Běžné metody
Každý stavební inženýr je zvyklý používat mez kluzu jako limitní hodnotu pro posouzení, protože prakticky každá norma a návrhová norma je na tomto přístupu založena.
To nicméně platí pro čistě elastické chování materiálu. Tento přístup může vést ke konzervativnímu návrhu a někdy k zbytečnému předimenzování konstrukce, což má za následek vyšší spotřebu materiálu.
Skutečné chování oceli je však odlišné a je přípustné uvažovat plastické chování materiálu po překročení meze kluzu.
IDEA StatiCa a metoda CBFEM
Component Based Finite Element Method (CBFEM) je synergie komponentové metody a analýzy metodou konečných prvků.
Posouzení styčníku standardní komponentovou metodou i metodou CBFEM používanou v IDEA StatiCa Connection je založeno na posouzení všech částí styčníku – komponent. Komponentami mohou být šrouby, kotvy, svary, plechy a beton v patě sloupu.
CBFEM rozděluje celý styčník na výše uvedené oddělené komponenty. Analytický model je poté softwarem automaticky sestaven z jednotlivých komponent.
Všechny ocelové plechy, jako jsou pásnice nebo stojiny průřezů, výztuhy, žebra, náběhy apod., jsou modelovány pomocí konečných prvků. Metoda konečných prvků je v konstrukčním inženýrství široce uznávána a přináší velmi dobré a spolehlivé výsledky.
Chování materiálu je založeno na podmínce plasticity von Mises. Před dosažením návrhové meze kluzu fyd se předpokládá elastické chování.
Kritériem mezního stavu únosnosti pro oblasti, které nejsou náchylné k boulení, je dosažení limitní hodnoty hlavního membránového přetvoření. Doporučuje se hodnota 5 % (např. EN 1993-1-5, příloha C, odst. C.8, poznámka 1).
Obrázky jsou převzaty z ANSI/AISC 360-16, Comm. B3, s. 332, 333.
Je uveden příklad svařovaného přípoje v IDEA StatiCa:
Návrhová ohybová únosnost tohoto přípoje, podle tohoto článku normy AISC 360, je stanovena jako ohybový moment při pootočení 20 mrad (MRd = 408,5 kip-in). Tato únosnost se téměř rovná ohybové únosnosti stanovené omezením plastického přetvoření na 5 % dle EN 1993-1-5 (MRd = 402,5 kip-in).
Další příklad šroubovaného přípoje vykazuje podobné výsledky:
Únosnost stanovená při pootočení 20 mrad (MRd = 372 kip-in) opět těsně odpovídá únosnosti stanovené omezením plastického přetvoření na 5 % (MRd = 374,7 kip-in).
Závěr
ANSI/AISC 360 ponechává modelování metodou konečných prvků (viz příloha 1 – Návrh pomocí pokročilé analýzy a kapitola B – Požadavky na návrh – 4. Návrh přípojů a podpor – Statická analýza) na inženýrském úsudku. Použití bilineárního elasticko-plastického materiálového diagramu pro ocelové plechy a omezení plastického přetvoření je jednoduchý a rozumný přístup umožňující řešit všechny typy obecně zatížených přípojů. Výsledky těsně odpovídají přístupu navrženému přímo normou ANSI/AISC 360.
Limit plastického přetvoření lze upravit v nastavení normy, přičemž ověřovací studie byly provedeny s doporučenou hodnotou 5 %. Tato hodnota má obecně malý vliv na únosnost přípoje. Rozdíl v únosnosti ohybovým momentem mezi limitním přetvořením 2 % a 10 % je ve druhém příkladu šroubovaného přípoje pouze 7 %.
Reference
ANSI/AISC 360-16 (2016), An American National Standard – Specification for Structural Steel Buildings, AISC, Chicago, 676 s.
EN1993-1-5 (2006), Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-5: General rules - Plated structural elements, CEN, Brussels, 53 s.
Hsieh, S.H. and Deierlein, G.G. (1991), "Nonlinear Analysis of Three-Dimensional Steel Frames with Semi-Rigid Connections," Computers and Structures, Elsevier, Vol. 41, No. 5, pp. 995–1,009.
Leon, R.T. (1994), "Composite Semi-Rigid Construction," Engineering Journal, AISC, Vol. 31. No. 2, pp. 57–67.