Kolíkové a svorníkové spoje použité na velkorozponových konstrukcích

• Foto

Příkladem konstrukcí zastřešení hal na velká rozpětí s využitím kolíkových spojů je zastřešení sportovní víceúčelové haly v areálu VS11 v Praze a zastřešení zimního stadionu ve Varnsdorfu. Navrhování a posuzování spojů bylo řízeno požadavky pro mezní stavy únosnosti a použitelnosti ve smyslu ČSN 731702 mod. DIN 1052:2004 a ČSN EN 1995-1-1 včetně souvisejících norem.

ZÁKLADNÍ POPIS VYBRANÝCH HALOVÝCH KONSTRUKCÍ
Prvním halovým objektem, kterým se budeme zabývat, je zastřešení tělocvičny v areálu Vodního světa (VS11) v Praze. Jedná se o zastřešení haly o půdorysných rozměrech 37,6 × 63,6 m při výšce hřebene 10,6 m. Zastřešení je realizováno příhradovými vazníky na rozpětí 36,7 m, osová vzdálenost vazníků je 9 m. Dolní a horní pás je tvořen z blokově lepeného profilu o dimenzi 320 × 520 mm a 320 × 480 mm ze třídy dřeva GL28h. Nejvíce namáhaná tahová diagonála s vnesenou osovou silou 980 kN je tvořena z lepeného profilu dimenze 320 × 320 mm, rovněž ze třídy dřeva GL28h. Ostatní svislice a diagonály jsou z lepeného profilu dimenze 240 × 240 mm ze třídy dřeva GL24h. Celá konstrukce příhradových vazníků je kloubově uložena na prefabrikované železobetonové sloupy přes polymerová ložiska zajišťující jak pootočení, tak i potřebný posun. Stabilitu vazníků zajišťují dřevěná ztužidla 240/280 umístěná v rovině střešního pláště po šesti metrech spolu s ocelovými táhly. 

Styčníky diagonál a svislic jsou řešeny pomocí vkládaných styčníkových plechů do předem vyhotovených zářezů při použití samovrtných kolíků od firmy SFS intec. Kolíky jsou opatřeny vrtákovou špičkou, takže není nutné předvrtání do dřeva ani do styčníkových plechů. Průměr kolíků byl volen 7 mm, s vrtnou kapacitou maximálně třech kusů plechu tl. 5 mm z oceli S235. V nejvíce namáhané diagonále byly užity čtyři styčníkové plechy tl. 6 mm kotvené samovrtnými kolíky ze dvou stran, přičemž konce prutů byly opatřeny spínacími svorníky, z důvodu zamezení rozštěpení konců lepeného dřeva. Styčníkové plechy byly vkládány do dolního pásu vždy tak, aby každý segment blokově lepeného průřezu byl namáhán centricky. Ve styčnících kde byly potřebné pouze dva styčníkové plechy, byly požity zapuštěné kolíky vrtané z jedné strany. Samotné vrtání kolíků proběhlo pomocí speciálního přípravku ovládaného jedním pracovníkem, přičemž z důvodu eliminace výrobních imperfekcí a pro lepší navedení kolíků, byly projektované rozteče provedeny automatickým strojním předvrtáním do hloubky 20 mm.

Spoje byly geometricky navrženy tak, aby byly namáhané silou působící v těžišti (ve středu) skupiny spojovacích prostředků. Výsledná síla připadající na jeden samovrtný kolík či celou skupinu se stanovila podle obvyklých zásad, a to v závislosti na způsobu namáhání skupiny spojovacích kolíkových prvků, přičemž byla zohledněna redukce únosnosti kolíků umístěných v řadě rovnoběžně s vlákny dřeva pomocí účinného počtu spojovacích prostředků. Takovéto spoje bylo rovněž nutné posoudit na porušení blokovým smykem. Při zohlednění translační a rotační tuhosti styčníků, byl spočítán průhyb nosníků včetně dotvarování, přičemž především z důvodu prokluzu styčníků byl příhradový vazník nadvýšen o 100 mm.

Druhou posuzovanou stavbou bylo zastřešení zimního stadionu ve Varnsdorfu. Konstrukční systém zastřešení je navržen jako prostorová konstrukce, podepřená na kyvných stojkách (ocelových sloupech a dřevěném sloupu) s rozmístěním příčných vazeb v osových vzdálenostech po 5 metrech.

Stabilita konstrukce je zajištěna podélným a příčným zavětrováním střechy z dřevěných ztužidel 140/260 mm ze dřeva třídy GL24h a z ocelových táhel o maximálním průměru 24 mm z oceli S355. Ocelové sloupy jsou navrženy jako oboustranně kloubově uložené z oceli S355. Uložení v patě a hlavě sloupu je navrženo pomocí ocelového čtyřstřižného čepu o průměru 110 mm. Dřevěný svislý sloup je navržen o průřezu 200 × 1 000 mm oboustranně kloubově uložený z lepeného lamelového dřeva třídy GL24h. Konstrukce střechy je navržena z lepených plnostěnných vazníků o průřezu 200 × 1 600 mm ze dřeva třídy GL24h s jedním konstrukčním spojem.

Styčníky u této konstrukce byly řešeny pomocí dvou plechů, které obepínají lepený vazník, přenos vnitřních sil do podpor je realizován přes svorníkové spoje M24, které byly vsazeny do předem vyvrtaných přesných děr, přičemž se rovněž využívá dosedací plocha v hlavě sloupů (viz obr. 7a).

Při návrhu celkové koncepce zastřešení zimního stadionu, bylo rovněž nutné zohlednit způsob montáže a dopravy lepených plnostěnných vazníků. Z tohoto důvodu byl v místě předpokládaného nulového momentu navržen kloubový spoj (obr. 7b). Tento montážní spoj byl řešen pomocí jednoho vloženého styčníkového plechu, přenos vnitřních sil byl zajištěn pomocí svorníků M16 a přesných kolíků o stejném průměru. Kloub je řešen pomocí čtyřstřižného čepu o průměru 40 mm. Kolíky byly zazátkovány flíky o průměru 20 mm. Veškeré svorníky a kolíky byly navrženy v pevnostní třídě 8.8.

ZKUŠENOSTI Z VÝROBY A MONTÁŽE
Samovrtné kolíky jsou moderní způsob jak rychle provádět kolíkové spoje bez nutnosti předvrtávání. Jejich použití je limitováno zejména maximální délkou kolíku a vrtnou kapacitou, která je určena především třídou použité oceli. Máme odzkoušeno, že s obtížemi je možné provrtat ocel S355 při tloušťkách plechu do 5 mm spolu s občasným zalamováním vrtného hrotu. Vrtání je možné provádět přímo na staveništi, nezbytné je však použití vrtacích souprav s možností regulace otáček a návrh roztečí upravit s ohledem na výrobní imperfekce. Styčníky tvořené samovrtnými kolíky je proto vhodnější provádět přímo ve výrobně. Rovněž standardní parametry vlhkosti a teploty jsou v továrních podmínkách lépe dosažitelné než při výrobě spojů na stavbě. Klasické svorníkové a kolíkové spoje je možné i při zajištění vysoké kvality realizovat na staveništi. Ukázalo se, že při montáži konstrukcí velkých rozpětí pomocí samovrtných kolíků je vhodnější sestavit kompletní segmenty přímo ve výrobě, čímž je dosaženo maximální eliminace výrobních imperfekcí, a svorníkové prostředky použít na montážní styčníky. Samovrtné kolíky při stejné geometrii vykazují lepší tuhost než svorníkové spoje, což je dáno způsobem výroby a pak také faktem, že ne vždy se podaří slícovat předem vyvrtané otvory ve dřevěných prvcích na otvory v ocelových styčníkových deskách. Pak je nutné nejčastěji otvory v dřevěných prvcích různě zvětšovat a upravovat, čímž spoj ztrácí svou tuhost. Jednou z možností jak takovýto „upravený“ spoj získá původní tuhost, je svorníkový spoj dodatečně injektovat vinylesterovými pryskyřicemi.

Dower and Bolted Joints for Large-Span Structures
Solution of the roofing of large spans by wood-based materials is offered by glued framed or arch constructions. Framework joint design, which can significantly affect the whole concept of design philosophy, is a limiting factor upon the design of such constructions. Usage of gusset plates with dower joints is among the most frequent ways of joint solutions in the current building practice. Gusset plates can be inserted in wooden rods (which is the most frequent way of use), or they can be installed from the outside of wooden elements. This method is best applicable in the places of structure placement. Inserted gusset plates are most frequently used at places where significant internal forces need to be transferred, especially concerning axial tension or pressure forces. Bearing capacity of such a joint can be solved in two manners – either by a selection of a number of dower joints, which becomes uneconomical considering the effective number, or by inserting two or more gusset plates, which ensures the distribution of internal forces to more span levels.

Autor

• Ing. Röder Václav Ph.D.