Laboratorní stanovení mechanických vlastností dřevobetonových stropních konstrukcí se spřahovacími prostředky plošného typu
V experimentu byly jako spřahovací prostředky použity ocelové desky s prolisovanými trny. V rámci experimentální analýzy byly provedeny ohybové a následně protlačovací zkoušky. Během těchto zkoušek se sledovalo chování vzorku pomocí příslušných senzorů. Získaná data slouží k validaci výpočetního modelu pro návrh dřevobetonových konstrukcí.
1. Úvod
Spřažené dřevobetonové stropní konstrukce jsou typickým příkladem hybridních dřevobetonových nosných konstrukčních systémů. Dá se tedy hovořit o vytvoření moderní kompozitní konstrukce. Spřažené dřevobetonové stropní konstrukce jsou brány jako efektivní, účinná a konkurenceschopná alternativa ke klasickým železobetonovým či dřevěným stropním konstrukcím. Výhodou je také použití obnovitelného materiálu a tím pádem se přispívá i ke snížení environmentálních dopadů, ke kterým dochází při demolici konstrukcí.
Dřevěné nosníky mohou být z rostlého či lepeného lamelového dřeva a slouží k přenášení tahových namáhání za ohybu. Jednotlivé nosníky mohou být složeny i z více hranolů v závislosti na rozpětí. Betonová deska, provedená z hutného či lehčeného betonu, je vyztužena KARI sítí a slouží k přenosu tlakového namáhání. Zlepšuje také prostorovou tuhost, akustické vlastnosti a požární odolnost stropních konstrukcí. Ocelové spřahovací prvky, tedy desky s prolisovanými trny, spojují konstrukci a slouží k přenosu smykových sil, které v konstrukci vznikají při jejím ohybu.
V rámci experimentální analýzy byla ověřena únosnost zkušebních těles v ohybu pomocí čtyřbodové ohybové zkoušky. V návaznosti na ohybovou zkoušku byla provedena také série protlačovacích zkoušek pro stanovení únosnosti a tuhosti spřahovacích prvků.
2. Ohybová zkouška
Předmětem zkoušky bylo ověření únosnosti stropního panelu, který byl vystaven čtyřbodovému ohybovému namáhání. Zkušební těleso bylo uloženo na kloubové podpory na rozpětí 6,0 m. Zatěžovací postup byl proveden dle požadavků normy ČSN 73 2030 [1]. Zatěžování bylo řízeno silou. Zatížení se do zkušebního tělesa přenášelo přes soustavu ocelových roznášecích nosníků a válcová ložiska. V průběhu zkoušky bylo zaznamenáváno působící zatížení, celkové svislé deformace panelu a také vodorovné prokluzy a svislá oddálení mezi dřevěnou a betonovou částí průřezu. Schéma ohybové zkoušky s vyznačením působícího zatížení a rozmístěním měřicích senzorů je zobrazeno na obr. 1.
Obr. 1: Schéma ohybové zkoušky s vyznačením působícího zatížení a rozmístění měřicích senzorů
Zkušební těleso šířky 1,2 m a délky 6,2 m bylo tvořeno dvěma dřevěnými nosníky z KVH třídy pevnosti C24 a profilu 2×80/200 mm spřaženými pomocí spřahovacích ocelových desek s betonovou deskou třídy pevnosti C30/37, tloušťky 60 mm, vyztuženou KARI sítí 6×100×100 mm. Ke spřažení byly použity desky s prolisovanými trny z žárově zinkovaných ocelových plechů třídy pevnosti S280GD + Z275 tloušťky 1,5 mm a délky 1 400 mm. Zkušební těleso v průběhu zatěžovací zkoušky je zobrazeno na obr. 2 vlevo. Průběh deformace zkušebního tělesa uprostřed rozpětí v závislosti na působícím zatížení je zobrazen na obr. 2 vpravo.
Obr. 2: Zkušební těleso v průběhu zkoušky (vlevo), průběh deformace zkušebního tělesa uprostřed rozpětí v závislosti na působícím zatížení (vpravo)
K porušení zkušebního tělesa došlo dosažením pevnosti v tahu za ohybu dřevěných nosníků, viz obr. 3 vlevo. Po provedení zkoušky nebylo pozorováno oddálení mezi dřevěnou a betonovou částí průřezu uprostřed rozpětí, ani významný prokluz v podpoře, viz obr. 3 vpravo. Po zkoušce byly zalisované dřevěné hranoly odděleny za účelem vizuálního posouzení možného porušení spřahovacích desek. Porušení spřahovacích desek však nebylo pozorováno.
Obr. 3: Porušení zkušebního tělesa tahem za ohybu (vlevo), uložení panelu po provedené zkoušce (vpravo)
Zkušební těleso na rozpětí 6 m dosáhlo maximální ohybové únosnosti 128,84 kNm. Při deformaci 20 mm, odpovídající 1/300 rozpětí, byla ohybová únosnost 56,38 kNm.
V návaznosti na ohybové zkoušky byly provedeny doplňkové protlačovací zkoušky pro stanovení tuhosti a únosnosti spřahovacího prostředku.
3. Protlačovací zkoušky
Obr. 4: Schéma protlačovací zkoušky s vyznačením působícího zatížení a rozmístění měřicích senzorů
Zatěžování zkušebních vzorků během protlačovací zkoušky bylo řízeno silou a probíhalo podle postupu daného zkušební normou ČSN EN 26891 [1] pro zkoušení spojů dřevěných konstrukcí. Vzorky byly vloženy do zkušebního zařízení takovým způsobem, aby bylo dosaženo podepření betonové části průřezu a zároveň bylo umožněno svislé posunutí dřevěného nosníku v důsledku působení svislé tlakové síly. U všech vzorků byla sledována hodnota zatížení spoje a tomu odpovídající prokluz mezi dřevěnou a betonovou částí průřezu. Prokluz byl měřen snímači dráhy, umístěnými z obou stran dřevěného nosníku. Pro vyhodnocení zkoušek byla data z obou snímačů zprůměrována. Uspořádání protlačovací zkoušky se zobrazením působícího zatížení a rozmístěním měřicích senzorů je patrné z obr. 4.
Pro potřeby protlačovacích zkoušek bylo vyrobeno pět zkušebních vzorků. Dřevěný nosník byl tvořen dvěma hranoly KVH C24 průřezu 80/200 mm a délky 440 mm. Spřažení tvořila ocelová deska s prolisovanými trny tloušťky 1,5 mm zalisovaná mezi dřevěnými hranoly. Betonová deska byla provedena z betonu C30/37 tloušťky 60 mm a jako výztuž byla použita KARI síť 6×100×100 mm. Zatěžování zkušebního vzorku je zobrazeno na obr. 5 vlevo. Záznamy měření průběhů prokluzu mezi dřevěnou a betonovou částí průřezu v závislosti na působícím zatížení jsou zobrazeny na obr. 5 vpravo.
Obr. 5: Zkušební vzorek v průběhu zkoušky (vlevo), závislost prokluzu a zatížení spřahovacího prostředku (vpravo)
K porušení došlo u všech zkušebních vzorků otlačením dřeva v první řadě prolisovaných trnů (obr. 6 vlevo) a následným usmyknutím ocelové desky v tomto místě (obr. 6 vpravo).
Obr. 6: Porušení zkušebního vzorku v místě spřažení: otlačením dřeva prolisovanými trny (vlevo) a usmýknutím desky (vpravo)
Vzorek č. 1 byl zatěžován rychlostí 0,5 kN/s. Pro další vzorky byla rychlost zatěžování snížena. Vzorek č. 2 vykázal přibližně při hodnotě zatížení 30 kN náhlý nárůst tuhosti, způsobený pravděpodobně částečným omezením volného posunu dřevěné části průřezu vůči ocelovému přípravku. V okamžiku omezení posunu již vzorek vykazoval plastickou deformaci. Pro vzorek č. 2 byly proto stanoveny pouze hodnoty tuhostí. Hodnota maximální únosnosti nebyla do vyhodnocení charakteristických hodnot zahrnuta. U vzorku č. 5 došlo pravděpodobně k omezení volného posunu jednoho z dřevěných hranolů, zatímco druhý hranol se posouval bez omezení. Vzorek tak vykazoval v pružné oblasti oproti předpokladu výrazně vyšší tuhost. Přibližně při hodnotě zatížení 30 kN došlo k uvolnění vzorku a prokluz dále odpovídal předpokládanému průběhu. Pro vzorek č. 5 byla proto stanovena pouze hodnota maximální únosnosti. Hodnoty tuhosti nebyly do vyhodnocení charakteristických hodnot zahrnuty. Vyhodnocení získaných dat je uvedeno v tab. 1.
| Vzorek – | Fmax [kN] | Fest [kN] | F01 [kN] | v01 [mm] | F04 [kN] | v04 [mm] | vi;mod [mm] | Ki [kN/mm] | Ks [kN/mm] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 33,44 | 34,50 | 3,45 | 0,047 | 13,80 | 0,231 | 0,246 | 59,74 | 56,14 |
| 2 | – | 34,50 | 3,45 | 0,038 | 13,80 | 0,226 | 0,251 | 58,32 | 52,62 |
| 3 | 38,05 | 34,50 | 3,45 | 0,034 | 13,80 | 0,202 | 0,224 | 68,47 | 61,67 |
| 4 | 35,52 | 34,50 | 3,45 | 0,017 | 13,80 | 0,154 | 0,182 | 89,85 | 75,96 |
| 5 | 34,82 | 34,50 | 3,45 | 0,028 | 13,80 | 0,129 | 0,135 | – | – |
Charakteristické hodnoty 5% kvantilu tuhosti a únosnosti byly určeny z výsledků experimentů na základě postupu uvedeném v normě ČSN EN 14358 [2].
Charakteristická maximální hodnota únosnosti spřahovacího prostředku Fmax,k je 30,24 kN, charakteristická hodnota počátečního modulu prokluzu Ki,k 63,65 kN/mm a charakteristická hodnota modulu prokluzu Ks,k 57,75 kN/mm. K porušení zkušebních vzorků došlo usmyknutím desky v místě první řady prolisovaných trnů. Docházelo také k otlačení dřeva v místě první řady trnů. Maximální hodnota prokluzu mezi dřevěnou a betonovou částí průřezu v okamžiku porušení byla u všech vzorků větší než 3 mm.
4. Závěr
V rámci experimentální analýzy byla provedena ohybová zkouška stropního panelu na rozpětí 6,0 m a dále protlačovací zkoušky dřevobetonových zkušebních vzorků.
Během zkoušky stropního panelu v ohybu nedošlo k porušení betonu, ani spřahovacího prostředku. K porušení zkušebního tělesa došlo dosažením pevnosti v tahu za ohybu dřevěných nosníků. Zkušební těleso dosáhlo maximální ohybové únosnosti 128,84 kNm.
K porušení zkušebních vzorků při protlačovacích zkouškách došlo usmyknutím spřahovací desky v první řadě prolisovaných trnů, kde docházelo také k otlačování dřeva. Charakteristická hodnota únosnosti spřahovací desky je 30,24 kN, počátečního modulu prokluzu 63,65 kN/mm a modulu prokluzu 57,75 kN/mm.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za finanční podpory Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci programu Trio 4, projektu č. FV40148 „Hybridní dřevobetonové nosné konstrukční systémy“ a grantu SGS22/143/OHK1/3T/11 „Dřevěné konstrukce vícepodlažních budov“.
Literatura
- ČSN 73 2030 (732030). Statické zatěžovací zkoušky stavebních konstrukcí. ÚNMZ, 2019.
- ČSN EN 26891 (73 2070). Dřevěné konstrukce – Spoje s mechanickými spojovacími prostředky – všeobecné zásady pro zjišťování charakteristik únosnosti a přetvoření. Praha: ÚNMZ, 2007.
- ČSN EN 14358 (731705). Dřevěné konstrukce – Výpočet a ověřování charakteristických hodnot. Praha: ÚNMZ, 2017.
Článek se zabývá aktuální problematikou – dřevobetonovými stropními konstrukcemi se spřahovacími prostředky plošného typu. Autoři v úvodu příspěvku podávají přehled výhod, které přináší kvalitní spojení dvou velice odlišných materiálů (dřeva a betonu) pomocí ocelových plošných prvků v konstrukci stropního nosníku.
Na příkladu stropního dřevobetonového panelu reálných rozměrů (6 * 1,2 m) pak v laboratorním čtyřbodovém testu, provedeném podle příslušných platných normativních předpisů, demonstrují únosnost a přetvárné vlastnosti tohoto typu panelu. Současně autoři provedli i protlačovací zkoušku na pěti vzorcích s cílem stanovení pevnostních a přetvárných charakteristik spřahovacího plošného prostředku. Závěry prezentované v článku jsou stanoveny na základě laboratorního testu jednoho panelu a pro zobecnění závěrů by bylo jistě nutné provést větší sérii testů, přesto lze konstatovat, že závěry, vyplývající z tohoto testu, jsou užitečné jak pro další výzkum, tak i pro odbornou veřejnost.
Článek je po obsahové i formální stránce zpracován kvalitně, přehledně a srozumitelně. Článek doporučuji ke zveřejnění.
The paper deals with an experimental analysis aimed at determining the mechanical properties of coupled timber-concrete floor structures. Steel plates with pressed spikes were used as coupling means. Flexural and then extrusion tests were performed as part of the experimental analysis. During these tests, the behaviour of the specimen was monitored using appropriate sensors. The data obtained are used to validate the computational model for the design of wood-concrete structures.