114x

002074

24.8.2026

Parametrická analýza přípojů čelní deskou s ocelovými styčníky pro RFEM

Tato studie hodnotí vliv průměru šroubu a tloušťky čelní desky na únosnost a způsoby porušení devíti přípojů nosníku na sloup s prodlouženou čelní deskou. Momentové únosnosti a způsoby porušení získané pomocí addonu Steel Joints pro RFEM jsou porovnány s detailním modelem konečných prvků (ROFEM) a komponentní metodou podle Eurokódu 3 (EN 1993-1-8). Addon Steel Joints pro RFEM reprodukuje rozhodující způsob porušení v každém modelu, zatímco ruční výpočetní metoda podle EC-3 podhodnocuje únosnost u tenkých čelních desek a místo toho identifikuje šroub jako slabou komponentu.

Tato studie ověřuje addon Ocelové přípoje pro RFEM zkoumáním vlivu průměru šroubu a tloušťky čelní desky na únosnost a typy porušení šroubovaných přípojů nosníku na sloup s čelní deskou. Chování konstrukce a únosnost těchto přípojů jsou vyhodnoceny podle návrhových ustanovení Eurokódu 3 (EC-3) a výsledky jsou následně porovnány s predikcemi konečně prvkového modelu vytvořeného pomocí RFEM a výzkumně orientované metody konečných prvků (ROFEM).

Analytický model

Tato studie přejímá návrhová kritéria uvedená v EN 1993-1-8 pro hodnocení únosnosti šroubů (smykové a tahové) a únosnosti desky (ložisko a protlačení), přičemž využívá formulace mezních stavů uvedené v tabulce 3.4.

Návrhová únosnost ekvivalentního T-profilu je vyhodnocena samostatně pro čelní desku a přírubu sloupu. Pro každou komponentu je rozhodující návrhová únosnost F_T,Rd definována jako minimální hodnota odvozená ze tří možných mechanismů selhání.

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

Jednotlivá únosnost pro každý typ se vypočítá na základě plastické momentové únosnosti pásnice (M_pl,1,Rd a M_pl,2,Rd) a tahové únosnosti skupiny šroubů (ΣF_t,Rd). Tyto typy zohledňují úplné zplastizování pásnice (typ 1), porušení šroubu v kombinaci se zplastizováním pásnice (typ 2) a čistý lom šroubu (typ 3).

Typy porušení:

F_{T, 1, Rd} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) \cdot M_{pl, 1, Rd}}{2 mn - e_{w} (m + n)}

Odolnost T-profilu – režim porušení 1 (úplné poddání pásnice)

F_{T, 2, Rd} = \frac{2 \cdot M_{pl, 2, Rd} + n \cdot (\sum F_{t, Rd})}{(m + n)}

Odolnost T-profilu – Režim porušení 2 (Porušení šroubu s přetvořením pásnice)

F_{T, 3, Rd} = \sum F_{t, Rd}

Odolnost T-profilu – Typ porušení 3 (porušení šroubu)

Plastické momenty únosnosti:

\begin{matrix} \begin{matrix} M_{p l, 1, R d} = \begin{array}{c} 0.25 \sum l_{e f f, 1} t_{f}^{2} f_{y} \\ γ_{M 0} \end{array}, \\ M_{p l, 2, R d} = \begin{array}{c} 0.25 \sum l_{e f f, 2} t_{f}^{2} f_{y} \\ γ_{M 0} \end{array} . \end{matrix} \end{matrix}

Plastické momenty únosnosti ekvivalentního T-kusu pro módy 1 a 2

1 Obr. 1 - Poruchové režimy T-profilu

Geometrické detaily přípoje nosníku na sloup

Tuhá pásnice byla modelována jako pružný prvek. Materiálové modely S275 a S420 byly přiřazeny čelní desce a nosníku. Pro parametrickou studii byl nosník zvolen tak, aby reprezentoval typický evropský profil s rozměry přibližně odpovídajícími průřezu IPE300, zatímco sloup byl modelován jako průřez HEA300, v souladu s vyhodnocovanými ustanoveními Eurokódu. Rozměry nosníku a čelní desky jsou uvedeny na obr. 2. Proměnnými uvažovanými ve studii byly průměry šroubů 16 mm (M16), 20 mm (M20) a 24 mm (M24) spolu s tloušťkami čelní desky (t_p) 10 mm, 15 mm a 20 mm.

Obr. 2 - Konfigurace připojovacího plechu/šroubů

2 Obr. 2 - Konfigurace čelní desky/šroubů

Diskuze

Řešení pomocí addonu Ocelové přípoje pro RFEM

Tato studie představuje numerické zkoumání vlivů průměru šroubu a tloušťky čelní desky na únosnost a typy porušení rozšířených ocelových šroubovaných přípojů nosníku na sloup s čelní deskou. Byla zkoumána únosnost devíti takových přípojů.

Výsledky parametrické studie jsou shrnuty v tabulce 1 a odpovídající momentové únosnosti jsou zobrazeny na obr. 3. Zvětšení tloušťky čelní desky vedlo k vyšším plastickým a mezním momentovým únosnostem. Jakmile však momentová únosnost nosníku klesla pod únosnost přípoje, další zvětšování tloušťky čelní desky nemělo na celkovou únosnost žádný vliv. Stejný trend byl pozorován u průměru šroubu. Tabulka 2 uvádí typy porušení.

Obr. 3 - Porovnání momentové únosnosti – ocelové spoje pro RFEM a EC-3

3 Obr. 3 - Porovnání momentové únosnosti – ocelové přípoje pro RFEM a EC-3

Tabulka 1: Porovnání momentové únosnosti - addon Ocelové přípoje pro RFEM a EC-3 | Momentová únosnost (kNm)
Vzorky	ROFEM	Addon Ocelové přípoje v RFEM	EC-3	EC-3/RFEM
M16-tp=10mm	87,00	85,35	65,00	0,76
M16-tp=15mm	147,00	123,12	105,00	0,85
M16-tp=20mm	153,00	132,23	143,00	1,08
M20-tp=10mm	114,00	95,85	73,00	0,76
M20-tp=15mm	186,00	167,40	129,00	0,77
M20-tp=20mm	223,00	183,33	186,00	1,01
M24-tp=10mm	128,00	102,60	73,00	0,71
M24-tp=15mm	195,00	132,30	155,00	1,17
M24-tp=20mm	283,00	175,50	211,00	1,20

Tabulka 2: Typy porušení
Vzorky	ROFEM	Addon Ocelové přípoje v RFEM	EC-3
M16-tp=10mm	Typ 1	Typ 1	Typ 1
M16-tp=15mm	Typ 1	Typ 1	Typ 1&2
M16-tp=20mm	Typ 2	Typ 2	Typ 2&3
M20-tp=10mm	Typ 1	Typ 1	Typ 1
M20-tp=15mm	Typ 1	Typ 1	Typ 1&2
M20-tp=20mm	Typ 2	Typ 2	Typ 1&2
M24-tp=10mm	Typ 1	Typ 1	Typ 1
M24-tp=15mm	Typ 1	Typ 1	Typ 1
M24-tp=20mm	Typ 1	Typ 1	Typ 1&2

Obr. 4 - Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu M16-tp-10mm a posudek

4 Fig. 4 - Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu M16-tp-10mm a posudek

5 Obr. 5 - Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu M16-tp-15mm a posudek.

6 Obr. 6 - Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu M16-tp-20mm a posudek.

7 Obr. 7 - Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu M20-tp-10mm a posudek.

8 Obr. 8 - Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu M20-tp-15mm a posudek.

9 Obr. 9 - Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu M20-tp-20mm a posudek.

10 Obr. 10 - Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu M24-tp-10mm a posudek.

11 Obr. 11 - Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu M24-tp-15mm a posudek.

12 Obr. 12 - Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu M24-tp-20mm a posudek.

Závěry

Tři metody—podrobný MKP model (ROFEM), addon Ocelové přípoje v RFEM založený na metodě komponent a metoda komponent podle EC-3 (EN 1993-1-8)—byly porovnány na devíti šroubovaných přípojích s čelní deskou (šrouby M16/M20/M24 × desky 10/15/20 mm).

Poměr EC-3/RFEM je řízen tloušťkou desky a v rámci každé skupiny šroubů monotónně roste: EC-3 výrazně podhodnocuje únosnost pro desky tloušťky 10 mm (0,71–0,76), ale pro desky tloušťky 20 mm převyšuje RFEM (1,01–1,20). Důvod je mechanický—tenké desky se porušují tažným plastickým přetvořením desky (typ 1), zatímco MKP metody zachycují membránové působení a zpevnění vlivem poměrného přetvoření, které model T-profilu podle EC-3 opomíjí.

Se zvětšující se tloušťkou desky, kdy se šroub stává slabou komponentou, tento rozdíl mizí. Pokud jde o typy porušení, ROFEM a RFEM se shodují u všech vzorků; EC-3 se shoduje na rozhodující komponentě, ale má tendenci indikovat kombinované typy (1&2, 2&3). Tento vzorec odpovídá klasické teorii T-profilu: silnější desky posouvají porušení směrem k řízení šroubem, zatímco větší šrouby udržují přípoj v tažném typu 1.

Počáteční tuhost přípoje s čelní deskou roste se zvětšujícím se průměrem šroubu nebo tloušťkou čelní desky. Eurokód předpovídá typy porušení takových přípojů s vysokou mírou přesnosti.

Reference

Evropský výbor pro normalizaci (CEN). (1993). Eurokód 3. Navrhování ocelových konstrukcí Část 1–8: Navrhování styčníků (EN 1993-1-8). Brusel, CEN.
Ozkilic YO. Investigation of the effects of bolt diameter and end-plate thickness on the capacity and failure modes of end-plated beam-to-column connections. Res. Eng. Struct. Mater., 2021; 7(3) 445-463.

;