Neviditeľné spoje drevených profilov pomocou vlepovaných tyčí
V určitých prípadoch je nevyhnutné spojiť drevený nosník v strede jeho rozpätia pomocou „neviditeľného“ spoja, aby bol architektonicky a dizajnovo prijateľný. Medzi takéto spoje patria aj neviditelné spoje pomocou vlepovaných tyčí.
Úvod
Pri náročných rekonštrukčných projektoch je niekedy potrebné spájať drevené nosníky v miestach na to nevhodných pomocou „neviditeľných“ spojov. Medzi tieto spoje patria spoje s vlepovanými závitovými tyčami. Tieto spoje sú schopné prenášať okrem osových a priečnych síl aj ohybové a krútiace momenty. Tento spoj sa používa aj na nadpájanie prvkov alebo sanáciu poškodených častí drevených trámov. V týchto spojoch je potrebná aj momentová odolnosť spoja. Preto je potrebné zamerať sa na správne rozmiestnenie tyčí a dodržať potrebnú hĺbku vlepenia. Prvý krok bolo overenie ťahovej odolnosti vlepovaných tyčí, kde sme overovali aj hĺbku vlepenia sme pristúpili k realizácii experimentu zameraného na nosník.
V súčasných platných normách sa nenachádzajú výpočtové postupy pre návrh týchto spojov. U nás boli k tejto téme doposiaľ uvedené len základné poznatky [1] odvodené na základe experimentálnych overovaní v zahraničí [2, 3]. Cieľom práce je overiť správanie sa týchto spojov. Okrem oceľových závitových tyčí sa používajú aj tyče vyrobené z uhlíkových, sklených alebo aramidových vláken, ktoré sa vyrábajú pomocou spojiva na báze živíc. Na vlepovanie sa používajú rôzne lepidlá. Najčastejšie sa používajú epoxidové a polyuretánové lepidlá. Pri návrhu momentových spojov s vlepovanými závitovými tyčami sa sleduje hlavne rotačná tuhosť týchto spojov a krivka vyjadrujúca závislosť medzi ohybovým momentom a natočením [4].
Experimentálne overovanie
Experimentálna analýza bola zameraná na overenie hĺbky lepenia do drevených hranolov pomocou viacerých lepidiel. Následne na tieto zistenia nadviazala druhá etapa, kde boli skúmané drevené nosníky, spojené v strede rozpätia vlepovanými závitovými tyčami.
Overovanie ohybového spoja nosníka
Obr. 1 – Spôsob vŕtania vzoriek
Obr. 2 – Vlepovanie závitových tyčí
Pre experiment boli použité dve série vzoriek rasteného dreva a z lepeného lamelového dreva. Každá séria mala päť vzoriek tvorených dvojicou hranolov s dĺžkou 1600 mm, ktoré boli spolu spojené vlepovanými závitovými tyčami, pričom vytvorili prostý nosník s osovou vzdialenosťou podpôr 3000 mm. Geometria vzoriek bola rovnaká ako pri numerickej analýze. Drevený prierez s rozmermi 150 × 180 mm mal v ťahovej oblasti umiestnené tri tyče s triedou pevnosti 8.8 a v tlakovej oblasti mal dve tyče s triedou pevnosti 4.6. Priemer tyčí bol 12 mm pre všetky vzorky, pričom priemer vŕtaných otvorov bol 14 mm a hĺbka vlepenia 200 mm. Táto hĺbka vlepenia a priemer tyčí bol zvolený na základe predošlých numerických a experimentálnych skúšok. Pomocou presného vŕtania boli vytvorené diery (obr. 1) pre vlepenie tyčí, ktoré boli náležite očistené a zbavené prachu.
V laboratóriu boli nosníky zlepené pomocou lepidla HILTI HIT-RE 500, ktorého mechanické vlastnosti boli overené v prvej etape experimentálnej analýzy. Aplikácia pomocou akumulátorového vytláčacieho prístroja bola z dôvodu veľkého počtu tyčí najvýhodnejšia (obr. 2). Dvojzložkové epoxidové lepidlo bolo dodané v tubách s obsahom 500 mm. Po aplikácii lepidla a tyčí boli nosníky navzájom spojené (obr. 3), zrovnané a stiahnuté. Pripravené vzorky boli v procese schnutia približne sedem dní (obr. 4).
Obr. 3 – Spájanie nosníkov pomocou tyčí
Obr. 4 – Nosníky spojené pomocou tyčí
Zaťažovacia zostava bola pripravená podľa normy STN EN 408+A1 [10] (obr. 5, 6). Osová vzdialenosť podpôr bola 3 m, pričom zaťaženie bolo aplikované prostredníctvom sústredených zaťažení v tretinách rozpätia cez oceľové roznášacie platne s valčekmi, ktoré boli umiestené aj v miestach podpôr a umožňovali ich pootočenie. Na aplikáciu zaťaženia bol použitý zaťažovací lis, a roznášacie vahadlo.
Obr. 5 – Zaťažovacia zostava podľa STN EN 408+A1
Obr. 6 – Zaťažovacia zostava
Obr. 7 – Indukčné merače deformácií
Obr. 8 – Merač deformácií a napätia (tenzometer)
Obr. 9 – Schéma priebehu zaťažovania
Zaťažovacia sila sa merala silomerom HBM-C6A. Deformácie boli zaznamenávané v troch bodoch na každej strane nosníka pre zistenie lokálneho a globálneho modulu pružnosti a priehybu nosníka (obr. 7). Stlačenie a rozovretie spoja sa meralo na spodnej a hornej strane nosníka (obr. 8). Deformácie boli merané pomocou indukčných meračov deformácií. Na spodnej a bočnej strane nosníka boli tiež inštalované meračne napätia na sledovanie ťahovej oblasti (obr. 8).
Postup zaťažovania a jednotlivé kroky zaťažovania boli aplikované podľa normy STN EN 380 [11]. Prvý zaťažovací krok bol vedený na úroveň zaťaženia 15 kN, počas tohto kroku došlo k dosadnutiu zostavy, následne bolo zaťaženie vynulované. Ďalšie kroky stúpali opäť po hodnotách 15 kN, s časovým rozpätím približne 120 sekúnd. Medzi každým krokom bola prestávka 120 sekúnd. Nosníky boli namáhané až do porušenia (obr. 9).
Zhodnotenie experimentu
Výsledky experimentu sú uvedené v tabuľke, kde prehľadne popisujú namerané hodnoty. Výsledky jednotlivých nosníkov boli približne rovnaké, avšak boli v niektorých prípadoch ovplyvnené okrajovými podmienkami, ktoré záviseli od nehomogénnej štruktúry dreva a od kvality prevedenia spojov. Vzorky najviac ovplyvnené týmito okrajovými podmienkami patrili N1, N2 a N8. Na vzorke N1 sa nachádzala výsušná trhlina v mieste ťahaných tyčí, čo viedlo k zníženej únosnosti spoja a odlišnému priebehu deformácií a pootočeniu spoja. Na vzorke N2 došlo ku krehkému porušeniu šmykom celého dreveného bloku v okolí ťahanej oblasti spoja, čo bolo zapríčinené značným nehomogénnym zložením dreva v tejto oblasti. Pri vzorke N8 došlo ku chybnému prevedeniu spoja, kde jedna ťahaná tyč nebola zalepená, čo viedlo k menšiemu dosiahnutému zaťaženiu. Výsledné ťahové sily vo zvyšných dvoch tyčiach však preukázali podobnú odolnosť ako pri ostatných vzorkách. Pri všetkých vzorkách boli výsledné sily v tyčiach približne rovnaké, ako hodnoty dosiahnuté v prvej etape experimentálnej analýzy teda pri overovaní hĺbky vlepenia.
Namerané zaťaženia, sily a deformácie sú uvedené v tab. č. 1. Osové sily v tyčiach boli určené na základe polôh neutrálnych osí v prierezoch skúmaných spojov. Na základe konečnej polohy neutrálnej osi bolo určené rameno vnútorných síl, pomocou ktorého bolo z príslušného ohybového momentu možné dopočítať ťahové sily vo vlepovaných závitových tyčiach. Nerovnomerná distribúcia síl medzi jednotlivými tyčami, zapríčinená nehomogénnym zložením dreva, bola zanedbaná. Ramená, na ktorých pôsobili v priereze tlakové a ťahové sily, boli pri všetkých vzorkách približne rovnaké ako pri modely, ktorý bol skúmaný metódou konečných prvkov v druhej etape numerickej analýzy.
| Číslo vzorky | Materiál | Dosiahnuté zaťaženie [kN] | Max. moment [kNm] | Rameno vnútorných síl [mm] | Sila v jednej ťahanej tyči [kN] |
|---|---|---|---|---|---|
| N01 | Rastené drevo | 22,24 | 9,14 | 116 | 39,22 |
| N02 | Rastené drevo | 32,98 | 15,83 | 103 | 51,22 |
| N03 | Rastené drevo | 40,00 | 19,20 | 118 | 54,23 |
| N04 | Rastené drevo | 37,36 | 17,93 | 107 | 51,22 |
| N05 | Rastené drevo | 40,42 | 19,40 | 120 | 53,88 |
| N06 | LLD | 29,56 | 14,18 | 118 | 40,07 |
| N07 | LLD | 34,12 | 16,70 | 122 | 44,70 |
| N08 | LLD | 19,24 | 9,23 | 104 | 44,37 |
| N09 | LLD | 28,60 | 13,72 | 118 | 38,75 |
| N10 | LLD | 34,96 | 16,78 | 108 | 51,79 |
Experimenty sa realizovali až do porušenia vzoriek. K roztrhnutiu vlepovaných tyčí v ťahovej oblasti nedošlo v žiadnom prípade vzhľadom na vysokú triedu pevnosti tyčí. Taktiež nenastalo porušenie lepidla v žiadnej zo skúšaných vzoriek. Spravidla dochádzalo k porušeniu drevených vlákien, kedy bola prekročená pevnosť v ťahu a šmyku rovnobežne s vláknami. V dvoch prípadoch došlo k porušeniu drevenej hmoty ako celku. Vzorka N01 dosiahla netypický charakter porušenia, ktorý bol spôsobený prítomnosťou výsušnej trhliny, ktorá zasahovala až do priestoru krajnej ťahanej tyče (obr. 10, 11).
Obr. 10 – Porušenie vzorky N01
Obr. 11 – Detail porušenia vzorky N01
Obr. 12 – Porušenie vzorky N04
Pri vzorke N04 došlo vplyvom nehomogenity dreva k odtrhnutiu celého dreveného bloku v ťahanej oblasti prvku (obr. 12).
Z dôvodu zistenia charakteru porušenia vlepených tyčí boli vzorky následne mechanicky rozobraté. Drevená hmota bola odstránená až po úroveň ťahaných tyčí.
Obr. 13 – Pohľad na spôsob porušenia vzorky N01 – rastené drevo
Obr. 14 – Pohľad na spôsob porušenia vzorky N06 – lepené lamelové drevo
Pri všetkých vzorkách dochádzalo k porušeniu drevených vlákien a lepidlo zostávalo neporušené. Taktiež sa po rozobratí vzoriek dá konštatovať, že v prípade prvkov z lepeného lamelového dreva bola štruktúra dreva pravidelnejšia a bez výskytu hrčí (ovplyvňujú pevnosť vlepenia prostredníctvom súdržnosti vlákien dreva). To potvrdzujú aj dosiahnuté odolnosti vlepených tyčí, ktoré boli v porovnaní so vzorkami z rasteného dreva nižšie (tab. 1).
Z uvedených výsledkov sa môže na základe rôznych priebehov deformácií konštatovať, že jedna z najdôležitejších vlastností týchto spojov, je ich kvalita prevedenia. Nosník N01, ktorého výsledky boli značne ovplyvnené prítomnosťou výsušnej trhliny sa od ostatných vzoriek mierne odlišuje. Preto je výskyt takýchto porúch v prípade spojov s vlepovanými závitovými tyčami nebezpečný.
Záver
Po vyhodnotení výsledkov je možné na základe priebehov konštatovať, že jedna z najdôležitejších vlastností týchto spojov je kvalita ich prevedenia a kvalita použitých materiálov. Ak sa zameriame na nosník N01, je vidno ako boli výsledky výrazne ovplyvnené výsušnou trhlinou zasahujúcou až do miesta vlepenia tyče. Výskyt takýchto porúch v prípade spojov s vlepovanými závitovými tyčami by nepriaznivo ovplyvňoval ich celkovú odolnosť a mohol by byť nebezpečný. V prípade nosníka N04 kde nehomogenitou vzorky došlo k odtrhnutiu bloku dreva menej vážnym problémom, nakoľko dosiahnuté odolnosti výrazne nevybočujú z priemeru.
Taktiež možno uviesť, že rozdiely boli pozorované aj pri porovnaní vzoriek z rasteného dreva a lepeného lamelového dreva. Pri lepenom lamelovom dreve je štruktúra dreva homogénnejšia a tým pádom viac náchylná na porušenie šmykom rovnobežne s vláknami dreva. Odpadá tu však problém s výraznou nehomogenitou a výsušnými trhlinami, ktoré sú pre rastené drevo prirodzené.
Pre rotačnú tuhosť spoja je dôležitým faktorom kvalita prevedenia. Preto je potrebné, aby spájané čelá boli vyhotovené s maximálnou presnosťou pre obmedzenie nárastu pootočenia, z dôvodu výskytu nerovností v oblasti spoja.
Poďakovanie
Tento článok vznikol s prispením grantu VEGA 1/0397/22. Poďakovanie patrí sponzorom, ktorý pomohli tento experiment zrealizovať. Sú to firmy: Lateko-Strechy s.r.o, Latty-Extra s.r.o, Hilti Slovakia s.r.o.
Literatúra a použité zdroje
- DUCHOŇ, V. – KLAS, T. Teoretická a experimentálna analýza osovo zaťažených vlepovaných tyčí v drevených spojoch. Zborník prednášok zo 40. aktívu pracovníkov odboru oceľových konštrukcií. S. 83–88.
- MIKEŠ, Karel: Styčníky dřevěných konstrukcí s vlepovanými závitovými tyčemi. Dizertační práce. Praha 2001.
- Bouchair, A., Racher, P., Xu, B.H.: Analytical study and finite element modeling of timber connections with glued-in rods in bending, Construction and Building Material. ISSN: 09500618.
- VAŠEK, Milan: Ťažké drevené skelety a ich navrhovanie, ASB 2011.
- Riberholt, H., Enquist, B., Gustafson, P. J., Jensen R. B.: Timber beams notched at the support, Technical Univerzity of Denmark, 1991. ISSN: 0108-0768.
- STN EN 1995-2 :2005-04 (731701): Navrhovanie drevených konštrukcií. Časť 2: Drevené mosty.
- Wiktor, R.: Glulam connections, using epoxy glued-in rebars. Dissertation thesis. The university of British Columbia, Vancouver, Canada, october 1994.
- DUCHOŇ, V. Modeling of timber joints with glued-in rods. Juniorstav 2015:. CD-ROM (8).
- DUCHOŇ, V. Experimentálne overovanie mechanickej odolnosti vlepovaných závitových tyčí a ich použitie v drevených konštrukciách. Advances in architectural, civil and environmental engineering. 2015.
- STN 408+A1: Drevené konštrukcie. Konštrukčné drevo a lepené lamelové drevo. Stanovenie niektorých fyzikálnych a mechanických vlastností.
- STN EN 380: Drevené konštrukcie. Skúšobné metódy. Všeobecné zásady skúšania statickým zaťažením.
In certain cases, it is necessary to join the timber beam at the centre of its span using an invisible joint to make it architecturally and design acceptable. Such joints include invisible joints using glued-in rods.