Kolíkové spoje „dřevo-dřevo“ v konstrukcích

1. Úvod

Přípoje prutových prvků nosné dřevěné konstrukce mají významný vliv na chování nosného systému, jejich poddajnost významně ovlivňuje jak míru rozdělení vnitřních sil mezi spojovanými prvky, tak i celkové deformace konstrukce. Mezi nejčastěji navrhované a používané typy přípojů dřevěných prutů patří spoje s ocelovými kolíkovými spojovacími prostředky. V přípojích dřevěných prutů lze – podle konkrétního provedení – navrhovat jedno nebo vícestřižné spoje typu „dřevo-dřevo“ nebo „dřevo-ocel“ s vnitřními nebo vnějšími ocelovými plechy (viz Obr. 1 a 2).

Návrh a uspořádání spojů závisí zejména na způsobu jejich namáhání (pouze normálovou tahovou nebo tlakovou silou, normálovou silou v kombinaci s příčnými posouvajícími silami, případně i ohybovými momenty), intenzitě působícího zatížení, dimenzích stykovaných dřevěných prvků, typu spojovacího prostředku, druhu dřeva a prostředí, kterému je konstrukce vystavena, tj. ve vnější nebo vnitřní expozici.

Obr. 1: Kolíkový spoj se svorníky typu „dřevo-dřevo“ – připojení prutů příhradové soustavy k lepenému nosníku

Obr. 2: Kolíkové spoje typu „dřevo-ocel“ se svorníky a vnějšími (sloupek na obrázku vlevo) a vnitřními (svislice a diagonály na obrázku vpravo) ocelovými plechy

Příspěvek je zaměřen na chování spojů typu „dřevo-dřevo“, kdy stykované dřevěné pruty jsou namáhány normálovou silou bez uvážení jejího přenosu přímým kontaktem mezi pruty. Ze statického hlediska musí spoj vykazovat dostatečnou únosnost pro přenos osové síly a taktéž požadovanou míru ohybové tuhosti.

V rámci řešení diplomového projektu „Vyhlídková věž v oblasti Brdy“ byla vypracována studie chování vybraných kolíkových přípojů „dřevo-dřevo“. Předmětem studie byl rozbor chování spoje dřevěných prvků z rostlého dřeva pomocí oboustranných dřevěných příložek a různých typů ocelových kolíkových prostředků. Byl analyzován vliv typu spojovacích prostředků a jejich uspořádání na ohybovou únosnost prutu.

Návrh a ověření spoje dřevěných prutů s kolíky je možné aktuálně uvážit zejména následujícími postupy:

• Aplikací návrhových vztahů dle normy pro navrhování dřevěných konstrukcí ČSN EN 1995-1-1;
• Analýzou 3D numerického modelu přípoje metodou konečných prvků;
• Experimentálně zatěžovacími zkouškami spojů.

V rámci provedené studie byl využit analytický popis chování spoje podle standardu ČSN EN 1995-1-1 a experimentálního měření – zatěžovací zkoušky spojů.

V článku je uveden rozbor chování spoje typu „dřevo-dřevo“. Jedná se o spoj dřevěného prvku obdélníkového průřezu 80×140 mm pomocí oboustranných příložek z obdélníkového průřezu 50×140 mm délky 450 mm. Základní pruty i příložky jsou uvažovány z rostlého konstrukčního dřeva KVH třídy pevnosti C24. Jako spojovací prostředky jsou alternativně použity jednostřižné konvexní hřebíky o 4×90 mm, jednostřižné dvouzávitové vruty SFS-WT-T 6,5×90 mm, kolíky o 12 mm z oceli S355 (dvojstřižné), svorníky ze závitové tyče M12 třídy pevnosti 6.8 a přesné svorníky o 12 mm z oceli S355 (dvojstřižné).

Spoje byly navrženy na přenos osové síly, jejíž intenzita odpovídá 30% návrhové únosnosti průřezu v tahu, tj. 36,185 kN. Uspořádání spojovacích prostředků bylo provedeno tak, aby byl spoj co nejvíce kompaktní. Při návrhu rozmístění spojovacích prostředků byly respektovány vzdálenosti mezi spojovacími prostředky a vzdálenosti od okrajů a konců pro působení síly ve směru vláken stykovaných prvků podle ČSN EN 1995-1-1.

Schéma spojů a uspořádání spojovacích prostředků je patrné z Obr. 3, 4 a 5.

Obr. 3: Uspořádání spoje s hřebíky

Obr. 4: Uspořádání spoje s vruty

Obr. 5: Uspořádání spoje s kolíky a svorníky

2. Analýza podle ČSN EN 1995-1-1

U kolíkového spoje „dřevo-dřevo“ je třeba zohlednit na základě teorie K. W. Johansona různé formy porušení:

Jednostřižně namáhané spoje (tj. s hřebíky a vruty):

způsob porušení (a) až (f)

Dvojstřižně namáhané spoje (tj. s kolíky a svorníky):

způsob porušení (g) až (k)

kde je

F_v,Rk

charakteristická únosnost jednoho střihu jednoho spojovacího prostředku;

t_i

tloušťka dřeva nebo desky nebo hloubka vniku;

f_h,i

charakteristická pevnost v otlačení v dřevěném prvku;

d

průměr spojovacího prostředku;

M_y,Rk

charakteristický plastický moment únosnosti spojovacího prostředku;

ß

poměr mezi pevnostmi v otlačení prvků;

F_ax,Rk

charakteristická osová únosnost na vytažení spojovacího prostředku.

V souladu s výše uvedenými návrhovými vztahy (ČSN EN 1995-1-1) byla pro všechna uspořádání spojů vypočtena návrhová únosnost spoje v tahu F_v,Rd a návrhová momentová únosnost spoje MRd.

Při výpočtech byly uváženy charakteristické vlastnosti dřeva i kolíkových spojovacích prostředků a účinný počet spojovacích prostředků v liniích rovnoběžně s vlákny n_ef, γ_m = 1,3. Parametry prostředí: k_mod = 1,0.

Návrhové únosnosti spojů při namáhání osovou silou i ohybovým momentem jsou patrné z Obr. 6 a 7.

Obr. 6: Únosnost spoje ve směru vláken F_v,Rd s různými typy spojovacích prostředků podle ČSN EN 1995-1-1

Obr. 7: Momentová únosnost spoje M_Rd s různými typy spojovacích prostředků podle ČSN EN 1995-1-1

3. Experimentální řešení

3.1. Zkoušky materiálu

Cílem zkoušek materiálu bylo stanovení skutečné pevnosti dřeva v ohybu pro možnost porovnání únosností spojů podle ČSN EN 1995-1-1 a experimenty.

Obr. 8: Schéma uspořádání laboratorní zkoušky materiálu

Při namáhání v ohybu je napětí rozloženo ve zkušebním vzorku tak, že maximální hodnoty normálových napětí jsou v krajních vláknech a nulová normálová napětí v místě neutrální osy. Zkušební vzorky byly zatěžovány čtyřbodově až do vyčerpání únosnosti.

Celkem byla zkoušena 3 zkušební tělesa o délce 400 mm, zhotovená ze stejného materiálu, jako vzorky pro experimentální zkoušky spojů. Skutečné rozměry průřezů testovaných vzorků:

• vzorek 1: b = 25,4 mm, h = 25,3 mm
• vzorek 2: b = 23,1 mm, h = 25,1 mm
• vzorek 3: b = 25,3 mm, h = 25,0 mm

Uspořádání zkoušek je patrné na Obr. 8.

Na základě vyhodnocení zkoušek materiálu byla stanovena, s ohledem na počet zkušebních těles, průměrná pevnost dřeva v ohybu f_m = 60,01 MPa a návrhová pevnost v ohybu f_m,d = 46,16 MPa (k_mod = 1,0; γ_m = 1,3).

3.2. Zkoušky kolíkových spojů ohybem

Byly zkoušeny 3 identické vzorky od každého typu spojovacího prostředku, celkem tedy 15 zkušebních těles. Zkušební tělesa byla zatěžována v příčném směru až do porušení. Byla měřena působící příčná síla a celkový průhyb zkušebního tělesa. Cílem zkoušky bylo sestavit pracovní diagram jednotlivých typů přípoje, z kterých lze získat – kromě únosnosti – i ohybovou tuhost přípojů, jejich míru tažnosti a způsob porušení.

Uspořádání laboratorní zkoušky je znázorněno na Obr. 9 a 10.

Obr. 9: Schéma upořádání laboratorní zkoušky ohybem

Použité měřicí a zkušební zařízení:

• Elektrohydraulický zkušební systém INOVA ED 2000;
• Hydraulický válec se servoventilem AG 100-100;
• Tenzometrický snímač síly INTERTECH, 100 kN;
• Zabudovaný induktivní snímač polohy W100, HBM;
• Potenciometrické snímače polohy WPS-250, MICRO – Epsilon.

Rychlost zatěžování byla stanovena na 1 mm za 3 s.

Záznam a zpracování signálů:

• Měřící ústředna MGC plus, HBM;
• Záznam byl prováděn frekvencí 10 Hz na kanál.

Obr. 10: Zkušební těleso (zde s hřebíkovým spojem) připravené na zatěžovací zkoušku ohybem

Obr. 11: Porušení zkušebního tělesa s hřebíky po provedené zkoušce ohybem

Obr. 12: Porušení zkušebního tělesa s vruty po provedené zkoušce ohybem

Obr. 13: Porušení zkušebního tělesa s kolíky po provedené zkoušce ohybem

Obr. 14: Porušení zkušebního tělesa se svorníky ze závitové tyče po provedené zkoušce ohybem

Obr. 15: Porušení zkušebního tělesa s přesnými svorníky po provedené zkoušce ohybem

4. Porovnání řešení, získané poznatky

Na Obr. 16 jsou znázorněny momentové únosnosti jednotlivých typů analyzovaných kolíkových spojů, a to:

• Návrhová momentová únosnost spoje podle ČSN EN 1995-1-1;
• Návrhová momentová únosnost spoje s využitím únosností spojovacích prostředků podle technických listů výrobce s únosností dvouzávitových vrutů a konvexních hřebíků;
• Momentová únosnost spoje podle návrhových vztahů ČSN EN 1995-1-1 s využitím pevnosti dřeva, získané materiálovými zkouškami – viz 3.1.;
• Momentová únosnost spoje dle zatěžovacích zkoušek, stanovená na základě maximálního zatížení zkušebního tělesa při zkoušce.

Obr. 16: Porovnání momentové únosnosti spoje pro jednotlivé typy kolíkových spojovacích prostředků

Na Obr. 17 jsou souhrnně znázorněny „pracovní diagramy“ jednotlivých spojů, tj. závislosti mezi silou, působící na zkušební těleso a jeho příčnou deformací (svislým průhybem) – viz schéma zatěžování.

Obr. 17: Závislost síla – přetvoření (příčná deformace zkušebního tělesa) pro jednotlivé typy kolíkových spojovacích prostředků

Z uvedených závislostí na Obr. 16 a Obr. 17 vyplývá:

1. Ohybová tuhost:
   Nejvyšší počáteční ohybovou tuhost vykazují spoje s přesnými hladkými svorníky. Následují spoj s kolíky (stejný průměr i materiál, absence vlivu sepnutí) a dále spoj se svorníky ze závitové tyče (v ohybu působí pouze jádro závitové tyče, tedy menší průměr, ovšem vyšší pevnost materiálu oproti přesným svorníkům i kolíkům a příznivý vliv sepnutí oproti kolíkům). Nejnižší ohybovou tuhost vykazují spoje s hřebíky i vruty. Průměr hřebíku je 4,0 mm, průměr hladké části dvouzávitového vrutu 4,6 mm.
2. Momentová únosnost:
   
   • Stanovená zatěžovacími zkouškami:
     V oblasti použitelných deformací vykazují podle předpokladu nejvyšší momentovou únosnost svorníky – přesné i ze závitové tyče. Na rozdíl od kolíků se u nich velmi příznivě projevuje vliv sepnutí.
   • Podle ČSN EN 1995-1-1:
     Návrhová momentová únosnost spoje dle normativního dokumentu je vždy konzervativní a dosahuje úrovně cca 20 až 30 % skutečné únosnosti spoje podle zatěžovacích zkoušek. Chování všech součástí spojů je převážně v pružné oblasti.
   • Na základě technických listů výrobců konvexních hřebíků a dvouzávitových vrutů:
     Návrhová momentová únosnost spoje je příznivě ovlivněna vyšší únosností speciálních ocelových kolíkových prostředků. Dochází ke zvýšení návrhové momentové únosnosti o cca 5 až 15 % oproti standardním postupům podle ČSN EN 1995-1-1. Chování všech součástí spojů je i v tomto případě převážně v pružné oblasti.
   • Podle ČSN EN 1995-1-1 s využitím skutečné pevnosti dřeva:
     Jedná se pouze o informativní hodnoty, neboť normové návrhové postupy vycházejí z pružného chování dřeva ve spojích. I v tomto případě jsou vypočtené únosnosti výrazně nižší než reálné podle experimentů.
3. Míra tažnosti spoje:
   Nejmenší tažnost spoje vykazuje spoj s kolíky, kdy dochází – při namáhání výrazně přesahujícím návrhovou únosnost spoje podle ČSN EN – ke křehkému porušení tahem kolmo k vláknům. Tažnost spoje by bylo možné zvýšit jeho vyztužením (zesílením) pro namáhání tahem kolmo k vláknům. Spoje se svorníky ze závitové tyče vykazují vyšší míru plasticity, danou nižší ohybovou tuhostí svorníků a vyšší pevností materiálu. Nejvyšší míru plasticity vykazují podle očekávání spoje s hřebíky a vruty.

5. Závěr

Cílem studie bylo ověřit chování jednoduchých spojů kolíkového typu při zatížení a současně analyzovat jejich ohybovou únosnost.

Poznatky z provedené studie:

• Návrhová únosnost spoje podle ČSN EN 1995-1-1 je vždy konzervativní a reálně se nachází v oblasti převážně lineárního chování spoje;
• Na základě technických listů výrobců ocelových kolíkových prostředků (zde dvouzávitových vrutů a konvexních hřebíků) lze docílit vyšší únosnosti, stále s dostatečnou úrovní spolehlivosti; reálně se nachází v oblasti převážně lineárního chování spoje;
• V případě požadované vyšší úrovně počáteční ohybové tuhosti jsou nejvýhodnější variantou přesné hladké svorníky;
• Vruty a hřebíky jsou vhodné při požadavku na malou ohybovou tuhost spoje;
• Zejména u kolíků je vhodné provedení vyztužení (zesílení) spoje pro namáhání tahem kolmo k vláknům pro zamezení křehkého porušení spoje.

Poděkování

Článek včetně provedené studie vznikl s finanční podporou projektu specifického výzkumu FAST-S-18-5550 „Efektivní návrh a analýza vybraných konstrukčních prvků, detailů a spojů s ohledem na jejich skutečné chování a použitý materiál“.

6. Literatura

1. KUKLÍK, P., KUKLÍKOVÁ, A.: Navrhování dřevěných konstrukcí, Příručka k ČSN EN 1995-1-1. Informační centrum ČKAIT, 2010, ISBN 978-80-87093-88.
2. VAVRUŠOVÁ, K., LOKAJ, A., MIKOLÁŠEK, D., FOJTÍK, L., ŽÍDEK, L.: Longitudinal glued joints of timber beams and the influence of quality manufacturing onto their carrying capacity. Wood Research. Štátny drevársky výskumný ústav, 2016, 61(4). ISSN 1336-4561.
3. ŠMAK, M.; STRAKA, B.: Development of new types of Timber structures based on theoretical analysis and their real behavior. Wood Research. Štátny drevársky výskumný ústav, 2014. ISSN 1336-4561.
4. Dřevěné konstrukce podle Eurokódu 5, STEP 1. Vydal Bohumil Koželouh, KODR Zlín, 1998, ISBN 80-238-2620-4.
5. BLASS, H. J., EHLBECK, J., KREUZINGER, H., STECH, G., překlad KOŽELOUH, B.: Navrhování, výpočet a posuzování dřevěných stavebních konstrukcí. Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Informační centrum ČKAIT, 2008, ISBN 978-80-87093-733.
6. ČSN EN 1995-1-1 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby.
7. ČSN EN 408 + A1 Dřevěné konstrukce – Konstrukční dřevo a lepené lamelové dřevo – Stanovení některých fyzikálních a mechanických vlastností.