Experimentálne overovanie priehradových nosníkov
V príspevku je predstavené experimentálne meranie odolnosti a tuhosti dvojice drevených priehradových nosníkov s oceľovými doskami s prelisovanými tŕňmi. Experimenty boli realizované priamo u výrobcu týchto nosníkov vo firme Tectum Novum v Zemnom. Spolupráca STU v Bratislave a výrobcu drevených konštrukcií sa ukázala ako obojstranne prospešná v spoločnom výskumno-realizačnom projekte.
Úvod
Experimentálny výskum zrealizovaný v priestoroch firmy Tectum Novum v Zemnom sa zameral na skúmanie vlastností drevených priehradových nosníkov so spojmi s oceľovými doskami s prelisovanými tŕňmi. Boli skúmané vlastnosti priamopásových priehradových nosníkov z rasteného dreva z pohľadu celkovej odolnosti, výsledného spôsobu porušenia, deformačných vlastností skúmaného typu nosníka a správania vybraného detailu prípoja prostredníctvom oceľových dosiek s prelisovanými tŕňmi. Výsledky experimentu boli porovnané s teoretickými výsledkami výpočtových modelov.
Experimentálne overovanie priehradových nosníkov
Skúmané typy nosníkov, materiál a geometria
Pri experimente boli skúmané priamopásové priehradové nosníky z rasteného dreva so spojmi s oceľovými doskami s prelisovanými tŕňmi (obr. 1).
 |
 |
Obr. 1 - Skúšobné vzorky, celkový pohľad a detail prípoja
Výsledky experimetu boli vyhodnotené pre rôzne hladiny namáhania a rôzne štádiá pôsobenia (zaťažovanie a odľahčovanie) skúmaného typu drevených nosníkov
Skúšobné vzorky priehradových nosníkov mali rozmery 10m x 1m a pozostávali z prútov vyrobených z rasteného dreva triedy C24 vzájomne spojených styčníkmi z oceľových dosiek s prelisovanými tŕňmi. Geometria a rozmery overovaného typu nosníkov sú uvedené na obr. 2. Pred samotným experimentálnym meraním boli overované projektované a skutočné rozmery nosníka, rozmery prierezov a vlhkosť jednotlivých prútov (pozri obr. 2 a 3). Takisto sa kontrolovalo, či sa na nosníku nenachádzajú prúty so zvýšenou koncentráciou vád (hrče, trhliny, miesta s kôrou a pod.), aby sa predišlo skresleniu experimentálneho merania nesprávnym výberom materiálu.
Obr. 2 - Geometria a rozmery skúšobných vzoriek (vzorka B)
Obr. 3 - Meranie vlhkosti prvkov skúšobnej vzorky (vzorka B)
Zaťažovacia zostava
Skúšobné vzorky priehradových nosníkov boli overované ohybovou skúškou (obr. 4). Pri celkovej dĺžke nosníkov 10m bola teoretická vzdialenosť koncových podpier nosníkov 9,90m. Aby bolo možné overiť pôsobenie nosníkov, ktoré sa približuje reálnym podmienkam pri zabudovaní nosníkov v stavebnej konštrukcii, boli vzorky zaťažované symetricky spojitým rovnomerným zaťažením.
Obr. 4 - Zaťažovacia zostava
Vzhľadom na rozmery a typ overovaných nosníkov bola skúmaná dvojica nosníkov. Vzájomná osová vzdialenoť nosníkov bola 1,0m. Aby sa zabezpečila dostatočná tuhosť a stabilita skúšobnej zostavy ako celku a tiež z hľadiska zabezpečenia stability horného (tlačeného) pása z roviny nosníkov, boli skúšobné vzorky v rovine horných pásov prepojené vodorovným priehradovým vystužovadlom (obr. 5 vpravo).
 |
 |
Obr. 5 - Skúmaná dvojica nosníkov a vodorovné vystužovadlo v rovine horných pásov
Priehradové vystužovadlo bolo vyrobené ako drevený priamopásový priehradový nosník so styčníkmi s oceľovými doskami s prelisovanými tŕňmi a k horným pásom skúšaných nosníkov bolo pripojené drevoskrutkami. V mieste podpier a na koncoch priehradových nosníkov bol výstužný systém doplnený dvojicou zvislých oceľových vystužovadiel usporiadaných v tvare kríža. Keďže išlo o ťahaný systém vystužovadiel, aktivovanie oceľových vystužovadiel bolo zabezpečené dopínaním (obr. 6 vľavo).
 |
 |
Obr. 6 - Zvislé oceľové vystužovadlo a koncová podpera skúšobných vzoriek
Podopretie nosníkov na oboch koncoch tvorili betónové bloky, na ktoré boli uložené oceľové podpery vyrobené z valcovaného prierezu HE 400A (obr. 6 vpravo). Zaťažovanie nosníkov sa realizovalo prostredníctvom nádob, ktoré sa podľa potreby napĺňali vodou (obr. 7). Zaťažovacie nádoby boli vyrobené pracovníkmi firmy Tectum Novum a ich vodotesnosť bola bola pred zaťažovacou skúškou odskúšaná, aby v priebehu merania nedošlo k poškodeniu meracej aparatúry presakujúcou vodou a pod. Pri experiemente bolo na zaťažovanie skúšobných vzoriek priehradových nosníkov celkovo použitých 20ks nádob, 10 + 10ks na každý nosník. Objem každej nádoby bol cca. 600 litrov, to znamená, že naplnením všetkých nádob bolo možné vyvodiť premenné zaťaženie na každý nosník približne 6,0kN/m. Roznos zaťaženia na horný pás skúšobných vzoriek priehradových nosníkov zabezpečoval drevený rošt (priečniky prierezu 50/100mm s osovou vzdialenosťou 600mm a latovanie prierezu 50/40mm s osovou vzdialenosťou 500mm) a plnoplošné debnenie z dosiek OSB hrúbky 12mm a rozmerov 1250 x 2500mm. Napĺňanie a odčerpávanie vody z a do zaťažovacích nádob zabezpečovali 4 ponorné elektrické čerpadlá.
 |
 |
Obr. 7 - Zaťažovacie nádoby pred a počas experimentu
Meracie zariadenia
Správanie skúšobných vzoriek pri zaťažovaní bolo zaznamenávané pomocou meracej stanice od firmy HBM Spider8, ktorá prenášala a zaznamenávala namerané údaje prostredníctvom napojenia na prenosné PC cez obslužný softvér CatMan. Namerané údaje boli po ukončení merania exportované do súborov formátu Microsoft Excel. Vzhľadom na počet meracích miest (16) museli byť použité 2 stanice Spider8, pretože jedno zariadenie umožňuje spracovávať merané údaje len z maximálne 8 meracích miest.
Pri overovaní priehradových nosníkov boli merané tieto veličiny (počty kusov na 1 vzorku):
- zvislé deformácie skúšobnej vzorky 3x
- deformácia prípoja dolného pásu 1x
- reakcia v podpere nosníka 1x
- meranie pomerných deformácií skúšobnej vzorky 2x
- meranie pomerných deformácií oceľových vystužovadiel 1x
Príprava aj priebeh experimentu bol zaznamenávaný digitálnym fotoaparátom a digitálnou kamerou. Ako merače deformácií boli použité elektronické indukčné ihlicové deformometre (obr. 8).
 |
 |
Obr. 8 - Meranie deformácií v mieste podpery a v strede rozpätia nosníka
Rozovretie prípoja na dolnom páse nosníkov bolo sledované pružinovým ihlicovým meračom vodorovných deformácií (HBM WA/20-T), ktorý sa spolu s kovovou zarážkou umiestnil v mieste spoja na spodný okraj dolného pásu priehradového nosníka (obr. 9).
Obr. 9 - Meranie rozovretia prípoja na dolnom páse nosníka
Na meranie reakcií v podperách sa použili elektronické silomery HBM RTN 47 s maximálnym rozsahom do 470kN a citlivosťou ±20N (obr. 10).
 |
 |
Obr. 10 - Elektronický silomer pred a po osadení do zaťažovacej zostavy
Meranie pomerných deformácií skúšobných vzoriek sa realizovalo pomocou odporových tenzometrov. Tenzometre boli osadené v strede rozpätia overovaných nosníkov, na jednom (vonkajšom) povrchu pri tlačenom aj ťahanom okraji v osi prútov. Na jednu vzorku boli použité 2 tenzometre (obr. 11). Rovnako boli osadené tenzometre aj na oceľových vystužovadlách (obr. 12).
 |
 |
Obr. 11 - Osadenie tenzometrov na skúšobnej vzorke
 |
 |
Obr. 12 - Osadenie tenzometrov na oceľových vystužovadlách
Priebeh a vyhodnotenie experimentálnych meraní
Celkovo boli v priestoroch firmy Tectum Novum odskúšané 2 vzorky (1 dvojica) drevených priehradových nosníkov. Skúšobné vzorky boli označené A a B. Kapitoly uvedené v tejto časti sa zaoberajú vyhodnotením uskutočnených experimentálnych meraní, interpretáciou a porovnaním dosiahnutých výsledkov vzhľadom na vytvorené teoretické modely a tiež formuláciou čiastkových záverov.
Zaťažovanie nosníkov
Zaťažovanie vzoriek sa realizovalo napĺňaním zaťažovacích nádob vodou. Jednotlivé nádoby sa napĺňali, resp. vyprázdňovali postupne, vždy symetricky od stredu alebo od koncov nosníkov. Úroveň zaťaženia sa sledovala vizuálne na základe výšky hladiny vody v nádobách a súčasne sa kontrolovala reakcia v mieste podpery elektronickým silomerom napojeným na meraciu aparatúru.
Zaťažovaniu vzorky do porušenia predchádzalo niekoľko zaťažovacích cyklov. Zaťažovací diagram bol zvolený na základe odporúčaní normy STN EN 380 (obr. 13).
Obr. 13 - Schéma postupu zaťažovania podľa STN EN 380
Deformácie nosníkov
Zvislé deformácie skúšobnej vzorky boli merané v 3 meracích bodoch (graf 1) - deformácie v mieste podpier (2x) a deformácia v strede rozpätia nosníka (1x). Namerané údaje sa pri spracovaní opravili o deformácie v mieste podpier.
Graf 1 - Závislosť zaznamenaných priehybov od času
Pomerné deformácie a normálové napätia
Normálové napätia σ na hornom a dolnom páse skúšobných vzoriek a na oceľových vystužovadlách boli vyhodnotené prostredníctvom merania pomerných deformácií ε. Pomerné deformácie sa merali odporovými tenzometrami firmy HBM.
Charakter porušovania a odolnosť skúšobných vzoriek
Porušenie oboch skúšobných vzoriek nastalo súčasne vplyvom porušenia spoja (nadpájania) spodného pásu. Keďže dvojica nosníkov bola spojená do jednej skúšobnej zostavy, nie je možné jednoznačne stanoviť, ktorá zo skúšobných vzoriek skolabovala prvá v poradí. Kolaps druhej vzorky bol následne vyvolaný jej preťažením neúmerným nárastom zaťaženia. Podľa nameraných údajov (deformácia v mieste spoja spodného pása) je možné predpokladať, že ako prvý v poradí sa porušil nosník B.
V oboch prípadoch (nosník A aj nosník B) sa porušil spoj spodného pása. Pri skúšobnej vzorke A nastalo vytrhnutie hrotov oceľovej spojky z dreva (obr. 14 vpravo) a pri vzorke B nastalo tzv. blokové šmykové porušenie dreva v mieste spojky (obr. 14 vľavo). K porušeniu iných prvkov skúšobných vzoriek alebo skúšobnej zostavy došlo až po kolapse vzoriek.
 |
 |
 |
 |
Obr. 14 - Porušenie nosníka v mieste spoja spodného pása
Obr. 15 - Rozloženie a hodnoty zaťaženia pri kolapse skúšobných vzoriek
Porovnanie výsledkov experimentu s teoretickými modelmi
Výsledky experimentálnych meraní sa porovnávali s teoretickými modelmi. Overovali sa rovinné prútové modely využívajúce metódu konečných prvkov (ďalej MKP). Pri výpočtoch MKP sa používal výpočtový softvér na všeobecné použitie SCIA Nexis alebo softvér pre komplexný návrh vybraného typu priehradových nosníkov FINE Truss 2d. Fyzikálne a mechanické vlastnosti materiálov použité pri porovnávacích výpočtoch priehradových nosníkov zodpovedali triede reziva C24 a typu použitých oceľových spojok BV 15. Rozmery prierezov prútov sa upresnili podľa skutočne nameraných hodnôt.
Porovnávací prepočet MKP bol zostavený pre niekoľko úrovní zaťaženia, aby bolo možné sledovať tendenciu hodnotených parametrov pri premennom (narastajúcom) zaťažení. Výsledky teoretických modelov a nameraných hodnôt boli zostavené do tabuliek (tab. 1 a 2) a grafov. Vzhľadom na merané veličiny sa porovnávacie výpočty zamerali na yhodnotenie zvislých priehybov, deformácií spoja spodného pásu a normálových napätí na pásoch priehradového nosníka.
Tab. 1 Súhrn výsledkov experimentu
Tab. 2 Súhrn výsledkov teoretického výpočtu
Teoretická odolnosť nosníkov bola vypočítaná v programe Truss 2d pre usporiadanie a pomer zaťažení, aké boli dosiahnuté pri kolapse skúšobných vzoriek. Teoretické hodnoty odolnosti boli určené pre plné (100%) využitie niektorého z prvkov priehradového nosníka (najviac namáhaný prút, alebo najviac namáhaná spojka), alebo boli určené pre prípad prekročenia odolnosti rovnakého prvku, ktorý zlyhal pri experimentálnom overovaní skúšobných vzoriek (nadpájanie spodného pásu).
Teoretické posudky priehradových nosníkov boli rozdelené do 2 skupín vzhľadom na použité súčinitele spoľahlivosti materiálu dreva a styčníkových dosiek (skupina 3a: γM,drevo = 1,30 a γM,spoje=1,25; skupina 3b: γM,drevo=1,00 a γM,spoje =1,00). Dosiahnuté teoretické odolnosti ako hodnoty maximálneho teoretického zaťaženia Q1, resp. Q2 v [kN/m] a porovnanie s nameranými výsledkami sú uvedené v tab. 3. Pre výpočet pevnosti reziva triedy C24 bol použitý súčiniteľ podmienok pôsobenia kmod = 0,9.
Tab. 3 Porovnanie teoretickej a skutočnej odolnosti overovaných nosníkov
V poslednom stĺpci tab. 3 sú uvedené "Rezervy" konštrukcie. To znamená, že v prípade navrhovania konštrukcie s pomocou softvéru Truss 2d pre výsledky podľa skupiny 3a bola rezerva v návrhu oproti reálnej odolnosti od 7,2 do 24,2% v závislosti od modelu porušenia. V tomto prípade boli uvažované súčinitele zaťaženia hodnotami 1,0. Pri návrhu konštrukcie v duchu STN EN 1955-1-1 a STN EN 1991 sú pre zaťaženia uvažované súčinitele zaťaženia γG = = 1,35 resp. γQ = 1,5.
Záver
Vzhľadom na počet odskúšaných vzoriek je treba poznamenať, že na formuláciu všeobecných záverov pre tento typ konštrukcie by bolo potrebné urobiť väčší počet experimentálnych meraní, ktoré by utvorili štatisticky vyhodnotiteľný súbor.
Uskutočnený experiment je však dobrým predpokladom pre ďalší rozvoj priehradových konštrukcií s kovovými doskami s prelisovanými tŕňmi u objednávateľa meraní.
Prípadná investícia do výskumu od viacerých výrobcov týchto konštrukcií by určite pomohla všetkým zúčastneným stranám v propagácii ich produktov a obnoviteľnej suroviny - dreva - v povedomí verejnosti a potenciálnych investorov.
The paper presents experimental research of the resistance and the stiffness of a timber truss with joints made by steel nail tooth plates. The experiments were prepared in the cooperation between SUT Bratislava and a company Tectum Novum, which is a manufacturer of these type of structures.