Nová generace Eurokódů v oblasti ocelových, dřevěných a skleněných konstrukcí

Fakulta stavební ČVUT pořádala od 11. do 15. března 2024 sérii přednášek a exkurzí do realizačních a stavebních firem pro své i potenciální studenty. Akce nesla název Týden oceli, dřeva a skla. Jako součást tohoto týdne ale proběhl i odpolední seminář zaměřený na novinky v oblasti normalizace ocelových, dřevěných a skleněných konstrukcí. Ty navazují na rozsáhlý vývoj směřující k vydání nové generace evropských norem, takzvaných Eurokódů.

V oblasti ocelových konstrukcí je katedra zastoupena zejména prof. Janderou, Waldem a Ryjáčkem a doc. Dolejšem v komisích zaměřených na EN 1993 a 1994. V oblasti dřevěných konstrukcí katedru zastupuje doc. Kuklík a v oblasti skla prof. Eliášová. Postupně vám představíme novinky v hlavních řešených oblastech a na závěr zcela novou normu ČSN EN 1993-1-14.

ZA STUDENA TVAROVANÉ OCELOVÉ PRVKY A PLOŠNÉ PROFILY

V části 1.3 Eurokódu 3 pro za studena tvarované ocelové prvky a plošné profily byla nově zavedena pravidla (byť omezená) pro vlnité plechy, obloukové trapézové a vlnité plechy a výrazně upraveny návrhové vztahy pro borcení stojin otevřených průřezů s jednou stojinou i pro únosnost plošných profilů. Velmi jednoduchá, ale konzervativní interakční podmínka pro pruty namáhané tlakem a ohybem byla nahrazena postupem vycházejícím z Eurokódu 9 pro navrhování konstrukcí ze slitin hliníku. Doplněny byly návrhové postupy pro kotvení trapézových plechů a mírně upraveny postupy pro únosnost střihem namáhaných spojů provedených samovrtnými šrouby a nastřelovacími hřeby.

Pouze drobně byly upraveny vztahy pro vybočení a distorzi volné pásnice vaznic otevřených průřezů podepřených pláštěm a přidány vztahy pro stabilizaci sendvičovými panely a rotační podepření hliníkovými profily či tenkostěnnými kazetami. Přidána byla pravidla pro posouzení lokálně a liniově zatížených trapézových plechů a plechů s perforací či plechy s otvory v pásnicích. Dále norma obsahuje i postupy pro plechy s momentovými překryvy a překryvy podélných vln.

Informativní Příloha C (Průřezové konstanty pro tenkostěnné průřezy) a Příloha E (Zjednodušený návrh vaznic) byly v nové verzi normy vynechány. Nejedná se o části nezbytné a drobná redukce méně často používaného obsahu přispěje k přehlednosti normy.

KONSTRUKCE Z KOROZIVZDORNÝCH OCELÍ

Část 1.4 pro navrhování konstrukcí z korozivzdorných ocelí byla značně rozšířena. To je dáno zejména tím, že v době vzniku první generace Eurokódů byla pouze velmi omezená znalost chování konstrukčních prvků z těchto ocelí a pravidla tak byla omezená. Velkou změnou je snaha omezit značení oceli pouze na třídu charakterizující pevnost a třídu udávající korozní odolnost – tedy požadavky důležité pro projektanta. Zhotovitel pak následně vybere konkrétní třídu oceli, která těmto požadavkům vyhovuje. Tříd, které splňují dané požadavky, bude zpravidla více a projektant se nemusí zabývat rešerší jejich dostupnosti. Alespoň drobnou úpravou prošla téměř celá norma. Doplnění postupů se týkalo zejména jiných než uzavřených profilů, například laserem svařovaných profilů, které se pro korozivzdorné oceli zdají být vhodnější alternativou válcovaných profilů. Dále je možné při návrhu zohlednit zvýšení pevnosti tvářením za studena, jež je u korozivzdorných ocelí obecně výrazně vyšší než u ocelí uhlíkových. Výrazné zpřesnění bylo provedeno u pravidel pro únosnost šroubových spojů, metod globální analýzy a u křivek vzpěrnosti a klopení.

Příloha B zavádí tzv. Continous strength method (CSM), která u průřezů malé štíhlosti umožňuje zohlednit vysoké zpevnění materiálu za mezí kluzu.

OCELOBETONOVÉ KONSTRUKCE

V oblasti ocelobetonových konstrukcí se připravují nové verze všech tří norem, tedy EN 1994-1-1 (obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby), EN 1994-1-2 (požární návrh) a EN 1994-2 (mosty). Kromě toho se v rámci nové generace vydají tři nové Technické specifikace, konkrétně CEN/TS 1994-1-101 (jednoplášťové a dvouplášťové konstrukce), CEN/TS 1994-1-102 (spřahovací lišty) a CEN/TS 1994-1-103 (sloupy z vysokohodnotných materiálů).

Normy pro ocelobetonové konstrukce reflektují změny připravované v EC 0, 1, 2, 3 a 8. Kromě obecného záměru (zredukování počtu Národních parametrů, zapracování připomínek uživatelů, zjednodušení aplikace norem, omezení odkazů apod.) byl kladen důraz na pečlivější sjednocení ustanovení s EN 1992 (beton) a EN 1993 (ocel) a byla upravena terminologie. V novém vydání základní normy (EN 1994-1-1) je větší pozornost věnována materiálům, nově jsou definovány čtyři kategorie tažnosti smykového spojení, detailně je popsán tzv. vertikální smyk, příloha B nyní umožňuje provádět protlačovací zkoušku s příčným předepnutím. Významnou změnou je přidání sedmi nových příloh (D–J). Jejich obsahem je mimo jiné návrh nosníků s otvory ve stojinách, výpočet únosnosti trnů namáhaných kombinovaným zatížením, únosnost trnů v tahu, pravidla pro mělké stropy nebo třeba možnost prefabrikace. Norma 1994-1-2 je blíže popsána v části Požární odolnost.

Anglické verze norem mají být podle posledního harmonogramu k dispozici v roce 2026, technické specifikace začátkem roku 2025 (101), resp. v průběhu roku 2025 (102). Technická specifikace 103 se začala připravovat později a termín vydání zatím nebyl stanoven.

STYČNÍKY OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ

V normě prEN1993-1-8:2022 na styčníky ocelových konstrukcí jsou shrnuty klasické poznatky o únosnosti šroubů, kap. 5, a svarů, kap. 6. Při návrhu šroubů se uvažuje s vyšší únosností v otlačení. Připouští se větší deformace na mezi únosnosti, kterou lze také podle přílohy A předpovědět. Jsou nově uvedeny i únosnosti šroubů s řezaným závitem v plechu. Kapitola 7 o globální analýze je zpřehledněna. Norma umožňuje návrh styčníků z vysokopevnostních ocelí, které nemají klasické výhody konstrukční oceli a rozdělení sil ve styčníku se uvažuje pružně. Kapitola 8 zahrnuje metodu komponent, která využívá rozdělení sil a únosnost styčníku s uvažováním tuhých ramen mezi spojovacími prostředky a normalizovanou únosností a tuhostí komponent. Kapitola 8 o únosnosti uzavřených průřezů přináší nové omezení deformace. Pro deformovatelné styčníky výrazně snižuje únosnost. Únosnost se počítá prokládáním experimentálních hodnot, které byly zjištěny většinou numericky. Poznatky jsou vhodně rozšířeny o nové konfigurace styčníků, včetně přípojů vyztužených plechy. Požadavky na redukci rozsahu zde nebyly vyslyšeny, kapitola je třikrát delší. Příloha A popisuje chování komponent. Kromě klasických; šroub, T profil atd.; je nově popsáno např. chování náběhu ve styčníku připojení nosníku na sloup nebo kotvení kotevními trny se smykovou výztuží. Postup výpočtu metodou komponent je normalizován v příloze B. Příloha C přináší nově popis stanovení únosnosti kloubových styčníků otevřených průřezů připojených čelní deskou, deskou na stojině nosníku a úhelníky. Pro styčníky je definována návrhová osa otáčení a tím sjednocen odhad jejich únosnosti. Výpočet kotvení prvků čelní deskou metodou komponent je přehledně shrnuto v příloze D.

ÚNAVA OCELOVÝCH KONSTRUKCÍ

Část 1.9 zaměřená na únavu se rovněž mění, sice ne koncepčně, ale změny jsou poměrně rozsáhlé.

Za hlavní změny lze označit:

• změny součinitelů spolehlivosti,
• rozšíření druhů S-N křivek a jejich změny,
• významné rozšíření a úprava kategorií detailů,
• změna sklonu S-N křivek,
• rozšíření metody Hot-Spot (extrapolovaných jmenovitých napětí),
• doplnění metody efektivních vrubových napětí,
• specifikace a pravidla pro použití metody HFMI.

Zejména poslední bod, metoda HFMI (High Frequency mechanical impact), může mít díky její normalizaci zásadní dopad pro zvýšení životnosti ocelových konstrukcí s ohledem na únavu. Část 1.9 byla schválena pro formální hlasování v tomto roce.

POŽÁRNÍ ODOLNOST KONSTRUKCÍ

V části nově připravených norem, které se věnují požární odolnosti prEN1993-1-2:2022 a prEN1994, je zachována koncepce, normy hlavně zjednodušeně uvažují globální analýzu za běžné teploty a degradaci materiálu vlivem zvýšené teploty. V normách je podrobněji a přehledněji rozpracován i pokročilý návrh s globální analýzou za zvýšené teploty.

V návrhu normy prEN1993-1-2:2022 jsou výše uvedené principy shrnuty v kapitole 4. Materiálové vlastnosti v kapitole 5 definují nově emisivitu žárově zinkovaných prvků, kterou s kolegy z univerzity v Mnichově připravili pracovníci ČVUT v Praze. Kapitola 6 se nově podrobně věnuje tabulkám. Pro zjednodušený výpočet požární odolnosti prvků je v kapitole 7 zpřesněn výpočet průřezů 4. třídy, navržený pracovníky katedry ocelových a dřevěných konstrukcí a kolegy z univerzity v Aveiru, a klopení nosníků. Pokročilé metody pro globální analýzu jsou popsány v kapitole 8. Byla výrazně rozšířena příloha C, která je věnována návrhu prvků z nerezových konstrukcí. V příloze D je zpřesněno uvažování teploty styčníků za požáru a únosnost styčníků uzavřených průřezů. Příloha E shrnuje poslední poznatky z přestupu tepla do požárně chráněných i nechráněných prolamovaných nosníků.

V návrhu normy prEN1994-1-2:2022 jsou přepracovány hlavně kapitoly o spřažených ocelobetonových sloupech a stropech. V kapitole 5 se nepodařilo sjednotit hodnoty mechanických vlastností betonu s normou prEN1992-1-2:2022. Tabulkové hodnoty, které jsou komplexností problematiky pro ocelobetonové konstrukce velmi vhodné, jsou uvedeny v kapitole 6. Je všeobecně známo, že jednoduché modely, které vychází z globální analýzy za běžné teploty, nejsou na použití vůbec jednoduché, přátelské a vedou k velmi konzervativním výsledkům. Modely jsou pro nosníky a sloupy shrnuty v kapitole 7. Pokročilé metody, které mají spolu s experimenty v návrhu požární odolnosti těchto konstrukcí budoucnost, jsou nově rozpracovány v kapitole 8. Volbě konstrukčních detailů je věnována rozšířená kapitola 9. Zcela přepracována byla část přílohy B o únosnosti ocelobetonové požárně nechráněné desky na trapézovém plechu. Návrh stále přináší vyšší teploty, a tím i menší únosnost než experimenty, ale nezaostává již tolik za zámořskými předpisy. Sloupům z částečně obetonovaných otevřených průřezů je věnována příloha E. Jednouchá metoda odhadu teploty a chování ocelobetonových sloupů uzavřených průřezů je připravena v kapitole F. Kapitola vyrovnává evropský návrh s americkými a čínskými předpisy, které dříve vedly až ke dvojnásobné požární odolnosti. Příloha G přináší zjednodušenou metodu výpočtu požární odolnosti ocelobetonových podlah při uvažování působení nosníkového, deskového i membránového chování. Odhadu požárních ocelobetonových prostých i spojitých nosníků je věnována rozšířená kapitola H. Nová příloha I. shrnuje poslední poznatky z výzkumu poznání o chování, tvaru porušení a únosnosti ocelobetonových prolamovaných nosníků.

DŘEVĚNÉ KONSTRUKCE

Navrhování dřevěných konstrukcí je v kompetenci evropské komise CEN/TC 250/SC 5 „Eurocode 5: Design of timber structures“, ve které je delegátem za Českou republiku doc. Petr Kuklík z naší katedry. V rámci přípravy 2. generace Eurokódů byl aktualizován Eurokód 5, jenž bude mít celkem pět částí, které mají v současnosti tento stupeň finalizace:

• prEN 1995-1-1 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby;
• prEN 1995-1-2 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-2: Navrhování konstrukcí na účinky požáru;
• prEN 1995-2 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 2: Mosty;
• prEN 1995-3 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 3: Provádění;
• ČSN P CEN/TS 19103: Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Navrhování dřevobetonových kompozitních konstrukcí – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČAS, Praha 2022 (tato technická specifikace bude po ověření označena jako část 1-3 Eurokódu 5).

S ohledem na obrovský rozsah všech částí Eurokódu 5 (celkem se jedná o více než 850 stran) byly části 1-1, 1-2, 2 a 3, které mají zatím status prEN, již vydány jako technické normalizační informace TNI a jsou dostupné na webu České agentury pro standardizaci (ČAS). Je to z důvodu, aby se odborná veřejnost s nimi mohla začít seznamovat. Souhrnně lze říct, že jednotlivé části zahrnují mnoho zajímavého v oblasti navrhování dřevěných konstrukcí, jako například křížem vrstvené dřevo, tesařské spoje, různé způsoby spojování prvků pomocí oceli, řešení křehkých způsobů selhání spojů, vyztužování prvků, analýzy kmitání, řešení požární odolnosti a mostních konstrukcí. Části věnované provádění a dřevobetonovým kompozitním konstrukcím jsou pak oddíly zcela nové. Segment dedikovaný provádění je zaměřený na realizaci dřevěných konstrukcí a doposud byl v Eurokódech zmiňován jen velice okrajově. Část věnovaná dřevobetonovým kompozitním konstrukcím přináší podrobné informace k jejich navrhování podle mezních stavů, použitým materiálům, trvanlivosti, spřahování dřeva a betonu, detailů i montáži.

Na závěr ještě jedno malé upozornění. Do současnosti nebyly některé výrobky ze dřeva zahrnuty v 1. generaci Eurokódu 5. Výrobci sice dávali k dispozici příslušné dokumenty (osvědčení ETA, různé katalogy skladeb atd.), ale existují rozpory, do jaké míry lze kombinovat ETY a EN normy.

SKLENĚNÉ KONSTRUKCE

Oblast navrhování skleněných konstrukcí bude pokrývat nová evropská norma, která se připravuje v rámci skupiny CEN/TC/250-SC11-WG1. V současné době lze pro navrhování skleněných tabulí z plaveného či tepelně upraveného jednovrstvého nebo laminovaného skla stejně jako pro návrh izolačních dvojskel či trojskel najít postupy v ČSN EN 16612 „Sklo ve stavebnictví – Stanovení únosnosti příčně zatížených tabulí skla výpočtem“ (prosinec 2020). Tato norma poskytuje metodu pro stanovení návrhové hodnoty pevnosti skla v ohybu a uvádí postupy pro stanovení únosnosti příčně zatížených, lineárně podepřených zasklení použitých jako výplně, tj. pro skleněné prvky zařazené do třídy následků menší než CC1.

Návrhem nosných konstrukčních prvků se bude zabývat nová evropská norma EN 19100, která se připravuje a jejíž finální verzi lze očekávat v roce 2026. Již dnes se však projektanti mohou seznámit s Technickou specifikací této normy, která byla vydaná v listopadu 2021. Technická specifikace má celkem tři části. První z nich CEN/TS 19100-1 „Design of glass structures – Part 1: Basis of design and materials“ se zabývá obecnými pravidly návrhu skleněných konstrukcí, materiálovými vlastnostmi skla a metodami výpočtu únosnosti. Ve druhé části CEN/TS 19100-2 „Design of glass structures – Part 2: Design of out-of-plane loaded glass components“ jsou uvedeny postupy pro návrh skleněných tabulí zatížených kolmo k rovině. Poslední část CEN/TS 19100-3 „Design of glass structures – Part 3: Design of in-plane loaded glass components and their mechanical joints“ uvádí postupy pro návrh skleněných konstrukčních prvků zatížených v rovině, jako jsou skleněné nosníky, sloupy, stěny a jejich mechanické spoje.

NORMA EN 1993-1-14 PRO NAVRHOVÁNÍ KONSTRUKCÍ S VYUŽITÍM MKP

Rádi bychom také představili zcela novou část Eurokódu pro ocelové konstrukce, normu EN 1993-1-14 pro navrhování konstrukcí s využitím MKP.

Návrhu pomocí metody konečných prvků se v praxi využívá stále častěji. Vizí CEN/TC 250/SC 3 bylo vyvinout nový komplexní dokument založený na stávajících ustanoveních, která jsou v současné době obsažena v různých částech Eurokódu 3 (např. EN 1993-1-5 příloha C, EN 1993-1-6), a s rozšířením tam, kde to bylo nutné pro komplexní pokrytí všech oblastí navrhování nosných ocelových konstrukcí. První hrubý obsah normy, ještě před samotným rozhodnutím o vytvoření samostatné části v Eurokódu 3, byl vytvořen pracovní skupinou členů nominovaných z jednotlivých pracovních skupin, tj. ostatních částí normy pro ocelové konstrukce. Snahou tedy již od začátku bylo, aby norma obsahovala informace pro všechny typy ocelových konstrukcí a druhy chování. Zároveň takto mohly být dílčí části harmonizovány ve vztahu k EN 1993-1-14.

V rámci tvorby Referenční skupiny se připravují dva dokumenty: (i) samotná část EN 1993-1-14 a (ii) technická zpráva (Technical report). Cílem nové části normy je poskytnout pravidla pro použití analýzy metodou konečných prvků a dalších numerických metod pro ověřování mezních stavů únosnosti, mezních stavů použitelnosti a únavy. Souběžně s tím bude publikována doprovodná technická zpráva poskytující základní informace, upřesnění a dovysvětlení všech pravidel normy, tj. typů analýz, materiálového a geometrického modelování, validace a verifikace modelu a spolehlivosti návrhu. Součástí budou i příklady dobré praxe a příklady pro validaci a verifikaci numerických modelů. Předpokládá se, že norma bude sloužit projektantům pro navrhování pomocí analýzy konečných prvků v každodenní inženýrské praxi.

EN 1993-1-14 má za cíl poskytnout obecná návrhová doporučení pro širokou škálu numerických modelů používaných v každodenní konstrukční praxi a pro účely vývoje konstrukčních prvků, návrhových postupů apod. Existují různé úrovně modelování a typy analýz. Norma pravidla návrhu rozděluje do dvou větví na základě účelu analýzy: numerický návrhový výpočet a numerická simulace. Obrázek 4 ukazuje obecný přehled tohoto rozdělení.

Numerické návrhové výpočty pokrývají praktické návrhové případy. Ty lze rozdělit do dalších dvou skupin. Na analýzy vyžadující následné posouzení a přímé posouzení či stanovení únosnosti. V rámci první podskupiny se numerický model používá k výpočtu odezvy konstrukce (např. vnitřní síly, deformace, součinitele kritického zatížení, napětí atd.), které jsou následně použity v analytických návrhových postupech pro posudek. V tomto případě není únosnost zkoumané konstrukce přímo stanovena numerickým modelem. Z numerického modelu jsou převzaty pouze návrhové parametry pro další zpracování. V rámci této skupiny se běžně používají následující typy analýz: LA (lineární analýza), LBA (lineární stabilitní analýza), GNA (geometricky nelineární analýza), GNIA (geometricky nelineární analýza s imperfekcemi), MNA (materiálově nelineární analýza).

Druhou dílčí skupinou je přímé posouzení únosnosti. V této skupině je únosnost konstrukce přímým výsledkem numerické simulace, tj. nejsou nutné žádné další analytické výpočty. V důsledku toho musí být vždy použita materiálově nelineární analýza – MNA, GMNA nebo GMNIA. Volba analýzy se řídí tím, zda imperfekce a účinky druhého řádu mají vliv na nelineární chování a únosnost konstrukce. Tyto typy analýz nejsou dosud tak široce používány v každodenní projektové praxi. Jejich zavedení do EN 1993-1-14 tak umožní další využití pokročilých numerických modelů projektanty v praxi. Druhá větev, numerická simulace, umožňuje doplnění zkoušek konstrukce a validaci modelu.

Návrh a modelování pro posouzení únavy je mimo výše popsané schematické rozdělení. Obecně ale návrh na únavu patří k analýze vyžadující následné posouzení. Některá pravidla (např. pravidla tvorby vhodné sítě, validace a verifikace, studie citlivosti, vyhodnocení koncentrace napětí, součinitel modelu) neplatí pro numerické modely sloužící k posouzení únavy, pro které se používá lineární analýza (LA). EN 1993-1-14 tedy poskytuje podrobná návrhová pravidla pro přístupy k návrhu únavy založené na numerických modelech, např. metoda extrapolovaného jmenovitého napětí (hot-spot stress) a metoda efektivního vrubového napětí (the notch stress), stejně jako vytváření numerického modelu, sítě konečných prvků a extrapolace napětí. Všechna pravidla týkající se posouzení únavy jsou uvedena v EN 1993-1-9. S tou je EN 1993-1-14 harmonizována.

Návrhová ustanovení EN 1993-1-14 nemění úroveň spolehlivosti konstrukcí. Spolehlivost konstrukcí navržených metodami návrhu založenými na numerických modelech tedy musí být stejná jako spolehlivost vyžadovaná EN 1990 a všemi ostatními částmi EN 1993. Návrhová pravidla uvedená v EN 1993-1-14 nemění zavedené součinitele spolehlivosti ani neupravují hodnoty dílčích součinitelů předepsaných různými částmi EN 1993 pro různé typy konstrukcí a způsoby porušení.

Pro případy, kdy je únosnost stanovena analýzou přímo a nejistoty modelování nejsou pokryty jiným způsobem (např. křivkami vzpěrnosti, analytickými postupy posouzení nebo přímo statistickým vyhodnocením), musí být nejistoty numerického modelu navíc zohledněny součinitelem modelu (model factor γFE). Tento součinitel pokrývá nejistoty numerického modelu a typu provedené analýzy. Nenahrazuje však použití jakýchkoli jiných dílčích součinitelů spolehlivosti uvedených v EN 1993 (všechny části). Použití součinitele modelu je také spojeno s účelem analýzy, jak je shrnuto na obrázku 5.

Pokud je numerický model použit pro numerické návrhové výpočty s přímým posouzením únosnosti, nejistoty numerického modelu by měly být vyhodnoceny na základě kombinace dílčích součinitelů podle EN 1993 (všechny části) a modelového součinitele γFE. Tomu je věnována Příloha A normy, která uvádí pravidla pro použití obecného validačního postupu (založený na statistickém vyhodnocení) a zjednodušeného validačního postupu (pro známé způsoby porušení založený zejména na spolehlivé validaci numerického modelu na experimentech apod.).

Pokud se numerický model použije pro numerické simulace a provede se statistické vyhodnocení podle EN 1990 pro stanovení únosností založených na zkoušce (tj. skutečný součinitel spolehlivosti), neměl by se použít součinitel modelu (γFE). S nejistotou návrhu numerickou simulací se zachází stejně jako s výsledky zkoušek podle EN 1990.

V současné době ještě probíhá zapracování připomínek v rámci CEN enquiry, přičemž finální hlasování proběhne ještě v letošním roce.