002057

11.6.2026

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

Tato studie zkoumá ověření ocelových přípojů, jak je implementováno v programu RFEM, pro analýzu tlustých rozšířených čelních desek a více šroubů v řadě. Chování konstrukce a výkon těchto přípojů jsou hodnoceny podle návrhových ustanovení Eurokódu 3 (EC3) a porovnány s výzkumně orientovaným modelem konečných prvků (ROFEM), který byl dříve validován experimentálními zkouškami.

Analytický model

Tato studie přejímá návrhová kritéria stanovená v EN 1993-1-8 pro posouzení únosnosti šroubů (ve střihu a tahu) a únosnosti plechů (v otlačení a protlačení), s využitím formulací mezních stavů uvedených v tabulce 3.4.

Návrhová únosnost ekvivalentního T-průřezu se posuzuje samostatně pro čelní desku a pásnici sloupu. Pro každou komponentu je rozhodující návrhová únosnost F_T,Rd definována jako minimální hodnota odvozená ze tří možných 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 způsob 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 způsoby zahrnují úplné zplastizování pásnice (způsob 1), porušení šroubů v kombinaci se zplastizováním pásnice (způsob 2) a čisté přetržení šroubů (způsob 3).

Způsoby 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

Plastické momenty 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.

1 Tvary porušení prvků T-profilu

Geometrické detaily přípoje nosník–sloup

V souladu se standardní stavební praxí byly všechny nosníky a sloupy vyrobeny z oceli S235, zatímco čelní desky byly z vyšší pevnostní oceli S355. Geometrické konfigurace, včetně uspořádání čelních desek a skupin šroubů, jsou podrobně uvedeny na obrázku 2, přičemž odpovídající matice experimentálních zkoušek a naměřené materiálové vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 1.

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

Tabulka 1: Geometrická konfigurace zkoušených vzorků

Vzorky	Průřez sloupu	Průřez 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

Schématický diagram šroubovaného spoje nosník-sloup a jeho mechanický model s použitím metody komponent pro statiku ocelových konstrukcí.

2 (a) Typické šroubové spojení nosníku a sloupu a (b) zobrazení metodou komponent

3 Konfigurace čelní desky/šroubů

Diskuse

Ocelové přípoje pro řešení v RFEM

Pomocí addonu Ocelové přípoje pro RFEM 6, založeného na metodě konečných prvků, byl proces návrhu přípojů plně integrován do hlavního konstrukčního modelu. Tato studie prezentuje experimentální a numerické zkoumání konstrukčního chování šesti rozšířených přípojů nosník–sloup s tlustou čelní deskou, se zvláštním důrazem na vliv nekonvenčních šroubových vzorů zahrnujících více šroubů v jedné řadě. Pro izolaci vlastní rotační tuhosti 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 HEA300; nosník HEB300) a (2) konfiguraci s vyváženou tuhostí (sloup i nosník HEB300).

Tato zkoumání byla doplněna cílenou charakterizací T-průřezu a vysoce přesnou analýzou metodou konečných prvků (MKP). Po validaci vůči experimentálním datům a ověření pomocí postupů Eurokódu 3 (EC3) byly modely MKP použity k získání podrobných poznatků o mechanismech lokální deformace. Obrázky 4 a 5 a tabulky 2 a 3 ilustrují porovnání momentové únosnosti a tuhosti – experimentální, ROFEM, Ocelové přípoje v RFEM a EC3. Tabulka 4 ilustruje způsoby porušení.

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

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

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

5 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 kN m, 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 kN m, 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 kN m, 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 v RFEM
Vzorek	Počet šroubů	Moment kN m, M_j.R	EC3/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 v RFEM
Vzorek	Počet šroubů	Počáteční tuhost S_j,ini (MNm/rad)	EC3/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: Způsoby porušení

Vzorek	EC3	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

6 Srovnávací Napětí a Plastické Přetvoření Modelu T1A

Ekvivalentní napětí a plastická deformace modelu T2A

7 Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu T2A

Ekvivalentní napětí a plastické přetvoření modelu T3A

8 Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu T3A

Ekvivivalentní napětí a plastické přetvoření modelu T1B

9 Ekvivalentní napětí a plastické přetvoření T1B modelu

10 Srovnávací napětí a Plastické přetvoření modelu T2B

11 Srovnávací Napětí a Plastické Přetvoření Modelu T3B

12 Stupeň využití a rotační tuhost modelu T1A

13 Stupeň využití a rotační tuhost modelu T2A

14 Stupeň využití a rotační tuhost modelu T3A

Stupeň využití a rotační tuhost modelu T1B

15 Poměrný návrhový moment a rotační tuhost modelu T1B

Návrhová únosnost a rotační tuhost modelu T2B

16 Stupeň využití a rotační tuhost modelu T2B

17 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 běžné uhlíkové oceli bylo zjištěno, že model tuhosti podle Eurokódu nadhodnocuje počáteční rotační tuhost, přičemž analytické předpovědi vykazovaly značný rozptyl ve srovnání s naměřenými hodnotami.

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

Poměry EC3/RFEM v rozmezí 0,59 až 0,94 ukazují konzervativní předpovědi momentové únosnosti podle komponentní metody Eurokódu, přičemž nízký poměr u T3B (0,59) naznačuje výrazné podhodnocení pro určité geometrie přípojů.

Reference

Evropský výbor pro normalizaci (CEN). (1993). Eurokód 3. Navrhování ocelových konstrukcí Část 1–8: Navrhování styčníků (EN 1993-1-8). Brusel, CEN.
Prinz, G. S., Nussbaumer, A., Borges, L., & Khadka, S. (2014). Experimental testing and simulation of bolted beam-column connections having thick extended endplates and multiple bolts per row. Engineering Structures, 59, 434–447.

;