Kolíkové spoje v dřevěných konstrukcích, výsledky experimentů a využití v praxi

K důležitým bodům při navrhování dřevěných nosných konstrukcí patří také vyšetřování vlivu poddajnosti spojů, a to zejména u konstrukcí větších rozpětí s velkým počtem mechanických spojů a u konstrukcí se silně namáhanými spoji. Poddajnost spojů úzce souvisí nejen s materiálovými a pevnostními charakteristikami dřeva i spojovacích prostředků, ale také s konstrukčním řešením detailů. Přitom je nutné uvažovat vliv prostředí, v němž konstrukce působí, a typy zatížení, které přenáší. Obecně se vliv poddajnosti spojů projevuje zvýšenými deformacemi a redistribucí vnitřních sil. Podle typu konstrukce a závažnosti řešeného problému mohou být při návrhu voleny obvyklé metody ve smyslu norem pro navrhování dřevěných konstrukcí, anebo přesnější metody vycházející z výsledků experimentálních testů spojů a z analýzy jejich působení v reálných konstrukcích [1]. Z hlediska vývoje dřevěných konstrukcí jsou důležité poznatky získané průzkumem chování realizovaných konstrukcí, zejména při jejich dlouhodobém působení v reálných podmínkách.

Příspěvek je zaměřen na působení kolíkových spojů typu ocel-dřevo a dřevo-dřevo s ocelovými spojovacími prostředky – svorníky, kolíky a přesnými svorníky. V současnosti mezi často používané spoje s kolíkovými spojovacími prostředky patří spoje se styčníkovými plechy, které jsou vkládány do spár vyřezaných ve dřevěných profilech. Plechy mohou být i vnější, případně vnitřní i vnější. Dřevěné prvky mohou být vyrobeny z rostlého nebo lepeného dřeva [2]. V příspěvku jsou uvedeny poznatky získané z experimentálních testů spojů kolíkového typu, poruchy vyplývající z jejich nedostatečné únosnosti a vybrané příklady konstrukcí, které byly realizovány podle návrhu autorů příspěvku [5].

Experimentální testy kolíkových spojů

Experimentální a teoretický výzkum v oblasti kolíkových spojů s ocelovými spojovacími prostředky se v současné době zaměřuje zejména na problematiku:
■ vlivu mechanických vlastností dřevěných a ocelových prvků na působení spojů;
■ dlouhodobého působení kolíkových spojů v různých teplotně-vlhkostních podmínkách;
■ vlivu sesychání a bobtnání dřeva na chování spojů při změnách vlhkosti;
■ účinnosti metod zesilování kolíkových spojů se zřetelem k negativnímu působení příčných tahových napětí [4];
■ působení kolíkových spojů při opakovaném a dynamickém namáhání [3];
■ požární odolnosti kolíkových spojů.

Výsledky měření získané na základě experimentálních zkoušek spojů představují nejvýstižnější způsob popisu jejich chování při zatížení. Experimentálními zkouškami lze získat dostatečně objektivní a komplexní poznatky o působení spojů při uvažovaném režimu zatížení a uspořádání spojů. V rámci testů je možno vyhodnotit podstatné parametry ovlivňující působení spojů, zejména:
■ vliv použitých materiálů na únosnost a poddajnost spoje;
■ vliv geometrického uspořádání spoje v daném konstrukčním detailu;
■ vliv konstrukčního provedení spoje s uvážením výrobních imperfekcí;
■ vliv porušení blokovým a zátkovým smykem;
■ vliv statického, opakovaného a dynamického zatížení.

Simulace zatížení zkušebních těles
Zatížení zkušebních těles lze simulovat jako statické (s plynulým nárůstem intenzity až do porušení), statické opakované (s definovaným tvarem, intenzitou a rychlostí zatížení/odtížení) nebo dynamické (se zadanou frekvencí a rozkmitem). Způsob a přesnost vnášení zatížení do zkušebních těles jsou závislé na uspořádání a tuhosti přípravků, které tvoří článek mezi zkušebním tělesem a zařízením, vyvozujícím zatížení. Lze tak poměrně přesně simulovat požadované okrajové podmínky – od „ideálního“ kloubu až po vetknutí. Uspořádání experimentálních zkoušek spojů dřevěných prvků je třeba primárně navrhnout podle možností zkušebního zařízení s ohledem na možné rozměry zkušebních těles, jejich uchycení ve zkušebním zařízení a způsobu i formy zatěžování [6, 8]. Pro experimentální analýzu řešených spojů byla vybrána v konstrukční praxi často navrhovaná a prováděná konfigurace kolíkového spoje dřevěných prutových prvků z konstrukčního dřeva, vloženého ocelového plechu a ocelových kolíků.

Základní materiály
Jako základní materiál dřevěných prvků, o nichž je pojednáno v článku, bylo zvoleno lepené lamelové dřevo BSH, které oproti řezivu zajišťuje předpokládanou vlhkost, menší toleranci rozměrů a menší tvarové i geometrické odchylky prvků. Přirozené vady dřeva jsou u BSH, ve srovnání s řezivem, méně významné. Materiál tedy v menší míře ovlivňuje výsledky experimentálního měření z hlediska přirozených vad dřeva i geometrických odchylek prvků. Třída pevnosti materiálu byla zvolena GL24h, korespondující s nejčastější volbou v konstrukční praxi. Dimenze obdélníkového průřezu byla navržena 120 × 160 mm. Vložený (styčníkový) plech byl navržen z oceli třídy pevnosti S355, tloušťka plechu byla zvolena 6 mm. Ze statického hlediska by byla dostačující i tloušťka menší (4 nebo 5 mm). S přihlédnutím k reálným imperfekcím spoje, které by mohly vyvolat namáhání plechu ohybem v rovině menší tuhosti, byla zvolena tloušťka plechu 6 mm s optimální šířkou výřezu 8 mm.

Kolíkové prvky byly voleny v alternativním provedení, a to o shodném vnějším průměru 16 mm a délce odpovídající tloušťce dřevěného prvku. Alternativně byly osazeny kolíky hladké a závitové tyče. Hladké kolíky byly zhotoveny jednak z oceli obvyklé jakosti třídy pevnosti S355 a jednak byly použity kolíky z vysokopevnostní nízkolegované oceli 1.3505 s mezí pevnosti 750 MPa. Závitová tyč M16 byla použita alternativně – třídy pevnosti 8.8 a 5.8. Vzájemné vzdálenosti mezi kolíky od krajů a od konce dřevěného prvku byly navrženy podle doporučení ČSN EN 1995-1-1:2006. Uspořádání spoje je patrné z obr. 2. Účelem analýzy bylo vzájemné porovnání chování spojů s kolíky, tj. bez účinku spínací síly Fax, a to při použití prvků – kolíků různé pevnosti (490 až 800 MPa) a provedení (hladký versus závitová tyč). Kolíky ve formě závitové tyče se obvykle nepoužívají, nicméně lze očekávat, že vzájemné rozdíly (relace) v chování příčně namáhaného spoje mezi různým provedením kolíkových elementů budou obdobné pro svorníky i kolíky.

Uspořádání a zatěžování zkušebních těles
Uspořádání a zatěžování zkušebních těles bylo navrženo tak, aby co nejvíce odpovídalo reálnému stavu spojů v nosné konstrukci. Cílem ani snahou nebylo simulovat „ideální“ podmínky chování spoje, ale ověřit jeho chování při standardních podmínkách.

Celý článek naleznete v archivu čísel 06-07/2017.