Rámový roh – návrh a skúšanie

1. Úvod

Obr. 1: Prípoje s použitím vlepovaných oceľových tyčí (Duchoň 2016)

Nosné drevené konštrukcie sa dnešnej dobe bežne navrhujú s polotuhým pôsobením prípojov (Obr. 1). Na jednej strane je za touto snahou cítiť ekonomické hľadisko, na strane druhej je zámer architektov, pretože dochádza k možnosti vytvárania tuhých, resp. polotuhých rámových rohov, čím sa môže dosiahnuť redukcia počtu diagonálnych vystužovadiel. Pri snahe o vytvorenie tuhých prípojov v drevených konštrukciách sa donedávna často argumentovalo ekonomickou stránkou. Popri úspešných experimentoch a zároveň realizáciách prípojov s vlepovanými oceľovými tyčami (Duchoň 2016; Mikolášek a kol. 2015) sú v hre aj novodobé spojovacie prostriedky kolíkového typu vo forme celozávitových skrutiek, ktoré môžu túto snahu posunúť znova dopredu.

Celozávitové skrutky so širokým závitom majú výbornú odolnosť pri namáhaní v smere osi drieku. Táto vlastnosť prispieva aj k odolnosti pri namáhaní kolmo na os skrutky, aj napriek malému priemeru jadra drieku skrutky, ktorá vychádza z lanového efektu pôsobenia spojovacieho prostriedku (Obr. 2). Príspevok z lanového efektu je pri mnohých spojovacích prostriedkoch obmedzený v STN EN 1995-1-1 (kapitola 8.2.2 [2]). S plnou hodnotou odolnosti na vytiahnutie F_ax,Rk pri namáhaní kolmo na os drieku skrutky je možné uvažovať jedine pri skrutkách.

Obr. 2: Lanové pôsobenie spojovacích prostriedkov (foto: Rothoblaas)

2. Testovaný prípoj

Overovaný prípoj bol navrhnutý podľa reálneho projektu, ktorého autorom je Ing. František Lužica. Ide o prípoj stĺp-prievlak, pričom prenos priečnych síl mal zabezpečovať prvok firmy Sherpa a ohybové momenty oceľový plech a kombinácia celozávitových skrutiek. Rozmery prvkov sú uvedené v Tab. 1.

Celozávitové skrutky aplikované pod uhlom 45°, mali úlohu prenášať ťahové sily pri hornom okraji nosníka (Obr. 3).

Obr. 3: Obrázok rámového rohu

Prenos tlakovej sily, ktorá vznikla pri spodnom povrchu nosníka, mala zabezpečiť hliníková koncovka. Keďže plocha hliníkovej koncovky nebola dostatočná pre prenos tlakových síl pôsobiacich kolmo na vlákna stĺpa, bolo potrebné pod koncovku umiestniť ďalšie celozávitové skrutky, ktoré zabezpečovali priaznivejší prenos tlakových síl kolmo na vlákna (Obr. 4).

Obr. 4: Hliníková koncovka Sherpa a skrutky Rothoblaas zosilňujúce stĺp v mieste namáhania tlakom kolmo na vlákna

3. Realizácia skúšky

Experimentálne overovanie prípoja bolo realizované v zrekonštruovanom laboratóriu Katedry kovových a drevených konštrukcií Stavebnej fakulty STU v Bratislave. Prípoj rámového rohu bol dimenzovaný na prenos vertikálnej sily 33 kN na ramene 1,3 m, teda na ohybový moment 42,9 kNm (Obr. 5 a Obr. 6). Postup zaťažovania bol určený v súlade s normou STN EN 380. Rovnakým spôsobom boli odskúšané tri vzorky.

Obr. 5: Skúšobná zostava

Obr. 6: Rámový roh pri maximálnom namáhaní

Pri dosiahnutí navrhovanej odolnosti 33 kN boli pozorované priehyby 55,8; 53,9 a 41,2 mm, teda priemerne 50,3 mm. Z nameraných údajov bolo možné odvodiť tuhosť skúšaného styčníka, čo predstavovalo 1130 kNm/rad.

Pri skúškach boli dosiahnuté maximálne sily 44,3 kN; 45,5 kN a 43,3 kN, teda priemerne 44,4 kN. Pri porušení boli namerané deformácie 75,1 mm; 74,2 mm; 51 mm, teda priemerne 66,8 mm.

Počas skúšky sa konzola správala veľmi pružne. Po porušení a následnom odľahčení vzorky sa cca 60 % deformácií vrátilo. Trvalá deformácia konzoly zostala na priemernej úrovni 26 mm, čo predstavuje asi 40 % najväčšej deformácie (Obr. 5 a Obr. 6).

V prípoji boli pozorované stlačenia pri spodnom okraji nosníka a roztvorenie pri hornom povrchu, ktoré vykazovali veľmi podobné hodnoty. Aj napriek zosilneniu tlačenej oblasti celozávitovými skrutkami boli deformácie pomerne veľké.

Po rozobratí vzoriek nebolo pozorované poškodenie celozávitových skrutiek. Pri veľkých deformáciách konzoly došlo k ohnutiu hrubého plechu v ťahanej zóne. Porucha prípoja nastala v dreve, hlavne pôsobením priečneho ťahu. Tento efekt je možné eliminovať použitím ohnutého plechu za vonkajší okraj stĺpa.

4. Záver

Pri testovaní vzoriek rámového rohu bola pozorovaná veľká pružnosť a duktilita prípoja (duktilita predstavuje pomer medzi deformáciou na medzi porušenia a deformáciou pružnou). Vhodnou duktilitou je možné zabezpečiť rovnomerné prerozdelenie zaťaženia na jednotlivé spájacie prostriedky a zabrániť náhlym, krehkým porušeniam prípojov na medzi odolnosti. Získaná odolnosť prípoja s 30percentnou rezervou splnila očakávania. Problémom zostávajú väčšie deformácie a tuhosť prípoja.

Realizované skúšky je možné považovať za jeden z prvých krokov vo vývoji novodobých polotuhých prípojov. Poznatky získané pri meraniach budú použité v ďalších skúškach vylepšených vzoriek.

Literatúra

1. Duchoň, V. – Klas, T. – Katona, O.– Brodniansky, J. – Balcierák, Ľ, – Sandanus, J. – Sógel, K. (2016): Experimental Tests of Timber Connections with Glued-in Rods in Bending. Wood Research,Vol. 61, No. 4, 2016
2. Mikolášek, D. – Vavrušová, K. – Sucharda, O. – Pařenica, P. – Fojtík, R. – Hurta, J. (2015): Numerické modely lepených kotev doplněné experimentálním měřením. Vysoká škola báňská, Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební, 2015
3. STN EN 1995-1-1 + A1. Navrhovanie drevených konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecne – Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy. SÚTN, 2008
4. STN EN 380. Drevené konštrukcie. Skúšobné metódy. Všeobecné zásady skúšania statickým zaťažením. SÚTN, 1998