Identifikácia dynamického modulu pružnosti prírezov a jej aplikácia v konštrukcii dutých drevených stĺpov

1.0 Úvod

Stavebný trh v súčasnosti ponúka na výber veľké množstvo nových materiálov, ktoré je možné použiť pri výstavbe. Napriek tejto skutočnosti si drevo, ako konštrukčný materiál, dodnes udržalo svoje postavenie. Drevo sa používa v stavebných konštrukciách už viac ako tisíc rokov, jeho výhody sú dnes podložené nielen skúsenosťami, ale zdôvodnené aj vedecky.

Výhodami dreva sú predovšetkým, nízka energetická náročnosť pri budovaní stavieb, malý koeficient tepelnej vodivosti, zanedbateľné zmeny rozmerov a deformácie vplyvom zmeny teploty, odolnosť proti nízkej i strednej agresivite prostredia, optimálna životnosť objektu, rýchla a jednoduchá montáž i demontáž prvkov. Okrem toho je drevo čisto prírodný ekologický materiál, ktorý má v našej krajine dostatočnú surovinovú základňu.

Avšak drevo má aj svoje nevýhody, medzi ktoré patrí hlavne horľavosť, limitované rozmery, nehomogenitu a heterogénnosť. S týmito negatívnymi vlastnosťami môže len ťažko konkurovať oceľovým a železobetónovým konštrukciám. S vývojom dokonalejších ochranných prostriedkov a lepidiel sa rozšírili možnosti v použití dreva, ako konštrukčného materiálu, čo malo za následok zvýšenie popularity lepených konštrukčných prvkov stavieb.

Takýmto lepeným prvkom je aj dutý drevený stĺp. Je to finálny piliarsky výrobok a vysokou pridanou hodnotou. Dutý drevený stĺp sa vyrába zlepením lamiel lichobežníkového prierezu, ktoré sú najčastejšie vyrobené z ihličnatého reziva. Využíva sa tam, kde spĺňa požiadavky stĺpového konštrukčného prvku v drevostavbe v exteriéri a interiéri. Okrem funkcie nosnej plní aj funkciu estetickú.

Cieľom článku je ukázať ako sme na dutom drevenom stĺpe s overenou konštrukciou, zdôvodnenou technológiou výroby aplikovali použitie atypickej dreviny Tmavočervené Meranti. Hlavne však sme sa snažili účelovo modelovať jeho mechanické vlastnosti formou nedeštruktívneho určovania dynamického modulu pružnosti prírezov.

Tento článok vznikol v rámci riešenia projektu VEGA 1/0266/11.

Obr. 1 Použitie dutých drevených stĺpov v interiérových konštrukciách

Obr. 2 Použitie dutých drevených stĺpov v exteriérových konštrukciách

Obr. 3 Príklady riešenia konštrukčnej interakcie dutých drevených stĺpov s inými prvkami

2.0 Dutý drevený stĺp

Drevené stĺpy rôznych konštrukcií patria k často využívaným konštrukčným prvkom stavieb. Dutý drevený stĺp, vznikol ako alternatíva k plným stĺpom, pretože na jeho výrobu je možné použiť malorozmerové piliarske sortimenty a zároveň toto konštrukčné riešenie predstavuje 13 až 15% úsporu materiálu pri rovnakej únosnosti. Oproti plnému stĺpu má nižšiu hmotnosť, poskytuje možnosť skryť inžinierske siete, je možné ho vyrobiť vo veľkých dĺžkach a z estetického hľadiska poskytuje hodnotnejší vzhľad.

2.1 Konštrukcia

Dutý drevený stĺp je konštrukčný prvok vyrobený zlepením prírezov lichobežníkového prierezu. Kvalita lepeného spoja z hľadiska jeho tuhosti a presnosti je zabezpečená použitím pera cudzieho (obr. 4, 5), pera vlastného (obr. 6), alebo tvarom prierezu prírezu a názvom „vtáčí zobák“ (obr. 7).

Prírezy sú vyrobené ako celistvé alebo zlepením lamiel. Potrebná funkčná dĺžka prírezov je zabezpečená technológiou rezania alebo technológiou dĺžkového spojenia prírezov, resp. lamiel zazubeným spojom. Tieto technológie zabezpečujú vyrobiť účelové dĺžky stĺpov, ktoré by sme nedokázali vyrobiť z dreva celistvého prierezu hraneného i iného tvaru.

Obr. 4 Spojenie prírezov s podporou cudzieho pera hranatého prierezu

Obr. 5 Spojenie prírezov s podporou cudzieho pera kruhového prierezu

Obr. 6 Spojenie prírezov s podporou vlastného pera polkruhového prierezu

Obr. 7 Spojenie prírezov systémom „bird mouth joint“ – vtáčí zobák

2.2 Technológia výroby

Vstupným materiálom pre výrobu dutých drevených stĺpov je najčastejšie smrekové rezivo akosti S0, ktoré norma STN 49 1531/Z1 označuje, ako rezivo vysokej pevnosti.

Rezivo používané na lepené stavebné prvky je nutné vysušiť na vlhkosť, ktorá zodpovedá expozičným podmienkam, v ktorých bude lepený prvok vystavený. Prírezy pre duté drevené stĺpy sa vyrábajú priečno-pozdĺžnym spôsobom delenia reziva.

Po štvorstrannom opracovaní prírezov, sa vytvorí prírez z priečnym prierezom lichobežníkového tvaru, so zošikmením bokov pod uhlom 15°. Presnosť prevedenia tejto operácie je veľmi dôležitá, pretože pri nepresnom opracovaní sa táto odchýlka prejaví vznikom otvorených lepených medzier do vnútorného alebo do vonkajšie obvodu stĺpa a zároveň by nedošlo k dosadnutiu hrán na seba a tým by sa znížila pevnosť lepeného spoja. Maximálna hrúbka lepenej škáry nesmie prekročiť 0,3 mm. Po opracovaní lepených prírezov do lichobežníkového prierezu sa do skosených hrán vyfrézuje polkruhová drážka, do ktorej sa pri skladaní súboru vloží cudzie pero, prípadne sa pomocou fréz vytvorí jeden z vyššie spomínaných spojov. Takto opracované prírezy sú pripravené na skladanie.

Skladanie súboru môžeme vykonávať dvomi spôsobmi. Pri prvom spôsobe sa na lisovanie zloženého súboru prírezov využíva vákuum. Po nanesení lepidla na prírezy sa v prvom kroku zloží stĺp, zarovnajú sa jeho čelá a takto pripravený stĺp sa stiahne na dvoch miestach. Následne sa na otvorené konce priložia oceľové čiapky s gumovým tesnením a pomocou vákuovej pumpy sa vyčerpá zo stĺpa vzduch, čím vznikne v jeho vnútri podtlak, ktorý jednotlivé prírezy k sebe dokonale pritlačí.

Druhý spôsob pre vytvorenie požadovaného lisovacieho tlaku využíva špeciálne prípravky – pásnice so svorníkmi, rozmiestnené po dĺžke vo vzdialenosti 50 cm. Rovnomerný lisovací tlak je zabezpečený vypočítaným uťahovacím momentom. Po zlisovaní stĺpa, vytvrdnutí lepidla a následnej klimatizácii sa urobí konečné opracovanie stĺpa - odstránenie vytlačeného lepidla z vonkajšej plochy stĺpa, skrátenie stĺpa na presnú dĺžku, vŕtanie a dlabanie konštrukčných spojov pre uchytenie stĺpa v reálnych konštrukciách, povrchová úprava náterovými a ochrannými látkami.

2.3 Fyzikálno-mechanické vlastnosti

Producentom dutých drevených stĺpov je švédska firma Martinsons Trä AB, so sídlom v Bygdsiljume, ktorá ich vyrába pod obchodným názvom Comwood. Stĺpy sa vyrábajú z dreviny SM v priemeroch od 150 mm do 820 mm a v dĺžkach od 2,5 m do 10 m. Podľa potrieb zákazníka je možné rozmery upraviť, ale stĺpy môžu maximálne dosahovať dĺžku 27 m. Fyzikálno-mechanické vlastnosti dutých drevených stĺpov sú uvedené v tab. 1.

Tabuľka 1 Základné fyzikálno-mechanické vlastnosti stĺpov Comwood

Duté drevené stĺpy sú predmetom výskumu na KMTD DF TU vo Zvolene viac rokov. Precizujeme ich konštrukciu, technológiu výroby v poloprevádzkových podmienkach. Testujeme ich mechanicko-fyzikálne vlastnosti na výrobkoch reálnych veľkostí a na zmenšených modeloch. K ich výrobe sme použili dreviny Sm, Bk, Bk v prevedení preglejovaný kompozit Multiplex, Tmavočervené Meranti.

Zrovnateľné hodnoty fyzikálno-mechanických vlastností Sm dutých stĺpov vyrobených vo Švédsku (Tab. 1) a Sm dutých stĺpov vyrobených vo VDL TU dokumentuje Tab. 2.

Tabuľka 2 Základné fyzikálno-mechanické vlastnosti stĺpov KMTD

3.0 Modelovanie úžitkových vlastností dutých drevených stĺpov

Nedeštruktívna metóda zisťovania dynamického modulu pružnosti prírezov – konštrukčných prvkov finálneho výrobku nám umožnila exaktne rozdeliť prírezy do dvoch pevnostných skupín, pričom minimálny rozdiel hodnôt dynamického modulu pružnosti medzi pevnostnými skupinami bol 1500 MPa.

Princíp tejto metódy je založený na rýchlosti šírenia ultrazvuku v dreve podľa vzťahu:

[m.s⁻¹]

kde je

Ed

– modul pružnosti [MPa]

ρ

– hustota [kg.m⁻³]

Rýchlosť šírenia ultrazvuku bola meraná prístrojom ULTRACONIC TIMER, výrobca FAKOPP (Maďarsko). Identifikácia prírezov vytvorila možnosť vyrobiť 4 modelové skupiny stĺpov s rozdielnou skladbou prírezov v konštrukcii a následne ich testovať na stanovenie maximálneho zaťaženia.

Stĺpy boli vyrobené z dreviny Tmavočervené Meranti, na zlepenie súborov bolo použité polyuretánové lepidlo NEOPUR 2238 a boli vyrobené v dvoch rozmerových druhoch:

• zmenšené modely – rozmerovo prispôsobené testovaciemu zariadeniu na DF TU vo Zvolene. Ich výška bola 100 cm a rozmery priečneho prierezu sú uvedené na obr. 8.
• stĺpy reálnej veľkosti – rozmerovo prispôsobené testovaciemu zariadeniu na Stavebnej fakulte TU v Bratislave. Ich výška bola 250 cm a rozmery priečneho prierezu sú uvedené na obr. 9, spĺňajú požiadavku komerčného výrobku.

Obr. 8 Prierez zmenšených modelov

Obr. 9 Prierez reálnej veľkosti

Obr. 10 Grafické znázornenie vytvorených skupín stĺpov

Na základe hodnôt dynamického modulu pružnosti prírezov boli vytvorené štyri skupiny stĺpov:

1. Stĺpy zo silných prírezov /SiP/ – len prírezy s vyššou hodnotou dynamického modulu pružnosti (Obr. 10 A)
2. Stĺpy zo slabých prírezov /SlP/ – len prírezy s nižšou hodnotou dynamického modulu pružnosti (Obr. 10 B)
3. Stĺpy zo striedaním silných a slabých prírezov /StP/ – striedanie prírezov s vyššími a nižšími hodnotami dynamického modulu pružnosti (Obr. 10 C)
4. Stĺpy so združenými silnými prírezmi na jednej strane /ZdP/ – prírezy s vyššími hodnotami dynamického modulu pružnosti boli umiestnené (Obr. 10 D)

Duté drevené stĺpy reálnej veľkosti a zmenšené modely boli zaťažované centrickým tlakom. Bol aplikovaný zaťažovací cyklus podľa STN EN 380 pre maximálne zaťaženie – postup 1. V jednotlivých konštrukčných skupinách stĺpov boli identifikované hodnoty síl [kN], pri ktorých dochádzalo k ich porušeniu, hodnoty deformácií [mm] a hodnoty napätí [MPa]. Namerané hodnoty boli štatisticky spracované s podporou programu STATISTICA.

4.0 Výsledky modelových testov

Spracované výsledky testov ukázali, že pri modeloch dosiahla najvyššiu priemernú únosnosť skupina „stĺpov zo silných prírezov“, a to 97,39 kN. Najnižšiu priemernú hodnotu únosnosti 80,65 kN dosiahli „stĺpy zo slabých prírezov“. Výsledky únosnosti zároveň potvrdili význam rozloženia slabých a silných prírezov v konštrukcii stĺpa, keď „stĺpy so striedaním silných a slabých prírezov“ mali priemernú hodnotu únosnosti 93,45 kN, čo bolo len o 3,9 kN menej, ako u „stĺpov zo silných prírezov“. Stĺpy konštrukčných rozmerov potvrdili výsledky zistené u modelov, keď najvyššiu únosnosť 360 kN mal „stĺp zo silných prírezov“ a „stĺp zo slabých prírezov“ dosiahol hodnotu únosnosti 280 kN. Najnižšiu únosnosť spomedzi stĺpov konštrukčných rozmerov 230 kN, dosiahol „stĺp so združenými silnými prírezmi na jednej strane“, čím sa potvrdil význam striedavého rozloženia silných a slabých prírezov v konštrukcii stĺpa.

Nie zanedbateľné sú aj informácie o použitej drevine Tmavočervené Meranti. Komplexný rozbor jej fyzikálno-mechanických a technologických vlastností poukázal, že tento druh dreviny je vhodnejší ako smrek aj z hľadiska únosnosti. Meranti má vhodnejšie uplatnenie v exteriérových konštrukciách vzhľadom na jeho vyššiu prirodzenú trvanlivosť (trieda 2 až 3 podľa EN 350-2) oproti drevine smrek a teda je možné zabudovať do konštrukcií bez použitia biocídu. Tým sú konštrukcie z Meranti ekologicky aj zdravotne prijateľnejšie a je uľahčená ich likvidácia po skončení doby životnosti. Meranti má z estetického hľadiska inú kresbu a farbu oproti smreku, čo dáva predpoklady pre jeho využitie v exkluzívnych konštrukčných riešeniach.

Zoznam použitej literatúry

• [1] DETVAJ, I., HRČKA, I., DUDAS, J., ŠÚRIKOVÁ, A. 1993. Návrh stĺpového konštrukčného prvku na výrobu drevostavieb. In: Zborník vedeckých prác Drevárskej fakulty Technickej univerzity vo Zvolene. Bratislava: Alfa, 1993, s. 105–115. ISBN 80-05-01107-5.
• [2] HOLÝ, M. 2013.Technológia výroby dutých drevených stĺpov z dreva dreviny Meranti a ich statické charakteristiky. Dizertačná práca. Zvolen. 108 s.
• [3] KLEMENT, I., DETVAJ, J. 2007. Technológia prvostupňového spracovania dreva. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 325 s. ISBN 978-80-228-1811-7.
• [4] KÚDELA, J. 2010. Hodnotenie vplyvu vybraných faktorov na stabilitu drevených stĺpov namáhaných na vzper. In Parametre kvality dreva určujúceho jeho finálne požitie. Zborník vedeckých prác Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2010. S. 282–310. ISBN 978-80-228-2095-0.
• [5] ROHANOVÁ, A. 2010. Experimentálna analýza parametrov kvality dreva na stavebné konštrukcie. In Parametre kvality dreva určujúceho jeho finálne použitie: Zborník vedeckých prác. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, 2010. ISBN 978-80-228-2095-0.