MNC spoje dřevěných konstrukcí vystavené opakovanému namáhání

1. Úvod

V posledních dekádách se lze u zastřešení stavebních objektů setkat s dřevěnými příhradovými vazníky, které stále častěji nahrazují klasické tesařské krovové soustavy. Jejich popularita je také umocněna faktem, že se jedná o poměrně levnou a montážně snadnou variantu pro zastřešení domů s volnou dispozicí oproti masivním konstrukcím krovů. Vedle převládajícího způsobu řešení styčníků dřevěných příhradových konstrukcí pomocí žárově pozinkovaných vnějších ocelových desek s prolisovanými trny/hřeby (technologie též známa jako Gang-Nail) se uplatňují i spojovací styčníkové desky s oboustranně navařenými hranatými drážkovanými hřebíky, které se vkládají a lisují dovnitř mezi dvě dílčí části prutu. Tímto konstrukčním opatřením lze kromě výborné tuhostí a únosnosti těchto přípojů dosáhnout i vyšší požární odolnosti. V neposlední řadě lze též jako pozitivní efekt brát estetický dojem u pohledových střešních konstrukcí, kdy nejsou vidět poněkud nevzhledné spojovací prostředky a vnější ocelové desky.

Prezentovaný výzkum se zabývá chováním spojů příhradových vazníků typu MKD (= Multi Krallen Dübel), respektive MNC (= Multiple Nail Connectors), kde se ve styčnících uplatňují vnitřní spojovací ocelové desky s oboustranně navařenými hřebíky, které jsou vkládány a zalisovány mezi dvě části dřevěného prvku. Nejvýstižnějším způsobem ověřování únosnosti a tuhosti konstrukčních detailů u dřevěných konstrukcí je experimentální testování, neboť dovede poskytnout komplexnější a hlubší vhled do problematiky než analytický výpočet nebo počítačová simulace. K testování bylo proto vybráno několik variant spojů typu MKD, které se lišily podle druhu použitého konstrukčního řeziva – KVH hranol z rostlého dřeva, lepené lamelové dřevo a lepené vrstvené dřevo. Vzorky spojů byly uzpůsobeny k testování tahovou silou rovnoběžně s vlákny až do porušení spoje při monotónním kvazistatickém a později také opakovaném cyklickém zatěžování. V rámci výzkumu byl při popisu chování spojů kladen důraz na srovnání experimentů s výpočetními metodami příslušné platné normy pro navrhování dřevěných konstrukcí a verifikaci některých experimentů pomocí numerického modelování.

2. Metodický přístup k experimentálnímu testování

a) Popis zkušebních vzorků

Na výrobu vzorků pro testování spoje v tahu rovnoběžně s vlákny (Obr. 1) bylo použito hraněné řezivo o průřezových rozměrech dvakrát 75 × 160 mm. Bylo testováno celkem 15 vzorků – 9 z nich bylo vystaveno monotónnímu kvazistatickému zatěžování a 6 z nich cyklickému zatěžování na několika úrovních zatížení. Vzorky hraněného řeziva se sestávaly ze dvou shodných částí, mezi nimiž byly umístěny styčníkové plechy. Pět vzorků bylo vyrobeno z rostlého smrkového dřeva, deklarovaná třída pevnosti C24. Pět vzorků bylo vyrobeno z lepeného lamelového dřeva, deklarovaná třída pevnosti GL24h, tloušťka lamely 40 mm. Pět vzorků bylo vyrobeno z lepeného vrstveného dřeva, deklarovaná třída pevnosti LVL Ultralam R, tloušťka dýhy 2,7 mm. Hraněno řezivo a hotové vzorky spojů pro testování byly dodány společností STŘECHY 92, s.r.o.

Vložené styčníkové plechy (též označované jako MNC spojovací desky) o tloušťce 10 mm byly vyrobeny z oceli deklarované pevnostní třídy S355J2G3. Na ocelové styčníkové desky byly oboustranně navařeny speciální hřebíky obdélníkového průřezu 3/4 mm délky 50 mm s pevností na mezi únosnosti min. 600 MPa. Rozměry testovaných zkušebních vzorků, styčníkových plechů i počty a rozmístění hřebíků jsou znázorněny na Obr. 1.

Obr. 1 – Zkušební vzorky pro testování v tahu rovnoběžně s vlákny

b) Popis průběhu a vyhodnocení kvazistatických testů

Veškeré experimenty byly provedeny na elektromechanickém testovacím zařízení LabTest 6.1200H.2 od firmy LABORTECH s.r.o. To umožňuje zejména tahové/tlakové statické a cyklické zkoušky. Maximální síla, kterou dokáží elektrohydraulické válce zkušebního zařízení vyvinout, je 1200 kN, což se pro testování uvedených spojů až do porušení ukázalo jako dostatečné. Zatěžovací rychlost zkušebního zařízení lze nastavit od 0,0005 do 250 mm/min. Zkušební vzorky jsou upínány do speciálních vysokopevnostních čelistí válcovitého tvaru, jejichž kontaktní povrch je upraven speciálními vroubky pro lepší adhezi k upnutému materiálu a eliminaci nežádoucího prokluzu v čelistech. Dolní čelist je fixní, horní čelist se pohybuje na poháněném příčníku ve vertikálním směru. Celé zařízení je ovládáno pomocí software Test&Motion.

Zkušební vzorky zatěžované rovnoběžně s vlákny byly upnuty do čelistí zkušebního zařízení pomocí přesahů ocelových styčníkových plechů tak, aby zkoušený spoj byl namáhán osovou tahovou silou s možným přídavným namáháním od imperfekcí spoje. Uspořádání a zatěžování zkušebních těles bylo navrženo tak, aby co nejvěrohodněji korespondovalo se skutečným stavem tažených spojů v reálné nosné konstrukci (Obr. 2).

Obr. 2 – Příklady zkušebních vzorků při testování v tahu rovnoběžně (vlevo)

Zatížení 9 zkušebních těles bylo simulováno jako kvazistatické s plynulým nárůstem intenzity až do porušení vzorků. Během zkoušky bylo prováděno nepřetržité zaznamenávání času, velikosti tahové síly a deformace spoje v podélném směru pomocí snímače polohy pístu (50 záznamů za sekundu). Rychlost zatěžování byla zvolena konstantní v [mm/min] v konečných fázích. Celková doba zkoušení jednoho vzorku se pohybovala kolem 15 minut.

Průběh monotónního kvazistatického zatěžování (Obr. 3 – vlevo) byl proveden v souladu s normou na zkoušení spojů dřevěných konstrukcí s mechanickými spojovacími prostředky [2], kde je předepsán následující postup zatěžování:

1. Odhad maximálního zatížení F_est pro zkoušený typ spoje na základě zkušeností, výpočtu nebo předběžných zkoušek
2. Zatížení zkušebního tělesa na úroveň 40 % odhadnutého maxima, zatížení se udržuje 30 sekund
3. Snížení zatížení na úroveň 10 % odhadnutého maxima, zatížení se opět udržuje 30 sekund
4. Plynulé zatěžování do porušení vzorku

Obr. 3 – Průběh zatěžování kvazistatických testů (vlevo) a idealizovaný pracovní diagram a měřené hodnoty (vpravo)

Zaznamenávaly se jednotlivé body pracovního diagramu spoje a maximální zatížení F_max s příslušným posunutím u_max. Ze zaznamenávaných údajů bylo možné určit počáteční posunutí u_i = u₀₄, z něj modifikované počáteční posunutí u_i,mod podle vztahu (1), dále trvalé počáteční posunutí u_s podle vztahu (2) a modul prokluzu k_s podle vztahu (3).

(1)

(2)

(3)

kde je

k_s

modul prokluzu [N/mm];

F_est

odhad maximálního zatížení [N];

u_i

počáteční posunutí [mm];

u_i,mod

modifikované počáteční posunutí [mm];

u_s

trvalé počáteční posunutí [mm].

c) Popis průběhu a vyhodnocení cyklických testů

Upnutí do čelistí zkušebního zařízení a uspořádání vzorků při testování bylo stejné jako v případě kvazistatických testů. Zatížení zkušebních těles bylo simulováno jako dynamické, cyklické na několika stupňujících se úrovních zatížení až do porušení vzorků. Během zkoušky bylo prováděno nepřetržité zaznamenávání času, velikosti tahové síly a deformace spoje v podélném směru pomocí snímače polohy pístu (50 záznamů za sekundu). Cílem bylo vyvinout cyklické míjivé zatížení v tahu, které může reprezentovat například náhlé cyklické poryvy od jednosměrného větru.

Průběh zatěžování částečně vycházel z normy na cyklické zkoušení spojů dřevěných konstrukcí s mechanickými spojovacími prostředky ČSN EN 12512. Protože tato norma předepisuje zejména zkušební postupy pro účely určování duktility, poklesu únosnosti a disipačních vlastností spoje při cyklickém střídavém zatížení tahem/tlakem (uplatní se především u spojů namáhaných seizmickou činností), musel být postup zatěžování modifikován pro potřeby těchto cyklických zkoušek. Postup zatěžování se skládal z následujících kroků:

1. Určení referenční hodnoty zatížení F_ref = F_v,Rk pro zkoušený typ spoje na základě výpočtu
2. Zatížení zkušebního tělesa na úroveň 40 % referenční hodnoty při rychlosti posunu 1 mm/min, zatížení se udržuje 30 sekund
3. Snížení zatížení na úroveň 20 % referenční hodnoty při rychlosti posunu 1 mm/min, zatížení se opět udržuje 30 sekund
4. Cyklické míjivé zatěžování na první úrovni zatížení, tj. od 20 % F_ref do 40 % F_ref – 99 opakování při rychlosti posunu 1 mm/s
5. Cyklické míjivé zatěžování na druhé úrovni zatížení, tj. od 20 % F_ref do 60 % F_ref – 100 opakování při rychlosti posunu 1 mm/s
6. Cyklické míjivé zatěžování na druhé úrovni zatížení, tj. od 20 % F_ref do 80 % F_ref – 100 opakování při rychlosti posunu 1 mm/s
7. Cyklické míjivé zatěžování na druhé úrovni zatížení, tj. od 20 % F_ref do 100 % F_ref – 100 opakování při rychlosti posunu 1 mm/s
8. Cyklické míjivé zatěžování na druhé úrovni zatížení, tj. od 20 % F_ref do 120 % F_ref – 100 opakování při rychlosti posunu 1 mm/s
9. Kvazistatické zatěžování až do porušení při rychlosti posunu od 1 mm/min do 2 mm/min

3. Výsledky kvazistatických a cyklických testů

Pro vyhodnocení únosnosti a celkového chování MKD styčníků při jejich zatěžování v tahu rovnoběžně s vlákny dřeva byly během jejich testování zaznamenávány deformačně-zatěžovací diagramy (pracovní diagramy spoje) – Obr. 4 až 6.

Z grafů je patrné rozdílné deformační chování spojů namáhaných cyklicky na několika úrovních zatížení oproti spojům namáhaných kvazistaticky. Z grafů lze též vyčíst maximální zatížení a příslušnou deformaci při porušení pro jednotlivé zkušební vzorky. Dále je uvedeno celkové shrnutí (Tab. 1 a 2), které obsahuje informace o maximální dosažené únosnosti F_max, vlhkosti dřevěných zkušebních vzorků během testování w_test a objemové hmotnosti vztažené k 12% vlhkosti ρ₁₂, je také uveden modul prokluzu spoje k_s.

Obr. 4 – Deformačně-zatěžovací křivky vzorků z rostlého dřeva zatížených rovnoběžně s vlákny

Obr. 5 – Deformačně-zatěžovací křivky vzorků z lepeného lamelového dřeva zatížených rovnoběžně s vlákny

Obr. 6 – Deformačně-zatěžovací křivky vzorků z lepeného vrstveného dřeva zatížených rovnoběžně s vlákny

Výpočet charakteristických hodnot únosnosti spojů zatížených rovnoběžně s vlákny byl proveden podle normy [1] s modifikací pro hřebíky obdélníkového průřezu. Vypočtené hodnoty charakteristických únosností spoje F_v,Rk a vstupní údaje jsou uvedeny v Tab. 3.

4. Numerické modelování spojů MNC

Pro porovnání fyzikálně získaných dat spolu s normovými předpoklady byl sestaven numerický matematický model složený ze skořepinových a prutových prvků v programu SCIA Engineer. Model je koncipován jako celá testovací sestava se zahrnutím vynášecí konstrukce. Motivací tvorby komplexního modelu byl samotný návrh ocelových vynášecích prvků a také možnost sledovat deformaci se zahrnutím chování všech přípojů a prvků včetně ocelového styčníkového plechu.

Obr. 7 – Numerický model testu spoje MNC v tahu rovnoběžně s vlákny

Numerický model (Obr. 7) je počítán s uvážením ortotropie dřeva, prokluzů spojů, fyzikální i geometrické nelinearity a konstrukční nelinearity ve spojích (kontaktní úloha). Vybraný numerický model je aplikován na případ testu podél vláken pro prvek dřevěných trámů vyrobených z lepených lamelových prvků. Rozdíl mezi RD, LLD a LVL pro numerický model je složitě postihnutelný bez přesnějších dat vlastností materiálových vlastností dřeva.

Zatěžování bylo v numerickém modelu řešeno stejně jako v reálném testu → deformační zatížení v hlavě lisu (zde maximálně 34 mm). Prokluzy na spojovacích prostředcích byly modifikovány podle hodnot z norem a podle zkušeností s obdobnými modely. Chování spojovacího prostředku bylo simulováno translačními tuhostmi kolmo na osu spoje a v ose spoje doplněnou o rotační tuhost v oblasti předpokládané plastizace spoje.

Numerické modely po vyladění prokluzů ve spojích jsou poměrně v dobré shodě s fyzikálními testy, viz graf na Obr. 8. Výhodou numerických modelů je možnost nahlédnout do struktury zkoumaného materiálu, přerozdělení deformací po jednotlivých prvcích a s tím spojených napětí, vnitřních sil a reakcí (Obr. 9 a 10). Na tomto základě lze optimalizovat spoje a konstrukce před jejich samotným fyzikálním měřením (které bývá náročné po stránce zdrojů, přípravy, personálu a samotného vyhodnocení získaných testů).

Obr. 8 – Pracovní diagramy spoje MNC tah rovnoběžně s vlákny (testy a numerický model)

Obr. 9 – Numerický model testu spoje v tah rovnoběžně s vlákny – deformace, napětí na oceli s síly na MKD

Obr. 10 – Napětí na dřevěném prvku rovnoběžně a kolmo k vláknům doplněné o smyk v oblasti spojů pro cca 160kN sílu v hlavě lisu a deformaci 18,20 mm

Numerické modelování je neodmyslitelnou doplňující formou analýzy řešených detailů, konstrukcí a jejích spojů. Ve spojení s fyzikálním měřením a normovými postupy se zkušenostmi odborných firem dotváří náhled na chování a odezvu zkoumaných entit.

Pro další analýzu spoje a jeho návaznosti na přerozdělení napětí v oblasti spoje jsou připraveny doplňující modely na bázi prut – skořepina a objemové konečně prvkové modely.

5. Diskuse výsledků

Spoje dřevěných konstrukcí typu MNC vykazují při namáhání v tahu (kvazistaticky nebo cyklicky) poměrně vysokou tuhost a zejména duktilitu, což je při návrhu spojů u dřevěných konstrukcí žádoucí. Deformované spojovací prostředky se při konečném porušení spoje převážně vytahovaly z dřevěných prvků při jejich současném rozevírání. Některé spojovací prostředky se vlivem nadměrné deformace utrhly v místě svaru u styčníkového plechu a zůstaly tak v dřevěných prvcích. K totální destrukci vytažením styčníkových plechů se spojovacími prostředky docházelo buď pouze na jedné straně spoje z obou dřevěných prvků, případně na obou stranách spoje, kdy k vytažení spojovacích prostředků docházelo z jednoho dřevěného prvku nebo z obou prvků do kříže (Obr. 11). Tyto nuance v porušení spojů byly přisuzovány imperfekcím přírodního materiálu (rozdílné hustoty dřevěných částí, přirozené lokální imperfekce v podobě suků, trhlin apod.). U značného počtu test došlo v konečné fázi porušení spoje ke vzniku blokového smyku.

Obr. 11 – Deformace spoje namáhaného tahem podél vláken na mezi porušení (RD – vlevo, LVL – vpravo)

Únosnosti kvazistaticky i cyklicky zatěžovaných spojů, zjištěné při laboratorních testech, jsou s výraznou rezervou vyšší, než charakteristické únosnosti stanovené podle [1]. Významnou výhodou spojů MNC je jejich vysoká duktilita při namáhání v tahu rovnoběžně i kolmo k vláknům dřeva, což je zjevně dáno charakterem spoje, kdy speciální hřebíkové spojovací prostředky jsou rovnoměrně rozděleny po poměrně velké ploše. Tím jsou částečně eliminovány výrazná lokální namáhání v tahu vedoucí k náhlým křehkým porušením a spoje jsou proto bezpečnější.

Rozdílnou odezvu na zatěžování spojů kvazistaticky oproti zatěžování spojů cyklickým zatížením nejlépe vystihují pracovní diagramy na Obr. 4–6, resp. 8. Cyklicky zatěžované spoje vykazují poměrně velký nárůst maximální únosnosti spoje oproti kvazistatickému zatěžování, ale po jeho dosažení nastává výrazný pokles spojený s velkou deformací. Lze to vysvětlit určitým zhutněním materiálu dřevěného prvku pod spojovacím prostředkem během zatěžovacích cyklů při nižších úrovních napětí.

6. Závěr

Příspěvek se zabývá problematikou únosnosti a tuhosti MNC spojů dřevěných prvků namáhaných kvazistatickým, resp. cyklickým tahem podél vláken těchto dřevěných prvků. Výsledky laboratorních experimentů na vzorcích reálných rozměrů byly srovnány s výsledky výpočtů podle platných norem a s výsledky z numerických modelů.

Poděkování

Tento článek vznikl za finanční podpory Evropské unie v rámci projektu REFRESH – Research Excellence For REgion Sustainability and High-tech Industries, reg. č. CZ.10.03.01/00/22_003/0000048, prostřednictvím Operačního programu Spravedlivá transformace. Dále tento projekt podpořili: Katedra konstrukcí a Experimentální centrum Fakulty stavební VŠB-TUO, firma STŘECHY 92, s.r.o. – Ing. Radek Čaloud, Ing. Tomáš Šťastný. Poprvé byl prezentován na konferenci Dřevostavby ve Volyni, poté upraven pro TZB-info.

Reference

1. ČSN EN 1995-1-1. Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Praha: ČNI, 2006.
2. ČSN EN 26891 (732070) Dřevěné konstrukce. Spoje s mechanickými spojovacími prostředky. Všeobecné zásady pro zjišťování charakteristik únosnosti a přetvoření. ÚNMZ 08/1994.