Popis
Předmětem této studie je ověření metody konečných prvků založené na komponentách (CBFEM) pro trojúhelníkový náběh třídy 4 bez pásnice a trojúhelníkový náběh třídy 4 s pásnicí se sníženou tuhostí pomocí výzkumného modelu MKP (RFEM) a návrhového modelu MKP (DFEM).
Experimentální výzkum
Jsou prezentovány experimentální výsledky šesti vzorků náběhů s pásnicemi a bez pásnic. Tři vzorky jsou bez pásnic a tři vzorky jsou podepřeny přídavnými pásnicemi. Nevyztužené vzorky se liší tloušťkou stojiny tw a šířkou stojiny bw. Vyztužené vzorky se liší tloušťkou stojiny tw, tloušťkou pásnice tf a šířkou pásnice bf. Rozměry vzorků jsou shrnuty v Tab. 6.1.1. Uspořádání zkoušky pro vzorek bez pásnice je znázorněno na Obr. 6.1.1 (nahoře) a pro vzorek s pásnicí na Obr. 6.1.1 (dole). Materiálové charakteristiky ocelových plechů jsou shrnuty v Tab. 6.1.2.

Tab. 6.1.1 Přehled příkladů

Tab. 6.1.2 Materiálové charakteristiky použité v numerických modelech

Výzkumný model MKP
Výzkumný model MKP (RFEM) slouží k ověření modelu DFEM a je validován na experimentech. V numerickém modelu jsou použity 4uzlové čtyřúhelníkové skořepinové prvky s uzly v rozích, s maximální délkou strany 10 mm. Je aplikována materiálově a geometricky nelineární analýza s imperfekcemi (GMNIA). Ekvivalentní geometrické imperfekce jsou odvozeny z prvního tvaru boulení a amplituda je stanovena podle přílohy C normy EN 1993-1-5:2006. Numerické modely jsou znázorněny na Obr. 6.1.2.

\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.1.2 Research FEM model a) haunch without a flange b) haunch with a flange}}
Příklad porovnání RFEM a experimentální zkoušky z hlediska chování zatížení-průhyb je znázorněn na Obr. 6.1.3a. Porovnání únosností naměřených v experimentu a získaných z RFEM je znázorněno na Obr. 6.1.3b. Únosnost vypočtená v numerickém modelu je zobrazena na vodorovné ose. Únosnost naměřená v experimentální studii je zobrazena na svislé ose. Je patrná dobrá shoda.

Porovnání konečných stavů deformace mezi numerickými simulacemi a experimentálními výsledky je provedeno na konci zkoušek. Obr. 6.1.4 ukazuje porovnání deformace vzorků A, B a D po porušení s RFEA. Je patrná dobrá shoda mezi numerickými modely a experimentálními výsledky náběhů z hlediska tvaru porušení. Podrobnosti viz (Kurejková a Wald, 2017).

Návrhový model MKP
Návrhový postup pro průřezy třídy 4 je popsán v oddíle 3.10 Lokální boulení.
Návrhový postup je ověřen porovnáním modelů DFEM a RFEM. Oba modely jsou vytvořeny v softwaru Dlubal RFEM. Postup je aplikován v modelech CBFEM; viz (Kurejková et al. 2015). Únosnost odpovídající 5% plastickému přetvoření je získána v prvním kroku a následuje lineární analýza boulení. Je studována kritická komponenta v analýze boulení. Návrhová únosnost je interpolována, dokud není splněna podmínka ρ∙αult,k = 1.
První tvar boulení náběhu bez pásnice je znázorněn na Obr. 6.1.5 a). Únosnost je posouzena podle vzorce (3.10.2) v oddíle 3.10. Porovnání únosností DFEM a RFEM je znázorněno na Obr. 6.1.5 b). Únosnost vypočtená v DFEM je zobrazena na vodorovné ose. Únosnost vypočtená v RFEM je zobrazena na svislé ose. Je patrná dobrá shoda a postup je ověřen.

Globální chování a ověření
Je připraveno porovnání globálního chování náběhu bez pásnice popsaného diagramy zatížení-průhyb v modelu DFEM. Průhyb je měřen ve svislém směru uprostřed vzorku. Pozornost je zaměřena na hlavní charakteristiky: návrhová únosnost a kritické zatížení. Jako reference jsou zvoleny dva příklady náběhu bez pásnice; viz Obr. 6.1.6. Návrhový postup v modelech DFEM zahrnuje rezervu po vyboulení, která je patrná na Obr. 6.1.6 a). Kritické zatížení Fcr je menší než návrhová únosnost FDFEM. Rezerva po vyboulení je pozorována v případech s velmi štíhlými plechy. Typický diagram je znázorněn na Obr. 6.1.6 b), kde návrhová únosnost FDFEM nedosahuje kritického zatížení Fcr. Zatížení Fult,k odpovídá únosnosti při 5 % plastického přetvoření.

Návrhový postup v modelech CBFEM je popsán v oddíle 3.10 Lokální boulení. Analýza boulení je implementována v softwaru. Výpočet návrhových únosností je proveden ručně podle návrhového postupu. FCBFEM je uživatelem interpolováno, dokud se vzorec (2) nerovná 1. Je studován styčník nosník-sloup s náběhem bez pásnice. Tloušťky stojin nosníku a sloupu se mění stejným způsobem jako tloušťka trojúhelníkového náběhu. Pro nosník i sloup je použit stejný průřez. Geometrie příkladů je popsána v Tab. 6.1.3. Styčník je zatížen ohybovým momentem.
Tab. 6.1.3 Přehled příkladů (Kuříková et al. 2019)

Ověření únosnosti
Návrhová únosnost vypočtená pomocí CBFEM je porovnána s výsledky získanými z RFEM. Porovnání je zaměřeno na návrhovou únosnost a kritické zatížení. Výsledky jsou uspořádány v Tab. 6.1.4. Diagram na Obr. 6.1.7 c) ukazuje vliv tloušťky rozšiřujícího plechu na únosnosti a kritická zatížení v posuzovaných příkladech.
Výsledky vykazují velmi dobrou shodu v kritickém zatížení a návrhové únosnosti. Rezerva po vyboulení je pozorována pro stojinu nosníku a trojúhelníkový rozšiřující plech s tloušťkami 3 a 4 mm. Model CBFEM styčníku s náběhem o tloušťce 3 mm je znázorněn na Obr. 6.1.7 a). První tvar boulení styčníku je znázorněn na Obr. 6.1.7 b).
Tab. 6.1.4 Návrhová únosnost




Ověřovací studie potvrzují přesnost modelu CBFEM pro predikci chování trojúhelníkového náběhu. Výsledky CBFEM jsou porovnány s výsledky RFEM. Návrhový postup je ověřen na modelu RFEM, který je validován na experimentech. Všechny postupy předpovídají podobné globální chování styčníku.
Referenční příklad
Vstupní hodnoty
Nosník a sloup
• Ocel S355
• Tloušťka pásnice tf = 10 mm
• Šířka pásnice bf = 120 mm
• Tloušťka stojiny tw = 3 mm
• Výška stojiny hw = 300 mm
Trojúhelníkový náběh
• Tloušťka tw = 3 mm
• Šířka bw = 400 mm
• Výška hw = 400 mm
Výpočet
• Analýza boulení
Výstupní hodnoty
• Plastická únosnost CBFEM = 138 kNm
• Návrhová únosnost při boulení CBFEM = 41 kNm
• Kritický součinitel boulení (pro návrhovou únosnost při boulení CBFEM = 41 kNm) αcr = 0,52
• Součinitel zatížení při 5 % plastického přetvoření αult,k = Plastická únosnost CBFEM / Návrhová únosnost při boulení CBFEM = 138 / 41 = 3,40
