WĘZŁY RAMOWE CZĘŚĆ 1

Transkrypt

1 Projekt SKILLS

2 WĘZŁY RAMOWE CZĘŚĆ 1

3 OMAWIANE ZAGADNIENIA Procedura projektowania węzłów ramowych budynków parterowych (doczołowych połączeń śrubowych poddawanych zginaniu) Nośność węzła Sztywność obrotowa węzła Projektowanie szczegółów konstrukcyjnych (spoiny, śruby, żebra usztywniające, blacha czołowa) Wytyczne dotyczące najlepszych praktyk projektowania i wykonywania węzłów ram budynków jednokondygnacyjnych 3

4 SPIS TREŚCI Wprowadzenie Obliczenie nośności węzła przy zginaniu Obliczenie nośności węzła przy ścinaniu Projektowanie połączeń spawanych Elementy usztywniające węzeł Obliczenie sztywności obrotowej węzła Zalecenia praktyczne Podsumowanie 4

5 WPROWADZENIE

6 WPROWADZENIE Rodzaje węzłów w ramach budynków parterowych 6 1. Węzeł okapowy 2. Skos węzła okapowego 3. Węzeł kalenicowy 4. Skos węzła kalenicowego 5. Styki pośrednie

7 WPROWADZENIE Typowy węzeł okapowy 1. Skos 2. Żebro usztywniające 3. Blacha czołowa 7

8 WPROWADZENIE Typowy węzeł kalenicowy Alternatywny węzeł kalenicowy 1. Skos wykonany z tego samego przekroju co rygiel 2. Blacha usztywniająca 8

9 WPROWADZENIE Ogólne założenia projektowe według PN-EN Węzeł jest modelowany za pomocą wielu części składowych Podstawowe części węzła są zlokalizowane w różnych strefach węzła Strefa ścinania Strefa rozciągania Strefa ściskania 9

10 OBLICZENIE NOŚNOŚCI WĘZŁA PRZY ZGINANIU

11 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU INFORMACJE OGÓLNE Procedura projektowa Określenie nośności części podstawowych węzła w strefie ściskaniaf c,rd Określenie nośności panelu środnika przy ścinaniu w strefie ścinaniav wp,rd Określenie potencjalnej nośności szeregów śrub w strefie rozciąganiaf t,rd(r) Obliczenie efektywnej nośności przy rozciąganiu poszczególnych szeregów śrubf tr,rd Obliczenie nośności węzła przy zginanium j,rd 11

12 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU INFORMACJE OGÓLNE Efektywna nośność przy rozciąganiu poszczególnych szeregów śrub może być ograniczona przez: Obliczeniową nośność grupy szeregów Sztywność pasa słupa lub blachy czołowej, która może uniemożliwiać plastyczny rozkład sił rozciągających Nośność panelu środnika przy ścinaniu Nośność składnika strefy ściskanej 12

13 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Potencjalna nośność poszczególnych szeregów śrub w strefie rozciąganej: F = min( F, F, F, ) PN-EN (6) t, Rd(r) t,fc,rd t,wc,rd t,ep,rd Ft,wb, Rd Część podstawowa węzła Symbol Odniesienie w PN-EN Pas słupa zginany F t,fc,rd i tablice: 6.2, 6.4, 6.5 Środnik słupa rozciągany poprzecznie F t,wc,rd Blacha czołowa zginana F t,ep,rd i tablice: 6.2, 6.6 Środnik rygla rozciągany F t,wb,rd

14 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Obliczenia rozpocząć od najwyższego szeregu śrub, najbardziej oddalonego od środka ściskania (r = 1); Pominąć nośności śrub zlokalizowanych bliżej środka ściskania; Sprawdzić kolejne szeregi śrub rozpatrywane indywidualnie oraz jako część grupy szeregów (łącznie z szeregami śrub położonymi wyżej); h 1 h 2 h 3 h 4 r = 1 r = 2 r = 3 r = 4 Środek ściskania Jeżeli suma nośności rozciąganych szeregów śrub jest większa niż nośność miarodajnego składnika strefy ściskania lub ścinania, to pozostałe szeregi nie są już brane pod uwagę w obliczeniach nośności 14 węzła przy zginaniu.

15 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Grupy szeregów śrub związane z podstawowymi częściami węzła w strefie rozciąganej, po stronie słupa i po stronie rygla z blachą czołową Grupa Grupa Grupa Grupa Grupa

16 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Określenie potencjalnej nośności przy rozciąganiu: zginanej blachy czołowej Ft,ep,Rd zginanego pasa słupa Ft,fc,Rd PN-EN Rzeczywiste układy linii załomów plastycznych przekształcane są w zastępczy model króćca teowego Każdy możliwy układ linii załomów plastycznych jest określany długością efektywną zastępczego króćca teowegol eff Przyjmowany jest najkrótszy zastępczy króciec teowy (minl eff ) Długość efektywna zastępczego króćca teowego jest potrzebna do obliczenia nośności króćca 16

17 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Modele zniszczenia zastępczego króćca teowego PN-EN Tablica 6.2 Model 1 Model 2 Model 3 Całkowite uplastycznienie półki zastępczego króćca teowego (mechanizm) Zniszczenie śrub wraz z uplastycznieniem półki zastępczego króćca teowego 17 Zniszczenie śrub

18 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Długość efektywna zastępczego króćca teowego Mechanizmy kołowel eff,cp Mechanizmy niekołowel eff,nc Szereg śrub rozważany indywidualnie Szereg śrub rozważany jako część grupy szeregów Model 1: l eff,1 = l eff,nc lecz l eff,1 l eff,cp Σl eff,1 = Σl eff,nc lecz Σl eff,1 Σl eff,cp Model 2: l eff,2 = l eff,nc Σl eff,2 = Σl eff,nc 18

19 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Wymiary półki zastępczego króćca teowego PN-EN Rys

20 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Określenie długości efektywnej zastępczego króćca teowego reprezentującego nieusztywniony pas słupa Ft,fc,Rd PN-EN Tablica 6.4 Położenie szeregu śrub Szereg śrub rozważany indywidualnie Szereg śrub rozważany jako część grupy szeregów Mechanizmy kołowel eff,cp Mechanizmy niekołowel eff,nc Mechanizmy kołowel eff,cp Mechanizmy niekołowe l eff,nc Wewnętrzny szereg śrub 2πm 4m+1,25e 2p p Skrajny szereg śrub Minimum z: 2πm, πm+2e 1 Minimum z: 4m+1,25e, 2m+0,625e+e 1 Minimum z: πm+p, 2e 1 +p Minimum z: 2m+0,625e+0,5p, e 1 +0,5p 20

21 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Określenie wartoście 1,piw: dla nieusztywnionego pasa słupa dla usztywnionego pasa słupa Dla blachy czołowej Minimum PN-EN Tablica 3.3 Maksimum Konstrukcje wykonane ze stali według: t = t = min( t PN-EN (z wyjątkiem EN ) PN-EN Stal narażona Stal nienarażona Stal stosowana bez zabezpieczeń na wpływy atmosferyczne lub korozyjne e 1 1,2d 0 4t + 40mm max(8t; 125mm) p 2,2d 0 min(14t; 200mm) min(14t; 200mm) min(14t min ; 175mm) w 2,4d 21 0 min(14t; 200mm) min(14t; 200mm) min(14t min ; 175mm) min p, t fc )

22 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Określenie długości efektywnej zastępczego króćca teowego reprezentującego usztywniony pas słupa Ft,fc,Rd PN-EN Tablica 6.5 Położenie szeregu śrub Szereg śrub rozważany indywidualnie Szereg śrub rozważany jako część grupy szeregów Mechanizmy kołowel eff,cp Mechanizmy niekołowel eff,nc Mechanizmy kołowel eff,cp Mechanizmy niekołowe l eff,nc Szereg śrub w pobliżu żebra Inny wewnętrzny szereg śrub 2πm αm πm+p 0,5p+αm -(2m+0,625e) 2πm 4m+1,25e 2p p Inny skrajny szereg śrub Minimum z: 2πm, πm+2e 1 Minimum z: 4m+1,25e, 2m+0,625e+e 1 Minimum z: πm+p, 2e 1 +p Minimum z: 2m+0,625e+0,5p, e 1 +0,5p Skrajny szereg śrub w pobliżu żebra Minimum z: 2πm, πm+2e 1 e 1 +αm -(2m+0,625e)

23 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Wartościαw przypadku użebrowanych pasów słupów i blach czołowych PN-EN Rys λ 1 = m m + e λ 2 m m + e = 2 23

24 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Określenie długości efektywnej zastępczego króćca teowego reprezentującego blachę czołową Ft,ep,Rd Położenie szeregu śrub Szereg śrub poza rozciąganym pasem belki Pierwszy szereg śrub poniżej rozciąganego pasa belki Inny wewnętrzny szereg śrub Inny skrajny szereg śrub Szereg śrub rozważany indywidualnie Mechanizmy kołowel eff,cp Minimum z: 2πm x, πm x +w, πm x +2e Mechanizmy niekołowel eff,nc Minimum z: 4m x +1,25e x, e+2m x +0,625e x, 0,5b p, 0,5w+2m x +0,625e x 24 PN-EN Tablica 6.6 Szereg śrub rozważany jako część grupy szeregów Mechanizmy kołowe l eff,cp Mechanizmy niekołowe l eff,nc - - 2πm αm πm+p 0,5p+αm- (2m+0,625e) 2πm 4m+1,25e 2p p 2πm 4m+1,25e πm+p 2m+0,625e+0,5p

25 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Modelowanie wystającej blachy czołowej jako oddzielnych króćców teowych PN-EN Rys Przy ustalaniu obliczeniowej nośności półki zastępczego króćca teowego, w wystającej części blachy czołowej stosuje się e x im x zamiast e im. 25

26 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Obliczenie nośności półki króćca teowego: Model 1 Model 2 Model 3 F T,2,Rd F T,1,Rd 4M = m pl,1,rd 2M + n pl,2,rd Ft, Rd = m + n Rd F T,3, F = t, Rd 26 PN-EN Tablica 6.2 M 0 l γ 2 pl,1, Rd =,25 eff,1tf fy / M 0 l γ 2 pl,2, Rd =,25 eff,2tf fy / n = emin 1, 25m t f grubość półki zastępczego króćca teowego (t f =t fc lubt f =t p ) F t,rd obliczeniowa nośność śruby na rozciąganie 0,9fubAs F t,rd = PN-EN Tablica 3.4 γ M2 ΣF t,rd sumaryczna nośnośćf t,rd wszystkich śrub w króćcu γ = 1,25 - współczynnik częściowy do obliczania nośności śrub M2 γ = 1, 00 - współczynnik częściowy do obliczania nośności przekroju M0 M0 M0

27 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Określenie potencjalnej nośności przy rozciąganiu: Zginana blacha czołowa F = min( F t,ep, Rd T,1,Rd F T,1,Rd, F T,2,Rd, F T,3,Rd obliczeniowe nośności zastępczego króćca teowego przy różnych modelach zniszczenia, reprezentującego zginaną blachę czołową, F T,2,Rd, F T,3, Rd ) Zginany pas słupa F t, fc,rd = min( FT,1,Rd, FT,2,Rd, FT,3, Rd) F T,1,Rd, F T,2,Rd, F T,3,Rd obliczeniowe nośności zastępczego króćca teowego przy różnych modelach zniszczenia, reprezentującego zginany pas słupa 27

28 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA ObliczeniowanośnośćśrodnikasłupaprzyrozciąganiuF t,wc,rd ωbeff,t,wctwcfy,wc F t,wc,rd = PN-EN gdzie: γ M0 ω - współczynnik redukcyjny, uwzględniający interakcję ze ścinaniem w panelu środnika słupa (PN-EN Tablica 6.3), stosując odpowiednio wartość b eff,t,wc zamiast b eff,c,wc. b eff,t,wc - szerokość współpracująca środnika słupa przy rozciąganiu; dla połączeń śrubowych jest równa efektywnej długości równoważnego króćca teowego, reprezentującego pas słupa t wc - grubość środnika słupa γ M0 = 1,00 - wsp. częściowy do obliczania nośności przekroju Uwaga: Żebra lub nakładki środnika mogą być zastosowane w celu 28 zwiększenia obliczeniowej nośności środnika słupa.

29 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Określenie współczynnika redukcyjnegoωze względu na interakcję ze ścinaniem PN-EN Tablica 6.3 Parametr przeniesienia β Współczynnik redukcyjny ω 0 β 0,5 ω = 1 0,5 < β < 1 ω = ω 1 + 2(1 β)(1 -ω 1 ) β = 1 ω = ω 1 1 < β < 2 ω = ω 1 + (β 1)(ω 2 -ω 1 ) β = 2 ω = ω 2 ω = ,3( b 1 eff,c,wc t wc / A vc ) 2 ω 2 = 1 + 5,2( b 1 eff,c,wc t wc / A vc ) 2 A vc - pole przekroju czynnego przy ścinaniu słupa β - parametr przeniesienia PN-EN (7) b eff,c,wc - szerokość efektywna środnika 29 słupa przy ściskaniu PN-EN PN-EN (1)

30 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Określenie parametru przeniesienia β Dla jednostronnych konfiguracji węzłów: β = 1 OkreślenieprzekrojuczynnegoprzyścinaniusłupaA vc Dla walcowanych dwuteowników, ścinanych prostopadle do osi y-y: A vc = Ac bfctfc + tfc( t + 2r wc c) 2 ηh t Dla spawanych dwuteowników i przekrojów skrzynkowych, ścinanych prostopadle do osi y-y: A η h t Dla spawanych dwuteowników i przekrojów skrzynkowych, ścinanych prostopadle do osi z-z : A A h t η - można przyjmować przybliżoną wartość równą 1,0 h wc wysokość środnika w świetle pasów 30 wc vc wc PN-EN (9) lub Tablica 5.4 = wc wc vc = c wc wc PN-EN

31 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ROZCIĄGANIA Obliczeniowa nośność środnika belki przy rozciąganiu Ft,wb,Rd gdzie: eff,t,wb wb y,wb F t,wb,rd = PN-EN γ M0 b eff,t,wb - szerokość efektywna środnika belki przy rozciąganiu; jest równa długości efektywnej zastępczego króćca teowego, reprezentującego zginaną blachę czołową dla pojedynczego szeregu śrub lub grupy szeregów t wb - grubość środnika belki b t f γ M0 = 1,00 - wsp. częściowy do obliczania nośności przekroju 31

32 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ŚCISKANIA Obliczeniowa nośność strefy ściskania może być ograniczona przez: F = min( F, F, ) PN-EN c, Rd c,wc,rd c,fb,rd Fc,hb, Rd Część podstawowa węzła Symbol Odniesienie w PN-EN Środnik słupa ściskany poprzecznie F c,wc,rd Pas i środnik belki w strefie ściskania F c,fb,rd Belka ze skosem w strefie ściskania F c,hb,rd / Nośność na ściskanie belki ze skosem może być rozpatrzone jak podano w PN-EN Tablica 6.1 (składnik 20) 32

33 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ŚCISKANIA ObliczeniowanośnośćśrodnikasłupaprzypoprzecznymściskaniuF c,wc,rd F gdzie: ω - współczynnik redukcyjny, uwzględniający interakcję ze ścinaniem (PN-EN Tablica 6.3) k wc - współczynnik redukcyjny (PN-EN (2)) ρ ωk b t f ωk ρb wc eff,c,wc wc y,wc wc eff,c,wc wc y,wc c,wc,rd = PN-EN γ M0 γ M1 - współczynnik redukcyjny ze względu na wyboczenie miejscowe (PN-EN (1)) b eff,c,wc - szerokość efektywna środnika słupa przy ściskaniu γ = 1, - wsp. częściowy do obliczania nośności elementu M1 00 γ = 1,00 M0 - wsp. częściowy do obliczania nośności przekroju Uwaga: Żebra lub nakładki środnika mogą być zastosowane w celu zwiększenia obliczeniowej 33nośności środnika słupa. t f

34 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ŚCISKANIA Szerokośćefektywnaśrodnikasłupaprzyściskaniub eff,c,wc PN-EN Dla połączeń śrubowych z blachą czołową: b 2 + s eff,c, wc = tfb + 2ap + 5( tfc + s) p gdzie: s p = t p + c 2t p Przy dwuteownikach walcowanych: s = r c Przy dwuteownikach spawanych: s = 2ac 34

35 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ŚCISKANIA Współczynnik redukcyjny ze względu na wyboczenie miejscowe ρ Jeżeli λp λp 0,72 ρ = 1,0 - smukłość płytowa: lub jeżeli λp = 0, 932 b λp eff,c,wc PN-EN (1) λp 0,2 > 0,72 ρ = 2 λp d f Et wc 2 wc y,wc Słup z dwuteownika walcowanego (I lub H) : d wc = hc 2( tfc + rc ) Słup z dwuteownika spawanego (I lub H): h c t fc r c a c - wysokość przekroju słupa - grubość pasa słupa - projekt zaokrąglenia naroża przekroju słupa d wc = hc 2( tfc + 2ac ) - grubość spoiny łączącej pas ze środnikiem słupa w dwuteowniku spawanym35

36 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ŚCISKANIA Współczynnikredukcyjnyk wc PN-EN (2) σ com, Ed 0,7fy,wc kwc = 1 lub σ com, Ed > 0,7fy,wc kwc = 1, 7 σ f com,ed y,wc σ com,ed - maksymalne ściskające naprężenie normalne od siły podłużnej i momentu zginającego w części płaskiej środnika (przyległej do zaokrągleń w przekrojach walcowanych lub brzegu spoiny w przekrojach spawanych) Na ogół współczynnik redukcyjny k wc = 1,0 i redukcja nie jest konieczna. Dlatego można ją pominąć w obliczeniach wstępnych, gdy naprężenia normalne nie są znane i sprawdzane później. 36

37 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ŚCISKANIA Obliczeniowa nośność pasa belki(rygla) przy ściskaniu Fc,fb,Rd Mc,Rd Fc,fb,Rd = PN-EN gdzie: ( h t ) fb M c,rd h t fb - obliczeniowa nośność przekroju poprzecznego belki (PN-EN ); dla belek ze skosem,m c,rd może być policzona z pominięciem pośredniego pasa - wysokość przekroju; dla belek ze skosem to jest wysokość wytworzonego przekroju - grubość pasa belki (rygla); dla rygli ze skosem to jest grubość pasa skosu Jeżeli wysokość belki (uwzględniającej skos) przekracza 600 mm, udział środnika belki w obliczeniowej nośności na ściskanie powinien być ograniczony do 20%. Stąd, jeżeli nośność pasa jest równat fb b fb f y,fb to: 37 F c,fb,rd t fb b fb f 0,8 y,fb

38 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ŚCISKANIA Obliczeniowa nośność belki (rygla) ze skosem w strefie ściskania Fc,hb,Rd PN-EN (3) F c,wb,r F = c,hb,rd F c,wb,rd tanα α ( ) F c,hb,rd F c,hb,r ωk F = c,wb,rd wb ρb eff,c,wb γ M1 t wb f y,wb gdzie: F c,wb,rd - obliczeniowa nośność środnika belki przy poprzecznym ściskaniu (zgodnie z PN-EN ) 38

39 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ŚCISKANIA Efektywnaszerokośćśrodnikabelkiprzyściskaniub eff,c,wb tfb b eff,c, wb = + 5( tfb + r sinα b ) r b b eff,c,wb t fb α ( ) t fb /sinα t fb F c,wb,rd Pozostałe parametry w wyrażeniu na F c,wb,rd : ω, k wb, ρ powinny być obliczone analogicznie jak parametry we wzorze na F c,wc,rd, podstawiając za poszczególne wartości związane ze słupem odpowiednie wartości związane z belką. 39

40 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU STREFA ŚCINANIA ObliczeniowanośnośćpaneluśrodnikaprzyścinaniuV wp,rd 0,9f A y,wc vc V wp,rd = PN-EN γ M0 Powyższe wyrażenie ma zastosowanie pod warunkiem, że smukłość środnika słupa spełnia warunek : d / t w 69ε gdzie: A vc - przekrój czynny przy ścinaniu słupa (PN-EN (3)) d - wysokość środnika słupa 235 ε = f γ M0 = 1,00 - wsp. częściowy do obliczania nośności przekroju Uwaga: Żebra lub nakładki środnika mogą być zastosowane w celu zwiększenia obliczeniowej nośności środnika słupa. 40 y,wc

41 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU NOŚNOŚCI SZEREGÓW ŚRUB F t1,rd = min(f t,rd(1), F c, Rd, V wp,rd /β) F t2,rd = min(f t,rd(2),f c,rd -F t1,rd,v wp,rd / β-f t1,rd ) F t3,rd = min(f t,rd(3),f t,rd(2+3) -F t2,rd,f c,rd -F t1,rd -F t2,rd,v wp,rd / β-f t1,rd -F t2,rd ) F t1,rd F t2,rd F t3,rd gdzie: β parametr przeniesienia; dla węzłów jednostronnych β = 1 PN-EN (7) lub Tablica 5.4 h 1 h 2 h 3 Każda wartość F ti,rd powinna być > 0. W przeciwnym razie, gdyf ti,rd 0, szereginie jest aktywny i należy pominąć jego nośność. 41

42 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU OGRANICZENIA Rozkład plastyczny sił w szeregach śrub Plastyczny rozkład sił w szeregach śrub jest dopuszczalny jeżeli nośność poszczególnych szeregów śrub F tr,rd nie przekracza 1,9F t,rd. gdzie: F t,rd obliczeniowa nośność śruby na rozciąganie PN-EN Tablica 3.4 PN-EN (9) JeżeliF tr,rd > 1,9F t,rd, to stosuje się ograniczenie. Skutkiem tego ograniczenia jest nałożenie trójkątnego rozkładu sił w szeregach śrub. 42

43 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU OGRANICZENIA Redukcja obliczeniowej nośności szeregów śrub przy rozciąganiu F tr,rd F tx,rd h x h r EN (9) gdzie: F tx,rd - obliczeniowa nośność przy rozciąganiu śrub jednego z wcześniejszych szeregów x, większa od 1,9F t,rd - odległość szeregu x od środka ściskania h x h r Trójkątny rozkład sił w szeregach śrub - odległość od środka ściskania do rozpatrywanego szeregu śrub 43

44 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ZGINANIU Obliczeniowa nośność węzła przy zginaniu M j,rd = r F tr,rd h r PN-EN (1) F t1,rd F t2,rd F t3,rd h 1 h 2 h 3 M + j, Rd = Ft1,Rdh1 + Ft2,Rdh2 Ft3,Rdh3 44

45 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ŚCINANIU

46 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ŚCINANIU Do przeniesienia siły poprzecznej V Ed są przyjmowane śruby w dolnej części węzła Śruby te muszą być sprawdzone na ścinanie i docisk V Ed n s min( F v,rd, F b, Rd ) n s V Ed PN-EN (2) gdzie: n s liczba śrub przenoszących siłę ścinającą (śruby zlokalizowane w najniższych szeregach) F v,rd nośność śruby na ścinanie F b,rd nośność śruby na docisk (należy rozpatrzyć dwukrotnie, ze względu na docisk trzpienia śruby do blachy czołowej i pasa słupa) 46

47 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ŚCINANIU NośnośćobliczeniowapojedynczejśrubynaścinanieF V,Rd αvf F v,rd = γ ub M2 A PN-EN Tablica 3.4 Gdy płaszczyzna ścinania przechodzi przez gwintowaną część śruby: -Ajest polem przekroju czynnego śrubya s - dla klas 4.6, 5.6 i 8.8 =>α v = 0,6 - dla klas 4.8, 5.8, 6.8 i 10.9 =>α v = 0,5 Gdy płaszczyzna ścinania nie przechodzi przez gwintowaną część śruby: -Ajest polem przekroju trzpienia śruby -α v = 0,6 47

48 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ŚCINANIU NośnośćobliczeniowapojedynczejśrubynadociskF b,rd k1α bfudt F = PN-EN Tablica 3.4 gdzie: α b jest najmniejszą wartością spośród:α d,f ub /f u or 1,0 f u f ub t =t p t =t fc d b,rd γ M2 - wytrzymałość na rozciąganie stali odpowiednio: blachy czołowej lub pasa słupa - wytrzymałość na rozciąganie stali śruby gdy rozważany jest docisk trzpienia śruby do blachy czołowej lub gdy rozważany jest docisk trzpienia śruby do pasa słupa - średnica śruby γ = 1,25 M2 - wsp. częściowy do obliczania nośności śrub 48

49 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ŚCINANIU Określenieα d e dla śrub skrajnych: 1 α dla śrub pośrednich : d = 3d 0 PN-EN Tablica 3.4 p α = d d d 0 e 1 p 1 - średnica otworu na śrubę - odległość czołowa osi otworu śruby od najbliższego brzegu części, mierzona w kierunku obciążenia - osiowy rozstaw łączników w szeregu równoległym do kierunku obciążenia 49

50 NOŚNOŚĆ WĘZŁA PRZY ŚCINANIU PN-EN Tablica 3.4 Określeniek 1 dla śrub skrajnych: e2 p2 k1 = min(2,8 1,7; 1,4 1,7; d d 0 0 2,5) dla śrub pośrednich: p2 k1 = min(1,4 1,7; d 0 2,5) d 0 e 2 p 2 - średnica otworu na śrubę - odległość boczna osi otworu na śrubę od najbliższego brzegu części, mierzona prostopadle do kierunku obciążenia - rozstaw sąsiednich szeregów śrub, mierzony prostopadle do kierunku obciążenia 50

51 PROJEKTOWANIE POŁĄCZEŃ SPAWANYCH

52 PROJEKTOWANIE POŁĄCZEŃ SPAWANYCH Wymagania dotyczące projektowania spoin We wszystkich węzłach wymiary spoin powinny być takie, aby nośność złącza spawanego nie decydowała o obliczeniowej nośności węzła przy zginaniu; PN-EN (4) W częściach składowych węzła poddawanych rozciąganiu wymagane jest wykonanie spoin o pełnej wytrzymałości; Jeżeli połączenie poddawane jest zginaniu momentem o zmiennym znaku (np. ze względu na oddziaływanie wiatru), spoiny w strefie ściskanej muszą przenieść siłę rozciągającą; Należy zapobiegać pęknięciom lamelarnym (wytyczne dotyczące pęknięć lamelarnych podano w PN-EN ). 52

53 PROJEKTOWANIE POŁĄCZEŃ SPAWANYCH Spoiny nominalne (ale sprawdzone na ewentualną siłę rozciągającą wywołaną momentem o zmiennym znaku) 2. Ciągłe spoiny pachwinowe 3. Spoiny o pełnej nośności 1 53

54 PROJEKTOWANIE POŁĄCZEŃ SPAWANYCH Spoiny pasa rozciąganego Spoiny łączące rozciągany pas rygla z blachą czołową muszą być spoinami o pełnej wytrzymałości. Często wykorzystywaną alternatywną praktyką jest projektowanie spoin pasa rozciąganego w oparciu o mniejszą z następujących wartości: - nośność pasa przy rozciąganiu równa b f t f f y - całkowita siła rozciągająca w trzech górnych szeregach śrub, gdy zastosowana jest blacha czołowa wystająca lub w dwóch górnych szeregach śrub, gdy zastosowana jest blacha zlicowana. 54

55 PROJEKTOWANIE POŁĄCZEŃ SPAWANYCH Spoiny pasa ściskanego Gdy pas ściskany ma sfrezowany koniec, można założyć istnienie docisku pomiędzy pasem rygla a blachą czołową i w tym przypadku wystarczy wykonanie nominalnych spoin pachwinowych (zalecane grubości spoin: a = 4 6 mm dlat fb 12 mm luba= 6 8 mm dla t fb > 12 mm). W przypadku braku zapewnienia pełnego docisku, wówczas spoina musi być zaprojektowana do przeniesienia całej siły ściskającej. W przypadku występowania momentu o zmiennym znaku (np. w kombinacji obciążeń z ssaniem wiatru na połać dachową), spoiny muszą być zwymiarowane przy uwzględnieniu takiej kombinacji obciążeń. 55

56 PROJEKTOWANIE POŁĄCZEŃ SPAWANYCH Spoiny środnika strefa rozciągana Zaleca się wykonanie spoin środnika w strefie rozciągania o pełnej wytrzymałości. Spoiny o pełnej wytrzymałości dla środnika w strefie rozciąganej powinny sięgać poniżej dolnego szeregu śrub poddawanych rozciąganiu na odległość 1,73g/2 (g rozstaw śrub w szeregu) Strefa rozciągania Strefa ścinania 56

57 PROJEKTOWANIE POŁĄCZEŃ SPAWANYCH Spoiny środnika strefa ścinania Nośność spoin środnika rygla przy działaniu pionowych sił ścinających: gdzie: a f vw,d - grubość spoiny pachwinowej - obliczeniowa wytrzymałość spoin pachwinowych L ws - pionowa długość spoin w strefie ścinania (pozostałej części środnika nieprzyporządkowanej do strefy rozciągania) f u P sw = 2 a fvw,d Lws fu / 3 f vw.d = β w γ - nominalna wytrzymałość na rozciąganie słabszej z łączonych części β w - odpowiedni współczynnik korelacji według Tablicy 4.1. M2 57 PN-EN (3)

58 PROJEKTOWANIE POŁĄCZEŃ SPAWANYCH Współczynniki korelacji β w dla spoin pachwinowych PN-EN Tablica

59 ELEMENTY USZTYWNIAJĄCE WĘZEŁ

60 ELEMENTY USZTYWNIAJĄCE WĘZEŁ Rodzaje elementów usztywniających węzeł Żebro usztywniające słup w strefie ściskania 2. Żebro usztywniające pas słupa 3. Blacha głowicowa 4. Żebro ukośne 5. Nakładka środnika 6. Żebro usztywniające blachę czołową 7. Blacha wzmacniająca pas słupa 60

61 ELEMENTY USZTYWNIAJĄCE WĘZEŁ Rodzaj elementu usztywniającego Żebro usztywniające słup w strefie ściskania Żebro usztywniające pas słupa w strefie rozciągania Żebro ukośne w strefie ścinania Nakładka środnika Wpływ Zwiększa nośność i sztywność słupa przy ściskaniu Zwiększa nośność pasa słupa przy zginaniu Zwiększa nośność panelu środnika słupa i wzmacnia pas rozciągany Zwiększa sztywność i nośność środnika słupa przy ścinaniu i ściskaniu Uwagi Wymagane zazwyczaj w połączeniach ram portalowych Powszechnie stosowane rozwiązanie - może spowodować bardziej skomplikowane połączenia w płaszczyźnie mniejszej sztywności Połączenia w płaszczyźnie mniejszej sztywności są prostsze. Element wymagający położenia wielu spoin 61

62 ELEMENTY USZTYWNIAJĄCE WĘZEŁ Rodzaj elementu usztywniającego Żebro usztywniające blachę czołową Wpływ Zwiększa nośność blachy czołowej przy zginaniu. Uwagi Nie zalecane w praktyce; raczej należy zwiększyć grubość blachy. Blacha głowicowa Zwiększa nośność pasa słupa przy zginaniu oraz nośność przy ściskaniu (w sytuacji działania momentów o zmiennym znaku). Zwykle montowana w słupie, wyrównywana z górnym pasem rygla. Blacha wzmacniająca pas słupa Zwiększa nośność pasa słupa przy zginaniu. Efektywna tylko w przypadku wzmacniania pasa w modelu 1. 62

63 OBLICZENIE SZTYWNOŚCI OBROTOWEJ WĘZŁA

64 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA INFORMACJE OGÓLNE 1 ZakresS j PN-EN Rys. 6.1 Obliczeniowa charakterystyka moment-obrót węzła

65 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA INFORMACJE OGÓLNE Granice klasyfikacji węzłów zależą od: początkowej sztywności obrotowejs j,ini ; momentów bezwładności: rygla I b i słupa I c ; PN-EN rozpiętości ryglal b i wysokości słupa rozpatrywanej kondygnacjil c ; współczynnikak b zależnego od sztywności ramy gdzie: k b = 8 k b = 25 w odniesieniu do ram, w których układ stężeń redukuje poziomy przechył co najmniej o 80% w odniesieniu do innych ram, pod warunkiem, że w każdej kondygnacjik b /K c 0,1 EIb EI K b = K c = L L 65 b c c

66 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA INFORMACJE OGÓLNE Klasyfikacja węzłów ze względu na sztywność: Strefa 1: węzły sztywne, jeżeli Strefa 2: węzły podatne, jeżeli S k j, ini beib /Lb 0,5EI < L Strefa 3: węzły nominalnie przegubowe, jeżeli b / Lb < Sj,ini kbeib / b S 0 EI j, ini,5 b / Lb 66 PN-EN Rys. 5.4

67 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA SZTYWNOŚĆ POCZĄTKOWA Sztywność początkowa S = Ez i 2 j, ini 1 k i PN-EN (4) gdzie: E - moduł sprężystości podłużnej stali z - ramię dźwigni PN-EN k i - współczynnik sztywności i-tej części podstawowej węzła 67

68 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA CZĘŚCI PODSTAWOWE Współczynniki sztywności składników węzła PN-EN Tablica 6.10 Współczynnik sztywności k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 10 Część podstawowa węzła Panel środnika słupa ścinany Środnik słupa w strefie ściskania Środnik słupa w strefie rozciągania Pas słupa zginany w strefie rozciągania Blacha czołowa zginana w strefie rozciągania Śruby rozciągane Wartości poszczególnych współczynników sztywności są określone w: 68 PN-EN Tablica 6.11

69 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA CZĘŚCI PODSTAWOWE Nieużebrowany panel środnika w warunkach ścinania 0,38Avc k1 = β z Użebrowany panel środnika w warunkach ścinania (usztywniony żebrem ukośnym) k 1 = PN-EN z β - ramię dźwigni - parametr transformacji PN-EN (7) (w przypadku węzłów jednostronnych β = 1) 69

70 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA CZĘŚCI PODSTAWOWE Nieużebrowany środnik słupa w strefie ściskania PN-EN k = 2 0,7b eff,c,wc d c t wc Użebrowany środnik słupa w strefie ściskania (usztywniony żebrami poprzecznymi) k 2 = b eff,c,wc - szerokość efektywna t wc d c - grubość środnika słupa - wysokość środnika w świetle pasów 70 PN-EN

71 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA CZĘŚCI PODSTAWOWE Środnik słupa w strefie rozciągania (dla pojedynczego szeregu śrub w strefie rozciągania) 0,7b eff,t,wctwc k 3 = d c PN-EN b eff,t,wc - szerokość efektywna środnika słupa przy rozciąganiu (dla pojedynczego szeregu śrub w strefie rozciągania); przyjmuje się równą najmniejszej dla tego szeregu długości efektywnej l eff (rozpatrywanego indywidualnie lub jako część grupy szeregów) na podstawie: PN-EN i Tablicy 6.4 gdy pas słupa jest nieużebrowany PN-EN i Tablicy 6.5 gdy pas słupa jest użebrowany t wc d c - grubość środnika słupa - wysokość środnika w świetle pasów 71

72 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA CZĘŚCI PODSTAWOWE Pas słupa zginany w strefie rozciągania (dla pojedynczego szeregu śrub w strefie rozciągania) PN-EN k = 4 0,9l m eff 3 t 3 fc l eff najmniejsza dla danego szeregu długość efektywna l eff (rozpatrywanego indywidualnie lub jako część grupy szeregów) obliczana na podstawie: PN-EN Tablica 6.4 gdy pas słupa jest nieużebrowany PN-EN Tablica 6.5 gdy pas słupa jest użebrowany t fc - grubość pasa słupa m - jak określono na rys. 6.8 PN-EN

73 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA CZĘŚCI PODSTAWOWE Blacha czołowa zginana w strefie rozciągania (dla pojedynczego szeregu śrub w strefie rozciągania) 0,9l k 5 = m eff 3 t 3 p PN-EN l eff t p m najmniejsza dla tego szeregu długość efektywnal eff (rozpatrywanego indywidualnie lub jako część grupy szeregów) na podstawie PN-EN Tablica grubość blachy czołowej - jak określono na rys i 6.11 (gdzie m = m x przy szeregu w części wystającej blachy) PN-EN

74 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA CZĘŚCI PODSTAWOWE Śruby rozciągane (dla pojedynczego szeregu śrub w strefie rozciągania) PN-EN ,6A k 10 = L b s A s L b - pole przekroju czynnego śruby przy rozciąganiu - baza wydłużalności śruby, równa długości skleszczenia (tzn. sumarycznej grubości materiału i podkładek), oraz połowie sumy grubości łba śruby i grubości nakrętki) 74

75 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA METODA OGÓLNA Model sprężynowy wielośrubowego węzła doczołowego PN-EN

76 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA METODA OGÓLNA Sztywność początkowa k eq h r k eff,r z eq - zastępczy współczynnik sztywności - odległość szeregu śrub r od środka ściskania - efektywny współczynnik sztywności szeregu r, uwzględniający współczynniki sztywnościk i części podstawowych - zastępcze ramię dźwigni S = j, ini z k 1 eq = + Ez k 2 r r 2 + k k k eff,r eff,r eq h h 2 r r PN-EN k k eq = = r k z i eff,r eq 1 eff, r 1 k i, r h r 76

77 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA METODA OGÓLNA EN (4) W przypadku węzła rygla ze słupem i połączeń z blachą czołową, zastępczy współczynnik sztywności k eq wyznacza się, uwzględniając (i zastępując) współczynnik sztywności k i następujących części: środnika słupa przy rozciąganiu (k 3 ) pasa słupa przy zginaniu (k 4 ) blachy czołowej przy zginaniu (k 5 ) śrub rozciąganych (k 10 ) 77

78 SZTYWNOŚĆ OBROTOWA WĘZŁA METODA OGÓLNA EN (4) W przypadku śrubowego styku belki z blachami czołowymi zastępczy współczynnik sztywności k eq wyznacza się, uwzględniając (i zastępując) współczynnik sztywności k i następujących części: blach czołowych przy zginaniu (k 5 ) śrub rozciąganych (k 10 ) 78

79 ZALECENIA PRAKTYCZNE

80 ZALECENIA PRAKTYCZNE SKOS WĘZŁA OKAPOWEGO Dodatkowy trójkątny wycinek przyspawany pod ryglem przy połączeniu ze słupem; Długość wycinka około 10% rozpiętości (lub do 15% rozpiętości przy efektywnym projektowaniu sprężystym); Skos wycina się zazwyczaj z tego samego kształtownika, z którego wykonany jest rygiel lub też z kształtownika wyższego albo wykonuje się z blachy; Wytwarzanie pary wycinków na skosy: 80

81 ZALECENIA PRAKTYCZNE BLACHA CZOŁOWA Zazwyczaj wytwarza się ze stali S275 lub S235; W przypadku śrub klasy 8.8 i stali S275, grubość blachy czołowej powinna być w przybliżeniu równa średnicy śruby; Blacha czołowa powinna być szersza od kształtownika rygla, aby możliwe było wykonanie spoiny wokół pasów oraz powinna wystawać powyżej i poniżej kształtownika ze skosem, aby możliwe było wykonanie spoin pachwinowych; W strefie ściskania, powinna wystawać poniżej spoiny pachwinowej na odległość równą co najmniej grubości blachy t p, aby maksymalnie zwiększyć długość docisku przy weryfikacji słupa poddawanego ściskaniu. t p 81 t p

82 ZALECENIA PRAKTYCZNE ŻEBRA USZTYWNIAJĄCE Zazwyczaj wykorzystywane są żebra poprzeczne usztywniające ściskaną część słupa, jeśli to możliwe, należy unikać innych elementów usztywniających; Elementy usztywniające pas słupa wykorzystuje się w celu zwiększenia nośności węzła; Zwiększoną nośność można również uzyskać poprzez: zastosowanie większej liczby szeregów śrub, zwiększenie wysokości skosu, zwiększenie ciężaru kształtownika słupa, wydłużenie blachy czołowej powyżej górnej krawędzi rygla. 82

83 ZALECENIA PRAKTYCZNE WYSTAJĄCA BLACHA CZOŁOWA Przykład węzła z wystającą blachą czołową: Wystająca część słupa może być wymagane skośne cięcie 2. Żebro wzmacniające część wystającą blachy czołowej 83

84 ZALECENIA PRAKTYCZNE ŚRUBY Generalnie w węzłach ramowych wykorzystuje się śruby M20 lub M24, klasy 8.8 lub 10.9; Śruby powinny mieć pełen gwint (te same śruby można wykorzystać w całym budynku); Zazwyczaj są rozstawione w szeregu w odległości 90 lub 100 mm; Pionowe rozstawy między szeregami śrub są zazwyczaj przyjmowane od 70 do 90 mm; W węzłach ram portalowych nie jest wymagane wykorzystywanie śrub sprężanych, ale w przypadku obciążeń cyklicznych (ze względu na zmęczenie), lepiej zastosować śruby sprężane. Zastosowanie śrub sprężanych jest konieczne przy projektowaniu ze względu na specyficzne warunki sejsmiczne według Eurokodu 8. 84

85 ZALECENIA PRAKTYCZNE SPOINY Spoina łącząca rozciągany pas rygla z blachą czołową: Spoina łącząca środnik rygla z blachą czołową: gdzie: a f - grubość spoiny łączącej pas a w - grubość spoiny łączącej środnik β w - współczynnik korelacji f y - granica plastyczności stali rygla f u - nominalna wytrzymałość na rozciąganie słabszej z łączonych części γ 1,0 γ = M 1, 25 = M a a f t t PN-EN Tablica 4.1 w fb wb f γ f γ y M0 y M0 β wγ fu 2 M2 β wγ fu 2 M2

86 PODSUMOWANIE

87 PODSUMOWANIE Omówiono węzły z doczołowymi połączeniami śrubowymi w konstrukcjach ramowych stalowych budynków parterowych. Przedstawiono szczegółową procedurę projektowania węzłów okapowych. W przypadku węzłów kalenicowych (i styków pośrednich) można zastosować tę samą procedurę jak dla węzłów okapowych, pomijając składniki słupa, jak również uwzględniając strefę rozciągania w dolnej, a strefę ściskania w górnej części węzła. Zaproponowano odpowiednie zalecenia praktyczne dotyczące szczegółów konstrukcyjnych węzłów ramowych. 87

88 BIBLIOGRAFIA

89 BIBLIOGRAFIA PN-EN Eurokod 3 Projektowanie konstrukcji stalowych - Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków PN-EN Eurokod 3 Projektowanie konstrukcji stalowych - Część 1-8: Projektowanie węzłów ArcelorMittal Design Manuals for Steel Buildings in Europe Access Steel, NCCI Design of portal frame eaves connections SN041a-EN-EU The Steel Construction Institute and The British Constructional Steelwork Association Ltd. Joints in Steel Construction Moment Connections, P207/95 89

90 Moduły szkoleniowe SKILLS zostały opracowane przez konsorcjum organizacji, podanych na dole slajdu. Materiał jest w objęty licencją Creative Commons Ten projekt został zrealizowany przy wsparciu finansowym Komisji Europejskiej. Publikacje w ramach tego projektu odzwierciedlają jedynie stanowisko ich autorów i Komisja Europejska nie ponosi odpowiedzialności za umieszczoną w nich zawartość merytoryczną.