002060

23.6.2026

Analýza přípojů z vysokopevnostní oceli a přípojů s čelní deskou pomocí addonu Ocelové přípoje pro RFEM

Tato studie představuje návrh ocelového přípoje, jak je implementován v programu RFEM, pro analýzu spojů z vysokopevnostní oceli zahrnujících profilové průřezy a čelní desky. Chování konstrukce a únosnost těchto přípojů jsou posouzeny podle návrhových ustanovení Eurokódu 3 (EC3) a následně porovnány s predikcemi konečně prvkového modelu vytvořeného v programu RFEM, přičemž tento model byl v předchozí práci validován na základě experimentálních dat.

Analytický model

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

Návrhová únosnost ekvivalentního T-prutu se posuzuje nezávisle pro komponenty čelní desky a pásnice 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})

Řídící návrhová únosnost

Jednotlivá únosnost pro každý způsob porušení se vypočítá na základě plastické momentové únosnosti pásnice (M_pl,1,Rd a M_pl,2,Rd) a tahové únosnosti skupiny šroubů (∑F_t,Rd). Tyto způsoby zahrnují úplné zplastizování pásnice (Způsob 1), porušení šroubu kombinované se zplastizováním pásnice (Způsob 2) a čisté přetržení šroubu (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)}

Plné Vyčerpání Pásnice

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

Porušení šroubu spojené s poddajností příruby

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

Čistý lom 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 O}}

Plastické momenty únosnosti. Část 1

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

Plastické momenty únosnosti. Část 2

Schematický diagram znázorňující tři způsoby porušení přípoje T-příruby: Způsob 1 – úplné zplastizování pásnice, Způsob 2 – kombinované porušení šroubu a zplastizování pásnice a Způsob 3 – čisté porušení šroubu.

1 Typ porušení T-profilu

Geometrické detaily přípoje nosník–sloup

V souladu se standardní stavební praxí byly všechny nosníky a sloupy vyrobeny z oceli S355, Q690 a Q960, zatímco čelní desky používaly vyšší pevnostní třídy Q690 a Q960. Geometrické konfigurace, včetně uspořádání čelní desky a skupin šroubů, jsou zobrazeny na obrázcích 2 a 3 a v odpovídající matrici experimentálních zkoušek.

Vzorek JD1 (S355) použil průřez sloupu HEM 300. Pro posouzení hierarchie slabý sloup/silný nosník byl zachován jednotný průřez nosníku HEA 320 společně s čelními deskami z oceli S690 o tloušťce 10 mm. JD2 byl vyroben z oceli Q690 a JD3 z oceli Q960. Průřezy nosníku a sloupu byly H300×180×10×12 a H340×200×10×12 pro JD2 a H250×180×10×12 a H300×200×10×12 pro JD3. Byly použity šrouby M24 třídy 8.8 a M27 třídy 10.9.

Technické schéma znázorňující konfiguraci čelní desky a šroubů pro spoj JD1, zobrazující polohy šroubů, rozměry a rozteče pro návrh ocelové konstrukce.

2 Konfigurace připojení JD1 – čelní deska/šrouby

Technický výkres znázorňující čelní desku a konfiguraci šroubů pro spoje JD2 a JD3, s podrobnostmi o rozměrech, třídách šroubů a uspořádání řad.

3 Konfigurace koncové desky/šroubů JD2 a JD3

Diskuse

Ocelové přípoje pro řešení v RFEMu

Tato studie představuje experimentální a numerické zkoumání konstrukčního chování tří rozšířených čelních deskových přípojů nosníku na sloup z vysokopevnostní oceli.

Experimentální program byl doplněn cílenou charakterizací T-prutu a vysoce přesnou analýzou konečných prvků (MKP). Návrh přípoje byl plně integrován do hlavního konstrukčního modelu pomocí addonu Ocelové přípoje pro RFEM 6 založeného na MKP. Po validaci vůči experimentálním datům a ověření v rámci Eurokódu 3 (EC3) byly MKP modely použity k získání podrobného vhledu do lokálních deformačních mechanismů. Obrázky 4 a 5 a tabulky 1 a 2 představují srovnání momentové únosnosti a tuhosti mezi experimentálními výsledky, addonem Ocelové přípoje v RFEMu a EC3, zatímco tabulka 3 shrnuje pozorované způsoby porušení.

Sloupcový graf porovnává momentovou únosnost v kNm pro tři konfigurace ocelových přípojů (JD1, JD2, JD3) na základě experimentálních dat, analýzy RFEM Steel Joints a návrhových norem EC3.

4 Srovnání momentové únosnosti – experiment vs. ocelové přípoje v RFEM a EC3

Sloupcový graf porovnávající počáteční tuhost z experimentů, analýzy ocelového styčníku v RFEMu a výpočtů podle EC3 pro tři různé konfigurace styčníků.

5 Porovnání tuhosti – Experimentální vs. ocelové přípoje v RFEM a EC3

Tabulka 1: Srovnání momentové únosnosti – Experiment vs. Ocelové přípoje v RFEMu a EC-3 | Momentová únosnost (kNm)
Vzorky	Experiment	Ocelové přípoje v RFEMu	EC3	EC3/RFEM
JD1	188,00	199,60	184,00	0,92
JD2	313,89	310,26	292,03	0,94
JD3	267,82	263,25	280,40	1,07

Tabulka 2: Srovnání tuhosti – Experiment vs. Ocelové přípoje v RFEMu a EC3 | Počáteční tuhost Sj,ini (MNm/rad)
Vzorky	Experiment	Ocelové přípoje v RFEMu	EC3	EC3/RFEM
JD1	19,90	10,00	34,30	1,72
JD2	26,27	29,00	68,82	2,37
JD3	17,36	20,60	47,46	2,30

Tabulka 3: Způsoby porušení
Vzorky	EC-3	Ocelové přípoje v RFEMu	Experiment
JD1	Čelní deska a šroub	Čelní deska a šrouby řady 1 a 2	Čelní deska a šrouby řady 1 a 2
JD2	Čelní deska a šroub	Čelní deska a šrouby řady 1 a 2	Čelní deska a šrouby řady 1 a 2
JD3	Čelní deska a šroub	Čelní deska a šrouby řady 1 a 2	Čelní deska a šrouby řady 1 a 2

Výsledky analýzy zobrazující ekvivalentní napětí podle von Mises a ekvivalentní plastická přetvoření pro model ocelového styčníku, vizualizované pomocí barevně odlišených plošných diagramů.

6 Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu JD1

Výsledky analýzy metodou konečných prvků zobrazující ekvivalentní napětí podle von Mises a plastická přetvoření pro model ocelového styčníku. Vizualizace znázorňuje rozložení napětí a lokalizovanou plastickou deformaci v oblasti spoje při působícím zatížení.

7 Ekvivalentní napětí a plastické přetvoření modelu JD2

Výsledky analýzy konečných prvků zobrazující ekvivalentní napětí podle von Mises a plastické přetvoření pro model ocelového styčníku, vizualizující rozložení napětí a chování materiálu při zatížení.

8 Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu JD3

Tabulka zobrazující poměry posudků pro desky, šrouby a svary spolu s vypočtenými hodnotami rotační tuhosti pro připoj konstrukčního styčníku.

9 Stupeň využití a rotační tuhost modelu JD1

Tabulka zobrazující posudky mezního stavu únosnosti pro komponenty desky, šroubu a svaru, včetně vypočtených hodnot rotační tuhosti pro připojené pruty.

10 Stupeň využití a rotační tuhost modelu JD2

Tabulka zobrazující posudkové využití pro desky, šrouby a koutové svary spolu s vypočtenými hodnotami rotační tuhosti pro pruty styčníku ve statické analýze.

11 Stupeň využití a rotační tuhost modelu JD3

Závěry

Tři šroubované přípoje s čelní deskou (JD1–JD3) byly studovány porovnáním experimentů s modelem Ocelové přípoje v RFEMu a ručním výpočtem podle EC3. Pro momentovou únosnost se všechny tři metody dobře shodovaly. RFEM se těsně shodoval s výsledky zkoušek (v rozmezí přibližně 6 %) a EC3 poskytl bezpečné, mírně konzervativní hodnoty. EC3 lze proto pro návrh na únosnost považovat za spolehlivý.

Hlavní rozdíl byl v počáteční tuhosti. RFEM poskytl přiměřené hodnoty, ale EC3 výrazně nadhodnotil tuhost každého přípoje – přibližně 1,7 až 2,7násobek naměřených hodnot. Tuhost podle EC3 by proto měla být používána s opatrností, zejména při posouzení použitelnosti a průhybů.

U způsobů porušení RFEM správně předpověděl to, co bylo pozorováno při zkouškách (zplastizování čelní desky s porušením obou řad šroubů), zatímco EC3 předpověděl jednodušší způsob porušení jednoho šroubu. Stručně řečeno, RFEM je spolehlivý nástroj pro predikci únosnosti přípoje, tuhosti a způsobu porušení a může snížit potřebu zkoušek. EC3 je bezpečný pro únosnost, ale má tendenci nadhodnocovat tuhost.

Reference

Evropský výbor pro normalizaci (CEN). (1993). Eurokód 3. Navrhování ocelových konstrukcí Část 1–8: Navrhování styčníků (EN 1993-1-8). Brusel, CEN.
Qiang, X., Wu, N., Luo, Y., Jiang, X., & Bijlaard, F. (2018). Experimental and Theoretical Study on High Strength Steel Extended Endplate Connections After Fire. International Journal of Steel Structures, 18(2), 609–634. https://doi.org/10.1007/s13296-018-0020-3
Girão Coelho, A. M., & Bijlaard, F. S. K. (2007). Experimental behaviour of high strength steel end-plate connections. Journal of Constructional Steel Research, 63(9), 1228–1240. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2006.11.010

;