Kolíkové spoje v dřevěných konstrukcích
Experimenty – Navrhování – Použití v konstrukcích
Navrhování, konstrukční řešení a provádění spojů s kolikovými spojovacími prostředky souvisí s řadou dalších důležitých témat. Především se jedná o využití výsledků experimentálního výzkumu spojů a zohlednění poznatků ze skutečného působení těchto spojů v konstrukcích, včetně konstrukcí historických. Příspěvek je po obsahové stránce sestaven tak, aby zahrnoval starší a historické konstrukce, shrnutí poznatků z experimentálního výzkumu a využití kolíkových spojů v současných konstrukcích. Čtenáře by mohla zaujmout část textu týkající se historických konstrukcí, protože mnohé principy konstruování těchto spojů jsou uplatňovány i v současných konstrukcích, i když v různých modifikacích a při využívání nových materiálů. Zásadní částí článku jsou konstrukce realizované podle návrhu autorů příspěvku, kde zájemce může nalézt inspiraci a způsoby řešení detailů s kolíkovými spoji.
1. Úvod
Volba vhodného typu spojovacích prostředků v přípojích, stycích a dalších konstrukčních detailech ovlivňuje zásadním způsobem dimenze spojovaných nosných prvků a dílců a celkovou skladbu konstrukce. Únosnost a tuhost dřevěných konstrukcí závisí v podstatné míře na únosnosti a tuhosti spojů a na jejich konstrukčním uspořádání.
Spoje s kolíkovými spojovacími prostředky patří do kategorie mechanických spojů. Používaly se v konstrukcích prakticky od nejstarších dob. Vývoj nejrůznějších druhů těchto spojů je úzce spjat s vývojem konstrukčních systémů.
Dodnes jsou v užívání konstrukce s dřevěnými kolíkovými spojovacími prostředky (například halové a kopulové konstrukce vytvořené z oblouků systému de L´ Orme, některé konstrukce tzv. Štěpánovy soustavy rámového nebo obloukového typu). Technika spojování dřevěných prvků pomocí dřevěných spojovacích prostředků byla rozvinutá již v historicky dávném období, ovšem stále jsou tyto spoje předmětem experimentálního a teoretického výzkumu.
Podle druhu spojovaných materiálů a ve smyslu norem pro navrhování dřevěných konstrukcí se rozlišují spoje typu „dřevo-dřevo“, „ocel-dřevo“ a „deska-dřevo“ (míněno spojení s použitím deskového materiálu na bázi dřeva).
Podle typu konstrukce a závažnosti řešeného problému mohou být při návrhu voleny zjednodušené metody ve smyslu norem pro navrhování dřevěných konstrukcí anebo přesnější metody vycházející z výsledků experimentálních testů spojů a z analýzy jejich působení v reálných konstrukcích. Z hlediska vývoje dřevěných konstrukcí jsou důležité poznatky získané průzkumem chování realizovaných konstrukcí, včetně konstrukcí historických, zejména při jejich dlouhodobém působení v reálných podmínkách. Vyhovující stav spojů a na druhé straně případné vyskytující se poruchy (v některých případech vedoucí i ke ztrátě únosnosti) jsou vedle prostorové stability zásadním kriteriem při hodnocení celkového stavu konstrukcí.
2. Historické a starší konstrukce
Příkladů využití různých druhů a typů kolíkových spojů v historických a starších dřevěných konstrukcích lze uvést mnoho. Uplatňovaly se v konstrukcích pozemních staveb, v konstrukcích lávek a mostů i ve speciálních dřevěných konstrukcích různého účelu. Existuje řada knižních publikací, článků v odborných časopisech a příspěvků na internetu, které popisují konstrukční řešení detailů s kolikovými spoji a jejich posuzování ve smyslu starších i současných norem.
Poznatky, vyplývající z průzkumů a vyhodnocení dlouhodobého působení těchto konstrukcí, je účelné využívat nejen při sanacích a rekonstrukcích, ale též při navrhování konstrukcí nových. Jedno je jisté – při správném navržení a konstrukčním provedení detailů nejsou mechanické kolíkové spoje „slabým“ místem konstrukcí a lze navrhovat a realizovat tyto konstrukce na velká rozpětí, se značnou intenzitou zatížení i působící v nepříznivých klimatických podmínkách. Na druhé straně, v případech, že nejsou detaily kolíkových spojů správně konstrukčně navrženy a posouzeny, mohou být významnou příčinou poruch i havárií celého konstrukčního systému. Zvýšenou pozornost je třeba vždy věnovat montážním spojům, které patří z hlediska únosnosti i tuhosti k nejdůležitějším detailům na konstrukci. Nezřídka se setkáváme s tím, že se opomíjí významný vliv excentricit ve stycích a přípojích. Vzhledem k velikosti spojovaných dřevěných průřezů (hlavně jejich šířky), kdy je potřeba do spojů umístit potřebný počet spojovacích prostředků v odpovídajících vzdálenostech a roztečích, je nutno s excentricitami ve spojích počítat. Projevují se vznikem přídavných momentových účinků, které v řadě případů významně ovlivňují namáhání spojů.
Uvedené skutečnosti se vztahují samozřejmě nejen na konstrukce historické, ale rovněž na konstrukce nově navrhované, respektive i v nedávné době realizované. Dokonce na základě výsledků průzkumu řady historických konstrukcí různého typu a účelu lze konstatovat, že u konstrukcí, které jsou funkční v současné době s perspektivou dalšího dlouhodobého užívání, jsou spoje ve většině případů provedeny precizně a koncepčně správně. To, že spoje nemusí plně splňovat požadavky současných norem pro účinky zatížení a navrhování dřevěných konstrukcí je druhá věc. Na druhé straně je třeba vzít v úvahu, že tyto konstrukce působí spolehlivě již po dlouhou dobu prakticky bez poruch či významných závad. Degradace dřeva působením dřevokazných činitelů patří do jiné kategorie. Sanace či rekonstrukce těchto konstrukcí je téměř vždy spojena s dispozičními úpravami, výměnou některých funkčních vrstev (střešního pláště, izolace, instalací apod.), což znamená zvýšení zatížení a namáhání spojů. Zesílení spojů kolikového typu nebývá konstrukčním problémem, většinou lze dodržet způsob, kterým byly provedeny původní detaily a tím zachovat původní uspořádání konstrukce.
Z mnoha používaných historických systémů využívajících spoje kolíkového typu (například nosníkové, rámové a obloukové konstrukce Štěpánovy soustavy, krovy sakrálních i občanských objektů, věžové stavby, rozhledny a další konstrukce) byl do příspěvku vybrán typický historický konstrukční systém založený na využití oblouků de L´ Orme – střešní konstrukce jízdárny zámku v Letovicích.
Obr. 1 Příčný řez střešní konstrukcí jízdárny zámku v Letovicích s oblouky de L´ Orme
Hlavní nosný systém konstrukce je tvořen oblouky typu de L´ Orme (Obr. 1, Obr. 2). Zásadním konstrukčním detailem je spojení lamel kolíkovými spojovacími prostředky. U historických konstrukcí jsou kolíky vyrobeny zpravidla z dubového dřeva, svorníky jsou spínací, zabraňují rozevírání spár mezi spojovanými lamelami. K porušení může docházet v oblasti kolíkových spojů lamel působením příčných tahových napětí, která vznikají při přenosu účinků zatížení, případně i vlivem význačných změn vlhkosti dřeva bobtnáním a sesycháním (pokud docházelo k zatékání do konstrukce). Porušení se projevuje vznikem charakteristických trhlin. U zmiňované konstrukce k poruchám tohoto typu nedocházelo (Obr. 3).
Obr. 2: Návrh sanace dřevěné střešní konstrukce – doc. Ing. B. Straka, CSc.; sanace zděných stěn a základů – doc. Ing. Z. Bažant, CSc. a doc. Ing. L. Klusáček, CSc. (2005)
Obr. 3: Kolíkové spoje v přípojích lamel. Kolíky jsou z dubového dřeva, svorníky mají funkci spínací. Z průzkumu bylo patrné, že kontaktní spáry mezi spojovanými lamelami jsou těsné, ve spojích nedošlo za dobu působení konstrukce ke vzniku trhlin vlivem příčných tahových napětí.
Poznatky z působení a konstrukčního řešení spojů starších a historických konstrukcí lze uplatňovat i při návrhu a realizaci současných konstrukcí, případně s uplatněním lepených prvků, nových typů materiálů na bázi dřeva, spojovacích prostředků a výztužných materiálů (fólií či tkanin) eliminujících nepříznivý vliv příčných tahových napětí v oblasti spojů.
Konstrukce střechy ZŠ v Brně-Soběšicích je vytvořena jako klenbová soustava ze zakřivených žeber systému de L´ Orme nad půdorysem 14,5 × 19 m (Obr. 4).
a)
b)
c)
d)
Obr. 4: Střešní konstrukce ZŠ v Brně-Soběšicích:
a) osazování obloukových žeber nad stávající nevyhovující konstrukcí krovu, b) montáž žeber klenby, c) střešní konstrukce po dokončení v r. 1997, d) konstrukce v r. 2016
Návrh zmíněné konstrukce vycházel ze základního záměru provést novou střešní konstrukci nad stávajícím nevyhovujícím krovem, který se po smontování konstrukce rozebere a odstraní (architektonické řešení – prof. Ing. M. Stehlík, CSc., dřevěná konstrukce střechy doc. Ing. B. Straka, CSc.). Výroba obloukových žeber s mechanickými spoji kolíkového typu je jednoduchá a mohou ji zabezpečit firmy s běžným vybavením pro výrobu dřevěných konstrukcí. Tvar oblouků je možné snadno přizpůsobit architektonickému návrhu.
3. Experimentální testy kolíkových spojů
Mezi často používané spoje s kolíkovými spojovacími prostředky patří spoje se styčníkovými plechy, které jsou vkládány do spár vyřezaných ve dřevěných profilech. Plechy mohou být i vnější, případně vnitřní i vnější. Dřevěné prvky mohou být vyrobeny z rostlého nebo lepeného dřeva.
Experimentální a teoretický výzkum v oblasti kolíkových spojů s ocelovými spojovacími prostředky se v současné době zaměřuje zejména k problematice:
- dlouhodobého působení kolíkových spojů v různých teplotně-vlhkostních podmínkách;
- působení kolíkových spojů při opakovaném a dynamickém namáhání;
- požární odolnosti kolíkových spojů;
- účinnosti metod zesilování kolíkových spojů se zřetelem k negativnímu působení příčných tahových napětí;
- vlivu mechanických vlastností dřevěných a ocelových prvků na působení spojů;
- skutečného působení při spojování prvků z tvrdého dřeva;
- vlivu sesychání a bobtnání dřeva na chování spojů při změnách vlhkosti.
Experimentální měření na základě zatěžovacích zkoušek představuje nejvýstižnější způsob ověřování konstrukčních detailů. Zatěžovacími zkouškami lze získat dostatečně objektivní a komplexní poznatky o působení spoje při uvažovaném režimu zatížení i uspořádání spoje z hlediska použitých materiálů, geometrie a provedení.
Zatížení zkušebních těles lze simulovat jako statické (s plynulým nárůstem intenzity až do porušení), statické opakované (s definovaným tvarem, intenzitou a rychlostí zatížení / odtížení) nebo dynamické (se zadanou frekvencí a rozkmitem). Způsob a přesnost vnášení zatížení do zkušebních těles jsou závislé na uspořádání a tuhosti přípravků, které tvoří článek mezi zkušebním tělesem a zařízením, vyvozujícím zatížení. Lze tak poměrně přesně simulovat požadované okrajové podmínky – od „ideálního“ kloubu až po vetknutí.
Uspořádání experimentů je třeba primárně navrhnout podle možností zkušebního zařízení s ohledem na možné rozměry zkušebních těles, jejich uchycení ve zkušebním zařízení a způsobu a formy zatěžování.
Pro experimentální analýzu spojů byla vybrána v konstrukční praxi často navrhovaná a prováděná konfigurace kolíkového spoje dřevěných prutových prvků z konstrukčního dřeva, vloženého ocelového plechu a ocelových kolíků.
V první fázi byly zkoušky spojů prováděny na prvcích z rostlého dřeva. V případě, který je prezentován v článku byl základní materiál z lepeného lamelového dřeva (BSH). Oproti řezivu zajišťuje předpokládanou vlhkost, menší toleranci rozměrů a menší tvarové a geometrické odchylky prvků. Přirozené vady lepeného dřeva jsou ve srovnání s řezivem méně významné, materiál tedy v menší míře ovlivňuje výsledky experimentálního měření z hlediska přirozených vad dřeva i geometrických odchylek prvků. Třída pevnosti materiálu byla zvolena GL 24h, korespondující s nejčastější volbou v konstrukční praxi. Dimenze obdélníkového průřezu: 120×160 mm.
Vložený (styčníkový) plech byl navržen z oceli třídy pevnosti S355. Použitá tloušťky plechu byla zvolena 6 mm. Ze statického hlediska by byla dostačující i tloušťka menší (4 nebo 5 mm). S přihlédnutím k reálným imperfekcím spoje, které by mohly vyvolat namáhání plechu ohybem v rovině menší tuhosti, byla zvolena tloušťka plechu 6 mm s šířkou výřezu 8 mm.
Kolíkové prvky byly voleny v alternativním provedení, a to o shodném vnějším průměru 16 mm a délce odpovídající tloušťce dřevěného prvku. Alternativně byly osazeny kolíky hladké a závitové tyče. Hladké kolíky byly zhotoveny jednak z oceli obvyklé jakosti – třídy pevnosti S355 a jednak byly použity kolíky vysokopevnostní z nízkolegované oceli 1.3505 s mezí pevnosti 750 MPa. Závitová tyč M16 byla použita alternativně třídy pevnosti 8.8 a 5.8. Vzájemné vzdálenosti mezi kolíky, od krajů a od konce dřevěného prvku byly navrženy podle doporučení ČSN EN 1995-1-1. Uspořádání spoje je patrné z Obr. 5.
Účelem analýzy bylo vzájemné porovnání chování spojů s kolíky, tj. bez účinku spínací síly Fax, a to při použití kolíků různé pevnosti (490 až 800 MPa) a provedení (hladký vs. závitová tyč). Kolíky ve formě závitové tyče se obvykle nepoužívají, nicméně lze očekávat, že vzájemné rozdíly (relace) v chování příčně namáhaného spoje mezi různým provedením kolíkových elementů budou obdobné pro svorníky i kolíky.
Obr. 5: Geometrické uspořádání analyzovaného spoje
Uspořádání a zatěžování zkušebních těles bylo navrženo tak, aby odpovídalo reálnému stavu spojů v nosné konstrukci. Cílem ani snahou nebylo simulovat „ideální“ podmínky chování spoje, ale ověřit jeho chování při standardních podmínkách. Zkušební tělesa byla připojena ke zkušebnímu zařízení pomocí ocelových přípravků tak, aby analyzovaný spoj byl namáhán osovou tahovou silou s možným doplňkovým namáháním nízké intenzity od případných imperfekcí.
Experimenty byly prováděny v laboratořích Výzkumného centra AdMaS v Brně. Uspořádání analyzovaných spojů a experimentů je zachyceno na Obr. 5 a 6.
Obr.6: Uspořádání zatěžovací zkoušky (vlevo); analyzovaný přípoj – v daném případě vyztužený příčně osazenými dvouzávitovými vruty typu sfs (vpravo)Zatěžování zkušebních těles tahovou silou bylo vyvozováno elektrohydraulickými válci s kapacitou 500 kN (INOVA). Součástí měřících zařízení byly tenzometrické siloměry a snímače polohy pístu (příčníku). K měření relativních posunů byly použity induktivní snímače dráhy od firmy Hottinger Baldwin Messtechnik HBM WA. Zpracování dat, získaných při experimentálním měření bylo provedeno pomocí softwaru ke zkušebnímu zařízení CatmanEasy.
Průběh zatěžování byl proveden v souladu s normativními dokumenty, které pro konkrétní typ prováděných zkoušek předepisují postup zatěžování. Pro zkoušky kolíkových spojů je proces předepsán v ČSN EN 26891:
- zatížení zkušebního tělesa na úroveň 40 % předpokládané síly ve spoji;
- výdrž 30 sekund;
- snížení intenzity zatížení na úroveň 10 % předpokládané síly ve spoji;
- plynulé zatěžování do porušení vzorku.
Rychlost zatěžování je konstantní, volí se v mm/min nebo kN/min tak, aby celková doba zkoušky byla 10 až 15 minut. Během zkoušky bylo prováděno kontinuální zaznamenávání času, velikosti síly, posunu příčníku a deformace spoje v podélném a příčném směru.
Významným problémem kolíkových spojů s vnitřním plechem, který má zásadní dopad na únosnost spoje, je riziko skupinového porušení dřeva a jeho rozštípnutí. Jedná se o poměrně časté formy selhání spoje, zejména při uspořádání s vyšším počtem kolíkových prvků v řadách ve směru vláken a taktéž u konstrukcí v exteriéru (3. třídě prostředí), kde dochází ke kolísání vlhkosti vyšší intenzity, doprovázené objemovými a tvarovými změnami i vznikem a rozvojem trhlin. K rozštípnutí dřeva dochází v důsledku překročení lokálního namáhání dřevěného prvku (v oblasti kontaktu dřeva s ocelovým kolíkem) tahem kolmo k vláknům. Eliminaci těchto nepříznivých forem porušení spoje může v určitých případech řešit zesílení (respektive vyztužení) konstrukčních prvků v místě spoje.
V oblasti kolíkových spojů dřevěných prvků je problematika zesílení téma nanejvýš aktuální. Jsou obecně známé možnosti zvýšení odolnosti dřevěných prvků proti skupinovému porušení i formy zamezení (respektive snížení rizika) rozštípnutí dřeva, jejich aplikace je ovšem zcela v režii konstruktéra – statika, neboť návrh a ověření zesílení kolíkového spoje nemá v současnosti potřebnou oporu v platných normativních dokumentech.
Mezi stávající možnosti zesílení kolíkových spojů dřevěných prvků patří například aplikace lepené pevnostní tkaniny ze skelných nebo uhlíkových vláken na celém nebo pouze části povrchu prvku v místě spoje, osazení závitových tyčí, které jsou vlepeny kolmo ke kolíkovým elementům spoje nebo osazení vrutů kolmo ke kolíkovým elementům spoje.
Nemalá část dřevěných nosných konstrukcí je navrhována jako tzv. pohledová, důležitým faktorem případného zesílení spoje je tedy i hledisko estetické, kdy provedené zesílení spoje nesmí narušovat vzhled konstrukčních prvků.
V rámci studie byl analyzován vliv některých způsobů zesílení (vyztužení) spoje na jeho chování. Zesílení bylo navrženo alternativně v těchto variantách:
- zesílení pomocí vrutů, osazených v příčném směru spoje u každé řady kolíků (například dle Obr. 6, vpravo) nebo osazených na konci spoje za poslední řadou kolíků;
- zesílení pomocí uhlíkové tkaniny, přilepené epoxidovým lepidlem na konci dřevěného prvku za poslední řadou kolíků nebo vlepené pomocí epoxidového lepidla do rozšířeného výřezu pro vložený ocelový plech na konci dřevěného prvku za poslední řadou kolíků (tzn. bez narušení vzhledu dřevěného prvku).
Cílem provedené analýzy kolíkových spojů dřevěných prvků dřeva bylo ověřit chování analyzovaného spoje při aplikaci kolíkových elementů různých mechanických vlastností, typů, a to při uvážení proměnných vzdáleností kolíkových elementů a zesílení spoje proti skupinovému porušení a rozštípnutí dřeva variantními způsoby.
Příklady porušení spojů po zatížení jsou patrné z Obr. 7. Závislost „síla – přetvoření“ pro vybrané varianty analyzovaných spojů je zachycena na Obr. 8.
Obr. 7: Porušené spoje po provedené zatěžovací zkoušce:vlevo – nevyztužený spoj; vpravo – spoj vyztužený uhlíkovou tkaninou
Obr. 8: Závislost „síla – přetvoření“ pro vybrané varianty analyzovaných spojů
Provedené zkoušky prokázaly, že normativní návrhová pravidla poskytují z hlediska navrhování spolehlivé a konzervativní výsledky; reálná únosnost spoje, ověřená experimentálním měřením, byla vždy vyšší.
4. Příklady využití kolíkových spojů v konstrukcích
V Tab. 1 jsou uvedeny konstrukce, u nichž byly jako hlavní spoje použity spojovací prostředky kolíkového typu „dřevo-dřevo“, „ocel-dřevo“ (dřevěné prvky spojované prostřednictvím vkládaných nebo vnějších ocelových plechů, případně ocelových tvarových elementů).
| P. č. | Typ konstrukce dle hlavního nosného dílce | Účel objektu | Rozpětí [m] | Základní typ spojů | Základní materiál | Místo | Rok |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | montované dřevostavby | rodinné domy | 9,0 až 11,6 | mechanické spoje kolíkového typu | rostlé dřevo hraněné řezivo | ČR, Německo, Rakousko, Dánsko | od 1994 |
| 2 | žebrová klenba z oblouků de L´ Orme | zastřešení školy | 14,5 | vnější plechy, svorníky | rostlé dřevo | Brno-Soběšice | 1995 |
| 3 | příhradové vetknuté oblouky | tenisová hala | 40,4 | vnitřní plechy, hřebíky, kolíky | rostlé dřevo hraněné řezivo | Frýdlant nad Ostravicí | 1997 |
| 4 | příhradové vazníky proměnné výšky | zastřešení centrálního dvorce | 24,4 | vnitřní plechy, hřebíky, kolíky | lepené dřevo, rostlé dřevo | Frýdlant nad Ostravicí | 1998 |
| 5 | trojkloubové příhradové oblouky | zastřešení sportovní haly | 59,5 | vnitřní plechy, hřebíky, kolíky | rostlé dřevo, hraněné řezivo | Bílovec | 2001 |
| 6 | příhradové vazníky proměnné výšky | zastřešení zimního stadionu | 40,4 | vnitřní plechy, hřebíky, kolíky | rostlé dřevo, hraněné řezivo | Vrchlabí | 2002 |
| 7 | lepené hlavní nosníky | lávka pro pěší | 24,0 | svorníky, hmoždíky | lepené dřevo | Brno | 2002 |
| 8 | lepené rámy se zakřiveným rámovým rohem | bazénová hala | 24,5 až 34,0 | vnitřní plechy, kolíky, přesné svorníky | lepené lamelové dřevo | Brno, Kohoutovice | 2010 |
| 9 | lepené hlavní nosníky | cyklolávky | 18,0 | mechanické spoje kolíkového typu | lepené lamelové dřevo | Pasohlávky, Ivančice | 2010 2014 |
| 10 | rámová soustava s obousměrnými rámy | horský hotel | max. 5,5×4,5 | vnitřní plechy, kolíky, přesné svorníky | lepené lamelové dřevo, rostlé dřevo | Strážné | 2012 |
| 11 | patrová rámová soustava | bytový dům | 8,4 | vnitřní plechy, kolíky, svorníky, hřebíky | lepené lamelové dřevo, rostlé dřevo | Říčany | 2016 |
| 12 | lepené hlavní nosníky + příhradová soustava | lávka pro pěší | 26,1 + 9,1 | vnitřní plechy, kolíky, přesné svorníky | lepené lamelové dřevo, rostlé dřevo | Brno, přehrada | 2017 |
Jako konkrétní příklad použití kolíkových spojovacích prostředků je v článku uvedena konstrukce dřevěné lávky spojující zastávku lodní dopravy na přehradě v Brně s protilehlým břehem pod hradem Veveří, realizovaná v r. 2017 (Obr. 9).
Konstrukce byla autory příspěvku navržena v roce 2014/2015. Investor – Dopravní podnik města Brna, a.s.; architektonické řešení – Ing. arch. Oldřich Prokeš (AAA STUDIO s.r.o.); výrobce a dodavatel konstrukce lávky – Střechy – POTÁČEK, s.r.o.; montáž lávky FIRESTA-Fišer, rekonstrukce, stavby, a.s.
Obr. 9: Konstrukční schéma zastřešené lávky na rozpětí 26,1 m. Nosný systém lávky tvoří dva lepené hlavní nosníky a spolupůsobící příhradová soustava se zkříženými diagonálami
Obr. 10: Charakteristický příčný řez zastřešené lávky
Základní nosný systém zastřešené lávky pentagonálního průřezu (Obr. 10) tvoří dva hlavní nosníky z lepeného lamelového dřeva GL 24h a příhradová soustava vyrobená rovněž z lepeného lamelového dřeva (horní pás GL 24h, diagonály a svislice GL 32h). Příhradová soustava je odkloněna od svislé osy přibližně o 7°. Na lávku o rozpětí 26,10 m navazuje spojovací lávka o rozpětí 9,05 m. Šířka lávky je 2,82 m.
Zásadním problémem při návrhu lávky byla volba druhu spojovacích prostředků a vyřešení konstrukčních detailů spojů. Pro hlavní konstrukční detaily byly použity přesné svorníkové spoje průměru 16 mm, respektive 20 mm, z oceli třídy pevnosti S355 (průměr vrtání do dřeva stejný jako průměr svorníku, průměr otvorů v ocelových prvcích o 1 mm větší). Pro přípoje sekundárních nosných prvků a ocelových spojovacích elementů byly použity vruty, typu SFS WT, respektive celozávitové vruty Rapid.
Při návrhu spojů byly využity výsledky získané z experimentálního výzkumu spojů kolíkového typu a poznatky ze skutečného působení těchto spojů v realizovaných konstrukcích.
V konstrukci se vyskytují spoje typu „dřevo-dřevo“ a „ocel-dřevo“. Při návrhu spojů bylo nutné uvážit zejména:
- možnost rozmístění spojovacích prostředků se zřetelem k dimenzím připojovaných dřevěných prvků, které respektovaly požadavky architektonického návrhu (z toho hlediska a na základě zkušeností z realizovaných staveb byly zvoleny přesné svorníky průměru 16 mm, S355),
- redukci únosnosti kolíkových spojů uspořádaných v několika řadách za sebou (využito únosnosti zesílených spojů a výsledků z experimentálních testů),
Obr. 11: Typický styčník v přípoji prutů příhradové soustavy k hlavnímu nosníku, pro svorníky jsou použity kryté (kloboukové) matice. - vliv tloušťky připojovaného dřevěného profilu na únosnost spoje (zejména v oblasti připojování diagonál a svislic šikmé příhradové soustavy k hlavním lepeným nosníkům),
- vliv zátkového a blokového smyku u spojů s vkládanými styčníkovými plechy,
- volbu podložek pod matice svorníků s ohledem na jejich dostatečnou tuhost při uvážení závěsného účinku na zvýšenou únosnost svorníků,
- očekávaný vliv sesychání a bobtnání při změnách vlhkosti v externím prostředí,
- vliv konstrukčních excentricit a přídavných napětí v přípojích spojovaných prvků,
- vliv dlouhodobého působení účinků zatížení na únosnost a tuhost kolíkových spojů.
Obr. 12: Přípoje příhradové soustavy jsou řešeny s použitím vkládaných plechů
Obr. 13: Podporový detail s připojením elastomerového ložiska
Obr. 14: Pohled na zastřešenou a spojovací lávku v Brně pod hradem Veveří
Pro přenesení podporových akcí v místech uložení lávky na betonové podpěry a opěry byla navržena soustava pěti elastomerových ložisek s vymezenou možností předpokládaného horizontálního posuvu. Ložiska jsou zabezpečena pojistným kotvením. Detail podporového styčníku je patrný z Obr. 13. Z vnitřní strany je k hlavnímu lepenému nosníku připojen ocelový příčník HEA 180 prostřednictvím čelní ocelové desky a přesných svorníků průměru 20 mm, S 355. S ohledem na zvýšené axiální namáhání svorníků a tím otlačení dřeva nosníku je v přípoji provedena obdélníková podložka. Ložisko umožňuje podélný vodorovný posun 30 mm.
Vyrobená konstrukce lávky s připojenými ložisky byla přepravena v celé délce přibližně 28 m na místo montáže v Brně pod hradem Veveří a uložena na betonové podpěry speciálním jeřábem přímo z transportéru. Vzhledem k nosnosti jeřábu při poměrně velkém vyložení nebyla součástí přepravované lávky konstrukce zastřešení a dubová vrstva mostovky. Tyto části byly smontovány až po uložení lávky na betonové podpěry.
5. Sanace konstrukcí s použitím kolíkových spojovacích prostředků
Poznatky z výsledků experimentálních testů a zkušenosti vyplývající z průzkumu realizovaných konstrukcí (postavených v období let 1985 až 2017) se spoji řešenými na bázi kolíkových spojovacích prostředků typu „ocel-dřevo“ i „dřevo-dřevo“ potvrzují, že tyto spoje spolehlivě splňují požadavky bezpečné únosnosti, tuhosti a použitelnosti i při opakovaném a dynamickém namáhání. Tento závěr se vztahuje i na konstrukce mostního typu, věže a rozhledny a konstrukce, které působí v nepříznivých podmínkách, jako jsou konstrukce zastřešení nad ledovými plochami a bazény.
Přesto se mohou vyskytnout některé případy, kdy dochází k porušení v oblasti těchto spojů. Nejzávažnější jsou poruchy montážních spojů. Tyto poruchy ale nevyplývají z vlastností zmiňovaných spojů. Hlavní příčiny jejich vzniku spočívají v nedostatečné únosnosti navržených spojů, nedodržení stanovených roztečí mezi spojovacími prostředky a vzdáleností od okrajů dřeva, nekvalitní výrobě či montáži. Vznik trhlin v místech spojů způsobený sesycháním a bobtnáním dřeva může být také podstatný v případech, kdy vlhkost dřeva se bude v reálných podmínkách působení konstrukce významně měnit vzhledem k vlhkosti, kterou dřevo obsahovalo při montáži konstrukce.
Jako příklad je v příspěvku uvedena porucha a sanace montážních styků lepených rámů střešní konstrukce. V oblasti montážních styků vznikly poruchy projevující se posunutím a natočením průřezů stykovaných částí – svislým poklesem v místě spoje, vznikem výrazných trhlin a vytržením části dřeva zátkovým smykem (Obr. 15). Sanace montážních spojů byla provedena (2017) nejprve injektáží dřeva v oblasti trhlin a poté zesílením původních spojů přesnými šrouby průměru 16 mm z oceli třídy pevnosti 8.8 (Obr. 16).
Obr. 15: Porušení spojovaných dřevěných prvků v místě montážního styku zátkovým smykem. Natočení spojovaných průřezů, typické smykové trhliny v oblasti kolíkových spojů.
Obr. 16: Porušený montážní kolíkový spoj po provedené sanaci trhlin injektáží a zesílení spoje přidáním šroubů a vnějších ocelových plechů
Efektivním typem prvků pro sanace dřevěných konstrukcí jsou vlepované závitové tyče. Nejde sice o mechanické spoje kolíkového typu, ale v řadě případů se na závitové konce tyčí připojují tvarové ocelové elementy, na které se pak připojují navazující dřevěné prvky.
6. Závěr
Mechanické spoje jsou součástí prakticky všech typů dřevěných konstrukcí. Spoje kolíkového typu patří mezi základní spojovací prostředky. Na celkové chování konstrukcí má významný vliv druh a uspořádání spojovacích prostředků ve spojích a poddajnost spojů v přípojích a stycích nosných prvků. Vliv poddajnosti mechanických spojů by měl být zohledněn při návrhu ohybově polotuhých přípojů například v oblasti rámových rohů, montážních styků lepených rámů a oblouků a v obdobných případech a také u příhradových konstrukcí větších rozpětí.
Cílem příspěvku bylo nastínit některé výsledky experimentálních testů kolíkových spojů s vnitřními styčníkovými plechy vkládanými do dřevěných prvků. Výsledky testů a poznatky získané ze skutečného působení těchto spojů jsou využívány při navrhování nových konstrukcí a sanacích poruch.
Literatura a použité materiály
- EHLBECK, J., WERNER, H., 1995: Bolted and dowelled joints. In: Timber Engineering, STEP 1, (ed. Blass, H.J. et al.). Pp C6/1–C6/6, Centrum Hout, The Netherlands.
- KANÓCZ, J., BAJZECEROVÁ, V., ŠTELLER, Š., 2014: Timber-concrete composite elements with various composite connections, Part 2: Grooved connection. Wood Research 59(3).
- KUKLÍK, P., KUKLÍKOVÁ, A., GREGOROVÁ, A., 2014: Investigation methods of timber structure properties. In: Proceedings of special international seminar on timber structures (ed. VOŠ a SOŠ, Volyně). Pp 97–107, Volyně, Czech Republic.
- LOKAJ, A., KLAJMONOVÁ, K., 2013: Carrying capacity of bolted joints of round timber with steel plates under static and dynamic loading. In: Proceedings of special international seminar on timber structures 2013, (ed. VOŠ a SOŠ, Volyně). Pp 177–182, Volyně, Czech Republic.
- PARTOV, D. N., STRAKA, B., PETKOV, M., 2015: Traditional Strengthening Techniques for the Timber Roof Elements in the Church St. Dimitar. In Proceedings of the XVth International Scientific Conference VSU, Vol. 1. Pp 290–301, Sofia, Bulgaria.
- STRAKA, B., ŠMAK, M. Vybrané příklady použití dřeva v nosných konstrukcích, Materiály pro stavbu, 9/2010, s. 22–27, ISSN 1213-0311.
- ŠMAK, M., STRAKA, B. Návrh nosné konstrukce lávky pro přístaviště lodní dopravy u hradu Veveří, Brno, 2017.
- STRAKA, B., VEJPUSTEK, Z., HRADIL, P. Experimental analysis of semi-rigid behaviour of steel-to-timber joints with slotted-in plates, In. Proc. of VSU’2005 Jubilee International Conference, „Ljuben Karavelov“ Civil Engineering Higher School, Sofia, 2005, 6 p.
- ŠMAK, M., STRAKA, B., 2014: Development of new types of timber structures based on theoretical analysis and their real behaviour. Wood research, 59(3). Pp 459–469.
The paper describes designing, experimental research and structural solution of dowelled joints of timber structures. One part of the paper includes bolted and dowelled connections used in historical timber structures. According to the connection type, primarily dowelled joints with slotted-in steel plates made from solid and glulam timber have been examined. The experimental tests have been used to evaluate the influence of material strength, diameter and dowel number on the load-bearing capacity of joints. Strengthening of joint’s load-bearing capacity can be attained by eliminating transverse tensile stresses in the region of dowels. One of the vital factors in designing joints of timber structures is respecting wood properties related to its changes in humidity namely strength changes and volume changes in particular directions. Thus the conclusions derived from the experimental research and from the real behaviour have been implemented by the authors to develop new types of timber structures.
