Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Zesilování dřevěných konstrukčních prvků a spojů na tah kolmo k vláknům

Předmětem tohoto článku je problematika zesilování dřevěných konstrukčních prvků a spojů na tah kolmo k vláknům, který je jedním z nejkritičtějších způsobů namáhání dřevěných konstrukcí. V článku jsou prezentovány návrhové postupy v návaznosti na část 1-1 technické normy ČSN EN 1995 pro navrhování dřevěných konstrukcí.

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.

Obr. 1 Poškození dřeva tahem kolmo k vláknům
Obr. 1 Poškození dřeva tahem kolmo k vláknům

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 ‧ dr. Vzdálenosti a3,c a také vzdálenosti a4,c nemají být menší než 2,5 ‧ dr 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 Ft,90,d :

vzorec 1 (1)
 

kde je

Vd
návrhová hodnota posouvající síly,
α = hef / h
viz obr. 2.
 

Obr. 2 Pravoúhlý zářez na namáhané straně prvku (1 – oblast náchylná k roztržení)
Obr. 2 Pravoúhlý zářez na namáhané straně prvku (1 – oblast náchylná k roztržení)
 

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

vzorec 2 (2)
 

vzorec 3 (3)
 

kde je

lad
účinná kotvící délka, viz obr. 3,
n
počet ocelových tyčí, má se předpokládat pouze jedna řada ocelových tyčí na vzdálenost a3,c od okraje zářezu,
dr
vnější průměr závitu (≤ 20 mm),
fk1,d
návrhová pevnost lepené spáry (viz tab. 1 pro charakteristické hodnoty pevnosti).
 

Obr. 3 Zesílení prvků s pravoúhlými zářezy (1 – ocelová tyč s vnějším průměrem závitu d dolní index r, 2 – zesilující desky)
Obr. 3 Zesílení prvků s pravoúhlými zářezy
(1 – ocelová tyč s vnějším průměrem závitu dr, 2 – zesilující desky)

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

(4) Jestliže je tahová síla Ft,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:

vzorec 4 (4)
 

vzorec 5 (5)
 

kde je

Ft,90,d
návrhová hodnota tahové síly podle rovnice 1,
h, hef
viz obr. 3,
lr
šířka zesilující desky, viz obr. 3
fh,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:

vzorec 6 (6)
 

vzorec 7 (7)
 

kde je

tr
tloušťka zesilující desky,
kk
součinitel nerovnoměrného rozdělení napětí (bez dalšího zkoumání je možné použít kk = 2,0)
ft,d
návrhová pevnost v tahu desky ve směru působení tahové síly Ft.90,d.
 

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

vzorec 8 (8)
 

(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 Ft,90,d :

vzorec 9 (9)
 

kde je

Fv,Ed
návrhová hodnota složky tahové síly působící kolmo k vláknům,
α = he / h
viz obr. 4.
 

(2) Jestliže je tahová síla Ft,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:

vzorec 10 (10)
 

vzorec 11 (11)
 

kde je

viz obr. 4,
n
počet ocelových tyčí, mimo průřez se má uvažovat pouze jedna tyč,
dr
vnější průměr závitu,
fk1,d
návrhová pevnost lepené spáry (hodnoty charakteristické pevnosti viz tab. 1).
 

Obr. 4 Příklady zesílení průřezu (1 – oblast náchylná k roztržení)
Obr. 4 Příklady zesílení průřezu (1 – oblast náchylná k roztržení)
Tabulka 1 – Charakteristická pevnost lepených spár když jsou použity pro zesílení [MPa] a
123
Charakteristická pevnost [MPa]Efektivní délka lad vlepované ocelové tyče [mm]
1≤ 250250 < lad ≤ 500500 < lad ≤ 1000
2Lepená spára mezi stěnou vrtání a ocelovou tyčífk1,k4,05,25 − 0,005 ∙ lad3,5 − 0,0015 ∙ lad
3Lepená spára mezi povrchem prvku a zesilující deskoufk2,k0,75
4Lepená spára mezi povrchem prvku a zesilující deskou, když jsou smyková napětí rozložena rovnoměrněfk3,k1,50
a Informace v této tabulce se mohou použít pouze tehdy, když použitelnost systému byla ověřena.

(3) Jestliže je tahová síla Ft,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:

vzorec 12 (12)
 

vzorec 13 (13)
 

kde je

viz obr. 4,
nr
počet desek použitých pro zesílení,
lr
šířka zesilující desky, viz obr. 4
fh,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:

vzorec 14 (14)
 

vzorec 15 (15)
 

kde je

tr
tloušťka zesilující desky,
kk
součinitel pro uvážení nerovnoměrného napětí (bez dalšího zkoumání je možné použít kk = 1,5),
ft,d
návrhová pevnost v tahu desky ve směru působení tahové síly Ft.90,d.
 

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

vzorec 16 (16)
 

(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
 
Komentář recenzenta doc. Ing. Antonín Lokaj, Ph.D., Fakulta stavební, VŠB-TU Ostrava

Článek se zabývá aktuální problematikou zesilování dřevěných konstrukčních prvků a spojů namáhaných v tahu kolmo k vláknům. Pevnost dřeva v tahu kolmo k vláknům je nejnižší ze všech způsobů namáhání, proto je třeba tomuto způsobu namáhání věnovat zvýšenou pozornost. Kladně hodnotím skutečnost, že se autor článku zabývá jak teoretickými, tak i praktickými přístupy k zesilování kritických míst konstrukčních prvků a spojů namáhaných vtahu kolmo k vláknům. Autor uvádí řadu praktických návodů k zesílení dřevěných konstrukčních prvků a spojů, včetně způsobu posouzení jejich únosnosti v souladu s platnou evropskou normou pro navrhování dřevěných konstrukcí (EC5). Článek je po obsahové i formální stránce zpracován velmi kvalitně.

English Synopsis

The paper is focused to strengthening of structural members and connections. Tension perpendicular to grain which is most critical loading of timber structures is taken into account. The paper presents the design rules in connection with part 1-1 of technical standard ČSN EN 1995 for design of timber structures.

 
 
Reklama