Zesilování dřevěných konstrukčních prvků a spojů na tah kolmo k vláknům

1. Úvod

Dřevěná konstrukce je spolehlivá, jestliže namáhání prvků a spojů nepřekročí přípustné hodnoty návrhové pevnosti dřeva a návrhové únosnosti spojovacích prostředků.

Spolehlivost dřevěných konstrukcí se prokazuje statickým výpočtem. Pro posouzení spolehlivosti konstrukcí se v jednotlivých státech používají různé výpočtové postupy, které jsou většinou dány příslušnými národními předpisy (normami), aby bylo možné na jejich základě srovnávat hospodárnost staveb, zajistit jednotnou hladinu spolehlivosti a rozhodovat právní spory.

Při prokazování spolehlivosti dřevěných konstrukcí se nejprve používala metoda dovolených namáhání, která byla později nahrazena metodou mezních stavů.

Zásadní rozdíl mezi těmito dvěma metodami spočívá v tom, že metoda dovolených namáhání vycházela především z mnohaletých zkušeností při navrhování dřevěných konstrukcí, zatímco metoda mezních stavů je koncipována na principech matematické statistiky.

Pro navrhováním dřevěných konstrukcí v současnosti platí ČSN EN 1995, která navazuje na příslušné evropské normy pro konstrukční dřevo, materiály na bázi dřeva, spojovací prostředky atd.

Při rekonstrukcích historických konstrukcí a při změně užívání konstrukcí se setkáváme s tím, že při posouzení jejich spolehlivosti zjistíme, že je třeba je zesílit. Tato problematika není zatím do základní části 1-1 normy ČSN EN 1995 zapracována.

Dřevo lze charakterizovat jako organický, nehomogenní, anizotropní a hygroskopický materiál.

Díky své vláknité struktuře má dřevo v různých směrech rozdílné vlastnosti. Výrazně se od sebe liší vlastnosti sledované rovnoběžně s vlákny a kolmo k vláknům. Při namáhání kolmo k vláknům má dřevo malou únosnost a hrozí jeho roztržení, viz obr. 1.

V následujícím textu jsou proto popsány postupy pro navrhování zesílení dřevěných konstrukčních prvků a spojů namáhaných tahem kolmo k vláknům, který je jedním z nejkritičtějších způsobů namáhání dřevěných konstrukcí. Po formální stránce jsou návrhové postupy zpracovány v normativní podobě v návaznosti na část 1-1 normy ČSN EN 1995.

2. Všeobecná pravidla

(1) Následující návrhové postupy se vztahují k prvkům se zesílením za účelem zvýšení jejich únosnosti v tahu kolmo k vláknům.

(2) Při navrhování zesílení se přitom zanedbává vlastní únosnost prvků v tahu kolmo k vláknům.

(3) Uvažovány jsou přitom tyto možné vnitřní způsoby zesílení:

• vlepené závitové tyče a vešroubované závitové tyče,
• vlepené pruty betonářské výztuže,
• vruty se závitovou částí po celé délce.

V případě, že jsou prvky namáhány tahem, je třeba vzít v úvahu redukci průřezové plochy prvku v důsledku zesílení.

(4) Použít se mohou následující způsoby vnějšího zesílení:

• přilepená překližka podle ČSN EN 13986 a ČSN EN 636,
• přilepené vrstvené dřevo LVL podle ČSN EN 14374 nebo ČSN EN 13986 spolu s ČSN EN 14279,
• přilepené lamely,
• zalisované kovové deskové spojovací prostředky.

(5) Vzdálenost spojovacích prostředků a₂ mezi vnitřními prostředky zesílení (viz obr. 3) nemá být menší než 3 ‧ d_r. Vzdálenosti a_3,c a také vzdálenosti a_4,c nemají být menší než 2,5 ‧ d_r pakliže dále není dáno jinak.

(6) Zesílení pomocí vrutů se závitovou částí po celé délce se má posuzovat analogicky jako zesílení pomocí vlepených závitových tyčí.

(7) Napětí v tahu u ocelových tyčí se má posoudit s uvážením průřezu, který je tahem namáhán.

(8) Zesílení prvků na tah kolmo k vláknům se může použít i pro třídu provozu 3.

3. Zesílení prvků s pravoúhlým zářezem na tah kolmo k vláknům

(1) Zesílení pravoúhlého zářezu na namáhané straně podpěry prvku (viz obr. 2) se navrhuje na tahovou sílu F_t,90,d :

kde je

V_d

návrhová hodnota posouvající síly,

α = h_ef / h

viz obr. 2.

(2) Jestliže je tahová síla F_t,90,d , podle rovnice 1, přenášena vlepenými ocelovými tyčemi, má se napětí v lepené spáře za předpokladu jeho rovnoměrného rozdělení ověřit podle následující rovnice:

kde je

l_ad

účinná kotvící délka, viz obr. 3,

n

počet ocelových tyčí, má se předpokládat pouze jedna řada ocelových tyčí na vzdálenost a_3,c od okraje zářezu,

d_r

vnější průměr závitu (≤ 20 mm),

f_k1,d

návrhová pevnost lepené spáry (viz tab. 1 pro charakteristické hodnoty pevnosti).

(3) Minimální délka každé ocelové tyče je 2 ‧ l_ad, vnější průměr závitu d_r nemá být větší než 20 mm.

(4) Jestliže je tahová síla F_t,90,d podle rovnice 1 přenášena deskami přilepenými na povrch prvků a předpokládá se, že napětí je rozděleno rovnoměrně, pak napětí v lepené spáře má splňovat následující rovnici:

kde je

F_t,90,d

návrhová hodnota tahové síly podle rovnice 1,

h, h_ef

viz obr. 3,

l_r

šířka zesilující desky, viz obr. 3

f_h,2,d

návrhová pevnost lepené spáry (hodnoty charakteristické pevnosti viz tab. 1).

(5) Napětí v tahu u desek, přilepených na povrch prvků, má splňovat následující rovnici:

kde je

t_r

tloušťka zesilující desky,

k_k

součinitel nerovnoměrného rozdělení napětí (bez dalšího zkoumání je možné použít k_k = 2,0)

f_t,d

návrhová pevnost v tahu desky ve směru působení tahové síly F_t.90,d.

(6) Zesilující desky mají být přilepeny na povrch prvků podle obr. 3 při dodržení následující podmínky:

(7) Zesílení pomocí desek s prolisovanými trny má být navrženo analogicky podle (4) a (5) a má být umístěno podle (6).

4. Zesílení průřezů spojů se složkou síly působící kolmo k vláknům

(1) Zesílení průřezu (viz příklady na obr. 4) se doporučuje navrhnout na tahovou sílu F_t,90,d :

kde je

F_v,Ed

návrhová hodnota složky tahové síly působící kolmo k vláknům,

α = h_e / h

viz obr. 4.

(2) Jestliže je tahová síla F_t,90,d podle rovnice 9 přenášena vlepenou ocelovou tyčí a předpokládá se, že napětí je v lepené spáře rozděleno rovnoměrně, potom toto napětí má splňovat následující rovnici:

kde je

viz obr. 4,

n

počet ocelových tyčí, mimo průřez se má uvažovat pouze jedna tyč,

d_r

vnější průměr závitu,

f_k1,d

návrhová pevnost lepené spáry (hodnoty charakteristické pevnosti viz tab. 1).

Tabulka 1 – Charakteristická pevnost lepených spár když jsou použity pro zesílení [MPa] ^a

	1	2	3
		Charakteristická pevnost [MPa]	Efektivní délka lad vlepované ocelové tyče [mm]
1			≤ 250	250 < lad ≤ 500	500 < lad ≤ 1000
2	Lepená spára mezi stěnou vrtání a ocelovou tyčí	fk1,k	4,0	5,25 − 0,005 ∙ lad	3,5 − 0,0015 ∙ lad
3	Lepená spára mezi povrchem prvku a zesilující deskou	fk2,k	0,75
4	Lepená spára mezi povrchem prvku a zesilující deskou, když jsou smyková napětí rozložena rovnoměrně	fk3,k	1,50
a Informace v této tabulce se mohou použít pouze tehdy, když použitelnost systému byla ověřena.

(3) Jestliže je tahová síla F_t,90,d podle rovnice 9 přenášena deskami přilepenými na povrch prvků a předpokládá se, že napětí je rozděleno rovnoměrně, pak napětí v lepené spáře má splňovat následující rovnici:

kde je

viz obr. 4,

n_r

počet desek použitých pro zesílení,

l_r

šířka zesilující desky, viz obr. 4

f_h,2,d

návrhová pevnost lepené spáry (hodnoty charakteristické pevnosti viz tab. 1)

(4) Napětí v tahu u desek přilepených na povrch prvků má splňovat následující rovnici:

kde je

t_r

tloušťka zesilující desky,

k_k

součinitel pro uvážení nerovnoměrného napětí (bez dalšího zkoumání je možné použít k_k = 1,5),

f_t,d

návrhová pevnost v tahu desky ve směru působení tahové síly F_t.90,d.

(5) Zesilující desky mají být přilepeny na povrch prvků podle obr. 4 při dodržení následující podmínky:

(6) Zesílení pomocí desek s prolisovanými trny má být navrženo analogicky podle (3) a (4) a má být umístěno podle (5).

5. Poděkování

Tento článek byl zpracován za podpory grantu NAKI - DF12P01OVV037, jehož poskytovatelem je Ministerstvo kultury České republiky.

6. Literatura

• [1] Ballerini, M.: A New Prediction Formula for the Splitting Strength of Beams Loaded by Dowel Type Connections, CIB-W18 / 37-7-5, Proceedings of the international council for research and innovation in building and construction, Working commission W18 – timber structures, Meeting 35, Edinburgh, 2004
• [2] Bejtka, I., Blaß, H. J.: Self-tapping screws as reinforcements in connections with dowel-type fasteners,CIB-W18 / 38-7-4, Proceedings of the international council for research and innovation in building and construction, Working commission W18 – timber structures, Meeting 38, Karlsruhe, 2005
• [3] Blaß, H. J., Bejtka, I.: Reinforcements perpendicular to the grain using self-tapping screws, Proceedings, 8th World Conference on Timber Engineering, Lahti, Finland, 2004
• [4] DIN 1052:2008-12: Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken – Allgemeine Bemessungsregeln undBemessungsregeln für den Hochbau, DIN, Berlin, 2008
• [5] Ehlbeck, J., Görlacher, R., Werner, H.: Determination of Perpendicular-to-Grain Tensile Stresses in Joints with Dowel Type-Fasteners, CIB-W18 / 22-7-2, Proceedings of the international council for research and innovation in building and construction, Working commission W18 – timber structures, Meeting 22, Berlin, 1989
• [6] Franke, B., Quenneville, P.: Failure Behaviour and Resistance of Dowel-Type Connections Loaded
• Perpendicular to Grain, CIB-W18 / 43-7-6, Proceedings of the international council for research and innovation in building and construction, Working commission W18 – timber structures, Meeting 43, Nelson, 2010
• [7] Gustafsson, P. J.: Fracture perpendicular to grain – structural applications, in: Thelandersson, S., Larsen, H. J.(eds.), Timber Engineering, Wiley, West Sussex, 2003
• [8] Larsen, H. J., Gustafsson, P. J.: Dowel joints loadedperpendicular to grain, CIB-W18 / 34-7-3, Proceedings of the international council for research and innovation in building and construction, Working commission W18 – timber structures, Meeting 34, Venice, 2001
• [9] Leijten, A. J. M., Jorissen, A. J. M.: Splitting strength of beams loaded by connections perpendicular to grain, model validation, CIB-W18 / 34-7-1, Proceedings of the international council for research and innovation in building and construction, Working commission W18 – timber structures, Meeting 34, Venice, 2001
• [10] Document from working group on Reinforcement of timber structures, CEN/TC 250/SC 5 – Timber Structures, 2013