46x

002057

11.6.2026

Analýza tlustých prodloužených čelních desek a více šroubů v řadě pomocí addonu Ocelové přípoje pro RFEM

Tato studie zkoumá verifikaci Ocelového přípoje implementovaného v programu RFEM pro analýzu tlustých prodloužených čelních desek a více šroubů v řadě. Konstrukční chování a únosnost těchto přípojů jsou hodnoceny podle návrhových ustanovení Eurokódu 3 (EC-3) a porovnány s výzkumně orientovaným modelem konečných prvků (ROFEM), který byl dříve validován experimentálními zkouškami.

Analytický model

Tato studie přebírá návrhová kritéria specifikovaná v EN 1993-1-8 pro posouzení únosnosti šroubů (ve střihu a tahu) a únosnosti plechu (v otlačení a protlačení), přičemž využívá formulace mezních stavů uvedené v Tabulce 3.4.

Návrhová únosnost ekvivalentního T-profilu je posuzována nezávisle pro komponenty čelní desky a pásnice sloupu. Pro každý komponent je rozhodující návrhová únosnost F_T,Rd definována jako minimální hodnota odvozená ze tří potenciálních mechanismů porušení.

F_{T, R d} = m i n (F_{T 1, R d}, F_{T 2, R d}, F_{T 3, R d})

Návrhová únosnost a tvary porušení T-profilu podle normy EN 1993-1-8

Jednotlivé únosnosti pro každý mód porušení se vypočítají na základě plastické momentové únosnosti pásnice (M_pl,1Rd a M_pl,2,Rd) a tahové únosnosti skupiny šroubů (∑F_t,Rd). Tyto módy zahrnují úplné zplastizování pásnice (Mód 1), porušení šroubu spojené se zplastizováním pásnice (Mód 2) a čisté přetržení šroubu (Mód 3).

Módy porušení:

F_{T, 1, R d} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) M_{p l, 1, R d}}{2 m n - e_{w} (m + n)}

Tvar 1: úplná plastizace pásnice

F_{T, 2, R d} = \frac{2 M_{p l, 2 R d} + n (\sum F_{t, R d})}{(m + n)}

Tvar 2: Porušení šroubu s plastizací pásnice

F_{T, 3, R d} = \sum F_{t R d}

Tvar 3: čisté zlomení šroubu

Plastický moment únosnosti:

M_{p l, 1, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 1} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Plastický moment únosnosti

M_{p l, 2, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 2} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Plastický moment únosnosti

Ilustrace znázorňující různé tvary porušení prvku typu T-profil ve stavebním inženýrství.

Tvary porušení prvků T-profilu

Geometrické detaily přípoje nosníku na sloup

V souladu se standardní stavební praxí byly všechny nosníky a sloupy vyrobeny z oceli S235, zatímco čelní desky využívaly vyšší pevnost oceli S355. Geometrické konfigurace, včetně uspořádání čelní desky a skupiny šroubů, jsou podrobně uvedeny na Obrázku 2, s odpovídající maticí experimentálních zkoušek a naměřenými materiálovými vlastnostmi uvedenými v Tabulkách 1.

Jak je definováno v matici zkoušek, Skupina A (vzorky 1A–3A) využívala profil sloupu HEA 300 (t_w = 8,5 mm; t_f = 14 mm), zatímco Skupina B zahrnovala těžší profil HEB 300 (t_w = 11 mm; t_f = 19 mm). Pro posouzení chování hierarchie slabý sloup – silný nosník byl u všech vzorků zachován jednotný profil nosníku HEB 300 a čelní desky tloušťky 30 mm, což zajistilo, že konfigurace Skupiny A byly kritické pro sloup.

Tabulka 1: Geometrická konfigurace zkoušených vzorků

Vzorky	Profil sloupu	Profil nosníku	Počet šroubů	Délka sloupu	Délka nosníku
T1A	HEA 300	HEB 300	12	2	1,5
T2A	HEA 300	HEB 300	6	2	1,5
T3A	HEA 300	HEB 300	8	2	1,5
T1B	HEB 300	HEB 300	12	2	1,5
T2B	HEB 300	HEB 300	6	2	1,5
T3B	HEB 300	HEB 300	8	2	1,5

(a) Typický šroubovaný přípoj nosníku a sloupu a (b) znázornění metodou komponent

(a) Typický šroubový přípoj nosníku a sloupu a (b) reprezentace metodou komponent

Konfigurace čelní desky/šroubů

Diskuse

Řešení pomocí modulu Ocelové přípoje pro RFEM

S využitím addonu pro RFEM 6 Ocelové přípoje založeného na MKP byl proces návrhu přípoje plně integrován do hlavního statického modelu. Tato studie prezentuje experimentální a numerické zkoumání statického chování šesti rozšířených čelních deskových přípojů nosníku na sloup s tlustou čelní deskou, se zvláštním důrazem na vliv nekonvenčních šroubových vzorů zahrnujících více šroubů v jedné řadě. Aby byla izolována vlastní rotační tuhost styčníkové oblasti, byly všechny vzorky konfigurovány bez přídavných výztuh stojiny sloupu. Experimentální matice zkoumala dvě odlišné hierarchie porušení: (1) konfiguraci slabý sloup/silný nosník (sloup HEA 300; nosník HEB 300) a (2) konfiguraci s vyváženou tuhostí (sloup i nosník HEB 300).

Tato zkoumání byla doplněna cílenou charakterizací T-profilu a vysoce přesnou analýzou konečných prvků (MKP). Po validaci na základě experimentálních dat a ověření pomocí rámců Eurokódu 3 (EC3) byly MKP modely použity k získání detailních vhledů do mechanismů lokální deformace. Obrázky 4 a 5 a Tabulky 2 a 3 znázorňují porovnání momentové únosnosti a tuhosti – Experimentální, ROFEM, Ocelové přípoje v RFEM a EC-3. A Tabulka 4 znázorňuje módy porušení.

Porovnání momentové únosnosti – Experiment, ROFEM, ocelové styčníky v programu RFEM a EC-3

Srovnání momentové únosnosti – Experiment, ROFEM, Ocelové styčníky v RFEM a EC-3

Srovnání tuhosti – experimentální, ROFEM, ocelové styčníky v RFEM a EC-3

Porovnání tuhosti – Experiment, ROFEM, Ocelové přípoje v RFEM a EC-3

Tabulka 2: Porovnání momentové únosnosti, tuhosti – Experimentální, ROFEM, Ocelové přípoje v RFEM a EC-3-1-8.

Experimentální zkoušky
Vzorek	Počet šroubů	Moment kNm, M_j.R	Počáteční tuhost Sj,ini (MNm/rad)
T1A	12	193,5	26,34
T2A	6	122,1	12,35
T3A	8	109,8	14,27
T1B	12	262,4	22,31
T2B	6	196,4	17,58
T3B	8	161,3	27,28

Komponentní metoda EC3-1-8
Vzorek	Počet šroubů	Moment kNm, M_j.R	Počáteční tuhost S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	114	33
T2A	6	108,8	27,42
T3A	8	64,7	18,87
T1B	12	162,6	41,83
T2B	6	156,5	38,96
T3B	8	81,1	23,82

ROFEM
Vzorek	Počet šroubů	Moment kNm, M_j.R	Počáteční tuhost S_j,ini (MNm/rad)
T1A	12	179,3	19,5
T2A	6	107,3	9,14
T3A	8	96,9	5,81
T1B	12	261,9	23,8
T2B	6	190,2	17,67
T3B	8	177	16,36

Ocelové přípoje RFEM
Vzorek	Počet šroubů	Moment kNm, M_j.R	EC-3/RFEM
T1A	12	154,57	0,74
T2A	6	115,42	0,94
T3A	8	97,13	0,67
T1B	12	197,5	0,82
T2B	6	172,8	0,91
T3B	8	137,63	0,59

Tabulka 3: Porovnání tuhosti.

Ocelové přípoje RFEM
Vzorek	Počet šroubů	Počáteční tuhost S_j,ini (MNm/rad)	EC-3/RFEM
T1A	12	13,4	2,46
T2A	6	8,2	3,34
T3A	8	11,5	1,64
T1B	12	18,8	2,23
T2B	6	12,5	3,12
T3B	8	16,9	1,41

Tabulka 4: Módy porušení.

Vzorek	EC-3	Ocelové přípoje v RFEM	Experimenty
T1A	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu
T2A	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu
T3A	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu
T1B	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu
T2B	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu
T3B	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu	Ohyb pásnice sloupu

Srovnávací Napětí a Plastické Přetvoření Modelu T1A

Ekvivalentní napětí a plastická deformace modelu T2A

Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu T2A

Ekvivalentní napětí a plastické přetvoření modelu T3A

Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu T3A

Ekvivivalentní napětí a plastické přetvoření modelu T1B

Ekvivalentní napětí a plastické přetvoření T1B modelu

Srovnávací napětí a Plastické přetvoření modelu T2B

Srovnávací Napětí a Plastické Přetvoření Modelu T3B

Stupeň využití a rotační tuhost modelu T1A

Stupeň využití a rotační tuhost modelu T2A

Stupeň využití a rotační tuhost modelu T3A

Stupeň využití a rotační tuhost modelu T1B

Poměrný návrhový moment a rotační tuhost modelu T1B

Návrhová únosnost a rotační tuhost modelu T2B

Stupeň využití a rotační tuhost modelu T2B

Stupeň využití a rotační tuhost modelu T3B

Závěr

Předběžná experimentální data byla použita k posouzení použitelnosti ustanovení EN 1993-1-8 pro ocelové přípoje. V souladu se zjištěními uváděnými pro konvenční prvky z uhlíkové oceli bylo zjištěno, že model tuhosti dle Eurokódu nadhodnocuje počáteční rotační tuhost, přičemž analytické předpovědi vykazovaly značný rozptyl v porovnání s naměřenými hodnotami.

Experimentální výsledky potvrzují, že jak momentová únosnost, tak počáteční tuhost rostou s počtem šroubů, přičemž vzorky s 12 šrouby (T1A, T1B) trvale překonávají protějšky s 6 a 8 šrouby. Komponentní metoda EC3-1-8 obecně podhodnocuje momentovou kapacitu a zároveň nadhodnocuje počáteční tuhost, nejvýrazněji pro T1B (41,83 vs. 22,31 MNm/rad), což je v souladu s trendem nadhodnocení pozorovaným dle EN 1993-1-8.

Poměry EC-3/RFEM v rozmezí od 0,59 do 0,94 ukazují na konzervativní předpovědi momentové únosnosti dle komponentní metody Eurokódu, přičemž nízký poměr pro T3B (0,59) naznačuje významné podhodnocení pro určité geometrie přípoje.

Reference

1. Eurokód 3. Navrhování ocelových konstrukcí - Část 1-8: Navrhování styčníků. Evropská norma EN 1993-1-8. Evropský výbor pro normalizaci, Brusel, Belgie; 1993. 2. Gary S. Prinz, Alain Nussbaumer, Luis Borges, Shyam Khadka, Experimental testing and simulation of bolted beam-column connections having thick extended endplates and multiple bolts per row, Engineering Structures, Volume 59, 2014, Pages 434-447, ISSN 0141-0296, 10.1016/j.engstruct.2013.10.042

;