Main - Město a světlo

Pokročilý návrh spojů s ocelovými prvky v dřevěných konstrukcích

Deformace dřevěných prvků po provedení experimentu Deformace dřevěných prvků po provedení experimentu

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 EL, ER, ET,  modul pružnosti ve smyku GLR, GLT, GRT,  a Poissonův součinitel příčné deformace vLR, vLT, vRT [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]

Vzorek Třída 
pevnosti dřeva
Svorník Počet svorníků
[ks]
Tloušťka plechu
[mm]
Rozteče  a1
[mm]
Únosnost FRk dle ČSN EN 1995‑1‑1 [kN]
1 C24 M16 6 6 80 138
2 C24 M16 6 6 80 138
3 GL24h M16 6 6 80 145
4 C24 M20 6 6 100 196
5 C24 M20 6 6 100 196
6 GL24h M20 6 6 100 205
7 C24 M20 4 6 200 162
8 C24 M20 4 6 300 179

 

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

Aktuálně

Hlavní město obdrželo od Centra světového dědictví UNESCO odborný posudek na urbanistickou studii, která byla výsledkem mezinárodní soutěže na rozvoj území v okolí Masarykova nádraží. UNESCO v něm skrze své poradní orgány konstatuje, že studie má “potenciál lépe odhalit výjimečnou světovou hodnotu této části Prahy.“ Čtvrť, která podle návrhu vznikne, pak UNESCO hodnotí jako “vstřícnou jak ke svému bezprostřednímu kontextu, tak k urbanistické morfologii Prahy obecně.“ Pozitivní zprávy přicházejí po dlouhém období, kdy byly vztahy mezi Centrem světového dědictví UNESCO a Prahou spíše napjaté.

 

www.praha.eu

Kalendář akcí