Ztužidla a jejich přípoje v IDEA StatiCa

Tento článek navazuje na článek mého kolegy Ralpha Pullingera, který se věnoval příhradám. Nejprve je třeba si položit základní otázku - jaký je rozdíl mezi ztužidly a příhradovými prvky? Jak si asi dokážete představit, tato témata se trochu kříží.

Ztužidlo je v podstatě samostatný prut, který něco podpírá, zpevňuje nebo ztužuje, zatímco příhradový prvek je obvykle část celé konstrukce vazníku, který je tvořen mnoha pruty. Jinými slovy, ztužidlo může být vlastně také příhradový prvek, fungující jako součást příhradové konstrukce. Některé příhradové systémy samozřejmě nutně vyžadují ztužidla, aby byly kompletní - zejména v oblasti obytných budov.

Kde se však dají najít a používá se tento systém ztužení pouze u ocelových konstrukcí? Samozřejmě, že ne. S jistotou je najdete téměř u všech ocelových i dřevěných konstrukcí, méně už v konstrukcích betonových skeletů, pokud k tomu nejsou specifické důvody, jakými jsou například modernizace nebo zpevnění.

Ztužidlové systémy používané u ocelových konstrukcí

V ocelových konstrukčních systémech je ztužidlo obvykle definováno jako prvek přebírající pouze normálové zatížení (buď v tlaku, nebo v tahu). Pokud by výztuha měla přebírat moment, pak by to znamenalo, že by měla být definována jako nosník nebo sloup. Ztužidla nejsou samozřejmě omezeny na vodorovnou nebo svislou rovinu. Používají se také v nakloněných rovinách (například v rovině střechy). Ztužidla vždy jen transferují silové působení. Jejich cílem je převážně převést vodorovné zatížení, například větrem, dolů na podpěrný mechanismus - obvykle základy.

Ztužidla mohou mít podobu lan, pásků, úhelníků, tyčí, dutých profilů, nebo dokonce I profilů. Tradičně byly vždy koncipovány jako skryté za fasádou, ale existuje i řada příkladů, kde jsou naopak hrdě přiznané.

Krásný příklad symbiózy architektury a stavebního inženýrství, který odhaluje ztužidla a detaily jejich přípojů na fasádě, lze nalézt ve Španělsku na budově dnes známé jako Hotel Arts Barcelona. Zde jsou styčníky ztužujícího systému téměř na dotek vzdálené od hotelových hostů v jejich pokojích. Podívejte se, jak jsme ukazovali modelování a posouzení těchto ztužidlových styčníků v jednom z našich webinářů.

V dávných dobách 2D kreslení (analogového i digitálního) a vzhledem k rovině, ve které se vyskytují, se na ztužidla také často zapomínalo, dokud nebylo jasné, že (neúmyslně) procházejí přes okno nebo blokují přístup ke dveřím. Kolik z vás si takovou situaci vybaví?

Nyní, s příchodem BIM a 3D kreslení, tyto problémy s koordinací téměř vymizely (doufejme). Zavedení metody konečných prvků se také projevilo v efektivnějším využití materiálu a přísnější metody analýzy umožňují inženýrům umístit ztužující systémy tam, kde budou lépe fungovat.

V nejjednodušší podobě je ztužidlo prvek, který propojuje dva uzly prutové konstrukce. Může se jednat o jediné ztužidlo nebo o součást většího výztužného systému. V konstrukcích se samozřejmě používá celá řada systémů ztužení, od typicky používaných křížových ztužení až po pokročilé systémy respektující rozličné architektonické požadavky.

Při hledání vhodných umístění a forem ztužidel se obvykle projektant řídí svým vzděláním a zkušenostmi. To lze dále upřesnit analýzou. Právě při této analýze se předpokládá, že další vlivy, jako jsou excentricity, jsou zanedbatelné. Zkrátka, proč to dělat složitě, když to jde jednoduše, že ano.

V globální analýze konstrukce (2D nebo 3D rámy) se v jednom uzlu setkávají nosníky, sloupy i ztužidla. Ve skutečnosti tomu tak být nemůže, protože vždy jsou některé z prutů posunuté o nějakou excentricitu. To už lze v MKP i v BIM modelech také modelovat, aby tyto vlivy byly zohledněny - obvykle v prutovém modelu postačí posun jen o kousíček.

Přečtěte si více v blogu Jana Kubíčka o konstrukčních excentricitách a jejich problémech - Co když to nejde tím správným směrem?

Typy přípojů ztužidel ocelových konstrukcí

Tak, a máme navržená ztužidla, která mohou přenést návrhové zatížení - ale jak je připojíme k hlavní konstrukci? Zde přichází na řadu umění projektantů a jejich zkušenosti. Jaká mají omezení? Jednoduše řečeno, je to množství typů přípojů, které má projektant uložené ve svém hipokampu, samozřejmě jeho bezuzdná kreativita, ale jsou to také omezení používaných softwarových nástrojů.

Existuje mnoho příkladů typických designů, která tento úkol plní i přes tato omezení. Většina z nich nevybočuje z řady. Některé však ano. Níže uvedený příklad byl převzat z případové studie a webináře Fasádní přípoje na nemocnici Midland Metropolitan, Velká Británie.

Projektant chtěl ze ztužujícího systému vytvořit zajímavý prvek na budově a tak využil aplikaci IDEA StatiCa Connection k vytvoření funkčního a atraktivního přípoje.

To by byl skvělý příklad toho, jak by IDEA StatiCa mohla využít geometrický model pomocí BIM propojení například z Tekla Structures k načtení polohy prutů a tvarů různých plechů spolu s využitím účinků zatížení pomocí BIM propojení z MKP programu, jako například SCIA Engineer (k dispozici jsou i jiná propojení pro CAD a MKP řešení 😊). Vlastně, ono je to opravdu možné!

Detaily přípojů ztužidel v IDEA StatiCa

Aplikace pro návrh a posouzení přípojů ocelových konstrukcí IDEA StatiCa Connection je samozřejmě plně schopna řešit jakýkoli typ geometrie a zatížení, počínaje jednoduchými přípoji jako u typického V-systému. Silnou stránkou oproti řekněme excelovským tabulkám je zde rychlé vytvoření celého detailu, možnost rychlé optimalizace, plná vizuální kontrola a v neposlední řadě analýza boulení!

Více informací o boulení, vzpěru a klopení nejen u přípojů ztužidel najdete v článku Nad boulením uvažujte kriticky! od autorky Jany Kaderové.

Vedle standardních přípojů se naše aplikace osvědčila i v případě přípojů na úrovni hlavních filmových záporáků. Je to ta známá story, ve které si architekt plní své sladké sny a stavební inženýr se zmítá v noční můře. Takovéto středové kruhy s křížovými ztužidly se používají v mnoha variantách, od standardizovaných, které jsou vyrobené a otestované pro výběr dle tabulek, až po zcela nestandardní, které je třeba kompletně analyzovat a posoudit dle normy.

Slovo ztužidla najdeme také jako jeden z častých důvodů dotazů na naši technickou podporu. Na výše uvedených příkladech je rovněž vidět přípoj ztužidla ke kontrukci na jeden šroub. Tento prut jako takový nemůže přenášet žádný moment, ale pouze normálovou sílu a smykové síly.

V aplikaci pro ocelové styčníky IDEA StatiCa Connection je v tomto případě třeba u prvku ztužidla změnit parametr nazvaný typ modelu z výchozího N-Vy-Vz-Mx-My-Mz na N-Vy-Vz (bez momentů). V opačném případě dojde k singularitě, protože kolem šroubu se vytvoří mechanismus.

Velmi verifikované řešení

Před několika dny jsem v rámci své práce na helpdesku řešil problém se styčníkem, který byl vlastně standardně nestandardní. Šlo o jednoduchý plně svařovaný styčník tvaru K z dutých profilů (RHS) a zákazník se dotazoval na nižší únosnost tohoto přípoje vypočtenou v aplikaci Connection ve srovnání s ručním výpočtem.

V této části příběhu je důležité zdůraznit, že řešení založené na CBFEM v softwaru je plně ověřeno na několika úrovních, včetně laboratorních testů a mnoha praktických příkladů. Přesto jsme reagovali důkladnou kontrolou problému a vytvořením nezávislého MKP modelu složeného z prostorových elementů s geometricky nelineárním elastoplastickým chováním v softwaru midas FEA NX.

Předpoklady pro oba modely:

• Ocel S355 - bilineární diagram se zpevněním
• Geometricky a materiálově nelineární analýza

Obecně se dá říct, že ruční výpočty zakotvené v normě jsou spíše konzervativní. Právě v tomto případě je tomu ale naopak a dvakrát zkontrolované řešení metodou konečných prvků jednoduše vykazuje v obou numerických modelech nižší kapacitu o přibližně 20% ve srovnání s ručními výpočty. Případ lze uzavřít s tím, že tento rozdíl je způsobený prostorovou deformací a propíchnutím stěny hlavního nosníku.

Vedle toho jsou v našem Centru podpory mezi verifikačními a výzkumnými články také kousky, které se zabývají výhradně přípoji ztužidel.

Jeden z nich, Rectangular hollow sections, obsahuje defakto identický příklad svařovaného K styčníku navrženého podle Eurokódu. Práce ukazuje výsledky porovnání výpočtů v aplikaci Connection a tradiční metody pomocí vzorečků.

Pro americkou normu AISC existuje sada verifikačních příkladů, které připravil Mahamid Mustafa v rámci společného projektu Illinoiské univerzity v Chicagu a IDEA StatiCa. Text Chevron Brace Connection in a braced frame (AISC), stejně jako ostatní texty, velmi dobře prokazují bezpečnou a zároveň efektivní koncepci metody CBFEM.

To už je konec?

Děkuji Vám, že jste si našli čas na přečtení tohoto článku, a doufám, že se brzy zase uvidíme na našem blogu IDEA StatiCa!

PS: Bonusová otázka 😊. Zkuste spočítat, kolik příkladů přípojů ztužidel najdete v naší galerii vzorových příkladů!

3,2,1,...

... no dobře, tady je jejich profiltrovaný seznam ke stažení, prohlížení a použití.