels, 2005.
EN 1993-1-8, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels, 2005.
Kuříková M., Wald F., Kabeláč J. Design of slender compressed plates in structural steel joints by component based finite element method, in SDSS 2019: International Colloquium on Stability and Ductility of Steel Structures, Prague, 2019.