Svařovaný přípoj okapového rámu s momentem

Popis

V této kapitole je metoda konečných prvků na bázi komponent (CBFEM) pro svařovaný momentový přípoj okapového rámu ověřena pomocí komponentové metody (CM). Nosník s otevřeným průřezem je přivařen ke sloupu s otevřeným průřezem. Sloup je vyztužen dvěma vodorovnými výztuhami naproti pásnicím nosníku. Tlačené plechy, např. vodorovné výztuhy sloupu, panel stojiny sloupu namáhaný smykem a tlačená pásnice nosníku, jsou omezeny na 3.^rd třídu průřezu, aby se předešlo boulení. Krokev je zatížena posouvající silou a ohybovým momentem.

Analytický model

Ve studii je zkoumáno pět komponent, a to panel stojiny ve smyku, stojina sloupu v příčném tlaku, stojina sloupu v příčném tahu, pásnice sloupu v ohybu a pásnice nosníku v tlaku. Všechny komponenty jsou navrženy podle EN 1993-1-8:2005. Koutové svary jsou navrženy tak, aby nebyly nejslabší komponentou styčníku. Ověřovací studie koutového svaru ve vyztužovaném přípoji nosník–sloup je uvedena v kapitole 4.4.

Panel stojiny ve smyku

Tloušťka stojiny sloupu je omezena štíhlostí, aby se předešlo problémům se stabilitou; viz EN 1993‑1‑8:2005, čl. 6.2.6.1(1). Panel stojiny sloupu 4. třídy průřezu namáhaný smykem je studován v kapitole 6.2. Jsou uvažovány dva příspěvky k únosnosti: únosnost panelu sloupu ve smyku a příspěvek z rámového mechanismu pásnic sloupu a vodorovných výztuh; viz EN 1993‑1‑8:2005, čl. 6.2.6.1 (6.7 a 6.8).

Stojina sloupu v příčném tlaku

Je uvažován vliv interakce se smykovým zatížením; viz EN 1993-1-8:2005, čl. 6.2.6.2, tab. 6.3. Je uvažován vliv podélného napětí v panelu sloupu; viz EN 1993-1-8:2005, čl. 6.2.6.2(2). Vodorovné výztuhy jsou zahrnuty do únosnosti této komponenty.

Stojina sloupu v příčném tahu

Je uvažován vliv interakce se smykovým zatížením; viz EN 1993-1-8:2005, čl. 6.2.6.2, tab. 6.3. Vodorovné výztuhy jsou zahrnuty do únosnosti této komponenty.

Pásnice sloupu v ohybu

Vodorovné výztuhy podpírají pásnici sloupu; tato komponenta není uvažována.

Pásnice nosníku v tlaku

Vodorovný nosník je navržen jako průřez 3. třídy nebo lepší, aby se předešlo boulení.

Přehled uvažovaných příkladů a materiálů je uveden v tab. 9.1.1. Geometrie styčníku s rozměry je znázorněna na obr. 9.1.1. Uvažovanými parametry ve studii jsou průřez nosníku, průřez sloupu a tloušťka panelu stojiny sloupu.

Tab. 9.1.1 Přehled příkladů

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Joint geometry and dimensions}}}\]

Numerický model

V každé vrstvě integračního bodu je vyšetřován nelineární elasticko-plastický stav materiálu. Posouzení je založeno na maximálním přetvoření stanoveném podle EN 1993-1-5:2006 hodnotou 5%. 

Globální chování

Je prezentováno srovnání globálního chování momentového přípoje portálového rámu popsaného diagramem moment–rotace. Hlavními charakteristikami diagramu moment–rotace jsou počáteční tuhost, elastická únosnost a návrhová únosnost. V příkladu je nosník s otevřeným průřezem IPE 330 přivařen ke sloupu HEB 260. Momentový přípoj portálového rámu s vodorovnými výztuhami ve sloupu je podle komponentové metody považován za tuhý styčník s S_j,ini = ∞. Proto je analyzován styčník bez vodorovných výztuh ve sloupu. Diagram moment–rotace je znázorněn na obr. 9.1.2 a výsledky jsou shrnuty v tab. 9.1.2. Výsledky vykazují velmi dobrou shodu v počáteční tuhosti a globálním chování styčníku.

Tab. 9.1.2 Rotační tuhost momentového přípoje portálového rámu v CBFEM a CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Moment-rotation diagram for a joint without column stiffeners}}}\]

Ověření únosnosti

Výsledky vypočtené pomocí CBFEM jsou porovnány s CM. Srovnání je zaměřeno na návrhovou únosnost a kritickou komponentu. Studie je provedena pro tři různé parametry: průřez nosníku, průřez sloupu a tloušťku panelu stojiny sloupu.

V příkladu, kde je parametrem průřez nosníku, je použit sloup s otevřeným průřezem HEB 260. Sloup je vyztužen dvěma vodorovnými výztuhami sloupu tloušťky 10 mm naproti pásnicím nosníku. Šířka výztuh odpovídá šířce pásnice nosníku. Průřezy nosníku IPE jsou voleny od IPE 140 do IPE 500. Výsledky jsou uvedeny v tab. 9.1.3. Vliv průřezu nosníku na návrhovou únosnost svařovaného momentového přípoje portálového rámu je znázorněn na obr. 9.1.4. Kritickými komponentami v CBFEM byly pásnice nosníku, pásnice sloupu a stojina sloupu. Obr. 9.1.3 zobrazuje model jednoho z příkladů s popisem pásnic. 

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Model with flanges description}}}\]

Tab. 9.1.3 Návrhové únosnosti a kritické komponenty v CBFEM a CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Sensitivity study of beam size in a portal frame moment connection}}}\]

V příkladu, kde je parametrem průřez sloupu, je použit nosník s otevřeným průřezem IPE330. Sloup je vyztužen dvěma vodorovnými výztuhami sloupu tloušťky 10 mm naproti pásnicím nosníku. Šířka výztuh odpovídá šířce pásnice nosníku. Celková šířka výztuh je 160 mm. Průřezy sloupu jsou voleny od HEB 160 do HEB 500. Výsledky jsou uvedeny v tab. 9.1.4. Vliv průřezu sloupu na návrhovou únosnost svařovaného momentového přípoje portálového rámu je znázorněn na obr. 9.1.5.

Tab. 9.1.4 Návrhové únosnosti a kritické komponenty momentového přípoje v CBFEM a CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Sensitivity study of column size in a portal frame moment connection}}}\]

Třetí příklad představuje momentový přípoj portálového rámu tvořený nosníkem s otevřeným průřezem IPE 330 a sloupem HEA 320. Parametrem je tloušťka stojiny sloupu. Sloup je vyztužen dvěma vodorovnými výztuhami sloupu tloušťky 10 mm a šířky 160 mm. Tloušťka stojiny sloupu je volena od 4 do 16 mm. Výsledky jsou shrnuty v tab. 9.1.5. Vliv tloušťky stojiny sloupu na návrhovou únosnost svařovaného momentového přípoje portálového rámu je znázorněn na obr. 9.1.6.

Tab. 9.1.5 Návrhové únosnosti a kritické komponenty momentového přípoje v CBFEM a CM

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Sensitivity study of column web thickness}}}\]

Pro ilustraci přesnosti modelu CBFEM jsou výsledky parametrických studií shrnuty v diagramu porovnávajícím únosnosti CBFEM a komponentové metody; viz obr. 9.1.7. Výsledky ukazují, že rozdíl mezi oběma výpočetními metodami je menší než 5 %, což je obecně přijatelná hodnota. Studie s parametrem tloušťky stojiny sloupu vykazuje vyšší únosnost pro model CBFEM ve srovnání s komponentovou metodou. Tento rozdíl je způsoben uvažováním svařovaných průřezů. Přenos smykového zatížení je v komponentové metodě uvažován pouze ve stojině a příspěvek pásnic je zanedbán.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verification of CBFEM to CM}}}\]

Srovnávací příklad

Vstupy

Sloup

• Ocel S235
• HEB260

Nosník

• Ocel S235
• IPE330

Výztuhy sloupu

• Tloušťka t_s = 19 mm
• Šířka 80 mm
• Naproti pásnicím nosníku

Svar

• Pásnice nosníku: tloušťka hrdla koutového svaru a_f  = 8 mm
• Stojina nosníku: tloušťka hrdla koutového svaru a_w  = 8 mm
• Tupý svar po obvodu výztuh

Výstupy

• Návrhová únosnost v ohybu M_Rd = 146 kNm
• Kritická komponenta: Pásnice nosníku 1

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Benchmark example}}}\]