Numerická a experimentální analýza rámového rohu s použitím spojovacích prostředků kolíkového typu

Redakce | Pátek, 13. listopad 2020 |

Dřevo se jako materiál ve stavebnictví stále více dostává do popředí při stavbě různých konstrukcí. Pro zlepšení jeho vlastností se vyvíjejí nové kompozitní materiály nebo nové typy spojů a spojovacích prostředků, které zajistí lepší únosnost a tuhost konstrukce. Právě spoje prvků dřevěných konstrukcí jsou často limitujícím prvkem pro únosnost, tuhost a trvanlivost konstrukce.

Problematice spojů dřevěných konstrukcí se věnuje řada výzkumných pracovišť. Jedním ze způsobů použití dřeva je mimo jiné při výstavbě halových objektů s rámovou nosnou konstrukcí, kde se nejčastěji pro spojení příčle a stojky využívá rámové spojení těchto konstrukčních prvků. Dřevěné rámové spoje prvků mohou být řešeny několika způsoby, například použitím lepených spojů, pomocí vlepovaných ocelových tyčí, vytvořením rámového spojení ze stojky uspořádané do tvaru V.

Častým řešením je vytvoření rámového spojení stojky a příčle pomocí mechanických spojovacích prostředků. Předmětem příspěvku je numerická a laboratorní analýza rámového spojení mechanickými spojovacími prostředky, kde spojení rámové stojky a rámové příčle je vytvořeno vruty Rothoblaas VGS11400. U takového typu spojení se většinou používají svorníky nebo kombinace svorníků a kolíků.

Použití vrutů není běžné, proto bylo motivací zabývat se tímto typem spojení s cílem zjistit, jak se tento spoj chová při statickém zatěžování. Dalším důvodem pro výběr vrutů jako spojovacího prostředku je zjištění pevnostních a přetvárných charakteristik tohoto spoje a výsledky testů následně srovnat s výpočty podle platné evropské normy pro navrhování dřevěných konstrukcí (Eurokód 5, resp. ČSN EN 1995-1-1).

Popis experimentu

Konstrukční systém experimentu sestával z ohybově tuhého spojení rámové stojky a rámové příčle pomocí kovových mechanických spojovacích prostředků. Rámová stojka má průřez 180 × 700 mm z lepeného lamelového dřeva třídy pevnosti GL24h.

Rámová příčle má průřez 120 × 700 mm z lepeného lamelového dřeva třídy GL24h. Tyto konstrukční prvky jsou spojeny vruty Rothoblaas VGS11400, jejichž průměr je 11 mm a délka je 400 mm. Rozmístění těchto vrutů bylo ve dvou soustředných kružnicích s poloměrem r1 = 273 mm a r2 = 218 mm.

Počet vrutů na kružnici r1 byl 24 ks a 20 ks bylo na kružnici r2 (obr. 1 a 2). Model je ukotven v patě stojky vruty a plechy. Svislé zatížení příčle je vnášeno staticky hydraulickým lisem na konci příčle.

Obr. 1: Schéma vzorku experimentu.

" Častým řešením je vytvoření rámového spojení stojky a příčle pomocí mechanických spojovacích prostředků."

Obr. 2: Fotografie testovaného vzorku experimentu.

Numerická analýza rámového spojení

Model numerické analýzy byl vytvořen pro objasnění chování spojení rámu jako celku a jeho detailů, včetně upevnění k ocelové konstrukcí, která zajišťovala okrajové podmínky při testování. Analýza byla provedena pomocí numerických FEM modelů. Ve výpočetním software Scia Engineer byl vytvořen prutovoskořepinový numerický model (obr. 3) a v software ANSYS byl model vytvořen z objemových konečných prvků (obr. 4).

Obr. 3: Numerický model Scia Enginner.

Obr. 4: Numerický model Ansys.

Popis průběhu experimentu

Zatěžování probíhalo ve více fázích deformačně. Konstrukce byla nejprve zatížena na přibližně 30 % návrhové únosnosti podle normy (Eurokód 5, resp. ČSN EN 1995 - 1-1) a následně byla odlehčena. Následoval druhý cyklus, kdy bylo dosaženo zatížení přibližně 60 % návrhové hodnoty únosnosti a následovalo odlehčení. Při tomto zatížení vznikla trhlina na stojce. Trhlina vznikla vlivem nedokonalých okrajových podmínek konstrukce.

Tento nedostatek byl při testování následujícího rámového rohu odstraněn přidáním vhodně pružného materiálu mezi dřevěnou stojku a ocelovou konstrukci zajišťující okrajové podmínky. Se zvyšujícím se svislým zatížením narůstala vodorovná síla vlivem tření mezi dřevěnou stojkou a ocelovou konstrukcí.

Tato vodorovná síla narůstala až do stadia, kdy tah kolmo na vlákna ve stojce způsobil tuto trhlinu. Navzdory vzniku trhliny test mohl dále probíhat, protože neměla významný vliv na únosnost zkoumaného spoje. Nakonec byl spoj zatěžován až do porušení.

Deformace vrutů po ukončení experimentu je zobrazena na obr. 5 a deformace vrutů v modelu ANSYS je zobrazena na obr. 6. Napřed ale bylo nutné demontovat některé části měřící techniky. Tento krok způsobil přerušení křivky experimentálního měření (čerchovaná a krátce čárkovaná křivka na obr. 7).

Obr. 5: Zdeformované vruty.

Obr. 6: Zdeformované vruty v modelu Ansys.

Vyhodnocení experimentu a porovnání výsledků s numerickými modely

Na grafu (obr. 7) je znázorněna závislost vnášení deformačního zatížení a posunu extenzometrů (čerchovaná a krátce čárkovaná křivka) posun na konci příčle. Tečkovaná přímka byla vytvořena podle analytického vztahu silové metody s použitím rotační tuhosti Kr,ser = 19,50 MNm/rad (stanovená jako charakteristická hodnota podle normy ČSN EN 1995-1-1).

Dlouhá čárkovaná křivka je výsledkem lineárního numerického mode-lu ANSYS a dvojitě čerchovaná křivka je výsledkem nelineárního numerického modelu ANSYS. Přeložením lineární úsečky (plná čára) přes zatěžovací a odlehčovací cyklus je možné odhadnout tuhost celého konstrukčního systému rámu, včetně ocelové konstrukce zabezpečující okrajové podmínky. Při porovnání sklonu přímky experimentálního testu a numerického modelu můžeme konstatovat poměrně dobrou shodu rotační tuhosti.

Jednotlivé metody (manuální výpočet, numerické modely FEM a experimentální testování) byly navzájem porovnávány prostřednictvím některých parametrů, jako je například zatížení při kolapsu konstrukce dřevěného rámu a deformace tohoto spoje.Testování bylo také zaměřeno na zjištění způsobu selhání a sílu způsobující kolaps rámového spojení.

Na základě numerických a analytických výpočtů se předpokládalo selhání příčle při porušení v tahu kolmo na vlákna. Tato hypotéza se při experimentálním testování potvrdila (obr. 8). Porušení spojení rámového rohu nastalo v tahu kolmo na vlákna v horní části příčle při zatížení svislou silou na konci příčle F = 233,30 kN.

Hodnoty maximální síly zatížení experimentálního testování byly porovnávány s metodami výpočtu uvedené v tabulce níže. Hodnota výpočtu podle Eurokódu 5 (resp. ČSN EN 1995-1-1) představovala sílu na mezi únosnosti pro dané rámové spojení. Tato hodnota z Eurokódu 5 představuje 1,56krát menší únosnost než únosnost zjištěná na základě experimentálního testování, což představuje dobrou shodu výsledků.

Největší hodnota únosnosti vyšla z lineárního numerického modelu ANSYS, která se však při experimentálním testování nepotvrdila. Naopak nejlepší shodu představuje nelineární numerický model ANSYS, jehož hodnota síly porušení je nejblíže k síle z experimentálního testování. Tato shoda také naznačuje poměrně přesně stanovený numerický model.

Obr. 7: Graf zatěžovací křivky rámu.

Obr. 8: Porušení příčle v tahu kolmo na vlákna.

Tab.: Porovnání výsledků jednotlivých výpočtových přístupů.

Závěr

Článek byl zaměřen na problematiku ohybově tuhého spojení příčle a stojky pomocí mechanických spojovacích prostředků. V tomto případě byl spoj zhotoven pomocí vrutů Rothoblaas VGS11400. Práce vyžadovala vytvoření numerických modelů, které byly základem pro experimentální testování a následně byly použity k porovnání.

Experimentálním testováním se ukázalo, že vruty, které se běžně nepoužívají pro vytvoření takového typu spoje, mají dostatečnou únosnost a spolehlivost pro takové využití. Laboratorním testem byla zjištěna vyšší únosnost spoje než únosnost stanovená normou ČSN EN 1995-1-1.

Takový výsledek se očekával, protože normy jsou poměrně konzervativní. Rámové spojení příčle a stojky bylo během testování porušeno tahem kolmým na vlákna v horní části příčle, což podporovalo správnost numerického a analytického modelu.

Zkoušená konstrukce nebyla v tomto místě porušení nijak zpevněná, např. použitím vrutů. Aplikací takového zpevnění lze očekávat zvýšený nárůst únosnosti. Na potvrzení této hypotézy je však třeba provést další experimentální testy spoje bez zpevnění prvku na tah kolmo na vlákna a se zpevněním.

V rámci spolupráce s praxí a výzkumnou činností se na Stavební fakultě VŠB – Technické univerzity v Ostravě předpokládá pokračování experimentálních testů. Cílem těchto experimentálních zkoušek je srovnání účinnosti ohybově tuhého spojení rámové stojky a příčle vytvořeného vruty a svorníky, případně svorníky a kolíky.

Na článku se podíleli:

• Ing. Marek Johanides
• prof. Ing. Antonín Lokaj,
• Ph.D., Ing. David Mikolášek,
• Ph.D., Ing. Petr Mynarčík,
• Ph.D., Ing. Bc. Oldřich Sucharda,
• Ph.D., Fakulta stavební VŠB – TU Ostrava

Příspěvek byl vytvořen v rámci projektu Studentské grantové soutěže na Fakultě stavební VŠB – TU Ostrava (SP 2020/158) a podpoře společností Exten CZ spol. s r.o., Rothoblaas CZ a INGENIA – Dřevostavby

Hodnocení uživatelů: 1 / 1
Líbil se Vám článek?10