V minulém článku, který najdete zde, jsme se zabývali použitím upevňovacích prvků na ocel, problémy spojenými s tradičními způsoby upevňování a řešeními společnosti Hilti, která na tyto problémy reagují. V tomto článku se zaměříme na statický návrh svorníků Hilti pro upevnění k oceli, přičemž příklad návrhu bude řešen pomocí „ručního výpočtu“.

Příklad návrhu konzoly s bodovým zatížením

Tento příklad má následující zadání (viz Obrázek 1):

• Konzola z ocelového profilu délky 600 mm;
• Zatížení 1,5 KN na krajním bodě (užitné zatížení);
• Základním materiálem ocelový profil IPE 270 s povrchovou úpravou;
• Upevnění konzoly k ocelovému profilu pomocí 2 čepů s hlavou.

Obrázek 1 - Příklad návrhu - konzola s bodovým zatížením na krajní části. 3D pohled (vlevo) a 2D pohled (vpravo).

Pokud jde o návrh čepů, prvním krokem by měl být výpočet návrhového zatížení a reakcí na spojení mezi konzolou a ocelovým profilem (viz Obrázek 2). Pokud jde o výpočet návrhových zatížení, použijeme koncepci bezpečnostních koeficientů podle Eurokódu [1].

Obrázek 2 - Reakce ve spoji konzoly a ocelové konstrukce.

Po kontrole reakcí budeme pokračovat v návrhu za předpokladu svorníku F-BT, protože se jedná o aplikaci s vysokými reakcemi. Uvažujeme čep M10 pro použití na ocel s povrchovou úpravou: F-BT-MR M10x50 SN (10). Systém značení je znázorněn na Obrázku 3.

Obrázek 3 - Systém pojmenování čepů F-BT

To znamená, že čep vybraný pro tento příklad má průměr 10 mm, délku 50 mm, je použit s ocelovou a neoprenovou podložkou pro ochranu proti korozi a základní materiál by měl mít minimálně 10 mm. Profil IPE 270 má tloušťku příruby 10,2 mm, takže můžeme pokračovat. V případě, že by základní materiál měl tloušťku menší než 10 mm (pro svorník M10), měl by být podle technické příručky [2] použít součinitel snížení zatížení na únosnost svorníku.

Po získání reakcí bychom měli zatížení rozložit na oba svorníky. Za tímto účelem předpokládáme následující:

• Ohybový moment se rozdělí na tahový a tlakový. Horní čep bude namáhán tahem a na spodní bude působit tlaková síla. Pokud jde o rameno vnitřních sil pro ohyb, budeme konzervativně uvažovat vzdálenost mezi středy hřebů. U F-BT je v případě spojení 2 hřebů (jako v tomto příkladu) třeba na těsnicí podložky instalovat podpěrnou desku, aby se zvýšila odolnost kolmo ke směru smykového zatížení. Kvůli opěrné desce není v tomto případě tlaková síla relevantní, ale mějte na paměti, že v případě konzoly se 4 čepy by měly být těsnicí podložky ověřeny také na tlak;
• Pokud máme více než jeden čep (skupinové chování), je rozložení smykového zatížení ovlivněno jejich tažností a skutečnou vůlí - viz [2].  Proto, aby se zohlednilo nepříznivé uspořádání čepů v jedné řade, uvažuje se působení celkového smykové zatížení pouze na jeden čep. V tomto případě má konzola Hilti oválné otvory - viz Obrázek 4. Horní otvor má tedy svislou orientaci, což umožňuje, že na spodní čep působí veškerý smyk a horní čep tak neodolává tahu i smyku. V případě montáže konzoly v opačném směru (svislý otvor na spodní straně), by na horní čep působil veškerý smyk i tlak, což není z hlediska návrhu optimální. Zároveň je důležité mít na paměti, že v případě kruhových otvorů nemusí být rozložení smyku na skupinové upevnění stejné pro všechny čepy. Pokud by tomu tak bylo, měla by být smyková únosnost čepů ovlivněna redukčním součinitelem α, který závisí na typu čepu a jejich počtu ve spoji a je uveden v technické příručce a/nebo v ETA výrobku [2] [3] [4].

Obrázek 4 - Orientace oválných otvorů a vliv na smykové zatížení.

Pro horní čep máme:

A pro spodní čep máme:

Poté, co jsme získali zatížení na jednotlivé čepy, bychom je měli porovnat s publikovanými únosnostmi [2]. V Tabulce 1 níže vidíme, že čep F-BT o průměru 10 mm má tahovou únosnost 11,2 KN a smykovou únosnost 5 KN.

Tabulka 1 - Návrhové odolnosti svorníků F-BT na základě metody dílčích součinitelů.

Nyní můžeme přistoupit k ověření návrhu. Za tímto účelem bychom měli nezávisle porovnat působící tah a smyk a poté vzájemné působení obou těchto zatížení. Součinitel interakce tahu a smyku (v tomto případě je 1,2) je uveden v technické příručce [2] a závisí na technologii (X-BT, S-BT a F-BT).

Pro horní čep:

Pro spodní čep:

Jak vyplývá z výše uvedeného, horní i dolní svorník jsou vhodné pro návrh, protože byly dodrženy všechny požadavky. U ostatních řešení upevnění ocelovými čepy (S-BT HL a X-BT) by byl postup návrhu obdobný, s již uvedenými výjimkami.


Nárhové tabulky (Typicals) - pro vás k dispozici

V předchozí části článku jsme provedli příklad „ručního“ výpočtu, nicméně pro rychlejší návrh svorníků vám poskytujeme návrhové tabulky. Tyto tabulky se týkají standardních případů upevnění na ocel, které nazýváme „Typicals“, jednotlivé sestavy jsou znázorněny na Obrázku 5.

Obrázek 5 - Standardní sestavy, na které se vztahují návrhové tabulky (Typicals).

Pro použití návrhových tabulek je nutné mít na paměti následující předpoklady:

• Pro rozložení zatížení na čepy se předpokládá nejhorší možný scénář, takže přenos smykového zatížení probíhá pouze přes horní závitový čep (čepy), který přenáší i tahové zatížení (v příkladu “ručního“ výpočtu byl předpoklad jiný);
• Účinky osového zatížení kabelových nebo potrubních tras v důsledku teplotní roztažnosti atp. nejsou ve výpočtech zohledněny.

Soubory pro posouzení F-BT a soubor pro posouzení S-BT HL i X-BT si můžete stáhnout zde. 
V tabulkách můžeme zvolit různé parametry, jako je délka ramene působení zatížení (L1), vzdálenost mezi upevňovacími prvky (x) a působící zatížení (F, které zahrnuje vlastní váhu i dodatečné zatížení). Tyto parametry jsou znázorněny na Obrázku 6.

Obrázek 6 - Parametry návrhových tabulek.

Návrhové tabulky platí pro sestavy se 2 nebo 4 čepy a lze je číst různými způsoby v závislosti na tom, co je neznámým parametrem. Pro příklad provedeme stejný případ jako dříve (konzola upevněná dvěma čepy s bodovým zatížením na krajním bodě) pro jiný čep (S-BT MR HL) ve dvou různých případech:

• Příklad 1: jaké je maximální zatížení pro konzolu o délce 600 mm?
• Příklad 2: jaká je maximální délka konzoly pro zatížení 150 kg?

Pro Příklad 1 je postup návrhu zobrazen na Obrázku 7. Ve sloupcích jsou délky konzol (v tomto případě 600 mm) a v řádcích vzdálenosti mezi čepy. Protože jsme v příkladu měli vzdálenost 122 mm, budeme v tomto případě uvažovat s nejbližší vyšší hodnotou tedy 125 mm. Z toho vychází, že maximální použitelné zatížení je 75 kg.

Obrázek 7 - Příklad použití návrhových tabulek – Příklad 1.

Pro Příklad 2 je postup návrhu znázorněn na Obrázku 8. Ve sloupcích najdeme hodnoty zatížení a v řádcích vzdálenosti mezi čepy. Z tabulky je jasné, že pro zatížení 150 kg je maximální délka konzoly 250 mm.

Obrázek 8 - Příklad použití návrhových tabulek – Příklad 2.

Zdroje:
[1] EN 1990:2002: Eurocode – Basis of Structural design, European Standard, December 2008
[2] Hilti, Hilti Cordless Stud Fusion Technical Manual, Version 05/2023
[3] Deutsches Institut fuer Bautechnik, European Technical Assessment ETA-20/1042, issued April 2021
[4] Deutsches Institut fuer Bautechnik, European Technical Assessment ETA-23/0001, issued February 2023