10x

002072

12.8.2026

Posouzení tažnosti spojů s prodlouženou čelní deskou u ocelových přípojů pro RFEM

Čtyři rozšířené přípoje nosník–sloup s čelní deskou (FS1–FS4, ocel S355/S690) byly experimentálně testovány a vyhodnoceny pomocí addonu Spoje ocelových konstrukcí pro RFEM 6 a ručním výpočtem podle EN 1993-1-8 (Eurokód 3). Článek porovnává momentovou únosnost a počáteční rotační tuhost napříč všemi třemi metodami a uvádí příslušné rovnice pro T-profily.

Tato studie hodnotí návrh ocelových přípojů pro RFEM na základě zkoumání charakteristik tažnosti a typů porušení přípojů nosníku ke sloupu s prodlouženou čelní deskou. Chování konstrukce a únosnost těchto přípojů jsou analyzovány v souladu s návrhovými ustanoveními uvedenými v Eurokódu 3 (EC3) a výsledné predikce jsou následně ověřeny porovnáním s konečně prvkovým modelem vytvořeným pomocí addonu Ocelové přípoje pro RFEM a s odpovídajícími experimentálními daty.

Analytický model

Tato studie přejímá návrhová kritéria stanovená v EN 1993-1-8 pro posouzení únosnosti šroubů (smyk a tah) a únosnosti desky (ložisko a protlačení), přičemž využívá formulace mezních stavů uvedené v Tabulce 3.4.

Návrhová únosnost ekvivalentního T-profilu se posuzuje samostatně pro čelní desku a přírubu sloupu. Pro každou komponentu je rozhodující návrhová únosnost F_T,Rd definována jako minimální hodnota odvozená ze tří možných mechanismů selhání.

F_{T, R d} = m i n (F_{T 1, R d}, F_{T 2, R d}, F_{T 3, R d})

Návrhová únosnost T-profilu (rozhodující hodnota ze tří režimů porušení)

Jednotlivá únosnost pro každý typ porušení se vypočítá na základě plastické momentové únosnosti pásnice (M_pl,1,Rd a M_pl,2,Rd) a tahové únosnosti skupiny šroubů (∑F_t,Rd). Tyto typy porušení zahrnují úplné zplastizování pásnice (Typ 1), porušení šroubu v kombinaci se zplastizováním pásnice (Typ 2) a čisté přetržení šroubu (Typ 3).

Typy porušení:

F_{T, 1, Rd} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) \cdot M_{pl, 1, Rd}}{2 mn - e_{w} (m + n)}

Odolnost T-profilu – režim porušení 1 (úplné poddání pásnice)

F_{T, 2, Rd} = \frac{2 \cdot M_{pl, 2, Rd} + n \cdot (\sum F_{t, Rd})}{(m + n)}

Odolnost T-profilu – Režim porušení 2 (Porušení šroubu s přetvořením pásnice)

F_{T, 3, Rd} = \sum F_{t, Rd}

Odolnost T-profilu – Typ porušení 3 (porušení šroubu)

Plastické momenty únosnosti:

M_{pl, 1, Rd} = \frac{0.25 \cdot \sum l_{eff, 1} \cdot t_{f}^{2} \cdot f_{y}}{γ_{M 0}}

Únosnost příruby v plastickém momentu (Porušení režimu 1)

M_{pl, 2, Rd} = \frac{0.25 \cdot \sum l_{eff, 2} \cdot t_{f}^{2} \cdot f_{y}}{γ_{M 0}}

Plastický moment únosnosti pásnice (Typ porušení 2)

Počáteční tuhost přípoje je dána vzorcem:

S_{j, ini} = \frac{E \cdot z^{2}}{\sum_{i = 1}^{n} \frac{1}{k_{i}}}

Počáteční rotační tuhost spoje

Kde E je modul pružnosti, z je rameno, K_i je součinitel tuhosti i-té komponenty a n je počet základních komponent přípoje.

Geometrické detaily přípoje nosníku ke sloupu

Všechny nosníky a sloupy byly vyrobeny z oceli S355 podle běžné stavební praxe. Čelní desky byly vyrobeny z oceli S355 nebo S690. Geometrické detaily – včetně rozměrů čelní desky a rozmístění skupin šroubů – jsou znázorněny na Obrázku 2, zatímco zkušební matice a naměřené materiálové vlastnosti jsou uvedeny v Tabulce 1.

Vzorky FS1 až FS4 používaly průřez sloupu HEM 340 ve spojení s průřezem nosníku IPE 300. Tato konfigurace byla zvolena za účelem zkoumání chování slabého sloupu a silného nosníku. U všech čtyř vzorků zůstal průřez nosníku konstantní IPE 300, přičemž tloušťky čelních desek byly 10, 15, 20 a 10 mm pro FS1, FS2, FS3, respektive FS4.

Tabulka 1: Geometrické a materiálové detaily zkoušených vzorků
Vzorek	Sloup	Třída oceli	Nosník	Třída oceli	Tloušťka čelní desky, mm	Třída oceli
FS1	HEM340	S355	IPE300	S235	10	S355
FS2	HEM340	S355	IPE300	S235	15	S355
FS3	HEM340	S355	IPE300	S235	20	S355
FS4	HEM340	S690	IPE300	S235	10	S690

Technický výkres typického šroubovaného spoje nosník-sloup zobrazující nosník IPE300 připojený ke sloupu HE340M s podrobnými rozměry a tloušťkami desek.

1 Typický šroubový spoj nosníku a sloupu

Technický výkres spoje s prodlouženou čelní deskou znázorňující rozmístění šroubů a konfiguraci výztuhy pro analýzu ocelového styčníku.

2 a) Přípojný plech/šroub, b) Konfigurace výztuh

Diskuse

Řešení pomocí addonu Ocelové přípoje pro RFEM

Pomocí addonu Ocelové přípoje pro RFEM 6 byl návrh přípoje plně integrován do hlavního konstrukčního modelu. Tato studie představuje experimentální a numerické zkoumání konstrukčního chování čtyř přípojů nosníku ke sloupu s prodlouženou čelní deskou, se zvláštním důrazem na posouzení tažnosti. Zkoumání bylo doplněno cílenou charakterizací komponent T-profilu a vysoce přesnou analýzou metodou KP. Vyvinuté KP modely byly validovány na základě experimentálních měření a ověřeny vůči návrhovému rámci Eurokódu 3 (EC3) a následně použity k získání podrobných poznatků o lokalizovaném deformačním chování. Obrázky 3 a 4 spolu s Tabulkami 2 a 3 uvádějí porovnání momentové únosnosti a rotační tuhosti mezi experimentálními výsledky, predikcemi addonu Ocelové přípoje pro RFEM 6 a analytickými řešeními podle EC3.

Sloupcový graf porovnávající momentovou únosnost čtyř vzorků ocelových přípojů na základě experimentálních výsledků, simulací v programu RFEM s využitím addonu Ocelové přípoje a výpočtů podle Eurokódu 3.

3 Srovnání momentové únosnosti – Experimentální vs. ocelové přípoje pro RFEM a EC3

Sloupcový graf porovnávající počáteční tuhost pro čtyři testovací případy, zobrazující výsledky z experimentů, ocelových styčníků pro RFEM a výpočtů podle EC3.

4 Porovnání tuhosti – Experiment vs. ocelové přípoje pro RFEM a EC3

Tabulka 2: Porovnání momentové únosnosti – experiment vs. Ocelové přípoje pro RFEM a EC-3-1-8 | Momentová únosnost (kNm)
Vzorek	Experimenty	Ocelové přípoje v RFEM	EC3
FS1	107,45	107,53	77,52
FS2	167,93	122,51	132,09
FS3	182,46	126,09	187,29
FS4	164,56	118,46	124,44

Tabulka 3: Porovnání tuhosti – experiment vs. Ocelové přípoje pro RFEM a EC-3-1-8 | Počáteční tuhost S_j,ini (MNm/rad)
Vzorek	Experimenty	Ocelové přípoje pro RFEM	EC3
FS1	17,51	29,20	34,66
FS2	22,69	38,30	46,76
FS3	22,39	43,50	51,76
FS4	16,66	29,20	32,77

Výsledky analýzy metodou konečných prvků zobrazující ekvivalentní napětí podle von Mises a ekvivalentní plastické přetvoření pro model ocelového styčníku o tloušťce 1 mm.

5 Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu FS-1mm

Konečněprvková analýza ocelového styčníku zobrazující ekvivalentní von Misesova napětí a plastická přetvoření pod zatížením. Vizualizace zobrazuje rozložení napětí a deformaci v oblasti připojení.

6 Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu FS-2mm

Analýza ocelového styčníku metodou konečných prvků zobrazující ekvivalentní napětí podle von Mises a ekvivalentní plastická přetvoření při aplikovaném zatížení.

7 Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu FS-3mm

Výsledky analýzy metodou konečných prvků zobrazující ekvivalentní napětí podle von Mises a ekvivalentní plastická přetvoření pro model ocelového styčníku.

8 Srovnávací napětí a plastické přetvoření modelu FS-4mm

Tabulka zobrazující poměry kontrol posouzení pro komponenty desky, šroubu a koutového svaru v mezním stavu únosnosti spolu s vypočtenými hodnotami rotační tuhosti pro připojené pruty.

9 Stupeň využití a rotační tuhost modelu FS-1

Tabulka zobrazující poměry posudků pro desky, šrouby a svary spolu s vypočtenými hodnotami rotační tuhosti pro ocelový přípoj.

10 Stupeň využití a rotační tuhost modelu FS-2

Tabulka zobrazující poměry kontrol posouzení pro desky, šrouby a koutové svary spolu s vypočtenými hodnotami rotační tuhosti pro pruty styčníku ve statické analýze.

11 Stupeň využití a rotační tuhost modelu FS-3

Tabulka zobrazující poměry kontrol posouzení pro desky, šrouby a svary, společně s hodnotami rotační tuhosti pro prvky styčníku ve statické analýze.

12 Stupeň využití a rotační tuhost modelu FS-4

Závěry

Porovnání mezi experimentálními predikcemi, predikcemi addonu Ocelové přípoje pro RFEM založenými na metodě komponent a predikcemi podle EC-3-1-8 ukazuje, že model RFEM poskytuje celkově dobrou shodu s výsledky zkoušek jak pro momentovou únosnost, tak pro počáteční tuhost, což potvrzuje jeho spolehlivost pro reprezentaci skutečného chování přípoje. Predikce momentové únosnosti podle EC-3-1-8 se u jednotlivých vzorků liší (poměry 0,72–1,49 vůči RFEM), což odráží citlivost analytické metody komponent na specifické geometrické parametry, jako je tloušťka desky a rozmístění šroubů. Výsledky ukazují, že addon Ocelové přípoje pro RFEM poskytuje výrazně přesnější predikci počáteční tuhosti přípoje než analytická metoda EC-3. To potvrzuje, že přístup RFEM založený na metodě konečných prvků lépe vystihuje skutečné tuhostní chování zkoušených přípojů, což z něj činí spolehlivější nástroj pro praktický návrh a analýzu ve srovnání s konzervativní a často příliš zjednodušenou metodou komponent podle EC3.

Reference

Evropský výbor pro normalizaci (CEN). (1993). Eurokód 3. Navrhování ocelových konstrukcí Část 1–8: Navrhování styčníků (EN 1993-1-8). Brusel, CEN.
Girão Coelho, A. M., Bijlaard, F. S. K., & Simões da Silva, L. (2004). Experimental assessment of the ductility of extended end plate connections. Engineering Structures, 26(9), 1185–1206. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2000.09.001

;