Zkušenosti z oblastí v USA, Japonsku apod., tedy v zemích s častým výskytem zemětřesení o poměrně vysoké intenzitě a zároveň s vysokým procentem zástavby lehkými dřevěnými domy (v USA se jedná až o 95 % všech obytných domů), potvrzují nadprůměrné chování těchto konstrukcí během zemětřesení o vysoké intenzitě. Lehké konstrukce mají velké množství poddajných spojů, které jsou schopny pohlcovat značné množství energie. Zatížení v těchto spojích je rovnoměrně rozloženo.

Konstrukce z masivního dřeva se od lehkých dřevěných konstrukcí zásadně odlišuje. Rozdíly spočívají např. v tom, že únosnost těžkých dřevěných rámů je silně ovlivněna malým počtem velmi namáhaných spojů (sloup–trám, sloup–patka), které jsou zatížené zemětřesením nebo jiným dynamickým zatížením a musí přenést vnitřní síly a zároveň zachovat požadované pohlcování energie. Kapacita mechanických spojovacích prostředků v dřevěném styčníku závisí na hustotě spojovaného materiálu, geometrii spoje a na mechanických vlastnostech spojovacího prostředku. Předchozí výzkum ukázal, že využití zhuštěného dřeva zvýší únosnost spojů, a tudíž i dřevěné konstrukce vzhledem ke korelaci mezi únosností spoje a hustotou. Zhušťování dřeva na druhou stranu způsobuje jeho křehkost a zvyšuje riziko trhlin ve dřevě vlivem tahu kolmo na vlákna. Ovšem i toto riziko lze silně omezit, použijeme-li vyztužení ve směru kolmém na vlákna.

Popis experimentu

Přestože lze mnoho konstrukcí modelovat teoreticky, proces navrhování dřevěných konstrukcí se ani v současnosti neobejde bez laboratorních zkoušek na typických konstrukcích či zmenšených modelech, podrobených seismickému zatížení. V tomto článku dokumentujeme zkoušky, které jsme prováděli na dřevěných rámech. Při experimentech se používalo obvyklé kinematické harmonické buzení, pseudonáhodné seismické zatížení a bylo měřeno charakteristické kmitání s cílem určit poškození konstrukce.

Byly vytvořeny dva typy rámu:

1) s horizontálním laminováním bez vyztužení spojů,

2) nový typ rámu se zhuštěným materiálem v oblasti styčníků, zesíleným sklolaminátovou textilií.

Způsob vyztužení, návrh styčníků a některé další charakteristiky byly navrženy až po analýze chování rámu ve zmenšeném měřítku 1:4.

Chování a odezva lepených lamelovaných dřevěných rámů byly studovány již mnohokrát analyticky i experimentálně, viz. např. [1], [2], [3] a další. Experimenty sestávají obvykle z monotónních, cyklických a pseudodynamických zkoušek styčníků mezi příčlí a sloupem. Experimenty napomáhají ověření analytických modelů, zvláště v případech, kde je třeba využít speciální, například hysterezní prvky, a mají význam při navrhování způsobu zesílení konstrukce.

Obr. 1: Rozměry experimentálního dvoupatrového rámu. Rámy mají základnu 2400x3300 mm a celkovou výšku 5200 mm (2600 mm 1. patro a 2400 2. patro). Nezhuštěné dřevo má vlhkost 10 % a průměrnou hustotu 0,44 g/cm^3. po zhuštění dřevaza tlaku 7 MPa bylo dosaženo hustoty 0,85 g/cm³.

Obr. 2: Detail připojení sloup-stropní rám. Tento výzkum byl zaměřen na studium chování dvoupodlažních rámů a srovnání odezvy rámu typického s rámem s laminovanými vyztuženými styčníky ze zhuštěného dřeva.

K připevnění laminátu na dřevo byla použita epoxidová pryskyřice. Tuhost a stabilita rámu v kolmém směru byla zajištěna překližkovými deskami, alternativně ocelovými diagonálními táhly. Stropy byly zhotoveny z trámků z běžného řeziva a překližkové desky. K připevnění stropu a desek bylo použito šroubovaných spojů, které se při opakovaném dynamickém zatížení nevytahují ze dřeva.

Tabulka 1: Parametry materiálů použitých pro vyztužení

Postup při experimentech na takovéto konstrukci:

● cyklické zkoušky spojení stropních trámů a sloupů,

● zkoušky rámů na seismickém stole. Rámy byly zatíženy bloky z betonu, které představují užitné zatížení konstrukce a zatížení od sněhu.

Obr. 3: Detail spojení mezi příčlí a sloupem vyztuženého rámu. Tmavší oblasti jsou vyztužené zhuštěné dřevo. Spojení je zajištěno osmi ocelovými svorníky o průměrech 16 a 20 mm. Jedná se o smrkové dřevo (Picea excelsa).

Obr. 4: Pro kvalitativní studie se využívá i malých modelů, které se zatěžují na seizmickém stole. Na obrázku je rám v měřítku 1:4 při kinetickém buzení.

Obr. 5: Dvoupatrový dřevěný rám určený pro testování odolnosti běžných a vyztužených styčníků na zemětřesení. Konstrukce byla zkoušena na vibračním stole s frekvenčním rozsahem 0-120.

Obr. 6: Před samotným návrhem konstrukce odolné na silná seismická zatížení se stanovuje pevnost jednotlivých spojů. Na obrázku je spoj sloup-patka a zatěřování ohybem.

Tabulka 2: Experimentálně určené vlastní frekvence a útlum (z)

Průběh koherenční funkce mimo jiné ukázal na to, že konstrukce přestává být po silném zemětřesení lineární. Spoje jsou namáhány až po plastickou oblast, což je doprovázeno poklesem jejich tuhosti a pevnosti. S pokračujícím poškozením dochází k poklesu vlastní frekvence až na 80 % původní hodnoty. S narůstajícím poškozením rovněž dochází k růstu ekvivalentního útlumu konstrukce. V případě zhuštěného dřeva se jedná až o 60 %.

Experimenty poslouží k účelnému návrhu styčníků a lze z nich odhadnout např. momenty ve styčníku příčle – sloup. Tak minimální moment vyztuženého zhutněného styčníku při maximální výchylce 71 mm činil 30 kNm, což reprezentuje cca 50 % jeho únosnosti. Moment 15 KNm u nevyztuženého styčníku, kterého bylo dosaženo při hodnotě posunu 97 mm, již představoval 75 % jeho únosnosti.

Obr. 7a: Příklad průběhu přenosových funkcí nepoškozené a poškozené konstrukce. Jedná se o konstrukci bez použití výztuže.

Obr. 7b: Příklad průběhu přenosových funkcí nepoškozené a poškozené konstrukce. Jedná se o konstrukci se styčníky ze zhuštěného dřeva.

Obr. 8: Typický průběh vztahu mezi momentem a natočením ve styčníku pro nezhuštěné dřevo a nevyztužený styčník (horní obr.) pro zhuštěný a nevyztužený styčník (prostřední obr.) a pro vyztužený spoj i zhuštěný materiál (dolní obr.)

Závěr

Dřevěné konstrukce vykazují vysokou schopnost pohlcení energie při dynamickém zatížení. Je tomu tak zřejmě kvůli zvýšení ekvivalentního mechanického útlumu, který závisí na chování mechanických spojovacích prvků. Mechanické spoje vykazují zvýšené hysterezní chování, a pokud jsou dobře navrženy, mohou být zatíženy velkým počtem cyklů, aniž by ztratily svou únosnost. K poklesu tuhosti spojovacích prvků dochází již při nízkých rotacích spojů a dochází i k poklesu vlastní frekvence konstrukce. Tento pokles je spojen s růstem tlumení. Znalostí cyklického chování styčníků lze využít při odhadu dovoleného zatížení a zbytkové životnosti spojů. Při standardním zkoušení styčníků může být dosaženo maximální únosnosti příliš rychle, čímž se pominou informace o samotném chování styčníků během doby života. Proto je vhodné styčníky a konstrukce zkoušet zatěžováním pomalými a nízkodeformačními cykly.

Ani velmi silné zemětřesení, které by bylo pro betonové nebo ocelové konstrukce nepřípustné, nevede u dřevěných konstrukcí k jejich zřícení. Rámy s densifikovanými prvky, navíc zesílené laminátem, nevykazují tak velký pokles vlastních frekvencí jako rámy z běžného dřeva a jsou velmi vhodné pro stavby či pro zesilování konstrukcí v oblastech vysoké seismické aktivity.

Projekt byl podpořen Fulbright Foundation, European Commission Human Potential Program, TU Dresden Sonderforschungsbereich SFB 528, ARCCHIP Center of Excellence Project ICA1-CT-2000-70013 of the EC 5th Research Framework a grantem GAČR 103/01/0708. Experimenty v měřítku 1:1 byly provedeny v ISMES Seismic Research Laboratory, ENEL HYDRO, Seriate, Italy. Modely byly vyrobeny za pomoci Paul Stephan Holzleimbau v Gaildorfu (Německo). Andreas Heiduschke, professor Peer Haller (TU Dresden) a Ivo Jirovský (ÚTAM) se významně podíleli na uvedeném projektu.

obr. a foto archiv autorů

Literatura:

1) Ohashi Y., Sakamoto I., Isoda H.: Experiments and response analyses on three storeyed timber frame structures. In Proceedings from Pacific Timber Engineering Conference Gold Coast, Australia. 1994. Volume 1. 222-231.

2) Miyazawa K.: Timber shear walls and skeleton structures analyses and experiments. In Proceedings from Pacific Timber Engineering Conference Gold Coast, Australia. 1994. Volume 1. 241–250.

3) Ceccotti A., Vignoli A., Goirdana C.: Seismic tests on full-scale timber structures. In Proceedings from Pacific Timber Engineering Conference Gold Coast, Australia. 1994. Volume 1. 232–240.

4) DIN Taschenbuch 34. Holzbau. Normen (Bauwesen 3). 8. Auflage. Beuth Verlag GmbH. Berlin. 1994. 467 p.

5) Kikuchi S.: Earthquake resistance of multi-storey timber frame structures. In Proceedings from Pacific Timber Engineering Conference Gold Coast, Australia. 1994. Volume 1. 205–214.

6) Buchanan A., Fairweather R.: Glulam connections for seismic design. In Proceedings from Pacific Timber Engineering Conference Gold Coast, Australia. 1994. Volume 1. 528–537.

7) Yasumura M., Ohta H., Fukuda I.: Design of wood-framed buildings with shear walls and moment frames. In Proceedings from International Wood Engineering Conference. New Orleans. 1996. Volume 4. 81–88.

8) Frenette C., Foschi RO., Prion HG.: Dynamic behaviour of timber frame with dowel type connections. In Proceedings from International Wood Engineering Conference. New Orleans. 1996. Volume 4. 89–96.

9) Banks W.: Gulf view towers: A case study for multi-storey timber construction. In Proceedings from International Wood Engineering Conference. New Orleans. 1996. Volume 2. 77–82.

10) Bouchair A., Bocquest JF., Racher P.: Behaviour of moment-resisting connections. In Proceedings from International Wood Engineering Conference. New Orleans. 1996. Volume 2. 153–160.

11) Leijten AJM.: The concept of the prestressed DVW reinforced joint with expanded tubes. In Proceedings from International Wood Engineering Conference. New Orleans. 1996. Volume 2. 295–299.

12) Haller P.: Technische Textilien im Holzbau und ihre Möglichkeiten in der Verbindungs¬technik, Bauen mit Textilien, Berlin: Ernst & Sohn, 1997 Heft 1, S. 11.

13) Haller P., Wehsener J., Birk T.: Embedding characteristics of fibre reinforced and densified timber joints; proceedings, CIB-W18-meeting, Venice, Italy, August 2001.

14) Kasal B., Heiduschke A., Haller P.: Fiber-reinforced beam-to-column connections for seismic applications. Proceedings of CIB W16 meeting. Kyoto, Japan. Universität Karlsruhe CIB W18/35-7-12.

15) Giese H., Kayser A., Jedenat L.: Dynamic identification of an r/c frame in different states of damage. In Proceedings of the Fourth European Conference on Structural Dynamics Eurodyn ‘99, Prague, Czech republic, 1999. Volume 1. 381–386.

16) Pospíšil S., Kayser A., Giese H., Zembaty Z., Kowalski M., Urushadze S.: Dynamic behaviour of crack induced changes in modal parameters of a reinforced concrete frame. In Proceedings Engineering Mechanics ’98, Svratka, Czech Republic, 1998. Volume 3. 617–622.

17) Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), Standard 344, Recommended Practice for Seismic Qualification of Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations, 987.

Ing,. Stanislav Pospíšil, Ph.D., (*1965) absolvoval Fakultu stavební ČVUT v Praze. Je vedoucí vědecký pracovník Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR v.v.i.

Dr. Bohumil Kasal (*1956) absolvoval Vysokou školu dřevařskou a strojní v Zvolenu, dále Virginia Polytechnic Institute and State University, Profesor Penn State University, Bernard and Henrietta Hankin Chair of Residential Building Construction.

Doc. Ing. Miloš Drdácký, DrSc., (*1945) absolvoval Fakultu stavební ČVUT v Praze. Je ředitelem Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR v.v.i.