Porovnání DSTV s addonovým řešením Ocelové přípoje: Momentově odolné přípoje nosníků a sloupů s čelními deskami

Úvod

Tradiční řešení přípojů se v ocelových konstrukcích používají velmi často, přičemž norma EN 1993-1-8 předepisuje pro návrh metodu komponent. Tato metoda může být náročná, zejména u složitých návrhů, ale zdroje jako Standardizované spoje v ocelových konstrukcích podle DIN EN 1993-1-8 poskytují předdefinované geometrie spojů s hodnotami únosnosti a tuhosti, což proces zjednodušuje.

Tento článek porovnává výsledky konvenčních návrhových metod s výsledky generovanými pokročilým použitím CBFEM v addonu Ocelové přípoje pro RFEM 6, přičemž k zdůraznění rozdílů používá dvě reprezentativní návrhové konfigurace.

Analyzovaným spojem je momentově odolné spojení pro nosníky s průřezy ve tvaru I nebo H a čelními deskami, sestavené s vertikálními řadami vysokopevnostních šroubů pro spolehlivou odolnost proti zatížení.

Spoje s čelními deskami mají několik variant nastavení. Tento článek se zabývá dvěma možnostmi: prodlouženou čelní deskou, která přesahuje nosník a je spojena se sloupem, a zapuštěnou čelní deskou, která pokrývá pouze plochu průřezu nosníku a je spojena se sloupem.
Geometrie čelní desky s přesahem, typ A, je převzata z tabulek pro momentově odolné spoje IH [1], zatímco geometrie čelní desky na výšku nosníku, typ B, je odvozena z tabulek pro momentově odolné spoje IM [3].

Vybrané geometrie přípojů jsou uvedené v tabulce níže spolu s jejich nastavením.

Nastavení geometrie pro spoje typu A a B

¹ st. - výztuhy

Analytický přístup

Tabulky odolnosti uvedené v „Standardizovaných přípojích v ocelových konstrukcích podle DIN EN 1993‑1‑8“ [1] a „Ocelových konstrukcích podle DIN EN 1993-1-8, doplňkový svazek 2018“ [3] platí za následujících podmínek: ověřovací postupy jsou elasticko-elastické nebo elasticko-plastické; převážně statické zatížení; souvislý sloup; stejné výšky a polohy nosníků u oboustranných konfigurací spojů nosník-sloup; sloupy, nosníky a čelní desky z oceli S 235 nebo S 355 podle normy DIN EN 1993 část 1.1; profily nosníků a sloupů HEB, HEA, HEM, IPE jsou válcované profily podle normy DIN 1025 část 2, 3, 4 a 5 a předchozích euronorm EU 53-62 (řada HE) a EU 19-57 (IPE) resp.
Mezi mechanismy porušení a primární komponenty ovlivňující momentovou únosnost a tuhost, které se zohledňují u spojů typu A a typu B, patří (viz [2] 6.2.6.1 až 6.2.6.8) stojina sloupu ve smyku (CWS), stojina sloupu v tlaku (CWC), pásnice nosníku a stěna v tlaku (BFC), stěna sloupu v tahu (CWT), pásnice sloupu v ohybu (CFB), stěna nosníku v tahu (BWT), čelní deska v ohybu (EPB) a šrouby v tahu (BT).

Momentová únosnost a počáteční rotační tuhost spojů nosník-sloup s čelní deskou s přesahem byly převzaty z tabulek odolnosti uvedených v [1] a [3].

Nastavení spojů je uvedeno na začátku tohoto článku, zatímco hodnoty odolnosti proti momentu a rotační tuhosti jsou shrnuty v níže uvedené srovnávací tabulce.

KP analýza na bázi komponent

Posouzení spojů bylo provedeno za použití Addon Ocelové přípoje pro RFEM 6.
Addon Ocelové přípoje umožňuje analýzu spojů na bázi KP modelů. Zadávání údajů i vyhodnocování výsledků jsou plně integrovány do uživatelského rozhraní RFEM, což činí proces navrhování intuitivním a efektivním.

1. Přípoje odolné proti namáhání momentem s prodlouženými čelními deskami s přesahem

Zadání pro addon Ocelové přípoje
Nastavení přípojů je uvedeno na začátku tohoto článku.

Výsledky addonu Ocelové přípoje
Addon Ocelové přípoje pro RFEM 6 rozšiřuje možnosti softwaru tím, že umožňuje inženýrům analyzovat ocelové spoje s přesností KP modelu. Tento pokročilý nástroj usnadňuje podrobnou vizualizaci všech klíčových výsledků přímo na KP modelu a nabízí jasný a komplexní přehled o výkonu spoje za různých zatížení a podmínek. RFEM tak nabízí hlubší pochopení chování spojů a pomáhá optimalizovat návrhy z hlediska bezpečnosti a efektivity.

Podrobné zobrazení výsledků je uvedeno pouze pro spoj typu A.1.

"Momentová únosnost"
Odolnost proti momentu pro přípoj typu A.1 je 163,43 kNm.

"Srovnávací napětí"
Srovnávací napětí znázorňuje celkové rozložení napětí ve spoji a pomáhá identifikovat potenciální místa porušení způsobená koncentrací napětí. Jsou nezbytné pro hodnocení únosnosti spoje.

Typ A.1: srovnávací napětí zobrazené na geometrii přípoje

Rozložení napětí ve spoji je ovlivněno mechanismy přenosu zatížení a geometrií spoje. Symetrická konfigurace pomáhá rovnoměrně rozložit síly, i když dochází k lokální koncentraci napětí. Nejvyšší napětí působí na pásnice nosníku a čelní desky, zejména v blízkosti čelní desky, kde je spojena s pásnicemi nosníku a přišroubována ke sloupu. Oblast v tmavě červené barvě označuje napětí na mez kluzu oceli. Významnému namáhání jsou vystaveny také líc sloupu sousedící s přípojem.

"Plastické přetvoření"
Desky ve spoji jsou navrženy plasticky a zahrnují porovnání vypočteného plastického přetvoření s přípustným plastickým přeetvořením. Mezní plastické přetvoření je podle normy EN 1993‑1‑5, příloha C, 5 %. Tato hodnota je přijata standardně v addonu Ocelové přípoje.

Typ A.1: plastické přetvoření zobrazené na geometrii přípoje

Vzor přetvoření v přípoji úzce sleduje rozložení napětí. Čelní deska vykazuje nerovnoměrné vzory přetvoření v důsledku excentrického přenosu zatížení, s koncentracemi přetvoření kolem otvorů pro šrouby, kde dochází k maximálnímu napětí.
Celkově je rozložení přetvoření nerovnoměrné, s vyššími plastickými přetvořeními v oblastech koncentrace napětí, dosahujícími až 0,5 % v kritických místech.

"Využití v addonu Ocelové přípoje"
Souhrn využití je uveden v následující tabulce.

Typ A.1: využití na ocelových přípojích

"Rotační tuhost"
Souhrn hodnot rotační tuhosti je uveden v následující tabulce.

Typ A.1: rotační tuhost

Přípoj vykazuje dvě hodnoty rotační tuhosti kvůli své asymetrické povaze. Momenty působící ve směru nahoru i dolů vyvolávají různé odezvy tuhosti. V důsledku toho se rotační tuhost liší v závislosti na směru působícího momentu, což odráží nesymetrické chování přípoje.

2. Momentově odolné přípoje s čelní deskou na výšku nosníku

Zadání pro addon Ocelové přípoje
Nastavení přípojů je uvedeno na začátku tohoto článku.
Posouzení spojů bylo provedeno pomocí addonu Ocelové přípoje pro RFEM 6.

Výsledky addonu Ocelové přípoje
Podrobné znázornění výsledků je uvedeno pouze pro spoj typu B.1.

"Momentová únosnost"
Momentová únosnost pro přípoj typu B.1 je 94,09 kNm.

Typ B.1: srovnávací napětí zobrazené na geometrii spoje

Typ B.1: plastické přetvoření zobrazené na geometrii spoje

"Využití a rotační tuhost"
Souhrn využití a rotační tuhost přípoje jsou uvedené v následujících tabulkách.

Typ B.1: využití v addonu Ocelové přípoje

Typ B.1: rotační tuhost

Diskuze

Pro analýzu bylo provedeno několik výpočtů: jeden pro přípoj s profilem nosníku HEA a jeden s profilem nosníku IPE. Tyto geometrie byly modelovány pomocí addonu Ocelové přípoje. Výsledky výpočtů – analytické i založené na metodě CBFEM – jsou uvedeny níže.

Porovnání analytické metody a moderního použití CBFEM ukazuje obecně dobrou shodu.
U přípojů typu A se rozdíl v momentové únosnosti pohybuje od 5,96 % do 7,25 %, přičemž addon Ocelové přípoje poskytuje mírně vyšší hodnoty díky podrobnějšímu odhadu momentové únosnosti přípoje.
U spojů typu B jsou rozdíly v momentové únosnosti menší, pohybují se od 0,53 % do 0,65 %, což naznačuje vynikající shodu mezi oběma metodami.

Rotační tuhost vykazuje větší rozdíly mezi přípoji. U přípojů typu A se rozdíl v tuhosti pohybuje od 3,96 % do 20,6 %. Větší rozdíl naznačuje, že použití CBFEM poskytuje jemnější a přesnější znázornění rotačního chování a zachycuje složitější interakce uvnitř přípoje.
U spojů typu B jsou rozdíly ještě výraznější, s odchylkami 22,34 % a 23,7 %. Tyto větší rozdíly naznačují, že addon Ocelové přípoje zohledňuje složitější aspekty chování přípojů, jako je průběh zatížení a deformací, které zjednodušená analytická metoda plně nezachytí.

Když je u přípojů typu A dosaženo momentové únosnosti, analýza KP ukazuje, že čelní desky procházejí plastickými deformacemi, zatímco šrouby dosahují své odolnosti. To odpovídá mechanismům porušení z referenční literatury. Svary jsou také na hranici své kapacity.
U přípojů typu B je momentová únosnost dosažená v MKP ve všech posuzovaných částech rovnoměrně využita, tj. šrouby, čelní desky a svary. To znamená, že přípoj je dobře navržen. Je zřejmé vysoké plastické přetvoření v čelních deskách.

Závěrem lze říci, že addon Ocelové přípoje poskytuje přesný a podrobný přístup, zejména pro složité návrhové konfigurace.

Odkazy

[1] Standardizované přípoje v ocelových konstrukcích podle DIN EN 1993-1-8, kompletní vydání 2013
[2] DIN EN 1993-1-8:201.0-12 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1- 8: Navrhování styčníků. Německá verze EN 1993-1-8:2005 + AC:2009
[3] Standardizované spoje v ocelových konstrukcích podle DIN EN 1993-1-8, doplňkový svazek 2018. Momentová únosnost spoje lM