Laboratorní testování únosnosti mechanického spřažení dřevobetonového nosníku

1. Úvod

Obr. 1 Schéma zkoušky smykové únosnosti spřažení

Bylo navrženo ověřit možnosti spřažení dřevobetonových stropních, či střešních nosníků pomocí ocelových perforovaných tenkých plechů, které jsou k dřevěnému prvku přibity konvexními hřebíky a jsou zapuštěny do železobetonové desky.

Podmínkou při výběru spřahovacích prostředků bylo, aby prvky spřažení byly běžně dostupné a jejich použití nebylo technologicky náročné jako u jiných způsobů spřažení (např. lepené lišty, frézované drážky a jiné). V mnohých případech z praxe bylo jednoduché spojení betonu a dřeva považováno za efektivnější, než technologicky náročnější postupy [1] [4] [5]. Jako srovnávací vzorek bylo zvoleno spřažení pomocí styčníkových desek s prolisovanými trny [2].

Testování vzorků reálných rozměrů, o kterých pojednává tato práce, předcházelo ověření smykové únosnosti obou způsobů spřažení (perforované ocelové plechy s konvexními hřebíky, styčníkové desky s prolisovanými trny) dle schématu na obrázku č. 1. Výsledky těchto zkoušek byly použity jako podklad pro návrh vzorků reálných rozměrů a pro úpravu výpočtových metod [9].

2. Experimentální ověření

Pro experimentální ověření únosnosti spřažení bylo vyrobeno několik laboratorních vzorků panelů ve tvaru TT (viz obrázek č. 2).

Jako spřahovací prvky byly u dvou panelů použity plechy s prolisovanými trny o velikosti 95 × 140 × 1,5 mm. Třetí panel byl spřažen pomocí ocelových perforovaných plechů značky BOVA o velikosti 90 × 140 × 2,0 mm, které byly přibity k trámům konvexními hřebíky průměru 4 mm a délky 40 mm (5 ks na jeden plech) a do ŽB desky byly zapuštěny 25 mm.

K výrobě vzorků bylo použito betonu C20/25 s výztuží KARI sítí třídy 10505 (drát Ø 5 mm, rastr 100/100 mm). Dřevěné trámy byly vyrobeny ze smrkového hoblovaného řeziva typ KVH o třídě pevnosti C24 a vlhkosti 12 %.

Obr. 2 Schéma vzorků reálných rozměrů

Obr. 3 Uložení panelů při zkoušce ve čtyřbodovém ohybu

Zkouška ve čtyřbodovém ohybu byla provedena na lisovací dráze o maximálním tlaku 600 kN ve zkušebně TZÚS Ostrava (obrázek č. 3). Na horní i dolní straně železobetonové desky, co nejblíže působiště zatížení, byly umístěny tenzometry za účelem zjištění napětí. Rovněž bylo provedeno měření odezvy panelu na dynamické zatížení impulsem síly a tím byla určena první vlastní frekvence panelu.

3. Výsledky zkoušek a jejich porovnání s výpočty

K porušení dřevobetonových panelů došlo u všech tří vzorků v dolních tažených vláknech dřevěných nosníků. Železobetonová deska zůstala bez viditelného porušení. Výsledná síla F, při které došlo k porušení vzorků je uvedena v tabulce č. 1.

Obr. 4 Statické a zatěžovací schéma výpočtového modelu

Výpočtem únosnosti dřevobetonového panelu ve čtyřbodovém ohybu (účinná ohybová tuhost dřevobetonového průřezu byla stanovena podle přílohy B.2 v normě [8]) byla stanovena maximální síla při destrukci F_k = 86,08 kN (statické schéma je znázorněno na obrázku č. 4).

Výpočtem bylo provedeno srovnání únosnosti dřevobetonového panelu a obdobného panelu s nespřaženou železobetonovou deskou. Zatížení stálé představovala vlastní tíha stropních nosníků a železobetonové desky. Maximální síla, při které došlo k porušení dřevěných nosníků, činila: F = 13,5 kN.

U testovaných panelů byly pomocí akcelerometru a záznamového zařízení SPIDER8 změřeny první vlastní frekvence f₁. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce č. 2.

Pro srovnání byla výpočtem stanovena vlastní frekvence výřezu stropní konstrukce o rozpětí 3,405 m se skladbou uvedenou na obr. č. 5. Vlastní frekvence byla stanovena dle vztahu kap. 7.3 v normě [8]:

(1)

Obr. 5 Průřez pro stanovení první vlastní frekvence f₁

kde je

l

– rozpětí stropního panelu,

m

– plošná hmotnost stropu,

(EI)_l

– náhradní ohybová tuhost stropu.

Do vztahu pro výpočet vlastní frekvence byl dosazen v prvním případě součet tuhostí obou prvků (železobetonové desky a dřevěných trámů), což odpovídá prostému uložení desky na trámech. Hodnota vlastní frekvence činila f_1,1 = 9,0 Hz. V druhém případě byla pro výpočet první vlastní frekvence (f_1,2 = 9,8 Hz) použita hodnota účinné ohybové tuhosti spřaženého dřevobetonového průřezu. Rozdíl mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami první vlastní frekvence panelů je zřejmě způsoben nepřesnými tuhostními charakteristikami dřeva a betonu, použitými ve výpočtech.

4. Závěr

Při porovnání výsledků testů únosnosti dřevobetonového panelu spřaženého ocelovými deskami s prolisovanými trny s výsledky testů únosnosti dřevobetonového panelu spřaženého pomocí ocelových perforovaných plechů a konvexních hřebíků bylo zjištěna poměrně dobrá shoda v únosnosti i tuhosti (rozdíl činil přibližně 7 %). Spřažená dřevobetonová konstrukce vykazuje mnohem vyšší únosnost a tuhost oproti nespřažené konstrukci a rovněž vyšší hodnotu vlastní frekvence. Požadované únosnosti i tuhosti spřaženého dřevobetonového nosníku je možné docílit návrhem dostatečného počtu spřahovacích plechů a hřebíků. V praxi je tedy možné použití technologicky jednoduššího způsobu spřažení se stejnou efektivitou jako spřažení pomocí desek s prolisovanými trny. Vzhledem k poměrně značnému rozptylu mechanicko-fyzikálních vlastností dřeva a betonu se do budoucna jeví vhodné využít ke spolehlivému návrhu spřažení pravděpodobnostní metody (viz např. [3], [6], [7]).

Poděkování

Příspěvek byl vytvořen za podpory studentské grantové soutěže na FAST VŠB-TU Ostrava.

Literatura

• [1] AHMADI, B. H., Behavior of composite timber-concrete floors. In Journal of structural engineering New York, 1993, volume 109. number 11, pp. 3111–3130, ISSN: 07339445.
• [2] MANARIDIS, A., Evaluation of timberconcrete composite floors. Lund: Lund Universitet. (2010). 131 pp. ISSN 0349-4969.
• [3] LOKAJ, A., Vavrušová, K., Rykalová, E. Application of laboratory tests results of dowel joints in cement-splinter boards VELOX into the fully probabilistic methods (SBRA method). In Applied Mechanics and Materials. 2011, Volume 187. Number 1, pp. 95–99. ISSN 16609336.
• [4] STEINBERG, E., SELLE, R., FAUST, T., Connectors for timber-lightweight concrete composite structures. Journal of structural engineering ASCE. 2003. Volume 129. Number 11, pp. 1538–1545. ISSN 0733-9445.
• [5] DIAS, A.M.P.G. & LOPES, S.M.R & VAN DE KUILEN, J.W.G & CRUZ, H.M.P. Load-carrying capacity of timber-concrete joints with Dowel-type fasteners. Journal of structural engineering ASCE. 2007, Volume 133. Number 5, pp. 720-727. ISSN 0733-9445.
• [6] JANAS, P., KREJSA, M., KREJSA, V., Structural reliability assessment using a direct determined probabilistic calculation. In Proceedings of the 12^th International Conference on Civil Structural and Environmental Engineering Computing. Funchal, Madeira, 1.–4. September 2009. ISBN 978-190508830-0.
• [7] LOKAJ, A., MAREK, P., Simulation-based Reliability Assessment of Timber Structures. In Proceedings of the 12^th International Conference on Civil Structural and Environmental Engineering Computing. Funchal, Madeira, 1.–4. September 2009. ISBN 978-190508830-0.
• [8] ČSN EN 1995-1-1, Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 12/2006.
• [9] AGEL, P., LOKAJ, A., Laboratorní testování únosonsti mechanického spřažení dřevobetonového nosníku. Ve Sborníku vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava. Ostrava, 2012. ISBN 978-190508830-0.