SteelConstruction.info

Tento článek se zabývá momentově odolnými spoji, které se používají při navrhování jednopodlažních a vícepodlažních budov, v nichž jsou použity spojité rámy.

Článek pojednává o typech momentových přípojů, které se nejčastěji používají. Uvažuje se o použití normových přípojů pro přípoje mezi nosníky a sloupy a mezi nosníky a uvádí se přehled návrhových postupů, které vycházejí z Eurokódu 3. Uvažují se jak šroubové, tak svařované spoje. Představeny jsou také spoje sloupů a patky sloupů.

Typy momentových přípojů

Momentové přípoje se používají u vícepodlažních nevyztužených budov a u jednopodlažních budov s portálovým rámem. Přípoje ve vícepodlažních rámech jsou nejčastěji šroubové, s plnou hloubkou čelní desky nebo s prodlouženou čelní deskou. Pokud je vyžadován hlubší spoj, aby bylo zajištěno větší rameno páky pro šrouby, lze použít příčný spoj. Protože však vznikne dodatečná výroba, je třeba se této situaci pokud možno vyhnout.

U portálových rámových konstrukcí se téměř vždy používají přípoje s úkosem v místě okapu a vrcholu rámu, protože úkos kromě zvýšené únosnosti spoje zvyšuje i únosnost krokve.

Nejčastěji používanými přípoji s únosností proti momentu jsou šroubové přípoje s čelní deskou mezi nosníkem a sloupem; ty jsou znázorněny na obrázku níže.

• 

  Koncová deska s plnou hloubkou

• 

  Prodloužená koncová deska

• .

  

  Vyztužená prodloužená čelní deska

• 

  Závěsný nosník

Místo šroubovaného nosníku-.ke sloupu, lze použít svařované spoje. Tyto spoje mohou zajistit plnou momentovou spojitost, ale jejich výroba je nákladná, zejména na stavbě. Svařované spoje nosníku se sloupem lze připravit ve výrobní dílně pomocí šroubového spoje ve spáře nosníku v místě nižšího ohybového momentu. Svařované spoje se používají také při stavbě budov v seizmických oblastech.

Další typy momentových přípojů zahrnují:

• Spoje ve sloupech a nosnících, včetně vrcholových přípojů v portálových rámech, a
• patky sloupů.

Jedním z aspektů, kterým se tento článek nezabývá, jsou svařované spoje mezi dutými profily. Pokyny pro navrhování svarových spojů pro duté profily Celsius®355 a Hybox®355 jsou však k dispozici u společnosti Tata Steel.

Klasifikace spojů

Navrhováním spojů v ocelových konstrukcích ve Velké Británii se zabývá norma BS EN 1993-1-8 a její národní příloha.

BS EN 1993-1-8 vyžaduje, aby byly spoje klasifikovány podle tuhosti (jako tuhé, polotuhé nebo jmenovitě čepované) nebo podle pevnosti (jako plně pevné, částečně pevné nebo jmenovitě čepované). Klasifikace podle tuhosti je relevantní pro pružnou analýzu rámů, klasifikace podle pevnosti je určena pro rámy analyzované plasticky. Norma definuje modely spojů jako jednoduché, polospojité nebo spojité v závislosti na tuhosti a pevnosti. Momentově odolné spoje budou obvykle tuhé a buď plně, nebo částečně pevnostní, a proto jsou spoje buď spojité, nebo polospojité.

Ve většině situací bude záměrem návrhu, aby klouby odolávající momentům byly tuhé a jako takové byly v analýze rámu modelovány. Pokud by klouby byly ve skutečnosti polotuhé, bylo by třeba v rámové analýze zohlednit chování kloubu, ale britská národní agentura tento přístup nedoporučuje, dokud nebudou získány zkušenosti s numerickou metodou výpočtu rotační tuhosti.

Podmínka 5.2.2.1(2) normy BS EN 1993-1-8 uvádí, že kloub může být klasifikován na základě experimentálních důkazů, zkušeností s předchozím uspokojivým fungováním v podobných případech nebo na základě výpočtů založených na důkazech ze zkoušek.

Národní příloha UK nabízí další objasnění a v NA.2.6 uvádí, že spoje navržené podle SCI P207. (verze Zelené knihy o momentových spojích podle normy BS 5950) mohou být klasifikovány v souladu s doporučeními uvedenými v této publikaci.

SCI P207 byl aktualizován s ohledem na normu BS EN 1993-1-8 a byl znovu vydán jako SCI P398 .

Klasifikace tuhých spojů

Dobře dimenzované spoje, které se řídí doporučeními pro normalizaci uvedenými v SCI P398 a jsou navrženy pouze na pevnost, lze obecně považovat za tuhé pro spoje v jednopodlažních portálových rámech . U vícepodlažních nevyztužených rámů je pro stanovení stability rámu zásadní rotační tuhost. Projektant proto musí buď vyhodnotit tuhost spojů (v souladu s normou BS EN 1993-1-8) a zohlednit ji v návrhu rámu a posouzení stability rámu, nebo, pokud byly v analýze rámu předpokládány tuhé spoje, zajistit, aby návrh spojů odpovídal tomuto předpokladu. U přípoje s čelní deskou lze předpokládat, že přípoj je tuhý, pokud jsou splněny oba následující požadavky:

• Přijetí relativně tlustých čelních desek a případně ztužený pás sloupu
• Smyková síla na pásnici sloupu nepřekročí 80 % návrhové smykové odolnosti. Pokud to není možné, měl by se použít silnější sloup nebo by se mělo zajistit vhodné zesílení.

Pokud nelze předpokládat tuhý spoj, měl by se spoj považovat za „polotuhý“ a při posuzování stability rámu by se měla připustit pružnost spojů.

Náklady

Momentově odolné spoje jsou vždy dražší na výrobu než jednoduché (pouze smykové) spoje . Ačkoli materiálové náklady na součásti spoje (desky, šrouby atd.) nemusí být významné, momentově odolné spoje obecně vyžadují více svařování než jiné spoje. Svařování je nákladná operace a zahrnuje také kontrolu po dokončení svarů.

Místní zesílení zvyšuje další náklady: zvýšení odolnosti hlavních prvků by mělo být vždy zvažováno jako nákladově efektivní alternativa. Lokální zesílení často ztěžuje dosažení přípojů k vedlejším osám, což zvyšuje další náklady.

Přípoje zahrnují velké množství svařování, a jsou proto nákladné. Pokud se používají ke zvýšení únosnosti prutu, například u krokví portálového rámu, je jejich použití opodstatněné, ale úkosy mohou být drahou variantou, pokud se poskytují pouze proto, aby bylo možné provést šroubový spoj.

Standardní spoje

Ačkoli neexistují žádné standardní momentově odolné spoje, zásady standardizace zůstávají důležité pro konstrukční účinnost, nákladově efektivní konstrukci a bezpečnost. Obecně se doporučují následující pokyny, alespoň pro účely počátečního návrhu:

• Třída vlastností 8 M20 nebo M24.8 šroubů s plným závitem
• Šrouby v příčných osách 90 nebo 100 mm („rozteč“)
• Šrouby ve svislých osách 90 mm („rozteč“)
• Kování S275 nebo S355 (čelní desky, spojovací desky a výztuhy)
• 20 mm čelní desky se šrouby M20; 25 mm čelní desky se šrouby M24.

Šroubové spoje nosníku se sloupem

Šroubové spoje koncových desek mezi nosníky a sloupy průřezu I nebo H, jak je znázorněno na obrázku níže, se navrhují podle postupu popsaného v normě BS EN 1993-1-8. Šroubové čelní deskové spoje a vrcholové spoje, které používají podobné návrhové postupy, jsou popsány v části věnované spojům.

Základ pro navrhování

Únosnost šroubového spoje s čelní deskou je dána kombinací tahových sil ve šroubech přiléhajících k jedné přírubě a tlakových sil v ložisku na druhé přírubě. Pokud v nosníku nepůsobí osová síla, jsou celkové tahové a tlakové síly stejné a opačné. Svislému smyku odolávají šrouby v ložisku a ve smyku; obvykle se předpokládá, že této síle odolávají především šrouby přiléhající k tlačenému přírubu. Tyto síly jsou schematicky znázorněny na obrázku vpravo.

V mezním stavu únosnosti je střed otáčení v tlačném pásu nebo v jeho blízkosti a pro zjednodušení návrhu lze předpokládat, že tlaková odolnost je soustředěna v úrovni středu pásu.

Nejvzdálenější řada šroubů od tlakové příruby bude mít tendenci přitahovat největší tahovou sílu a konstrukční praxe v minulosti předpokládala „trojúhelníkové“ rozložení sil, úměrné vzdálenosti od spodní příruby. Pokud je však příruba sloupu nebo čelní deska dostatečně pružná (jak je definováno v NA.2.7 britské NA), aby bylo dosaženo tvárného chování, lze použít plnou únosnost spodních řad (to se někdy označuje jako „plastické rozložení sil v řadě šroubů“).

• Rozložení sil ve šroubech
• 

  Trojúhelníkové rozložení

• 

  .

  „Plastické“ rozdělení

Metoda návrhu

Úplná metoda návrhu spoje s čelní deskou je nutně iterační postup: Zvolí se konfigurace šroubů a případně výztuh; vyhodnotí se odolnost této konfigurace; konfigurace se pak upraví pro větší odolnost, případně větší hospodárnost; upravená konfigurace se znovu vyhodnocuje, dokud se nedosáhne uspokojivého řešení.

Ověření odolnosti svarového spoje s čelní deskou s ohledem na každou ze složek, které tvoří spoj, je znázorněno na obrázku vpravo a v přiložené tabulce níže.

.

.

Výpočty odpovídající výše uvedeným návrhovým krokům jsou komplexně popsány v části 2 SCI P398.5.

Způsoby zesílení

Důkladný výběr prutů při návrhu často zabrání nutnosti zesílení kloubu a vede k hospodárnější konstrukci. Někdy však neexistuje alternativa k zesílení jedné nebo více zón spoje. Rozsah výztuh, které lze použít, je znázorněn na obrázcích níže.

Typ zpevnění musí být zvolen tak, aby nebyl v kolizi s ostatními prvky na spoji. To je častý problém u běžných ztužidel, když se sekundární nosníky napojují na pásnici sloupu.

Obvykle existuje několik způsobů vyztužení každé zóny a mnohé z nich mohou přispět k překonání nedostatku ve více než jedné oblasti, jak ukazuje následující tabulka.

.

.

Svařované nosníky-ke sloupu

Záměrem u dílenských svařovaných konstrukcí je zajistit, aby hlavní spoje nosníku ke sloupu byly provedeny v továrním prostředí a mohly být plnopevnostními tuhými spoji. Aby toho bylo dosaženo a zároveň byly zachovány dostatečně malé rozměry kusů pro přepravu, jsou ke sloupům přivařeny krátké odnože průřezu nosníku. Spojení pahýlu se zbytkem nosníku se obvykle provádí pomocí šroubového spoje krycí desky. Všimněte si, že šroubové spoje by měly používat předpjaté sestavy šroubů.

Typické uspořádání pro vícepodlažní budovu je znázorněno na obrázku níže.

Tovární svařované spoje

Typický tovární svařovaný spoj, jak je znázorněno na obrázku vpravo, se skládá z krátkého profilového nosníkového pahýlu továrně přivařeného k přírubám sloupu a kuželového pahýlu přivařeného do vnitřního profilu sloupu na druhé ose. Čepy jsou připraveny k přišroubování nebo přivaření pomocí krycích desek obvykle v místě, kde se snížil ohybový moment.

Výhody tohoto přístupu jsou následující:

• Efektivní, plnopevnostní momentové spoje – veškeré svařování ke sloupu probíhá za kontrolovaných podmínek
• Obrobek lze natáčet, aby se zabránilo nebo minimalizovalo polohové svařování.

Nevýhody jsou následující:

• Větší počet spojů, a tudíž vyšší výrobní náklady
• Vzpěry „stromu sloupu“ ztěžují manipulaci a přepravu součásti
• Spoje nosníků musí být přišroubovány nebo přivařeny ve vzduchu v určité vzdálenosti od sloupu
• Přírubové spoje a šrouby mohou kolidovat s některými typy podlah, jako jsou prefabrikáty nebo kovové palubky.

Praktické úvahy

Pro většinu malých a středně velkých nosníků s tloušťkou přírub do 17 mm se obvykle volí souvislé koutové svary. Mnoho dodavatelů ocelových konstrukcí však raději přechází na částečné průvarové tupé svary s překrytými koutovými svary nebo na plné průvarové tupé svary, než aby použili koutové svary větší než 12 mm.

Pro usnadnění dobrého přístupu pro svařování během výroby lze dříky sloupů namontovat do speciálních manipulátorů a otáčet je, aby se usnadnilo svařování v poloze rukou dolů ke každému dříku.

Způsob navrhování

U staticky určitých rámů je vyhovující přípoj částečné pevnosti, který je dostatečně odolný vůči návrhovému momentu. pokud je rám staticky neurčitý, musí mít přípoje dostatečnou tvárnost, aby se vyrovnaly s případnou nepřesností návrhového momentu, která vzniká například v důsledku nedokonalostí rámu nebo sedání podpor. Aby toho bylo dosaženo, musí být svary ve spoji provedeny v plné pevnosti.

Ověření únosnosti svarového spoje nosníku se sloupem s ohledem na jednotlivé součásti, které tvoří spoj, je znázorněno na obrázku vpravo a uvedeno v přiložené tabulce níže.

.

Výpočty odpovídající výše uvedeným návrhovým krokům jsou komplexně popsány v části 3 SCI P398.4.

Spoje

Navržení spojů nosníků a sloupů mezi průřezy H nebo I, které jsou vystaveny ohybovému momentu, osové síle a příčné smykové síle, zahrnuje následující typy spojů:

• Spoje s krycí deskou
• Spoje s čelní deskou
• Svařované spoje.

Konstrukcí šroubových spojů sloupů, které jsou vystaveny převažujícím tlakovým silám, se zabývá článek o jednoduchých spojích a podrobněji SCI P358 .

Šroubové krycí deskové spoje

Detaily spoje

Typické uspořádání šroubových krycích deskových spojů je znázorněno na obrázku.

Ve spoji nosníku je mezi oběma konci nosníku malá mezera. U malých průřezů nosníků mohou pro příruby a pásnice postačovat jednotlivé krycí desky. U symetrických průřezů se obvykle používá symetrické uspořádání krycích desek bez ohledu na relativní velikosti návrhových sil v přírubách.

Sloupové spoje mohou být buď nosné, nebo nenosné. Pokyny pro navrhování sloupových spojek ložiskového typu jsou uvedeny v normě SCI P358. Nenosné spoje sloupů mohou být uspořádány a navrženy stejně jako spoje nosníků.

Základ návrhu

Sloupový spoj (nebo nenosný spoj sloupu) odolává souběžnému návrhovému momentu, osové síle a smyku v nosníku kombinací tahových a tlakových sil v krycích deskách přírub a smykových, ohybových a osových sil v krycích deskách pásnic.

Pro dosažení tuhé klasifikace spoje musí být spoje navrženy jako spoje odolné proti prokluzu. Obvykle je nutné zajistit pouze odolnost proti prokluzu v SLS (kategorie B podle BS EN 1993-1-8, 3.4.1), ačkoli pokud je požadován tuhý spoj v ULS, musí být zajištěna odolnost proti prokluzu v ULS (spoj kategorie C).

U pružně analyzovaných konstrukcí se nevyžaduje, aby šroubové spoje krycí desky zajišťovaly plnou pevnost průřezu nosníku, ale pouze dostatečnou odolnost proti návrhovým momentům a silám v místě spoje. Všimněte si však, že pokud jsou spoje umístěny v prutu mimo místo bočního zajištění, musí se zohlednit návrhový ohybový moment kolem vedlejší osy průřezu, který představuje účinky druhého řádu.

Tuhost a spojitost

Spoje musí mít dostatečnou spojitost kolem obou os. Přírubové desky by proto měly mít alespoň podobnou šířku a tloušťku jako příruby nosníku a měly by zasahovat do minimální vzdálenosti rovnající se šířce příruby nebo 225 mm na obou stranách spoje. Minimální požadavky na pevnost jsou uvedeny v článku 6.2.7.1 (13) a (14) normy BS EN 1993-1-8. Projektanti by se také měli seznámit s poradenskou poznámkou SCI AD393.

Metoda návrhu

Proces návrhu spoje nosníku zahrnuje volbu rozměrů krycích desek a konfigurace šroubů, které zajistí dostatečnou konstrukční odolnost spoje. Tento proces má několik odlišných fází, které jsou popsány níže.

Výše uvedené kroky zahrnují stanovení hodnot odporu 11 různých součástí šroubového spoje, jak je znázorněno na obrázku vpravo a uvedeno v přiložené tabulce níže.

.

.

Výpočty odpovídající výše uvedeným návrhovým krokům jsou podrobně popsány v části 4 SCI P398.2.

Šroubové přípoje čelních desek

Detaily přípojů

Šroubové přípoje čelních desek, jako přípojů nebo jako vrcholových přípojů v portálových rámech, jsou ve skutečnosti nosníkovou stranou přípojů nosníku ke sloupu, zrcadlově obrácených tak, aby tvořily dvojici. Tato forma přípoje má oproti typu krycí desky tu výhodu, že nejsou nutné předepnuté šrouby (a z toho vyplývající nutná příprava styčných ploch). Jsou však méně tuhé než detaily spoje s krycí deskou.

Spoj „portálový vrcholový hrbol“ se pravidelně používá u jednopodlažních portálových rámů a pro účely pružné globální analýzy se běžně považuje za „tuhý“.

Návrhová metoda

Návrhová metoda je v podstatě stejná jako metoda popsaná pro spoje nosníku se sloupem , přičemž se vynechává posouzení odolností sloupu. Příslušné kroky a odpovídající výpočty jsou popsány v SCI P398, oddíl 4.3.

Momentové spoje nosník-přes nosník

Detaily spoje

Spoje nosník-přes nosník se obvykle provádějí pomocí čelních deskových spojů s nepředpjatými šrouby; typické detaily jsou znázorněny na obrázku níže. Nepředepjaté šrouby lze použít, pokud jsou použity pouze čelní desky, ale pokud je použita i krycí deska, měly by být použity předepjaté šrouby, aby se zabránilo prokluzu na ULS.

• Typické spoje nosníku přes nosník
• 

• 

  .

• 

Způsob provedení

Kde není krycí deska, lze použít metodu návrhu pro spoje koncových desek. Pokud je použita krycí deska, měla by být navržena jako pro spoj krycí desky; lze konzervativně předpokládat, že šrouby koncové desky přenášejí pouze svislý smyk.

Spoj mezi krycí deskou a nosným trámem je obvykle pouze jmenovitý, protože moment přenášený v krutu na nosný trám je obvykle velmi malý.

Příslušné kroky a odpovídající výpočty jsou popsány v oddíle 4.4 normy SCI P398.

Svařované spoje

Detaily spojů

Svařované dílenské spoje se často používají ke spojování kratších délek dodaných z válcoven nebo skladů. Za těchto okolností jsou svary vždy provedeny „v plné pevnosti“ svařením přírub a pásnice na tupo. V pásnici mohou být vytvořeny malé otvory pro usnadnění svařování příruby.

Pokud spojované profily nejsou ze stejného „válcování“ a v důsledku toho se mírně liší ve velikosti z důvodu tolerancí válcování, je mezi oběma profily běžně umístěna dělící deska. Při spojování dílců různých sériových velikostí touto metodou je třeba ve větším průřezu použít výztuhu pásnice (zarovnanou k přírubě menšího průřezu), případně se může opatřit dělící příčkou, která odpovídá hloubce většího průřezu.

Spojení na staveništi lze provést pomocí koutově svařených krycích plechů, jako alternativu k detailu svařenému na tupo. Pro dočasné spojení při montáži mohou být v krycích deskách pásnice použity šrouby.

Základ pro navrhování

Pro svařované spoje obecně platí:

• U staticky neurčitých rámů, ať už jsou navrženy plasticky nebo pružně, by měly být na příruby a pásnice provedeny svary plné pevnosti
• U staticky určitých rámů mohou být spoje navrženy tak, aby odolávaly návrhovému momentu, který je menší než momentová odolnost prutu, v takovém případě:
  • Svařence přírub by měly být navrženy tak, aby odolávaly síle rovnající se výpočtovému momentu dělenému vzdáleností mezi středy přírub.
  • Pásové svary by měly být navrženy tak, aby odolaly návrhovému smyku.
  • Pokud existuje osová síla, měla by být rozdělena mezi příruby a svary navržené na tuto sílu navíc k síle způsobené návrhovým momentem.

Požadavek na plnou pevnost pro neurčitost je nutný, aby se zajistilo, že spoj je dostatečně pevný, aby se vyrovnal s případnou nepřesností ve výpočetním momentu, která vzniká například v důsledku nedokonalosti rámu, aproximace modelování nebo usazení podpor.

Základny sloupů

Příklad základny sloupu, která je schopna přenášet moment a osovou sílu mezi ocelovými pruty a betonovou spodní konstrukcí u paty sloupů, je znázorněn na obrázku vlevo. Příklad ukazuje základnu sloupu s nevyztuženou základovou deskou. Dalšími možnostmi jsou ztužené spoje základových desek a základny sloupů zalité v kapsách. Tuhé základové spoje se však běžně nepoužívají kvůli souvisejícím nákladům na založení.

Základ pro navrhování

Z hlediska návrhu je základový spoj sloupu v podstatě šroubový přípoj s čelní deskou s určitými zvláštnostmi:

• Osové síly jsou důležitější, než je tomu obecně u přípojů s čelní deskou.
• V tlaku je návrhová síla rozložena na plochu styku oceli s betonem, která je určena pevností betonu a obalovací malty nebo injektážní malty.
• V tahu se síla přenáší pomocí přídržných šroubů, které jsou ukotveny v betonovém podkladu.

V důsledku toho bývá nevyztužená základová deska ve srovnání s čelními deskami přípojů nosníku ke sloupu velmi tlustá.

Většinou může moment působit v obou směrech a volí se symetrické detaily. Mohou však nastat okolnosti, např. u některých portálových rámů, kdy je vhodné použít asymetrické detaily.

Obvykle se požaduje, aby přípoj přenášel vodorovný smyk, a to buď třením, nebo prostřednictvím šroubů. Není rozumné, aby byl vodorovný smyk rovnoměrně rozložen na všechny šrouby procházející volnými otvory v základové desce, pokud nejsou nad šrouby v konečné poloze přivařeny podložky. Pokud je vodorovný smyk velký, může být vhodnější smykový trn přivařený ke spodní straně základní desky. Ve všech případech je injektáž základové desky kritickou operací a vyžaduje zvláštní pozornost.

Metoda návrhu

Proces návrhu vyžaduje iterační přístup, při kterém se zvolí zkušební velikost základové desky a konfigurace šroubů a následně se vyhodnotí odolnosti vůči rozsahu kombinované osové síly a momentu.Příslušné kroky a odpovídající výpočty jsou popsány v oddíle 5.5 normy SCI P398.

Klasifikace základových spojů sloupů

Tuhost základového spoje má obecně větší význam pro chování rámu než ostatní spoje v konstrukci. Většina neztužených základových desek je podstatně tužší než typický detail koncové desky. K tomu přispívá tloušťka základové desky a předpětí od sloupu.Žádný základový spoj však není tužší než základ a následně půda, na kterou se přenáší jeho moment.Hodně může záviset na vlastnostech těchto dalších prvků, mezi které patří sklon k tečení při trvalém zatížení.Základový spoj nelze považovat za „tuhý“, pokud betonový základ, ke kterému se připojuje, není sám o sobě relativně tuhý. Často je to patrné při prohlídce.

Další literatura

• Příručka pro projektanty ocelových konstrukcí, 7. vydání. Editors B Davison & G W Owens. The Steel Construction Institute 2012, Chapter 28
• Architectural Design in Steel – Trebilcock P and Lawson R M published by Spon, 2004

Zdroje

• SCI P358 Joints in Steel Construction – Simple Joints to Eurocode 3 (Spoje v ocelových konstrukcích – Jednoduché spoje podle Eurokódu 3), 2014
• SCI P398 Joints in Steel Construction – Moment-resisting Joints to Eurocode 3, 2013
• National Structural Steelwork Specification (6th Edition), Publication No. 57/17, BCSA 2017
• Ocelové budovy v Evropě. Jednopodlažní ocelové budovy; Část 11: Momentové spoje.
• Návrh svarových spojů – Celsius®355 a Hybox®355, 2013, Tata Steel

Viz také

• Vícenásobné konstrukcepatrové kancelářské budovy
• Spojité rámy
• Modelování a analýza
• Prosté spoje
• Portálové rámy
• Fabrikace
• Svařování
• Konstrukce
• Předpjaté šroubování

.