Dřevěné nosníky se zářezem v podpoře

1 Úvod

Obrázek 1 Zářezy dřevěných nosníků v místě uložení: a) pravoúhlý zářez na dolní straně nosníku; b) zářez s náběhem na dolní straně nosníku; c) pravoúhlý zářez na horní straně nosníku; d) zářez s náběhem na horní straně nosníku

U dřevěných nosníků se někdy používají zářezy v místech uložení – zpravidla na dolní straně nosníku pro zmenšení celkové výšky konstrukce stropu, popř. střechy nebo pro vyrovnání úrovně horního okraje nosníku s přilehlými konstrukčními prvky, méně často na horní straně nosníku, například pro osazení střešního okapu (obrázek 1a až 1d).

Provedení těchto zářezů je vzhledem k snadné obrobitelnosti dřeva jednoduché. Právě nejjednodušší a nejčastěji používaný typ zářezu – pravoúhlý zářez na dolní straně nosníku – lze však z hlediska jeho spolehlivosti a nosné způsobilosti označit jako problematický.

Obrázek 2 Schéma základních typů porušení nosníku v zářezu: vlevo – tah kolmou vláknům; vpravo – smyk rovnoběžně s vlákny

Zářezy mohou výrazně redukovat únosnost konstrukčních prvků nejenom vzhledem k oslabení průřezu, ale také účinkem koncentrace napětí vlivem náhlé změny průřezu. V rohu zářezu působí značně vysoká napětí v tahu kolmo k vláknům a napětí ve smyku, která mohou být příčinou trhlin a následně poruch (obr. 2). U zářezů na horní straně nosníku se přídavná napětí účinkem náhlé změny průřezu neprojevují tak nepříznivě.

K redukci únosnosti ve smyku za ohybu dřevěných nosníků s pravoúhlým zářezem na dolní straně v místě uložení přihlížely již před ≈ 70 lety tehdejší americké [1] i sovětské [2] předpisy pro dřevěné konstrukce. Jak americké, tak sovětské předpisy dolní pravoúhlý zářez v podpoře nosníku všeobecně nedoporučovaly a poukazovaly na příznivější variantu zářezu s plynulou změnou výšky průřezu (náběhem). Při použití pravoúhlého zářezu požadovaly redukci dovoleného namáhání ve smyku za ohybu v závislosti na hloubce zářezu. Redukční součinitel podle americké normy [1] je uveden v tabulce 1.

Tehdejší sovětská norma omezovala hloubku zářezu u nosníků z rostlého dřeva také v závislosti na výšce nosníku h, a to na ≤ 0,3 h pro h > 18 cm, na ≤ 0,4 h pro h = 18 až 12 cm a na ≤ 0,5 h pro h < 12 cm.

Redukční součinitel podle amerických předpisů převzala např. britská [3] a kanadská [4] norma pro dřevěné konstrukce a od r. 1971 také ČSN 73 1701 [5].

2 Působení dřevěných nosníků se zářezy v uložení

S rozvojem dřevěných lepených konstrukcí v Evropě v šedesátých letech minulého století docházelo k používání vysokých lepených lamelových nosníků s pravoúhlými zářezy v uložení, které se požadovaly z konstrukčních důvodů. Protože národní normy pro dřevěné konstrukce zpravidla neobsahovaly žádná ustanovení pro navrhování, docházelo k poruchám a požadavkům na sanaci takových nosníků. Otázka skutečného působení dřevěných nosníků se zářezem v uložení byla proto předmětem řady teoretických a experimentálních prací, které byly motivovány přípravou normativních ustanovení pro navrhování – jednak v souvislosti s revizí německé normy pro dřevěné konstrukce DIN 1052 [6]., jednak pro připravovanou evropskou normu pro dřevěné konstrukce Eurokód 5 [7]. Pro podrobnější informace odkazujeme na [8] až [16].

Obrázek 3 Rozdělení napětí v tahu kolmo k vláknům v podpoře nosníku s pravoúhlým zářezem

Na obrázku 3 je znázorněn průběh napětí v rohu zářezu, kde působí značně vysoká napětí v tahu kolmo k vláknům a ve smyku. S rostoucí vzdáleností od rohu zářezu se napětí rychle zmenšují a zesílení má být proto co nejblíže k rohu zářezu.

Při střídavé vlhkosti prostředí se napětí v tahu kolmo k vláknům vyvozené podporovou reakcí skládá s klimaticky podmíněným napětím v tahu kolmo k vláknům účinkem nestejnoměrného rozdělení vlhkosti v průřezu, ke kterému dochází v rohu zářezu zejména vzhledem k rychlejšímu přenosu vlhkosti čelní plochou [17].

Obrázek 4 Varianty pravoúhlého zářezu na dolní straně nosníku: a) zářez se zaoblením; b) zářez v kombinaci s předvrtaným otvorem

U zářezů s plánovitým zaoblením (obr. 4a) nebo s náběhem je koncentrace napětí výrazně menší. Vzhledem ke komplikované výrobě se zaoblený zářez u dřevěných nosníků v praxi nepoužívá, princip zaoblení se však využívá u některých truhlářských spojů (například spoje na pero a drážku). Někdy se doporučuje v místě pravoúhlého rohu předem předvrtat otvor (obr. 4b), který je příznivý i z hlediska provádění zářezu – zamezuje nežádoucí přeřezání vláken za úroveň vnitřního rohu.

3 Zesilování nosníku v místě zářezu

Vzhledem k nepříznivému účinku střídavé vlhkosti prostředí a vlivu kombinovaného napětí na seříznutém okraji se doporučuje provádět zářezy na dolní straně nosníku se zesílením. Nezesílené zářezy se dovolují pouze v třídách provozu 1 a 2.

Požadavek zesilování zářezů je zdůvodněn zejména těmito aspekty:

• Pravoúhlým zářezem na dolní straně nosníku se u nosníků z lepeného lamelového dřeva plánovitě zavádí značné lokální napětí v tahu kolmo k plochám lepených spojů, které se všeobecně nedoporučuje;
• Redukce návrhové únosnosti spojená se zavedením součinitele k_v je u štíhlých nosníků z lepeného lamelového dřeva poměrně značná a pro optimální využití únosnosti nosníku často dochází k požadavku zesílení v místě zářezu;
• dodatečná sanace případných poruch (možnost jejich vzniku souvisí s povahou materiálu a nelze ji zcela vyloučit ani při použití exaktních postupů dimenzování) je u těchto nosníků o mnoho nákladnější než jejich prevence.

Nosníky se zesilují v místě zářezu buď pomocí vnějších příložek z vodovzdorné překližky nebo pomocí vlepovaných ocelových prutů (závitových tyčí nebo žebrové betonářské oceli). V současné době se jeví jako efektivní použití samovrtných vrutů vzhledem k jednoduchému provedení bez použití lepidla a velmi dobré účinnosti.

Posuzování nosníků a příklad výpočtu zesílení (PDF)

Citované prameny

• [1] National Design Specification for Stress-Grade Lumber and its Fastenings. Nat. For. Prod. Ass., Washington, 1944
• [2] Normy i techničeskije uslovija projektirovanija derevjannych konstrukcij (N i TU 122-47), Moskva, 1947
• [3] BS CP 112:1952 The Structural Use of Timber
• [4] CSA 086-1959 Code of Recommended Practice for Engineered Design in Timber
• [5] ČSN 73 1701 Navrhování dřevěných stavebních konstrukcí, 1971
• [6] DIN 1052/1:1988 Holzbauwerke. Berechnung und Ausfiuhrung
• [7] ENV 1995-1-1:1993 Design of Timber Structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings
• [8] Eichstaedt, H. J.: Spannungsbilder für einen ausgeklingten Balken unter Berücksichtigung der Anisotropie des Holzes. Bauen mit Holz 1970/12
• [9] Henrici, D.: Spannungsoptische Untersuchung rechtwinklig ausgeklingten sowie lochbelasteter Biegeträger. Holz als Roh- und Werkstoff 1976, s. 91–100.
• [10] Ausgeklingte Brettschichtträger. In: Karlsruher Forschungsarbeiten von 1972 bis 1977. Bauen mit Holz 1977/5
• [11] Mistler, H. L.: Die Tragfähigkeit des am Endauflager unten rechtwinklig ausgeklingten Brettschichtträgers. Dissertation Universität Karlsruhe, 1979
• [12] Henrici, D.: Beitrag zur Spannungsermittlung in ausgeklingten Biegeträgern aus Holz. Dissertation TU München, 1984
• [13] Larsen, H. J., Gustaffson, P. J.: Design of Endnotched Beams. CIB W 18 Paper 22-10-1, Berlin 1989
• [14] Henrici, D.: Beitrag zur Bemessung ausgekligter Brettschichtholzträger, Bauen mit Holz 1990/11
• [15] Gustafsson, P. J.: Eurocode 5 draft design criterion for notched beams. In: Proceedings of the 1991 Int. Timber Eng. Conference, Vol. 1, London 1991
• [16] Ehlbeck, J.: Stand der Verbindungstechnik im Holzbau. III, Int. Symposium Holz in Baukonstruktionen, Bratislava, Kočovce 04-06.09.1984
• [17] Blass, H. J. – Ehlbeck, J. – Kreuzinger, H. – Steck, G.: Erläuterungen zu DIN 1052:2004-08[
• [18] Ralf-W. Boddenberg: Vorlesung Holzbau III, Teil 1 Hochschule Wismar 2012.