Složený sloup z dřevěných fošen s ocelovými spojovacími prostředky
Příspěvek prezentuje nový typ dřevěného konstrukčního prvku. Hlavní myšlenkou konstrukčního návrhu je možnost využití krajinového řeziva a tím efektivní zvýšení výtěžnosti dřevní hmoty a zároveň snížení množství odpadového dřeva. Konstrukční prvek je tvořen dřevěnými fošnami, které jsou navzájem spojeny pomocí ocelových spojovacích prostředků. Příčný profil tohoto složeného prvku tvoří dutý rovnostranný trojúhelník. Návrh nového dřevěného prvku předpokládá rychlou a nenáročnou výrobu i montáž. Složený prvek v podobě sloupu byl také podroben laboratorní tlakové zkoušce.
1 Úvod
Tlačený, tažený nebo ohýbaný prut patří k nejvíce používaným konstrukčním prutům používaným ve stavbách ze dřeva. Výraznými pozitivy dřevěných konstrukčních prutů jsou nenáročná výroba, příznivý poměr mezi hmotností a pevností, možnost dodatečných úprav na stavbě, snadná montáž a manipulace. Dřevo je též vhodným materiálem pro výrobu kompozitních prvků.
U štíhlých tlačených prutů je jejich únosnost limitována vzpěrem. Zvýšení únosnosti prutů lze docílit především snížením jejich štíhlosti. Toho lze dosáhnout dvojím způsobem: snížením jejich účinné, tedy vzpěrné, délky nebo zvýšením poloměru setrvačnosti ke kritické ose vzpěru. Zvýšení poloměru setrvačnosti lze dosáhnout zvětšením rozměru prvku nebo použitím složených a členěných tlačených prvků. Při porovnání složeného a plného průřezu o stejné průřezové ploše lze konstatovat, že složený průřez má vyšší moment setrvačnosti a průřezový modul.
2 Trojúhelníkový složený sloup
Podstatou konstrukčního návrhu složeného prvku je, že sestává ze tří dřevěných fošen o shodném příčném průřezu ve tvaru rovnoramenného lichoběžníku s úhlem 60° mezi rameny a delší základnou. Tyto tři dřevěné fošny jsou uspořádány do tvaru rovnostranného trojúhelníka s dutým průřezem. V každém spojovaném místě jsou v každé fošně vytvořeny dva průběžné otvory.
Do těchto otvorů jsou z vnitřní strany dutého průřezu vloženy svorníky, které jsou uprostřed své délky odkloněny od své podélné osy o 60°. Konce svorníků jsou opatřeny podložkou a maticí, jak je patrné z obr. 1.
V jednom možném provedení jsou otvory na svém vnějším konci opatřeny zapuštěním. V této úpravě otvoru je uložena podložka s maticí a zapuštění je pak zakryto dřevěnou zátkou. Zapuštění spojovacího prostředku společně s dřevěnou zátkou zvyšují požární odolnost dřevěného prvku a zlepšují jeho estetickou hodnotu.
Obr. 1 Trojúhelníkový průřez složeného sloupu
Obr. 2 Speciální ocelový svorník
Z hlediska úspory materiálu a tedy i nákladů je výhodné, jsou-li dřevěné díly realizovány z krajinového řeziva, které je obvykle odpadové. Další výhodou je jednoduchá demontáž spojovaných částí, a tím i snadná recyklovatelnost. Složený prut oproti klasickému prutu s jádrovou dření není ve velké míře ovlivněn výsušnými trhlinami.
Za předpokladu stejně velkých ploch čtverce a rovnoramenného trojúhelníku je trojúhelníkový průřez z hlediska momentu setrvačnosti výhodnější nežli průřez čtvercový. S vyšším momentem setrvačnosti roste také únosnost prutu ve vzpěrném tlaku.
Na obr. 2 je znázorněn speciálně upravený ocelový svorník, který je uprostřed odkloněn od své podélné osy o 60°.
3 Popis testovaného sloupu
Dřevěný složený sloup byl složen z dřevěných fošen tloušťky 40 mm a délky základny lichoběžníkového prořezu 260 mm. Spojovacími prostředky byly ocelové svorníky průměru 10 mm opatřené velkoformátovými podložkami a maticemi M10. Vzdálenost spojovacích prostředků po výšce sloupu byla 950 mm. Celkem bylo pro spojení fošen použito 12 svorníků. Výška sloupu byla 3 metry.
4 Experiment
Obr. 3 Deformace složeného sloupu během experimentu
Třímetrový sloup byl z vrchu zatěžován tlakovým namáháním až do bodu maximální tlakové síly zkušebního lisu, která dosahuje 630 kN (63 tun). Ani při takto velkém zatížení nebyla překročena mez únosnosti. Došlo pouze k oddálení použitých fošen v oblastech, kde nebyl prvek spojen ocelovými svorníky. Experiment probíhal v mechanické laboratoři Univerzitního centra ČVUT v Buštěhradě. Testovaný sloup během experimentu je zachycen na obr. 3.
Na obr. 4 je průběh svislého posunu horního tlačeného konce sloupu v závislosti na síle. Při maximální dosažené síle 630 kN byl svislý posun roven 11,7 mm.
Obr. 4 Závislost posunu na síle
5 Závěr
V příspěvku je prezentován složený dřevěný sloup trojúhelníkového průřezu. Testovaný konstrukční prvek vychází z užitného vzoru [1] a funkčního vzorku [2], jejichž právní ochrana je ve vlastnictví Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT. Dřevěný složený sloup odolal zatížení 630 kN, což je maximální síla zkušebního lisu. Při této síle nedošlo k překročení meze únosnosti, ale dřevěné fošny se od sebe oddálily o 10 mm. Lze tedy konstatovat, že byla překročena mez použitelnosti konstrukčního prvku.
Poděkování
Výzkum byl podpořen grantem SGS14/178/OHK1/3T/11.
Literatura
- Hataj, M. – Kuklík, P.: Dřevěný složený prut. Užitný vzor Úřad průmyslového vlastnictví, 28798. 2015-11-10.
- Hataj, M.: Dřevěný složený sloup. [Funkční vzorek]. 2015.
In this paper, a new type of timber structural element is presented. The main idea behind the design is the possibility to use a waney edged timber, thereby effectively increasing the yield of timber while reducing the amount of timber waste. A hollow equilateral triangle constitutes the cross-section of the subjected composite element. The design of a new timber element type assumes a rapid and inexpensive production and its consequent installation. The timber element presented herein was laboratory tested.