Vliv opracování na únosnost dubového spojovacího prostředku
Často diskutovaným problémem je tvar a vliv opracování spojovacích prostředků na jejich mechanickou odezvu (funkci). Článek prezentuje porovnání tří druhů opracování – soustružení, prorážení a tesání do osmihranu.
Součástí historických krovových soustav jsou tesařské spoje, z nichž některé jsou osazeny dřevěnými spojovacími prostředky. Původně dřevěný kolík spíše zajišťoval polohu prvků ve spoji, než by primárně přenášel zatížení (např. rybinové a čepované spoje). V některých spojích však mezi jednotlivými konstrukčními prvky může síly také přenášet, a jeho působení tak má přímý vliv na tuhost i únosnost celé konstrukce. Tento typ spojovacích prostředků je možné využít i v současnosti, při rekonstrukcích, výstavbě nových dřevostaveb nebo pro výrobu jednotlivých dřevěných konstrukčních prvků (např. panelů).
Úvod
Předmětem projektu, na jehož řešení se podílejí Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR, v. v. i. (ÚTAM), Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT (UCEEB) a Ústav nauky o dřevě Lesnické a dřevařské fakulty Mendelovy univerzity v Brně (MENDELU), je shromáždění podkladů pro začlenění dřevěného spojovacího prostředku (dubového kolíku) do českého normativního systému na základě experimentálních prací a numerického modelování. Motivací projektu je popsat komplexní kritéria porušení pro dubový kolík, a to v sériích statisticky významných počtů vzorků. Řešení je rozděleno do tří oblastí, jejichž závěrečná syntéza by měla vytvořit komplexní model chování. Zkoumá se únosnost střižné plochy dubového kolíku, pevnost spojovaného okolního materiálu při namáhání pod různým úhlem k dřevním vláknům a dlouhodobé chování spojovacího prostředku při různých klimatických podmínkách.
Kolíky se v minulosti vyráběly především z tvrdých listnatých dřevin. Proto bylo vybráno dřevo dubu (Quercus L.), který byl pro tyto účely historicky nejpoužívanějším materiálem, a to jak díky své dostupnosti, tak svým relativně dobrým vlastnostem při zvýšené vlhkosti. Vhodnost materiálu byla ověřena také sérií pilotních zkoušek, při kterých se srovnávala únosnost kolíku vyrobeného z pěti různých dřevin [1]. Únosnější než dubové dřevo je z pohledu mechanického chování pouze akát, který je však problematičtější z hlediska opracování a také je jedovatý. Stěžejním parametrem, od kterého se odvíjejí rozměry všech zkušebních sestav, je průměr dřevěného spojovacího prostředku. V souvislosti s aplikovatelností výsledků projektu pro praktické využití (tj. jednodušší navrhování spojů dřevěných konstrukcí) vycházejí testované průměry dřevěných kolíků z požadavků tesařské praxe, z možností technických řešení při výrobních a montážních pracích výstavby nových dřevěných konstrukcí nebo při rekonstrukcích poškozených stávajících konstrukcí. Průměry kolíků byly zvoleny ve velikostech 18, 24 a 30 mm. Vzhledem k rozmanitosti materiálových vlastností dřeva je nutné ověřit mechanické chování na velkém počtu zkušebních těles.
Při rekonstrukcích dřevěných konstrukcí se často používají pro napojení stávajícího prvku a protézy nastavovací plátové spoje, ve kterých spojovací prostředky kolíkového typu přenášejí zatížení. Lze je osadit ocelovými svorníky, v některých případech je však přítomnost dřevěného kolíku výhodnější, např. z estetických důvodů (nenápadnost). Způsob opracování kolíků může být předepsán projektantem, případně si jej volí zhotovitel dle svých možností a zkušeností. Na obr. 1 lze srovnat vizuální dojem kolíků prorážených a kolíků otesávaných do vícehranu.
Obr. 1: Rekonstrukce krovu pomocí nastavovacích spojů zajištěných proráženými kolíky – zámek Bratronice (vlevo) a tesanými kolíky do osmihranu – zámek Koleč (vpravo)
Experimentální stanovení únosnosti a tuhosti dubového kolíku
Obr. 2: Rozdílný způsob opracování dubového kolíku – soustružený nahoře, prorážený uprostřed a osmihranný dole
Aby bylo možné navrhovat kolíkové spoje se spojovacími prostředky ze dřeva pro nové konstrukční prvky, je potřeba stanovit jejich komplexní kritéria porušení. Současné normativní podklady (zejména ČSN EN 1995-1-1 [2] a ČSN 73 1702 [3]) neposkytují dostatečné informace pro jejich bezpečný návrh podle mezních stavů. Použití vztahu uvedeného v ČSN 73 1702 je omezeno pouze pro výpočet kolíků o průměru 20 až 30 mm. Dalším omezením je dále také to, že je únosnost spoje stanovena bez ohledu na vlastnosti kolíků i spojovaných materiálů. Výpočetní postup uvedený v ČSN EN 1995-1-1 sice uvažuje chování kolíku v jednostřižném spoji, ale je určen pouze pro spoje s ocelovým spojovacím prostředkem, a stanovení plastického momentu únosnosti pro dřevěný kolík by bylo nepřesné. Z toho důvodu je nutné pro návrh kolíkových spojů ze dřeva stanovit přesnější výpočetní postup.
Prvním druhem opracování bylo soustružení, druhým prorážení (truhlářský způsob, kdy je kolík ve formě polotovaru, tzn. s větším příčným průřezem než kolík finální, prorážen skrz kruhový otvor v kovové desce) a poslední druh kolíků byl vyroben jako osmihranný (plocha příčného řezu kolíku je shodná s předešlými variantami opracování). Všechny druhy opracování byly použity pro tři zmiňované průměry, tzn. 18, 24 a 30 mm, přičemž každá sada obsahovala 17 zkušebních vzorků. Všechny zkušební vzorky byly vyrobeny z jedné dubové fošny.
Obr. 3: Kolík opracovaný prorážením ocelovou destičkou s přesně definovaným průměrem (vlevo), kolík otesaný do osmihranu (vpravo)
Dřevo pro zkušební tělesa bylo klimatizováno při relativní vlhkosti vzduchu 65 % a teplotě 20 °C, aby bylo dosaženo vlhkosti dřeva 12±2 %. Při výrobě zkušebních vzorků byly kladeny nároky na kvalitu dřeva pro dubový kolík min. 10 letokruhů na 24 mm, rovná vlákna po délce kolíku a bez jakýchkoliv vad dřeva. Spojovaný smrkový prvek nesměl mít suk, trhlinu nebo jiné vady kolem otvoru pro dubový kolík. Výrobní tolerance pro dubový kolík a otvor pro kolík ve smrkovém prvku byla +/−0,5 mm, přičemž rozdíl mezi průměrem kolíku a otvorem byl max. +/−0,1 mm.
Pro získání experimentálních hodnot únosností dřevěných spojovacích prostředků bylo provedeno několik sérií tahových zkoušek na zkušebních sestavách. Aby bylo zamezeno vzniku přídavných momentových účinků ve spoji, bylo potřeba vyřešit silovou excentricitu v uchycení sestavy do zkušebního zařízení. Z toho důvodu byl vyvinut ocelový upínací přípravek, který je uchycen v ose čelistí zkušebního zařízení a umožňuje snadné připojení zkoušeného dřevěného prvku [2]. Zkušební těleso se skládalo ze dvou spojovaných částí ze smrkového dřeva (Picea abies), které je nejpoužívanějším stavebním řezivem v České republice, a jednoho kusu kolíku z dubu (Quercus robur). Rozměry spojovaných prvků vycházely z minimálních vzdáleností spojovacích prostředků pro dřevěné konstrukce podle současně platných návrhových norem ČSN EN 1995-1-1 [3], ČSN 73 1702 [4] a ČSN EN 383 [5]. Výsledná podoba zkušební sestavy je patrná z obr. 4. Délka kolíku byla stanovena jako minimálně čtyřnásobek jeho průměru.
Tahové zkoušky spojů byly provedeny v souladu s normovým předpisem ČSN EN 26891 (73 2070) [6], který předepisuje postup zatěžování pro spoje s mechanickými spojovacími prostředky následovně:
- Zatížení spoje do 40 % jeho předpokládané únosnosti.
- Udržování zatížení na úrovni 40 % předpokládané únosnosti po dobu 30 vteřin.
- Odtížení na 10 % předpokládané únosnosti.
- Udržování zatížení na úrovni 10 % předpokládané únosnosti po dobu 30 vteřin.
- Zatížení spoje až do porušení.
Odhad únosnosti byl předem stanoven na několika vzorcích i během pilotních zkoušek. V průběhu experimentu byly monitorovány a zaznamenávány hodnoty síly, posuny na čelech spojovaných částí a celkový posun spoje. Zkušební těleso bylo také opatřeno speciální povrchovou úpravou, která umožňuje použít ke kontrolnímu měření deformací optickou metodu digitální korelace obrazu, viz obr. 4.
Obr. 4: Experimentální stanovení únosnosti kolíkového spoje – sestava během experimentu (vlevo), zkušební těleso po zkoušce (uprostřed), deformace dubového kolíku (vpravo)
Výsledky experimentů byly statisticky zpracovány podle normy ČSN EN 1990 [7] a ČSN EN 14358 [8]. Pro každý experiment byla stanovena mez kluzu (yield point), a to dvěma způsoby, jejichž srovnání je naznačeno na obr. 5. Norma ASTM D5764 [9] definuje mez kluzu jako průsečík přímky rovnoběžné s počáteční tuhostí (sklon mezi 10 % a 40 % z maximální únosnosti) ve vzdálenosti 0,05× průměr kolíku a křivky deformačního diagramu. Vyhodnocení dle CEN – Evropské komise pro standardizaci [10], které využívá tzv. European Yield Model, pracuje s bilineárním diagramem spoje, který využívá jeho počáteční tuhost (Kα) a tečnu k plastické větvi se směrnicí (Kβ) rovné 1/6 té počáteční. Obecně většinou vykazují experimentální výsledky vyšší hodnotu únosnosti pro mez kluzu stanovenou podle CEN; mez kluzu určená podle ASTM má obvykle menší směrodatnou odchylku, takže při porovnání kvantilů jsou často hodnoty velice podobné. V článku jsou použity výsledky dle ASTM z důvodu lepší funkční závislosti (přesněji vyšší míry korelace, ale s přihlédnutím k nejistotám experimentu vlastně funkční závislosti).
Obr. 5: Postup stanovení silové meze elasticity podle ASTM D5764 (vlevo nahoře) a podle CEN (vpravo nahoře), příklad vyhodnocení experimentu – prorážený kolík s průměrem 18 mm (dole)
Vliv způsobu opracování dubového kolíku na únosnost
Experimentům, které se zaměřily na vliv opracování dubových kolíků na jejich únosnost, předcházely zkoušky únosnosti kolíků jmenovitých průměrů vyrobené pouze soustružením. Byly testovány ve velkých sériích po 117 ks. Výsledky experimentů ukazují dobrou korelaci meze kluzu a hustoty dřeva, viz obr. 6.
Obr. 6: Závislost meze kluzu spojovacího prostředku na hustotě materiálu, pro dubové kolíky s průměrem 18, 24 a 30 mm
Pro porovnání únosnosti dubových kolíků různým druhem opracování byly zkoušeny série 17 ks ve třech velikostech průměrů, celkem šlo tedy o více než 150 experimentů. Výsledky jsou prezentovány v tab. 1 a tab. 2. Hodnoty únosnosti byly normovány vybranou hustotou a ve všech případech se vztahují k opracování soustružením. Statistické zpracování experimentálních dat do podoby histogramu hustot na obr. 7 ukazuje široký rozptyl této konkrétní vlastnosti v rozmezí běžně dostupné kvality dubu (ρmean = 570–1080 kg.m−3). Právě proto jsou ve výsledných tabulkách únosností hodnoty normovány.
Obr. 7: Histogram – hustota dřeva dubových kolíků, vzorky s průměrem 18 mm (nahoře), 25 mm (uprostřed) a 30 mm (dole)
| Průměr/opracování | soustružení | prorážení | hranění |
|---|---|---|---|
| 18 mm | 100,0 | 105,2 | 104,4 |
| 24 mm | 100,0 | 103,2 | 107,4 |
| 30 mm | 100,0 | 97,2 | 102,0 |
| Průměr/opracování | soustružení | prorážení | hranění |
|---|---|---|---|
| 18 mm | 100,0 | 99,5 | 100,9 |
| 24 mm | 100,0 | 102,2 | 102,3 |
| 30 mm | 100,0 | 97,9 | 103,9 |
Z uvedených hodnot je patrné, že rozdílnost meze kluzu dubového kolíku vlivem jeho opracování je malá a v podstatě zanedbatelná. Rozhodující je tedy velikost příčného řezu a kvalita (zejména hustota) dřeva.
K diskuzi je fakt, že různé skupiny mají různé distribuce hustot. Nicméně proces normování se zdá poměrně spolehlivý a výsledky mezi jednotlivými skupinami jsou vždy v rámci jednoho průměru konzistentní. Vzhledem k náročnosti experimentů je problematické testovat ještě větší série vzorků. Ovšem již 153 prezentovaných experimentů již dává výstupu dostatečnou signifikanci.
Závěr
Z výsledků je zřejmé, že experimentálně určené rozdíly mezi únosnostmi kolíků opracované zmiňovanými metodami (za předpokladu stejné plochy průřezu) nejsou významné. Tato informace je důležitá především pro praxi. Pro fungování spojů, ve kterých kolíky přenášejí zatížení, není totiž stěžejní, zda jsou spojovací prostředky připraveny přímo na stavbě (prorážení, otesání) či předem v dílně (soustružení).
Poděkování
Výzkum dřevěného spojovacího prostředku byl finančně podpořen v rámci projektu TAČR TJ01000412 „Dubový spojovací prostředek v dřevěných konstrukcích: podklady pro normativní ukotvení“.
Reference
- HATAJ, M. et al. Mechanické chování dřevěného kolíku v jednostřižném spoji. TZB-info [online]. Prosinec, 2018 [cit. 2. 12. 2019]. ISSN 1801-4399. Dostupné z: https://stavba.tzb-info.cz/drevene-konstrukce/18393-mechanicke-chovani-dreveneho-koliku-v-jednostriznem-spoji.
- České vysoké učení technické v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. Přípravek pro zkoušky jednostřižných spojů dřevěných konstrukcí a zkušební vzorek pro upínání do tohoto přípravku. Původci: HATAJ, M., TYROVÁ, M. Česká republika. Užitný vzor 32 543. 6. 2. 2019.
- ČSN EN 1995-1-1 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Praha: Český normalizační institut, prosinec, 2006.
- ČSN 73 1702. Navrhování, výpočet a posuzování dřevěných stavebních konstrukcí – Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Praha: Český normalizační institut, listopad 2007.
- ČSN EN 383 (73 1762). Dřevěné konstrukce – Zkušební metody – Stanovení pevnosti stěny otvoru a charakteristik stlačitelnosti pro kolíkové spojovací prostředky. Praha: Český normalizační institut, červen 2007.
- ČSN EN 26891 (73 2070). Dřevěné konstrukce. Spoje s mechanickými spojovacími prostředky. Všeobecné zásady pro zjišťování charakteristik únosnosti a přetvoření. Praha: Český normalizační institut, srpen 1994.
- ČSN EN 1990 ED. 2 (73 0002) – Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, květen 2015.
- ČSN EN 14358 (73 1705). Dřevěné konstrukce – Výpočet a ověřování charakteristických hodnot. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2017.
- American Society for Testing and Materials (ASTM). 2005b. ASTM D 5764-97a. Standard Test Method for Evaluating Dowel-Bearing Strength of Wood and Wood-Based Products. Annual Book of ASTM Standards. ASTM, West Conshohocken, PA, USA.
- CECCOTTI, A. 1995. Timber connections under seismic actions. In: Timber engineering–STEP 1. 1st Edition. STEP/EUROFORTECH. The Netherlands, ISBN 90-5645-001-08. Pp. C17/1-C17/10
Oak dowels find its use in carpentry joints, reconstructions of buildings and, also, dowel-joined CLT panels put together without adhesives. The article deals with influence of manufacturing techniques and shape of the cross-section on the bearing capacity of the dowels. Round shape (turning and perforation through steel hole) and hand hawing to the octagonal shape was tested. The results show negligible influence of manufacturing techniques on studied quantity.
