Často kladené otázky při navrhování styčníků podle evropských norem

Často kladené otázky při navrhování styčníků
podle evropských norem
F. Wald, M. Eliášová, Z. Sokol
ČVUT v Praze, Katedra ocelových konstrukcí
www.fsv.cvut.cz/cestruco/
Úvod
Základem evropských výukových materiálů je projekt ESDEP (European Steel Design
Educational Programme) evropského programu Eureka, URL: www.esdep.org. V jeho rámci vznikly
v letech 1991-1995 pod vedením SCI v Londýně a Technické university v Delftu výukové materiály
na podporu navrhování ocelových konstrukcí. Výstupy zahrnují dvě stě výukových lekcí, dva tisíce
diapozitivů, dvanáct videofilmů a výukový program pro osobní počítače. Materiály byly přeloženy do
řady evropských jazyků. Z České republiky se na kapitolách o návrhu konstrukcí za požární situace a
na výukovém software na návrh ohýbaných prvků ocelových konstrukcí podíleli pracovníci ČVUT
v Praze. V projektu WIVISS (Wider Vocational Initiative for Structural Steelwork), viz [1], byly
základní lekce, navrhování prvků a požární spolehlivost konstrukcí, aktualizovány na verzi
Eurokódu 3 z roku 1998, přeloženy do němčiny a francouzštiny a převedeny do formátu HTML na
kompaktní disk. Výstupem české části projektu jsou překlady osmi videofilmů, a tři kompaktní disky
s diapozitivy ESDEP a s dvaceti výukovými videoklipy, viz [2]. Projekt SteelCal, URL: steelcal.steelsci.org/, podporuje výuku ocelových konstrukcí patrové budovy ve virtuální návrhové kanceláři
oceláře prostřednictvím třírozměrné simulace reality softwarem a textovými materiály v angličtině,
němčině a francouzštině. Projekt SSEDTA (Structural Steelwork Eurocodes: Development of Transnational Approach) je zaměřen na přípravu lekcí základních kurzů, viz URL: fp.emberey.plus.com/,
prvky ocelových a ocelobetonových konstrukcí na úrovni bakalářského studia, pro promítání data
projektorem. V současné době se ukončuje projekt NFATEC (A New and Flexible Approach to
Training for Engineers in Construction), který se zaměřil na využití lekcí SSEDTA pro výuku
ocelových konstrukcí pomocí internetu s podporou přednášek výkladovými materiály a cvičení
řešenými příklady, viz URL: www.svf.stuba.sk/kat/KDK/Slovenska_verzia.htm. Na projektu
spolupracují kolegové ze Slovenské technické university v Bratislavě. Práce na projektu SEFIE
v programu Eureka jsou plánovány do roku 2006. Pod vedením SCI se připravuje evropské e-fórum
ocelářů s podporou navrhování pomocí internetu, URL: devsefieforum.steel-sci.org/, které se již
osvědčilo v systému Steelbiz, URL: www.steelbiz.org/frame.asp. ČVUT v Praze a FINE s.r.o.
připravuje část Podpora navrhování za požáru.
Další vzdělávání v oblasti konstrukčních styčníků
Technická komise pro konstrukční styčníky (TC10) Evropského sdružení výrobců ocelových
konstrukcí (ECCS) připravila v létech 2001 až 2003 výukový projekt Další vzdělávání v oblasti
konstrukčních styčníků (CeStruCo; Continuing Education in Structural Connections), který náleží do
soustavy vzdělávacích programů Evropské Unie Leonardo da Vinci II. Projekt připravili J. Kouhi
(VTT Helsinki), M. Braham (Astron, Luxemburg), M. Steenhuis (TU Eidhoven) a F. Wald (ČVUT
v Praze, nositel grantu). Hlavním cílem projektu je usnadnit navrhování styčníků ocelových konstrukcí
v přechodu ocelářské návrhové normy z předběžného textu [3] na text konečný [4]. K dalším cílům
patří zvýšení kvality a konkurenceschopnosti ocelových stavebních konstrukcí využitím vhodných
konstrukčních řešení. Konstrukční zvyklosti jsou bohatstvím výrobců a vyjadřují kvalitu ocelových
konstrukcí. Zlepšení v ekonomice návrhu styčníků, dnes převážně optimalizací využitím informatiky a
posledních poznatků o chování, může mít vliv na postavení ocelových konstrukcí na trhu, ikdyž
nejlepší řešení v jedné zemi nemusí být optimem v jiných ekonomických podmínkách.
Na projektu pod vedením pracovníků Katedry ocelových konstrukcí ČVUT v Praze
(manažerka ing. Eliášová, za informatiku zodpovědný ing. Sokol) spolupracovali odborníci ze sedmi
evropských zemí. Za Českou republiku se projektu účastnila firma EXCON a.s. (Ing. V. Janata) a
Česká asociace ocelových konstrukcí (Ing. T. Měřínský). Na projektu spolupracovaly Aristotle
University of Thessaloniki; Bouwen met Staal, Rotterdam, firma KREKON Eindhoven, British
Research Establisment Watford, Universidade de Coimbra, Universitatea Politehnica Timisoara a
Luleå University of Technology. S lektorskými posudky textových materiálů pomohli Prof. D. Beg,
M. Braham, Dr. G. Huber, Dr. J. P. Jaspart, J. Kouhi, Prof. F. Mazzolani, A. J. Rathbone,
Prof. J. Studnička, Dr. F. Turcic, Dr. K. Weynand a N. F. Yeomans.
a)
b)
Obr. 1 Ukázka lekce ve formátu Microsoft Windows help,
a) řešený příklad návrh vetknutého kotvení patní deskou, b) přípoje hliníkových konstrukcí
Práce na projektu byly rozloženy do tří let. První část byla věnována sběru otázek odborníků
zabývajících se navrhováním a výrobou ocelových konstrukcí. Z evropské praxe bylo sebráno 632
zajímavých a obtížných otázek. K dalšímu zpracování na výukové materiály jich bylo vybráno 101.
Partneři projektu se s recenzenty shodli na 56 odpovědích. Odpovědi na otázky byly rozděleny do
kapitol, které byly doplněny úvodem, a publikovány ve formě skript v sedmi jazycích partnerských
organizací. Ing. Sokol převedl výukové materiály do formátu Microsoft Windows Help programem
RoboHelp, viz URL: www.ehelp.com a obr. 1, pro rozšíření materiálů na kompaktním disku a
internetu. Lekce jsou doplněny diapozitivy, řešenými příklady, prezentacemi programem PowerPoint,
videofilmem, programem na nelineární modelování styčníků metodou komponent, viz obr. 2, a odkazy
na nástroje na navrhování styčníků, tj. tabulky a výpočetní programy. Internetovou verzi výukových
materiálů projektu lze získat na adrese www.fsv.cvut.cz/cestruco/.
a)
b)
Obr. 2 a) Titulní obrazovka program „Nelineární analýza ocelových styčníků“, NASCon;
b) znázornění přenosu sil ve videofilmu „Staticky namáhané šrouby v dynamicky zatíženém přípoji“
Otázka 2.5 Experimentálně stanovená únosnost v otlačení
Při otlačení šroubů je důležitější omezení deformace než stanovení skutečné únosnosti. Jaká kriteria byla použita
pro tvorbu evropských předpisů?
_________________________________________________________________________________
Tradičně se únosnost v otlačení Fexp;1,5 omezuje deformací 1,5 mm. Pro prvky se únosnost z experimentů až do
porušení Fexp;fy/fum stanovuje redukcí skutečné pevnosti materiálu fum na charakteristickou mez kluzu fy. Při
křehkém porušení se doporučuje redukce ve tvaru Fexp;fy/fum = 0,9 Fexp;ult fy / fum. Toto řešení je využito pro návrh
šroubů v kruhových dírách, viz [Snijder 6,04, 1988]. Smluvní pružná únosnost Fexp;conv se definuje jako průsečík
počáteční tuhosti přípoje a redukované (deseti) tečné tuhosti přípoje, což je zobrazeno na experimentu podle
[Piraprez, 2000] na obr. 2.6. Smluvní únosnost v tomto případě závisí na tuhosti a na únosnosti a je méně citlivá
na způsob porušení. Pro stanovení únosnosti šroubů v oválných dírách, viz [Wald a kol., 2002b], byla na
doporučení ECCS TC10 použita smluvní pružná únosnost vyhodnocená podle přílohy D ČSN EN 1990: 2003.
Síla, kN
Počáteční tuhost
200
Počáteční tuhost /10
Fexp, ult
Fexp, conv
150
Fexp, fy/fum
100
Fexp; 1,5
Experiment I 1-3 [Piraprez, 2000]
50
0
Deformace, mm
3 mm (pro obě desky)
0
5
10
15
20
Obr. 2.1 Únosnosti přípoje, experiment I 1-3 [Piraprez, 2000]; experimentálně zjištěná mezní únosnost Fexp;ult;
smluvní mez Fexp;conv; únosnost omezená deformací Fexp;1,5 a dosažením meze kluzu Fexp;fy/fum
Obr. 3 Ukázka textu projektu, z kapitoly o šroubech, odpovědi na otázky
Otázka 7.9 Přenos smykové síly třením a kotevními šrouby
Lze přenést smykové síly v kotvení patní deskou třením a kotevními šrouby i v případě, že jsou velké otvory
v patní desce?
_________________________________________________________________________________
Model přenosu vodorovných sil kotevními šrouby je v normě prEN 1993-1-8 článek 6.2.1.2 založen na plastické
deformaci šroubu při zatížení vodorovnou silou, viz obr. 7.16. Protože únosnost šroubu v ohybu je malá a ve
šroubu se daleko před vyčerpáním únosnosti soustavy tvoří plastické klouby, viz obr. 7.17. Před porušením
kotvení je vodorovná síla přenášena tahem ve šroubu a tlakem v maltovém podlití. Běžné tolerance otvorů, podle
prEN 1090-1: 2003, se připouští. Nadměrné otvory již vhodné nejsou. Pro přenos smykových sil lze uvažovat
pouze se šrouby v tlačené části patní desky. Únosnost ve smyku patní desky sestává z únosnosti ve tření a
v přetržení šroubu / porušení malty v tlaku
Fv ,Rd = Ft ,Rd + n Fvb ,Rd .
(7.20)
Kotevní šroub je třeba posoudit na otlačení v patním plechu/ v betonovém bloku, na vytržení kužele betonu a na
případné porušení soudržnosti.
Fv
N c,Sd
Fv,Rd
Únosnost kotvení ve smyku
δ v,hole
Fv,Sd
δv
Šroub v tahu/malta v tlaku
Ff,Rd
Únosnost ve tření
Deformace v díře šroubu
δ v,hole
δv
Obr. 7.2 Kombinace tření a tahu ve šroubech při působení vodorovné síly na kotvení
Obr. 4 Ukázka textu projektu, z kapitoly o kotvení konstrukcí, odpovědi na otázky
Ve výukových materiálech projektu je zahrnuta problematika spojovacích prostředků (šroubů
a svarů), viz obr. 3, globální analýzy konstrukce s uvažováním tuhosti jejích styčníků, návrhu
kloubových i ohybově tuhých styčníků, kotvení konstrukcí, viz obr. 4, styčníků za požární situace, viz
obr. 5, navrhování styčníků při seismickém zatížení, styčníků trubkových a tenkostěnných konstrukcí.
V kapitole o konstruování se na nevhodných příkladech z realizací ukazují možnosti ekonomických
úspor a zvýšení spolehlivosti konstrukce.
a)
b)
Obr. 5 a) Lekce v programu Microsoft PowerPoint,
a) K navrhování styčníků za požáru a b) rozvoj teploty ve styčnících
Závěrem
Výstupy projektu lze získat na semináři „Výpočet požární odolnosti konstrukcí“, který se
plánuje na Stavební fakultě ČVUT v Praze v úterý 22. února 2005. Budou předneseny příspěvky
o výpočtu teplot v požárním úseku, Ing. Karpaš, a o navrhování konstrukcí za požáru. Betonových
konstrukcí se ujal Prof. Procházka, dřevěných doc. Kuklík, ocelových Ing. Sokol, ocelobetonových
Prof. Studnička a hliníkových Prof. Wald. Účastníci semináře obdrží monografii „Výpočet požární
odolnosti stavebních konstrukcí“ připravovanou ve spolupráci s Generálním ředitelstvím hasičského
záchranného sboru Ministerstva vnitra České republiky. Seminář je navržen do systému celoživotního
vzdělávání ČKAIT a jeho absolvování na ocenění bodovou hodnotou tři. Na seminář se lze přihlásit
na internetové stránce projektu URL: web.fsv.cvut.cz/pozarni.odolnost.
Oznámení
Práce na projektu byly podporovány projektem Evropského Unie PP-134/049. Obsah projektu
neodráží nutně pozici Evropské Unie nebo Národní agentury Leonardo da Vinci a nepřebírají
odpovědnost za žádnou její část.
Literatura
[1] Plank R.J.: Wider Vocational Initiative for Structural Steelwork, J. Construct. Steel Research, 46,
1998, s. 278-279, ISBN 0-08-042997-1.
[2] Chladná M., Wald F., Burgess I. W., Plank R. J.: Contribution of the Structural Steelwork
Educational Programme WIVISS, v Proceedings of the Conference Eurosteel ´99, Studnička J.,
Wald F., Macháček J. ed., Vol. 2, ČVUT, Praha 1999, s. 137 - 140, ISBN 80-01-01963-2.
[3] ČSN P ENV 1993-1-1: Navrhování ocelových konstrukcí, ČNI, Praha 1994, 370 s.
[4] prEN 1993-1-8, Eurocode 3: Design of Steel Structures, Part 1.8, Design of Joints, European
Standard, CEN, Brusel 2004, 130 s.