Spriahnuté drevobetónové stropy 4S – vývoj, testovanie a realizácia
Článok sa zaoberá laboratórnymi skúškami spriahnutých nosníkov, ktoré boli vytvorené spojením dreva a betónu pomocou celozávitových skrutiek Würth Assy plus VG. V práci sú uvedené výsledky meraní kmitania nosníkov a taktiež výsledky deštruktívnej skúšky štvorbodovým ohybom, ktorá bola zameraná na zistenie maximálnej odolnosti nosníka. Výsledky meraní sú porovnané s numerickým výpočtom.
1. Úvod
So spriahnutými drevobetónovými nosníkmi sa môžeme najčastejšie stretnúť pri stropoch obytných budov. Tieto stropy sú zvyčajne tvorené drevenými trámami, ktoré môžu byť rôznym spôsobom spojené (spriahnuté) s tenkou betónovou doskou hrúbky 50 – 80 mm. Na spriahnutie dreva s betónom sa používajú rôzne metódy - od použitia spojovacích prostriedkov kolíkového typu (klince, skrutky a pod.), cez rôzne tvarované drážky v dreve, vlepované oceľové plechy alebo taktiež celoplošne lepený spoj.
Laboratórny výskum spriahnutých drevobetónových nosníkov, ktorý aktuálne prebieha na Katedre kovových a drevených konštrukcií Stavebnej fakulty v Bratislave, je pokračovaním experimentálnych meraní deformácií a pomerných pretvorení, vykonaných na strope rodinného domu v Stupave v marci 2015. Tieto merania trvali celkovo 8 dní a boli vyhotovené ako nedeštrukčné, krátkodobé testy. Výsledky tohto experimentu boli viackrát publikované.
Cieľom prebiehajúceho výskumu je testovanie 6 vzoriek spriahnutých drevobetónových nosníkov. Nosníky boli vyhotovené v mierke 1:1 k nosníkom, ktoré boli použité na vytvorenie spomínaného stropu rodinného domu v Stupave. Laboratórne skúšky sú rozdelené na 4 krátkodobé, deštrukčné merania a 2 dlhodobé, nedeštrukčné merania. Doposiaľ bol testovaný jeden nosník na maximálnu odolnosť, ďalšie nosníky budú skúšané v priebehu januára 2017.
2. Popis laboratórnych vzoriek
Celá príprava skúšobných vzoriek spriahnutých drevobetónových nosníkov prebiehala a bude naďalej prebiehať v laboratóriu Katedry kovových a drevených konštrukcií Stavebnej fakulty STU v Bratislave. S ohľadom na priestorové možnosti laboratória bola príprava rozdelená na dve fázy. V prvej etape boli zhotovené 3 nosníky. Tie pozostávajú z drevených trámov z KVH triedy C24, s rozmermi prierezu 100/220 mm a dĺžkou 5,3 m.
Ako stratené debnenie betónovej dosky, ktoré je súčasťou spriahnutých nosníkov, boli použité veľkoformátové cemento-trieskové dosky CETRIS Basic hrúbky 18 mm. Šírka dosiek vyplynula z geometrie pôvodne testovaného stropu a bola stanovená na hodnotu 740 mm. Pripojenie tohto debnenia k nosníkom je vyhotovené pomocou klincov.
Pre spriahnutie dreva a betónu boli použité celozávitové skrutky Würth ASSY plus VG s priemerom 8 mm a dĺžkou 220 mm. Tie sú do drevených nosníkov skrutkované cez stratené debnenie. Tieto skrutky sú orientované pod uhlom 45° k vláknam dreva tak, aby boli v smere šmykového toku od zvislého zaťaženia namáhané ťahovou silou. Hĺbka zapustenia závitu skrutiek do dreva je 120 mm.
Obr. 1. Debnenie betónovej časti vzoriek pred betonážou – 1. etapa nosníkov
Pre vytvorenie betónovej vrstvy spriahnutého nosníka bolo potrebné vytvoriť dočasné zvislé debnenie (Obr. 1). To bolo vytvorené z OSB dosiek hrúbky 18 mm a drevených lát o rozmeroch 30/50 mm. V prvej fáze bola betónová vrstva vystužená zváranými sieťami z betonárskej ocele s priemerom Ø 6 mm a okami 150/150 mm (takto bola vystužená doska stropu spomínaného rodinného domu). Hrúbka betónovej časti prierezu je 70 mm a bol použitý betón triedy C25/30. Pre betonáž bola použitá suchá betónová zmes, ktorá bola miešaná s vodou v laboratóriu. Po 28 dňoch od betonáže bolo dočasné debnenie odstránené a nosníky boli pripravené na ohybové skúšky. V ďalšej etape budú pripravené 3 vzorky s rovnakým geometrickým usporiadaním a materiálovým zložením, avšak betónová doska bude vystužená oceľovými vláknami do betónu (30 kg/m3).
3. Testovanie v laboratórnych podmienkach
3.1 Meranie vlastných frekvencií
Obr. 2. Skúšobná zostava pre meranie vlastných frekvencií drevených trámov
Pred prípravou spriahnutých nosníkov boli merané vlastné frekvencie samotných drevených nosníkov. Ako merací nástroj bola zvolená trojica akcelerometrov. Akcelerometre boli umiestnené na hornom povrchu drevených nosníkov vo štvrtinách rozpätia (Obr. 2). V tejto fáze bolo odskúšaných všetkých 6 drevených nosníkov.
Následne bolo pre prvú skupinu vzoriek (3 ks) k dreveným nosníkom pripevnené stratené debnenie z CETRIS dosiek a opäť boli nosníky podrobené testovaniu vlastných frekvencií. Tento proces sa zopakuje aj vo finálnej fáze vzoriek. Tým pádom bude možné porovnať vlastné frekvencie drevených nosníkov, drevených nosníkov so strateným debnením a hotových spriahnutých drevobetónových nosníkov.
Obr. 3. Časový záznam kmitania dreveného nosníka (hore) a dreveného nosníka s debnením (dole)
Na obrázku č. 3 je zobrazený časový záznam kmitania samotného dreveného nosníka a taktiež nosníka s debnením. Z porovnania vidieť, že i pri malom náraste hmotnosti, ale zachovaní pôvodnej tuhosti nosníka klesá nielen frekvencia, ale aj logaritmický dekrement útlmu resp. pomerný útlm. Kmitanie samotného dreveného nosníka z praktického hľadiska v stropoch nemá význam, pretože nosník vždy nesie minimálne vrstvy podlahy, prípadne podhľadu. To má vplyv na zvýšenie hmotnosti, ale nie na zvýšenie tuhosti nosníka. Z toho dôvodu je frekvencia kmitania drevených nosníkov v stropoch spravidla nižšia ako uvádzané namerané hodnoty a môže z hľadiska medzných stavov používateľnosti rozhodovať o návrhu prierezu stropu.
3.2 Ohybová skúška
Pre zistenie maximálnej odolnosti spriahnutých nosníkov budú v každej etape dve vzorky testované štvorbodovým ohybom do porušenia. Nosníky budú podopreté na oboch koncoch pomocou oceľových profilov. Zaťaženie vzoriek bude vyvodzovať hydraulický lis rozopretý o oceľový zaťažovací rám (Obr. 4). Počas zaťažovania budú merané pomerné pretvorenia, zvislé deformácie, koncové poklzy, zaťažovacia sila a reakcie v podperách. Pre meranie pomerných pretvorení budú použité 3 odporové tenzometre. Prvý tenzometer bude merať pomerné pretvorenia na hornom povrchu betónu. Ďalšie dva budú použité k meraniu pomerných pretvorení dreva pri jeho spodnom povrchu a v strede výšky trámu. Pre meranie zvislých deformácii budú použité snímače dráhy. Tieto snímače budú pripevnené k samostatne stojacemu rámu a budú merať vertikálne premiestnenia v 8 bodoch – pod miestom pôsobiska sily na nosník (4×), v strede rozpätia nosníka (2×) a v mieste podpôr (2×). Koncové poklzy medzi drevom a betónom budú merané opäť pomocou snímačov dráhy, ktoré budú inštalované na drevený trám v horizontálnej polohe. Pre meranie zaťažovacej sily bude použitý silomer umiestnený medzi hydraulický lis a oceľový zaťažovací rám. Meranie reakcií v podperách zabezpečujú váhy s guľovým kĺbom, na ktorých je celá vzorka položená. Posledná vzorka z oboch testovaných skupín bude pozorovaná z hľadiska dlhodobého správania sa. Tieto nosníky budú zaťažené dlhodobým zaťažením pomocou betónových častí z predchádzajúcich porušených vzoriek. Hodnota prídavného zaťaženia, ktoré bude použité pre dlhodobé testovanie, predstavuje približne 30 % predpokladanej odolnosti spriahnutých nosníkov a vyvodzuje ohybový moment o hodnote 15 kNm. Počas dlhšieho časového obdobia (minimálne 1 rok) budú sledované zvislé deformácie týchto 2 vzoriek. Samozrejme, pri dlhodobom meraní je veľmi dôležité sledovať aj teplotu a relatívnu vlhkosť vzduchu prostredia, ktorému budú vzorky vystavené.
Obr. 4. Celková zaťažovacia zostava (vľavo) a uloženie v podpere (vpravo)3.3 Vzorka č. 1
V decembri 2016 prebehla ohybová zaťažovacia skúška vzorky č. 1. Zaťažovanie prebiehalo v súlade s normou STN EN 380 [1] a trvalo približne 50 minút. Skúška bola ukončená porušením vzorky (Obr. 5). Sila pri porušení mierne presiahla hodnotu stanovenú výpočtom, avšak porušenie nastalo nečakane a bolo veľmi krehké. Nosník sa zlomil v mieste pod pôsobiskom zaťaženia. Pri pozorovaní porušenej vzorky sa zistilo, že v tomto mieste bol zubovitý spoj dreveného trámu, ktorý bol porušený roztrhnutím.
Z grafu na obrázku č. 6 je vidieť, že nosník sa až do porušenia správal lineárne. Toto správanie môže byť v konštrukciách pomerne nebezpečné, keďže pred zlyhaním nie je zvýšená napätosť prvku signalizovaná nadmernými deformáciami. Je otázne, ako by sa nosník správal, keby práve v mieste maximálneho zaťaženia nebol zubovitý spoj.
Z výsledkov experimentálnych meraní ďalších autorov (napr. [2], [3], [4]) je vidieť, že aj vzorky s iným typom spojovacích prostriedkov sa správali veľmi podobne, teda lineárne až do porušenia. Dalo by sa týmto konštrukciám z hľadiska duktility nejako pomôcť? Vzhľadom na pracovný diagram dreva v ťahu nie je možné uvažovať s plastizáciou v tomto materiáli. Teoreticky je však možné ťažnosť systému dosiahnuť buď plastizáciou betónu, ktorý sa podľa normy STN EN 1992-1-1 [5] správa lineárne pružne len po hranicu približne 40 % z pevnosti betónu v tlaku, alebo pomocou plastizácie spojenia drevo-betón. Ide však len o teoretické konštatovanie, ktoré by bolo potrebné preveriť experimentálne.
Obr. 5. Porušená vzorka (vľavo) a detail porušenia (vpravo)3.4 Teoretické výsledky
Pred samotnou ohybovou skúškou bol na základe geometrie a normových materiálových charakteristík vypočítaný priehyb a napätosť nosníka v jednotlivých krokoch zaťažovania. Výpočet bol uskutočnený v súlade s normou STN EN 1995-1-1/Príloha B. Na základe tejto analýzy bola stanovená aj teoretická odolnosť nosníka. Tá bola určená na vzhľadom na napätie pri spodnom okraji dreveného trámu. Vo výpočte bolo uvažované, že toto napätie môže dosiahnuť návrhovú pevnosť dreva v ohybe pre okamžité zaťaženie v triede prostredia 1, teda hodnotu fm,d = 20,3 MPa.
Obr. 6. Závislosť priehybu od zaťažovacej sily (vľavo) a priebeh napätí v čase (vpravo)Namerané (Obr. 6) a vypočítané hodnoty priehybu dosahovali vysokú mieru zhody. Pre porovnanie – nameraný priehyb (po odčítaní stlačenia dreveného trámu v oblasti podpôr) pri sile 52,8 kN (približne 90 % teoretickej odolnosti vzorky) dosahoval hodnotu 21,3 mm, oproti tomu vypočítaný priehyb pri tomto zaťažení dosahoval hodnotu 20,9 mm. Je však nutné povedať, že výpočet bol realizovaný len na základe normových hodnôt modulov pružnosti materiálov, resp. modulu popustenia spojovacích prostriedkov na základe technického osvedčenia ETA [6]. Po určení modulov pružnosti na základe materiálových skúšok môže byť rozdiel medzi vypočítaným a nameraným priehybom iný.
Pri porovnaní napätí je možné pozorovať trochu väčšie rozdiely v nameraných a vypočítaných hodnotách (10–20 %). Napätia počas experimentu (Obr. 6) boli určené na základe Hookovho zákona z nameraných hodnôt pomerných pretvorení. Opäť teda platí, že po určení modulov pružnosti pomocou materiálových skúšok môžu byť výsledné rozdiely medzi nameranými a vypočítanými hodnotami iné.
4. Záver
Článok sa zaoberá laboratórnym meraním spriahnutých drevobetónových nosníkov. Okrem merania ohybovej odolnosti pojednáva o meraní vlastných frekvencií drevených trámov a ich zmien vplyvom zvýšenia hmotnosti. Z výsledkov merania ohybovej odolnosti vyplýva, že odolnosť nosníkov dosahuje mierne vyššie hodnoty, ako sú hodnoty odolnosti určené výpočtom. Spriahnuté nosníky sa správajú lineárne až do porušenia, čo je z hľadiska signalizácie preťaženia konštrukcie nebezpečné. Za úvahu teda stojí myšlienka, či nie je rozumnejšie navrhnúť mierne poddajnejšiu konštrukciu, ktorá by však zvýšením priehybov dokázala pred jej preťažením varovať i laika. Túto úvahu však nie je možné vzhľadom na doteraz odskúšaný počet vzoriek jednoznačne potvrdiť, preto bude lepšie jednoznačné závery formulovať až po odskúšaní viacerých vzoriek.
Poďakovanie
Príspevok vznikol vďaka podpore firiem Würth a Cetris, ktoré výskum podporili materiálom. Vďaka patrí taktiež Univerzitnému vedeckému parku Slovenskej technickej univerzity v Bratislave (ITMS: 26240220084) a grantu, získanému v rámci Programu na podporu mladých výskumníkov.
Literatúra
- STN EN 380: Drevené konštrukcie. Skúšobné metódy. Všeobecné zásady skúšania statickým zaťažením. 1998. 8 s.
- AGEL, L. – LOKAJ, A. Semi-Rigid Joint of Timber-Concrete Composite Beams with Steel Plates and Convex Nails. Wood Research. 2014, 59 (3). pp. 491–498.
- CECCOTTI, A. – FRAGIACOMO, M. – GIORDANO, S. Behaviour of a Timber-Concrete Composite Beam with Glued Connection at Strength Limit State. WCTE 2006 – 9th World Conference on Timber Engineering. 2006.
- CALDOVÁ, E. – BLESÁK, L. – WALD, F. – KLOIBER, M. – URUHADZE, S. – VYMLÁTIL, P. Behaviour of Timber and Steel Fibre Reinforced Concrete Composite Constructions with Screwed Connections. Wood Research. 2014, 59 (4). pp. 639–660.
- STN EN 1992-1-1. Eurokód 2. Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy. Slovenský ústav technickej normalizácie. 2006. 200 s.
- EUROPEAN TECHNICAL APPROVAL ETA-13/0029. Self-Tapping Screws for use in Wood-Concrete Slab Kits. Würth Self-Tapping Screw. ETA-Danmark, 2013. 17 p.
The most frequently it is possible to get in touch with composite timber-concrete beams in floors of residential buildings. These floors are commonly made of timber beams that may be connected with a thin concrete slab of thickness of 50–80 mm by several connecting possibilities. Many different methods may be used to connect a timber with a concrete – by using of dowelled type connectors (nails, screws and so on), through using of variously shaped notches, glued-in steel plates or also a fully glued joint. This paper deals with laboratory tests of composite beams that were created by connecting the timber with the concrete by fully-threaded screws Würth Assy plus VG. Results of measurements of beams vibrations and also results of a destructive test in a four points bending that was focused on a determination of the maximum resistance of a beam are published in this work. Results of the measurements are compared with a numerical analysis.