002077

3.9.2026

Chování šroubových přípojů čelní deskou s výztuhami nebo bez nich pomocí Ocelové přípoje pro RFEM

Čtyři šroubované přípoje nosník–sloup s čelní deskou (BC1–BC4, sloup HEA 120, nosník IPE 240, ocel S235) byly zkoušeny experimentálně a následně přepočteny přídavným modulem Ocelové přípoje pro RFEM 6 a ručním výpočtem podle EN 1993-1-8. Článek porovnává momentovou únosnost a počáteční rotační tuhost u všech tří metod a uvádí příslušné rovnice T-průřezové komponenty.

Tato studie ověřuje modul Ocelové styčníky pro RFEM zkoumáním konstrukčního chování šroubovaných přípojů s čelní deskou, a to jak s výztuhami, tak bez výztuh. Chování těchto styčníků je vyhodnoceno podle návrhových ustanovení Eurokódu 3 (EC-3) a validováno porovnáním s dříve provedenými experimentálními výsledky.

Analytický model

Tato studie přejímá návrhová kritéria specifikovaná v EN 1993-1-8 pro posouzení únosnosti šroubů (střih a tah) a únosnosti desky (otlačení a protlačení), s využitím formulací mezních stavů uvedených v tabulce 3.4.
Návrhová únosnost ekvivalentního T-průřezu je posuzována nezávisle pro komponenty čelní desky a pásnice sloupu. Pro každý komponent je rozhodující návrhová únosnost F_T,Rd definována jako minimální hodnota odvozená ze tří potenciálních mechanismů porušení.

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 způsob 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 způsoby porušení zahrnují úplné zplastizování pásnice (Způsob 1), porušení šroubu v kombinaci se zplastizováním pásnice (Způsob 2) a čistý lom šroubu (Způsob 3).
Způsoby 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)

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

Obr. 1 Mechanický model Spoji podle EC-3 a režimy porušení komponent T-průřez

Obr. 1 Mechanický model spoje podle EC-3 a způsoby porušení komponent s T-průřezem

Geometrické detaily přípoje nosníku ke sloupu

V souladu se standardní stavební praxí byly všechny nosníky a sloupy vyrobeny z oceli S235. Geometrické konfigurace, včetně uspořádání čelní desky a skupin šroubů, jsou znázorněny na obrázku 2, zatímco experimentální matice zkoušek a naměřené materiálové vlastnosti jsou shrnuty v tabulce 1. Jak je definováno v matici zkoušek, vzorky skupiny A (1BC–4BC) měly průřez sloupu HEA 120 spárovaný s průřezem nosníku IPE 240, přičemž u všech vzorků byla zachována jednotná tloušťka čelní desky 15 mm.

Tabulka 1 Geometrická konfigurace zkoušených vzorků
Vzorky	Sloup	Třída oceli	Nosník	Třída oceli	Tloušťka čelní desky, mm
BC1	HEA120	S235	IPE240	S235	15
BC2	HEA120	S235	IPE240	S235	15
BC3	HEA120	S235	IPE240	S235	15
BC4	HEA120	S235	IPE240	S235	15

Obr. 2 Konfigurace zkušebních vzorků

Diskuze

Řešení modulem Ocelové styčníky pro RFEM

Tato studie představuje kombinované experimentální a numerické zkoumání konstrukčního chování čtyř přípojů nosníku ke sloupu s čelní deskou, se zvláštním důrazem na chování šroubovaných přípojů s čelní deskou s výztuhami a bez výztuh. Experimentální program byl doplněn specializovanými zkouškami komponent T-průřezu a podrobným modelováním metodou konečných prvků (MKP). Návrh přípoje byl proveden pomocí addonu Ocelové styčníky pro RFEM 6, plně integrovaného do globálního konstrukčního modelu. Modely MKP byly validovány vůči experimentálním měřením a ověřeny podle návrhových ustanovení Eurokódu 3 (EC-3), a poté použity k podrobnému zkoumání lokalizovaného deformačního chování. Obrázky 3 a 4 spolu s tabulkami 2 a 3 porovnávají momentovou únosnost a rotační tuhost získané z experimentů, predikcí modulu Ocelové styčníky pro RFEM 6 a analytických výpočtů podle EC-3.

Obr. 3 Porovnání momentové únosnosti – experiment, ocelové přípoje v RFEM a EC-3

Obr. 3 Porovnání momentové únosnosti – experimentální, ocelové přípoje v RFEM a EC-3

Fig. 4 Comparison of Stiffness – Experimental, Steel Joints in RFEM and EC-3

Tabulka 2 Porovnání momentové únosnosti – experimentální, Ocelové styčníky v RFEM a EC-3 | Momentová únosnost (kNm)
Vzorky	Experimenty	Ocelové styčníky pro RFEM	EC-3	EC-3/RFEM
BC1	34,00	24,02	18,00	0,75
BC2	47,00	34,51	33,00	0,96
BC3	53,00	34,36	33,00	0,96
BC4	65,00	39,15	33,00	0,84

Tabulka 3 Porovnání tuhosti – experimentální, Ocelové styčníky v RFEM a EC-3 | Počáteční tuhost S_j,ini (MNm/rad)
Vzorky	Experimenty	Ocelové styčníky pro RFEM	EC-3
BC1	8,10	5,10	9,30
BC2	8,70	11,00	18,30
BC3	9,50	14,70	22,60
BC4	10,10	24,80	22,60

Obr. 5 Ekvivalentní napětí a plastická deformace a poměr navržení a Rotační tuhost modelu BC1

Obr. 5 Srovnávací napětí a plastické přetvoření a stupeň využití a rotační tuhost modelu BC1

Obr. 6 Srovnávací napětí a plastické přetvoření a stupeň využití a rotační tuhost modelu BC2

Obr. 7 Ekvivalentní napětí a plastické přetvoření a poměr využití a rotační tuhost modelu BC3

Obr. 8 Ekvivalentní napětí a plastické přetvoření a poměr návrhu a rotační tuhost modelu BC4

Obr. 8 Srovnávací napětí a plastické přetvoření a stupeň využití a rotační tuhost modelu BC4

Závěry

Porovnání ukazuje, že RFEM sleduje experimentální chování přesněji než EC-3, a to jak pro momentovou únosnost, tak pro počáteční tuhost. EC-3 výrazněji podhodnocuje únosnost a u vzorků BC2–BC4 se zastavuje na hodnotě 33,00 kNm navzdory 40% nárůstu naměřené únosnosti, což naznačuje, že jeho predikce je řízena jediným limitujícím posudkem komponentu necitlivým na měněné parametry. U počáteční tuhosti vykazuje RFEM nižší průměrnou odchylku od experimentu (0,66) než EC-3 (0,97) a je jedinou metodou, která nadále sleduje rostoucí trend tuhosti až do vzorků BC3–BC4, místo aby se zastavila na konstantní hodnotě. Nadhodnocení tuhosti u vyšších hodnot v RFEM je v souladu s obecnou tendencí modelů založených na komponentech směřovat k idealizované tuhosti komponentů a EC-3 vykazuje srovnatelné nebo větší nadhodnocení u vzorků BC2–BC3.
Celkově je RFEM spolehlivějším z obou nástrojů pro zachycení trendů únosnosti a tuhosti styčníku a je doporučen jako primární ověřovací metoda, přičemž EC-3 je zachován jako nezávislá kontrola.

Reference

Eurokód 3. Navrhování ocelových konstrukcí, část 1-8: navrhování styčníků. Evropská norma EN 1993-1-8. Evropský výbor pro normalizaci, Brusel, Belgie; 1993.
Abidelah, Anis & Bouchair, Abdelhamid & Kerdal, Djamel. (2012). Experimental and analytical behaviour of bolted end-plate connections with or without stiffeners. Journal of Constructional Steel Research.

;