Experimentálne vyšetrovanie drevo-betónových nosníkov s rozptýlenou výstužou pri dlhodobom zaťažení

• Foto

V súčasnosti sa využívajú viaceré drevo-betónové sústavy, ako napr. nosníková sústava, u ktorej drevené nosníky sú spriahnuté s betónovou doskou alebo dosková sústava u ktorej súvislá drevená vrstva, vytvorená z dosák ukladaných na hranu vedľa seba, je spriahnutá s betónovou doskou. Spriahnutie drevenej časti s betónovou je možné realizovať rôznymi spôsobmi alebo systémom drážok vytvorených v drevenej časti alebo prostredníctvom rôznych spojovacích prvkov. Na vystuženie betónovej vrstvy, ktoré má predovšetkým zabrániť popraskaniu betónu pri zmrašťovaní, sa bežne využívajú výstužné prúty a v súčasnosti sa skúmajú možnosti využívania aj oceľových vlákien formou rozptýlenej výstuže.

Krátkodobú odolnosť drevo-betónových prvkov je možné určiť napríklad podľa prílohy B normy STN EN 1995-1-1 Navrhovanie drevených konštrukcií výpočtom účinnej ohybovej tuhosti spriahnutých nosníkov s poddajným spriahnutím. V súčasnosti platné normové predpisy nezohľadňujú dostatočne reologické vlastnosti spriahnutých drevo-betónových prvkov, ako sú zmrašťovanie prípadne napučiavanie materiálov, účinok spriahnutia na súčiniteľ dotvarovania, vplyv zmien vlhkosti a teploty prostredia, preto určenie ich dlhodobého pôsobenia nemusí byť výstižné. Týmito vplyvmi sa zaoberá v súčasnosti viacero zahraničných autorov, ktorí vypracovali niekoľko zjednodušených výpočtových modelov. Na túto problematiku bol zameraný aj projekt APVT 99-05402 [4] v rámci ktorého bolo uskutočnené experimentálne a teoretické vyšetrovanie spriahnutých drevo-betónových nosníkov [5] pri krátkodobom a dlhodobom zaťažení.

Experimentálne vyšetrovanie
Dlhodobé merania prebiehajú na dvoch rôznych typoch spriahnutých drevo-betónových prvkov, u ktorých drevená nosná časť je vytvorená z foršní. Jeden typ spriahnutých nosníkov (6 ks) bol vyrobený z troch samostatných drevených nosníkov – fošní, na ktorých je umiestnené stratené debnenie z OSB, vytvárajúce podklad pre tenkú monolitickú betónovú vrstvu. Na vystuženie betónovej vrstvy sme nepoužili radičnú betonársku výstuž, ale oceľové vlákna formou rozptýlenej výstuže, čím vzniká tzv. drátkobetón. Skúšobné nosníky sú 5 000 mm dlhé a 600 mm široké. Hrúbka betónovej vrstvy je 50 mm. Spriahnutie zabezpečujú mosadzné drevoskrutky 140 × 6 mm, ktoré sú zapustené do fošní cez OSB pod uhlom 45 °. Skrutky sú rozmiestnené po dĺžke fošní vo vzdialenosti 150 mm. Fošne nosníka majú rozmer 45 × 220 mm (obr. 1).

Druhý typ skúmaných spriahnutých nosníkov (6 ks) pozostáva zo súvislej lamelovej drevenej vrstvy, ktorá je vytvorená z vertikálne orientovaných foršní 45 × 260 navzájom spojených pomocou klincov. Na takto vytvorenom drevenom prvku leží betónová vrstva hrúbky 80 mm. Vzájomné spolupôsobenie drevenej časti a betónovej vrstvy je zabezpečené pomocou zárezov v drevených lamelách. Zárezy o hĺbke 30 mm a dĺžke 150 mm sú navzájom vzdialené po 350 mm.

Ohybová skúška
Dlhodobé statické zaťaženie skúšobných nosníkov je vyvodené formou dvoch diskrétnych silových účinkov v tretinách dĺžky nosníkov použitím betónových blokov. V prípade nosníkov typu DBK1 sú to dve sily s veľkosťou F = 1 kN, u nosníkov DBK2 dve sily veľkosti F = 2 kN. Snímané sú priehyby nosníkov ručičkovými indikátormi v strede rozpätia. Priebežne sa zaznamenáva sa teplota a vlhkosť prostredia.

Pretláčacie skúšky
Parametre spriahnutia sme zistili tzv. pretláčacími skúškami (obr. 4). Vzorky sú navrhnuté tak aby bolo možné ich zaťažiť symetricky. Vzorky pozostávajú zo stredného betónového hranola 200 × 200 × 500 mm a z dvoch drevených prvkov 45 × 130 × 500 mm zapustených do betónovej časti. Zapustené časti foršní majú taký rozmer ako u skúšobných nosníkov ohybových skúšok. Betónové hranoly boli vyrobený z drátkobetónu pri betónovaní skúšobných nosníkov. Podobne aj drevené prvky boli vyrobené z dodávky reziva použitého na výrobu skúšobných nosníkov. Boli snímané posunutia drevených prvkov voči betónového prvku (obr. 5).

ZISTENIE MATERIÁLOVÝCH PARAMETROV
Všetky potrebné parametre použitého dreva a betónu sme určili na základe skúšok a sú uvedené v tab. 1 a tab. 2.

TEORETICKÁ ANALÝZA
Javy ovplyvňujúce dlhodobú únosnosť spriahnutých drevo-betónových prvkov
Predvídať dlhodobé správanie sa drevo-betónových spriahnutých prvkov je náročná úloha, pretože v jednotlivých materiáloch sa vyskytuje viacero navzájom ovplyvňujúcich sa časovo závislých javov. Voľnému zmrašťovaniu betónu bráni drevený prierez, z toho dôvodu vzniká v betónovej časti ťahová sila a v drevenej časti tlak. Keďže tieto sily pôsobia v ťažiskách príslušných prierezov (drevo resp. betón), vzniká ohybový moment, ktorý spôsobuje priehyb nosníka. Naproti tomu zmrašťovaním dreva vzniká v betóne tlakové, v drevenom priereze ťahové napätie. Napätia od vonkajšieho zaťaženia spôsobujú dotvarovanie, čím sa uvoľňuje toto namáhanie. Dotvarovaním betónu sa napätia prenášajú do dreva, nastáva prerozdeľovanie napätí. Dotvarovaním dreva sa spätne zaťažuje betónový prierez. Okrem dotvarovania dreva a betónu únosnosť spriahnutých drevo-betónových konštrukcií ovplyvňuje lokálne dotvarovanie v oblasti spojovacích prvkov. Pre dlhodobé pôsobenie spriahnutia nie je možné určiť všeobecne platné vzťahy, pretože podstatne závisí od použitých spojovacích prostriedkov.

Riešiť dlhodobé pôsobenie týchto kompozitov je možné viacerými spôsobmi. Súčasné možnosti softvérových produktov poskytujú silný nástroj pre vystihnutie skutočnej odozvy spriahnutých drevo-betónových konštrukcií aplikáciou metódy konečných prvkov pomocou prútových, plošných a objemových elementov alebo riešením zložitých diferenciálnych rovníc a algoritmov. Náročné numerické modely, ktoré vznikli spojením rôznych reologických teórii na zohľadnenie časovo závislého správania sa spriahnutých materiálov, pevnostného vývoja betónu, poddajnosti spriahovacích prostriedkov a ich vplyvu na súčiniteľ dotvarovania.

Analytické výpočtové postupy dlhodobého pôsobenia
Na určenie dlhodobého pôsobenia spriahnutých drevo-betónových konštrukčných prvkov popri zložitých a v praxi ťažko použiteľných numerických modeloch použijeme analytické výpočtové modely, ktoré zohľadňujú viaceré z vyššie spomínaných časovo závislých  vlastností prvkov. Uvedené výpočtové modely vychádzajú z rovnakého teoretického základu posúdenia ohýbaného spriahnutého drevo-betónového nosníka s poddajným spriahnutím odvodeného Möhlerom (1956).

Celý článek v nezkrácené podobě naleznete ve formátu PDF ZDE.

Experimental Examination of Wooden-concrete Girders with Scattered Reinforcement under Long-term Load
Composite wooden-concrete construction elements are more often used for creation of modern wooden bearing structures of buildings or bridges. The reasons are numerous suitable properties of composite wooden-concrete elements which may achieve higher performance and effi ciency of the total bearing structure. Reliable designing of composite wooden-concrete construction elements from the long-term application point of view requires such computation model which can predict, with suffi cient precision, modification of composite elements throughout its lifespan. Presented computation models represent the right approach to this issue; however it is necessary to continue in their improvement by means of additional theoretical and experimental works.

Autor

• Doc. Ing. Kanocz Ján CSc.