Byl testován jednohmoždík i dvouhmoždík, obě varianty bez kolíků (na straně bezpečné). Délka samotného spoje byl L_p=5,75h. Použit byl hydraulický válec MTS FLEX TEST 60 kN, rychlost zatěžování byla 1 mm/min a pootočení hmoždíků bylo monitorováno pomocí DIC.

Při větším průřezu a s větším hmoždíkem jsou spoje méně ovlivnitelné nehomogenitami – trhlina, horší sesazení čel. Únosnost spoje roste nelineárně.

Preciznost provedení je velmi důležitá!

Výsledky destruktivních zkoušek jsou vztaženy ke skutečné vlhkosti vzorků při zkouškách (odborný odhad v interiéru dlouhodobě uskladněných vzorků 12,0 %).

Vliv délky spoje byl zkoumán již dříve u bezkolíkových spojů a nebo v měřítku 1:2. Spoj s poloviční délkou plátu, Lp = 3h, byl nakonec zkoušen i v reálné velikosti. Spoj byl provenen ve třech polohách, aby se ověřilz výsledky dosažené v dřívějších experimentech. Střed plátu byl ve vzdálenostech 750 mm (D750), 1500 mm (D1500) a 2435 mm (D2435) od podpory. Trámy byly smrkové, kolíky dubové.

Všechny vzorky byly zatěžovány v tříbodovém ohybu stejně jako ostatní vzorky v měřítku 1:1, průběh zatěžování byl také shodný – rychlost 30 mm/min, po dosažení průhybu 50 mm (odhadovaná hranice lineárního chování, spoj si tzv. “sedne”) přichází odtížení a opětovné zatížení až do porušení.

Výsledné hodnoty únosnosti jsou vztaženy k aktuální hodnotě vlhkosti zkoušených prvků (cca 18,0 %), mechanické materiálové vlastnosti jsou uvedeny pro předepsanou vlhkost 12 %.

Orientace čel je pro vysokou únosnost plátového spoje velmi důležitá. Čela pomáhají do přenosu sil zapojit i samotnou masu dřeva a bez jejich spolupůsobení je únosnost spoje odkázána pouze na dřevěné kolíky. Takový případ může nastat, pokud v konstrukci dojde vlivem poruchy některých z prvků k redistribuci sil nebo při špatné instalaci spoje během opravy.

Cílem experimentu bylo získat relevantní údaje o spoji v případě opačné orientace čel. Jednalo se o standardní zkoušku, tj. tříbodový ohyb na vzorku v měřítku 1:1, čtyřkolíkový spoj, smrkové dřevo, dubové kolíky. Experimentální únosnost opačně orientovaného spoje byla poměrně vysoká (cca 80 % únosnosti správně orientovaného spoje), počet vzorků byl však malý.

Experiment posloužil jako verifikace pro numerický model. Jeho výsledky byly využity při tvorbě návrhových grafů do metodiky a určovaly hodnoty záporných momentů.

Únosnost a tuhost v tabulce experimentálních výsledků jsou vztaženy k měřené vlhkosti vzorků (22,2 %), mechanické materiálové vlastnosti smrku jsou přepočítány pro doporučenou vlhkost 12 %.

NUMERIKA

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).

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.

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 %.

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

[See image gallery at spoje.itam.cas.cz]

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.

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.

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).

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.

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.

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 %.

[See image gallery at spoje.itam.cas.cz]

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ

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°.

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).

[See image gallery at spoje.itam.cas.cz]

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.

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