Dřevěný nosník vyztužený ocelovým lanem

Datum: 27.2.2017  |  Autor: Ing. Martin Hataj, ČVUT Praha, UCEEB  |  Recenzent: doc.Ing. Antonín Lokaj, Ph.D., VŠB TU Ostrava

Příspěvek prezentuje technické řešení v oblasti zesilování ohýbaných dřevěných nosníků. Jedním z nejvíce používaných konstrukčních prvků ve výstavbě ze dřeva je právě nosník namáhaný ohybovým momentem. Velká rozpětí ohýbaných trámů se v minulosti často řešila pomocí věšadel (king-post truss), vzpěradel (sling-braced truss), vzpínadel (tie-rod truss) nebo zesílením pomocí druhého ohýbaného konstrukčního prvku. Tyto konstrukce vyžadovaly použití dalších nosných prvků, které omezovaly prostor nad nebo pod ohýbaným trámem. Představované technické řešení využívá principu zmiňovaného vzpínadla, který je integrován do nosníku podobně jako u zesilování dodatečně předpjatých železobetonových konstrukcí.

1 Úvod

Hlavními pozitivy dřevěných konstrukčních prvků jsou nenáročná výroba, příznivý poměr mezi hmotností a pevností, možnost dodatečných úprav na stavbě, snadná montáž a manipulace, vhodný materiál pro výrobu kompozitu. Navíc je dřevo obnovitelná surovina. Naopak mezi nevýhody patří nižší hodnota modulu pružnosti ve srovnání s jinými běžnými konstrukčními materiály a hořlavost.

Zesilovat dřevěné nosníky je možné několika technologicky odlišnými způsoby. Mezi nejčastěji používané způsoby zesílení lze zařadit zvětšení průřezu přidáním dalšího konstrukčního prvku, kdy je nutné zajistit spolupůsobení těchto dvou částí, vlepování ocelových výztuží epoxidovým lepidlem, přidání ocelových příložek nebo lepenou kompozitní výztuží, kterou tvoří uhlíková, skelná, čedičová, bambusová, lněná, konopná a jutová vlákna.

Při přetížení dřevěných nosníků dochází ke značnému napětí v krajních vláknech dřevěného průřezu a velkým průhybům. V případě, že nosník není vyměněn za prvek s větším průřezem, přichází na řadu zesílení stávající konstrukce. Nejběžnějším řešením zesílení pomocí ocelové výztuže je vlepovaná ocelová betonářská výztuž epoxidovým lepidlem. Do zesilovaného nosníku se ze spodní strany vyfrézuje drážka pro výztuž. Drážku i ocelovou výztuž je nutné zbavit nečistot, jakými jsou piliny, hobliny, rzi a podobně. Pomocí epoxidového lepidla se výztuž vlepí do připravené drážky. Zakrytí výztuže se provede pomocí dřevěných lišt nebo nalepeného prkna stejné šířky, jako je šířka zesíleného nosníku. Výztuž přebírá pouze část napětí v dolních vláknech dřevěného prvku.

2 Technické řešení

Obr. 1.: Řez dřevěným nosníkem po délce v místě vyztužení – (1) – dřevěný nosník, (2) – ocelové lano, (7.1) a (7.2) – zářezy na horním líci dřevěného nosníku, (8.1) a (8.2) – šikmé otvory v dřevěném nosníku pro vsunutí ocelového lana
Obr. 1.: Řez dřevěným nosníkem po délce v místě vyztužení – (1) – dřevěný nosník, (2) – ocelové lano, (7.1) a (7.2) – zářezy na horním líci dřevěného nosníku, (8.1) a (8.2) – šikmé otvory v dřevěném nosníku pro vsunutí ocelového lana

Podstata technického řešení spočívá ve vyztužení ohýbaného nosníku ocelovými lany, viz Obr. 1. Horní plocha nosníku je opatřena dvěma zářezy, kterými jsou vedeny šikmé otvory. Tyto šikmé otvory jsou vytvořeny ve smykové oblasti, tj. části nosníku blízko podpory, a jsou vyústěny do drážek vedených podél spodního okraje nosníku.

Obr. 2.: Axonometrický pohled na systém kotvení dvojice ocelových lan – (1) – dřevěný nosník, (3) – ocelový plech s otvory, (4) – pružina, (5) – ocelová podložka, (6) – matice se závitem, (7.1) – zářez na horním líci dřevěného nosníku, (9) – koncovka lana se závitem
Obr. 2.: Axonometrický pohled na systém kotvení dvojice ocelových lan – (1) – dřevěný nosník, (3) – ocelový plech s otvory, (4) – pružina, (5) – ocelová podložka, (6) – matice se závitem, (7.1) – zářez na horním líci dřevěného nosníku, (9) – koncovka lana se závitem

Takto vzniklou soustavou, tvořenou šikmými otvory a drážkou, je vedeno ocelové lano. Koncovky lan jsou opatřeny předpínacím kotvícím systémem, který se skládá z ocelového plechu a z pružiny. Pružina dosedá jedním koncem na ocelový plech a druhým koncem na podložku umístěnou pod maticí s metrickým závitem, která je navlečena na koncovce lana. Tento systém kotvení je patrný na Obr. 2. Ocelová lana mohou být v drážkách kryta přilepeným prknem na spodní straně nosníku.

 
Obr. 3.: Axonometrický pohled detail ve změně směru ocelového lana – (5) – ocelová podložka, (6) – matice se závitem, (10) – ocelový šroub s okem, (11) – ocelový plech s otvory
Obr. 3.: Axonometrický pohled detail ve změně směru ocelového lana – (5) – ocelová podložka, (6) – matice se závitem, (10) – ocelový šroub s okem, (11) – ocelový plech s otvory

Změna směru ocelového lana v místě vyústění šikmého otvoru, kde lano přechází do drážky ve spodním okraji nosníku, způsobuje otlačování dřeva. Deformace dřeva v této oblasti by mohla způsobit ztrátu v napínací síle ocelového lana. Proto je tento detail řešen pomocí ocelových šroubů s okem v kombinaci s ocelovým plechem. Okem šroubu je provlečeno lano a je tak umožněn roznos lokálního tlakového zatížení přes ocelový plech do části spodní plochy nosníku. Detail řešení změny směru ocelového lana je patrný z Obr. 3.

 

3 Modelový příklad zesílení

Obr. 4.: Příčný řez vyztuženého nosníku
Obr. 4.: Příčný řez vyztuženého nosníku

K lepší ilustraci efektu zesílení autor článku představuje jednoduchý modelový příklad zesílení nosníku ocelovým lanem s uvedením výsledné míry zesílení nosníku. Jedná se o předběžný výpočet bez uvážení vlivu ztát předpínací síly v souvislosti se způsobem kotvení, způsobem vnesení předpětí, změnou směru ocelového lana, apod. Ve výpočtu není zohledněno ani dotvarování dřeva vlivem délky trvání zatížení. Základním předpokladem tohoto výpočtu je lineární chování obou použitých materiálů. Postup je prezentován s uvážením charakteristických hodnot pevností materiálů.

Dřevěný nosník z rostlého dřeva třídy C24 je vyztužován dvěma ocelovými jednopramennými lany 1×19 s pevností 1770 MPa. Geometrie a umístění ocelových lan jsou patrné na Obr. 4.

Dřevo

Rozměry dřevěného průřezu:

vzorec 1

vzorec 2
 

Charakteristické pevnosti dřeva třídy C24 [2]:

vzorec 3

vzorec 4

vzorec 5
 

Průměrná hodnota modulu pružnosti pro třídu C24:

vzorec 6
 
Ocel

Průměr ocelového lana:

vzorec 7
 

Třída pevnosti drátů lana:

vzorec 8
 

Jmenovitá plocha průřezu ocelového lana:

vzorec 9
 

Modul pružnosti ocelového lana:

vzorec 10
 

Minimální únosnost 1 lana:

vzorec 11
 
Efektivní průřez, výpočet polohy neutrální osy
Obr. 5.: Označení rozměrů efektivního průřezu a polohy neutrální osy
Obr. 5.: Označení rozměrů efektivního průřezu a polohy neutrální osy
vzorec 12

vzorec 13
 

Plocha efektivního průřezu:

vzorec 14
 

Poloha neutrální osy:

vzorec 15
 

Moment setrvačnosti efektivního průřezu:

vzorec 16
 

Průřezové moduly (h – horní okraj, d – dolní okraj):

vzorec 17

vzorec 18
 

Navýšení momentové únosnosti – porovnání průřezových modulů:

vzorec 19
 

Momentová únosnost efektivního průřezu bez předpínací síly je při zajištění spolupůsobení oceli se dřevem přibližně o 6 % vyšší oproti nevyztuženému průřezu.

Předepnutý průřez

Excentricita:

vzorec 20
 

Předpínací síla:

vzorec 21
 

Napětí v horních resp. dolních vláknech průřezu:

vzorec 22
 

Napětí v horních vláknech je omezeno pevností v tlaku dřeva rovnoběžně s jeho vlákny.

vzorec 23
 

Maximální ohybový moment je:

vzorec 24
 

Navýšení momentové únosnosti – porovnání ohybových momentů:

vzorec 25
 

Momentová únosnost efektivního průřezu s předpínací silou je přibližně o 26 % vyšší oproti nevyztuženému průřezu.

4 Závěr

V příspěvku je prezentován nový způsob zesílení ohýbaného dřevěného prvku. Oproti nevyztuženému nosníku je vyztužený nosník tužší, vykazuje větší únosnost a menší průhyby. Za předpokladu stejné výšky a šířky obou nosníků je možné pomocí nosníku s výztuží překlenout větší rozpětí. V případě stejného rozpětí porovnávaných nosníků je možná úspora dřeva u nosníku s výztuží. Další výhodou je jednoduchá demontáž spojovaných částí, a tím i snadná recyklovatelnost. V článku je porovnávána únosnost zesíleného a nevyztuženého nosníku. Zjednodušeným výpočtem byla vypočtena momentová únosnost zesílení, která je přibližně o 26 % vyšší oproti nevyztuženému průřezu. Pro prokázání skutečné míry zesílení je potřeba vyztužený nosník posoudit podrobnějším výpočtem s uvážením vlivu ztrát předpínací síly v souvislosti se způsobem kotvení, způsobem vnesení předpětí, změnou směru ocelového lana, dotvarování dřeva vlivem délky trvání zatížení, apod.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.

Literatura

  1. Hataj M., Vídenský J.: Vyztužený dřevěný nosník. Užitný vzor CZ 26812 U1. Praha, 2014.
  2. ČSN EN 338 – Konstrukční dřevo – Třídy pevnosti. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Praha, 2016
 
Komentář recenzenta
doc.Ing. Antonín Lokaj, Ph.D., VŠB TU Ostrava
Článek se zabývá aktuální problematikou – zesílením dřevěného nosníku.
Problematika zesilování ohýbaných dřevěných nosníků je dlouhodobě předmětem výzkumu. Dřevo a materiály na bázi dřeva jsou pro své mechanicko-fyzikální vlastnosti využívány ve stavebnictví od nepaměti, nicméně nižší pevnostní a přetvárné charakteristiky v porovnání s ocelí a betonem často vedou k potřebě navrhování větších průřezů, zejména u ohýbaných nosníků. V případě prostorového omezení jsou pak projektanti nuceni provádět zesílení těchto nosníků. K dipspozici mají projektanti výběr mnoha způsobů zesílení. Autor uvádí v článku inovativní způsob zesílení nosníku ocelovými lany ukotvenými v koncových oblastech nosníku chráněný užitným vzorem.
English Synopsis
Timber beam reinforced by steel cable

This paper presents a technical solution for bended timber beams and their strengthening. Beams exposed to bending are of the most common use as structural elements. King-post trusses, sling-braced trusses, tie-rod trusses or additional timber beams were assembled to cover large spans in the past. These structures required using additional structural members which limited the space above or underneath a subjected beam. The technical solution presented herein considers a tie-rod truss principle applied on a beam, similar to post-tensioning reinforced concrete structures.

 

Hodnotit:  

Datum: 27.2.2017
Autor: Ing. Martin Hataj, ČVUT Praha, UCEEB
Recenzent: doc.Ing. Antonín Lokaj, Ph.D., VŠB TU Ostrava



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


 
 

Aktuální články na ESTAV.czStředočeský kraj požádal ministerstva o peníze na nové školkyFeng shui – Tao, jing, jan a symbolika v praxi4 zásady, podle kterých byste měli vybírat vchodové dveřeJsou všechny venkovní stínící systémy vhodné do každého počasí?