Novinky v normalizaci ocelových, dřevěných a skleněných konstrukcí
Foto: Pexels
Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí ČVUT v Praze představila v rámci svých pravidelných seminářů novinky v normalizaci, včetně numerických návrhových výpočtů a návrhů vhodných skladeb pro nosné konstrukce. Na semináři se podrobně řešily ocelové, dřevěné a skleněné konstrukce. Nabízíme malou rekapitulaci a rozhovory s hlavními protagonisty.
Oblast ocelových konstrukcí byla zastoupena profesory Janderou, Ryjáčkem a Waldem. O dřevěných konstrukcích referoval docent Kuklík, novinky v normalizaci lešení představil docent Dolejš a oblast skla zastupovala profesorka Eliášová. Většina přednášejících jsou aktivními členy evropských komisí pro eurokódy a předmětem jejich zájmu bylo sdělit odborné veřejnosti a studentům novinky v normalizaci konstrukcí a seznámit je s novými částmi eurokódů, a to včetně návrhových výpočtů.
Zaměření na ocelové konstrukce
Abychom plně docenili nové části eurokódu (stále jich přibývá), je potřeba seznámit se nejdříve s celou ČSN EN 1993 Navrhování ocelových konstrukcí a se všemi národními přílohami. Je potřeba znát i takzvanou metodu konečných prvků (MKP), která je založena na zcela jiném principu než běžné analytické metody pružnosti (podrobněji zde). František Wald, jakožto člen CEN/TC 250/SC 3, hovořil o tom, že metoda je stále častěji využívána a proto bylo potřeba vyvinout nový komplexní dokument založený na stávajících ustanoveních, jež 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. Přítomné pak seznámil s připravovanými dokumenty, a sice s částí EN 1993-1-14 (Design assisted by finite element analysis – Introduction to prEN 1993-1-14) a technickou zprávou (Technical report).
„Cílem nové části normy je poskytnout pravidla pro použití analýzy metodou konečných prvků (MKP) 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 vysvětlení 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,“ uvedl František Wald a konkretizoval obsah nové části v několika bodech.
Foto: Pexels
Obsahem EN 1993-1-14 budou pravidla pro:
- modelování konstrukčních prvků a okrajových podmínek,
- zavedení imperfekcí (geometrické imperfekce a reziduální pnutí),
- modelování materiálů,
- modelování zatížení,
- typy analýz,
- validaci a verifikaci MKP modelů,
- zavedení kritérií mezního stavu,
- harmonizaci kritérií mezního stavu a zvolené úrovně modelování a typu analýzy,
- dílčí součinitele, které se mají použít,
- výběr softwaru a dokumentace.
Pravidla nové normy zohledňují možná návrhová kritéria:
- plastické porušení,
- pevnostní porušení,
- stabilita,
- únava,
- mezní stav použitelnosti.
Na dotaz ohledně potenciálně nižšího součinitele spolehlivosti dodal František Wald, že návrhová ustanovení EN 1993-1-14 rozhodně nemění úroveň spolehlivosti konstrukcí. Spolehlivost konstrukcí navržených metodami založenými na numerických modelech musí být dle jeho slov za všech okolností 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 (například 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 ovšem použití jakýchkoli jiných dílčích součinitelů spolehlivosti uvedených v EN 1993 (všechny části). Použití součinitele modelu je rovněž spojeno s daným účelem analýzy,“ dodává František Wald a připomíná, že v současné době ještě probíhá zpracování připomínek v rámci CEN enquiry, přičemž finální hlasování proběhne v druhé polovině letošního roku.
Zaměření na dřevěné konstrukce
Navrhování dřevěných konstrukcí je v kompetenci evropské komise CEN/TC 250/SC 5 Eurocode 5: Design of timber structures, kde je delegátem docent Petr Kuklík. Na semináři hovořil o tom, že na základě mandátu Evropské komise M/515 jsou v rámci modernizace a zdokonalení pravidel připravovány aktualizace všech eurokódů, přičemž v případě navrhování dřevěných konstrukcí byl již aktualizován Eurokód 5, který bude mít celkem pět částí:
- 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).
„Ostatní části se finalizují. S ohledem na obrovský rozsah 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 s nimi mohla odborná veřejnost začít seznamovat,“ uvedl Petr Kuklík a upozornil, že dosud sem nebyly zahrnuty některé výrobky ze dřeva. Výrobci sice dávali k dispozici příslušné dokumenty (osvědčení ETA, různé katalogy skladeb atd.), ale existují rozpory, do jaké míry lze kombinovat ETA a EN normy. I pro tento případ doporučil sledovat agenturu ČAS a databázi harmonizovaných norem.
Z hlediska jednotlivých částí E5 ocenil docent Kuklík upřesnění v oblasti navrhování dřevěných konstrukcí, například u křížem vrstveného dřeva, tesařských spojů, u různých způsobů spojování prvků pomocí oceli, při řešení křehkých způsobů selhání spojů, vyztužování prvků, analýz kmitání, řešení požární odolnosti a mostních konstrukcí. Popsal také podrobněji části věnované provádění a části věnované dřevobetonovým kompozitním konstrukcím, jež jsou oddíly zcela nové: „Segment dedikovaný jako provádění je zaměřený na realizaci dřevěných konstrukcí a doposud byl v eurokódech zmiňován pouze 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,“ dodal a společně s dalšími přednášejícími otevřel diskusi ohledně požární bezpečnosti staveb, jenž se prolínala všemi prezentovanými obory.
Zaměření na ocelobetonové konstrukce
Foto: Pexels
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 vydávají 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). Na semináři hovořil o novinkách docent Jakub Dolejš. Anglické verze norem mají být podle posledního harmonogramu komise k dispozici v roce 2026, technické specifikace v průběhu roku 2025, přičemž technická specifikace 103 se začala připravovat později a termín vydání zatím nebyl stanoven.
Docent Dolejš na semináři přítomným sdělil, že normy pro ocelobetonové konstrukce reflektují změny připravované v EC 0, 1, 2, 3 a 8. a 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,“ uvedl ve svém příspěvku docent Dolejš a odkázal opět na stránky České agentury pro standardizaci (ČAS) a databázi harmonizovaných norem.
Požární odolnost konstrukcí
Z výkladu a ukázek je patrné, že v části nově připravených norem, které se věnují požární odolnosti prEN1993-1-2:2022 a prEN1994, je zachována koncepce, normy uvažují i 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,“ uvedl profesor Wald a společně s dalšími přednášejícími nastínili výklady dalších kapitol. Kapitola 6 se nově podrobněji věnuje tabulkám. Pro zjednodušený výpočet požární odolnosti prvků je v kapitole 7 zpřesněn výpočet průřezů 4. třídy a klopení nosníků. Pokročilé metody pro globální analýzu jsou popsány v kapitole 8. Výrazně byla 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.
Foto: Pexels
„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 vycházejí z globální analýzy za běžné teploty, nejsou na použití vůbec jednoduché a vedou k velmi konzervativním výsledkům,“ upřesňuje profesor Wald a ve výčtu dále pokračuje profesor Michal Jandera, který se ve své přednášce věnoval více ocelovým konstrukcím a vysokopevnostní oceli. Připomněl modely pro nosníky a sloupy, které jsou shrnuty v kapitole 7 a pokročilé metody, které 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,“ upřesnil profesor Jandera a dále ve výčtu pokračoval. 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. 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.
Souhrn všech norem několika generací eurokódu a soubor jejich příloh najdete v samostatném článku, včetně časového plánu revizí do roku 2020 (zde). Současný stav přípravy 2. generace Eurokódů pro zásady navrhování a zatížení (zde), včetně zatížení požárem (EN 1991-1-2).
Zaměření na skleněné konstrukce
Přednáška profesorky Martiny Eliášové se týkala novinek v normalizaci skla. Seznámila přítomné se současným stavem ČSN EN 16612 a představila novou evropskou normu, která se bude zabývat oblastí navrhování skleněných konstrukcí. Připravuje se v rámci skupiny CEN/TC/250-SC11-WG1, jejíž je členkou za ČR.
„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,“ řekla na úvod a dále podrobněji popsala novou evropskou normu EN 19100, která se zabývá návrhem nosných konstrukčních prvků. Nová evropská norma se v současné době připravuje a její finální verzi lze očekávat v roce 2026.
Již dnes se však projektanti mohou seznámit s Technickou specifikací této normy, která byla vydána 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. Vše je dohledatelné (i s možností komentářů a připomínkování) na internetových stránkách zástupců evropských komisí, s jistou prodlevou na stránkách České agentury pro standardizaci (ČAS) a též v databázi harmonizovaných norem. Většina zmíněných norem bude postupně vycházet v letech 2026-28.
Zpracováno dle materiálů z odborného semináře na půdě ČVUT v Praze (březen 2024)
Sledovat práci zástupců evropských komisí je možné na internetových stánkách CEN-CENELEC – CEN-CENELEC (cencenelec.eu) a stránkách skupin:
- Ocelové konstrukce a požární bezpečnost staveb (prof. František Wald) CEN/TC 250/SC 3
- Dřevěné konstrukce a požární bezpečnost staveb (doc. Petr Kuklík) CEN/TC 250/SC 5 Eurocode 5: Design of timber structures
- Skleněné konstrukce (prof. Martina Eliášová) CEN/TC/250-SC11-WG1
- Aktuální business Plan CEN TC 250 (zde)
The Department of Steel and Timber Structures of the Czech Technical University in Prague presented innovations in standardization, including numerical design calculations and design of suitable compositions for load-bearing structures, during its regular seminars. The seminar was divided into blocks where steel, timber and glass structures were discussed in detail. We offer a small recap and interviews with the main protagonists.