ŠROUBOVANÉ PŘÍPOJE KONSTRUKCÍ ZE SKLA M. Eliášová1, F. Wald1 a Z. Sokol1 1
ČVUT, Fakulta stavební, Katedra ocelových konstrukcí, Thákurova 7, 166 29 Praha, ČR
[email protected] [email protected] [email protected]
BOLTED CONNECTIONS OF GLASS STRUCTURES One of the most progressive materials in the civil engineering is the glass with its new structural function. The structural glass is used for the façade systems, the roofs of the atriums, the railing of the staircases etc. as the load-carrying element. The glass is combined with others materials, mostly with the steel. There is a lack of knowledge, procedures, and design rules in glass structures yet. The connections between the glass components or to the supporting structure are one of the major questions in the today design of the glass structures. Two types of the bolted connections may be distinguished. The preloaded connections are used for the monolithic glass elements. The bearing type is used for the laminated glass structures. The paper presents the results of studies to the behaviour of bearing connections (the distribution of the bolt forces), to the contact problem of glass, including the material tests. ÚVOD V České republice byla v současné době postavena nebo je ve výstavbě řada nových budov, které odráží jak nové trendy v architektuře tak i nové technologie ve stavební výrobě a materiálech. Jedním z materiálů, který nabízí nové možnosti využití ve stavebnictví, je sklo. Jeho funkce výplně otvorů se změnila na materiál používaný stále častěji pro nosné prvky. Nosné konstrukce ze skla, které přenášejí zatížení nejen vlastní tíhou, ale například větrem či užitné zatížení, se používají na velkoplošné fasády, zastřešení atrií, spojovací můstky, zábradlí schodišť a jiné. Sklo se používá v kombinaci s ostatními materiály, především s ocelí. Pro navrhování a posuzování konstrukcí ze skla chybí doposud znalosti, předpisy a postupy, které by umožnily větší použití tohoto atraktivního materiálu, který je křehký a vyžaduje proto jiné pojetí spolehlivosti návrhu. Pokud je v současnosti navržena konstrukce využívající nějaký typ skla jako nosného prvku, projektanti vychází z omezených podkladů a předpisů a jsou závislí na experimentálním poznání problematiky.
Příspěvek se věnuje jedné z kritických částí konstrukcí ze skla, kterou jsou spoje. Pro připojení skleněných dílců k nosné konstrukci nebo pro spojení dílců mezi sebou se používají střižné nebo třecí spoje. Spolupůsobení jednotlivých spojovacích prostředků je ovlivněno typem materiálu skla (kalené, částečně kalené, nekalené nebo vrstvené s vloženou fólií) a druhem vložky v otvorech pro šrouby (slitiny kovů, plasty, pryže). Pokud je sklo použito na fasádní dílce, je navíc vystaveno změnám teploty, které se pohybují od teplot pod bodem mrazu až k teplotám na osluněné straně. V současnosti nejsou dostupné žádné znalosti o chování a spolupůsobení skupiny šroubů, které se mohou ve šroubovaných styčnících konstrukcí ze skla vyskytnout. Rozdělení vnitřních sil na jednotlivé spojovací prostředky je závislé na deformační tuhosti častí spojů.
F
pryž
zatěžovací váleček h podpěrný váleček
vzorek
Lb Ls
Síla [kN]
Obr. 1: Uspořádání zkoušky pevnosti skla v ohybu [1] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Průhyb [mm] Obr. 2: Pracovní diagram ze zkoušky č. 1 pevnosti skla v ohybu, průhyby na levém a pravém okraji
EXPERIMENTY Sklo, na rozdíl od materiálů běžně používaných, které mohou dosáhnout plastické deformace, se chová pružně až do porušení křehkým lomem. Nelze proto počítat se zmírněním vlivu lokálních špiček napětí plastifikací a redistribucí namáhání jako u oceli nebo hliníku. Při navrhování nosných prvků ze skla je třeba věnovat náležitou pozornost detailům, včetně spojů a přípojů, a jejich provedení v závislosti na použitém materiálu. Únosnost jednotlivých prvků spoje závisí na materiálu, opracování hran i technologii vrtání. Prvním předpokladem pro analýzu šroubovaného spoje skleněných prvků je stanovení materiálových charakteristik skla,
šroubů a dalších materiálů (např. polyamid, tmel, hliník), které se ve spojích používají. Pevnost skla v ohybu se stanoví z ohybové zkoušky zkušebního tělesa, které je podepřeno ve dvou bodech, obr.1. Výsledky vykazují velké rozdíly mezi identickými vzorky, směrodatná odchylka přes 20. Únosnost je ovlivněna materiálovými a povrchovými imperfekcemi. Pro stanovení pevnosti jednovrstvého skla o tloušťce 15 mm byly provedeny 4 zkoušky, [1], s průměrnou hodnotou pevnosti v ohybu 67 MPa, směrodatná odchylka 28,8. Zkušební tělesa o rozměrech 1100 x 360 mm byla uložena na pryžových páscích (o tloušťce 3 mm a tvrdosti 40±10 IRHD) na podporové válečky a zatěžována dvěma válečky, viz obr. 1. V průběhu zkoušky byl zaznamenávána síla a deformace, viz obr. 2 po 0,05 s . Zkušební tělesa byla plynule zatěžována rychlostí (2±0,4) MPa s-1 až do porušení skleněného panelu, viz obr. 3.
Obr. 3: Porušení skla při zkoušce pevnosti skla v ohybu, na obrázku je šipkou označena iniciace poškození 45 mm od pravé hrany tabule skla Pevnost skla v kontaktu je ovlivněna především polohou kontaktu, rovností povrchu a třením v kontaktní spáře. Únosnost v kontaktu je základní údaj pro zkoušky prvků i styčníků. Dvě sady zkušebních těles z tepelně neupraveného skla tloušťky 15 mm a velikosti 120 x 120 mm byla zkoušena v kontaktu s ocelí, hliníkem, polyamidem, pryží EPDM a syntetickým tmelem. Hrany byly povrchově upraveny broušením v celé ploše. V první sadě experimentů byla zkoušena tělesa s přesahem 15 mm, obr. 4, ve druhé sadě bez přesahu. METODA KOMPONENT PRO ŠROUBOVÉ PŘÍPOJE K připojení skleněných panelů k nosné konstrukci se nejčastěji využívá ocelových terčů nebo tvarovaných ocelových úchytů, které zabraňují vnášení ohybového momentu do skla, [2]. Spoje příložkami připojují skleněné tabule mezi sebou nebo k styčníkovému plechu. Tabule skla se spojují jedním nebo více šrouby v řadě za sebou či vedle sebe. Spoje se navrhují třecí nebo střižné. Přerozdělení vnitřních sil ve spoji je závislé na geometrii přípoje, materiálu skla a příložek, jakosti šroubů a na materiálu, kterým se otvor v tabuli skla v případě střižných spojů plní pro zvýšení únosnosti skla v otlačení. Data z materiálových zkoušek byla využita
pro analytický model šroubovaného spoje skleněných prvků, který bude ověřen sadou experimentů spojů včetně chování za tepla a při ochlazení.
Obr. 4: Kontakt sklo –slitina hliníku Přípoje skleněných konstrukcí jsou citlivé na rozdělení sil do jednotlivých šroubů. Na výpočet sil na jednotlivé spojovací prostředky lze použít metodu komponent. V metodě komponent se styčník rozloží na jednotlivé samostatné části - komponenty, určí se jejich pracovní diagram a chování styčníku se složí z chování jednotlivých komponent. Řešení lze zjednodušit popisem komponent bilineárním pracovním diagramem s výraznými analyticky stanovenými body: počáteční tuhostí, únosností a deformační kapacitou. Model komponent byl vyvinut pro předpověď ohybové tuhosti [6]. Pro popis chování kombinovaného spoje, VP šrouby a svary, jej využili [7]. Deformační tuhost komponenty deska v tahu lze stanovit jako kT = A / L, kde A je plocha a L délka plechu. Tuhost komponenty šroub v otlačení [8]se popisuje jako 16 d 2 f ub ks = , d M 16
(2)
kde d je průměr šroubu; d M 16 průměr šroubu M16; f ub pevnost šroubu. Tuhost komponenty šroub/plech v otlačení lze vyjádřit [8] výrazem k b = 24 β
k b k t d f u kde je otlačení plného dříku βS = 0,75; pro závit v otvoru βS = 0,75 kb = kb1 ale kb ≤ kb 2 ; kb1 = 0 ,25 eb / d + 0 ,5 ale kb1 ≤ 1,25; kb 2 = 0 ,25 pb / d + 0 ,375 ale kb 2 ≤ 1,25; a kt = 1,5 t j / d M 16 S
ale kt ≤ 2,5. Únosnost komponent se stanovuje z experimentálně ověřených analytických vztahů [6]. Deformační kapacitu je možno konzervativně odhadnout [9] pro plech v tahu jako δ Cd ,t = Leff ε Cd , pro šroub ve smyku δ Cd ,t = d ε Cd / 3 , a v otlačení δ Cd ,t = e1 ε Cd , s tažností oceli ε Cd ≅ ε ult ≅ ε min ≅ 16 % . Pro tuhost a pro únosnost lze vypočítat výminku rovnováhy a kompatibility se komponenty sestaví ve styčník. Pro tři šrouby v řadě platí [7] Fc 2 = Fc 1 + Fb 2 Fg 1 = Fg 2 + Fb 2
(5) (6)
δ b ,g ,1 + δ s ,1 + δ b ,c ,1 + δ T ,c ,1 = δ T ,g ,2
(7)
δ b , p ,2 + δ s ,2 + δ b ,c ,2 + δ T ,c ,2 = δ T , p ,3
(8)
Výsledná síla je součtem sil ve šroubech F = Fb1+ Fb2 + Fb3.
(9)
δ = δ T ,g ,e + δ b ,g ,1 + δ s ,1 + δ b ,c ,1 + δ T ,c ,1 + δ T ,c ,2 + δ T ,c ,e .
(10)
Protažení přípoje lze vyjádřit z
Z výrazů se stanoví neznámé vnitřní síly na každém zatěžovacím kroku podle pracovních diagramů jednotlivých komponent. Pro více než tři šrouby a nelineární chování komponent lze s výhodou použít standardních programů MKP a popsat chování včetně prokluzu. příložka šrouby sklo
p1,b1
e1,e
příložka šrouby F sklo
Fc,1 F b,1
kb,f,1 ks,1 kb,c,1 k T,g,1
F
Fb,3
Fb,2
první řada
e1,c Fc,2
Fg,1
příložka šrouby k T,g,e sklo
p1,b2
Fg,2 druhá řada kT,c,1 kb,f,2 ks,2 kb,c,2
třetí řada
kT,c,2 kb,f,3 ks,3 k b,c,3
kT,c,e
k T,g,2
Obr. 5: Sestavení komponent v přípoj s příložkami pro tři řady nepředepnutých šroubů Model spoje skleněného prvku s ocelovými příložkami a třemi šrouby v řadě za sebou rozložený na jednotlivé komponenty je na obr. 5. Výpočty byly provedeny pro jednovrstvé sklo s vložkami z polyamidu, slitiny hliníku nebo z oceli., obr. 6. V modelu byl pro první šroub v řadě předpokládán počáteční prokluz 0,5 mm. ZÁVĚRY Zkoušky skla v kontaktu a jeho materiálové zkoušky potvrdily vliv vnitřních a povrchových imperfekcí na dosahované hodnoty a velký rozptyl vlastností skla z jedné šarže. Výsledky analytického modelu metodou komponent pro tři šrouby v řadě ukazují, že pro dané konfigurace přenáší první šroub v řadě asi 120% v porovnání s ostatními šrouby. Lze předpokládat, že materiál vložky má omezený vliv na velikost síly ve šroubu (1,0 : 0,90 : 0,88; 1,0 : 0,78 : 0,78; 1,0 : 0,71 : 0,66). Předložený příspěvek je součástí výzkumných prací, které se zaměřují na tvorbu podkladů pro návrh evropských norem pro konstrukce ze skla.
Síla, kN
30
40 30 20 10 0 b) Šroub
Síla ve šroubu, kN Vložka z polyamidu Šroub 1
20
Šroub 2
10
Šroub 3 Deformace styčníku, mm
0 a)
0,0
5,0
10,0
Síla, kN δ = 1,0 mm
Síla, kN δ = 5,0mm
40 40 30 Vložka 30 Vložka Vložka z polyamidu 20 z polyamidu 20 z polyamidu 10 10 0 0 Šroub 1 2 3 1 2 3 Šroub 1 2 3
δ = 0,6mm
1,0
Síla ve šroubu / největší síla ve šroubu
δ = 10 mm
15,0
0,5 c)
1 2 3 Šroub 1 2 3 1 2 3 0 Vložka z polyamidu z oceli Vložka z hliníku
Obr. 6: a) Nárůst síly ve šroubu během zatěžování, vložka z polyamidu, rozteč p1 = 80 mm; b) rozdělení sil ve šroubech během zatěžování pro vložku z polyamidu c) poměrná síla ve šroubech pro vložky z polyamidu, hliníku a oceli
OZNÁMENÍ Tato práce vznikla za podpory grantu Kontakt 23/2003 a výzkumného záměru Ministerstva školství tělovýchovy a mládeže č. J01-98:210000001. materiály dodaly Sipral s. s r.o. a Isolas s. s r.o. LITERATURA [1] ČSN EN 1288-3: Sklo ve stavebnictví – Stanovení pevnosti skla v ohybu. Český normalizační institut, 2001 [2] Ryan P. - Otlet M. - Ogden R., G.: Supported Glazing Systém. SCI, P. No. 193, Oxford, 1998, ISBN 1-85742-070-2 [3] Rice P. - Dutkon H.: Structural Glass. E and FN Spon, 1995, London, ISBN 0-419-199403 [4] Krewinker H. W.: Glass Buildings, material, Structure and Detail. Birkhauser, Basel, 1998, ISBN 3-7643-5650-2 [5] Siebert G.: Entwurf und Bemessung von tragenden Bauteilen aus Glas. Ernst & Sohn, Berlin, 2001, ISBN 3-433-01614-3 [6] Zoetemeijer P.: Summary of the Research on Bolted Beam-to-Column Connections. period 1978 - 1983, Rep. No. 6-85-M, Steven Laboratory, Delft, 1983 [7] Gresnigt A.M. - Steenhuis C.M.: Stiffness of lap joints with preloaded bolts. in The Paramount Role of Joints into the Reliable Response of Structures, NATO Science Series, ed. Banitopoulos C.C. - Wald, F., Series II, Vol. 4, Kluver Academic Publishers, Dortrecht, ISBN 0-7923-6700-6, pp. 396-408, 2000
[8] Jaspart J.P.: Recent advances in the field of steel joints – Column bases and further configurations for Beam-to Column Joints and Beam Splices. Thesis, Université de Liège, 1997 [9] Wald F. - Sokol Z. - Moal M. - Mazura V. - Muzeau J. P.: Component method for cover plate connections with slotted holes. V Stability and ductility of steel structures, Budapest, s.587 - 594, ISBN 963-05-7950-2
