Blacha węzłowa – o co tyle hałasu?

Kiedy potrzebujesz bardzo szybko zaprojektować połączenie z blachą węzłową, co robisz? Po prostu dodajesz prostokątny kawałek blachy do głównej belki i łączysz element drugorzędny z tą płytą. I gotowe. O co więc tyle hałasu?

Żadnego problemu, gdy 1. łączysz jeden element obciążony rozciąganiem, 2. masz wystarczająco dużo miejsca na wszystkie elementy połączenia i 3. nie musisz zajmować się estetyką połączenia. Cała zabawa zaczyna się wraz ze złożonością połączeń, ściskaniem w elementach oraz presją na koszty i wygląd. 

Podstawowe typy układów połączeń z blachą węzłową

Na poniższym rysunku widać typowe poprzeczne układy blach węzłowych w połączeniach konstrukcji stalowych. 

Najczęstsze zastosowanie blach węzłowych można znaleźć w belkach kratownicowych oraz w układach stężeń poziomych, gdzie elementy ukośne są połączone za pośrednictwem blach węzłowych.

Co jest blachą węzłową, a co nią nie jest

Dla niedoświadczonego oka może być trudno znaleźć blachę węzłową (lub blachy węzłowe) wśród wszystkich stalowych elementów połączenia. Ktoś mógłby zapytać: czy to nie jest po prostu kolejne usztywnienie? Otóż nie. 

• Blachy węzłowe są kluczowymi elementami konstrukcji, przez które przenoszone są wszystkie siły wewnętrzne z połączonych elementów.
• Natomiast usztywnienia są ważnymi elementami niezbędnymi do zapewnienia właściwej sztywności połączenia i zapobiegania wyboczeniu płyt.
• Mówiąc wprost: jeśli blacha węzłowa ulegnie zniszczeniu, katastrofa wisi w powietrzu. Bez usztywnień konstrukcja przetrwa (przynajmniej przez jakiś czas). 

Termin blacha węzłowa często pojawia się w centrum uwagi dopiero po zawaleniu się konstrukcji lub jej części. Katastrofa mostu Interstate 35W w 2007 roku była jednym z takich tragicznych zdarzeń.

W tym przypadku główną przyczyną okazał się wadliwy projekt blach węzłowych belek kratownicowych oraz brak kontroli tych elementów połączeń podczas niezliczonych przeglądów mostu. Po prostu zakładano, że blachy węzłowe nie będą najsłabszym punktem projektu i że połączenia z blachami węzłowymi są mocniejsze niż belki wchodzące w skład połączenia. Niestety tak nie było.

Normy projektowania dostarczają nam wskazówek dotyczących sprawdzania normowego połączeń z blachami węzłowymi. Przykłady norm z wymaganiami dotyczącymi blach węzłowych:

• AISC 360-16 (Stany Zjednoczone)
• CSA-S16-09 (Kanada)
• EN 1993-1-8 (środowisko europejskie)

Wskazówki te opierają się na podejściu analitycznym, które jest dość łatwe w zastosowaniu, ale może być bardzo czasochłonne wraz ze wzrostem liczby typów połączeń lub ich wariantów.

Elementy rozciągane

Połączenia elementów rozciąganych są, powiedzmy, tymi łatwiejszymi. Jednak inżynier konstruktor nadal musi wykonać szereg sprawdzeń blach węzłowych. Przykładowo, przekrój Whitmore'a powinien być sprawdzony na siły rozciągające.

Jak to wygląda na papierze:

A w rzeczywistej konstrukcji:

Kolejne sprawdzenie dotyczy zniszczenia przez ścinanie blokowe w połączeniu, które obejmuje zarówno składowe ścinania, jak i rozciągania, i jest określone w AISC 360 Sec. J4.3. Jako projektant połączeń musisz sprawdzić wszystkie możliwe ścieżki zniszczenia przez ścinanie w siatce śrub, jak widać w poniższym przykładzie.

Starannie opracowany przykład oceny nośności na ścinanie blokowe można znaleźć w tym artykule weryfikacyjnym.

Elementy ściskane

Projektowanie połączeń z blachą węzłową może stać się zupełnie inną „dyscypliną", gdy mamy do czynienia z elementami ściskanymi. Nadal musimy sprawdzić wszystkie zniszczenia przez ścinanie, ale problem wyboczenia zaczyna odgrywać znacznie ważniejszą rolę. 

Kluczowym parametrem w projektowaniu połączeń elementów ściskanych jest to, czy element może, czy nie może wyboczać się poza płaszczyznę blachy węzłowej. Wpływa to na zachowanie mechanizmu zniszczenia i powstawanie przegubów plastycznych w płytach. W IDEA StatiCa Connection możesz ustawić to zachowanie dla każdego konkretnego elementu, po prostu wybierając właściwy Typ modelu.

Postaci zniszczenia dla tych dwóch różnych sytuacji przedstawiono na poniższym rysunku.

Można to rozwiązać również podejściem analitycznym, ale prawdopodobnie spędzisz dużo czasu przy każdym pojedynczym układzie połączenia. Bardziej prawdopodobne jest, że inżynier konstruktor zaoszczędzi cenny czas, po prostu unikając tej sytuacji i dodając usztywnienia. To zrozumiałe, ale kosztowne rozwiązanie.

Innym sposobem jest użycie inteligentnego narzędzia zapewniającego sprawdzenie stateczności takich połączeń. Analiza wyboczenia jest elementarną częścią aplikacji IDEA StatiCa Connection i dostarcza postaci wyboczenia oraz współczynników obciążenia dla zdefiniowanej przez użytkownika liczby postaci.

Badania

W rozwoju IDEA StatiCa nie ma miejsca na podejście metodą prób i błędów. Wszystkie metody stosowane w aplikacjach i modelach obliczeniowych są weryfikowane na podstawie badań rzeczywistych konstrukcji i dalej analizowane we współpracy z renomowanymi uczelniami.

Jedno z takich badań poświęcono również projektowaniu połączeń z blachą węzłową. Wyniki badań porównano z modelowaniem CBFEM z bardzo dobrą korelacją. Tutaj można znaleźć nasz artykuł weryfikacyjny z wynikami badań.

Jak być efektywnym i konkurencyjnym

Jakie masz więc możliwości, gdy zachodzi potrzeba projektowania połączeń zgodnie z normami, ale jednocześnie musisz wykonywać swoje projekty i sprawdzenia nie w ciągu miesięcy, lecz tygodni? Co więcej, musisz być elastyczny w zakresie rewizji w trakcie projektu i chcesz porównać kilka układów w rozsądnym czasie. Czy chcesz też, aby Twoje połączenia były łatwe do wykonania i nie kosztowały fortuny?

Znasz już właściwą odpowiedź – musimy używać narzędzi XXI wieku, które wykonają za nas większość nietwórczej pracy. Jeśli chcemy mieć naprawdę wolne ręce w projektowaniu, liczba opcji znacznie się zawęża. 

Możesz po prostu spróbować użyć IDEA StatiCa Connection i przekonasz się, że to wszystko, czego potrzebujesz do pracy. Możesz też podążać standardową ścieżką nauki: 

• Najpierw po prostu używaj arkuszy kalkulacyjnych Excel, 
• następnie wypróbuj bardziej zaawansowane oprogramowanie do projektowania połączeń oparte na arkuszach kalkulacyjnych, 
• gdy osiągniesz ich granice, poświęć trochę czasu na eksperymenty z czymś jeszcze bardziej zaawansowanym, 
• może stwórz szczegółowe modele powłokowe w swoich aplikacjach MES 
• i po wszystkich tych próbach i tak sięgnij po aplikację IDEA StatiCa Connection.

Po tej drodze w pełni docenisz wszystkie jej zalety.  

Krótki samouczek wideo poświęcony połączeniu z blachami węzłowymi

Jeśli chodzi o szacowanie kosztów, obliczenie ceny każdego połączenia może być dziś naprawdę trudne. W aplikacji IDEA StatiCa informacja ta pojawia się niemal jak przyjemny efekt uboczny. W tym artykule znajdziesz wszystkie niezbędne wskazówki dotyczące korzystania z tej funkcji.

Inne typowe zastosowania blach węzłowych

Dzięki pojawieniu się obróbki CNC również w warsztatach budownictwa lądowego, blachy węzłowe są jednym z głównych sposobów łączenia nie tylko elementów stalowych, ale również drewnianych. Zamiast kształtować skomplikowane końcówki elementów, możemy po prostu zastosować stalową płytę z otworami. Elementy drewniane są przygotowywane z otworami i rowkami wykonanymi przez CNC, a połączenie jest ostatecznie montowane za pomocą stalowych sworzni i śrub.

Kolejnym etapem ewolucji projektowania konstrukcji jest łączenie materiałów konstrukcyjnych i wykorzystanie najlepszych ich właściwości we właściwym miejscu. W ten sposób powstały hybrydowe konstrukcje drewniano-stalowe. Oprócz naturalnego piękna wizualnego istnieje wiele innych powodów ich stosowania, takich jak redukcja kosztów, mniejsze zapotrzebowanie na ochronę przeciwpożarową czy zmniejszenie śladu węglowego.

Dla zainteresowanych projektowaniem połączeń stalowo-drewnianych, przeczytaj więcej o połączeniach drewnianych rozwiązywanych w IDEA StatiCa Connection w naszym Centrum Wsparcia.

IDEA StatiCa jest dumna z bycia w czołówce projektowania połączeń i elementów konstrukcyjnych. Jeśli masz pomysł na to, jak można ulepszyć projektowanie blach węzłowych, daj nam znać.