Návrh ocelových přípojů na Connection Workshop v Belgii

Nedávno jsme ve spolupráci s InfoSteel zorganizovali Connection Workshop v Belgii, který se zaměřil právě na toto téma.

Rozděleni do tří týmů, účastníci řešili dva náročné návrhové úkoly. Každý tým měl za úkol navrhnout ocelový přípoj s ohledem na únosnost a tuhost i na proveditelnost. Přítomnost juniorních i seniorních profilů jim umožnila vzájemně se učit a zároveň to byla výborná příležitost setkat se s kolegy a vyměnit si zkušenosti.

Zkušený stavební inženýr Stijn Jespers byl přítomen, aby posoudil návrhy a podpořil týmy při jejich návrhových rozhodnutích. Během procesu jsme mohli modelovat přípoje přímo v IDEA StatiCa. To dalo inženýrům okamžitý přehled o 3D modelu a výsledcích, které jsme pak mohli společně analyzovat a diskutovat.

Zajímají vás různé návrhové volby jednotlivých týmů? Výsledky vysvětlujeme níže, počínaje úkolem 1.

Případ 1 – Momentový přípoj

V prvním zadání se zaměřujeme na styčník, kde se tři nosníky HEA300 napojují na sloup HEB300. Výzva spočívala ve třech nosnících HEA300, které musely být všechny připojeny jako momentové. Při značných posouvajících silách a ohybových momentech na nosnících šlo o vážnou zkoušku jak únosnosti, tak tuhosti přípoje.

Během diskusí vyvstalo několik návrhových úvah. Nejprve se řešilo, zda má být sloup průběžný, nebo zda mají být průběžné nosníky M1 a M2. Tento rozdíl je patrný i v návrhu skupin 1 a 2 oproti skupině 3.

Skupina 3 zvolila toto řešení mimo jiné proto, aby dosáhla tří identických přípojů, což usnadňuje výrobu a snižuje náchylnost k chybám, zejména pokud se v projektu vyskytuje více takových styčníků. Výsledky výpočtu CBFEM jsou uvedeny níže. Všechny tři návrhy splňují normová posouzení. Rozměry tlouštěk plechů, svarů a náběhů lze dále optimalizovat.

Během návrhového procesu zkušený inženýr upozornil, že při volbě průběžného nosníku je nutné zohlednit tolerance ocelových profilů. Pokud je sloup jen nepatrně širší než nosník (nebo naopak), vznikne schodek. V důsledku toho nelze čelní desku sestavit zarovnaně nebo nelze svary správně provést.

Další důležitou úvahou při vedení nosníku přes sloup je, zda ohybové momenty v M1 a M2 působí vždy současně. Pokud ne, může být průběžný sloup konstrukčně čistším řešením a pomoci předejít nepředvídaným napětím ve styčníku. Průběžný nosník přes sloup je optimální pouze tehdy, pokud jsou síly (M1 a M2) vždy přítomny současně.

Navíc bylo výzvou provést přípoje jako momentové, zejména pro nosník L, protože je připojen ve slabém směru sloupu. Tuhý přípoj v této situaci vyžaduje náběh. Ten však také vyžaduje výztuhy ve sloupu pro zajištění správného přenosu sil. Tyto výztuhy ovlivňují vyrobitelnost přípoje. Pokud je výztuha použita jak u horní, tak u dolní pásnice, je nemožné šrouby na stavbě osadit.

Pomocí IDEA StatiCa Connection může inženýr analyzovat tuhost přípoje. Taková analýza byla provedena pro ocelový přípoj skupiny 3, aby se ověřilo, zda lze přípoj klasifikovat jako tuhý. Pro tento přípoj sloup–nosník byl sestaven diagram moment–rotace a níže uvedené výsledky ukazují, že přípoj je klasifikován jako tuhý.

Případ 2 – Pod úhlem

Ve druhém případě uvažujeme styčník, ve kterém se čtyři nosníky sbíhají pod úhlem 30 stupňů. Nosníky HEB240 jsou zatíženy osovým tlakem, ohybem a smykem, zatímco krajní prvky z profilů RHS120/80/8 nebo IPE120 přenášejí osové tahové nebo tlakové síly.

Úhel mezi prvky vytváří stísněný styčník. Na první pohled jsou návrhy tří skupin velmi podobné, ale každá volí mírně odlišný přístup k efektivnímu přenosu sil.

Všechny skupiny zvolily účinný přípoj, kdy jsou nosníky spojeny čelní deskou a prvky RHS jsou k čelním deskám připojeny pomocí přípoje žiletkou. Tím se zamezí dodatečným pracím s plechy a vznikne přehledný styčník, který lze na stavbě sestavit s relativní lehkostí.

Níže jsou uvedeny výsledky z IDEA StatiCa Connection. 100 % zatížení je přeneseno a všechna normová posouzení jsou splněna.

Další návrhové úvahy, které vyvstaly během diskusí, se týkají rozmístění šroubů a volby, zda styčníkový plech přesahuje nahoře nebo dole. To často závisí na dostupném prostoru. Konstrukčně může být přídavná řada šroubů nahoře účinnější, protože tam vznikají tahové síly. Pokud však ohybový moment v nosníku HEB240 může působit i v opačném směru, je vliv této řady šroubů omezený. To ukazuje, kolik faktorů ovlivňuje návrh ocelového přípoje a že to nelze snadno zachytit v jednom výpočtovém příkladu.

Skupiny 2 a 3 zvolily dvě identické, ale zrcadlově obrácené čelní desky. To je ekonomičtější z hlediska výroby, řezání a svařování i montáže. Dále je třeba mít na paměti, že protože jsou krajní prvky připojeny přímo k čelním deskám, posouvající síla ve šroubech nemusí plně odpovídat vašemu počátečnímu ručnímu výpočtu. V IDEA StatiCa můžeme vidět směr posouvajících sil ve šroubech a zjistit, že jsou ovlivněny posouvající silou v nosnících HEB240 i tahovou silou v prvcích RHS.

Při navrhování takto kompaktních přípojů je 3D modelování velmi užitečné, protože lze okamžitě ověřit, zda šrouby pasují a lze je na stavbě osadit. To umožňuje ihned rozhodnout, zda je třeba plech prodloužit nebo posunout řadu šroubů.

Závěrečné slovo

Návrh ocelových přípojů závisí na mnoha faktorech: průběžnosti nosníků nebo sloupů, rozmístění šroubů a plechů, volbě profilů a efektivním přenosu sil. Každé rozhodnutí ovlivňuje jak vyrobitelnost, tak konstrukční přehlednost přípoje. Pomocí IDEA StatiCa Connection lze rychle vyhodnotit všechny tyto aspekty: vypočítat tuhost, provést normová posouzení a ověřit, zda je návrh prakticky proveditelný. Tímto způsobem získáte přípoj, který je technicky správný a lze jej efektivně realizovat na stavbě.