SBORNÍK. Nadace Františka Faltuse Národní skupina IABSE Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí FSv ČVUT

Transkript

1 Nadace Františka Faltuse Národní skupina IABSE Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí FSv ČVUT SBORNÍK semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 6.3. a Editoři: J.Studnička a J.Jirák

2 Sborník semináře doktorandů katedry Ocelových a dřevěných konstrukcí Ed. Studnička, J. a Jirák, J. Nadace Františka Fatuse Národní skupina IABSE Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí FSv ČVUT ISBN

3 ÚVOD Abstrakty v předkládané publikaci seznamují veřejnost s prací interních doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí. Katedra umožňuje svým doktorandům vystoupit každý rok na dvou seminářích Nadace Františka Faltuse, které se letos konají 6. března a 24. září Doktorandi, kteří právě zahájili studium, seznámí kolegy a odborníky z praxe s připravovaným zaměřením své práce, studenti prvního ročníku v pětiminutovém výkladu shrnou současný stav problematiky v oblasti jejich zájmu a studenti druhého ročníku v desetiminutovém projevu ukáží, jakých nových experimentálních a teoretických poznatků dosáhli. Doktorandi ve třetím ročníku informují členy katedry o připravované disertační práci podrobněji, v rozsahu patnácti minut. Hlavním cílem předkládané publikace je příprava studentů na zpracování textové části doktorské práce. Editaci sborníku provedl prof. Ing. Jiří Studnička, DrSc., který se na katedře ujal péče o naše nejmladší kolegyně a kolegy. Studenti prvního ročníku přispěli jednou nebo dvěmi stranami textu. Studenti druhého ročníku shrnuli na čtyřech stranách stav poznání v řešené problematice, který v plném rozsahu předloží v písemné práci k státní doktorské zkoušce. Studenti třetího ročníku ukazují na šesti stranách hlavní poznatky, které získali v rámci svého experimentálního i teoretického bádání a které zpracovávají do své disertační práce. Souhrn prací doktorandů odráží zaměření vědecké práce katedry na spřažené ocelobetonové konstrukce, tenkostěnné za studena tvarované konstrukce, dřevěné konstrukce, navrhování styčníků, požární návrh a na konstrukce ze skla, která je podpořena výzkumnými záměry Ministerstva školství a mládeže: VZ MSM Spolehlivost, optimalizace a trvanlivost stavebních konstrukcí, řešitel Prof. Ing. Jiří Witzany, DrSc., koordinátor na katedře prof. Ing. Jiří Studnička, DrSc.; VZ MSM Rozvoj algoritmů počítačových simulací a jejich aplikace v inženýrství, řešitel Prof. Ing. Zdeněk Bittnar, DrSc., koordinátor na katedře doc. Ing. Tomáš Vraný, CSc. a VZ MSM Udržitelná výstavba, řešitel Prof. Ing. Ivan Vaníček, DrSc., koordinátor na katedře doc. Ing. Petr Kuklík, CSc., jakož i výzkumného centra Centrum integrovaného navrhování progresivních stavebních konstrukcí CIDEAS, řešitel Prof. Ing. Jiří Šejnoha, DrSc. V Praze 26.května 2007 František Wald vedoucí katedry 3

4 OBSAH Studnička J.: Nadace Františka Faltuse... 5 Netušil M.: Hybridní nosníky ocel-sklo. 10 Strejček M.: Metoda komponent pro požární návrh nosníku Blažek J.: Nelineární chování dřevěných prostorových konstrukcí s polotuhými styčníky 12 Hatlman V.: Dlouhý spoj prvků z vysokopevnostních ocelí Chlouba J.: Požárně odolný přípoj krátkou čelní deskou Jirák J.: Působení malého ocelového mostu. 18 Jirka O.: Styčníky konstrukcí krovů.. 20 Kallerová P.: Šroubované přípoje tenkostěnných konstrukcí za požáru Šulcová Z.: Ocelové styčníky s čelní deskou a přerušeným tepelným mostem. 24 Tunega I.: Částečně spřažené ocelobetonové nosníky z materiálů vyšších pevností Baierle T.: Kompozitní dřevobetonové stropy při požáru. 28 Heřmanová L.: Nosné konstrukce ze skla při ztrátě příčné a torzní stability Jandera M.: Tenkostěnné prvky z korozivzdorných ocelí Ježek A.: Trapézové plechy působící jako spojité nosníky Jůza A.: Vliv svařování na lomovou houževnatost.. 44 Křížek J. Integrované mosty Musilová Z.: Sanace dřevěných konstrukcí vyztuženými epoxidovými pryskyřicemi Skopalík J.: Dřevěné prostorové konstrukce.. 56 Truhlář M: Stabilita dřevěného rámu s polotuhými styčníky Vídenský J.: Lepené lamelové dřevo vyztužené vysokopevnostní lamelou ze skelných vláken. 64 Čudejko M.: Spřažené ocelobetonové příhradové nosníky Egrtová J.: Únosnost tenkostěnných vaznic zkoušky a modelování...74 Chromiak P.: Výsledky experimentů a modelování perforované spřahovaní lišty.80 Szabó G.: Interaction between Steel Columns and Cassette Walls.. 86 Uhlíř A.: Lokální boulení pásnice nosníku za požáru..92 Vencl R.: Šroubované spoje nosných konstrukcí ze skla. 98 4

5 NADACE FRANTIŠKA FALTUSE FRANTISEK FALTUS FOUNDATION Jiří Studnička Myšlenka založit Nadaci Františka Faltuse vznikla při přípravě oslav stých narozenin profesora Faltuse, které připadly na Nadace oficiálně vznikla v únoru 2001 s cílem podporovat studenty zaměřené na ocelové konstrukce ve všech formách studia Fakulty stavební ČVUT v Praze. Základní jmění Nadace, více než půl milionu Kč, pocházelo z daru dcery prof. Faltuse, paní Ing.Very Dunder, CSc. z USA. Postupně se jmění Nadace zvyšuje o dary poskytnuté českým ocelářským a stavebním průmyslem a základní vklad je přes vyplácení nadačních příspěvků studentům nyní podstatně navýšen. Činnost Nadace popisují výroční zprávy, účetní uzávěrky a zprávy dozorčí rady. Příslušné listiny za rok 2006 přetiskujeme pro informaci čtenářům i v tomto sborníku vydaném s podporou Nadace. 1. Výroční zpráva Nadace Františka Faltuse za rok 2006 Schůze správní rady a dozorčí rady k uzavření roku 2006 proběhla Byla schválena Výroční účetní uzávěrka za rok 2006 a Výroční zpráva za rok Dozorčí rada předložila svoji Výroční zprávu za rok Hospodaření Nadace v roce 2006 Vklad Nadace je uložen na termínovaném účtu /0100 u Komerční banky, Podvinný mlýn 2, Praha 9. Pro zasílání darů je zřízen běžný účet /0100 u téže banky. Stav jmění Nadace k byl ,14 Kč, stav k je ,78 Kč. 1.2 Činnost Nadace v roce 2006 Šestá výzva k předložení žádostí studentů postgraduálního studia byla zveřejněna Na výzvu se s žádostí o Nadační příspěvek tentokrát nepřihlásil žádný postgraduální student. Pro studenty 5. ročníku oboru K, kteří se připravovali na diplomovou práci, bylo dne uspořádáno Kolokvium Františka Faltuse. Účast na kolokviu byla z prostředků Nadace FF dotována finanční odměnou Kč pro každého účastníka. Celkem se zúčastnilo 14 studentů a bylo jim vyplaceno Kč. Za organizaci kolokvia obdržel studenti J.Jirák a J.Henzl 2 x Kč. Celkem bylo za kolokvium vyplaceno Kč. Postgraduální studenti katedry vystoupili na dvoudílném Semináři doktorandů katedry dne a a publikovali výsledky svých výzkumů ve sborníku vydaném s podporou Nadace. Za to byl každému autorovi přiznán honorář Kč. Celkem ve sborníku publikovalo 25 studentů, takže jim bylo vyplaceno Kč. Editorovi sborníku J.Křížkovi byly za jeho činnost vyplaceny a za technickou pomoc během seminářů studentům J.Henzlovi a J.Jirákovi dalších 2 x Kč. Celkem bylo za seminář vyplaceno Kč. Diplomantům katedry ocelových konstrukcí, kteří obhájili práci z oboru ocelových konstrukcí výborně nebo velmi dobře bylo vyplaceno Kč. Takto obhájilo v lednu 9 studentů a v červnu 3 studenti, takže bylo vyplaceno celkem Kč. Za spolupráci na Symposiu Steel Bridges 2006 bylo studentům Křížkovi, Truhlářovi a Jirákovi vyplaceno 3 x Kč. Celkem tak bylo na odměnách v roce 2006 studentům katedry vyplaceno Kč. Nadace přispěla na konání exkurze studentů katedry ocelových konstrukcí v květnu 2006 částkou Kč. Nadace také zaplatila vydání sborníku doktorandů ,50 Kč. Nadace zakoupila pro deset největších dárců pamětní medaili ČVUT a rozeslala jim je (předsedové správní a dozorčí rady společnou rukou) formou cenného psaní v září Na pamětní medaile bylo vynaloženo Kč. Celkem bylo na tyto záležitosti v roce 2006 vynaloženo ,50 Kč. 5

6 Předsedou správní rady byly v roce 2006 stejně jako v minulosti osloveny firmy z oblasti stavebních ocelových konstrukcí s žádostí o dary Nadaci. Během roku 2006 se podařilo shromáždit Kč. Provozní náklady Nadace se v roce 2006 omezily pouze na úhradu účetní práce s přípravou daňového přiznání Nadace za rok 2005 a na vedení účtu Komerční bankou. Tyto náklady činí Kč pro účetní firmu, Kč za vedení účtu a 459.-Kč za poštovné. Na úrocích získala Nadace 5 360,14 Kč. Všichni členové správní i dozorčí rady se zřekli nároku na odměnu. V Praze 29 března 2007 Prof.Ing.Jiří Studnička, DrSc., v.r., předseda správní rady Prof.Ing.František Wald, CSc., v.r., člen správní rady pověřený funkcí tajemníka Ing.Antonín Pačes, v.r. člen správní rady pověřený funkcí pokladníka 2. Výroční účetní uzávěrka Nadace Františka Faltuse za rok 2006 Stav nadačního jmění k ,14 Kč Dary v roce 2006 datum částka dárce ,00 Kč Vikam ,00 Kč Žižka Jiří ,00 Kč Žižková Jana ,00 Kč EUROPROJEKT ,00 Kč MARTIFER CZ ,00 Kč Kovové Profily ,00 Kč VIKAM Praha ,00 Kč nepřeje si být uveden ,00 Kč SGB CZ s.r.o ,00 Kč MOTT MACDONALD Praha ,00 Kč TOP CON Servis s.r.o ,00 Kč VAI Praha Engineering ,00 Kč Voest Alpine ,00 Kč SUDOP ,00 Kč SOK Třebestovice ,00 Kč SAM Silnice a mosty ,00 Kč EXCON ,00 Kč Metrostav ,00 Kč Česká asociace OK ,00 Kč ČKAIT ,00 Kč Vítkovice Hard Dary celkem Vyplaceno studentům ,00 Kč ,00 Kč 6

7 Náklady Úhrada za účetní práce Poplatky bance Poštovné Pamětní medaile Doprava studentů Sborník Náklady celkem Výnosy - úroky 5 950,00 Kč 3 721,00 Kč 459,00 Kč 2 230,00 Kč 5 593,00 Kč ,50 Kč ,50 Kč 5 360,14 Kč Stav na termínovaném vkladu Stav na běžném účtu Stav nadačního jmění k ,62 Kč ,16 Kč ,78 Kč 3. Zpráva dozorčí rady Výroční zpráva dozorčí rady Nadace Františka Faltuse ze dne potvrdila, že Správní rada postupovala v roce 2006 podle statutu Nadace a podle Zákona o nadacích a nadačních fondech a o změně a doplnění některých souvisejících zákonů č.227 ze dne Dozorčí rada dále potvrdila, že účetní operace v účetní uzávěrce za rok 2006 odpovídají statutu Nadace. V Praze 29.března 2007 Doc.Ing.Tomáš Rotter, CSc., předseda dozorčí rady 4. Krátký životopis F.Faltuse Dlouholetý profesor ČVUT a nejznámější postava ocelových konstrukcí Československa druhé poloviny dvacátého století František Faltus se narodil českým rodičům ve Vídni. Tam také vystudoval střední školu a v roce 1923 s vyznamenáním i technickou univerzitu. Po studiích nastoupil u projekční firmy Waagner Biro, kde se zapojil do projektování mostu přes Dunajský kanál. Přitom v roce 1925 také získal na TU Vídeň doktorát za disertační práci Příspěvek k výpočtu staticky neurčitých konstrukcí (Beitrag zur Berechnung statisch unbestimmter Tragwerke). V roce 1926 se mladý Dr. Ing. Faltus přemístil z Vídně do Plzně, kde nastoupil zaměstnání v konstrukci Škodových závodů. Jako velmi inspirující se,pro F.Faltuse ukázala účast na přípravné schůzi tehdy zakládané inženýrské organizace IABSE v Curychu v roce 1926, kde se velká pozornost věnovala tehdejší novince ve spojování ocelových konstrukcí, svařování elektrickým obloukem. Dr. Faltus rozpoznal význam novinky pro praxi ocelových konstrukcí a po návratu z kongresu IABSE inicioval ve Škodovce výzkumné práce, nejprve pro svařování prolamovaných nosníků. Po zdokonalení praktického svařování byl u zrodu tehdy největšího celosvařovaného příhradového mostu s rozpětím 49,6 m v areálu Škodovky v Plzni, který byl dohotoven v roce Toto rozpětí bylo za dva roky překonáno rovněž celosvařovaným obloukovým silničním mostem přes Radbuzu opět v Plzni. Oblouk má rozpětí 51 m a po rekonstrukci a rozšíření mostovky je i dnes v plném provozu. 7

8 Ve výzkumu svařování potom F.Faltus pokračoval celý život a jako významný odborník byl žádán o rady třeba i při svařování tlakové nádoby první československé atomové elektrárny A1. Je také autorem známé příručky pro svařování, která posloužila ke studiu mnoha generacím svářečů. Jako teoreticky zdatný a praxí zocelený odborník neunikl F.Faltus pozornosti vysokého školství. Již v roce 1938 se začala projednávat jeho profesura na Vysoké škole inženýrského stavitelství, okupace ale jmenování zdržela o sedm let. Na fakultu inženýrského stavitelství ČVUT se tak Faltus dostal až po ukončení války v roce 1945, kdy doslova z ničeho zde vybudoval Ústav ocelových konstrukcí. V roce 1947 také zastával jeden rok funkci děkana. Po sloučení tří stavebních fakult (FIS, FAPS a fakulty zeměměřické) do jedné Fakulty stavební v roce 1960 vedl až do roku 1970 katedru ocelových konstrukcí této fakulty. Profesor Faltus byl přirozeně i velmi známou osobou ve světě. Za významnou činnost v IABSE byl jmenován v roce 1975 čestným členem této největší mezinárodní inženýrské organizace, přednášel na univerzitách v Americe, Číně, Sovětském svazu a v mnoha zemích Evropy. I po odchodu z katedry ocelových konstrukcí (v roce 1970) stále ještě vedl vědecké aspiranty katedry. Dokud mu zdraví sloužilo, zajímal se o ocelové konstrukce, psal odborné posudky atd. Zemřel po delší nemoci v roce

9

10 HYBRIDNÍ NOSNÍKY OCEL-SKLO GLASS STRUCTURES HYBRID STEEL-GLASS BEAMS Michal Netušil Abstract In the last few years, glass structures are favorably used in modern architecture. Currently, new types of hybrid steel-glass constructions are analysed or even newly developed focusing on an optimal structural interaction between steel and glass. My research will be pointed to a new hybrid steel-glass beams, consisting of steel flanges and glass web. These beams can be used for example in facades, roofs, atria etc. Key words: glass structures, hybrid, steel-glass ÚVOD Jedním z nových stavebních materiálů, který se stále více prosazuje v moderní architektuře, je sklo. Zejména požadavky investorů vedou v současné době k častějšímu použití skla i na nosné konstrukce, které mimo vlastní tíhy přenášejí také užitné zatížení nebo zatížení sněhem či větrem. Tyto konstrukce se používají na velkoplošné fasády, zastřešení atrií, schodiště a jejich zábradlí nebo různé spojovací můstky [2].Nosné prvky ze skla namáhané ohybem jsou v praxi také kombinovány s jinými materiály. Výsledkem jsou hybridní nosníky, které jsou v současné době předmětem intenzivního experimentálního výzkumu. Známé jsou např. výsledky zkoušek provedených na kompozitních nosnících sklo-beton [1]. Atraktivní je také použití nosníků sklo-dřevo, příkladem může být konstrukce stropních nosníků hotelu Palafitte ve Švýcarsku [3]. Předmětem disertační práce autora bude výzkum hybridních nosníků s ocelovými pásnicemi a stojinou ze skla. Mimo zatěžovacích zkoušek nosníků, uspořádaných podle schématu na obrázku 1, bude vyšetřována také stabilita příčného řezu pod zatížením osamělou silou uprostřed rozpětí nosníku. Obr. 1: Zatěžovací schéma nosníku, vpravo příčný řez Fig.1: Hybrid-steel-glass-beam under 4-point bending, on the right hand side: cross section OZNÁMENÍ Výzkum bude podpořen výzkumným záměrem MSM LITERATURA [1] Freytag B.: Glass-Concrete Composite Technology, Structural Engineering International No 2, 2004, p [2] The Institution of Structural Engineers.: Structural use of glass in buildings, SETO 1999, London, ISBN [3] Kreher K., Natterer J.: Timber-Glass-Composite Girders for a Hotel in Switzerland, Structural Engineering International No 2, 2004, p

11 METODA KOMPONENT PRO POŽÁRNÍ NÁVRH STYČNÍKU COMPONENT METHOD FOR CONNECTION FIRE DESIGN Michal Strejček Abstract The paper is focused on development of component-based principles for modelling of the behaviour of beam-to-column connections in fire conditions, which is the subject of the doctoral thesis under preparation. The component method is now well-established as an analytical technique for rotational properties of connections at ambient temperature. In the context of the much higher rotations experienced at the ends of long-span beams in fire, together with high axial forces due to restrained thermal expansion, its justification changes. The importance of residual strength and stiffness of a connection is decreased, but it is essential that its ductility is represented properly in order to provide designers with the ability to match forces to strength at high temperatures. Key words: steel connection, semi-rigid, fire design, component method, beam-to-column connection ÚVOD Spolehlivost konstrukcí vystavených požáru se v posledním desetiletí výrazně zvýšila vypracováním modelů pro předpověď chování prvků konstrukcí, které jsou založeny na experimentech. Počítá se teplota v požárním úseku, přestup a rozložení teploty v konstrukci, mechanické zatížení za mimořádné situace a únosnost prvků a styčníků za zvýšené teploty, viz [1]. Styčník je za požáru vystaven zvýšené teplotě a namáhání od zahřívání a chladnutí konstrukce. Návrh styčníků ocelových konstrukcí za běžné teploty umožňuje metoda komponent. Využití metody komponent pro návrh konstrukcí vystavených požáru brání nedostatečný popis chování komponent za zvýšené teploty a vhodná metodika sestavení při namáhání za požáru, kdy styčník vzdoruje jak posouvající síle a ohybovému momentu, tak normálové síle od roztažení konstrukce při zahřívání a smršťování při jejím chladnutí. METODA KOMPONENT Vyšetřovaný styčník lze rozložit na vhodné komponenty, které zásadně ovlivňují tuhost, únosnost a deformační kapacitu styčníku. Rozlišují se komponenty namáhané tlakem, tahem a smykem. Každou komponentu lze obecně popsat nelineární závislostí deformace δ na síle F. Pracovní diagram styčníku lze sestavit z pracovních diagramů jednotlivých komponent, viz [2]. Rozložení teploty ve styčníku závisí na rychlosti hoření při požáru a ovlivní únosnost, protože mechanické vlastnosti jednotlivých komponent, tj. plechů, šroubů a svarů, se neredukují stejně. ZÁVĚR Cílem disertační práce je metodiku sestavování komponent styčníku konstrukce vystavené požáru při výpočtu pokročilými prutovými modely s uvažováním rozvoje plasticity po průřezu a s využitím deskostěnových prvků. Metodika bude ověřena na experimentech za běžné a zvýšené teploty. OZNÁMENÍ Tento výzkum je podporován grantovým projektem GAČR 103/07/1142. LITERATURA [1] Buchanan A.H.: Steel and Composite Structures, John Wiley & Sons 2000, ISBN X. [2] Wald F., Sokol Z.: Navrhování styčníků, 1999, ČVUT v Praze, ISBN

12 NELINEÁRNÍ CHOVÁNÍ DŘEVĚNÝCH PROSTOROVÝCH KONSTRUKCÍ S POLOTUHÝMI STYČNÍKY NON-LINEAR BEHAVIOUR OF TIMBER SPACE STRUCTURES WITH SEMI- RIGID JOINTS Jan Blažek Abstract Timber space structures once considered as exotic and unconventional, are now accepted as economical and well aesthetical appealing. Most challenging in space structure analysis is to determine rigidity of joints and the second order effect on structure stability. Joints specimen of segment of timber dome in the 1:1 scale are examined in these days to study their non-linear behaviour and applicability in middle span domes. Key words: timber, space structure, geodesic dome, joint, glued in rods ÚVOD Ze statického hlediska lze dřevo použít pro rozmanité druhy konstrukčních systémů. Jsou-li nejjednodušší rovinné konstrukce spojeny s prvky protínajícími jejich osu, vzniká trojrozměrný systém rozdělení zatížení, který zajišťuje přenos zatížení v kterémkoliv místě konstrukce společně se všemi konstrukčními prvky. Podobným způsobem trojrozměrná kopule rozděluje působení zatížení podstatně účinněji než jednotlivý oblouk. V rámci přípravy na disertační práci byla navržena prostorová dřevěná konstrukce, jednovrstvá prutová klenba. Tato konstrukce má složitější geometrii styčníku a způsob přenesení sil mezi jednotlivými pruty. PROSTOROVÉ STYČNÍKY DŘEVĚNÝCH KONSTRUKCÍ Tuhost styčníku prostorové konstrukce je třeba sledovat z hlediska všech složek působících sil a vzhledem k působícím momentům, osovým silám a smykovým silám závisí na konstrukčním řešení styčníku. Zkoumaný styčník, vyvinutý v rámci výzkumu GAČR 103/05/0752 Nelineární chování dřevěných konstrukcí s polotuhými styčníky, je složen z ocelové trubky s přivařenými U profily, ke kterým jsou pruty z lepeného lamelového dřeva s vlepenými závitovými tyčemi přišroubovány. Chování vlepovaných závitových tyčí je popsáno v [1], [2]. Postup vyhodnocení tuhosti styčníku je obdobný jako pro styčníky rovinných konstrukcí, ale vzhledem k složitějšímu tvaru styčníku navržené konstrukce je třeba se orientovat na obecnější přístupy, než pouze na řešení pomocí analytických modelů nebo na metodu mechanizmů. Metoda konečných prvků a hodnocení tuhosti styčníku na základě spotřebované přetvárné energie je jedním možným řešením [3]. U řešené jednovrstvé prutové konstrukce hraje důležitou roli zajištění tuhosti konstrukce proti ztrátě stability, která bývá rozhodující pro dimenzování konstrukce. Možné způsoby ztráty stability jsou: ztráta globální stability konstrukce (změna geometrie konstrukce, vznik větších deformací v určité části konstrukce), ztráta lokální stability (ztráta stability styčníku, případné nadměrné deformace styčníku), ztráta stability dílčího prutu (vzpěr tlačeného prutu). Zmíněné případy ztráty stability se navzájem ovlivňují. U soustav s kloubovými styčníky je také třeba věnovat pozornost zajištění kinematické stability konstrukce (tzn. zabránit vzniku kinematického mechanizmu). Dále je nutné stanovit velikost dotvarování zatížených dřevěných prutů v čase a jeho vliv na změnu geometrie konstrukce. 12

13 EXPERIMENTY V současné době probíhají v rámci výzkumu GAČR 103/05/0752 experimenty s navrženým styčníkem na 14 modelech výseků prostorové konstrukce v měřítku 1 : 1. Vzorky jsou zatěžovány tlakovou nebo tahovou silou. Provedeny budou také materiálové zkoušky. Cílem experimentálního programu je ověření chování prostorové dřevěné konstrukce, především zjištění prostorové tuhosti styčníku a chování dřevěných prutů připojených pomocí vlepovaných tyčí. Přetvoření styčníku závisí především na geometrii styčníku a na způsobu a velikosti zatížení styčníku. U prostorových styčníků neumíme předem předpovídat, který způsob zatížení bude rozhodující pro přetvoření styčníku, je tedy nezbytné zkoumat chování styčníku při zatížení jednotlivými složkami sil. Toto chování lze vyjádřit pomocí pracovních diagramů. Obr. 1: Uspořádání experimentu s prostorovým styčníkem a schéma geodetické kopule Fig.1: Arrangement of the experiment with space joint and sketch of geodesic dome ZÁVĚR Na základě provedených experimentů a pomocí numerické analýzy v programu Ansys bude možné matematicky vyjádřit tuhost navrženého prostorového styčníku, stanovit vliv tuhosti styčníku a dotvarování dřeva na chování vybrané prutové konstrukce, např. geodetické kopule. Nelineárním výpočtem se zadanými tuhostmi styčníků se stanoví globální a lokální přetvoření konstrukce. Cílem disertační práce je prozkoumat chování navrženého ocelového styčníku a rozšířit poznatky o prostorových dřevěných konstrukcích. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vychází z dosavadních výsledků výzkumného záměru GAČR 103/05/0752 Nelineární chování dřevěných konstrukcí s polotuhými styčníky a je jím finančně podpořena. LITERATURA [1] Vašek, M.: Timber semi rigid frame with glued-in-rods, IABSE Congress 2006, Budapest Hungary 2006, p , ISBN [2] Vašek, M., Vyhnálek, R..: Timber semi-rigid frame with glued-in rods joints. WCTE 2006, 9th World Conference on Timber Engineering, Portland, USA, 275 p. [3] Lojík, O.: Vliv tuhosti styčníku na chování prostorových prutových konstrukcí. Dizertační práce ČVUT v Praze, [4] Park, G.A.R., Howard C.M.: Space structures 4 Volume 1 a 2. Thomas Telford Services Ltd.,

14 DLOUHÝ SPOJ PRVKŮ Z VYSOKOPEVNOSTNÍCH OCELÍ LONG BOLTED JOINT OF HIGH STRENGTH STEEL MEMBERS Václav Hatlman Abstract Long bolted connections of high strength steel members are described in this paper. High strength steel belongs to the group of progressive materials nowadays. Not its excellent mechanical properties only, but low costs of welding, transportation, assembly etc. as well make this material advanced for immediate future. Knowledge of its behaviour in structures is an essential condition for its use in civil engineering. Key words: high strength steel, bolt, joint, long bolted joint, tension ÚVOD Všechny oblasti lidské činnosti prochází vývojem. Platí to i ve stavební výrobě. Díky moderním postupům, tj. modelování pomocí metody konečných prvků a za použití výpočetní techniky se dnes veškeré procesy optimalizují. Současně s tím vývoj spěje ke na snižování nákladů na výrobu a snaží se o trvale udržitelný rozvoj. Platí to i pro oblast ocelových konstrukcí. Vzhledem k novým postupům pro válcování a úpravu oceli se výrobcům otevírají další cesty při navrhování nosných konstrukcí z moderních materiálů jako jsou vysokopevnostní oceli. Dnes se již ve stavebních konstrukcích vcelku běžně využívají oceli třídy S460. Vývoj v tomto směru neustává, jsou již dostupné i oceli třídy S1100. Chování těchto ocelí se zpravidla významně odlišuje od chování ocelí běžných jakostí a proto pro ně nelze beze zbytku používat pravidla obsažená v platných návrhových normách. Tyto oceli vykazují specifické vlastnosti, z nichž některé, např. menší tažnost, mohou při návrhu působit obtíže. PŘEDMĚT VÝZKUMU A EXPERIMENTY Popisovaný výzkum je motivován snahou o větší využití vysokopevnostních ocelí v praxi a je podporován mimo jiné zastoupením švédské firmy SSAB v České republice, která dodává vysokopevnostní ocel značky WELDOX. Výzkum spojů prvků z vysokopevnostních ocelí má za cíl analyzovat jejich chování při zvyšujícím se zatížení až do porušení vzorku, s důrazem kladeným na materiálové vlastnosti a jejich porovnání s vlastnostmi ocelí běžných jakostí. Tento dílčí výzkum je zaměřen na studium chování dlouhého šroubovaného spoje prvků z vysokopevnostních ocelí. Návrh únosnosti tohoto spoje vychází v normách z Fischerova vzorce, který platí pro oceli S235 až S460. Tento vzorec je založen na předpokladu, že nerovnoměrné rozdělení sil ve dlouhém spoji lze převést na rovnoměrné namáhání všech šroubů. Uvažována je přitom nižší únosnost šroubu ve srovnání s únosností šroubu v normálním spoji. Tato teorie je odvozena pro oceli běžných jakostí, které mají tažnost obvykle vyšší než 20%. Vysokopevnostní oceli mají tažnost pouze 10-15% a také mají menší poměr f u / f y, čili menší zpevnění materiálu. Všechny tyto odlišné vlastnosti mohou ovlivnit rozdělení sil ve šroubech v dlouhém spoji. PŘIPRAVOVANÝ EXPERIMENT Jak bylo výše popsáno, experimenty budou provedeny na dlouhém spoji namáhaném smykem. Pro výzkum budou uvažovány oceli třídy S690 a S960. Šrouby budou z materiálu Uspořádání spoje bude shodné pro obě třídy oceli, budou dodrženy doporučené rozteče šroubů. Nyní je připraveno 8 zkoušek pro každou třídu oceli. Polovina zkoušek pro každou třídu bude osazena tenzometry pro 14

15 zjištění sil v jednotlivých šroubech. Tyto zkoušky doplní tahové zkoušky použité oceli, které ověří její materiálové charakteristiky. Na základě provedených zkoušek bude vyhodnoceno, zda a jak je třeba upravit vzorce pro stanovení únosnosti spoje a ověří se také vhodnost metodiky používané při návrhu dle ČSN EN Výsledky experimentů budou porovnány s analytickým modelem, který bude řešen metodou komponent. ZÁVĚR Obr. 1: Uspořádání spoje Fig. 1: Connection arrangement Disertační práce se bude týkat působení dlouhého šroubovaného přípoje (obr.1) z vysokopevnostní oceli. Předložení disertační práce je plánováno na rok PODĚKOVÁNÍ Tento výzkum je podporován grantem CTU a zastoupením firmy SSAB OXELÖSUND v ČR. Autor tuto podporu vysoce oceňuje. LITERATURA [1] ČSN EN Navrhování ocelových konstrukcí, Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI [2] Teixeira de Freitas S., de Vries P., Bijlaard F.S.K.: Experimental research on single bolt connections for high strength steel S690, V Congresso de Construcao Metalica e Mista, November 2005, Lisabon. [3] Može P., Beg D., Lopatič J.: Bolted connections made of high strength steel S690, ECCS TC10, October 2005, Paris. [4] Coelho A.M.G., Bijlaard F.S.K., Gresnigt N., da Silva L.S.: Experimental assessment of the behaviour of bolted T-stub connections made up of welded plates, Journal of Constructional Steel Reserch 60, [5] Gozzi J., Olsson A., Lagerqvist O.: Experimental investigation of the behaviour of extra high strength steel, Society for Experimental mechanics,

16 POŽÁRNĚ ODOLNÝ PŘÍPOJ KRÁTKOU ČELNÍ DESKOU FIRE SAFE HEADER PLATE CONNECTION Jiří Chlouba Abstract The objective of this paper is to present the topic of the doctoral thesis, which is focussed to the improvement of fire safety of beam to column header plate connection. The transfer of the heat into the structural elements and joint will be predicted by FE simulation and the mechanical modelling of the connection will be simulated by component method at elevated temperature. The prediction of the mechanical behaviour will be verified by tests at ambient as well as elevated temperatures. The validation of the temperature development during the fire is expected during the natural fire test on full scale model of structure. Key words: connection design, fire design, component method, header plate connection, natural fire ÚVOD Ocelové patrové konstrukce administrativních budov se většinou navrhují s ocelobetonovými stropy, které tvoří ocelobetonové spřažené desky, které jsou podepřeny ocelovými nosníky s kloubovými přípoji. Nosníky se někdy při návrhu za běžných teplot uvažují jako prostě uložené. Za požáru je chování ovlivněno silami od roztahování při zahřívání a smršťování při chladnutí konstrukce, což spolu s redukcí ohybové tuhosti zvyšuje vliv polotuhosti přípojů, viz [1], a vyvozuje významné normálové síly v konstrukci. Namáhání styčníků za požáru je proto odlišné od namáhání za běžných teplot. Při návrhu za požáru se obvykle vychází z posouzení prvků odpovídajícího rozdělení vnitřních sil za běžné teploty a předpokládá se, že vhodně navržené styčníky požárem způsobené změny vnitřních sil přenesou. V pokročilých modelech, které jsou založeny na globální analýze za zvýšených teplot, lze silové účinky na styčníky předpovědět a zahrnout do návrhu styčníku. Výpočet i za zvýšených teplot výrazně zvýší spolehlivost návrhu. Připravovaná práce je zaměřena na požární návrh styčníku a na konstrukční úpravy směřující ke zvýšení požární spolehlivosti styčníků. Za požární situace je rozvoj teploty ve styčníku v porovnání s rozvojem v připojovaných prvcích ovlivněn koncentrací hmoty ve styčníku a tím, že styčník obvykle není přímo vystaven plamenům. Zabráněním přímému kontaktu s plameny lze snížit jeho teplotu a tím zvýšit jeho odolnost. PŘÍPOJ ČELNÍ DESKOU Přípoje čelní deskou jsou nyní v Evropě nejčastěji používaným spojem nosníků se sloupem a nosníků s průvlakem. Lze je klasifikovat podle tuhosti jako kloubové, polotuhé a tuhé, viz [2], podle únosnosti jako styčníky s plnou únosností a s částečnou únosností připojovaného nosníku a podle deformační kapacity jako tažné, kompaktní a křehké. Klasifikace podle tuhosti závisí na požadované přesnosti výpočtu konstrukce. Většina přípojů čelní deskou je polotuhá. Kloubový přípoj se definuje jako přípoj s malou tuhostí a ohybovou únosností a s velkou deformační kapacitou, která se požaduje větší než 60 mrad. U kloubových přípojů se čelní deska volí krátká, tzn. není provedena na celou výšku připojovaného nosníku, ale je přivařena pouze na část stojiny v její horní části. Mezera u dolní pásnice tak zajišťuje požadovanou rotační kapacitu. Deformační kapacita styčníku se výpočtem stanovuje obtížně, protože mez kluzu a mez pevnosti je výrobci zaručena pouze omezením zdola, ale není omezena shora. Je-li mez kluzu desky příliš vysoká, snadno přestane platit předpoklad tažného porušení čelní desky v ohybu čtyřmi plastickými klouby a může dojít ke křehkému porušení šroubů s dvěma plastickými klouby v desce nebo i bez plastifikace desky. Deformační kapacita, kterou lze předpovědět poměrně snadno, se proto doposud zajišťuje vhodným konstrukčním řešením, které je 16

17 shrnuto i v normativních dokumentech. V přípoji čelní deskou je křehkou komponentou šroub v tahu a proto se dostatečná deformační kapacita přípoje zajišťuje plastickou deformací čelní desky. Za zvýšené teploty se tuhost styčníku změní, neboť vlivem rozpínání ohřátého nosníku dochází ke kontaktu dolní pásnice a podporujícího prvku, viz [3]. Tím se zvýší tuhost přípoje, která roste i relativně, protože ohybová tuhost nosníku klesá degradací modulu pružnosti materiálu. U styčníků vystavených zvýšeným teplotám se deformační kapacita obvykle zvyšuje, tak jak se za zvýšených teplot zvyšuje tažnost oceli. Rizika jsou v poklesu únosnosti šroubů a v případných jiných způsobech jejich porušení. Pokles únosnosti spojovacích prostředků je totiž výraznější než pokles únosnosti základního materiálu. Právě proto jsou styčníky citlivé na rozdělení teploty. K porušení styčníků čelní deskou dochází při chladnutí konstrukce v kořeni svaru na jedné straně čelní desky. EXPERIMENTY V červnu roku 2006 proběhla požární zkouška na třípodlažním objektu v Ostravě, viz [4]. Při experimentu byla měřena teplota během požáru v nechráněných přípojích krátkou čelní deskou, a to v samotné čelní desce a ve šroubech. Teploty byly zaznamenány v jednom přípoji nosníku na průvlak a ve dvou přípojích průvlaku na sloup. Teplota byla měřena v horním a dolním šroubu a na čelní desce vedle obou těchto šroubů. Rozvoj teploty v těchto styčnících bude využit na ověření MKP simulace přestupu tepla do konstrukce. Experimenty připravované v roce 2007 ověří chování nově navrženého přípoje se zvýšenou požární odolností, které se dosáhne přemístěním části přípoje do ocelobetonové desky. Nejprve proběhnou zkoušky na třech vzorcích za běžné teploty. Vzorek je navržen ze dvou styčníků a z ocelobetonového nosníku s deskou betonovanou do trapézových plechů. V další části bude nosník vyzkoušen i za zvýšené teploty v peci, kde bude simulována teplotní křivka zjištěná při experimentu v Ostravě Tuhost celé stropní konstrukce bude simulována uložením do tepelně izolovaného rámu. Ověření rozvoje teploty ve styčníku za požáru lze pouze na skutečné konstrukci. V experimentu, který se plánuje na rok 2008, bude stropní konstrukce s jedním sloupem v požárním úseku vystavena požáru s požárním zatížením 40 kg/m 2. ZÁVĚR Cílem připravované disertační doktorské práce je model chování pro přípoj krátkou čelní deskou s vyšší požární odolností v konstrukci vystavené požáru. Model chování za běžné teploty bude ověřen na zkouškách v Ústavu teoretické a aplikované mechaniky v Praze a za zvýšené teploty zkouškou ve Veselí nad Lužnicí. PODĚKOVÁNÍ Výzkum, jehož výsledky jsou prezentovány v tomto příspěvku, vzniká za finanční podpory projektu OC190 Požárně odolné styčníky. LITERATURA [1] Buchanan A. H.: Structural design for fire safety, John Wiley&Sons 2000, 421 p., ISBN X. [2] Burgess I.: Connection modelling in fire, Proceedings of workshop Urban Habitat Constructions under Catastrophic Events, Prague, 2007, p [3] Lawson R.M.: Behaviour of steel beam-to-column connections in fire, Structural Engineer, vol. 68, IStructE London, 1990, p [4] Wald F., Chlouba J., Kallerová P.: Temperature of the header plate connection subject to a natural fire, Proceedings of workshop Urban Habitat Constructions under Catastrophic Events, Prague, 2007, p

18 PŮSOBENÍ MALÉHO OCELOVÉHO MOSTU SMALL STEEL BRIDGE BEHAVIOUR Jiří Jirák Abstract The rehabilitation of road pavement is made by new coat assembling. Frequently, the ruptured coating remove is not included. This leads to non-proportional and very thick deck. In the horizon of the research with steel bridges failure objective, the study of the effective behaviour of thick deck made mainly from asphalt layers will be provided. The assessment of the superstructure appropriate to standards provides the increasing dead loads of additional coats. The effective behaviour of the thick deck is different. The elemental loading test was done for this purpose. The thick deck interaction was proved as submitted paper describes. Work on effective numerical model is under progress. Key words: steel bridge, thick deck, heavy dead load, interaction, failure ÚVOD Jedním z opakovaných nedostatků mostů malých a středních rozpětí je nadbytečné hromadění nenosných vrstev vozovky, ke kterému dochází při opravách krytů vozovek nanesením nové vrstvy bez odstranění původní. Tím roste stálé zatížení mostu, které částečně vyčerpává únosnost mostu. Ukazuje se ale, že při jednoduchých výpočtech zatížitelnosti mostu, kdy se tyto vrstvy berou pouze jako přitěžující, může být jejich vliv přeceněn. Zdá se totiž, že se tyto vrstvy určitým způsobem také podílejí na tuhosti konstrukce a snížení únosnosti/zatížitelnosti není takové, jak se z jednoduchých výpočtů zdá. ZATĚŽOVACÍ ZKOUŠKA Pro ověření těchto úvah byl vybrán most na silnici III.třídy v obci Tample pro jednoduchou zatěžovací zkoušku. Na jejím základě budou učiněny kvalifikované závěry pro zkoušený most. Zatěžovací zkouška byla provedena v souladu s ČSN Při zkoušce byly uplatněny dvě polohy zatížení: při obou byla na most umístěna pouze zadní náprava nákladního automobilu uprostřed rozpětí mostu, jednou bylo zatížení umístěno symetricky v ose mostu, podruhé excentricky. Hodnoty průhybů byly odečítány uprostřed rozpětí všech hlavních nosníků. V průběhu zkoušky byla měřena teplota vzduchu a teplota konstrukce. Sedání opěr během zkoušky nebylo zaznamenáno. Zkoušená konstrukce byla před zkouškou prohlédnuta a nebyly zjištěny žádné závady, vyjma lehké koroze hlavních nosníků. Technický stav i konstrukční uspořádání plně odpovídá cílům zkoušky. Rozpětí mostu je 7,6 m a volná šířka mostu 5,0 m. Nosnou konstrukci mostu tvoří 5 válcovaných nosníků I 400, které jsou ztuženy příčníky profilu U 100. Výška železobetonové desky mostovky a spádového betonu je cca 250 mm. Změřená celková tloušťka desky mostovky včetně vrstev vozovky činí 510 mm. Mostovka není jakkoli spojena s ocelovými nosníky, nejedná se tedy o spřažený ocelobetonový most. Most je uložen na kamenných opěrách bez ložisek. Most byl navržen na zatížení třídy B. V současné době je u mostu připuštěna normální zatížitelnost 22 t a výhradní zatížitelnost 40 t. Stavební stav objektu je podle mostního listu III dobrý. Zkoušený most v Tampli ukazuje obrázek 1. ZHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ Vyhodnocení zkoušky bylo provedeno podle ČSN Výsledky měření byly porovnány s výsledky teoretického výpočtu. Teoretický výpočet je založen na jednoduchém předpokladu, že nosnou funkci mají pouze ocelové nosníky, deska mostovky ani další vrstvy se na tuhosti mostu nepodílejí. Výsledky měření ukazují, že naměřené hodnoty průhybů jsou podstatně menší než udává 18

19 výpočet. Zejména extrémně malá hodnota poměru mezi pružnou deformací a teoretickou deformací (S e /S cal = 0,25) při centrickém zatížení potvrzuje, že jednoduchý výpočetní model neodpovídá skutečnosti. Naměřené hodnoty současně potvrzují dobrý technický stav i stanovenou zatížitelnost mostu. NUMERICKÝ MODEL Obr. 1: Most v Tampli Fig. 1: Bridge in Tample V současné době je připravován numerický model konstrukce ve výpočetním programu Ansys. Model bude sloužit ke stanovení skutečné zatížitelnosti mostu. Výsledky provedené zatěžovací zkoušky budou použity pro ověření a kalibraci modelu. Pro účely modelování a ve snaze co nejlépe přiblížit model ke skutečnému působení bude působení rozděleno na modelaci příčného a podélného směru separátně. V dílčím modelu podélného působení trámu mostu lze tak lépe zohlednit vlivy uložení podpor a částečného přenosu podélné smykové síly třením mezi deskou mostovky, ztraceným bedněním a hlavními nosníky. Na dílčím modelu příčného působení bude sledován zejména vliv teploty na materiálové vlastnosti asfaltových vrstev a vznik klenbového účinku mezi hlavními nosníky v příčném směru tlusté desky. ZÁVĚR Z výsledků zjednodušené zatěžovací zkoušky vyplývá, že deska mostovky a další vozovkové vrstvy se na tuhosti mostu významně podílejí a zjednodušený výpočetní model neodpovídá skutečnosti. Provedené prohlídky mostů ukazují, že ocelové a ocelobetonové mosty nemají natolik závažné vady, aby byla dramaticky snížená životnost mostu nebo jejich únosnost a to i přes často velmi zanedbanou údržbu. PODĚKOVÁNÍ Výzkum, jehož výsledky se prezentují v tomto příspěvku, byl podpořen projektem 1F55A/004/120 a projektem CTU LITERATURA [1] Studnička J., Jirák J.: Zpráva o zatěžovací zkoušce mostu ev.č v 1,406 km silnice č. III/28312 v obci Tample, Dílčí zpráva projektu 1F55A/120 Závady na ocelových mostech, Praha, 2006, p.1-6. [2] Hambly E.C.: Bridge Deck Behaviour, E & FN Spon, London, 1991, p [3] Iles D.C: Design Guide for Composite Highway Bridges, Spon Press, London, 2001, p

20 STYČNÍKY KONSTRUKCÍ KROVŮ JOINTS OF ROOF STRUCTURES Ondřej Jirka Abstract Timber is the oldest structural material but its deformation and failure processes are poorly understood compared to information about other materials like steel or concrete. This study will focus on deformation and failure processes in rafter-tie beam connection in traditional roof structure. It will be made a comparison between experiments which were performed by the Institute of Theoretical and Applied Mechanics in Prague and numerical solution of this joint. I hope that this comparison will bring out some new knowledge of understanding old carpentry joints behaviour which is most important in the field of structural timber repair and their retention for other generation. Keywords: failure processes, timber, traditional roofs, rafter, tie beam ÚVOD Konstrukce krovů jsou z historického hlediska nejstarším způsobem zastřešení objektů. Způsoby provedení krovových konstrukcí se vyvíjely po staletí. Některé typy zastřešení jsou i z dnešního pohledu velice zajímavé a je možné se jimi inspirovat, avšak nejslabším článkem všech krovových konstrukcí jsou spoje jednotlivých prvků, jež významně oslabují průřezy prvků. Funkcí styčníku je přenést vnitřní síly z jednoho prvku konstrukce na další. Působení dřeva, jeho deformace a způsoby porušení ve spoji nejsou dostatečně jasné. Cílem této práce je objasnit chování dřeva ve spoji, jeho porušení a stanovit maximální únosnost spoje. Bude proto vytvořen numerický model historického styčníku krokev vazný trám, pro jehož upřesnění budou použita data ze zkoušek tohoto typu spoje, které byly provedeny Ústavem teoretické a aplikované mechaniky v Praze [2004]. CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE Analýza současného stavu v oblasti navrhování styčníků Experimentální část - Vyhodnocení experimentů - Provedení doplňujících experimentů: díky nedokonalému řemeslnému provedení styčníků bude vyzkoušen řádný styčník k doplnění nevyhovujících dat Analytická část - Analýza pomocí MKP - Analýza metodou komponent Závěry a doporučení, případně návrh postupů pro stanovení únosnosti spoje EXPERIMENTY Ústav teoretické a aplikované mechaniky v roce 2004 provedl experimenty na dvou sadách tesařských spojů krokev vazný trám. Pro jednu sadu bylo použito smrkové dřevo a pro druhou sadu bylo použito dubové dřevo. Krokev byla na vazný trám osazena pomocí středního čepu, zajištění bylo provedeno pomocí kolíku viz. obr.1. Styčník byl zatěžován normálovou silou ve směru krokve a ohybové namáhání bylo vyvozeno dvěma úrovněmi excentricity normálové síly. Byla zkoumána únosnost spoje a způsob porušení jednotlivých částí a celého spoje. Únosnost spoje je ovlivněna vadami dřeva vzniklými při růstu stromu či jeho zpracování. Ze způsobu porušení při experimentu vyplývá rozdílné chování styčníků z tvrdého a z měkkého dřeva. U spojů z měkkého dřeva došlo k výraznému zatlačení krokve do vazného trámu v důsledku překročení pevnosti dřeva v tlaku kolmo na vlákna a následnému vylomení čela vazného trámu. U prvků z tvrdého dřeva nedocházelo 20

21 k výraznému zatlačení krokve, docházelo však k porušení smykového bloku na čele vazného trámu viz. obr.2. Ve všech případech docházelo při větších deformacích k porušení kolíku. Obr. 1: Obecné schéma experimentu a upevnění vazného trámu Fig. 1: General scheme of the experiment and fixing of tie beam ZÁVĚR Obr. 2: Uspořádání experimentu a porušení historického tesařského spoje (dub) Fig. 2: Arrangement of the experiment and failure of traditional connection (oak) Zkoušený prvek je typický pro gotické střešní konstrukce, kde se návrh těchto spojů obvykle prováděl pomocí empirických pravidel. Později se spoje navrhovaly na požadovanou únosnost dle předpokládaného porušení spoje. Cílem disertační práce bude provést analýzu pomocí MKP a analýzu metodou komponent, která bude respektovat principy chování a porušení tohoto spoje během zkoušek a na jehož základě bude v praxi možné odhalovat nejslabší části historických i současných krovů. Metody se ověří srovnáním s výsledky experimentů. Výsledky by měly přispět k návrhu šetrných způsobů opravy historických krovových konstrukcí, tak aby nebyla narušena památková hodnota objektu. LITERATURA [1] Drdácký M., Bartoš F., Sokol Z.: Experimentální výzkum styčníků historických dřevěných krovů, Praha, UTAM 1999, 69 p. [2] Smith I, Landis E, Meng Gong.: Fracture and Fatigue in Wood, Wiley, April 2003, 234 p. [3] Vinař J., Kufner V.: Historické krovy Konstrukce a statika, Grada, 2004, 272 p. [4] Kohout J., Tobek A.: Tesařství Tradice z pohledu dneška. Grada, 1996, 256 p. 21

22 ŠROUBOVANÉ PŘÍPOJE TENKOSTĚNNÝCH KONSTRUKCÍ ZA POŽÁRU SCREWED CONNECTION OF THIN WALLED STEEL STRUCTURES DURING FIRE SITUATION Petra Kallerová Abstract The aim of this doctoral thesis is to make an analytical model, which has to describe real behaviour of a screwed connection by using self-drilling screws and thin corrugated sheets at high temperatures (fire). The corrugated sheets are used as roof load bearing structures. At the beginning of fire the behaviour of the sheet is similar to beam. Due to the temperature increase thermal expansion of the material and elongation of the sheet occurs. The temperature also leads to decreasing of the bending stiffness of the sheet which leads to large deflection. The load is transferred by a tensile membrane. The screwed connection has major influence on the load bearing capacity in fire situation. Key words: screwed connection, self-drilling screw, corrugated sheet, membrane effect, fire situation ÚVOD Chování konstrukce za požáru se od chování za běžných teplot liší tím, že vlivem zvýšené teploty dochází k degradaci materiálu a k prodloužení zasažených prvků v důsledku teplotní roztažnosti materiálu [1]. Tyto jevy jsou výrazné především u tenkostěnných ocelových konstrukcí, které se při požáru velmi rychle zahřívají, například střešní pláště z tenkostěnných trapézových plechů. Trapézový plech v konstrukci se v počáteční fázi požáru chová jako nosník, jehož ohybová tuhost postačí k přenesení působícího zatížení. Vzhledem k charakteru šroubového přípoje nelze považovat uložení plechu v podpoře za vetknutí a ohybovou tuhost přípoje lze zanedbat. Při nárůstu teploty dochází vlivem teplotní roztažnosti materiálu k prodloužení plechu, které vyvodí prokluz ve šroubovaném přípoji k podpoře a zvětšení průhybu konstrukce. S nárůstem teploty klesá ohybová tuhost průřezu, trapézový plech se začíná chovat jako tažená membrána a vyvozuje vodorovné reakce v podporách. Velký vliv zde hraje únosnost přípoje a také schopnost podporující konstrukce přenést tahové síly. Jestliže je nosný trapézový plech připevněn k podporující konstrukci pomocí šroubů s dostatečnou tuhostí a únosností, dojde vlivem membránového efektu k přenosu zatížení tahem. Tento efekt se projeví nejenom při zvyšování teploty během požáru, ale také ve fázi chladnutí konstrukce. To má za následek její smršťování, které ve spoji rovněž vyvozuje značné síly. Únosnost přípoje je výrazně ovlivněna měnící se mezí kluzu oceli [2]. S rostoucí teplotou se zhoršují mechanické vlastnosti tenkostěnných za studena tvarovaných prvků, dochází k poklesu meze kluzu a modulu pružnosti, což výrazně snižuje únosnost těchto konstrukcí [3]. Naproti tomu dochází při zvýšených teplotách k mírnému nárůstu meze pevnosti oceli. Přibližně kolem 250 C dosahuje ocel svých nejvyšších hodnot pevnosti. Při teplotě okolo 350 C opět nabývá svých původních hodnot a při dalším růstu teploty pevnost klesá. Při teplotách nad 400 C přestává být mez kluzu na pracovním diagramu patrná a pro návrh se proto používá mez úměrnosti, která se nazývá účinnou mezí kluzu. Modul pružnosti s teplotou klesá také a je to jeden z faktorů, který ovlivňuje boulení tenkostěnných prvků [3]. Pevnost oceli i tloušťka ocelového prvku má zanedbatelný vliv na součinitel pro redukci modulu pružnosti. Příčinou selhání šroubovaného přípoje může být destrukce spojovaných ocelových plechů nebo ztráta únosnosti spojovacího prostředku namáhaného střihem. Způsob porušení záleží na řadě faktorů (mez pevnosti plechu, mez pevnosti šroubu, tloušťka spojovaných prvků, tvar trapézových plechů). Porušení přípoje může nastat vytržením šroubu z plechu, usmyknutím šroubu, protržením plechu nebo porušením oslabeného průřezu v tahu. Přípoje tenkostěnných profilů mají na rozdíl od přípojů válcovaných profilů malou tuhost. 22

23 EXPERIMENTY V laboratoři fakulty stavební ČVUT v Praze jsem provedla experimenty s přípoji trapézových plechů za běžných a zvýšených teplot [4]. Cílem zkoušek bylo zjistit chování přípojů tenkostěnných konstrukcí. Zkušební vzorky byly z trapézového plechu tloušťky 0,75 mm s nízkou vlnou, šroubový spoj byl proveden samovrtným šroubem průměru 5,5 mm ze zušlechtěné uhlíkové oceli. Deformace byly měřeny na čelistech zkušebního stroje a zahrnovaly prokluz v čelistech při náběhu síly a protažení zkušebního vzorku. Prokluz v čelistech byl na obr. 1 eliminován Síla [kn] 20 C 400 C C 500 C 600 C 700 C šroub SD8-H15-5,5 x 25 pec 0 Deformace [mm] Obr. 1: Graf závislosti deformace na působící síle při měnící se teplotě Fig.1: Force deformation relationship at variable temperature Bylo zjištěno, že pracovní diagram přípoje a způsob porušení se s teplotou prakticky nemění, s rostoucí teplotou však klesá jeho únosnost. V počáteční fázi zatěžování bylo možno vysledovat lineárně pružné chování. K porušení vzorku došlo protržením tenkého plechu. Po dosažení únosnosti vykazuje závislost působící síly na deformaci oblasti se vzrůstající silou a jejím opětovným poklesem. Tento jev byl způsoben hromaděním deformovaného plechu před šroubem (nárůst síly) a smykovým porušením ve dvou smykových rovinách podél dříku šroubu. ZÁVĚR Cílem disertační práce je vytvořit analytický model šroubového spoje trapézového plechu při vysokých teplotách, který by zohledňoval připevnění plechu k podporující konstrukci. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla za podpory interního grantu IG ČVUT CTU Šroubované přípoje tenkostěnných prvků za zvýšené teploty LITERATURA [1] Sokol Z., Wald F: Design of Corrugated Sheets Exposed to Fire, Progress in Steel, Composite and Aluminium Structures, Taylor and Francis, London, [2] Wald F. a kol.: Výpočet požární odolnosti stavebních konstrukcí, České vysoké učení technické v Praze, Praha 2005, ISBN [3] Ranawaka T., Mahendran M.: Mechanical properties of thin steels at elevated temperatures, Fourth international workshop Structures in Fire p , Aveiro 2006, ISBN: X [4] Kallerová P.: Experimenty s přípoji trapézových plechů - zkoušky za běžných a zvýšených teplot, výzkumná zpráva, fakulta stavební ČVUT Praha