ÚHELNÍKY S PROLISEM VE SPOJÍCH DŘEVĚNÝCH PRVKŮ

Transkript

1 Energeticky efektivní buovy 2015 ročenka výzkumu a vývoje v UCEEB ČVUT Buštěhra ÚHELNÍKY S PROLISEM VE SPOJÍCH DŘEVĚNÝCH PRVKŮ Petr Kuklík 1), Sigurur Ormarsson 2), Jakub Dolejš 1), Petr Ptáček 1), Robert Jára 1), Jan Pošta 1), Petr Sejkot 1), Zeněk Leitermann 3) 1) Materiály a konstrukce buov, UCEEB, ČVUT v Praze, Buštěhra 2) Department of Builing Technology, Linnaeus University, Växjö, Sween 3) BOVA Březnice spol. s.r.o. ANOTACE Článek se zabývá metoami vhonými pro určení únosnosti spojů řevěných prvků za pomoci úhelníků s prolisem. Jako spojovací prostřeky byly ve spojích použity kroužkové konvexní hřebíky. Článek obsahuje přímé srovnání výsleků ze zkoušek, z analytických výpočtů a z numerických simulací na přípojích se věma verzemi úhelníků. SUMMARY The paper presents loa-bearing capacity calculation methos for timber elements connections by angle brackets with a rib. As connectors, annular ring nails were use. Paper brings irect comparison of results from full-scale tests, analytical calculations an numerical simulations of connections uner the external loa using two ifferent versions of brackets. ÚVOD V současnosti je na trhu široký výběr kování pro spoje, stále oblíbenějších, řevěných konstrukcí. Přípoje za pomoci kování, íky mnoha výhoám (neoslabení spojovaných průřezů, vhonost na spojování často využívaných průřezů o malých tloušťkách, možnost prováění přímo na stavbě a přímého napojení na ocelové či betonové konstrukce), pozvolna vytěsňují traiční tesařské spoje. Četnost používání přípojů za pomoci kování vzrůstá i íky rozvoji možností jeho využití pro připojování relativně nových a aktuálně často používaných materiálů (např.: CLT, KVH), ale přeevším i ochotě firem proukovat kování přímo na míru (např.: BOVA Březnice spol. s.r.o.). Rozvoji využívání kování také prospívá, že řevo je v poslení obě v porovnání s ostatními stavebními materiály užíváno stále ve větší míře, a to nejen u nás, ale i v zahraničí, ke některým ovětvím výstavby okonce ominuje. Jenou z významných příčin tohoto rozvoje jsou, nejen v evropském stavebnictví, i snahy o trvale uržitelný rozvoj a přepokláaný rozvoj výstavby energeticky efektivních buov, šetrných k životnímu prostřeí, se zravým vnitřním prostřeím. Problematika navrhování a posuzování přípojů za pomoci kování je však osu neostatečně popsána v oborné literatuře a normách, což v současnosti řeší i technická komise RILEM. V soulau s ní, je cílem této práce, přispět k postupnému ostranění této překážky, vytvořením porobného návou na určení únosnosti kování. TEORIE Práce se zabývá metoami vhonými pro určení únosnosti spojů řevěných prvků za pomoci úhelníků s prolisem, které se používají pro spoje přenášející velká zatížení, pro kotvení vazníků na obvoové věnce apo. Jenou z jejich klíčových přeností je jejich využití i ve složitých styčnících spojujících prvky s různým směrem vláken a s různoroými způsoby zatížení, napříkla ve více směrech zároveň. To s sebou však přináší složitý postup pro jejich

2 posouzení, ky je nutné stanovit nejen únosnosti pro jenotlivé směry zatížení, tj. při rozevírání úhelníku, zavírání úhelníku a usmýkávání úhelníku, viz obrázek 1, ale i pro jejich kombinace, ky je třeba brát v potaz, že zatížení přípoje v jenom směru může vyvolávat zatížení spojovacích prostřeků, obvykle kroužkových konvexních hřebíků v několika různých směrech (viz rovnice 1). Alternativním řešením je v přípaě kombinovaného namáhání přípojů za pomoci úhelníků zvolit řešení za pomoci numerické simulace, které má tu výhou, že je při něm možné přípoje současně zatížit ve více směrech. F R 1, 1, F R 4nebo5, 4nebo5, 2 F R 2nebo3, 2nebo3, 2 1 (1) Obr. 1 Možnosti namáhání úhelníků ve spojích řevostaveb [1] Experimentální metoy určení únosnosti Pro stanovení charakteristické únosnosti přípojů za pomoci kování bylo zapotřebí zkombinovat postupy le tří norem. Hustota řeva v přípoji byla vyhonocena v soulau s [2] se zohleněním požaavků na hustotu řeva [3]. Vlastní únosnost přípoje byla vyhonocena le [4] s oplněním z přepisu [5], zohleňujícím specifika spojů řevěných konstrukcí za pomoci kování, včetně vlivu rozílu mezi měřenými a normovanými hustotami řeva (veličina s přepokláanou stanarně normálně rozělenou funkcí pravěpoobnosti) a naměřenými honotami únosností (veličina s přepokláanou logaritmicky normálně rozělenou funkcí pravěpoobnosti). Během zkoušek byla zaznamenávána síla a vzájemné oálení neseného a nesoucího prvku. Diagramy zatěžování vycházely z cíle zkoušek, kterým bylo určení charakteristické únosnosti spojů řevěných prvků pomocí úhelníků, a proto byly ve shoě s [6], tj. spoje byly zatěžovány na 40 % přepokláané únosnosti, poté otíženy na 10 % přepokláané únosnosti a násleně zatěžovány až o porušení. Zkoušky byly vyhonoceny s ohleem na to, že směroatná ochylka hustoty řeva je u měřených vzorků často nižší než směroatná ochylka hustoty řeva příslušné tříy pevnosti [7] a mnohy některé ze zkoušených vzorků nevyhoví pomínce na hustotu řeva [3]. Proto byla směroatná ochylka naměřených únosností přípojů zvýšena součinitelem kcov [5]. Ten zohleňuje honoty variačních součinitelů závislých veličin hustoty řevěných prvků i únosnosti jejich spoje, jejich převeením na alší variační součinitel únosnosti řeva zohleňující reálnou směroatnou ochylku hustoty řeva. Analytické metoy určení únosnosti Přípoje řevěných konstrukcí za pomocí úhelníků lze pole způsobu namáhání rozělit o vou hlavních skupin. První z nich jsou přípoje, ke je úhelník namáhán na rozevření a ominantním namáháním hřebíků je vytažení. Výpočtu únosnosti u této skupiny přípojů jsou věnovány certifikáty EOTA [8] ke je únosnost určena na záklaě úvahy, že v úhelníku

3 vzniknou va liniové plastické klouby, mezi kterými je skupina hřebíků namáhána na vytažení. Únosnost přípoje je tey stanovena jako součet únosností plechu úhelníků při vzniku vou plastických kloubů a hřebíků namáhaných na vytažení (viz obrázek 2). Druhou jsou přípoje, napříkla mezi stěnami a stropy, ke jsou úhelníky namáhány na usmýknutí, a proto je ominantním namáháním hřebíků otlačení. Na výpočet únosnosti u této skupiny byl zaměřen výzkum na University of Trento [9], ky byla zjištěna značná tuhost úhelníků ve směru namáhání a rovnoměrný roznos zatížení mezi jenotlivé spojovací prostřeky. Tento moel je možné využít i pro posouzení přípojů pře osažením plastických eformací (viz obrázek 3). Obr. 2 Zatížený úhelník a statické schéma analytického plastického moelu le [8] Obr. 3 Zatížený úhelník a statické schéma analytického pružného moelu le [9] Numerické metoy určení únosnosti Numerické simulace proveené v programu Abaqus CAE na 3D moelu cílily na globální chování celého zkoušeného přípoje (viz obrázek 4). Přípoje byly při numerické simulaci zatěžovány pole stejných zatěžovacích iagramů jako během zkoušky. Maximální honota přitížení v kažém výpočetním kroku numerické simulace byla omezena na 0,10 kn. Únosnosti jenotlivých spojů byly v simulaci, stejně jako v experimentu, určeny věma limity porušením vzorku a 15 mm rozevřením mezery mezi spojovanými prvky. Okrajové pomínky v numerické simulaci byly vymoelovány le skutečného poepření zkoušeného spoje. Tj. jenostranně kloubově poepřený elší konec sponího trámu a oboustranně kloubově poepřený horní trám (viz obrázek 4). Roznášecí zařízení, které bylo v experimentu použito k symetrickému roznosu zatěžovací síly po obou stranách přípoje, bylo v numerickém moelu nahrazeno vojicí ploch s tlakovým zatížením (viz obrázek 4, ke je toto zatížení reprezentováno svislými červenými šipkami). Obr. 4 Geometrie numericky moelovaného přípoje

4 Úhelníky byly vymoelovány jako plošné prvky (S8R) s přiřazenou tloušťkou a s pěti integračními boy (pro reukovanou integraci). Materiál úhelníků, kterým je ocel S280, byl v numerickém moelu vymoelován elasto-plasticky s mezí kluzu σy= 280 MPa. Dřevěné nosníky byly vymoelovány z objemových prvků (C3D20). Rozměry nosníků byly ve shoě s experimentem, tj. (horní trám 100 x 100 x 400 mm, sponí trám 100 x 100 x 1110 mm. Materiál nosníků, kterým je smrkové řevo, byl vymoelován jakožto ortotropický materiál s elastickými parametry El=9700 MPa, Er=400 MPa, Et=220 MPa, νlr=0.35, νlt=0.60, νrt=0.55, Glr=400 MPa, Glt=250 MPa, Grt=25 MPa, které byly použity v [10]. Hřebíky byly moelovány za pomoci funkcionality spojovací prostřeek spojující hrany otvorů v úhelníkách s tuhými tělesy ve řevě, s přiřazenými pracovními iagramy vytvořenými na záklaě experimentálních výsleků. VÝSLEDKY Práce obsahuje nejen přímé srovnání výsleků experimentálního, analytického a numerického řešení únosnosti přípoje řevěných prvků za pomoci úhelníků s prolisem namáhaného na otevření, ale obsahuje i srovnání výsleků různých výpočetních přístupů na určení osové a příčné únosnosti v přípojích použitých kroužkových konvexních hřebíků. Kroužkové konvexní hřebíky Ke stanovení vhoného analytického postupu pro výpočet únosnosti kroužkových konvexních hřebíků vyráběných společností Hašpl a.s. byly využity výsleky zkoušek. Změřené únosnosti na vytažení byly porovnány s výsleky výpočtu le německé normy [11] a s méně konzervativním přístupem z oborné literatury [12]. Příčná únosnost byla určena le postupu pro rážkované hřebíky [13] s o plechu vetknutou kónicky upravenou hlavou. Tab. 1 Porovnání únosností hřebíků le výpočetních postupů s výsleky zkoušek Porovnání Osově Osově Příčně přístupů C16, 4,0/90 mm C24, 4,0/50 mm C24, 2,5/40 mm Experiment 1,96 kn 1,20 kn 1,10 kn Výpočet Werner 1,86 kn 1,18 kn 0,84 kn Výpočet DIN 1,43 kn 0,91 kn 0,82 kn Z výsleků je zřejmé, že rážkování hřebíků vyráběných společností Hašpl a.s. je natolik hrubé, že jejich únosnost na vytažení ze řeva opovíá přísnějšímu kritériu z oborné literatury [12] a výpočet příčné únosnosti le [13] je na straně bezpečné. Přípoje řevěných prvků za pomoci úhelníků s prolisem Pro přímé srovnání meto na určení únosnosti přípojů řevěných prvků za pomoci úhelníků s prolisem byly vybrány výsleky zkoušek, ve kterých byly použity jak půvoní tak i upravená verze úhelníků navržená s cílem zvýšit únosnost celého přípoje, viz obrázek 5. Obr. 5 Schéma úprav úhelníků (vlevo půvoní tvar, vpravo upravený tvar)

5 S výsleky numerických simulací zkoušek přípojů byly porovnány celé průběhy závislosti vzájemného oálení neseného a nesoucího prvku na vnášeném zatížení (viz obrázek 6). Obr. 6 Porovnání výsleků numerických simulací a experimentů. Vlevo etail prvních tří milimetrů, vpravo celé pracovní iagramy. S výsleky analytických moelů byly porovnány pouze únosnosti přípojů, bez ohleu na jejich přetvoření, viz tabulka 2. Tab. 2 Porovnání únosností přípojů le výpočetních postupů s výsleky zkoušek Porovnání Experiment Analyticky le [9] Analyticky le [8] Numericky přístupů [kn] [kn] [kn] [kn] Půvoní tvar, C30 8,77 7,42 5,31 7,15 Upravený tvar, C24 11,67 9,44 8,59 8,63 Ze srovnání je patrné, že i přes vyšší tříu pevnosti řevěných prvků spojených půvoní verzí úhelníku, osahují přípoje s upravenou verzí úhelníků výrazně vyšších únosností jak v teoretických moelech, tak i při experimentech. Přestože se všechny teoretické moely ukázaly být vhoné pro řešení ané problematiky, numerický přístup poskytuje relativně konzervativní oha únosnosti celého přípoje. Nicméně jeho hlavní přeností je určení tuhosti celého přípoje při zatíženích výrazně po mezí únosnosti. Obr. 7 Porovnání eformovaného tvaru úhelníků v zatíženém přípoji. Vlevo výsleek simulace s vykreslením Von Misesova napětí, vpravo výsleek zkoušky. ZÁVĚR Záklaním cílem práce bylo ověření stávajících a vyvinutí nových meto vhoných pro simulaci chování po zatížením a určení únosnosti u spojů řevěných konstrukcí za pomoci

6 úhelníků. Tyto metoy mohou navíc sloužit i pro optimalizaci tvaru úhelníků a rozmístění otvorů pro hřebíky. Dílčím cílem práce bylo i nalezení vhoného analytického přístupu pro určení únosnosti kroužkových konvexních hřebíků 4,0/60 mm o společnosti Hašpl a.s. Práce přináší i přímé srovnání analyticky, numericky a experimentálně určených únosností spojů řevěných prvků za pomoci úhelníků s prolisem, s kroužkovými konvexními hřebíky, jakožto jejich typickými spojovacími prostřeky. Kroužkové konvexní hřebíky o společnosti Hašpl a.s., které byly přemětem této práce, se ukázaly být ostatečně kvalitní pro splnění nejen kritérií z norem, ale i přísnějších kritérií z oborné literatury. Pro optimalizaci tvaru úhelníků a rozmístění otvorů pro hřebíky se ukázal být nejvhonější přístup za pomoci numerických simulací. Pro určení charakteristických únosností přípojů za pomoci úhelníků se oproti přístupu z technických přepisů ukázal jako vhonější přístup z oborné literatury. Závěry z této práce jsou využívány při inovacích za účelem zvýšení únosností kování vyráběného společností BOVA Březnice s.r.o. LITERATURA [1] ETA-06/0106. (neatováno). European Technical Approval ETA-06/0106 [2] Eurokó 0. (1990). Eurokó: Zásay navrhování konstrukcí. ČNI. [3] ČSN EN ISO (2010). Dřevěné konstrukce - Zkoušení spojů s mechanickými spojovacími prostřeky - Požaavky na hustotu řeva. ČNI [4] ČSN EN (2007). Dřevěné konstrukce - Výpočet 5% kvantilů charakteristických honot a kritéria přijatelnosti pro výběr. ČNI [5] EOTA TR16. (2012). Metho of testing - Three-Dimensional Nailing Plates with examples. EUROPEAN ORGANISATION FOR TECHNICAL APPROVALS. [6] ČSN EN (1994). Dřevěné konstrukce. Spoje mechanickými spojovacími prostřeky. Všeobecné zásay pro zjišťování charakteristik únosností a přetvoření. ČNI [7] ČSN EN 338. (2010). Konstrukční řevo - Tříy pevnosti. ČNI. [8] EOTA TR17. (2012). Worke example of characteristic loa-carrying capacities of 90 angle bracket with a rib. EUROPEAN ORGANISATION FOR TECHNICAL APPROVALS. [9] Tomasi, R. S. (2013). Mechanical behaviour of connections between woo frame shear walls an founations uner monotonic an cyclic loa. Constr. an Builing Materials, 44, stránky [10] Ormarsson, D. P. (1999). Ormarsson. Numerical Stuy of Shape stability of Sawn Timber Subjecte to Moisture Variations, Part 2: Simulation of Drying Boar. Woo Sci an Technol. 33: [11] DIN (2004). Design of timber structures - General rules an rules for builings. [12] Werner, H. a. (1991). Neue Untersuchungen mit Nägeln für en Holzbau. 49( ) [13] ČSN EN (2015). Eurokó 5: Navrhování řevěných konstrukcí vč. NA, A1 2009, A2 2015(Část 1-1: Obecná pravila - Společná pravila a pravila pro pozemní stavby). ČNI. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za popory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/ Univerzitní centrum energeticky efektivních buov.