5017x
001669
18.12.2020

Klopení dřevěných konstrukcí | Příklady 2

V předchozím článku Klopení dřevěných konstrukcí | Příklady 1 jsme na jednoduchých příkladech předvedli praktický postup při stanovení kritického ohybového momentu Mcrit nebo kritického ohybového napětí σcrit pro klopení ohybového nosníku. V tomto příspěvku stanovíme kritický ohybový moment s přihlédnutím k pružnému uložení v důsledku ztužení.

Statický model

U konstrukce znázorněné na obr. 01 posoudíme příhradový nosník na klopení. V rovině střechy se nachází šest vazníků jako rovnoběžných nosníků o délce 18 m se dvěma ztuženími. Nosníky na stranách štítu jsou podepřeny sloupy a při výpočtu se nezohlední. Na příhradové nosníky působí návrhové zatížení qd 10 kN/m.

Údaje o modelu

L 18 m délka nosníku
b 120 mm Šířka nosníku
h 1,200 mm Výška nosníku
GL24h Materiál podle EN 14080
Iz 172.800.000 mm4 Moment setrvačnosti
IT 647.654.753 mm4 Moment tuhosti v prostém kroucení
qd 10 kN/m Návrhové zatížení
az 600 mm Poloha břemene
e 600 mm Poloha základu

Pozor: I když následující rovnice pro E a G výslovně v indexu neodkazují na hodnoty 5% kvantilu, zohlednili jsme je odpovídajícím způsobem.

Prostý nosník s vidlicovým uložením bez mezilehlého podepření

Pro úplnost nejdříve analyzujeme příhradový nosník bez bočního podepření (viz obrázek 02). Délka náhradního prutu se stanoví při působení zatížení na horní stranu příhradového nosníku s a1 = 1,13 a a2 = 1,44 následovně:

lef = 17,79 m

Kritický ohybový moment lze pak spočítat následovně:

Mcrit = 134,52 kNm

V našem příkladu nebudeme uvažovat zvýšení součinu 5% kvantilů tuhosti v důsledku homogenizace nosníků z lepeného lamelového dřeva.

Výsledný ohybový moment působící na příhradové nosníky je tak:

Md = 405,00 kNm

Výsledkem analýzy vlastních čísel v přídavném modulu RF-/FE-LTB je součinitel kritického zatížení 0,3334. Z toho plyne kritický ohybový moment

Mcrit = 0,3334 ⋅ 405 kNm = 135,03 kNm

a shoduje se tedy s výsledkem analytického řešení.

Jak se u tohoto nepodepřeného štíhlého příhradového nosníku dalo očekávat, je působící ohybový moment větší (3krát) než kritický ohybový moment, a příhradový nosník tak není dostatečně zajištěn proti klopení. Proti tomu by však mělo působit ztužení, které nyní při výpočtu zohledníme.

Prostý nosník s vidlicovým uložením a tuhými mezilehlými podporami

Pokud je ztužení dostatečně tuhé, uvažuje se v praxi často jako náhradní délka prutu pro posouzení klopení vzdálenost bočních podpor (například vaznic). Tento postup jsme již popsali v předchozím článku Klopení dřevěných konstrukcí | Příklady 1. Jako L se tedy uvažuje 2,25 m. V případě a1 = 1,00 a a2 = 0,00 platí:

lef = 2,25 m

Kritický ohybový moment je tak:

Mcrit = 1 063,51 kNm

Vzhledem k tomu, že ohybový moment působící na nosník je menší než kritický ohybový moment, není nosník při uvažování tuhých mezilehlých podpor náchylný ke klopení.

Výsledkem analýzy vlastních čísel v přídavném modulu RF-/FE-LTB je součinitel kritického zatížení 2,7815. Z toho plyne kritický ohybový moment

Mcrit = 2,7815 ⋅ 405 kNm = 1 126,50 kNm

Prostý nosník s vidlicovým podepřením a pružným uložením prutu

Jak jsme popsali v příspěvku Klopení dřevěných konstrukcí | Teorie, v [1] se v případě prutů s pružným uložením výpočet délky náhradního prutu rozšiřuje o součinitel α a β. Lze tak zohlednit smykovou tuhost ztužení pro klopení příhradových nosníků. Smykovou tuhost ztužení lze stanovit například podle [2], obr. 6.34. Jak je zřejmé, závisí na typu ztužení, osové tuhosti diagonál a svislic, sklonu diagonál a poddajnosti spojovacích prostředků. V případě ztužení znázorněného na obr. 01 je smyková tuhost:

Přitom ED je modul pružnosti diagonál a AD jejich průřezová plocha. Výše uvedená rovnice ovšem nezahrnuje poddajnost spojovacích prostředků diagonál. Lze ji spolu s protažením diagonál zohlednit fiktivní průřezovou plochou AD'. Z toho plyne:

kde

Diagonály mají rozměry š/v = 120/200 mm a délku LD 4,59 m. Modul posunutí spoje na každé straně diagonál by měl být 110 000 N/mm.

Ideální plocha tak činí

AD' = 12 548 mm²

a tedy tuhost ztužení ve smyku s úhlem diagonál k pásnici 60,64 °

sid = 44 864 kN

Uložení prutu na ztužení lze převést podle [2], vztahu 7.291 následovně:

Pro dvě ztužení a šest příhradových nosníků lze u každého nosníku uvažovat následující konstantu tuhosti:

Ky = 455,6 kN/m² = 0,456 N/mm²

Za předpokladu, že KG = ∞, Kθ = 0, Ky = 0,456 N/mm², e = 600 mm, a1 = 1,13 a a2 = 1,44, je délka náhradního prutu:

lef = 0,13

Kritický ohybový moment má tak ideální hodnotu:

Mcrit = 18 482,84 kNm

Očekávat bychom mohli podobnou hodnotu jako u systému s tuhými mezilehlými podporami. Jak jsme již zmínili v článku Klopení dřevěných konstrukcí | Teorie, platí pro uplatnění rovnice rozšířené o součinitele α a β omezení. Přísně vzato tato rovnice platí pouze v případě, že dochází k podélnému zakřivení v jediném velkém sinusovém oblouku. To znamená, pokud je podloží velmi měkké. V našem příkladu se ovšem nejedná o tento případ. Vlastní funkce o několika vlnách, které vedou při větších konstantách tuhosti k minimálnímu kritickému zatížení, uvedená rovnice nepostihuje, protože je založena na jednoduchém sinusovém průběhu.

Jak vidíme na obr. 07, výsledkem analýzy vlastních čísel je vlastní tvar s několika vlnami.

V tomto případě lze použít odvozenou metodu Prof. Dr. Heinricha Kreuzingera (2020). Kritický ohybový moment se vypočítá následovně:

Konstanta n označuje 1., 2., 3. ... vlastní číslo. Je tak třeba vyšetřit několik vlastních čísel a rozhodující je pak nejmenší kritický ohybový moment. Pro n = 1 ... 30 se stanoví následující kritické ohybové momenty.

nMcrit [kNm]nMcrit [kNm]
19 523,25162 214,63
24 281,26172 339,17
32 294,32182 464,92
41 605,56192 591,63
51 354,68202 719,14
61 282,70212 847,30
71 294,12222 976,00
81 348,81233 105,16
91 428,05243 234,71
101 522,29253 364,60
111 626,24263 494,77
121 736,77273 625,20
131 851,94283 755,84
141 970,50293 886,67
152 091,60304 017,68

Pro n = 6 dostaneme minimální hodnotu Mcrit, a to 1 282,70 kNm.

Řešením vlastních čísel v přídavném modulu RF-/FE-LTB (viz obr. 07) se stanoví:

Mcrit = 3,4376 ⋅ 405 kNm = 1 397,25 kNm

Oba výsledky se téměř shodují. Nicméně analytické řešení je na straně bezpečnosti, protože se při něm zjednodušeně vychází z konstantního průběhu ohybového momentu. Konstantnímu kritickému ohybovému momentu Mcrit se pak přiřadí kritická síla qcrit.

Protože uložení prutu v našem příkladu se má uvažovat jako velmi tuhé a konstantní po délce příhradového nosníku, dostaneme mírně vyšší kritické ohybové momenty než v případě tuhých bodových podpor.

Podle [3], kap. 9.2.5.3 (2) musí být ztužení tak tuhá, aby nebyl překročen vodorovný průhyb L/500. Při výpočtu se přitom musí vycházet z návrhových hodnot tuhostí (viz [1], kap. NCI k 9.2.5.3).

Pro kcrit = 0,195, H = 5 m a qp = 0,65 kN/m² jako maximální dynamický tlak se stanoví následující zatížení (viz [3], kap. 9.2.5.3):

Nd = (1 - 0,195) ⋅ 405 / 1,2 = 271,68 kN

qd = 2,76 kN/m

qd,vítr = 1,5 ⋅ (0,7 + 0,3) ⋅ 0,65 ⋅ 5 / 2 = 2,44 kN/m

Deformace ztužení je znázorněna na obr. 08. Zatížení se přitom opět rozdělila na polovinu, protože jsou zde dvě ztužení.

Dovolená deformace činí:

Tím se potvrzuje předpoklad velmi tuhého ztužení, což je v souladu s téměř stejnými kritickými ohybovými momenty konstrukce s tuhým mezilehlým podepřením a konstrukce s pružným uložením prutu.

Závěr

Ukázali jsme, jaké možnosti máme pro analýzu klopení ohybových nosníků v dřevěných konstrukcích. U běžných metod je důležité zajistit, aby ztužení bylo dostatečně tuhé, a bylo tak možné uvažovat tuhé podepření. Obdobně jsme předvedli varianty, pokud tento předpoklad neplatí. V zásadě je třeba ohybové nosníky a ztužení posoudit podle příslušné normy také na jejich únosnost a použitelnost, což ovšem není předmětem našeho článku.


Autor

Ing. Rehm se podílí na vývoji programů pro dřevěné konstrukce a zajišťuje technickou podporu zákazníkům.

Odkazy
Reference
  1. Nationaler Anhang - Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten - Teil 1-1: Allgemeines - Allgemeine Regeln und Regeln für den Hochbau; DIN EN 1995-1-1/NA:2013-08
  2. Petersen, C.: Statik und Stabilität der Baukonstruktionen, 2. Auflage. Wiesbaden: Vieweg, 1982
  3. Eurokód 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten - Teil 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby; ČSN EN 1995-1-1:2006-12