Lepené spoje dřevěných nosníků s využitím LVL

1. Úvod – specifikace problematiky

Dřevo je jedním z nejstarších stavebních materiálů, které se lidstvo naučilo využívat. Dřevo, materiály na bázi dřeva a jeho kompozitní materiály jsou ve stavebnictví ceněny pro své výhodné konstrukční vlastnosti, jako je pevnost, nízká hmotnost, snadná opracovatelnost a dobré izolační vlastnosti. Velkou výhodou je skutečnost, že dřevo patří mezi obnovitelné zdroje. Dřevostavby se v posledních letech rozvíjejí se stále větší intenzitou a to přináší nové trendy nejen do oblasti inovativních materiálů na bázi dřeva, ale i do oblasti jejich spojů. Vedle již poměrně dobře normativně popsaných [1] a [2] a laboratorně testovaných [3] až [5], spojů s vlepovanými ocelovými prvky (desky, tyče), resp. příložkami, se ve stavebnictví používají i lepené spoje dřevo–dřevo. Vedle nábytkářského průmyslu je možno tyto spoje používat především při rekonstrukcích dřevěných prvků – jako zesilování nebo k přípojům náhrad poškozených částí nosníků. Příspěvek navazuje na předchozí výzkumy publikované v [6].

2. Popis materiálu testovaných vzorků spojů

Pro laboratorní testování byly sestaveny zkušební vzorky nosníků o rozměrech 140×200×1400 mm z rostlého dřeva pevnostní třídy C24. Pro vnější lepené prvky byly použity příložky z překližek D40 o rozměrech 27×140×280 mm a vrstveného dřeva (LVL) 39×140×280 mm.

Pro vytvoření lepené spáry bylo použito dvousložkové epoxidové lepidlo s nízkou viskozitou. Před testováním byly vzorky klimatizovány na standardní teplotu 20±2 °C a vlhkost 12±0,5 %.

3. Laboratorní testování

Statické testy spojů ve čtyřbodovém ohybu byly provedeny v lisu EU100 v laboratoři FAST VŠB-TU Ostrava v sériích po 10 vzorcích (obr. 1). Rychlost zatěžování vzorků byla zvolena tak, aby k porušení došlo v rozmezí 300±120 sec, což odpovídá krátkodobé pevnosti dřeva podle platných evropských norem [1] a [2]. Během testu byla zaznamenávána síla (rozdělená do třetin rozpětí nosníku) a odpovídající svislá deformace spoje (obr. 6)

Obr. 1: Schéma uspořádání laboratorní zkoušky

4. Numerické modelování

V programu ANSYS byl sestaven objemový model s užitím konečných prvků SOLID45 a pomocných prutových prvků BEAM189. Objemovými prvky byly modelovány sledované části konstrukce a spoje. Prutovými prvky byly simulována hlava lisu a její roznos na ocelové otlačné desky. Numerický model byl vypracován s uvážením konstrukční (kontaktní úloha), geometrické a fyzikální nelinearity. Fyzikální nelinearita byla zohledněna v materiálových modelech jednotlivých částí konstrukce spoje.

5. Výsledky testů spojů

Laboratorní testování lepených spojů

Při destruktivním laboratorním testování lepených spojů v ohybu docházelo u většiny testovaných vzorků k primárnímu porušení v prvních vrstvách skladby příložek, ať už u vrstveného dřeva (LVL), tak i u překližky. Jen u minima vzorků došlo k porušení ve středovém dřevěném prvku.

Na obrázcích 2–5 jsou znázorněny typické deformace lepených příložek z vrstveného dřeva a překližky po kolapsu spoje.

Obr. 2 a 3: Typické porušení testovaných vzorků – vrstvené dřevo (LVL)

Obr. 4 a 5: Typické porušení testovaných vzorků – překližka

Průměrná hodnota svislé síly na mezi únosnosti spojů nosníků s lepenou vnější překližkou (namáhaných podle schématu na obr. 1) je 46,43 kN, čemuž odpovídá moment únosnosti spoje o hodnotě 9,29 kNm. U spojů s vrstveným dřevem činila průměrná hodnota síly na mezi únosnosti 33,59 kN, čemuž odpovídá ohybový moment únosnosti spoje 6,72 kNm.

Na obrázku 6 jsou uvedeny průměrné deformační křivky (vztah: svislá síla – průhyb spoje) souborů vzorků s lepenými příložkami z překližky a vrstveného dřeva (LVL).

Obr. 6: Deformační křivky testovaných souborů vzorků

Numerické modelování spoje

Na obrázcích 7 a 8 jsou znázorněna smyková napětí ve vnějších vrstvách příložek z překližky a LVL. Napětí dosahuje maximální hodnotu 6,01 MPa pro překližku a 5,17 MPa pro LVL.

Obr. 7 a 8: Smykové napětí ve vnější vrstvě překližky (vlevo) a LVL (vpravo)

Na obrázcích 9 a 10 jsou znázorněna smyková napětí v rovině zatěžování v dřevěném prvku ve spoji s překližkou (vlevo) a LVL (vpravo). Napětí dosahuje maximální hodnotu 5,17 MPa pro překližku a 3,93 MPa pro LVL.

Obr. 9 a 10: Smykové napětí ve vnější vrstvě překližky (vlevo) a LVL (vpravo)

Výpočet dle norem

Výpočtem únosnosti ohybovým momentem namáhaného spoje podle norem [1] a [2] lze stanovit minimální hodnotu svislé síly v lepené spáře o hodnotě 4,25 kN pro daný zatěžovací mechanismus, kde není zajištěno rovnoměrné rozdělení smykového napětí. Této síle odpovídá hodnota ohybového momentu ve spoji o velikosti 0,85 kNm. Pokud by bylo zajištěno rovnoměrné rozdělení smykového napětí v lepené spáře, pak minimální hodnota únosnosti bude dána porušením ve vnitřní vrstvě příložky a hodnota svislé síly bude činit 6,80 kN pro daný zatěžovací mechanismus podle obr. 1, čemuž odpovídá ohybový moment 1,36 kNm.

6. Závěry

Průměrná hodnota únosnosti spoje s přilepenými příložkami v ohybu zjištěná laboratorními testy je mnohem vyšší, než hodnota stanovená konzervativně podle příslušných norem. Z obr. 6 je zřejmé, že deformační odezva lepených spojů na zatížení je téměř po celou dobu zatěžování lineární. Po dosažení únosnosti spoje dochází k okamžitému křehkému lomu. Nízká duktilita lepených spojů je jednou z příčin poměrně konzervativních hodnot únosnosti těchto spojů stanovovaných podle příslušných platných norem pro navrhování dřevěných konstrukcí. Pro zvýšení bezpečnosti těchto lepených spojů by bylo vhodné spoje doplnit o spojovací prostředky se schopností plastické deformace.

Oznámení

Příspěvek byl realizován s podporou prostředků Koncepčního rozvoje vědy, výzkumu a inovací pro rok 2017 přidělených VŠB-TU Ostrava Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky.

Literatura

1. ČSN EN 1995-1-1, Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí- Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 2006.
2. ČSN 73 1702, Eurokód 5: Navrhování, výpočet a posuzování dřevěných stavebních konstrukcí – Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby ČNI, Praha, 2007.
3. Vavrušová, K., Mikolášek, D., Lokaj, A., Klajmonová, K., Sucharda, O., Pařenica, P., Determination of carrying capacity of steel-timber joints with steel rods glued-in paralles to grain, In Wood Research, Slovenský drevársky výskumný ústav, Bratislava, 2016, vol. 61 (5), pp. 733–740, ISSN 1336-4561.
4. Gustafsson J., Serrano E., Aicher S. and Johansson C. J., 2001: Strength design equation for glued-in rods, In International RILEM Symposium Joints in timber structures, Stuttgart, Pp 323–332.
5. Guan, Z. W., 1998: Structural behavior of glued bolt joints using FRP, In WCTE 98(1): 265–272. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, Lousanne.
6. Vavrušová, K., Lokaj, A., Mikolášek, D., Fojtík, R., Žídek, L., Longitudinal glued joints of timber beams and the influence of quality manufacturing onto their carrying capacity, In Wood Research, Slovenský drevársky výskumný ústav, Bratislava, 2016, vol. 61 (4), pp. 573–581, ISSN 1336-4561.