Author Archives: hasnihan

Ohyb a tlak – experimenty 1:4

Doposud byly vzorky trámů se spoji testovány pouze v ohybu. Aby se mohly celodřevěné plátové spoje používat univerzálněji, bylo nutné ověřit jejich chování také při kombinovaném zatížení. První experimenty, které ukázaly trendy, byly provedeny na vzorcích v měřítku 1:4. Spoje na smrkových trámečcích z truhlářského řeziva byly vybaveny bukovými kolíky, které jsou svými pevnostními vlastnostmi podobné dubu. Byly zkoušeny dvě varianty čtyřkolíkového spoje, které se lišily pouze sklonem čel – 45° a 60°. 

Zkouška simulovala zatížení krokve, na které je rychle vyrobitelný kolíkový spoj ideální. Zatížení bylo vyvozeno svislou silou, která se díky poloze vzorku rozložila do dvou vzájemně kolmých směrů, které představovaly normálovou tlakovou sílu a posouvající sílu.

Jako vhodnější se ukázal sklon čel 60°, který umožňuje lepší zapojení masy dřeva do přenosu zatížení. Plátové spoje jsou na přenos tlakového zatížení vhodné. 

Vlhkost vzorků se pohybovala okolo ideálních 12 %, materiálové mechanické vlastnosti se také vztahují k tého hodnotě.

vysledky_exp_cb

vysledky_mech_cb

Hmoždíky bez kolíků

EXPERIMENTY

Alternativou k dřevěným kolíkům mohou být i tužší hmoždíky. První ohybové zkoušky srovnávaly únosnost spoje s jedním nebo dvěma vertikálně umístěnými hmoždíky.

Trámy měly velikost 200x240x6000 mm, spoj byl umístěn stejně jako u kolíkových variant. Experimentovalo se s geometrií podélného prořezu. Šikmá čela navíc musí být vždy podkosena, aby nedocházelo k otevírání spoje při zatížení. 

Výsledkem experimentu je rovný podélný prořez spoje (rychlost provedení) a nutnost hmoždíkový spoj vybavit pojistnými kolíky. Také potvrzení známého moudra “jeden spojovací prostředek = žádný spojovací prostředek”.

V tabulkách níže je srovnání únosnosti a tuhosti obou druhů spoje vztažená ke skutečně vlhkosti vzorků (cca 16 %) a také materiálové vlastnosti dřeva smrku použitého na výrobu vzorků (přepočet na vlhkost 12 % proveden dle příslušných norem).

vysledky_1hm_2hm

 

 

 

vysledky_mech

NUMERIKA

Chování spoje se zároveň modelovalo v konečněprvkovém softwaru ANSYS, stejně jako u kolíkových spojů bylo využito výhod skriptovacího jazyka pro parametrické modelování umožňující efektivní citlivostní a optimalizační analýzy.

 

Podélný prořez spoje

EXPERIMENTY

Experimentálně se zkoušelo několik geometrických variant kolíkového spoje s dřevěnými spojovacími prostředky. Ty se ukázaly jako jednoznačně výhodnější pro celkové komplexní působení spoje, z analýzy DIC bylo patrné výraznější zapojení šikmého čela. Hlavním cílem experimentu bylo srovnání spoje s minimálním počtem kolíků (2 kolíky) a bezpečnější variantou (4 kolíky).

Navazovalo testování velikosti plochy samotného čela a s ním související velikosti oslabeného průřezu, který je v protézovaném prvku také kritický, protože se v něm koncentruje extrémní napětí. Dvě různé geometrie se lišily sklonem podélného prořezu plátu – byl buď rovný nebo šikmý. Šikmý prořez umožňoval větší plochu oslabeného průřezu, a proto se očekával nárůst únosnosti. Ten však nebyl příliš výrazný a, po úvaze nad pracností takového spoje, se od něj upustilo.

Výsledky destruktivních zkoušek jsou vztaženy ke skutečné vlhkosti vzorků v době měření, průměrně 17 %.

vysledky_vse

Materiálové vlastnosti použitých dřev, uváděny pro vlhkost 12 % (přepočty provedeny podle příslušných norem).

vysledky_mech

 

Ocelový versus dřevěný kolík

EXPERIMENTY

Srovnání spoje s ocelovými spojovacími prostředky a různým sklonem čel – kolmá čela (90°) versus šikmá čela (45°). Kolíkový kolmočelný spoj byl jednoduchou alternativou k běžně používaným svorníkovým spojům, čela nespolupůsobí, hlavním nosným prvkem jsou ocelové spojovací prostředky. U spoje se šikmými čely se čekalo jejich zapojení do přenosu sil. Velmi tuhé spojovací prostředky však nedovolí šikmým čelům se vůbec zapojit, a výsledná únosnost je srovnatelná. Kolmočelný spoj vždy praskal přímo ve spoji, šikmočelný vždy v oblasti oslabeného průřezu.

vysledky_4kocel_kolmy_vs_sikmy45

Posunem k lepším výsledkům se ukázalo použití dřevěných, tj. poddajných spojovacích prostředků – dubových kolíků, které umožní zapojení šikmých čel do přenosu namáhání sil.  Srovnání čtyřkolíkového spoje se spojovacími prostředky z oceli a ze dřeva je v tabulce níže.

vysledky_45_ocel_drevo

Hodnoty tuhosti a únosnosti jsou vztaženy ke skutečné vlhkosti trámů v době zkoušek, průměrně cca 18,9 %. Výsledky materiálových zkoušek vzorků z trámů s různými spoji, uvedeno pro vlhkost dřeva 12 % (přepočty dle příslušných norem).

 

vysledky_mech

 

Dvoukolíkový spoj

EXPERIMENTY

Dle výsledků numerického řešení i analýzy DIC se přistoupilo k testování varianty plátového spoje pouze se dvěma kolíky, který ještě více využívá vlivu šikmého čela, protože mu dovoluje přenášet vetší sílu než v případě čtyřkolíkového spoje. Jeho únosnost je srovnatelná se čtyřkolíkovým spojem (v potaz byly brány výsledky po první sérii zkoušek, r. 2013), což nahrává možnosti v praxi používat pouze dva kolíky. Nevýhodné jsou ovšem z bezpečnostního hlediska, v případě poruchy jednoho z nich spoj přestává být dostatečný. Další dva kolíky tedy fungují jako nutná pojistka.

Výsledky desktruktivních zkoušek jsou vztaženy ke skutečné vlhkosti trámů, průměrně cca 17 %. Materiálové charakteristiky lze nalézt v příspěvku o podélném prořezu spoje.

vysledky_2k_rovny

NUMERIKA

Pro popis odezvy spojů zahrnujících geometrické nelinearity v podobě tzv. velkých deformací a dále nelinearity způsobené popisem interakce těles pomocí kontaktních párů (zahrnutí tření, otlačení apod.) byl využit MKP software ANSYS.  S výhodou bylo využito skriptovacího jazyka ANSYS pro parametrické modelování umožňující efektivní citlivostní a optimalizační analýzy pro porovnání mnoha alternativ spoje.

Kolík nahoru – kolík dolů

EXPERIMENTY

Jeden z experimentů analyzoval chování spoje při posunu kolíku po výšce profilu z hlediska únosnosti spoje. Teoreticky by posunutí kolíku mimo osu prvku (mimo obvyklou výsušnou trhlinu) mohlo vést k redistribuci napětí na čele spoje i kolíku a teoretickému nárůstu únosnosti. Byly tedy vyrobeny vzorky spojů s kolíkem (opět velmi tuhý ocelový s průměrem 40 mm) v horní třetině průřezu a s kolíkem v dolní třetině průřezu.

Experimentální výsledky však teorii nepotvrdily, k nárůstu únosnosti spoje nedošlo (ne signifikantně), a při další zkoumání jednokolíkového spoje by tak kolík zůstal uprostřed průřezu. Výsledky jsou vztaženy k měřené vlhkosti vzorků, která byla v průměru 16 %.

vysledky

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ

 

Bezkolíkový spoj

EXPERIMENTY

Další experiment hledal optimální úhel šikmého čela z hlediska únosnosti spoje. Zkoušely se spoje v reálné velikosti (200x240x6000 mm) bez jakéhokoliv spojovacího prostředku, na krajích nosníku se zaznamenávala vyvolaná osová normálová síla, kterou zachytí normálně právě kolíky nebo hmoždíky. Tyto bezkolíkové spoje byly provedeny ve čtyřech variantách (sklon čela 33°, 38°, 45°, 63°). K měření osové síly byl vyvinut siloměr fungující pomocí tenzometrů. Výsledky ukázaly, že vliv tření minimalizující sílu na kolíku u běžného spoje je největší u nejostřejších úhlů (33°), které však nebyly vyhodnoceny jako technologicky vhodné kvůli náročnosti prořezávání pilou. Jako rozumný kompromis z hlediska praxe tak byl pro všechny další experimenty určen úhel 45°.

vysledky_ruznySklonCela

 

 

 

Při těchto zkouškách se objevily první úvahy o vlivu délky spoje na jeho mechanické chování. Spoj bez kolíku  s kratší délkou (1,00 m místo 1,38 m) byl proveden především kvůli verifikaci numerických a analytických modelů k potvrzení hypotézy – delší spoj = větší únosnost.

Výsledky destruktivních zkoušek jsou vztaženy k vlhkosti vzorků během zkoušek (cca 18 %), materiálové vlastnosti odpovídají vlhkosti řeziva 12 % (přepočty provedeny dle příslušných norem).

vysledky_45st_ruznaDelka

 

 

 

material_vlastnosti

 

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ

Numerický model spoje s jedním kolíkem byl využit i k optimalizační analýze vlivu tření na šikmém čele. Jak ovlivňuje tuhost pro spoje s různými spojovacími prostředky je vidět na obrázku.

 

Numerická analýza vazby hambalkového krovu

Výsledky předchozích experimentů (tahová a rotační tuhost rybinových spojů) byly použity jako vstupní data do modelu části jednoduché dřevěné střešní konstrukce vytvořeném v programu Scia Engineer v.14.0.101. Zatěžovací stavy byly uvažovány standardně podle EC5. Rybinové spoje byly modelovány na koncích prvků, které přenášejí tahové namáhání (znázorněno „kolečky“), ve třech modifikacích – jako absolutně tuhý styčník, spoje s experimentálně zjištěnými tuhostmi a jako volný kloub. Srovnávacím kritériem byly globální posuny konstrukce, které jsou prezentovány na obrázku.

(tuhý styčník umax=4,7 mm; polotuhý styčník – tahová tuhost K= 1300 N/mm umax=5,7 mm, K=3700 N/mm umax=5,3 mm; téměř ideální kloub – K= 100 N/mm, umax=6,3 mm)

 

Dvouplát 1:2 – experimenty

Experimenty probíhaly s pomocí zatěžovacího válce MTS FLEX TEST s možností zatížení až 50 kN.

Po zkoušce byla zjištěna vlhkost každého prvku a odebrány vzorky pro měření mechanických vlastností. Výsledky experimentu byly korigovány s ohledem na tyto dodatkové zkoušky. Průměrná vlhkost smrkových profilů byla 20,1 % a borovicových profilů 17,2 %.

vysledky_mech_1012

vysledky_mech_1012_bor

vysledky_exp_1012

vysledky_exp_1012_bor

Dvouplát 1:4 – experimenty

Zkouška v tříbodovém ohybu proběhla dle stejného zatěžovacího diagramu jako ostatní experimenty modelů plátových spojů (graf). Šikmé čelo blíže podpoře bylo jediné smysluplné místo pro analýzu DIC. Vlhkost všech vzorků se pohybovala kolem ideálních 12 % a po zkoušce byly změřeny i materiálové mechanické vlastnosti všech vzorků.

vysledky_mech_3f_5060

vysledky_exp_3f_5060