Reologické skúšky drevených nosníkov

Úvod

Skúmané typy nosníkov sú používané na strešné konštrukcie s veľkými rozpätiami. V mnohých prípadoch sú takéto strešné konštrukcie zaťažené ťažkou strešnou krytinou a sú realizované v oblastiach s dlhodobo pôsobiacim zaťažením od snehu. Zámerom výskumu bolo overiť deformačné vlastnosti priehradových nosníkov v čase, keďže firmou používaný software nepočíta ani s poddajnosťou spojov ani s dotvarovaním materiálu.

Experiment sa realizoval priamo u výrobcu nosníkov vo firme Tectum Novum v Zemnom. Spolupráca STU v Bratislave a výrobcu drevených konštrukcií sa ukázala ako obojstranne prospešná v spoločnom výskumno-realizačnom projekte. Vzájomná spolupráca firmy Tectum Novum v oblasti výskumu priehradových nosníkov prebieha od roku 2010. V tom roku bol realizovaný prvý experiment, ktorý bol zameraný na zistenie krátkodobej odolnosti nosníkov. Závery z prvej úlohy boli aplikované do výroby a upravené nosníky boli následne podrobené dlhodobému testu.

Cieľom výskumnej úlohy bolo pozorovaním zmien priehybov počas trvania zaťaženia zistiť skutočné pôsobenie nosníkov pri dlhodobom zaťažení. Na záver experimentu určiť mieru plastických nenávratných deformácií a následne ďalším zaťažovaním určiť ich odolnosť.

Skúšobné vzorky

Na základe prechádzajúceho experimentálneho overovania krátkodobej odolnosti nosníkov došlo k zmenám vo výrobe priehradových nosníkov. V záveroch prvej úlohy sa upozorňovalo na výber reziva v miestach najviac namáhaných styčníkov. Bolo treba venovať zvýšenú pozornosť všetkým kritériám vizuálneho triedenia, aby nedošlo k výskytom hŕč, živičných kanálov v kritických miestach spojov a k použitiu prvkov so šikmým priebehom vlákien.

Z toho dôvodu sa výrobca rozhodol pre použitie KVH. Zmena dodávateľa spôsobila zmeny rozmerov prierezov – pôvodné nosníky mali šírky prierezov 50 mm, nosníky od nového renomovaného dodávateľa KVH majú šírku 45 mm. Zmenšením šírky bolo vyvolané zväčšenie výšky prierezov. Krajná diagonála bola zosilnená pridaním bočnej príložky (obr. 1). Rozpätie a výška nosníkov bola zachovaná, aby bolo možné porovnať výsledky predchádzajúcej krátkodobej a uvedenej dlhodobej skúšky.

Obr. 1 Skúšobné nosníky a zaťažovacia zostava

Obr. 2 Geometria a rozmery skúšobných vzoriek

Príprava experimentu

Skúsenosti z predošlého experimentu ovplyvnili zaťažovaciu zostavu pre ohybovú skúšku iba minimálne. Znova bola skúšaná dvojica nosníkov vzájomne spojená vodorovným priehradovým vystužovadlom v rovine horných pásov. V mieste podpier sa nachádzalo zvislé oceľové vystužovadlo v tvare kríža. Na zaťažovanie vodou sa využili rovnaké nádoby a rovnaká roznášacia konštrukcia. Roznos zaťaženia na horný pás skúšobných vzoriek priehradových nosníkov zabezpečoval drevený rošt z priečnikov s prierezom 50/140 mm s osovou vzdialenosťou 600 mm a latovanie prierezu 50/40 mm s osovou vzdialenosťou 500 mm a plnoplošné debnenie z dosiek OSB hrúbky 12 mm. Napĺňanie a odčerpávanie vody zabezpečovali ponorné elektrické čerpadlá. Nosníky boli zaťažené na 90 % navrhovanej odolnosti.

Nosníky boli vybavené elektronickými a analógovými meracími zariadeniami. Elektronické snímacie zariadenia boli použité počas zaťažovania a pri každej zmene zaťaženia. Do tejto skupiny patrili silomery, ktoré slúžili na kontrolu úrovne zaťaženia a indukčné snímače deformácií. Priehyby boli zaznamenávané v strede rozpätia a pri podperách nosníkov [1].

Analógové zariadenia boli použité na meranie priehybov vo fáze konštantného zaťaženia. Boli inštalované v rovnakých miestach ako elektronické snímače deformácií.

Obr. 3 Schéma zaťažovacej zostavy

Výsledky dlhodobých meraní

Vypočítaný priehyb programom Truss bol 10,4 mm. Zaznamenané okamžité priehyby boli nad 15 mm, z čoho je možné konštatovať, že vypočítaný priehyb nezohľadňuje popustenie spojov. Táto deformácia spôsobuje nárast priehybov asi o 45 %.

Počas prvých mesiacov zaťaženia bol pozorovaný výrazný nárast dodatočného priehybu. Po 72 dňoch konštantného zaťaženia došlo k odčerpaniu vody a sledovala sa postupná spätná deformácia. Fáza odľahčenia trvala asi 13 dní a na jej konci bolo možné určiť hodnoty trvalých, nevratných deformácií.

Obr. 4: Priebeh dotvarovania

Z grafu je zrejmé, že už po 72 dňoch konštantného zaťaženia vzrastie priehyb o ďalších 45 % jeho okamžitej hodnoty. V ďalšej fáze zaťaženia bol nárast dodatočných priehybov menej prudký. Do konca experimentu, teda za 414 dní, vznikol na nosníkoch priehyb v priemere až 26,2 mm. Z toho bolo od dotvarovania 10,7 mm, čo predstavuje vyše 50 % z celkového priehybu.

Podľa STN EN 1995-1-1 sa celkový konečný priehyb f_fin počíta podľa vzťahu (1) vynásobením okamžitého priehybu f_inst súčiniteľom k_def zväčšeným o číslo 1. Faktor pretvorenia k_def je závislý od materiálu a od triedy použitia. Experiment bol realizovaný v priestore, ktorého klíma zodpovedala triede použitia 2. Pre takéto prostredie je hodnota k_def rovná 0,8 [2]. Ak sa do vzťahu (1) dosadí nameraná hodnota okamžitého priehybu, potom finálny priehyb bude 27,2 mm. Nameraná spriemerovaná hodnota finálneho priehybu bola menšia (26,2 mm), preto je možné konštatovať, že namerané priehyby sú v súlade s platným predpisom pre navrhovanie drevených konštrukcií. Jednoducho povedané, pri pôsobení dlhodobého zaťaženia treba počítať približne s dvojnásobnou hodnotou okamžitého priehybu.

kde je

f_fin

– celkový konečný priehyb,

f_inst

– okamžitý pružný priehyb,

k_def

– faktor pretvorenia.

Počas trvania experimentu boli nosníky odľahčené prvýkrát po 72 dňoch a druhýkrát pred záverom experimentu. Po odľahčení nosníka dochádza k spätnej deformácii, teda k tzv. dopružovaniu. Keďže úplné odľahčenie nosníkov by si vyžadovalo aj odstránenie roznášacej plošiny, nebolo možné hodnotu priehybu v takomto stave odmerať. Hodnota priehybu v takomto odľahčenom stave bola vypočítaná z priamej úmery priehybu k nameranej deformácii. Takýmto postupom sa odvodila hodnota priehybu 8,8 mm po prvom odľahčení (obr. 4) a hodnota 13 mm po druhom odľahčení.

Obr. 5 Priebeh druhého odľahčovania nosníkov

Hodnota spätnej deformácie závisí od dĺžky trvania zaťaženia. Po prvých 72 dňoch namáhania bola táto hodnota asi 60 % z celkovej deformácie, pričom po 414 dňoch išlo len o 50 %. Je možné konštatovať, že dĺžkou trvania zaťaženia klesá hodnota spätnej pružnej deformácie. Zároveň rastie podiel nenávratnej plastickej deformácie. V závere experimentu tvorila plastická deformácia až 50 % celkového priehybu.

Odolnosť nosníkov po dlhodobom zaťažení

Obr. 6 Priebeh finálneho zaťažovania

Na záver experimentu boli nosníky znova zaťažované až do porušenia. Cieľom bolo zistiť, nakoľko ovplyvní dlhodobé namáhanie výslednú odolnosť nosníkov. Odolnosť upravených nosníkov bola aj napriek dlhodobému namáhaniu o 26 % vyššia ako odolnosť získaná z krátkodobých skúšok. Pri prvej skúške došlo k porušeniu nosníkov na úrovni premenného zaťaženia 3,8 kN/m, pri druhej skúške došlo k porušeniu nosníkov pri zaťažení 4,7 kN/m.

Obrázky 7 a 8 zobrazujú charakteristické porušenia pôvodných nosníkov, vyrobených z netriedeného reziva a nosníkov vyrobených z triedeného konštrukčného reziva typu KVH. Na základe charakteru poškodenia upravených nosníkov je možné konštatovať, že k primárnemu porušeniu už nedochádza v dreve. Slabým článkom konštrukcie začína byť tenký oceľový plech. Zvýšenie bezpečnosti konštrukčného prvku je teda možné zvýšiť použitím masívnejších oceľových plechov.

Obr. 7 Charakter porušenia pôvodných nosníkov vyrobených z bežného reziva

Obr. 8 Charakter porušenia nových nosníkov vyrobených z triedeného konštrukčného reziva KVH, vľavo horný pás, vpravo dolný pás

Záver

Experimentálne overovanie pôsobenia priehradových nosníkov s oceľovými doskami s prelisovanými tŕňmi potvrdilo bezpečnosť konštrukčných prvkov aj po dlhodobom namáhaní. Výsledky bádania poukazujú na významné hodnoty dodatočných deformácií. Zaznamenané dodatočné priehyby zodpovedajú platným predpisom pre navrhovanie drevených konštrukcií. V statickom výpočte uvažovať iba s pružnou deformáciou nie je postačujúce, keďže výsledná deformácia môže byť po dlhodobom zaťažení takmer dvojnásbná. Výrazný podiel na celkovej deformácii tvorí trvalá, nenávratná deformácia, ktorá predstavuje asi 50 % celkovej deformácie. „Poľahčujúcou“ okolnosťou je, že rozhodujúcim faktorom pri návrhu priehradových nosníkoch nie je priehyb. Celkový priehyb s dotvarovaním stále spĺňa kritériá pre medzný stav používateľnosti. Nárast priehybu môže však ovplyvniť celistvosť podhľadov, alebo funkčnosť spádových vrstiev v prípade plochých striech.

Literatúra

• [1] Julínek, I. – Lužica, F. – Sandanus, J. – Slivanský, M. – Sógel, K.: Experimentálne overovanie priehradových väzníkov, Zborník z konferencie „Statika stavieb 2011“, Piešťany 2011, Vydal Spolok statikov Slovenska a SKSI, str. 245-255
• [2] Eurokód 5, STN EN 1995-1-1 + A1, Navrhovanie drevených konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecne – Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy. SÚTN, 2008.