Dřevěné konstrukce 8

Transkript

1 Konstrukce budov na bázi dřeva Statickokonstrukční pohled Dřevěné konstrukce 8 1

2 Konstrukce = útvar, přenášející zatížení Zatížení konstrukcí Přímá (primárně pro vyšetřování statické bezpečnosti konstrukcí) Nepřímá (primárně pro vyšetřování trvanlivosti a životnosti konstrukcí) Původ přímých zatížení: vzájemné působení těles (Newtonovská mechanika), zejména Země vs. stavba gravitačnípůsobení (tj. veškerá tíha konstrukcí, zařízení, obyvatel ) Seismicképůsobení (zemětřesení, silový impuls Země, reakce jsou setrvačné síly v budovách) Spojitá prostředí vs. stavba (atmosféra, vodoteče) Stacionární proudění tlak, sání, tření, turbulence Nestacionární proudění dynamické účinky Ostatní tělesa vs. stavba Impulsy sil(brzdné účinky, nárazy těles, exploze) Síly odporu (tření) Velký možnosti současného výskytu v čase hledání možných nebezpečných kombinací. 2

3 Primární nosné konstrukce: požadavky Hlavní poslání primární nosná konstrukce: přenos účinků přímých zatížení do základové konstrukce podloží staveb Staticko-konstrukční požadavky: Dostatečná únosnost konstrukce (pevnostní hledisko) Dostatečná tuhost konstrukce (přetvárné vlastnosti) Dostatečná stabilita konstrukce (vazba budova-země) ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc. 3

4 Dřevo a jeho staticko-konstrukční dispozice Objem ové hm otnosti (kg/m 3) Modul pružnosti ( MPa) E minimální E maximální 0 ocel beton zdivo CP dřevo báze 0 ocel beton zdivo CP dřevo Skutečné a charakteristické pevnosti v tahu (MPa) ocel beton zdivo CP dřevo skutečná pevnost v tahu (min) skutečná pevnost v tahu (max) charakteristická pevnost v tahu (min) charakteristická pevnost v tahu (max) Konstruktérské handicapy: Malý E malá tuhost částí staveb (stropy) i celků (budovy), vlastní frekvence Primárně dostupné pouze jako tyčovina stabilitní problémy (vzpěr..) Problém přenosu sil ve spojích (otlačení spojovacích prvků..) Respekt k biologickému původu : anizotropie a stavební fyzika komplexní pohled 4

5 Nosníky (dnes už téměř výhradně KVH, DUO/TRIO, BSH) Materiály: Smrk, vyjímečně dub (přemáhané sloupky, trvale vlhká expozice) Konstrukční citlivost: vzpěr, otlačení kolmo k vláknům, tah kolmo k vláknůmosazení nosníků Hlavní použití: Tlačené prvky (zejména svislé stěny, tlak II s vlákny, dřevo na stojato, ne srubové stěny) Ohýbané prvky (zejm. stropní konstrukce a krovy) Více tažené prvky spíše ne (přenos sil ve styčnících), když tak v příhradových konstrukcích. 5

6 Norma vs. skutečné pevnosti Normové hodnoty jsou postavené na filosofii mezních stavů ( kvantilová filosofie ): dnes 5 a méně % Účinek zatížení E, který může být překročeno nejvýše u 5-ti případů ze 100 (E 5% ) musí být menší, než odolnost konstrukce R, která bude zjištěna alespoň u 95 konstrukcí ze 100 (R 95% ): E 5% < R 95% Charakter pracovního diagramu jehličnatého dřeva. Plná čára značí namáhání rovnoběžně svlákny, čárkovaná kolmo kvláknům. Typické hodnoty modulů pružnosti jsou E rovnoběžně = MPa, E kolmo = MPa. Pevnosti vprostém tlaku a tahu jsou běžně MPa. řádově čtyřnásobná rezerva pevností (ne modulů pružnosti) proti normě. 6

7 Statické deskové materiály Typy materiálů: překližka, OSB, sádrovláknitédesky, cementotřískovédesky (dříve i dřevotříska, dnes minimálně) Koncepčně správné využití Membránová tuhost vrovině desky -ztužující funkce: výztužné stěny a tuhé stropní tabule, příp. vyztužení vrovině střechy Ohyb kolmo krovině desky: lokálně, zejména stropní konstrukce, někdy i střešní pláště Při vhodném spojení s tlačeným prvkem: stabilizace proti vybočení Při vhodném spojení srámovou konstrukcí stěny: zvýšená únosnost stěn v tlaku Upozornění a rizika: překližka, dřevotříska, OSB se dodávají jako vodovzdorné OK, pozor: desky OSBmohou mít pevnosti závislé na orientaci třísek (orientované OSB desky) Sádrovláknitédesky: větší vlhkost nevhodné, bobtnání a trvalé deformace (ale využitelnost při formování) Cementotřískovédesky: vysoká dilatometriea křehkostpři upevňování po okrajích 7

8 Orientovaná OSB deska a její parametry normálová napětí (tlak, tah, ohyb) a tuhost(modul pružnosti) jsou vždy lepší ve směru třísek(hlavní směr). Smykje vždy lepší kolmo k rovině desky než v rovině desky. Mechanické vlastnosti desek OSBfirmy Sterling. Hodnoty vmpa. 8

9 Měřené pevnosti OSB Rezerva naproti normovým hodnotám 4. Moduly pružnosti jsou přibližně odpovídající. 9

10 Měřené pevnosti překližek (US) Orientační výpočtové pevnosti získáme dělením rezervou ( 4). Modul pružnosti je řádově odpovídající. 10

11 TUHOST (DŘEVO)STAVEB 11

12 Tuhost: prutové prvky (stropnice, průvlaky ) Tuhost= odolnostkonstrukce či jejích částí vůči přetvoření Prutový prvek: h/l 1/5 platí Beroulli- Navierovahypotéza, má smysl zavést moment setrvačnosti rozhodující podíl na deformaci prutů má ohyb Přetvoření střednice(průhyb) přímého prizmatického prutu zásadní charakteristika je ohybová tuhost, EI Vliv modulu pružnosti E Vliv výšky průřezu (1/12 bh 3 ) Vliv modulu pružnosti na velikost přetvoření: je-li E 1 : E 2 : E 3 = 1 : 2 : 5, potom pro průhyby vplatí v 1 : v 2 : v 3 = 1 : 1/2 : 1/5 Rozdělení zatížení na identické prvky se stejným přetvořením. Je-li E 1 : E 2 : E 3 = 1 : 2 : 5 potom se zatížení F rozdělí na jednotlivé prvky vpoměru 1/8 : 2/8 : 5/8. 12

13 Tuhost: stěnové prvky (výztužné stěny, stropní tabule ) Stěnový prvek: h/l 5 přestává platit Beroulli-Navierovahypotéza obraz o skutečné tuhosti poskytne řešení stěnové rovnice Pro h/l 1 je rozhodující pro přetvoření smyk Pro technické výpočty potom vystihuje s postačující přesností přetvoření stěny (průhyb) smyková tuhost AG G smrk (kolmo k vl.) cca 1250 MPa, G OSB MPa(neplatí E(2/(1+μ)) podle pružnosti, anizotropie významný vliv smyku. Zhruba 0,1E. Lineární vliv výšky průřezu U nízkých výztužných stěn ( přízemní a dvoupodlažní objekty) uvažujeme obvykle pouze smykovou tuhost. 13

14 Svazek prutů a funkce tuhé stropní tabule (TST) Svislá nosná konstrukce je tvořena obecně sloupy, stěnami, jádry Tyto prvky se o vodorovné zatížení rozdělí pouze za předpokladu tuhé stropní tabule (strop jako kra ) Problém tradičních dřevěných trámových stropů, též rekonstrukce starých domů (bourání příček) Stropní tabule musí být tuhá v kterémkoliv směru ve své rovině TST v monolitu snadno, pozor však na dřevo (neexistují monolitické dřevěné konstrukce) 14

15 Rozdělení vodorovného zatížení na svislé prvky TST je nezbytným předpokladem pro rozdělení (redistribuci) vodorovného zatížení na jednotlivé svislé prvky v konstrukci(vždy požadujeme). Vodorovné zatížení se na svislé prvky rozděluje v poměru jejich tuhostí (obecně) U výškových objektů mají všechny svislé prvky charakter prutů rozhoduje deformace ohybem tuhost svislých prvků je dána EI (známá poučka, že zatížení se rozděluje v poměru EI: je to pravda jen pro dosti vysoké objekty, tj. mají-li všechny svislé prvky charakter prutů!) Při menších výškách objektů, kdy alespoň některé svislé prvky ztrácejí prutový charakter, je pro rozdělovací zákon třeba použít pojem tuhosti v obecném slova smyslu. Pro nízkopodlažní objekty (do 2-3 podlaží) lze při stanovení rozdělovacího zákona uplatnit za přítomnosti stěnových prvků pouze smykovou tuhost AG v technickém slova smyslu (rozhodující význam) 15

16 Nedostatečná tuhost objektu při TST Nedostatečná tuhost = nadměrné průhyby nebo kroucení objektu nutnost prostorového ztužení(pomocí ztužidel) Zvýšení tuhosti objektu lze dosáhnout Spřažením existujících svislých prvků Rámový účinek Prutová ztužidla Membrány Vložením samostatných výztužných prvků (jednoduché či větvené stěny, jádra ) U dřevostaveb: Nízkopodlažní těžké skelety 3-4 podlaží: prutová ztužidla (vzdušnost konstrukce, volná dispozice) Stěnové systémy: do 4 až 5tipodlaží si obvykle poradí samy (RD, nízkopodlažní zástavba) Někdy konstrukci opřeme o vnitřní žb. Nebo cihelný blok (schodiště, výtahy,.) 16

17 Rozmísťování ztužidel (resp. stěn) po půdorysu Ideální stav: výslednice vodorovného zatížení prochází těžištěm tuhosti objektu Podmínka stability (hledisko kroucení): alespoň 3 ztužidla, nesmějí se protínat v jednom bodě. Těžiště tuhosti vysokého a nízkopodlažního objektu: dva různé body U nízkopodlažních objektů (a jen o ty se v tomto kursu zajímáme) stačí dodržet pravidlo těžiště ploch (při nehomogenitě materiálů pak těžiště GA) R 1/2 B R 1/6 B 17

18 Statika dřevostaveb: primárně tuhost Návrh na únosnost vesměs nic zajímavého (viz poznámky dále) Malý modul pružnosti dřeva vesměs rozhodují kritéria mezních přetvoření tuhosti Svislé zatížení: stropy (průhyby), triviální problém Vodorovné zatížení: objekty jako celky, komplikovanější úloha, spolupráce s architektem Specifika u dřevostaveb: Zcela primárně: tuhost stropních tabulí (tedy včetně konstrukce stropu nad posledním podlažím, může být tvořeno střechou-viz bungalovy) Následně: svislé nosné konstrukce Návrh stěn z pohledu zajištění dostatečná tuhosti objektu (půdorysná délka stěn nebo rozpětí ztužidel) Návrh rozmístění stěn s ohledem na vyloučení kroucení Na závěr: konstrukce střechy, pokud nahrazuje strop nad posledním podlažím. Monolitické dřevo neexistuje. Pro docílení potřebných tuhostí (stropních tabulí, stěnových prvků, střešních soustav atd.) u dřevostaveb je zásadní: Volit vhodné spojovací prostředky V maximální míře využívat spoje na PD, někdy včetně prolepování 18

19 Moderní spojovací prostředky aneb zapomeňte na tesařské spoje, kladivo a hřebíky 19

20 Mechanické spojovací prostředky- přehled V moderních dřevostavbách podstatné: Spony(do průměru drátu 2 mm, délky až 180 mm): průmyslová výroba, šité spoje, automatizace, cena Dlouhé samozávrtné vruty (na aku) s velkou hlavou a frézkou na zapuštění Hřebíky: kroužkové, šroubové Hřebíkové desky pro konstrukce příhradových nosníků (bungalovy) 20

21 Tesařské kování = oceloplechové tvarovky 21

22 Kompletizovanésystémy pro tvorbu skeletových konstrukcí (styčníky, stropní a střešní konstrukce) 22

23 Průmyslové technologie upevňování Pneumatické ruční nářadí nebo automaty: sponkování,hřebíkování Kadence sponkování: Ručně cca spon/min Automat až 800 spon/min Kadence hřebíkování: Cca do 100 hř./min 23