Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Kolíkové spoje „dřevo-dřevo“ v konstrukcích

Článek je zaměřen na analýzu spojů dřevěných konstrukčních prvků s použitím ocelových spojovacích prostředků kolíkového typu. Hlavním obsahem článku je vyhodnocení únosnosti a tuhosti různých typů kolíkových spojů a porovnání výsledků teoretického řešení s výsledky experimentálních testů. Předmětem řešení byly spoje prvků z rostlého dřeva třídy pevnosti C24 spojované hřebíky, vruty, kolíky, závitovými tyčemi a svorníky. Poznatky a závěry vyplývající z analýzy uvažovaných spojů mohou být využity při navrhování a provádění kolíkových spojů v dřevěných konstrukcích.

1. Úvod

Přípoje prutových prvků nosné dřevěné konstrukce mají významný vliv na chování nosného systému, jejich poddajnost významně ovlivňuje jak míru rozdělení vnitřních sil mezi spojovanými prvky, tak i celkové deformace konstrukce. Mezi nejčastěji navrhované a používané typy přípojů dřevěných prutů patří spoje s ocelovými kolíkovými spojovacími prostředky. V přípojích dřevěných prutů lze – podle konkrétního provedení – navrhovat jedno nebo vícestřižné spoje typu „dřevo-dřevo“ nebo „dřevo-ocel“ s vnitřními nebo vnějšími ocelovými plechy (viz Obr. 1 a 2).

Návrh a uspořádání spojů závisí zejména na způsobu jejich namáhání (pouze normálovou tahovou nebo tlakovou silou, normálovou silou v kombinaci s příčnými posouvajícími silami, případně i ohybovými momenty), intenzitě působícího zatížení, dimenzích stykovaných dřevěných prvků, typu spojovacího prostředku, druhu dřeva a prostředí, kterému je konstrukce vystavena, tj. ve vnější nebo vnitřní expozici.

Obr. 1: Kolíkový spoj se svorníky typu „dřevo-dřevo“ – připojení prutů příhradové soustavy k lepenému nosníku
Obr. 1: Kolíkový spoj se svorníky typu „dřevo-dřevo“ – připojení prutů příhradové soustavy k lepenému nosníku
Obr. 2: Kolíkové spoje typu „dřevo-ocel“ se svorníky a vnějšími (sloupek na obrázku vlevo) a vnitřními (svislice a diagonály na obrázku vpravo) ocelovými plechy
Obr. 2: Kolíkové spoje typu „dřevo-ocel“ se svorníky a vnějšími (sloupek na obrázku vlevo) a vnitřními (svislice a diagonály na obrázku vpravo) ocelovými plechy

Příspěvek je zaměřen na chování spojů typu „dřevo-dřevo“, kdy stykované dřevěné pruty jsou namáhány normálovou silou bez uvážení jejího přenosu přímým kontaktem mezi pruty. Ze statického hlediska musí spoj vykazovat dostatečnou únosnost pro přenos osové síly a taktéž požadovanou míru ohybové tuhosti.

V rámci řešení diplomového projektu „Vyhlídková věž v oblasti Brdy“ byla vypracována studie chování vybraných kolíkových přípojů „dřevo-dřevo“. Předmětem studie byl rozbor chování spoje dřevěných prvků z rostlého dřeva pomocí oboustranných dřevěných příložek a různých typů ocelových kolíkových prostředků. Byl analyzován vliv typu spojovacích prostředků a jejich uspořádání na ohybovou únosnost prutu.

Návrh a ověření spoje dřevěných prutů s kolíky je možné aktuálně uvážit zejména následujícími postupy:

  • Aplikací návrhových vztahů dle normy pro navrhování dřevěných konstrukcí ČSN EN 1995-1-1;
  • Analýzou 3D numerického modelu přípoje metodou konečných prvků;
  • Experimentálně zatěžovacími zkouškami spojů.

V rámci provedené studie byl využit analytický popis chování spoje podle standardu ČSN EN 1995-1-1 a experimentálního měření – zatěžovací zkoušky spojů.

V článku je uveden rozbor chování spoje typu „dřevo-dřevo“. Jedná se o spoj dřevěného prvku obdélníkového průřezu 80×140 mm pomocí oboustranných příložek z obdélníkového průřezu 50×140 mm délky 450 mm. Základní pruty i příložky jsou uvažovány z rostlého konstrukčního dřeva KVH třídy pevnosti C24. Jako spojovací prostředky jsou alternativně použity jednostřižné konvexní hřebíky o 4×90 mm, jednostřižné dvouzávitové vruty SFS-WT-T 6,5×90 mm, kolíky o 12 mm z oceli S355 (dvojstřižné), svorníky ze závitové tyče M12 třídy pevnosti 6.8 a přesné svorníky o 12 mm z oceli S355 (dvojstřižné).

Spoje byly navrženy na přenos osové síly, jejíž intenzita odpovídá 30% návrhové únosnosti průřezu v tahu, tj. 36,185 kN. Uspořádání spojovacích prostředků bylo provedeno tak, aby byl spoj co nejvíce kompaktní. Při návrhu rozmístění spojovacích prostředků byly respektovány vzdálenosti mezi spojovacími prostředky a vzdálenosti od okrajů a konců pro působení síly ve směru vláken stykovaných prvků podle ČSN EN 1995-1-1.

Schéma spojů a uspořádání spojovacích prostředků je patrné z Obr. 3, 4 a 5.

Obr. 3b: Uspořádání spoje s hřebíky
Obr. 3a: Uspořádání spoje s hřebíky

Obr. 3: Uspořádání spoje s hřebíky
Obr. 4: Uspořádání spoje s vruty
Obr. 4: Uspořádání spoje s vruty
Obr. 5: Uspořádání spoje s kolíky a svorníky
Obr. 5: Uspořádání spoje s kolíky a svorníky

2. Analýza podle ČSN EN 1995-1-1

U kolíkového spoje „dřevo-dřevo“ je třeba zohlednit na základě teorie K. W. Johansona různé formy porušení:

Jednostřižně namáhané spoje (tj. s hřebíky a vruty):

způsob porušení (a) až (f)

vzorec
 

Dvojstřižně namáhané spoje (tj. s kolíky a svorníky):

způsob porušení (g) až (k)

vzorec
 

kde je

Fv,Rk
charakteristická únosnost jednoho střihu jednoho spojovacího prostředku;
ti
tloušťka dřeva nebo desky nebo hloubka vniku;
fh,i
charakteristická pevnost v otlačení v dřevěném prvku;
d
průměr spojovacího prostředku;
My,Rk
charakteristický plastický moment únosnosti spojovacího prostředku;
ß
poměr mezi pevnostmi v otlačení prvků;
Fax,Rk
charakteristická osová únosnost na vytažení spojovacího prostředku.
 

V souladu s výše uvedenými návrhovými vztahy (ČSN EN 1995-1-1) byla pro všechna uspořádání spojů vypočtena návrhová únosnost spoje v tahu Fv,Rd a návrhová momentová únosnost spoje MRd.

Při výpočtech byly uváženy charakteristické vlastnosti dřeva i kolíkových spojovacích prostředků a účinný počet spojovacích prostředků v liniích rovnoběžně s vlákny nef, γm = 1,3. Parametry prostředí: kmod = 1,0.

Návrhové únosnosti spojů při namáhání osovou silou i ohybovým momentem jsou patrné z Obr. 6 a 7.

Obr. 6: Únosnost spoje ve směru vláken Fv,Rd s různými typy spojovacích prostředků podle ČSN EN 1995-1-1
Obr. 6: Únosnost spoje ve směru vláken Fv,Rd s různými typy spojovacích prostředků podle ČSN EN 1995-1-1
Obr. 7: Momentová únosnost spoje MRd s různými typy spojovacích prostředků podle ČSN EN 1995-1-1
Obr. 7: Momentová únosnost spoje MRd s různými typy spojovacích prostředků podle ČSN EN 1995-1-1

3. Experimentální řešení

3.1. Zkoušky materiálu

Cílem zkoušek materiálu bylo stanovení skutečné pevnosti dřeva v ohybu pro možnost porovnání únosností spojů podle ČSN EN 1995-1-1 a experimenty.

Obr. 8: Schéma uspořádání laboratorní zkoušky materiálu
Obr. 8: Schéma uspořádání laboratorní zkoušky materiálu

Při namáhání v ohybu je napětí rozloženo ve zkušebním vzorku tak, že maximální hodnoty normálových napětí jsou v krajních vláknech a nulová normálová napětí v místě neutrální osy. Zkušební vzorky byly zatěžovány čtyřbodově až do vyčerpání únosnosti.

Celkem byla zkoušena 3 zkušební tělesa o délce 400 mm, zhotovená ze stejného materiálu, jako vzorky pro experimentální zkoušky spojů. Skutečné rozměry průřezů testovaných vzorků:

  • vzorek 1: b = 25,4 mm, h = 25,3 mm
  • vzorek 2: b = 23,1 mm, h = 25,1 mm
  • vzorek 3: b = 25,3 mm, h = 25,0 mm

Uspořádání zkoušek je patrné na Obr. 8.

Na základě vyhodnocení zkoušek materiálu byla stanovena, s ohledem na počet zkušebních těles, průměrná pevnost dřeva v ohybu fm = 60,01 MPa a návrhová pevnost v ohybu fm,d = 46,16 MPa (kmod = 1,0; γm = 1,3).

3.2. Zkoušky kolíkových spojů ohybem

Byly zkoušeny 3 identické vzorky od každého typu spojovacího prostředku, celkem tedy 15 zkušebních těles. Zkušební tělesa byla zatěžována v příčném směru až do porušení. Byla měřena působící příčná síla a celkový průhyb zkušebního tělesa. Cílem zkoušky bylo sestavit pracovní diagram jednotlivých typů přípoje, z kterých lze získat – kromě únosnosti – i ohybovou tuhost přípojů, jejich míru tažnosti a způsob porušení.

Uspořádání laboratorní zkoušky je znázorněno na Obr. 9 a 10.

Obr. 9: Schéma upořádání laboratorní zkoušky ohybem
Obr. 9: Schéma upořádání laboratorní zkoušky ohybem
 

Použité měřicí a zkušební zařízení:

  • Elektrohydraulický zkušební systém INOVA ED 2000;
  • Hydraulický válec se servoventilem AG 100-100;
  • Tenzometrický snímač síly INTERTECH, 100 kN;
  • Zabudovaný induktivní snímač polohy W100, HBM;
  • Potenciometrické snímače polohy WPS-250, MICRO – Epsilon.

Rychlost zatěžování byla stanovena na 1 mm za 3 s.

Záznam a zpracování signálů:

  • Měřící ústředna MGC plus, HBM;
  • Záznam byl prováděn frekvencí 10 Hz na kanál.
Obr. 10: Zkušební těleso (zde s hřebíkovým spojem) připravené na zatěžovací zkoušku ohybem
Obr. 10: Zkušební těleso (zde s hřebíkovým spojem) připravené na zatěžovací zkoušku ohybem
Obr. 11: Porušení zkušebního tělesa s hřebíky po provedené zkoušce ohybem
Obr. 11: Porušení zkušebního tělesa s hřebíky po provedené zkoušce ohybem

Obr. 12: Porušení zkušebního tělesa s vruty po provedené zkoušce ohybem
Obr. 12: Porušení zkušebního tělesa s vruty po provedené zkoušce ohybem
Obr. 13: Porušení zkušebního tělesa s kolíky po provedené zkoušce ohybem
Obr. 13: Porušení zkušebního tělesa s kolíky po provedené zkoušce ohybem

Obr. 14: Porušení zkušebního tělesa se svorníky ze závitové tyče po provedené zkoušce ohybem
Obr. 14: Porušení zkušebního tělesa se svorníky ze závitové tyče po provedené zkoušce ohybem
Obr. 15: Porušení zkušebního tělesa s přesnými svorníky po provedené zkoušce ohybem
Obr. 15: Porušení zkušebního tělesa s přesnými svorníky po provedené zkoušce ohybem

4. Porovnání řešení, získané poznatky

Na Obr. 16 jsou znázorněny momentové únosnosti jednotlivých typů analyzovaných kolíkových spojů, a to:

  • Návrhová momentová únosnost spoje podle ČSN EN 1995-1-1;
  • Návrhová momentová únosnost spoje s využitím únosností spojovacích prostředků podle technických listů výrobce s únosností dvouzávitových vrutů a konvexních hřebíků;
  • Momentová únosnost spoje podle návrhových vztahů ČSN EN 1995-1-1 s využitím pevnosti dřeva, získané materiálovými zkouškami – viz 3.1.;
  • Momentová únosnost spoje dle zatěžovacích zkoušek, stanovená na základě maximálního zatížení zkušebního tělesa při zkoušce.
Obr. 16: Porovnání momentové únosnosti spoje pro jednotlivé typy kolíkových spojovacích prostředků
Obr. 16: Porovnání momentové únosnosti spoje pro jednotlivé typy kolíkových spojovacích prostředků
 

Na Obr. 17 jsou souhrnně znázorněny „pracovní diagramy“ jednotlivých spojů, tj. závislosti mezi silou, působící na zkušební těleso a jeho příčnou deformací (svislým průhybem) – viz schéma zatěžování.

Obr. 17: Závislost síla – přetvoření (příčná deformace zkušebního tělesa) pro jednotlivé typy kolíkových spojovacích prostředků
Obr. 17: Závislost síla – přetvoření (příčná deformace zkušebního tělesa) pro jednotlivé typy kolíkových spojovacích prostředků
 

Z uvedených závislostí na Obr. 16 a Obr. 17 vyplývá:

  1. Ohybová tuhost:
    Nejvyšší počáteční ohybovou tuhost vykazují spoje s přesnými hladkými svorníky. Následují spoj s kolíky (stejný průměr i materiál, absence vlivu sepnutí) a dále spoj se svorníky ze závitové tyče (v ohybu působí pouze jádro závitové tyče, tedy menší průměr, ovšem vyšší pevnost materiálu oproti přesným svorníkům i kolíkům a příznivý vliv sepnutí oproti kolíkům). Nejnižší ohybovou tuhost vykazují spoje s hřebíky i vruty. Průměr hřebíku je 4,0 mm, průměr hladké části dvouzávitového vrutu 4,6 mm.
  2. Momentová únosnost:
    • Stanovená zatěžovacími zkouškami:
      V oblasti použitelných deformací vykazují podle předpokladu nejvyšší momentovou únosnost svorníky – přesné i ze závitové tyče. Na rozdíl od kolíků se u nich velmi příznivě projevuje vliv sepnutí.
    • Podle ČSN EN 1995-1-1:
      Návrhová momentová únosnost spoje dle normativního dokumentu je vždy konzervativní a dosahuje úrovně cca 20 až 30 % skutečné únosnosti spoje podle zatěžovacích zkoušek. Chování všech součástí spojů je převážně v pružné oblasti.
    • Na základě technických listů výrobců konvexních hřebíků a dvouzávitových vrutů:
      Návrhová momentová únosnost spoje je příznivě ovlivněna vyšší únosností speciálních ocelových kolíkových prostředků. Dochází ke zvýšení návrhové momentové únosnosti o cca 5 až 15 % oproti standardním postupům podle ČSN EN 1995-1-1. Chování všech součástí spojů je i v tomto případě převážně v pružné oblasti.
    • Podle ČSN EN 1995-1-1 s využitím skutečné pevnosti dřeva:
      Jedná se pouze o informativní hodnoty, neboť normové návrhové postupy vycházejí z pružného chování dřeva ve spojích. I v tomto případě jsou vypočtené únosnosti výrazně nižší než reálné podle experimentů.
  3. Míra tažnosti spoje:
    Nejmenší tažnost spoje vykazuje spoj s kolíky, kdy dochází – při namáhání výrazně přesahujícím návrhovou únosnost spoje podle ČSN EN – ke křehkému porušení tahem kolmo k vláknům. Tažnost spoje by bylo možné zvýšit jeho vyztužením (zesílením) pro namáhání tahem kolmo k vláknům. Spoje se svorníky ze závitové tyče vykazují vyšší míru plasticity, danou nižší ohybovou tuhostí svorníků a vyšší pevností materiálu. Nejvyšší míru plasticity vykazují podle očekávání spoje s hřebíky a vruty.

5. Závěr

Cílem studie bylo ověřit chování jednoduchých spojů kolíkového typu při zatížení a současně analyzovat jejich ohybovou únosnost.

Poznatky z provedené studie:

  • Návrhová únosnost spoje podle ČSN EN 1995-1-1 je vždy konzervativní a reálně se nachází v oblasti převážně lineárního chování spoje;
  • Na základě technických listů výrobců ocelových kolíkových prostředků (zde dvouzávitových vrutů a konvexních hřebíků) lze docílit vyšší únosnosti, stále s dostatečnou úrovní spolehlivosti; reálně se nachází v oblasti převážně lineárního chování spoje;
  • V případě požadované vyšší úrovně počáteční ohybové tuhosti jsou nejvýhodnější variantou přesné hladké svorníky;
  • Vruty a hřebíky jsou vhodné při požadavku na malou ohybovou tuhost spoje;
  • Zejména u kolíků je vhodné provedení vyztužení (zesílení) spoje pro namáhání tahem kolmo k vláknům pro zamezení křehkého porušení spoje.

Poděkování

Článek včetně provedené studie vznikl s finanční podporou projektu specifického výzkumu FAST-S-18-5550 „Efektivní návrh a analýza vybraných konstrukčních prvků, detailů a spojů s ohledem na jejich skutečné chování a použitý materiál“.

6. Literatura

  1. KUKLÍK, P., KUKLÍKOVÁ, A.: Navrhování dřevěných konstrukcí, Příručka k ČSN EN 1995-1-1. Informační centrum ČKAIT, 2010, ISBN 978-80-87093-88.
  2. VAVRUŠOVÁ, K., LOKAJ, A., MIKOLÁŠEK, D., FOJTÍK, L., ŽÍDEK, L.: Longitudinal glued joints of timber beams and the influence of quality manufacturing onto their carrying capacity. Wood Research. Štátny drevársky výskumný ústav, 2016, 61(4). ISSN 1336-4561.
  3. ŠMAK, M.; STRAKA, B.: Development of new types of Timber structures based on theoretical analysis and their real behavior. Wood Research. Štátny drevársky výskumný ústav, 2014. ISSN 1336-4561.
  4. Dřevěné konstrukce podle Eurokódu 5, STEP 1. Vydal Bohumil Koželouh, KODR Zlín, 1998, ISBN 80-238-2620-4.
  5. BLASS, H. J., EHLBECK, J., KREUZINGER, H., STECH, G., překlad KOŽELOUH, B.: Navrhování, výpočet a posuzování dřevěných stavebních konstrukcí. Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Informační centrum ČKAIT, 2008, ISBN 978-80-87093-733.
  6. ČSN EN 1995-1-1 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby.
  7. ČSN EN 408 + A1 Dřevěné konstrukce – Konstrukční dřevo a lepené lamelové dřevo – Stanovení některých fyzikálních a mechanických vlastností.
 
Komentář recenzenta Ing. Martin Hataj, ČVUT Praha, pracoviště UCEEB

Představovaný příspěvek zahrnuje aktuální problematiku spojování dřevěných konstrukcí pomocí kovových spojovacích prostředků, která je dlouhodobě předmětem vědecko-výzkumné činnosti. Značnou výhodou spojovacích prostředků z kovu je jejich únosnost a jednoduchost montáže. Autoři prezentují výsledky ohybových zkoušek spojů dřevěných konstrukcí. Zkušební vzorky jsou spojovány různými typy spojovacích prostředků kolíkového typu. Experimentální data jsou porovnávána s analytickými výpočetními postupy. V textu je uvedena vhodnost použití jednotlivých typů spojů s ohledem na jejich tuhost a únosnost. Prezentované výsledky experimentů jsou přínosné pro další zkoumání spoje i pro projekční praxi. Článek je po obsahové i formální stránce zpracován kvalitně, přehledně a srozumitelně. Doporučuji článek ke zveřejnění.

English Synopsis
Doweled Connections in the Structures

The article is focused on the analysis of connections of timber elements with doweled type steel elements. The main scope of the article is to assess a load bearing capacity and stiffness of different types of doweled connections and comparison of theoretical results with results obtained from experimental tests. Subject of the research were connections composed of C24 grade solid timber elements connected with nails, screws, dowels, threaded rods and bolts. Findings and conclusions derived from the analysis of assumed connections can be used for a design and execution of doweled type connections in timber structures.