Spřažení dřevobetonových nosníků s rozptýlenou výztuží
Článek popisuje experimentální výzkum spřažených dřevobetonových konstrukcí s rozptýlenou výztuží. Únosnost a tuhost spřažení byly získány z výsledků protlačovací zkoušky, provedené podle ČSN EN 26891. Z provedených protlačovacích zkoušek vzorků byly zjištěny závislosti zatížení na posunutí, ze kterých byly určeny návrhové hodnoty modulu prokluzu spojovacího prostředku a jeho maximální návrhová únosnost. Na základě těchto provedených zkoušek byl kalibrován numerický model. Bylo docíleno velmi dobré shody mezi experimentem a numerickou simulací.
Úvod
Vzrůstající nároky na únosnost a rozpětí konstrukcí vyžadují nová řešení, mezi která patří použití vrstveného dřeva, lepeného lamelového dřeva nebo spojování dřeva s dalšími materiály v konstrukce, kde spolupůsobí s betonem, ocelí nebo s jinými vysokopevnostními materiály. Spojení dřeva s betonem se v posledních desetiletích stalo hospodárnou a uznávanou alternativou. Dřevobetonové konstrukce reprezentují stavební technologii široce uplatňovanou na celém světě pro zesilování a ztužování existujících stropních desek a nových stropních konstrukcí. Spřažené dřevobetonové konstrukce lze zjednodušeně řešit s využitím ČSN EN 1992-1-1 [2], ČSN EN 1995-1-1 [3] a ČSN EN 1995-1-2 [4].
Betonová deska a dřevěné nosníky se spojují spřahovacími prostředky a lepením. Spolupůsobení obvykle ovlivňuje bednění. Chování dřevobetonových spřažených desek je ovlivněno podélným smykovým spojením mezi dřevěným nosníkem a betonovou deskou [5]. Proto je smykové spojení rozhodujícím komponentem systému a do značné míry ovlivňuje jeho chování. K omezení smršťování betonové desky a přenesení tahových sil v oblasti spřažení se deska vyztužuje sítí. Vzhledem k minimální krycí vrstvě 20 mm a rameni vnitřních sil dosahuje deska tloušťky nejméně 80 mm. Zatížení od vlastní tíhy tak roste nad hodnoty potřebné pro optimální užitné a akustické vlastnosti [6].
V současnosti se opouští od použití klasické železobetonové desky a do popředí zájmu výzkumu se dostávají vláknobetony, které díky specifickým vlastnostem mohou zásadním způsobem ovlivnit vlastnosti v oblasti technologie výroby a využití.
Vláknobeton je směsí prostého betonu doplněnou o vlákna za účelem získání požadovaných vlastností. Vlákna pro vláknobeton lze rozdělit na ocelová, polymerová, skleněná a vlákna přírodního původu. Rovnoměrné rozptýlení vláken vede ke ztužení celé struktury betonu, zlepšení jeho odolnosti proti mechanickému a tepelnému namáhání, zvýšení odolnosti betonu proti vzniku trhlin. Vlákna zlepšují vlastnosti betonu jak v počátečním stádiu, tak po zatížení konstrukce či vlivem objemových změn. Nejrozšířenějším typem vláknobetonů jsou tzv. drátkobetony, ve kterých se jako vlákna využívají ocelové drátky [7].
Materiálové charakteristiky drátků a jejich tvar velmi významně ovlivňují výsledné vlastnosti materiálu. Ocelový drátek lze charakterizovat délkou, štíhlostním poměrem a druhem použité oceli. Složení směsi kompozitu definuje typ použitého betonu, typ použitých drátků a jejich poměr, který je udáván buď v kg/m3 směsi kompozitu (20–70 kg/m3) nebo v % (0,5–1,3 %).
Dřevodrátkobetonové konstrukce se v pozemním stavitelství uplatňují v bytové výstavbě a u rekonstrukcí. Hlavní výhodou je oproti klasické železobetonové desce snížení zatížení od vlastní tíhy stropní konstrukce vlivem snížení tloušťky dřevodrátkobetonové desky. Náhodně orientované nespojité drátky mají v porovnání s klasickou železobetonovou deskou menší dotvarování a smršťování, zlepšují odolnosti vrchních vrstev proti opotřebení, houževnatost a trvanlivost. U drátkobetonových konstrukcí odpadají armovací práce, což zjednodušuje provádění a úspora času při realizaci může vyrovnat nebo převýšit cenovou náročnost vstupních nákladů drátkobetonové konstrukce [8].
Experimenty
Obr. 1 Zkušební vzorek pro normalizovanou protlačovací zkoušku
Obr. 2 Postup zatěžování
Na ČVUT v Praze se návrhem spřahovacích prostředků dřevobetonových konstrukcí zabývalo několik prací (Kuklíková, 2000) a (Kuklík, 2008). V současné době se výzkum orientuje na nové typy spřažení (Kuklík a kol, 2012) a využití drátkobetonu (Petřík a kol, 2010). Otázky tuhosti a únosnosti spřažení pomocí šroubů pod úhlem je řešeno v této práci.
K určení smykové únosnosti a tuhosti spřahovacích prvků s použitím drátkobetonu byly použity výsledky normalizované protlačovací zkoušky dle ČSN EN 26891 [1]. Zkušební těleso, viz obr. 1, bylo provedeno z lepeného lamelového dřeva GL24h a betonu třídy C45/55 s podílem ocelových vláken HE 75/50 (s ohyby na koncích) Arcelor 70 kg/m3. Jako spřahovací prostředek byly použity TCC (Timber-Concrete-Connectors) šrouby průměru 7,3 mm a délky 150 mm ve dvou řadách pod úhlem 45° s roztečí 100 mm v podélném směru a 40 mm v příčném směru. Délka závitu šroubu je 100 mm, proto byl šroub do dřeva zaražen do hloubky 100 mm.
Fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva byly stanoveny na základě normy ČSN 49 0108 [9] a ČSN EN 1194 [10]. Při zkouškách se na paralelně vyrobených betonových krychlích měřila dosažená pevnost betonu v tlaku a v příčném tahu.
Zkušební vzorek byl zatěžován hydraulickým lisem dle ČSN EN 26891 [1], viz obr. 2. Nejprve bylo zatěžováno silou do 0,4 Fest a na této hodnotě se zatížení udržovalo 30 s. Poté se zatížení snížilo na 0,1 Fest a znovu se udržovalo 30 s. Poté se zatížení zvýšilo až do porušení nebo do posunutí 15 mm. Maximální zatížení Fest pro zkoušený typ spoje bylo určeno výpočtem. Vyzkoušely se postupně 3 identické vzorky.
Na dřevěnou část byly umístěny 4 snímače posunu, které měřily posunutí mezi dřevěnou a drátkobetonovou částí (viz obr. 3).
Obr. 3 Hydraulický lis se zkušebním vzorkem
Obr. 4 Zkušební vzorek po zkoušce
Cílem protlačovací zkoušky bylo ověření parametrů kontaktních prvků pro numerické modely stropních systémů. Pro vyhodnocení 3 protlačovacích zkoušek byly naměřené hodnoty ze 4 snímačů každého vzorku zprůměrovány do jedné hodnoty, viz obr. 5. Ze tří zprůměrovaných hodnot (modrá, červená a zelená křivka v grafu) byla vytvořena průměrná křivka závislosti síly na posunu dané testovací série (černá křivka v grafu).
Obr. 5 Výsledky protlačovací zkoušky
Obr. 6 Způsob selhání vzorku: beton (nahoře), dřevo (dole) odděleny
Během těchto zkoušek se neobjevila žádná trhlina v betonu kolem spřahovacího prostředku, což naznačuje, že celkový svislý posun mezi betonem a dřevem je způsoben pouze otlačením dřeva a přetvořením šroubů, viz obr. 6. K tomuto modu porušení může dojít buď z důvodu rozdělení připojených prvků, nebo selháním spojovacích prostředků. V tomto případě došlo k přetržení šroubů po dosažení jejich pevnosti.
Ve všech 3 případech došlo ke stejnému módu porušení, tedy k tomu, že všechny spřahovací prvky byly ustřiženy v místě rozhraní betonu a dřeva. Šrouby byly vystaveny působení kombinace smyku, tahu a ohybu, což vedlo k jejich porušení.
Numerická simulace protlačovací zkoušky
Obr. 7 Numerický model protlačovací zkoušky
Cílem numerické simulace protlačovací zkoušky byla verifikace numerického modelu a ověření materiálových vlastností spoje. Model spřažení bude uplatněn v numerické analýze kompozitního nosníku a komplexních modelech stropních systémů. Numerická analýza byla provedena metodou konečných prvků v programu ANSYS 14. Numerický model protlačovací zkoušky (obr. 7) byl sestaven jako prostorový s využitím symetrie podle svislé osy a s nelineárním chováním dřeva, drátkobetonu a spřahovacího prvku. Při diskretizaci dřevěných a betonových prvků byly použity objemové konečné prvky typu SOLID, šrouby byly idealizovány prutovými prvky typu BEAM. Na rozhraní beton-dřevo je definován nelineární kontakt se třením, který umožňuje modelovat nelineární chování získané z laboratorních protlačovacích zkoušek. Hodnoty materiálových konstant pro dřevo a beton byly použity z ČSN EN 1194 [10], ČSN EN 1992-1-1 [2] a [11].
Obr. 8 Skutečné chování zatěžovaného vzorku při zkoušce (vlevo) odpovídá chováním vzorku v numerické analýze (vpravo)Numerický model byl zatěžován svislým vynuceným posunem aplikovaným na horní povrch dřevěného trámku. Způsob chování zatěžovaného vzorku v numerické analýze odpovídá skutečnému chováním vzorku při zkoušce, tedy oddálení horní poloviny betonové desky od dřevěného tělesa vlivem narůstajícího zatížení. Na obr. 8 je toto oddálení zobrazeno při dosažení maximálního zatížení a porovnáno s horizontálním posunutím získaných výpočtem. V obou případech došlo k maximálnímu horizontálnímu posunutí o velikosti 6 mm. Průběh svislých posunů dřevěného tělesa v závislosti na zatěžovací síle je porovnán s měřením na obr. 9.
Vyhodnocení
Obr. 9 Porovnání numerického modelu s výsledky protlačovací zkoušky
Na základě výsledků zkoušek byly spočteny důležité hodnoty, např. maximální zatížení Fmax a modul posunutí Ks. Maximální zatížení poskytuje informace o maximální únosnosti spřahovacích prvků a je určena přímo z grafu závislosti zatížení na posunutí. Modul posunutí poskytuje informaci o závislosti zatížení na posunutí v pružné oblasti (tuhost) a je určen na základě odhadnutého maximálního zatížení a posunu ve dvou místech, v01 (posunu při dosažení 0,1 odhadnutého maximální zatížení) a v04 (posunu při dosažení 0,4 odhadnutého maximální zatížení). Tuhost v mezním stavu použitelnosti je určena přímo hodnotou Ks, zatímco v mezním stavu únosnosti je určena 2/3 Ks (ČSN EN 1995).
Na obrázku 9 jsou s výsledky numerického modelu porovnány s výsledky ze zkoušky.
| Vzorek 1 | Vzorek 2 | Vzorek 3 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Max. zatížení | Fmax | kN | 255 | 260 | 258 |
| Odhadnuté maximální zatížení | Fest | kN | 100 | 250 | 250 |
| Počáteční posunutí | vi | mm | 0,12 | 0,23 | 0,19 |
| Modifikované počáteční posunutí | vi,mod | mm | 0,11 | 0,27 | 0,15 |
| Trvalé počáteční posunutí | vs | mm | 0,01 | −0,04 | 0,04 |
| Pružné posunutí | ve | mm | 0,09 | 0,17 | 0,09 |
| Počáteční modul posunutí | Ki | kN/mm | 333,33 | 433,28 | 516,00 |
| Modul posunutí | Ks | kN/mm | 352,94 | 369,82 | 669,64 |
| Posunutí při 0,6 Fmax | v0,6 | mm | 0,70 | 0,53 | 0,38 |
Tabulka 1 ukazuje naměřené a spočtené hodnoty únosnosti a posunutí všech zkušebních vzorků podle ČSN EN 26891. Průměrná únosnost jednoho spřahovacího prostředku je 21 kN. Charakteristická únosnost podle ČSN EN 14358 jednoho spřahovacího prostředku je 20,82 kN. Charakteristická hodnota modulu posunutí je 17,54 kN/mm.
Závěr
Výhody dřevobetonových konstrukcí jsou vzhledem k jejich únosnosti a použitelnosti již řadu let dobře známy. Aplikace ocelových vláken jako náhrady za běžně používanou betonářskou výztuž přináší výhody, mezi které patří hlavně zmenšení tloušťky desky a tím její vlastní tíhy, pozdější vývoj trhlin v drátkobetonové desce a technologické výhody ve stavebním procesu.
V rámci experimentálního výzkumu byly vyzkoušeny 3 vzorky a byly provedeny další doprovodné materiálové zkoušky. Výsledky zkoušek byly vyhodnoceny a porovnány s numerickou simulací zkoušek. Bylo zjištěno, že všechny materiálové vlastnosti mají významný vliv na únosnost spřahovacího prostředku, avšak modul posunutí je významně ovlivněn pouze materiálovými vlastnostmi dřeva.
Otevřený vzorek po zkoušce ukázal, že se při zkoušce objevil na šroubu pouze jeden plastický kloub a pod šroubem se objevila plastická deformace dřeva, což odpovídá druhému módu porušení podle Johansenovy teorie [12].
U spojů se spojovacími prostředky ve sklonu se ukázal velmi důležitý vliv spojovacích prostředků na maximálním zatížení. Tyto parametry jsou velmi citlivé na úhel mezi šroubem a vláknem dřeva a na konstrukčním řešení (předvrtání).
Numerické modelování bylo použito pro analýzu důležitých jevů mechanického chování spřahovacího prvku, které obvykle nelze vyhodnotit ze zkoušek, a to tření a rozdělení napětí. Obecně jsou předpovědi dobré.
Poděkování
Příspěvek popisuje výstupy práce na projektu Grantové agentury České republiky č. P105/10/2159 a projektu SGS13/041/OHK1/1T/11.
Literatura
- [1] ČSN EN 26891 Dřevěné konstrukce. Spoje s mechanickými spojovacími prostředky. Všeobecné zásady pro zjišťování charakteristik únosnosti a přetvoření. ČNI Praha, 1994.
- [2] ČSN EN 1992-1-1 Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. ČNI Praha, 2011.
- [3] 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.
- [4] ČSN EN 1995-1-2 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru. ČNI Praha, 2006.
- [5] Kuklíková, A. 2004. Kompozitní dřevobetonové konstrukce. ČVUT v Praze, Disertační práce. Praha.
- [6] Petřík, V., Philipp, N., Křístek, V., Půlpán, M. 2011. Full-scale testy kompozitních konstrukcí FRC-dřevo a UHPFRC-dřevo. 18. konference Betonářské dny, Sekce: Mosty 2: 337–342. Praha.
- [7] Holschmacher, K., Klotz, S., Weise, D. 2002. Application of steel fibre reinforced concrete for timber-concrete composite constructions. Lacer No. 7.2002: 161–170.
- [8] Šlapka, P. 2011. Numerická simulace chování spřažených dřevovláknobetonových konstrukčních prvků. ČVUT v Praze, Diploma thesis. Praha.
- [9] ČSN 49 0108 Drevo. Zisťovanie hustoty. ČNI Praha, 1993.
- [10] ČSN EN 1194 Dřevěné konstrukce – Lepené lamelové dřevo – Třídy pevnosti a stanovení charakteristických hodnot. ČNI Praha, 1999.
- [11] Dias, A.M.P.G., Van de Kuilen, J.W., Lopes, S., Cruz, H., 2007. A non-linear 3D FEM model to simulate timber-concrete joints. Advances in Engineering Software 38: 522–530.
- [12] Johansen, K.W. Theory of timber connections. International Association of Bridge and Structural Engineering. Publication No.; Bern; 1949, vol. 9. p. 249–62.
The subject of this paper is load-displacement behaviour of composite timber-fibre concrete specimens. The main point of this work are identification and verification of parameters of contact elements that represent the connection, so that they could be used in complex numerical models of whole systems to explore the use of fibre concrete slab with timber beams and investigate the behaviour of the load floor structure by using Ansys models. The results obtained in the numerical simulations are compared with results obtained from push-out tests. 6 push-out tests were tested to determine the stiffness and shear bearing capacity of connection system under application of fibre concrete. The main objective of the project is the preparation of the analytical prediction model for the fire resistance of the steel-concrete and timber-concrete slab with steel fibre concrete.