Předkvalifikované styčníky pro seizmické aplikace

12.1 Projekt EQUALJOINTS

Evropský výzkumný projekt EQUALJOINTS poskytuje kritéria předkvalifikace ocelových styčníků pro příští verzi EN 1998-1. Výzkumná činnost zahrnovala standardizaci návrhových a výrobních postupů pro sadu typů šroubovaných styčníků a svařovaný redukovaný průřez nosníku s těžkými profily navrženými tak, aby splňovaly různé úrovně výkonnosti. Byl také vyvinut nový protokol zatěžování pro evropskou předkvalifikaci, reprezentativní pro evropské seizmické požadavky. Experimentální kampaň věnovaná cyklické charakterizaci jak evropské nízkouhlíkové oceli, tak vysokopevnostních šroubů dosáhla požadovaného chování pro čtyři typy předkvalifikovaných styčníků: šroubované styčníky s náběhem, šroubované styčníky s nevyztuženou prodlouženou čelní deskou, šroubované styčníky s vyztuženou prodlouženou čelní deskou a svařované styčníky s redukovaným průřezem nosníku; viz obr. 12.1.1. Výsledky experimentálně dosažené v rámci projektu EQUALJOINTS jsou shrnuty v (Stratan et al. 2017) a (Tartaglia and D'Aniello, 2017).

Obr. 12.1.1 Konstrukční styčníky předkvalifikované v projektu EQUALJOINTS

12.2 Styčníky s čelní deskou

Šroubované přípoje s vyztuženou prodlouženou čelní deskou jsou nejběžnější v evropském ocelovém průmyslu a jsou široce používány v evropské praxi jako momentové styčníky v nízkých a středně vysokých ocelových rámech díky jednoduchosti a hospodárnosti výroby a montáže. Návrhová kritéria a související požadavky pro šroubované styčníky nosník-sloup s vyztuženou prodlouženou čelní deskou jsou podrobně zkoumány a kriticky diskutovány a v současnosti kodifikovány v EN 1998-1:2005 na základě parametrické studie založené na analýzách metodou konečných prvků. Bohužel postup kapacitního návrhu byl vyvinut pouze v rámci komponentové metody. Zohledňuje také přítomnost žeber a je schopen řídit odezvu styčníku pro různé úrovně výkonnosti.

Šroubované styčníky s nevyztuženou prodlouženou čelní deskou jsou běžně používány v ocelových konstrukcích pro připojení ocelového nosníku I nebo H k ocelovému sloupu I nebo H v případech, kdy je nutné přenášet značné ohybové momenty. Tato konfigurace umožňuje snadnou montáž šroubováním, zatímco přivaření čelní desky k nosníku je automatizováno v dílně. Ohybová únosnost přípoje je většinou nižší než ohybová únosnost připojených prvků. Proto jsou takové styčníky považovány za částečně únosné. Dosažení situace rovné únosnosti, při níž je plastická únosnost styčníku přibližně rovna plastické únosnosti průřezu nosníku, může být dosaženo vhodným návrhem. Jejich tažnost při ohybu závisí do značné míry na detailování styčníků, které ovlivňuje způsob porušení (Jaspart, 1997). Pokud je komponenta styčníku rozhodující pro porušení tažná a pokud je únosnost křehkých aktivních komponent výrazně vyšší, může být dosaženo tažné odezvy styčníku. V opačném případě by se nemělo spoléhat na schopnost styčníku tvořit plastické klouby a přerozdělovat vnitřní síly pro pohlcování energie v seizmické oblasti.

Pro svařované momentové přípoje s redukovaným průřezem nosníku, označované také jako „dog-bone", byly přijaty dvě hlavní strategie: zesílení přípoje nebo oslabení nosníku. Z těchto dvou možností pro profil redukce průřezu má rádiusový řez tendenci vykazovat relativně tažnější chování a oddaluje konečné porušení (Jones et al. 2002). Práce však ukázala, že prvky s redukovaným průřezem nosníku jsou náchylnější ke klopení v důsledku zmenšené plochy jejich pásnic. Další experimentální a analytický výzkum zaměřený na použití hlubokých sloupů (Zhang and Ricles, 2006) ukázal, že přítomnost spřažené stropní desky může výrazně snížit míru kroucení vyvíjeného ve sloupu, protože zajišťuje ztužení nosníku a snižuje boční posunutí dolní pásnice.

Podle návrhového postupu vyvinutého v rámci projektu EQUALJOINTS se styčník skládá ze tří makrokomponent: stojiny sloupu, zóny přípoje a zóny nosníku; viz obr. 12.2.1. Každá makrokomponenta je navrhována samostatně podle specifických předpokladů a poté jsou aplikována kritéria kapacitního návrhu za účelem dosažení tří různých návrhových cílů definovaných pro posouzení styčníku: plně únosné, rovně únosné a částečně únosné styčníky. Plně únosné styčníky jsou navrženy tak, aby zaručovaly vznik veškerých plastických deformací v nosníku, což je v souladu s pravidly kapacitního návrhu EN 1998-1:2005 – silný sloup, slabý nosník. Rovně únosné styčníky jsou teoreticky charakterizovány současným plastickým přetvořením všech makrokomponent, tj. přípoje, stojiny a nosníku. Částečně únosné styčníky jsou navrženy tak, aby rozvíjely plastické deformace pouze v přípoji nebo ve stojině sloupu. Podle únosnosti makrokomponent přípoje a stojiny sloupu pro styčníky s rovnou i částečnou únosností lze zavést dodatečnou klasifikaci. U silné stojiny je plastická poptávka soustředěna v přípoji pro částečně únosný styčník nebo v přípoji a nosníku pro rovně únosný styčník. U vyvážené stojiny je plastická poptávka rozdělena mezi přípoj a stojinu sloupu pro částečně únosný styčník a v přípoji, stojině a nosníku pro rovně únosný styčník. U slabé stojiny je plastická poptávka soustředěna ve stojině sloupu pro částečně únosný styčník nebo ve stojině a nosníku pro rovně únosný styčník.

Obr. 12.2.1 Rozdělení styčníku na makrokomponenty

Tažnost styčníku závisí na typu způsobu porušení a odpovídající kapacitě plastické deformace aktivované komponenty. Kapacita deformace může být přibližně předpovězena splněním vyvinutých kritérií pro komponentovou metodu nebo přesněji vypočtena pomocí CBFEM. Níže jsou uvedeny příklady návrhu dvou předkvalifikovaných konfigurací styčníků popsaných v materiálech projektu EQUALJOINTS a v normě ANSI/AISC358-16, přičemž je zvažováno chování makrokomponent samostatně.

12.2.1 Validace

Modely CBFEM tuhosti, únosnosti a kapacity deformace předkvalifikovaných styčníků byly validovány Montenegrem (2017) na souboru experimentů dostupných z projektu EQUALJOINTS. Příklady konstrukčních řešení jsou na obr. 12.2.2. Výsledky validace způsobu porušení jsou zobrazeny na obr. 12.2.3. Souhrn validace únosnosti a kapacity deformace pro přetvoření 15 % je uveden na obr. 12.2.4 a 12.2.5.

Obr. 12.2.2 Styčníky použité pro validaci a ověření a) EH2-TS-35-M a EH2-TS-45-M, b) ES1-TS-F-M a ES3-TS-F-M, c) E1-TS-E-M a E2-TS-E-M

Obr. 12.2.3 Validace způsobu porušení CBFEM na styčnících s prodlouženou čelní deskou s náběhem E1-TS-F-C2 (Tartaglia and D'Aniello, 2017)

Obr. 12.2.4 Validace únosnosti CBFEM na experimentech z projektu EQUALJOINTS

Obr. 12.2.5 Validace rotační kapacity CBFEM na experimentech z projektu EQUALJOINTS

12.2.2 Ověření

Model CBFEM byl ověřen vůči komponentové metodě podle kap. 6 v EN 1993-1-8:2006. Výběr výsledků je uveden v tab. 12.2.1 a obr. 12.2.6. Výsledky ukazují ztrátu přesnosti komponentové metody u větších styčníků, kde přesnost ovlivňuje hrubý předpoklad ramene sil.

Tab. 12.2.1 Ověření CBFEM vůči komponentové metodě

Obr. 12.2.6 Ověření únosnosti CBFEM vůči komponentové metodě

Tři jednostranné styčníky s náběhem jsou podrobněji popsány v (Landolfo et al. 2017) a (Equaljoints application). Styčníky jsou zatíženy jak kladnými, tak zápornými ohybovými momenty a odpovídající posouvající silou. Stojiny sloupů jsou zesíleny přídavnými plechy, takže rozhodujícími komponentami jsou T-průřezy buď čelní desky, nebo pásnice sloupu. Osy otáčení jsou předpokládány ve středu horní pásnice nosníku pro kladný ohybový moment a uprostřed náběhu pro záporný ohybový moment. Poloha plastického kloubu je předpokládána na líci výztužného plechu na konci náběhu. Ohybový moment na líci sloupu použitý pro posouzení přípoje je zvýšen o odpovídající posouvající sílu; viz obr. 12.2.7.

Obr. 12.2.7 Poloha plastického kloubu, průběh ohybového momentu ve styčníku s náběhem

Tab. 12.2.2 Únosnost komponent podle komponentové metody pro styčníky s náběhem

Součinitel zpevnění byl zvolen 1,2 podle doporučení EN 1993-1-8:2006 a závěrečné zprávy projektu Equaljoints (EN 1998-1:2005 navrhuje hodnotu 1,1). Součinitel nadpevnosti byl předpokládán 1,25 (Landolfo et al. 2017). Veškerá ocel byla třídy S355. Únosnosti jednotlivých komponent jsou shrnuty v tab. 12.2.2. Posouzení vyznačená tučně nevyhovují. Únosnost náběhu je plastická únosnost průřezu nosníku s náběhem u čelní desky. Pevnost nosníku je předpokládána zvýšená o součinitel nadpevnosti v místě plastického kloubu, nikoli však u čelní desky. Pokud by byl součinitel nadpevnosti použit také u čelní desky, byla by tato únosnost vyšší. Proto byla jako rozhodující pro únosnost styčníku č. 267 předpokládána druhá nejnižší únosnost, T-průřez – čelní deska. Žádný ze zkoumaných styčníků nesplňuje požadavek pro plně únosný styčník. Únosnost je však velmi blízká a styčníky jsou rovně únosné. Stojina sloupu je ve všech případech silná.

Rozhodující způsob porušení podle CBFEM je porušení šroubů s plastickým přetvořením plechů, zejména čelní desky, pásnice sloupu a náběhu. Podle CBFEM jsou styčníky č. 4.2 a č. 264 plně únosné a styčník č. 267 rovně únosný. Stojiny sloupů jsou ve všech případech silné.

Obr. 12.2.8 Přetvoření při únosnosti pro a) celý styčník, b) pouze makrokomponentu šroubovaného přípoje s čelní deskou, c) pouze makrokomponentu stojiny sloupu ve smyku s přídavnými plechy, d) pouze makrokomponentu nosníku

12.2.3 Nevyztužené styčníky s prodlouženou čelní deskou

Pro studii citlivosti byl vybrán předkvalifikovaný nevyztužený styčník s prodlouženou čelní deskou. Nosník IPE 450 je připojen ke sloupu HEB 300 prodlouženou čelní deskou tloušťky 25 mm s dvanácti šrouby M30 10.9, s přídavným plechem stojiny tloušťky 10 mm i bez něj. Pro všechny plechy byla použita ocel třídy S 355. Pro stanovení příspěvku každé makrokomponenty samostatně byl pracovní diagram materiálu vybrané makrokomponenty elastoplastický, zatímco zbytek styčníku měl pouze elastický pracovní diagram materiálu. Přetvoření při únosnosti celého styčníku, stojiny sloupu ve smyku pouze s přídavnými plechy a pouze šroubovaného přípoje s čelní deskou jsou porovnána s makrokomponentou nosníku na obr. 12.2.8. Vliv každé makrokomponenty na chování styčníku je uveden na obr. 12.2.9, kde je zobrazena stojina sloupu s přídavnými plechy i bez nich. Chování styčníku ukazuje vyšší únosnost makrokomponenty přípoje.

Obr. 12.2.9 Vliv makrokomponent – stojiny sloupu s přídavnými plechy ve smyku,
šroubovaného přípoje s čelní deskou a nosníku na chování celého styčníku

12.2.4 Poloha středu tlaku

Pro styčníky s čelní deskou EN 1993-1-8:2006 stanovuje, že střed tlaku se nachází uprostřed tloušťky pásnice nosníku, nebo na špičce náběhu v případě styčníků s náběhem. Experimentální a numerické výsledky ukázaly, že poloha středu tlaku závisí jak na typu styčníku, tak na požadavku rotace v důsledku vzniku plastických módů s různým zapojením každé komponenty styčníku (Landolfo et al. 2017). Podle navrhovaného návrhového postupu komponentové metody a na základě experimentálních i numerických výsledků se předpokládá kontakt přibližně v těžišti průřezu tvořeného pásnicí nosníku a žebrovými výztuhami pro styčníky s vyztuženou čelní deskou, nebo přibližně ve výšce 0,5 náběhu v případě styčníků s náběhem. Tento hrubý předpoklad je zpřesněn postupem CBFEM, který poskytuje správné hodnoty během zatěžování a počátečního plastického přetváření částí styčníku.

Prezentované výsledky ukazují dobrou přesnost CBFEM ověřeného vůči ROFEM, validovaného na experimentech EQUALJOINTS a komponentové metodě. Přináší možnost uvažovat chování makrokomponent samostatně a polohu neutrálních os přesně podle zatížení/plastifikace.

12.3 Svařovaný styčník s redukovaným průřezem nosníku

Pro tuto studii byl vybrán předkvalifikovaný svařovaný styčník s redukovaným průřezem nosníku podle ANSI/AISC 358-16. Nosník IPE 450 je připojen ke sloupu HEB 300 tupými svary na pásnicích a žiletkou tloušťky 12 mm se třemi předepnutými šrouby M30 10.9, s přídavným plechem stojiny tloušťky 10 mm i bez něj; viz obr. 12.3.1. Veškerá použitá ocel je třídy S355.

Přetvoření při mezní únosnosti celého styčníku a makrokomponenty stojiny sloupu ve smyku pouze s přídavnými plechy jsou zobrazena na obr. 12.3.2. Vliv každé makrokomponenty na chování styčníku je uveden na obr. 12.3.3, kde je zobrazena stojina sloupu s přídavnými plechy i bez nich. Styčník ukazuje, že únosnosti makrokomponent styčníku jsou dobře optimalizovány.

Obr. 12.3.1 Styčník s redukovaným průřezem nosníku, a) nosník s redukovaným průřezem, b) stojina sloupu s přídavnými plechy ve smyku, šroubovaný přípoj s čelní deskou,

Obr. 12.3.2 Přetvoření při únosnosti pro a) celý styčník a b) pouze makrokomponentu stojiny sloupu s přídavnými plechy ve smyku 

Obr. 12.3.3 Vliv makrokomponent na chování celého styčníku na diagramu M-φ

Reference

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels, 2005.

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. Experimental evaluation of cyclically loaded reduced beam section moment connections. Journal of Structural Engineering. 128 (4), 441–451, 2002.

Landolfo R. et al. Design of Steel Structures for Buildings in Seismic Areas, ECCS Eurocode Design Manual. Wiley, 2017.

Stratan A., Maris C, Dubina D, and Neagu C. Experimental prequalification of bolted extended end plate beam to column connections with haunches. ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017.

Tartaglia R, D'Aniello M. Nonlinear performance of extended stiffened end-plate bolted beam-to-column joints subjected to column removal. The Open Civil Engineering Journal Vol 11, Issue Suppl-1, 369–383, 2017.

Zhang X., Ricles J.M. Experimental evaluation of reduced beam section connections to deep columns. Journal of Structural Engineering. 132 (3), 346-357, 2006.