Zkoušeny byly 4 vzorky, z nichž dva měly spoj zajištěn dřevěným kolíkem. Rozměry spojovaných prvků byly 120 x 140 mm. Spoj byl zatěžován hydraulickým válcem a bylo měřeno pootočení spoje.
Prvky měly rozměry 50 x 60 mm, měřilo se na zatěžovacím stroji MTS a celý povrch vzorku včetně kloubu ocelové desky byl snímán pro analýzu DIC.
Vzorky pro tahovou zkoušku měla rozměry standardního dřevěného konstrukčního prvku – 140 x 140 mm. S referenční správně provedenou rybinou byly srovnávány tři varianty nepřesně vyrobeného spoje. Zatěžovalo se v tahu na stroji MTS, byl sledován posun spoje a pořizovány fotografie povrchu vzorku pro analýzu DIC.
Model souměrné oboustranné rybiny byl testován na prvcích s průřezem 50 x 60 mm ve dvou variantách, které se lišily úhlem sklonu rybinového plátu. Modely se symetrickými spoji byly zatěžovány v tahu v ose prvku s čepem na stroji MTS, zaznamenávala se zatěžovací síla a posunutí. Byla určena maximální únosnost spoje.
EXPERIMENTY
Spoje v reálné velikosti, tj. v měřítku 1:1 (200x240x6000 mm) byly zhotoveny tesařem Davidem Stejskalem, který se specializuje na tradiční techniky provádění tesařského řemesla. Bylo použito kvalitní smrkové dřevo s jádrem a s menším počtem imperfekcí – suky, točitost vláken (třída dřeva min. C27 dle ČSN EN 338). Vlhkost dřeva byla okolo 18 %. Spoj měl jeden spojovací prostředek – tuhý ocelový kolík s průměrem 40 mm. Byl zkoušen pomocí hydraulických panenek tak, aby bylo dosaženo reálného zatížení v konstrukci.
Při čtyřbodovém ohybu byl spoj umístěný uprostřed trámu mezi působícími silami namáhán čistým ohybem. Při tříbodovém ohybu je zkoušen trám se spojem na kraji nosníku, aby kromě ohybového momentu (malý) byla přítomna i posouvající síla (simulace opravy zhlaví protézou). Rychlost zatěžování byla odvozena z norem (čas pro relaxaci – creepové vlastnosti dřeva), průhyb prvku byl měřen na 5 místech a spoje byly zkoušeny až do porušení. Z výsledků DIC bylo možné vypozorovat řadu specifických jevů, např. uzavírání spoje. Provedená měření odhalila, že touto metodou lze zachytit i velmi malá posunutí spoje na styčných plochách, a potvrdila tak její potenciál až nezbytnost do budoucna.
Mechanické poškození spoje bylo možné pozorovat ve dvou módech. Nejčastěji se jednalo o porušení smykem od tuhého ocelového kolíku směrem k čelu plátu jednou až dvěma hlavními trhlinami v návaznosti na výsušné trhliny. Druhým, méně častým módem, bylo postupné štípání plátu v místě otlačení dosedacích ploch šikmých čel („roztřepení“ čel).
Výsledky destruktivních zkoušek jsou vztaženy k vlhkosti vzorků během měření (okolo 20 %), materiálové hodnoty jsou uvedeny pro vlhkost 12 % (přepočty proběhly dle příslušných norem).
NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ
Na začátku řešení projektu se hledal vhodný software, ve kterém by se dalo rozumně numericky modelovat dřevo se všemi svými záludnostmi.
Byly testovány konečněprvkové softwary ATENA a ANSYS a vítězem se po porovnání modelů prvního plátového spoje (k verifikaci bylo použito spoje jak v reálné velikosti, tak modelu 1:4) stal jednoznačně ANSYS. ATENA totiž, jako sofware určený především pro betonové konstrukce, nenabízí anizotropní materiálový model (v r. 2012). Dosáhnout vlastností dřeva se nepodařilo ani použitím rozptýlené výztuže, která měla simulovat vlákna dřevní hmoty. Modely spoje ve výsledku vykazovaly např. chybný typ poškození (trhliny kolmé k vláknům, což neodpovídá realitě).
Na modelech vytvořených v prostředí softwaru ANSYS probíhaly další vylepšené numerické kontaktní analýzy. První z nich (optimalizace spoje s jedním kolíkem) sloužila k tomu, aby byla nalezena optimální mechanická varianta spoje a určena míra, s jakou konkrétní geometrický či fyzikální parametr ovlivňuje tuhost spoje. Byl testován model s kolíkem z různých materiálů (ocel a dřevo), sklony čel 45° a 63°, který byl zatížen jak tříbodovým, tak čtyřbodovým ohybem. První parametr, který byl numericky testován, byla velikost kolíku, který zajišťuje soudržnost spoje. Dalším parametrem byl sklon šikmého čela.
ZPĚT na Pilotní experimenty
EXPERIMENTY
Pro prvotní seznámení s mechanismem chování plátového spoje v ohybu byla vyrobena série modelů s různými geometriemi v měřítku 1:4 ke skutečným rekonstruovaným prvkům, tj. příčný průřez měl rozměry 50×60 mm, délka prvku mezi podporami byla 1500 mm. Zkoušelo se ve tříbodovém a čtyřbodovém ohybu.
Varianty spoje se lišily sklonem čel (45°, 63° a 90°), počtem kolíků (1, 2) a polohou spoje (uprostřed pro 4B ohyb, ve čtvrtině pro 3B ohyb).
DIGITAL IMAGE CORRELATION (DIC)
K lepšímu vhodnocení průběhu zkoušky byla použita i metoda korelace obrazu, pomocí které se dá určit pole deformace. Povrch vzorku byl pokryt náhodným vzorem, snímky se pořizovaly v pravidelných intervalech a vyhodnotila se změna jejich vzájemné polohy.
Experimenty s modely spoje v měřítku 1:4 byly v mnohém pionýrské – testovala se geometrie spoje, výhody jednotlivých experimentů, ladění modelu a metodika přípravy vzorků, jejich snímání fotoaparátem a samotná korelace fotografií.
Fotilo se většinou čelo více namáhané ohybem, ke korelaci se používá software vyvinutý na ÚTAM AV ČR, v. v. i.
ZPĚT na Pilotní experimenty