Pokročilý návrh spojů s ocelovými prvky v dřevěných konstrukcích

Studie probíhající na Fakultě stavební ČVUT v Praze se zaměřuje na návrh spojů dřevěných konstrukcí s vkládanými ocelovými plechy. Řešený typ spojů je označován jako spoj „ocel‑dřevo“. Dřevěné spoje v kombinaci s ocelovými plechy vykazují výrazně vyšší únosnost a bývají proto navrhovány v konstrukcích s vyšším namáháním. V České republice byly již navrženy desítky stavebních konstrukcí využívajících výhodné vlastnosti spojů „ocel‑dřevo“. Článek se blíže zabývá tahovou únosností svorníkových spojů „ocel‑dřevo“ s jedním vloženým ocelovým plechem.

NUMERICKÁ STUDIE

Numerický a experimentální výzkum slouží k získání detailních informací o chování dřevěných spojů s vkládanými ocelovými plechy během namáhání tahovou centrickou silou. Návrh spojů pro experimentální zkoušky je proveden v souladu s normou ČSN EN 1995‑1‑1 [1] včetně zohlednění nejčastějších typů porušení. K. W. Johansen ve svých publikacích [2], které tvoří základ dnešní návrhové normy dřevěných konstrukcí, popisuje tři základní způsoby porušení spojů s jedním vloženým ocelovým plechem. Dřevěnými spoji s ocelovými výztuhami se věnovaly dříve proběhlé studie [3], [4], [5], které popisují chování spoje v celém průběhu zatěžování od počátečního zpevnění, přes cykly odtěžování a zatěžování až po dosažení maximální únosnosti a následné selhání spoje.

Pokročilý numerický model, který využívá metodu konečných prvků, je validován na výsledcích experimentu. Vhodným nástrojem pro modelování styčníků byl zvolen software ABAQUS s využitím geometricky a materiálově nelineární analýzy (GMNIA). Analytický model vytvořený podle návrhových norem slouží k ověření pokročilého numerického modelu. Byla připravena studie citlivosti hlavních parametrů pomocí numerických experimentů. V další fázi bude vytvořen návrhový numerický model a verifikován na výsledcích pokročilého modelu. Návrhový model bude sloužit k ověření výsledků připravovaného softwarového řešení na základě metody CBFEM [7].

V pokročilém modelu byly na základě experimentů definovány kontaktní vazby mezi šrouby a dřevěným prvkem, stejně tak mezi šrouby a ocelovým plechem. Ocelový plech z oceli třídy pevnosti S235 byl modelován jako izotropní materiál s uvažováním zpevnění materiálu. Dřevo bylo modelováno jako ortotropní materiál pomocí devíti nezávislých elastických konstant: Youngův modul pružnosti E_L, E_R, E_T,  modul pružnosti ve smyku G_LR, G_LT, G_RT,  a Poissonův součinitel příčné deformace v_LR, v_LT, v_RT [8]. Model vzorku č. 1 je znázorněn na obr. 1 společně s vykreslenými hodnotami napětí v dřevěném prvku během působení tahové síly na úrovni předpokládané únosnosti (obr. 2). Je patrné, že tahové napětí ve dřevě nedosahuje tahové pevnosti dřeva 14 MPa uváděné v normě.

EXPERIMENTÁLNÍ STUDIE

Pro ověření chování spojů byla navržena sada osmi experimentálních vzorků s rozdílnými materiálovými parametry a také geometrií spojení. Zkoušky byly provedeny v laboratoři Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT (UCEEB). Spoje se liší v průměru svorníků, jejich počtu a vzájemných roztečích, které vyhovují příslušné normě. Dalším rozlišením vzorků jsou materiálové varianty dřevěného prvku. Pro porovnání byly navrženy dva vzorky z lepeného lamelového dřeva GL24h. V tabulce 1 jsou uvedeny parametry všech navržených vzorků včetně charakteristických únosností stanovených dle návrhové normy. Charakteristickým hodnotám únosností byly uzpůsobeny průběhy zkoušek a velikosti působících tahových sil centricky zatěžujících zkoušený spoj.

Tabulka 1 – Přehled experimentálních vzorků [7]

Elektrickou odporovou metodou byla stanovena hodnota vlhkosti dřevěného prvku 12 %, tedy vlhkost optimální pro provedení experimentu. Zjištěná hustota dřeva odpovídala normou předpokládaným hodnotám v rozmezí 430 až 460 kg.m^–3. Sestava experimentální zkoušky spoje č. 3 je patrná z fotografií (obr. 3). Je zde patrná konstrukce uchycení dřevěného prvku v horní části pomocí ocelového svařence. Jedná se o spojení ocelových plechů svírajících dřevěný prvek s osmi šrouby. Ocelová trubka, tvořící otočné zařízení, umožňuje pootočení v obou kolmých směrech. Horní vodorovný plech svařence je přišroubován k zatěžovacímu hydraulickému lisu.

Na základě těchto poznatků z dřívějších studií [3], [4], [5] byl uzpůsoben průběh experimentů a stanoveny sledované body jednotlivých prvků pro podrobný popis porušení spoje. Sledovanými parametry během zkoušek byly posuny jednotlivých prvků vzhledem k příčníku zatěžovacího stroje.

Na obr. 4 jsou patrná porušení všech osmi vzorků. Nejčastěji došlo k selhání dřevěného prvku v místě řešeného spoje (spodní část vzorků). Docházelo k otlačení ocelového plechu a dřevěného prvku v otvorech pro svorníky. U části vzorků došlo k porušení v celé délce dřevěného prvku. Tento způsob porušení je přisuzován trhlinám v dřevěném prvku vzniklým před zahájením experimentu.

ZÁVĚR

Dřevěné spoje s ocelovými výztuhami zajišťují při dodržení postupů předepsaných normou spolehlivý přenos vnitřních sil a vysokou únosnost [7]. Numerický model věrohodně popisuje chování řešeného spoje, i přes zjednodušení při definování materiálových vlastností a okrajových podmínek. Experimenty potvrdily bezpečnost návrhu dle příslušné normy.

PODĚKOVÁNÍ
Výzkum, jehož výsledky se prezentují v tomto příspěvku, byl podpořen grantem TAČR TJ01000315.

Ing. Kristýna Vopatová
Ing. Kamila Cábová, Ph.D.
Ing. Břetislav Židlický
Ing. Marta Kuříková, Ph.D.
Fakulta stavební,
České vysoké učení technické v Praze

LITERATURA:

[1] ČSN EN 1995‑1‑1. Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1‑1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. 2. Praha: Český normalizační institut, 2006

[2] Johansen, K. W. Theory of timber connections. International association for bridge and structural engineering (IABSE). Pub. 6; 1949. p. 249–62

[3] Kharouf, N., G. Mcclure a I. Smith. Elasto‑plastic modeling of wood bolted connections. 2003, 81(8‑11), 747‑754 [cit. 2018-04‑08]. DOI: 10.1016/S0045‑7949(02)00482‑0. ISSN 00457949

[4] Straka, B. a M. Šmak. Kolíkové spoje v dřevěných konstrukcích: Experimenty – navrhování – použití v konstrukcích. In: TZB‑info [online]. 2017 [cit. 2018‑03‑11]. Dostupné z: https://stavba.tzb‑info.cz/drevene‑konstrukce/16516‑kolikove‑spoje‑vdrevenych‑konstrukcich

[5] Dorn, M., K. De Borst a J. Eberhardsteiner. Experiments on dowel‑type timber connections. Engineering Structures [online]. 2013, 47, 67–80 [cit. 2018‑03‑11]. DOI: 10.1016/j. engstruct.2012.09.010. ISSN 01410296. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0141029612004889