AISC 358 Normové posouzení předkvalifikovaných momentových přípojů

Začněme tím, že si povíme o původu předkvalifikovaných přípojů. Po zemětřesení v Northridge v Kalifornii v roce 1994 se výzkum seismické odezvy konstrukčních ocelových budov výrazně rozšířil díky vzniku sdružení SAC Joint Venture s „cílem vyvinout spolehlivé, praktické a nákladově efektivní pokyny a standardy pro opravu nebo modernizaci poškozených ocelových rámových budov s momentovými přípoji, navrhování nových ocelových budov a identifikaci a sanaci ohrožených ocelových budov."
Sdružení SAC Joint Venture bylo financováno americkou Federální agenturou pro řízení mimořádných situací (FEMA) (https://www.sacsteel.org/project/mission.html) 

Zjištění ze zemětřesení v Northridge ukázala, že několik ocelových rámových budov s momentovými přípoji utrpělo křehké lomy, které vznikly ve svařovaných přípojích pásnice nosníku k pásnici sloupu momentových přípojů. Lomy vykazovaly různé vzory a někdy se šířily do panelových zón sloupů a přes ně.

Tyto neočekávané křehké lomy se výrazně lišily od předpokládaného chování – tažného ohybového kluzu nosníku v zónách plastických kloubů. Tam, kde k nim došlo, tyto křehké lomy zabránily vzniku tažných zón plastických kloubů. Výsledkem bylo chování rámu podstatně odlišné od toho, na jehož základě byly stanoveny návrhové požadavky pro tyto systémy.

Panel pro přezkum předkvalifikace přípojů (CPRP) byl zřízen organizací AISC v roce 2001 za účelem vypracování normy pro předkvalifikaci přípojů. Panel složený z inženýrů, výzkumníků, výrobců a stavebních úředníků přezkoumal výsledky zkoušek a další výzkumná data sdružení SAC a dalších subjektů a v roce 2005 vydal první vydání normy AISC 358.

Toto první vydání obsahovalo data o předkvalifikaci a návrhové postupy pro tři typy přípojů. Od tohoto vydání z roku 2005 CPRP nadále přezkoumává data pro další technologie přípojů a nejnovější platná norma AISC 358 nyní obsahuje deset typů předkvalifikovaných přípojů, včetně několika patentovaných přípojů:

1. Reduced Beam Section (RBS)
2. Bolted Unstiffened and Stiffened Extended End-plate 
3. Bolted Flange Plate (BFP)
4. Welded Unreinforced Flange-Welded Web (WUF-W)
5. Kaiser Bolted Bracket (patentovaný)
6. ConXtech ConXL (patentovaný)
7. Sideplate (patentovaný)
8. Simpson Strong-tie Strong Frame (patentovaný)
9. Double-Tee
10. Slotted Web (patentovaný)

Co jsou tyto jedinečné přípoje?

Na základě zjištění sdružení SAC Joint Venture byly hlavními příčinami křehkých lomů: geometrie přípojů s vysokými koncentracemi napětí a omezenou schopností kluzu, svařovací přídavné materiály s omezenou tažností, různé meze kluzu nosníků a sloupů vedoucí k nepředvídaným zónám slabosti v sestavách přípojů a nedodržování svařovacích postupů podle normy AWS pro konstrukční svařování.

„Na základě doporučení sdružení SAC Joint Venture seismické předpisy AISC požadují, aby momentové přípoje používané ve speciálních nebo středních ocelových momentových rámech byly zkoušením prokázány jako schopné zajistit potřebnou tažnost. 

Jsou přijatelné dva způsoby prokázání. Jeden způsob spočívá v projektově specifickém zkoušení, při němž je omezený počet vzorků v plném měřítku, reprezentujících přípoje, které mají být použity v konstrukci, zhotoven a zkoušen podle protokolu předepsaného v kapitole K seismických předpisů AISC. S ohledem na to, že provádění takových zkoušek je nákladné a časově náročné, seismické předpisy AISC rovněž umožňují předkvalifikaci přípojů, která spočívá v důkladném programu zkoušení, analytického hodnocení a přezkumu nezávislým orgánem – Panelem pro přezkum předkvalifikace přípojů (CPRP). 

Přípoje obsažené v této normě splnily kritéria pro předkvalifikaci při použití v rámech, které splňují omezení zde uvedená, a při navrhování a detailování podle této normy." (Úvod do komentáře AISC 358)

Stručně řečeno, přípoje předkvalifikované podle normy AISC 358 jsou určeny k odolávání inelastickým deformacím především prostřednictvím řízeného kluzu ve specifických způsobech chování. Pro dosažení přípojů, které se budou chovat uvedeným způsobem, je nutné správně stanovit únosnost přípoje v různých mezních stavech. Formulace únosnosti obsažené v metodě LRFD jsou v souladu s tímto přístupem."

Jaký je současný návrhový postup předkvalifikovaného přípoje AISC? 

Norma AISC 358 obsahuje kapitolu věnovanou každému typu předkvalifikovaného přípoje a všechny potřebné podrobnosti pro splnění požadavků normy. V každé kapitole jsou uvedena všechna návrhová omezení a je představen návrhový postup.

Návrh přípoje je postupný proces, při němž se v závislosti na přípoji začíná volbou geometrie metodou pokus-omyl. Následují výpočty plastického průřezového modulu, maximálního pravděpodobného momentu v očekávaném plastickém kloubu, posouvající síly a plastického momentu nosníku, které je třeba porovnat s únosností nosníku.

Hlavní myšlenkou návrhového procesu je navrhnout systém silný sloup – slabý nosník. Je tedy nutné vypočítat maximální moment v místě řízeného plastického kloubu a zajistit, aby nosník selhal dříve než přípoj a sloup při seismické události.

Patentované přípoje mají odlišné metody návrhu a inženýr, který má zájem o použití těchto přípojů, musí kontaktovat držitele patentu, aby pochopil, jak je návrh prováděn. 

Studie o předkvalifikovaných přípojích

V roce 2023 pracovala Ohio State University (OSU) na studii za účelem ověření spolehlivosti metody CBFEM používané v softwaru IDEA StatiCa při analýze různých typů seismických předkvalifikovaných ocelových přípojů. 

Cílem tohoto projektu bylo posoudit chování seismických momentových přípojů získaných ze softwaru IDEA StatiCa – s ohledem na únosnost, rotační kapacitu a odezvu moment-rotace. 

Výsledky byly porovnány s osvědčenými metodami: rovnicemi AISC, softwarem ABAQUS (software MKP) a výsledky laboratorních zkoušek v plném měřítku.

Studie prokázala, že IDEA StatiCa je spolehlivý nástroj pro výpočet momentových kapacit a predikci způsobů porušení u různých ocelových přípojů. 

Přečtěte si více o studii OSU o předkvalifikovaných přípojích.

Jak se IDEA StatiCa začleňuje do návrhového procesu předkvalifikovaných přípojů

V IDEA StatiCa bylo vždy možné modelovat předkvalifikované přípoje a modelování nebylo příliš složité, protože existují jednoduché operace, které modelování usnadňují, například:

Otvory (pro modelování výřezů pásnic):

Operace úhelník pro přidání T-profilů na obě strany:

Čelní deska, výztuhy, rozšiřovací plechy: 

Po namodelování přípoje se k ověření, že plánovaný plastický kloub vzniká tam, kde byl navržen, používá typ analýzy Capacity Design. Například plastický kloub přípoje RBS má vzniknout v redukovaném průřezu nosníku; u přípoje s přišroubovaným pásnicovým plechem je záměrem umístit plastický kloub poblíž konce pásnicových plechů. 

Při výběru analýzy capacity design v IDEA StatiCa je tedy nutné přiřadit disipativní prvek, v němž má plastický kloub vzniknout. Přípoj a sloup jsou nedisipativní prvky, které musí zůstat bez výrazných deformací. Nosník je zatížen tak, aby v nosníku vznikl plastický kloub s pravděpodobnou mezí kluzu a odpovídající posouvající silou.

Při provádění analýzy je pevnost materiálu disipativního prvku zvýšena součinitelem nadpevnosti (Ry) a součinitelem zpevnění (CPr).

IDEA StatiCa Connection provádí normové posouzení přípoje pro zadané návrhové zatížení, které by mělo vytvořit plastický kloub ve vybraném disipativním prvku. Plastické přetvoření v disipativním prvku by mělo být přibližně 5 %. To může potvrdit, že velikost a poloha zatížení byly správně stanoveny. 

Všechny nepatentované předkvalifikované přípoje jsou pokryty. Je však třeba ověřit, zda byla splněna omezení předkvalifikace. To činí proces modelování velmi zdlouhavým, protože v některých případech může být pro každý přípoj více než 50 detailových kontrol. 

IDEA StatiCa Connection zahrnuje detailové kontroly předkvalifikace pro níže uvedené přípoje a byly přidány šablony přípojů, které vám pomohou s již připraveným modelem.

V nabídce přípoje si můžete vybrat mezi Special Moment Frame a Intermediate Moment Frame a typem přípoje, který budete navrhovat. To je důležité a závisí na detailových kontrolách, které získáte ve výpočtové zprávě:

Detailové kontroly se zobrazují na obrazovce modelu při práci na ocelovém přípoji, takže zjistíte, co je třeba změnit ještě před spuštěním analýzy. Nakonec vytiskněte kontroly ve výpočtové zprávě. 

Další zdroje

Přečtěte si naše teoretické podklady pro capacity design pro podrobnější informace o funkcích, které zkrátí čas strávený normovým posouzením předkvalifikovaných ocelových přípojů.

Podívejte se na krátké úvodní video o návrhu předkvalifikovaných přípojů. 

Pokud navrhujete tyto přípoje a chcete zkrátit čas potřebný pro iterace, objevte výhody prostřednictvím naší bezplatné zkušební verze pomocí níže uvedeného odkazu.