Spoje s ocelovými prvky v dřevěných konstrukcích
Jedním ze zásadních bodů při navrhování dřevěných konstrukcí je oblast spojů. Volba vhodného typu spojů v přípojích, stycích a podporových detailech je důležitou součástí návrhu každé konstrukce, protože podstatným způsobem ovlivňuje skladbu konstrukce i dimenze nosných prvků. Únosnost a tuhost spojů je v řadě případů rozhodující pro návrh a působení konstrukce jako celku. Vyšetřování vlivu poddajnosti spojů na celkové působení konstrukcí patří proto k důležitým bodům při navrhování nosných konstrukcí.
1 ÚVOD
Jedním ze zásadních bodů při navrhování dřevěných konstrukcí je oblast spojů. Volba vhodného typu spojů v přípojích, stycích a podporových detailech je důležitou součástí návrhu každé konstrukce, protože podstatným způsobem ovlivňuje skladbu konstrukce i dimenze nosných prvků. Únosnost a tuhost spojů je v řadě případů rozhodující pro návrh a působení konstrukce jako celku. Vyšetřování vlivu poddajnosti spojů na celkové působení konstrukcí patří proto k důležitým bodům při navrhování nosných konstrukcí. V případě dřevěných konstrukcí se jedná o zásadní problém, zejména u konstrukcí větších rozpětí s velkým počtem mechanických spojů a u konstrukcí se silně namáhanými spoji.
Poddajnost spojů úzce souvisí nejen s materiálovými a pevnostními charakteristikami dřeva a spojovacích prostředků, ale také s konstrukčním řešením detailů. Přitom je nutné uvažovat vliv prostředí, v němž konstrukce působí a typy zatížení, které přenáší. Obecně se vliv poddajnosti spojů projevuje zvýšenými deformacemi a redistribucí vnitřních sil.
Podle typu konstrukce a závažnosti řešeného problému mohou být při návrhu voleny zjednodušené metody ve smyslu norem pro navrhování dřevěných konstrukcí anebo přesnější metody vycházející z výsledků experimentálních testů spojů a z analýzy jejich působení v reálných konstrukcích.
V příspěvku jsou shrnuty poznatky z teoretického řešení, realizace a působení vybraných typů dřevěných konstrukcí, jejichž přípoje byly provedeny pomocí styčníkových plechů a mechanických spojovacích prostředků.
2 SPOJE S OCELOVÝMI PRVKY
Ocelové spojovací prvky se používají ve dřevěných konstrukcích zpravidla jako styčníkové plechy, tvarové spojovací prvky vyrobené z tenkostěnných plechů (například u nás běžně používané spojovací prvky typu BOVA a BMF Simpson, respektive další typy), dále jako svařované elementy různých tvarů podle geometrického a konstrukčního uspořádání detailů a speciálně vyrobené ocelové prvky pro konstrukce specifikovaného účelu.
Tento příspěvek je zaměřen ke spojům se spojovacími prostředky kolíkového typu, což jsou zpravidla hřebíky, svorníky, kolíky a vruty. Samostatnou skupinu představují konstrukce se spoji řešenými pomocí styčníkových desek s prolisovanými trny, respektive jiné speciální typy spojů.
Mezi nejčastěji používané spoje s kolíkovými spojovacími prostředky patří spoje se styčníkovými plechy, které jsou vkládány do spár vyřezaných ve dřevěných profilech. Plechy mohou být i vnější, případně vnitřní i vnější.
Na principu vkládaných ocelových plechů jsou založeny efektivní konstrukční systémy BSB (obr. 1), MKD (Multi-Krallen-Dübeln), MNC (Multiple Nail Connectors - spojovací desky s vícenásobnými hřebíky vyvinuté pro příhradové nosníky z vrstveného dřeva KERTO) a další. Mezi nejprogresivnější a perspektivní spojovací systémy patří v současné době WS systém firmy SFS intec, se samovrtnými vruty jako spojovacími prostředky., který umožňuje rychlou montáž vrutů bez předvrtávání otvorů do dřeva a styčníkových plechů.
Obr. 1 Charakteristický styčník konstrukcí systému BSB [1]
Obr. 2 Tělesa pro zkoušky únosnosti a přetvoření spojů: Zkušební stolice a typy těles: a) rostlé dřevo 160/160, 4 plechy 1 mm, hřebíky 3,1 mm; b) rostlé dřevo 160/160, plech 5 mm kolíky 7 mm; c) 2 typy-rostlé dřevo a lepené lamelové dřevo 80/160, MKD systém 10 mm, trny 3x4 mm délky 50 mm
Na Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební VUT v Brně byly laboratorně testovány spoje na bázi ocelových styčníkových plechů [2], (obr. 2). Tělesa odpovídala reálným spojům použitým v konstrukcích. Spojovacími prostředky byly hřebíky a kolíky (tělesa od firmy Profinvestik Frýdek-Místek s.r.o.) a MKD (tělesa od firmy Střechy 92 Zlín s.r.o.).
Obr. 3 Přetvoření hřebíkového spoje s tenkými styčníkovými plechy 1 mm na defektoskopickém snímku
- stav před testem, stav po provedeném testu
Při testech bylo využito metody bezkontaktního měření deformací těles videoextenzometrem [3], metody akustické emise a radiační defektoskopie [4], (obr. 3) Softwarové vybavení umožňovalo zpětně vyhodnocovat videozáznamy pořízené snímacími kamerami. Měření přetvoření videoextenzometrem poskytovalo poměrně komplexní informace o chování spoje. Vyhodnocením získaných údajů bylo možné určit posunutí jednotlivých bodů dřevěného prvku i jejich skupin vzhledem ke zvolenému bodu na upínacím zařízení. Akustické emise byly sledovány nezávisle na ostatních měřeních. Průběh experimentu s narůstající zatěžovací silou byl pro vyhodnocení rozdělen na počáteční fázi a fázi do porušení. Ze závislosti rozložení energií na frekvenci bylo možné usuzovat na iniciaci a šíření trhlin ve dřevě a v kontaktu ocelových a dřevěných částí spoje. Při porovnání výsledků se zjistilo, že metoda akustické emise dobře doplňuje klasická měření. Prudký nárůst kumulativní energie akustických emisí při poruchách spojů je dobře postihnutelný a může signalizovat stav extrémně namáhaných spojů.
Obr. 4 Uspořádání experimentu s očíslováním senzorů a jedno ze zkušebních těles
V mnoha případech je třeba ve spojení zabezpečit, kromě osových a příčných sil, i přenos ohybových momentů. Experimentální zkoušky na šesti sériích vzorků z rostlého, lepeného lamelového a vrstveného dřeva (Kerto) byly provedeny v Laboratory of Bridge Engineering, Helsinky University of Technology a VTT Laboratories in Espoo ve Finsku, na základě spolupráce mezi VUT v Brně a TU Helsinki [5].
Při stanovování únosnosti spoje se skupinou spojovacích prostředků bylo zohledněno vytvoření plastického kloubu v kolíku, otlačení dřeva, kumulace normálového napětí kolmo na vlákna a vliv smykového napětí od okolních spojovacích prostředků, které může vést k rozštěpení dřeva. Ohybová únosnost spojů tohoto typu závisí na geometrickém uspořádání spoje a rozměrech jednotlivých prvků. K porušení docházelo v případě rostlého dřeva tahem kolmo na vlákna, v případě vrstveného dřeva zpravidla tahem a tlakem rovnoběžně s vlákny.
3 VYUŽITÍ SPOJŮ NA BÁZI OCELOVÝCH PRVKŮ U VYBRANÝCH TYPŮ DŘEVĚNÝCH KONSTRUKCÍ
Ve spolupráci s firmami Profinvestik Frýdek-Místek s.r.o. a MiTek Industries s.r.o. byly realizovány čtyři konstrukce rozpětí 40 až 59,5 m se spoji na bázi vkládaných styčníkových plechů s hřebíkovými a kolíkovými spojovacími prostředky. V období 1997 až 1998 dvě halové konstrukce ve Frýdlantu nad Ostravicí na rozpětí 40,5 a 24,4 m. V roce 2003 byla zprovozněna sportovní hala v Bílovci o rozpětí 59.5 m a zastřešení zimního stadionu ve Vrchlabí o rozpětí 40,4 m.
Na konstrukci v Bílovci jsou prováděna geodetická měření od r. 2001 (po montáži konstrukce) až do současnosti (poslední měření v r. 2011). Sledovány jsou zejména vertikální a horizontální posuny konstrukce v různých obdobích. Z vyhodnocení výsledků měření [6] vyplývá, že konstrukce vykazuje předpokládanou poměrně velkou tuhost, což se potvrzovalo i u předcházejících konstrukcí. Pro geodetická měření je použita metoda prostorového protínání z úhlů. Konstrukce během své existence prošla procesem dotvarování a sesychání, což se projevilo změnou prostorové polohy sledovaných bodů vzhledem k základní etapě. Do celého procesu vstupují jednak změny nevratné, způsobené dosedáním konstrukce, prokluzy ve spojích, dosedáním základů na základovou půdu, a změny sezónního charakteru. Největší podíl na sezónních změnách tvaru konstrukce má teplota. S nosnou konstrukcí spolupůsobí kovový střešní plášť. Bylo zaznamenáno, že při stoupající teplotě a zahřívání střešního pláště dochází k nadzvedávání oblouků ve vrcholové oblasti a při ochlazování k opačné deformaci. Největší průhyby byly naměřeny ve vrcholech oblouků. Během stárnutí stavby se vliv sezónních změn zmenšuje. Velikost deformací v podélném a příčném směru je v případě této konstrukce podstatně méně závislá na sezónních změnách. Tyto deformace postupně narůstaly, ale v posledních etapách došlo k jejich ustálení.
Spoje s vkládanými ocelovými plechy a s ocelovými tvarovými prvky jsou základními typy spojů taktéž v dřevěné konstrukci bazénové haly v Brně-Kohoutovicích (2010) [7]. Na principu vkládaných ocelových plechů s kolíkovými spojovacími prostředky jsou řešeny zásadní konstrukční detaily konstrukce, jako jsou podporové detaily (obr. 5 a 6) a montážní styky lepených rámových žeber segmentů (obr. 7) a dále přípoje vazníků k lepeným žebrům a ocelovým stěnovým sloupům. Pomocí tvarových prvků vyrobených svařením plechů jsou provedeny přípoje vzpěrek k vaznicím, přípoje ocelových prutů podélných ztužidel k lepeným žebrům a další sekundární spoje.
Obr. 4 (vlevo) Uspořádání dřevěné konstrukce bazénové haly v Brně - Kohoutovicích
Obr. 5 (vpravo) Detail podepření zakřiveného rámu na betonovou konstrukci
Obr. 6 (vlevo) Detail montážního styku zakřiveného rámu a připojení podélného vazníku, vzpěrek a vaznic k žebru
Obr. 7 (vpravo) Detail uložení zakřiveného žebra na betonový sloup
Obr. 8 Typický příčný řez ubytovacího zařízení v Krkonoších -Strážném
Pomocí ocelových svařovaných prvků vyrobených z plechů tloušťky 8 mm a kolíkových spojovacích prostředků (přesných svorníků a kolíků) průměru 16 mm byly řešeny silně namáhané přípoje prutů konstrukce objektu vysokohorského rekreačního a ubytovacího zařízení v Krkonoších-Strážném [7], obr. 8, 9.
Obr. 9 Charakteristické přípoje prvků - průvlaků, krokví a výztužných diagonál ke sloupům pomocí ocelových plechů a kolíkových spojovacích prostředků
Spoje s ocelovými vloženými styčníkovými plechy a kolíkovými spojovacími prostředky jsou vhodným typem spojení také u konstrukcí vyrobených z kulatiny.
Výhody spočívají hlavně v tom, že lze přenášet i síly velké intenzity, spoje nejsou křehké, takže vykazují, ve srovnání s jinými typy, větší houževnatost, dále jsou montážně jednoduché, vyhovující z hlediska požární odolnosti, jsou finančně přijatelné a splňují i požadavek estetického vyjádření konstrukce.
Jako příklad jsou v příspěvku uvedeny dvě konstrukce vyrobené z kulatiny - střešní konstrukci restaurace Archa v areálu ZOO sv. Kopeček u Olomouce [10] a novou konstrukci rozhledny Bohdanka v obci Bohdaneč u Zruče nad Sázavou [11], [12].
Spoje v konstrukci rozhledny jsou dominantně namáhány osovou silou od zatížení větrem, která má charakter střídavého dynamického zatížení. Vzhledem k umístění spojů v exteriéru se očekávají významné změny teploty a vlhkosti. Na základě dlouhodobých zkušeností s realizovanými stavbami a závěry z provedených experimentů byly vybrány spoje s vkládanými styčníkovými plechy a těsnými svorníky.
Obr. 10 Spoje s vkládanými styčníkovými plechy a kolíkovými spojovacími prostředky v nosné
konstrukci objektu restaurace Archa v areálu ZOO sv. Kopeček
Obr. 11 Charakteristický detail styčníku a podporového styčníku rozhledny Bohdanka
(2011, výška rozhledny 50,7 m) v obci Bohdaneč u Zruče nad Sázavou
Jednotlivé spojovací prvky jsou zajištěny proti vzniku trhlin celozávitovými vruty. Místa s koncentrací napětí vyztužují desky s prolisovanými trny. Matice, které skrze dostatečně tuhou podložku vnášející předpětí do svorníků, jsou zajištěny proti uvolňování pérovou podložkou. Nejvíce namáhaným spojem je přípoj vnějšího rohového sloupu, tvořený 4-mi profily z kulatiny, do ocelového svařence. Tloušťka plechů je 20 mm. Příruby svařence jsou využity pro montážní spoj jednotlivých segmentů konstrukce. Průměr kulatin je přibližně 280mm. Kulatiny jsou opracované po vnějších stranách tak, aby vznikly rovné plochy v místech, kudy prochází svorníky. Svorníky jsou umístěny v obou, na sebe kolmých směrech, osová vzdálenost mezi vzájemně kolmými svorníky je 75mm. Spoj je zajištěn celozávitovými vruty, které protínají pracovní oblast spoje. Celozávitové vruty jsou vystřídané, vrtané vždy z protilehlého směru. Ve vnitřní části spoje jsou na sražené hrany kulatin zalisovány desky s prolisovanými trny. Výběr typu, geometrie a výpočetního modelu hlavních nosných spojů pro firmu TAROS NOVA s.r.o. zpracovala firma WaVe Structural Design, která se při řešení spojů opírala o experimentální výzkum prováděný na VUT v Brně [11].
4 ZÁVĚR
Mechanické spoje jsou součástí prakticky všech typů dřevěných konstrukcí. V závislosti na typu konstrukce může být vliv poddajnosti spojů na únosnost a přetvoření konstrukce nepodstatný anebo zásadní. Na celkové chování konstrukce má významný vliv poddajnost spojů v přípojích a stycích nosných prvků konstrukce a poddajnost podpor v místech uložení dřevěné konstrukce na spodní stavbu. Vliv poddajnosti mechanických spojů by měl být vždy zohledněn také při návrhu ohybově polotuhých přípojů v oblasti rámových rohů, montážních styků lepených rámů a oblouků a v obdobných případech a také u příhradových konstrukcí větších rozpětí.
Cílem příspěvku je prezentovat některé nové typy dřevěných konstrukcí se spoji řešenými na bázi ocelových styčníkových plechů a tvarových ocelových elementů.
Příspěvek byl vypracován za podpory projektu GA 12015000.
LITERATURA A POUŽITÉ MATERIÁLY
[1] STEINER, JUCKER, BLUMER, AG, Ingenieurbüro für Hoch-und Tiefbau. Firemní materiály, System BSB zeigt andere Horizonte im Holztragwerkbau, Herisau Waldstatt, Švýcarsko.
[2] STRAKA, B., VEJPUSTEK, Z., HRADIL, P. Experimental analysis of semi-rigid behaviour of steel-to-timber joints with slotted-in plates, In. Proc. of VSU' 2005 Jubilee International Conference, "Ljuben Karavelov" Civil Engineering Higher School, Sofia, 2005, 6 p.
[3] SCHMID, P. Metodika zpracování výsledků bezkontaktního měření videoextenzometrem Messphysik ME 46, Fakulta stavebí VUT v Brně.
[4] HOBST, L., ANTON, O., VÍTEK, L. Rentgenografie spojů dřevěných konstrukcí s vkládanými styčníkovými plechy (X-Ray Control of Timber Structures Connectors with Steel Plates). Proc. Non-destructive Testing of Civil Materials and Constructions, Workshop NDT CMC 2003, str. 7-10
[5] HRADIL P., STRAKA B. Polotuhé chování spojů typu ocel-dřevo při ohybu, In Teoretické a konštrukčné problémy oceľových a drevených konštrukcií, Kočovce 2006, STU v Bratislave, Bratislava, Slovakia, 2006, 2 p. ISBN 80-227-2359-2
[6] BUREŠ, J., KALINA, M. Long-term deformation measurements of large span timber structures, Brno University of Technology, Fakulty of Civil Engineering, Institute of Geodety, Czech Republic, 2010.
[7] STRAKA, B., ŠMAK, M. Vybrané příklady použití dřeva v nosných konstrukcích, materiály pro stavbu, 9/2010, s. 22-27, ISSN 1213-0311.
[8] STRAKA, B., ŠMAK, M. Návrh nosné konstrukce horské ubytovny, Brno, 2010.
[10] STRAKA, B., VEJPUSTEK, Z. Dřevěná konstrukce zastřešení restaurace Archa v areálu ZOO sv. Kopeček, 2006.
[11]VEJPUSTEK, Z., STRAKA, B. Návrh přípojů rozhledny Bohdanka v obci Bohdaneč u Zruče nad Sázavou, 2010.
[12] VALÍČEK, J., ONDRUCH, R. Rozhledna v obci Bohdaneč a další zajímavé dřevěné konstrukce. Volyně 2011.
This paper is based on the results of theoretical and implementation work in the development of mechanical connections with steel plates and steel elements in timber structures. The analysis of the slip of joints and support details ranks among important issues from the point of view of designing timber structures. The influence of joint stiffness on structural behaviour should be considered in modelling assumptions.