Analýza vlivu orientace desek opláštění na horizontální únosnost a tuhost stěnových panelů dřevostaveb
Příspěvek se zabývá experimentální a numerickou analýzou vlivu orientace velkoplošných desek opláštění nosných stěnových panelů dřevostaveb. Experimentální výsledky byly následně porovnávány s numerickým modelem v programu SCIA Engineer a s analytickým výpočtem.
Úvod
Stěny dřevostaveb v sloupkovém systému s nosným opláštěním z velkorozměrových desek z materiálů na bázi dřeva slouží kromě přenosu vertikálního zatížení také k přenosu horizontálního zatížení a zajištění horizontální tuhosti celé dřevostavby. V současnosti se u tohoto stěnového systému dřevostaveb uplatňují především difuzně otevřené skladby obvodového pláště, kde je lehká sloupková nosná konstrukce jednostranně opláštěna OSB deskami připojenými ocelovými sponkami. Evropská norma pro navrhování dřevěných konstrukcí [1] předpokládá svislou orientaci těchto desek. K určení horizontální únosnosti stěn (jednostranně i oboustranně opláštěných) jsou v normě [1] uvedeny dvě metody. V praxi se lze ale také setkat i s horizontálně kladenými OSB deskami na pero a drážku. Ty jsou k nosné kostře připevněny sponkami, případně jsou opatřeny lepidlem ve spárách. Toto řešení nemá ve zmiňované normě [1] oporu. Cílem článku je srovnání horizontální únosnosti i tuhosti těchto dvou rozdílných systémů jednostranného opláštění stěn pomocí laboratorních zatěžovacích zkoušek na několika velkoplošných vzorcích. Výsledky experimentálních testů jsou srovnány s výsledky z numerických modelů a analytického výpočtu podle normy [1].
1. Horizontální únosnost stěn dřevostaveb podle EC5
Horizontální únosnost stěn dřevostaveb v sloupkovém systému s jednostranným nebo oboustranným opláštěním velkoplošnými deskami, připevněnými kovovými spojovacími prostředky (hřebíky nebo sponky), lze určit podle Eurokódu 5 [1] s využitím dvou podobných metod – A a B. Obě metody předpokládají, že je stěna opláštěna deskami s dostatečnou pevností a tuhostí v rovině stěny pro přenesení horizontálního smykového namáhání, přičemž desky jsou připevněny k dřevěné kostře spojovacími prostředky, které díky svým plastickým vlastnostem umožní rovnoměrný smykový tok po obvodu desky. Výpočet zohledňuje zejména příčnou únosnost spojovacích prostředků, jejich rozteč, materiálové vlastnosti desek i dřevěné kostry. Důležitou podmiňující úlohu zde hraje též dostatečně únosné kotvení stěn k základům, respektive nižšímu podlaží u vícepodlažních objektů.
2. Popis testovaných vzorků stěn
Obr. 1 – Geometrie stěnového panelu se svisle orientovanými OSB deskami
Obr. 2 – Geometrie stěnového panelu s vodorovně orientovanými OSB deskami
Pro testování bylo celkem vyrobeno 6 vzorků stěnových panelů o délce 5 m a výšce 3 m. Byly sestaveny 3 různé typy panelů s rozdílným způsobem řešení opláštění. Každý panel se skládal z devíti svislých sloupků s osovou roztečí 625 mm (respektive 595 mm u krajních polí), souvislého horního a dolního vodorovného prahu. V případě dvou vzorků byly cca 500 mm pod horním prahem umístěny rozpěrné prvky mezi sloupky, které sloužily k uchycení opláštění a zachování kontinuálního smykového toku v panelu. Všechny sloupky, vodorovné prahy a rozpěry byly provedeny z KVH profilů o průřezu 60/120 mm s deklarovanou třídou pevnosti C24 (S10). Jednostranné opláštění tvořily desky EGGER OSB 3 tloušťky 15 mm [2]. Dva vzorky stěn byly provedeny se svisle orientovanými OSB deskami o rozměrech 1250/2500 mm s jednou vodorovnou spárou v místě rozpěrných prvků (viz Obr. 1). Další čtyři vzorky byly vyrobeny s vodorovně orientovanými OSB deskami o rozměrech 675/2500 mm na pero a drážku (viz Obr. 2). U dvou z těchto vzorků byly vodorovné spáry navíc slepeny spárovacím lepidlem na bázi polyuretanu. OSB desky byly připevněny k nosnému rámu z KVH profilů kovovými sponkami o délce dříků 50 mm [3] a průřezu 1,44/1,57 mm s roztečí cca 50 mm po obvodu panelu, respektive 100 mm u mezilehlých sloupků. Dříky sponek s minimální mezí pevnosti 900 MPa byly opatřeny adhezní povlakovou hmotu, která byla aktivována při jejich aplikaci pneumatickou pistolí. Všechny materiály byly kondiciovány při (20 ± 2) °C a (65 ± 5) % relativní vzdušné vlhkosti. Vlhkost, ani objemová hmotnost použitých dřevěných materiálů nebyla dodatečně zjišťována.
3. Experimentální stanovení horizontální únosnosti a tuhosti stěn
Obr. 3 – Schéma stěnových panelů v pomocné ocelové konstrukci
Pro experimentální testování stěnových panelů byla vyrobena pomocná externí ocelová konstrukce, složená ze dvou souběžných, vzájemně propojené rámů (systém svislých a vodorovných HEA profilů s diagonálním ztužením L profily). Součástí konstrukce byl také tuhý vyztužený ocelovým příčník s úložnou plochou pro umístění a zapření zkušebního zařízení v oblasti těsně pod horním rohem. Veškeré ocelové konstrukce byly vyrobeny z konstrukční oceli S235J0. Ocelová konstrukce byla osazena a v šesti různých místech kotvena na osmitunový železobetonový blok pomocí přípojných ocelových třmenů a tří závitových tyčí M12 8.8 na chemickou kotvu HILTI HVU2 [4].
Obr. 4 – Označení a umístění LVDT snímačů pro měření deformací
Testované stěnové panely byly vkládány mezi oba souběžné rámy ocelové konstrukce na LVL fošnu šířky 300 mm a tloušťky 40 mm, která byla kotvena do železobetonového bloku pomocí SFS Intec upevňovacích vrutů pro spojování betonu se dřevem. Dolní vodorovný práh panelu byl k LVL fošně připevněn pomocí čtyřiceti osmi WGZ Rothoblaas konstrukčních vrutů do dřeva. První tažený sloupek panelu byl navíc opatřen tahovou kotvou (ocelová L-botka s rohovými výztuhami), která byla kotvena do železobetonového bloku závitovou tyčí M20 8.8 na chemickou kotvu HILTI HVU2 [4] a ke sloupku připevněna pomocí čtrnácti KOP [5] vrutů do dřeva se šestihrannou hlavou (M12 8.8).
Obr. 5 – Stěnový panel se svisle orientovanými OSB deskami při experimentálním testování
Testované panely byly osazeny šestnácti extenzometrickými snímači (LVDT) pro měření posunů vybraných oblastí stěnových panelů a pomocných konstrukcí (viz Obr. 4). Jednotlivé extenzometry byly zpravidla umístěny po dvojicích (měření horizontální a vertikální deformace) ve třech místech na dolním prahu a třech místech na horním prahu (oba kraje a uprostřed), další tři snímače měřily vertikální deformaci dolního prahu, LVL fošny a železobetonového bloku poblíž tahové kotvy, poslední snímač měřil horizontální posun panelu v oblasti aplikace zatížení.
Zatížení horizontální silou bylo aplikováno v horním rohu stěnového panelu v úrovni horního vodorovného prahu prostřednictvím zdvihu pístu zkušebního hydraulického válce Enerpac s kapacitou 300 kN. Mezi píst válce a kontaktní plochu zatěžovaného panelu byla vložena roznášecí ocelová plotna. Postup zatěžování vycházel z normy pro zjišťování výztužné únosnosti a tuhosti stěnových panelů s dřevěným rámem ČSN EN 594 s drobnými úpravami v závislosti na konkrétní geometrii a uspořádání zkoušky testovaných stěnových panelů. Panely byly testovány bez aplikace svislého zatížení. Rychlost monotónního zatěžování byla zvolena s konstantním přírůstkem síly (tlaku v pístu) tak, aby během (300 ± 120) sekund bylo dosaženo 90 % z maximálního zatížení.
4. Výsledky experimentálního testování horizontální únosnosti a tuhosti stěn
Pro vyhodnocení únosnosti a horizontální tuhosti stěnových panelů s různým způsobem opláštění byly během jejich testování zaznamenávány deformačně-zatěžovací pracovní diagramy (horizontální síla vs. horizontální deformace z extenzometrického snímače číslo 15). Grafy uvedené níže znázorňují deformačně-zatěžovací křivky vybraných vzorků od všech typů stěnových panelů (viz Obr. 6). Z grafů lze vyčíst maximální zatížení a příslušnou deformaci při porušení pro jednotlivé zkušební vzorky. Grafy jsou doplněny o tabulky se shrnutím experimentálně stanovených únosností (viz Tab. 1).
Obr. 6 – Pracovní diagram stěnového panelu s vodorovně orientovanými OSB deskami neslepenými
| Fmax [kN] | |
|---|---|
| Panel vodorovný nelepený A01-1 | 29,19 |
| Panel vodorovný nelepený A01-2 | 25,48 |
| Panel vodorovný lepený A02-1 | 49,84 |
| Panel vodorovný lepený A02-2 | 115,32 |
| Panel svislý DIN B01-1 | 102,40 |
| Panel svislý DIN B02-1 | 103,28 |
Normová výztužná únosnost stěnových panelů s vertikálně orientovanými OSB deskami byla vypočtena zjednodušenou metodou A (podle [1]) na základě znalosti geometrie panelu, únosnosti kovových sponek a jejich roztečí. Podmínkou použití postupu z normy byla nutnost zachování kontinuity smykového toku v panelu a přítomnost tahové kotvy na jeho konci. Charakteristická hodnota horizontální únosnosti vychází Fv,Rk = 52,75 kN. Návrhová únosnost s použitím modifikačního součinitele kmod = 0,9 a dílčího součinitele spolehlivost pro spoje ɣM = 1,3 pak činí Fv,Rd = 36,50 kN.
5. Numerické modely horizontální únosnosti a tuhosti stěn
Numerické modely byly vytvořeny na základě skutečné geometrie testovaných stěnových panelů a vnější ocelové konstrukce zajišťující okrajové podmínky testu včetně excentricit. Numerický model také zohledňuje kotvení stěnového panelu ke spodnímu železobetonovému bloku přes LVL desku a ocelové třmeny pomocí vrutů a kotev.
Numerický model byl vytvořen kombinací prutových a skořepinových prvků s uvážením fyzikální a geometrická nelinearity s imperfekcemi. Je v něm také zohledněna konstrukční nelinearita a prokluzy ve spojích.
Materiálový model OSB desek byl uvažován jako ortotropní podle orientace štěpek. Materiálový model prutových elementů byl uvažován jako izotropní (ocel a dřevo). Některé ocelové prvky, které byly pro přesnější analýzu vybraných oblastí modelovány jako skořepiny, byly uvažovány s bilineárním pracovním diagramem s deformačním zpevněním. Ocelový rám a stěnový panel byly zatěžovány deformačně prostřednictvím teploty (meziprvek simulující píst zkušebního zařízení je roztahován a tím dochází ke vzájemné interakci rámu a panelu).
Obr. 9 – Síť konečných prvků numerických modelů – vodorovně orientované OSB desky (vlevo), svisle orientované OSB desky (vpravo)
6. Výsledky numerického modelování horizontální únosnosti a tuhosti stěn
Následující obrázky znázorňují horizontální deformaci jednotlivých typů stěnových panelů z numerické analýzy. Zobrazené deformace odpovídají u panelu s vodorovně orientovanými OSB deskami neslepenými zatížení cca 21 kN (viz Obr. 10), u panelu s vodorovně orientovanými OSB deskami slepenými (viz Obr. 11) a svisle orientovanými OSB deskami zatížení cca 70 kN (viz Obr. 12).
Obr. 10 – Horizontální deformace numerického modelu s vodorovně orientovanými OSB deskami neslepenými A01
Obr. 11 – Horizontální deformace numerického modelu s vodorovně orientovanými OSB deskami slepenými A02
Obr. 12 – Horizontální deformace numerického modelu se svisle orientovanými OSB deskami B01
Graf na Obr. 13 znázorňuje srovnání pracovních digramů získaných experimentálně a numericky pro stěnový panel s vodorovně orientovanými OSB deskami bez prolepení. Numerický model je po vyladění v dobré shodě s experimentálním měřením. Shoda těchto dvou přístupů k zjištění horizontální tuhosti panelu je závislá na nastavení prokluzů pro numerický model. Zde se vycházelo z hodnot získaných na základě norem a odborné literatury.
Obr. 13 – Srovnání pracovních diagramů pro stěnový panel s vodorovně orientovanými OSB deskami A01
7. Závěry
Analytický model je schopen správně postihnout únosnost panelu, ale pro správný popis jeho horizontální tuhosti je výhodnější sestavit komplexní numerický model. Výhodou numerického modelu po validaci fyzikálním testem je jeho schopnost určit přerozdělení vnitřních sil ve spojích a prvcích a také poskytnout náhled na napěťový stav OSB desek a jejich deformaci. Vyladěný numerický model nabídne za poměrně malé náročnosti změn v zatížení a okrajových podmínkách cenné informace o konstrukci a spojích bez nutnosti sestavovat experimentální měření. Z provedených experimentů vyplývá, že nejnižší únosnost i tuhost vykazují stěny s horizontální orientací desek opláštění bez slepení spár. Stěny s horizontální orientací desek se slepenými spárami se naopak vyznačovaly nejvyšší tuhostí. Tyto stěny měly srovnatelnou horizontální únosnost se stěnami s vertikální orientací desek opláštění (Obr. 6 až 8). Výsledky testů stěn s horizontálně orientovanými deskami se slepenými spárami vykazovaly značné rozdíly (Tab. 1). Pro definitivní ověření těchto tvrzení by bylo vhodné realizovat větší počet těchto poměrně náročných experimentů.
Poděkování
Příspěvek byl realizován s podporou Katedry konstrukcí a Experimentálního centra Fakulty stavební VŠB-TUO. Dále tento projekt podpořili: BeA CS, spol. s r.o. – Antonín Šilhavík, Rothoblaas – Jiří Koudelák, M.T.A. spol. s r.o. – Ing. Ladislav Kubů, Hilti – Ing. Juraj Turjak. SFS – Ing. Jaroslav Štok, Exten CZ, s.r.o. – Ing. Robert Martínek.
Reference
- 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.
- Mta. Dostupné z: https://www.mta.cz/
- BeA. Dostupné z: https://www.bea-cs.cz/
- Hilti. Dostupné z: https://www.hilti.cz/
- Rothoblaas. Dostupné z:
https://www.vruty-koudelak.cz/wp-content/uploads/2017/04/pruvodce_pro_stavby_ze_dreva_rothoblaas.pdf
The paper deals with the experimental and numerical analysis of the influence of the orientation of large-area sheathing panels of load-bearing wall panels of wooden buildings. The experimental results were then compared with the numerical model in SCIA Engineer and with the analytical calculation.