Poznatky z testování vybraných spojů kulatiny
V příspěvku jsou prezentovány výsledky statických testů svorníkových spojů dřevěné kulatiny s vloženými ocelovými styčníkovými plechy v tahu pod úhlem k vláknům. Pro získání podrobnějších informací o chování tohoto typu spoje vystaveného namáhání tahovou silou byly vzorky testovány v tahu kolmo k vláknům, ale také pod úhlem 45° a 60° k vláknům. Statické testy spojů vzorků kulatiny v tahu kolmo k vláknům a pod úhlem 60° k vláknům byly prováděny v lisu EU100 v laboratoři FAST VŠB-TU Ostrava, tahové zkoušky pod úhlem 45° k vláknům byly provedeny v laboratoři TZÚS Ostrava. Výsledky testů byly statisticky vyhodnoceny, doplněny o grafické záznamy deformační odezvy spoje na zatížení a porovnány s výpočty podle [2].
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 [1]. Oblibě se těší dřevěné konstrukce nejen konstrukce nejen z hraněného dřeva, ale také prováděné z kulatiny.
V současných evropských normách pro navrhování dřevěných konstrukcí [2] je řešena problematika spojů typu dřevo-dřevo, resp. ocel-dřevo pomocí svorníků, ale dřevem se myslí výhradně hraněné řezivo. Spoje prvků z kulatiny nemají v současných normách dostatečnou oporu. Ke spolehlivému návrhu dřevěných konstrukcí z kulatiny, je nezbytně nutné znát odezvu těchto konstrukcí a hlavně jejich spojů na statické zatížení. K testování byl vybrán obvyklý typ spojů, tj. svorníkový spoj s vloženým styčníkovým ocelovým plechem. Vzorky svorníkového spoje dřevěných prvků z kulatiny s vloženými styčníkovými plechy byly testovány na únosnost při jednorázovém namáhání tahem – až po destrukci spoje. Testování spojů v tahu kolmo a pod úhlem k vláknům navazuje na série již dříve realizovaných testů spojů v tahu rovnoběžné s vlákny, více informací o těchto testech lze nalézt v [3, 4]. Na základě výsledků testů nezesílených spojů kulatiny bylo navrženo a následně testováno několik způsobů zesílení dřevěného prvku vedoucí ke zvýšení únosnosti spoje.
2. Popis materiálu testovaných vzorků spojů
Na výrobu vzorků pro testy v tahu kolmo k vláknům a pod úhlem k vláknům byla použita kulatina o průměru 120 mm ze smrkového dřeva. Délka vzorku byla 560 mm. Svorníky byly zvoleny z vysokopevnostní oceli třídy 8.8 (fy = 640 MPa, fu = 800 MPa) o průměru 20 mm. Styčníkové plechy z oceli S235 tloušťky 8 mm, šířky 80 mm byly opatřeny dírou pro svorník o průměru 22 mm. Díry pro svorníky v kulatině měly průměr 20 mm. Svorníky byly umístěny (osově) 140 mm (7× průměr svorníku) od okraje dřevěného prvku, vzájemná vzdálenost svorníků v podélném směru byla rovněž 140 mm. Aby bylo možné prvek zatěžovat tahem kolmo resp. pod úhlem k vláknům, byly zhotoveny příčné ocelové roznášecí přípravky, díky kterým byly vzorky upnuty do lisu v potřebné poloze (obr. 1). Kulatina byla, kvůli umístění plechů, po celé délce rozříznuta na dvě poloviny. Umožnilo to zjednodušení výroby vzorků. Ocelové prvky spoje nebyly podrobeny žádným dalším zkouškám pro stanovení jejich fyzikálně-mechanických vlastností.
Obr. 1: Testovaný vzorek spoje kulatiny v lisu pro zkoušku v tahu podél vláken (vlevo) a kolmo k vláknům (vpravo)3. Metody testování
Statické testy spojů vzorků kulatiny v tahu podél vláken, kolmo k vláknům a pod úhlem 60° k vláknům byly prováděny v lisu EU100 v laboratoři FAST VŠB-TU Ostrava v sériích po 12 vzorcích (obr. 1 a 2). Tahové zkoušky pod úhlem 45° k vláknům byly provedeny v laboratoři TZÚS Ostrava v sériích po 6 vzorcích (obr. 3 a 4).
K porušení spoje došlo rozštípnutím kulatiny v oblasti spojovacího prostředku (obr. 2, 3 a 4) v důsledku překročení pevnosti dřeva v tahu kolmo k vláknům. Ani v jednom případě nedošlo ke zlomení svorníku.
Obr. 2: Porušené nezesílené vzorky namáhané tahem pod úhlem 60° k vláknům (vlevo) a kolmo k vláknům (vpravo)Na základě výsledků zkoušek nezesílených vzorků, zejména způsobu porušení dřevěného prvku v okolí svorníku bylo navrženo zesílení dřevěného prvku. Prostředek zesílení je navržen jako prvek působící ve dřevě v okolí svorníku ve směru kolmo k vláknům prvku a způsobující zpevnění a sevření dřeva a tedy zvýšení odolnosti proti vzniku trhliny a rozštípnutí. Dřevo v tahu vykazuje malou plasticitu a porušuje se křehkým lomem. V případě porušení nezesílených spojů docházelo k rozštípnutí dřeva pod svorníkem velmi brzy a rychle po iniciaci první trhliny, při které je překročena pevnost dřeva v tahu kolmo k vláknům a dojde k porušení příčných vazeb mezi vlákny (obr. 5). Cílem zesílení nebylo jen zvýšení samotné únosnosti spoje, ale zejména zvýšení bezpečnosti spoje prostřednictvím zvýšení dosažené plastické deformace před celkovou destrukcí spoje. K destrukci spoje nedochází tak rychle a neočekávaně jako u nezesílených vzorků. Jako nejefektivnější způsob zesílení se jeví použití samovrtných vrutů. Při tomto způsobu zesílení byly použity samovrtné vruty do dřeva s dvojím závitem 6,5×90 mm firmy SFS Intec. Vrut byl umístěn v podélném směru 40 mm od osy svorníku a v příčném směru 20 mm od hrany půlkulatiny. Na zesílených vzorcích je dobře viditelný postupný kolaps, doprovázený rozvojem trhlin a otlačováním otvorů svorníku (obr. 6).
Obr. 3: Porušený vzorek nezesíleného spoje v tahu pod úhlem 45° testovaný v TZÚS Ostrava
Obr. 4: Porušený vzorek spoje zesíleného vruty v tahu pod úhlem 45° testovaný v TZÚS Ostrava
4. Výsledky testů spojů
Výsledky únosnosti spojů získané z testů i hodnoty vypočtené podle [2] na základě průměrných hodnot hustoty dřeva jsou uvedeny v Tab. 1. Vzhledem k poměrně omezenému počtu testů (po 12, resp. 6 vzorcích) není však možné vyvozovat jednoznačná tvrzení. Na obr. 5 a 6 je zřetelný rozdíl v chování spoje nezesíleného, resp. zesíleného samovrtnými vruty, kdy zesílený spoj vykazuje poměrně velkou „plastickou“ rezervu únosnosti v tahu, byť za cenu velkých deformací.
Obr. 5: Záznam zkoušky v tahu pod úhlem 45° k vláknům, vzorek nezesílený
Obr. 6: Záznam zkoušky v tahu pod úhlem 45° k vláknům, vzorek zesílen samovrtnými vruty
Tab. 1: Výsledky testů vybraných spojů kulatiny
V Tab. 1 jsou uvedeny statisticky zpracované naměřené hodnoty únosnosti spojů kulatiny s vloženými plechy v tahu pod různými úhly vzhledem k vláknům dřeva, kde: FTEST je maximální únosnost spoje (vzniká trhlina); μ je střední hodnota příslušné veličiny; σ je směrodatná odchylka příslušné veličiny; COV je variační koeficient příslušné veličiny. FCALC je maximální únosnost nezesíleného spoje určená výpočtem podle EC5 [2] pro průměrnou hodnotu pevnosti příslušné serie testovaných vzorků.
5. Diskuse
Pokud se určí únosnost výše popsaných testovaných spojů kulatiny v tahu pod různými úhly vzhledem k vláknům dřeva podle EC5 [2], budou hodnoty pro krátkodobé zatížení, součinitel materiálu 1,3 a průměrnou hodnotu hustoty z Tab. 1 následující (pro úhly 90°, 60°, 45°, 0°): 28,5 kN/ 30,8 kN/ 33,9 kN/ 42,7 kN. Tyto hodnoty jsou nižší, než byly zjištěny pomocí testů. Výpočty podle [2] byly sice stanoveny pro hraněné řezivo, ale zjevně jsou použitelné i pro spoje kulatiny. Zajímavý je rovněž nárůst únosnosti zesílených spojů vruty oproti nezesíleným, který činí 22 až 50 %. Poměrně značné rozdíly v efektivitě zesílení spojů je možné vysvětlit relativně malým počtem testovaných vzorků (po 12, resp. 6 v sérii) a vysokým rozptylem hustoty dřeva vzorků.
6. Závěry
Výsledky statických testů nezesílených i zesílených svorníkových spojů kulatiny s vloženými styčníkovými plechy v tahu pod různými úhly vzhledem k vláknům dřeva naznačily poměrně značný přínos zesílení spoje v oblasti namáhání dřeva v tahu kolmo k vláknům pro únosnost a zejména bezpečnost spoje, kdy nedochází k tak náhlému kolapsu spoje.
Oznámení
Příspěvek byl realizován z prostředků koncepčního rozvoje vědy, výzkumu a inovací pro rok 2015 přidělených VŠB-TU Ostrava Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky.
Literatura
- [1] Dřevostavby a dřevěné konstrukce, I. a II. díl. Akademické nakladatelství CERM, Brno, 2010, ISBN 978-80-7204-732-1.
- [2] 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.
- [3] LOKAJ, A., KLAJMONOVÁ, K., Únosnost svorníkových spojů kulatiny s vloženými ocelovými plechy při statickém a dynamickém namáhání. In Dřevostavby 2013, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Volyně, 2013, pp. 177–182, ISBN 978-80-86837-51-2.
- [4] LOKAJ, A., KLAJMONOVÁ, K., Round Timber Bolted Joints Exposed to Static and Dynamic Loading. In WOOD RESEARCH, Slovenský drevársky výskumný ústav, Bratislava, 2014, vol. 59, pp. 439–448, ISSN 1336-4561.
This paper presents the results of static tests of round timber bolted joints with steel plates in tension at an angle to the grains. To gain the general knowledge about the behavior of joints, tests of strength in tension at different angles to the grains were carried out. Sets of static strength tests were conducted parallel to the grains, but also at an angle of 90°, 60° and 45° to the grains. Tests in tension parallel to the grains and at an angle 60° to the grains were carried out on EU100 pressure machine in Faculty of Civil Engineering of VŠB-TU Ostrava. Tests in tension at an angle 45° to the grains were carried out in laboratory of TZUS Ostrava. Test results were statistically analyzed, supplemented by graphic records strain response of the joint load and compared with calculations according to the Eurocode 5 [2].
