Tenkostenné klincované nosníky so stenou z OSB dosiek

30. 6. 2008

Klincované nosníky so stenou z OSB patria medzi jednoduché nosné prvky. Môžu nájsť uplatnenie v tých oblastiach, kde je požiadavka na ľahké nosné systémy, umiestnené v chránenej expozícii. Medzi také nosné prvky patria stropnice, krokvy konštrukcií s menším rozpätím. Pre optimálne navrhnutie je nevyhnutné poznať správanie sa týchto prvkov pri zaťažení, zistiť limity, po prekročení ktorých daný konštrukčný systém bude nefunkčný alebo neefektívny. Overenie predpokladaného správania je možné experimentálnymi zaťažovacími skúškami.

Pre stavebné materiály, a teda aj pre drevo, sa čím ìalej stáva pri navrhovaní nosných konštrukcií významným kritériom aspekt životného prostredia. Drevo a materiály na báze dreva sú obecne hodnotené pozitívne. Popri tomto kritériu je ale pri navrhovaní nosných konštrukcií rozhodujúcim kritériom bezpečnosť konštrukcie. Táto musí byť dosiahnutá za prijateľných ekonomických podmienok, aby konštrukcia bola navrhnutá aj efektívne. To vedie k snahe zjednodušovať konštrukcie, zmenšovať prierezy, racionalizovať technológie výroby nosných prvkov, používať nové konštrukčné materiály. V nedávnej minulosti sa vývoj zameral na kompozitné formy dreva ako drevotrieskové a drevo vláknité dosky, OSB. Z tejto skupiny sú najvýznamnejšie pre použitie v nosných drevených konštrukciách OSB dosky, ktoré boli prioritne vyvinuté pre použitie v drevených stavebných konštrukciách.

Obr. 1: Skúška nosníka na ohyb Obr. 2: Geometria skúšaných nosníkov

Materiály použité v klincovaných nosníkoch

Drevo je špecifický stavebný konštrukčný materiál. Táto jeho špecifickosť vyplýva z jeho štruktúry. Drevo je nehomogénny, anizotrópny biopolymér, pričom anatomická skladba dreva priamo determinuje jeho mechanické vlastnosti, ktoré sú rozhodujúce pre statické navrhovanie konštrukcií. Poznatky o štruktúre dreva a materiálov na báze dreva preto významne vplývajú na ekonomické navrhovanie stavebných konštrukcií.

Dosky z materiálov na báze dreva vznikli z viacerých dôvodov. Patrí medzi ne potreba väčších formátov konštrukčných materiálov, zlepšenie mechanických a fyzikálnych vlastností, využitie menej kvalitnej drevnej hmoty. Medzi najznámejšie dosky na báze dreva sa radia preglejky, drevotrieskové dosky, drevovláknité dosky, vrstvené drevo (Laminated Veneer Lumber), cementotrieskové dosky, OSB (Oriented Strand Board). OSB doska bola vyvinutá v Nemecku, ale ako konštrukčná doska sa naplno presadila v USA a v Kanade. Doska z orientovaných triesok (OSB) je kompozitný materiál, ktorý vznikne plošným zlisovaním triesok, na ktoré sú nanesené syntetické živice. Povrchové vrstvy obsahujú ploché štiepky orientované rovnobežne s pozdæžnym smerom. Vnútorná vrstva obsahuje štiepky orientované náhodne, alebo kolmo na pozdæžny smer.

Hrúbky dosiek sa pohybujú štandartne v rozsahu 6–40 mm. V Európe sa používa ako surovina borovica, v Amerike osika.

Mechanické vlastnosti bezprostredne ovplyvňujú navrhovanie nosných prvkov drevených konštrukcií a prvkov. Vplyv anizotropie dreva na mechanické vlastnosti je značný a predurčuje spôsob optimálneho vyžitia dreva a drevených kompozitov v namáhaných prvkoch. Základné vlastnosti sú pružnosť, pevnosť, plasticita, húževnatosť.

Klince používané v spojoch drevených konštrukcií sú z oceľového drôtu o minimálnej pevnosti v ťahu 600 Nmm^–2. Priemer klincov sa najčastejšie pohybuje v rozmedzí d = 2,5–9 mm, pri dæžke 40–320 mm. Klince musia byť rozmiestnené v dostatočných vzdialenostiach tak, aby nedošlo k rozštiepeniu.

Obr. 3: Charakteristický deformačný diagram nosníkov

Dimenzovanie klincovaných nosníkov

Technická teória ohybu sa nemôže uplatniť, lebo rovinnosť prierezov vzhľadom na posunutie v spojoch nie je pre celkový prierez splnená. Pri analytických riešeniach sa predpokladá, že pre každú časť prierezu ohybová teória platí pri zanedbaní šmykového pretvorenia. ëalej sa predpokladá kontinuálne spojenie pri konštantnej tuhosti nosníku. Pre nosníky namáhané ohybom je výhodné navrhnúť takzvaný „dvojbodový prierez“, kde dva pásy sú spojené stenou, ktorá prenáša šmykové sily. Podľa STN 73 1701 sa vo výpočtoch pracuje s prierezovými hodnotami redukovanými súčiniteľom δ pre výpočet podľa I. medzného stavu a δdef pre výpočet podľa II. medzného stavu, ktoré majú zohľadniť vplyv poddajnosti spojovacích prostriedkov. Tieto súčinitele sú fixne priradené podľa typu a tvaru nosníka, ale nezohľadňujú druh spojovacích prostriedkov, rozmer, ani ich počet a rozmiestnenie. Celý výpočet je týmto zjednodušený.

Pri navrhovaní tenkostenných nosníkov na medzný stav únosnosti sa posudzujú nasledovné parametre:

● napätie v tlaku v ťažisku pásu,

● napätie v ťahu v ťažisku pásu,

● napätie v ohybe v krajných vláknach pásu,

● napätie v ohybe v krajných vláknach steny,

● apätie v šmyku steny v ťažiskovej osi,

● šmykový tok v spoji steny s pásom.

Pre posudzovanie klincovaných nosníkov sa zavádza pojem účinná (efektívna) tuhosť (EI)_ef, ktorý zohľadňuje poddajnosť v spojoch. Pre nosníky namáhané ohybom sa navrhujú takzvané „dvojbodové prierezy“, kde dva pásy sú spojené stenou, ktorá prenáša šmykové sily. Vplyv posunutia v spoji stena – pás vyjadruje súčiniteľ γ, ktorý závisí od vzdialenosti spojovacích prostriedkov, modulu posunutia spojovacieho prostriedku a rozpätia.

Obr. 4: Zaťažovacia skúška

Obr. 5: Roztrhnutie pásnice

Skúšobná metóda zisťovania únosnosti klincovaných nosníkov

Cieľom skúšobných metód je zistenie únosnosti a tuhosti nosníkov v podmienkach čo najviac sa približujúcich normálnym podmienkam počas ich použitia v praxi. Skúšobné postupy sa realizujú podľa doporučení European Organisation For Technical Approvals (EOTA), ktoré sú spracované podľa požiadaviek normy EN 408. Vlhkosť vzoriek má zodpovedať rovnovážnej vlhkosti pre prostredie s relatívnou vlhkosťou vzduchu φ = 65±5 % pri teplote τ = 20±2 °C. V rámci tohto príspevku sa zisťovala pevnosť nosníka v ohybe. Na obrázku číslo 1 je skúšobný nosník pre zisťovanie pevnosti v ohybe.

Skúšané boli dva typy klincovaných nosníkov s rovnakým prierezom, ale odlišným počtom spojovacích prvkov pripadajúcich na jednotku dæžky. Pre porovnanie sa odskúšal aj lepený nosník takého istého prierezu. Pásnice nosníka sú zhotovené zo smrekového reziva triedy S II, stena je z OSB/3-Kronoply. Spoj pásnic so stenou je stavebnými klincami 2,5x60 mm.

Efektívna tuhosť nosníka sa určila aj výpočtom podľa noriem STN 73 1701 a DIN 1052.

Obr. 6: Typické poškodenie steny šmykom na lepenom nosníku

Obr. 7: Kolaps steny nad podporou

Vyhodnotenie experimentálneho merania

Počas zaťažovacej skúšky (obr. 4) došlo najprv k poškodeniu steny v ťahovej zóne a následne k roztrhnutiu ťahanej pásnice (obr. 5). Skúšky potvrdili, že klincované tenkostenné nosníky vykazujú horšie mechanické vlastnosti ako lepené, výrazné je to hlavne v deformáciách, čo je spôsobené poddajnosťou spojov. Nakoľko zaťaženie bolo krátkodobé, pri zaťažení dlhodobom priehyb bude narastať vplyvom reológie steny a pásnic. Porovnanie vypočítanej efektívnej tuhosti podľa noriem a určenej z meraní ukázalo, že normové hodnoty podľa DIN 1052 sú nižšie, to znamená, že sú na bezpečnej strane. Porovnanie s STN 73 1701 ukazuje, že niektoré namerané hodnoty tuhosti sú nižšie ako hodnota vypočítaná, čiže nie sú na bezpečnej strane. Nakoľko počet skúšobných telies bol relatívne malý, možno uvedené považovať iba za upozornenie a doporučiť ìalšie skúšky so štatisticky významným počtom skúšobných telies. Z porovnania deformácií na obr. 3 je zrejmé, že klincované nosníky nie sú vhodné pre hlavné nosné prvky, ale len pre podružné prvky, prípadne na dočasné konštrukcie. Experimenty ukázali, že tenkostenné nosníky (lepené aj klincované) s relatívne malým prierezom pásnice boli citlivé na skryté chyby pásnic (hrče, trhliny), ktoré výrazne negatívne ovplyvnili ohybovú pevnosť nosníkov. Takéto nosníky sa zo súboru vyradili a‑namerané hodnoty sa nebrali do úvahy. Toto je nutné zohľadniť aj pri nosníkoch ako stavebných dielcoch, kde z hľadiska bezpečnosti je nutná dôsledná kontrola kvality pásnic.