SBORNÍK. Nadace Františka Faltuse Národní skupina IABSE Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí FSv ČVUT

Nadace Františka Faltuse Národní skupina IABSE Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí FSv ČVUT

SBORNÍK semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 23.3. a 14.9.2010

Editoři: J.Studnička a M.Vovesný

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010

Sborník semináře doktorandů katedry Ocelových a dřevěných konstrukcí Ed. Studnička, J. a Vovesný, M. Nadace Františka Faltuse Národní skupina IABSE Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí FSv ČVUT ISBN 000-00-00-00000-0

-2-

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 OBSAH Jiří Studnička:

Nadace Františka Faltuse ............................................................ 4

Jan Bednář:

Požární odolnost kompozitní stropní desky ................................ 8

Tomáš Brtník:

Svary prvků z vysokopevnostních ocelí.................................... 10

Martin Charvát:

Spřažené ocelobetonové tenkostěnné nosníky .......................... 12

Jan Pošta:

Nedestruktivní zkoušení dřevěných prvků in-situ .................... 14

Radek Pošta:

Vyztužené válcové ocelové skořepiny za vysoké teploty ......... 16

Jan Psota:

Plechobetonová mostovka......................................................... 18

Štěpán Thöndel:

Ocelobetonový nosník s vysokou žebrovou deskou ................. 20

Martin Vovesný:

Mostovkový panel z vyztužených polymerů ............................ 22

Tomáš Fremr:

Analýza zbytkové únosnosti a robustnosti hybridních nosníků ze skla a oceli................................................................................. 24

Klára Machalická:

Lepené spoje konstrukcí ze skla namáhané smykem ................ 28

Kateřina Servítová:

Chování předepnutých prutů z nerezových ocelí ...................... 32

Michal Netušil:

Experimentální a numerická analýza hybridních nosníků ze skla a oceli ........................................................................................ 36

Thi Huong Giang Nguyen: Spřažení trny malých průměrů .................................................. 42 Michal Strejček:

Chování komponenty stěna sloupu ve smyku za zvýšené teploty – experimentální a numerická studie ........................................ 48

Jiří Žižka:

Patní deska s trny ...................................................................... 54

-3-

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 NADACE FRANTIŠKA FALTUSE FRANTISEK FALTUS FOUNDATION Jiří Studnička Myšlenka založit studenty podporující Nadaci Františka Faltuse vznikla při přípravě oslav stých narozenin profesora Faltuse, které připadly na 5.1.2001. Nadace byla oficiálně založena v únoru 2001 s cílem finančně pomáhat studentům všech forem studia Fakulty stavební ČVUT v Praze, zaměřeným na ocelové konstrukce. Základní jmění Nadace, více než půl milionu Kč, pocházelo z daru dcery prof. Faltuse, paní Ing.Věry Dunder, CSc. z Kalifornie, USA. Jmění Nadace se postupně zvyšuje o dary poskytnuté českým ocelářským a stavebním průmyslem. Činnost Nadace popisují výroční zprávy, účetní uzávěrky a zprávy dozorčí rady pravidelně uveřejňované na webu Nadace http://www.ocel-drevo.fsv.cvut.cz/nff/. Příslušné listiny za rok 2009 přetiskujeme pro informaci čtenářům i v tomto sborníku vydaném s podporou Nadace.

1. Dokumenty Nadace Františka Faltuse za rok 2009 Schůze Správní rady a Dozorčí rady k uzavření roku 2009 proběhla 26. března 2010. Byla schválena Výroční účetní uzávěrka za rok 2009 a Výroční zpráva za rok 2009. Dozorčí rada předložila svoji Výroční zprávu za rok 2009. Výroční zprávu otiskujeme dále. 1.1 Hospodaření Nadace v roce 2009 Vklad Nadace je uložen na termínovaném účtu 276880220657/0100 u Komerční banky, Podvinný mlýn 2, 180 41 Praha 9. Pro zasílání darů je zřízen běžný účet 0000513029400247/0100 u téže banky. Stav jmění Nadace k 31.12.2008 byl 1 495 346,35 Kč, stav k 31.12.2009 je 1 674 624,19 Kč. 1.2 Činnost Nadace v roce 2009 Sedmá výzva k předložení žádostí studentů postgraduálního studia o podporu byla zveřejněna 5.1.2009. Na výzvu se s žádostí o příspěvek přihlásili Ing. Jana Egrtová a Ing.Jiří Jirák a byla jim poskytnuta podpora na dokončení disertace 2 x 15 000,- Kč, takže bylo vyplaceno celkem 30 000.- Kč. Pro studenty bakalářského i magisterského studia a pro pomocné vědecké síly katedry ocelových konstrukcí bylo dne 6.5.2009 uspořádáno Kolokvium Františka Faltuse. Účast na kolokviu byla z prostředků Nadace FF dotována finanční odměnou 2000.- Kč pro každého účastníka. Celkem se zúčastnilo 5 studentů a bylo jim tudíž vyplaceno 10 000.- Kč. Postgraduální studenti katedry vystoupili na dvoudílném Semináři doktorandů dne 17.3. a 9.9.2009 a publikovali výsledky svých výzkumů ve sborníku vydaném k tomuto semináři. Za vystoupení na semináři a za publikaci příspěvku byly každému autorovi vyplaceny 4000,- Kč. Ve sborníku publikovalo a na semináři vystoupilo celkem 11 studentů, takže bylo vyplaceno celkem 44 000,- Kč. Pomocnému editorovi sborníku Ing.M.Netušilovi byly za přípravu textu vyplaceny 3000,- Kč. Za vytištění sborníku bylo zaplaceno 13 391,31 Kč. Celkové výdaje za seminář tudíž činily 60 391,31 Kč. Diplomantům katedry ocelových konstrukcí (magisterské studium), kteří obhájili práci z oboru ocelových konstrukcí s hodnocením A, bylo vyplaceno 2 000,- Kč. Takto obhájilo -4-

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 v lednu 2009 celkem 8 studentů a v červnu 2009 celkem 4 studenti, takže na těchto odměnách bylo vyplaceno celkem 24 000,-Kč. Pro studenty bakalářského studia byla zakoupena skripta v celkové ceně 67 962,-Kč. Ve prospěch studentů katedry tak bylo v roce 2009 vynaloženo celkem 192 353,31.- Kč. Provozní náklady Nadace se v roce 2009 omezily pouze na úhradu účetní práce s přípravou daňového přiznání (5 950,-Kč) a úhradu ze vedení účtu v Komerční bance (4 298.-Kč). Výnosy z úroků činily 8 879,15 Kč. Všichni členové Správní a Dozorčí rady se zřekli nároku na odměnu. Předsedou Správní rady byly i v roce 2009 osloveny firmy z oblasti stavebních ocelových konstrukcí s žádostí o dary Nadaci. Žádosti se setkaly s příznivou odezvou a během roku 2009 tak bylo shromážděno 373 000.- Kč, za což patří všem dárcům velké díky. V Praze 26. března 2010 Prof.Ing.Jiří Studnička, DrSc., v.r., předseda správní rady Prof.Ing.František Wald, CSc., v.r., člen správní rady pověřený funkcí tajemníka Ing.Antonín Pačes, v.r. člen správní rady pověřený funkcí pokladníka

2. Výroční účetní uzávěrka Nadace Františka Faltuse za rok 2009 Stav nadačního jmění k 31.12.2008:

1 495 346,35 Kč

Dary v roce 2009 Seznam finančních darů NFF dle výpisu z účtu: Datum 21.1.2009 21.1.2009 21.4.2009 3.9.2009 3.9.2009 4.9.2009 8.9.2009 10.9.2009 15.9.2009 16.9.2009 16.9.2009 16.9.2009 18.9.2009 21.9.2009 22.9.2009 23.9.2009 2.10.2009 12.10.2009 15.10.2009 15.10.2009

dar 15 000,00 15 000,00 20 000,00 20 000,00 30 000,00 10 000,00 10 000,00 20 000,00 10 000,00 10 000,00 20 000,00 20 000,00 10 000,00 10 000,00 15 000,00 20 000,00 10 000,00 10 000,00 5 000,00 20 000,00 -5-

dárce Ing.Žižka Jiří Ing.Žižková Jana anonym SGB HUNNEBECK VALBEK EXCON Kovové profily Siemens VAI Metals Technologies MALCON SUDOP Praha SAM Silnice a mosty Metroprojekt EUROVIA SOK ALLCONS RUUKKI CZ MCE Slaný SKÁLA a VÍT SMP Ing Software Dlubal VPU DECO Praha

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 2.11.2009 26.11.2009 27.11.2009 14.12.2009 21.12.2009 22.12.2009 celkem

20 000,00 10 000,00 10 000,00 20 000,00 10 000,00 3 000,00 373 000,00

Vyplaceno přímo studentům Tisk sborníku Skripta

111 000,00 13 391,31 67 962,00

Ve prospěch studentů celkem

192 353,31

Náklady Úhrada za účetní práce Poplatky bance

5 950,00 4 298,00

Náklady celkem

10 248,00

Výnosy = úroky

8 879,15

Stav nadačního jmění k 31.12.2009 Z toho: - na termínovaném vkladu - na běžném účtu

Metrostav LINDAB MOTT MACDONALD CKAIT Matějka Engineering INDBAU

1 674 624,19 1 283 580,62 391 043,57

3. Zpráva Dozorčí rady Výroční zpráva Dozorčí rady Nadace Františka Faltuse ze dne 26.3.2010 potvrdila, že Správní rada postupovala v roce 2009 podle statutu Nadace a podle Zákona o nadacích a nadačních fondech a o změně a doplnění některých souvisejících zákonů č.227 ze dne 3.9.1997. Dozorčí rada dále potvrdila, že účetní operace v účetní uzávěrce za rok 2009 odpovídají statutu Nadace. V Praze 26.3.2010 Doc.Ing.Tomáš Rotter, CSc., předseda dozorčí rady Prof.Ing.Josef Macháček, DrSc., člen Ing.Emil Steinbauer, člen

-6-

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 4. Krátký životopis F.Faltuse Dlouholetý profesor ČVUT a nejznámější postava ocelových konstrukcí Československa druhé poloviny dvacátého století František Faltus se narodil 5.1.1901 českým rodičům ve Vídni. Tam také vystudoval střední školu a v roce 1923 s vyznamenáním i Technickou univerzitu. Po studiích nastoupil u projekční firmy Waagner Biro, kde se zapojil do projektování mostu přes Dunajský kanál. Přitom v roce 1925 také získal na TU Vídeň doktorát za disertační práci „Příspěvek k výpočtu staticky neurčitých konstrukcí“ (Beitrag zur Berechnung statisch unbestimmter Tragwerke). V roce 1926 se mladý Dr. Ing. Faltus přemístil z Vídně do Plzně, kde nastoupil zaměstnání v konstrukci Škodových závodů. Jako velmi inspirující se pro F.Faltuse ukázala účast na první přípravné schůzi tehdy zakládané inženýrské organizace IABSE v Curychu v roce 1926, kde se velká pozornost věnovala tehdejší novince ve spojování ocelových konstrukcí, svařování elektrickým obloukem. Dr.Ing. Faltus rozpoznal význam novinky i pro praxi stavebních ocelových konstrukcí a po návratu z Curychu inicioval ve Škodovce rozsáhlé výzkumné práce na poli svařování, nejprve související se svařováním tzv. prolamovaných nosníků. Po zdokonalení praktického svařování byl u zrodu tehdy ve světě největšího celosvařovaného příhradového mostu s rozpětím 49,6 m postaveného v areálu Škodovky v Plzni, který byl dohotoven v roce 1931. Toto rozpětí bylo za dva roky překonáno celosvařovaným obloukovým silničním mostem přes Radbuzu rovněž v Plzni. Oblouk má rozpětí 51 m a po rekonstrukci a rozšíření mostovky na konci minulého století je i dnes v plném provozu. Ve výzkumu svařování F.Faltus pokračoval celý život a jako významný odborník byl žádán o rady třeba i při svařování tlakové nádoby první československé atomové elektrárny A1 v Jaslovských Bohunicích. Je také autorem známé příručky pro svařování, která posloužila ke studiu mnoha generacím svářečů. Jako teoreticky zdatný a praxí zocelený odborník neunikl F.Faltus pozornosti vysokého školství. Již v roce 1938 se začala projednávat jeho profesura na Vysoké škole inženýrského stavitelství v Praze, okupace ale jmenování zdržela o sedm let. Na fakultu inženýrského stavitelství ČVUT se tak Faltus dostal až po ukončení války v roce 1945, kdy doslova z ničeho zde vybudoval Ústav ocelových konstrukcí. V roce 1947 také zastával jeden rok funkci děkana. Po sloučení tří stavebních fakult (FIS, FAPS a fakulty zeměměřické) do jedné Fakulty stavební v roce 1960 vedl až do roku 1970 katedru ocelových konstrukcí této velké fakulty. Profesor Faltus byl přirozeně i velmi známou osobou ve světě. Za významnou činnost v IABSE byl jmenován v roce 1975 čestným členem této největší mezinárodní inženýrské organizace, přednášel na univerzitách v USA, Číně, Sovětském svazu a v mnoha zemích Evropy. I po odchodu z katedry ocelových konstrukcí v roce 1970 stále ještě vedl vědecké aspiranty katedry. Dokud mu zdraví sloužilo, zajímal se o ocelové konstrukce, psal odborné posudky atd. Zemřel po delší nemoci na podzim roku 1989.

-7-

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 POŽÁRNÍ ODOLNOST KOMPOZITNÍ STROPNÍ DESKY FIRE RESISTANCE OF COMPOSITE FLOOR SLAB Jan Bednář Abstract The doctoral thesis will focus to the behaviour of the slab exposed to elevated temperature during fire. The work will be based on the current published knowledge of the steel to concrete or timber to concrete composite slabs at high deflection in fire. The experiments with composite beam and slab in laboratory and FE simulation allow to prepare an analytical model for prediction of the major stages of behaviour the initialisation of the plastic yield lines, its development and full advance development of membrane behaviour, its progress and the achievement of the ultimate limit state including the boundary conditions. The current generation of materials will be taken into account, the fibre concrete, the high strength steel and the glue laminated timber. Key words: floor slab, steel to concrete, timber to concrete, membrane action, fire design

ÚVOD Požární návrh kompozitních stropních desek, (ocelobetonových a dřevobetonových) je založen na experimentech, ze kterých byla odvozena pravidla na požadovanou nejmenší tloušťku, vyztužení a krytí, viz [1]. Zkoušky v peci nevystihují skutečné působení desky, protože neuvažují obousměrné působení desek a vodorovnou tuhost skutečné konstrukce. Požární odolnost stropní desky v konstrukci je obecně vyšší než nevyztužené desky, protože po vytvoření liniových plastických kloubů v desce se v ní může vytvořit membránové pole viz obrázek 1, které výrazně zvýší dobu požární odolnosti desky.

Obr. 1: Působení stropní desky při velkých průhybech Fig.1: Action of the floor slab in the large deflection STROPNÍ DESKA ZA POŽÁRU Únosnost desek za běžné teploty při velkých deformacích byla studována Parkem. Je všeobecně známo, že způsob uložení okrajů výrazně ovlivňuje chování desky. Teoretický a experimentální výzkum membránového působení při velkých deformacích byl omezen možností jeho praktického využití, protože za běžné teploty se posuzuje také mezní stav použitelnosti. Při zabránění prostorovému kolapsu lze za mimořádné situace při požáru velké deformace využít. Využívá se poznatků výzkumu desek za běžné teploty i nově připravených mechanických modelů, viz [2], které byly ověřeny na experimentální budově v Cardingtonu v letech 1995 až 2003. Ocelové tlačené sloupy byly požárně chráněny. Ocelové nosníky nebyly chráněny a jejich teplota přesáhla 1000 °C. Svislé zbytkové průhyby desky přesáhly 500 mm, viz [3]. Na základě výsledků zkoušek byly vyvinuty jednoduché empirické modely, které umožňují tlakové membránové působení uvažovat pro kompozitní desky při určitých okrajových podmínkách. Řada výzkumných prací prokázala, že

-8-

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 působení tlačené membrány je ovlivněno nejen na dobu trvání požáru, polohu výztuže a umístění výztuže, ale také na štíhlost desky, její ohybovou tuhost a připojení okrajových nosníků a konstrukčních prvků. Nejnovější experimentální poznatky problematiky přinesly projekty FRACOF, Mokrsko a na Tongji University. Při prvním byla do porušení zkoušena deska 8,7 m x 6,7 m, která byla vystavena teplotě plynů podle nominální normové křivky. Byla potvrzena požární odolnost 120 min. K porušení došlo ve spoji výztuže, viz [4]. Na pokusném objektu v Mokrsku byla kromě jiného zkoušena deska 12,0 x 9,0 m, která byla navržena pokročilými modely MKP na požární odolnost 60 min. Porušení při přirozeném požáru nastalo v tlačené oblasti desky v 62. minutě. Poslední návrhový model pro ocelobetonovou desku umožnily připravit laboratorní testy na Tongji University, viz [5]. Využití vláknobetonu, tzn. betonu vyztuženého všesměrně rozptýlenými vlákny, dosahuje v některých zemích až 30 % objemu výroby betonových a ocelobetonových konstrukcí. Materiál, ale i tvar a množství použitých vláken (ocelových, skleněných, syntetických a minerálních) ovlivňuje fyzikálně mechanické vlastnosti vláknobetonu. Rozptýlenou výztuží je výrazně ovlivněn pracovní diagram vláknobetonu v tlaku i v tahu. U vláknobetonu se zvětšuje schopnost plastického přetváření a tím se zpomaluje proces porušení. Již více než šedesát let se dřevobetonové konstrukce využívají při návrhu, rekonstrukcích a zesilování stropů, viz [6]. Studie po celém světě ukázaly výhody, tj. únosnost, tuhost a tažnost těchto systémů a jejich dostatečnou trvanlivost a značnou zvukovou izolaci a požární odolnost. Klasické vyztužení betonové desky vede na její větší tloušťku, která ovlivňuje požadavky na konstrukci. V praxi se osvědčilo využití vláknobetonu. Požární odolnost dřevobetonové desky byla studována pouze v několika laboratořích. Studie dřevobetonové desky s vláknobetonem nebyly zatím publikovány. ZÁVĚR Cílem práce je vytvořit analytický návrhový model pro popis chování ocelobetonových a dřevobetonových spřažených stropních desek z materiálů nové generace, které jsou za požární situace vystaveny vysokým teplotám. Po studiu literatury budou připraveny zkoušky za běžných i zvýšených teplot kompozitní ocelobetonové a dřevobetonové desky s drátkobetonem a studie citlivosti na hlavní parametry MKP. Analytický model zahrne inicializace plastických liniových kloubů, jejich rozvoj a plné vytvoření, vznik membránového působení, jeho postup a dosažení mezního stavu únosnosti za požární situace při velkých deformacích. OZNÁMENÍ Výzkum, jehož výsledky se prezentují v tomto příspěvku, byl podpořen grantem SGS č. 10 801390. LITERATURA [1] Bailey C.G., Lennon T., Moore D.B.: The behaviour of full-scale steel framed buildings subjected to compartment fires. Struct Eng, Vol. 77(8), s. 15–21, 1999. [2] Fire protection for structural steel in buildings. 2nd ed.—revised. The Association of Specialist Fire Protection. Ascot: The Steel Construction Institute, 1992. [3] Martin D.M., Moore D.B.: Introduction and background to the research programme and major fire tests at BRE Cardington. In: National Steel Construction Conference, London, s. 37–64, 1997. [4] Zhao B., Roosefid M., Vassart O.: Full scale test of a steel and concrete composite floor exposed to ISO fire, Proceeding of the Fifth International Conference on Structures in Fire, SiF'08, s. 539545, 2008. [5] NA-SI ZHANG, GUO-QIANG LI: A new method to analyze the membrane action of composite floor slabs in fire condition, Proceeding of the Fifth International Conference on Structures in Fire, SiF'08, pp. 560-571, 2008. [6] Ahmadi, B.H., Saka, M.P.: Behavior of composite timber-concrete floors, Journal of Structural Engineering New York, N.Y., Vol. 119 (11), s. 3111-3130, 1993.

-9-

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 SVARY PRVKŮ Z VYSOKOPEVNOSTNÍCH OCELÍ WELDS OF HIGH STRENGTH STEEL MEMBERS Tomáš Brtník Abstract Present development in field of constructional steel is heading towards substantial increase in strength which leads to material savings. According to new European design codes for civil engineering it is possible to use steels up to grade S700. However on the market are available steels matching grade S1000 and higher. Specific trait of high strength steels (HSS) and very high strength steels (VHSS) is in comparison to conventional steels lower ductility, resulting to smaller possibility of plastic deformations and lower rotational capacity of connections. The aim of prepared work is to examine behavior of welds in high strength steel (S1100) by different ways of straining using different undermatched filler metals. Key words: weld, high strength steel, undermatched weld metal, fillet welds, ductility

ÚVOD Vysokopevnostní oceli tvoří specifickou skupinu ocelí. Vyznačují se oproti běžným ocelím především vyšší mezí kluzu, vyšší pevností a v některých případech také vyšší tvrdostí, přičemž ostatní vlastnosti jako modul pružnosti či houževnatost zůstávají na stejné úrovni jako u běžných ocelí. Naopak s rostoucí pevností klesá tažnost. V současnosti se vysokopevnostní oceli vyrábějí především pomocí řízeného termomechanického válcování, případně kalením a následným popouštěním. Pomocí těchto procesů je dosaženo jemnozrnné struktury oceli, díky které je možno dosáhnout vysokých pevností bez nutnosti vyšších přídavků legur a z toho plynoucích omezení co se týče zpracovatelnosti a současně i vyšších výrobních nákladů. Od termomechanického zpracování se také odvíjí rozdílný obsah legur pro různé tloušťky stejně pevných ocelí. Podmínky pro svařování tedy nejsou u termomechanicky zpracovaných ocelí stejné pro všechny dodávané tloušťky materiálu shodného označení [1,2]. KOUTOVÉ SVARY VYSOKOPEVNOSTNÍCH OCELÍ S rostoucí pevností konstrukčních ocelí klesá jejich tažnost, což u ocelí vysokých pevností vede k omezené možnosti jejich plastického využití. V národní příloze ČSN EN 1993-1-12 je dovoleno pro svary používat elektrody s nižší pevností než je základní materiál, s omezením nejvýše o dvě třídy nižší než je pevnostní třída základního materiálu. Ve strojírenství se však úspěšně používají i svary z elektrod s pevností výrazně nižší. Použitím svarového kovu s nižší pevností lze dosáhnout příznivějšího chování spoje a tím lepšího využití celé konstrukce. U koutových svarů se tato možnost jeví jako obzvláště vhodná, neboť snížení pevnosti svaru lze kompenzovat jeho větší tloušťkou. Z dosavadních výzkumů vyplývá, že u svarů provedených elektrodami nižší pevnosti je jejich únosnost pozitivně ovlivněna základním materiálem svarového spoje, který vlivem trojrozměrného stavu napjatosti zvyšuje jejich teoretickou únosnost na mez přibližně odpovídající průměrné pevnosti svarového kovu a základního materiálu. Svařování vysokopevnostních ocelí pomocí elektrod s nižší pevností je výhodné také vzhledem k menšímu množství vneseného tepla, což vede ke snížení vnitřního pnutí, které je úměrné pevnosti svarového kovu. Vyšší vnesené teplo zároveň zvětšuje tepelně ovlivněnou oblast, která má na únosnost spoje významný vliv. Ukazuje se že u ocelí vysokých a velmi vysokých pevností má na mechanické vlastnosti svarů vliv mnoho dalších faktorů. Oproti běžným ocelím také vzrůstají technologické požadavky. Mezi nejvýznamnější faktory ovlivňující výsledné vlastnosti svarových spojů patří mechanické vlastnosti materiálu elektrod, jejich chemické složení a teplotní režim v průběhu, před a po svařování. Použití svarů s elektrodami nižší pevnosti dovolují téměř všechny aplikace, kromě tupých svarů namáhaných na mezi únosnosti. Svarový kov stejné pevnosti může v řadě případů přispět k vyšší náchylnosti na tvorbu trhlin [1,2,3,4,6].

- 10 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 EXPERIMENTY Naplánovaný výzkum se bude zabývat zjišťováním mechanických vlastností svarů provedených pomocí elektrod s významně nižší pevností na vzorcích z vysokopevnostní oceli S 1100. Do výzkumu budou zahrnuty i elektrody podkračující normou [5] doporučené hodnoty. Celkem budou použity elektrody o čtyřech různých pevnostech. Vzorky budou svařovány pomocí metody MAG. Bude sledován vliv různých pevností materiálu elektrod a různých režimů chladnutí svaru (teplota t8/5) na samotný svarový kov i tepelně ovlivněnou oblast.

Obr. 1: Uspořádání jednoduché tahové zkoušky koutového svaru Fig.1: Simple tensile test arrangement of fillet weld Všechny sledované parametry budou pro každou z elektrod zkoušeny na čtyřech sadách vzorků, první a druhá sada bude svařena pomocí jednovrstvého svaru účinné tloušťky 6 mm s orientací svarů paralelně a kolmo ke směru válcování. Třetí a čtvrtá sada vzorků bude provedena obdobně, avšak pomocí vícevrstvého svaru účinné tloušťky 9 mm. Z provedených svařenců budou nařezány a vyfrézovány zkušební vzorky pro tahové zkoušky a pro zkoušky vrubové houževnatosti. Po získání pevnostních a deformačních charakteristik budou provedeny zkoušky na jednoduchých centricky zatížených vzorcích viz obr. 1 za účelem zjištění vlivu mechanických vlastností jednotlivých částí svarového spoje na únosnost celku. Poté budou provedeny zkoušky na složitějších vzorcích – krční svary svařovaného I profilu (pásnice i stojina z vysokopevnostní oceli, nebo hybridní nosník), příp. přípoj nosníku z oceli běžné pevnosti na pásnici svařovaného sloupu z vysokopevnostních plechů. Výsledky jednoduchých testů budou využity pro kalibraci numerického modelu, na kterém budou provedeny paralelní výpočty složitějších vzorků a porovnány výsledky. Cílem práce je zmapovat vliv různých poměrů pevností elektrody a základního materiálu a současně různých teplotních režimů na celkové mechanické vlastnosti a z toho plynoucí doporučení konstrukčních zásad a parametrů tuhostí a pevností do metody komponent či numerického modelování pro koutové svary oceli S1100. OZNÁMENÍ Tento výzkum je podpořen výzkumným grantem GAČR 103-08-H066. Autor tuto podporu velice oceňuje. LITERATURA [1] IABSE: Use and Applications of High Performance Steels for Steel Structures, Structural Engineering document No. 8, str. 99-110 IABSE [2] How to choose electrodes for joining HSS http://files.aws.org/wj/2007/wj0707-26.pdf [3] Rasche C., Kuhlmann U.: Investigations on longitudinal fillet welded lap joints of HSS – NSCC 2009 [4] Collin P., Johansson B.: Design of Welds in High Strength Steel – http://www20.vv.se/fudresultat/Publikationer_000701_000800 [5] ČSN EN 1993-1-12 Euród 3 - Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-12: Doplňující pravidla pro oceli vysoké pevnosti do třídy S 700, ÚNMZ, 2007 [6] Herman P.: Interní materiály firmy Wirpo sro.

- 11 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 SPŘAŽENÉ OCELOBETONOVÉ TENKOSTĚNNÉ NOSNÍKY COMPOSITE STEEL AND CONCRETE THIN-WALLED BEAMS Ing. Martin Charvát Abstract The Eurocode 4(EN 1994-1-1:2006) gives instruction for design of shear connection between concrete slab and steel elements. The Standard, however, does not present a guide for composite behaviour of concrete slab and thin-walled cold formed beam (e.g. purlin), which requires use of suitable shear connectors. The planned Thesis will deal with small diameter headed studs welded to thin-walled elements. First a survey of new technologies and new devices for welding of small diameter studs are presented, including preliminary tests performed in Welding laboratory of CTU in Prague. Based on the obtained results the push-out tests with 10 mm studs welded on thin-walled purlins are planned, followed by a beam test. Finally, for the Thesis purpose, the tests will numerically be modelled with goal to receive spectrum of results leading to recommendation for design practice. Key words: composite steel and concrete, thin-walled beams, shear connector, push-out test, headed stud.

ÚVOD Výzkum bude zaměřen na spřažení tenkostěnných vaznic s betonovou deskou. Ačkoliv takový případ v praxi není běžný, rozšíří současné možnosti navrhování spřažených konstrukcí. Vhodnými spřahovacími prvky pro tento účel mohou být přistřelované tenkostěnné zarážky firmy Hilti (kotvy, Stripcon, Ribcon) nebo přivařované trny a svorníky. Navrhovaný výzkum se předběžně soustředil na přivařované provedení, s deskou betonovanou do trapézových plechů jako ztraceného bednění. Pro trny jsou v současnosti k dispozici 2 metody přivařování: elektrickým obloukem (tzv. zdvihovým zážehem) a kondenzátorovým výbojem (tzv. hrotovým zážehem). SOUČASNÉ A NOVÉ TECHNOLOGIE PŘIVAŘOVÁNÍ TRNŮ Pro spřažení je třeba zajistit přenos smykových sil mezi železobetonovou deskou a ocelovou tenkostěnnou vaznicí. Tento přenos mají zajistit trny navařené průvarem skrz trapézový plech na vaznici. Metoda přivařování svorníků se vyvíjí od 20. let 20. století, kdy bylo poprvé zjednodušenou metodou použito obloukové přivařování svorníků. Podstatou tohoto svařování je vytvoření oblouku mezi trnem a základním materiálem a následném spojení po natavení. U elektrického oblouku se trn vloží do svařovací pistole a přiloží k základnímu materiálu. Při svařování se nejprve mechanicky nadzvedne trn a zapálí elektrický oblouk mezi hrotem trnu a vaznicí. Nataví se čelo trnu a po uplynutí svařovací doby se trn zatlačí malou silou do roztavené lázně, zdroj se vypne a kov ztuhne. Čelo trnu je vybaveno hliníkovou kapslí, zajišťující uklidnění svarového kovu. Doba svařování je 0,2 až 1 s. Aby kov vlivem vzdušné atmosféry neoxidoval, je třeba jej chránit buď pomocí keramického kroužku nasazeného na trn, nebo pomocí ochranného plynu, nejčastěji argonu, popř. směsi Ar+CO2. Tyto ochranné prvky slouží k formování svaru a vytlačení okolní atmosféry z okolí svaru. U kondenzátorového přivařování (obr. 1) mají svorníky výstupek, kterým se opírají o základní materiál. Při sepnutí proudu se roztaví hrot, který se odpaří a poté se zapálí elektrický oblouk. Svorník je pak přitlačen pružinou proti vaznici a nakonec zůstane ve ztuhlé tavenině. Svařovací doba je kratší než 3 ms. Jako zdroj energie se používá kondenzátorová baterie. Nevýhodou této metody je, že lze přivařovat pouze svorníky do velikosti M5 a chybí hlava pro přenos sil kolmých na osu svorníku. Při použití tohoto způsobu spřažení lze proto uvažovat o montáži matic.

- 12 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 Největšími výhodami těchto způsobů spřažení jsou především velmi snadná manipulace a nízké nároky na obsluhu svařovacího zařízení, což vede k vysoké produktivitě, možnosti kombinovat většinu druhů svařovaných materiálů a díky celoplošnému svaření i vysoká spolehlivost spřažení.

Obr. 1: Kondenzátorové přivařování svorníků Fig.2: Capacitor welding of studs PLÁNOVANÉ EXPERIMENTY Eurokód ČSN EN 1994-1-1 stanovuje, že pro standardní spřažené ocelobetonové konstrukce s válcovanými profily lze užít trny s hlavou pouze o průměrech 16-25 mm s obvyklou charakteristickou kapacitou prokluzu δuk minimálně 6 mm. Na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí v současnosti probíhá výzkum spřahovacích trnů malých průměrů 10 a 13 mm použitých pro spřažení s válcovanými profily. V rámci autorova plánovaného výzkumu se ve spolupráci s laboratoří svařovacích technologií ČVUT v Praze provádí vyladění parametrů svařovacího proudu a svařovací doby pro spřažení s tenkostěnnou vaznicí. Na základě předběžných testů s trny a svorníky Ø 6 mm bylo rozhodnuto použít trny Ø10 mm. V první řadě bude třeba určit únosnost trnů při spřahování s tenkostěnnou vaznicí a potvrdit výsledky z předešlých zkoušek únosnosti trnů malých průměrů u válcovaných profilů. Proto se předpokládá provedení 3 stejných protlačovacích vzorků, u nichž bude použito trnů Ø10 mm s betonem jednotné třídy. Trny budou přivařeny svařovacím strojem PROD1600 a svařovací pistolí se zdvihovým zážehem (obloukem). Následně se předpokládá provedení zkoušky spřažené tenkostěnné vaznice na rozpětí 6 m, s deskou betonovanou do ztraceného bednění z trapézových plechů. V teoretické části se plánuje ověření chování spřažené tenkostěnné vaznice nelineární analýzou (ANSYS), vypracování zjednodušeného analytického modelu a parametrických studií s tabelováním výsledků. OZNÁMENÍ Výzkum,

jehož

výsledky SGS10/026/OHK1/1T/11.

se

prezentují

v tomto

příspěvku,

byl

podpořen

grantem

LITERATURA [1] ČSN EN 1994-1-1: Eurokód 4: Navrhování spřažených ocelobetonových konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. ČNI, 2006. [2] Válová M., Kolařík L.: Perspektivní metody spojování materiálů – přivařování svorníků. Sborník Nové metody a postupy v oblasti přístrojové techniky, J. Hradec, 2009, s. 137-144

- 13 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 NEDESTRUKTIVNÍ ZKOUŠENÍ DŘEVĚNÝCH PRVKŮ IN-SITU IN SITU NON-DESTRUCTIVE EXAMINATION OF TIMBER ELEMENTS Jan Pošta Abstract Structural timber is a traditional construction material. Timber structures belong to essential parts of almost all historical buildings; especially roof and ceiling structures. Their actual condition affects durability of the whole building, therefore it is necessary to check the conditions of the structure regularly and take care of possible undesirable changes. Penetration and ultrasonic methods are mainly used for examining current conditions of timber structure nowadays. It is the subject matter of the Author’s research to replace these penetration methods by radiometric measure of mass density. This method is based on the principle of gama radiance dispersion in the wood element. Key words: non-destructive, timber structures, ultrasonic method, penetration, radiometry, density

ÚVOD Dřevo se jako konstrukční materiál používá odedávna. Dřevěné stavební prvky jsou nedílnou součástí téměř všech historických budov, zvláště jako stropní či střešní konstrukce. Jejich stav ovlivňuje životnost celého objektu, proto je důležité ho průběžně sledovat a včas podchytit jakékoli negativní změny. Pro zkoumání stávajícího stavu dřevěných prvků v konstrukci se v dnešní době používají především ultrazvukové metody v kombinaci s penetračními přístroji. Pomocí penetračních přístrojů se zjišťuje biologické napadení prvku a jeho objemová hmotnost, která je vstupním údajem pro výpočet modulu pružnosti. Přístroje pracují na principu měření hloubky penetrace ocelového hrotu přístroje do dřeva či odporu při vrtání. Tento způsob je semidestruktivní, což je např. u historicky cenných konstrukcí nežádoucí. Předmětem autorova výzkumu je snaha nahradit tyto semidestruktivní metody radiometrickým měřením objemové hmotnosti. Tato metoda je založena na principu rozptylu záření gama v prvku. NEDESTRUKTIVNÍ VYŠETŘOVÁNÍ DŘEVĚNÝCH PRVKŮ K zjištění objemové hmotnosti a rozsahu biologického napadení zabudovaného dřevěného prvku se používají penetrační přístroje, např. Pilodyn 6J, viz obr. 1. Tímto přístrojem se vystřeluje do dřeva ocelový razník s průměrem 2,5 mm při konstantní zarážecí energii 6 joulů a měří se hloubka vniku razníku do dřeva v rozsahu 0 až 40 mm. Porovnáním hloubky vniku na různých místech zkoušeného dřevěného prvku se dá přesně vymezit poškozená či napadená oblast a objektivně kvantifikovat míra poškození.

Obr. 1: Penetrační přístroj

Obr. 2: Ultrazvukový přístroj

Fig. 1: Penetration device

Fig. 2: Ultrasonic device

- 14 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 Modul pružnosti prvku lze získat pomocí ultrazvukových (UZ) metod. Výchozími parametry jsou rychlost šíření ultrazvukové vlny a objemová hmotnost materiálu. Při zkoušení materiálu se používají dvě sondy. Opakované elektrické impulzy vytvoří v budiči úzké svazky mechanického tlumeného kmitání. Tyto mechanické impulzy se vnesou do zkoušeného prvku a po proběhnutí změřené dráhy L se sejmou snímačem. Přitom se měří doba průchodu UZ vlnění. Mezi ultrazvukové přístroje patří např. Sylvatest, Tico, nebo Arborsonic Decay Detector, viz obr. 2. Měření objemové hmotnosti pomocí radiometrie se dnes používá především na zděné či betonové prvky. Jeho hlavní výhodou je, že ho lze použít na zabudované prvky, kde jsou klasické metody zjišťování objemové hmotnosti technicky obtížně uplatnitelné. Radiometrie je založena na principu průchodu a zeslabení záření gama nebo na principu rozptylu záření gama v měřeném materiálu. PŘIPRAVOVANÝ VÝZKUM Pro experimenty budou použity prvky ze smrkového dřeva různé tloušťky a kvality, které budou podrobeny radiometrické metodě rozptylu záření gama. Cílem je vytvořit vztah závislosti objemové hmotnosti na rozptylu záření. Následně bude provedeno měření modulu pružnosti pomocí ultrazvukové metody, přičemž jako vstupní údaj bude použita hustota dřeva změřená radiometrickou metodou. Hodnoty skutečné ohybové pevnosti se ověří destruktivními zkouškami. Výsledkem práce bude původní radiometrická nedestruktivní metoda pro stanovení pevnostních a materiálových charakteristik zabudovaného dřevěného prvku. Na jaře roku 2010 v Ústavu stavebního zkušebnictví v Brně byla provedena první zkušební radiometrická měření pomocí povrchové radiometrické soupravy na čtyřech prvcích ze smrkového dřeva o rozměrech cca 150x200x600mm, viz obr. 3. Prvky měly různou kvalitu. Výsledky měření jsou uvedeny v tab.1. Počet naměřených impulzů je závislý na objemové hmotnosti prvku. S rostoucí objemovou hmotností stoupá počet detekovaných impulzů.

No.

Napadení prvku

[imp./min.]

1 2 3 4

zdravý zdravý hmyz vlhkost, hniloba

30,37 31,63 33,02 41,80

Obr. 3: Schéma měření

Tab.1: Výsledky měření

Fig. 3: Measuring scheme

Table 1: Measuring results

OZNÁMENÍ Tento výzkum je podpořen výzkumným grantem GAČR 103-08-H066. Autor tuto podporu vysoce oceňuje. LITERATURA [1] Drdácký M., Kloiber M., Kotlínová M.: Šetrná diagnostika historických dřevěných konstrukcí. Insitu evaluation and non-destructive testing of historic wood and masonry structures. ISBN 978-80-86246-36-9. Czech Republic, 2006 [2] Kloiber M., Kotlínová M.: Vliv orientace a šířky letokruhů na šíření ultrazvuku ve struktuře dřeva. In-situ evaluation and non-destructive testing of historic wood and masonry structures. ISBN 978-80-86246-36-9. Czech Republic, 2006 [3] Ross R., Pellerin R.: Nondestructive testing for assessing wood members in structures – A review. FPL-GTR-70. USA, 1991

- 15 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 VYZTUŽENÉ VÁLCOVÉ OCELOVÉ SKOŘEPINY ZA VYSOKÉ TEPLOTY STIFFENED STEEL CYLINDRICAL SHELLS AT ELEVATED TEMPERATURE Radek Pošta Abstract The subject concern to this research is the behaviour of cylindrical shells in high temperatures. It will deal with the defect of membrane stress close to ring stiffener caused by shell warming. This problem concerns mainly metallurgic industry pipe constructions. Due to high temperature load, there is a big temperature expansibility of the whole system. However, the deformation caused by temperature is not the same in all parts of the system. As the high temperature source is inside the pipe, there is the highest temperature is on the inner surface of the shell. The alternation of the temperature in the shell and partial warming of the ring stiffener is caused by heat conduction. Due to the different temperatures of the surrounding environment on the shell outer side the stiffener is warmed less than the shell. Therefore the shell and the stiffener are deformed in different way. These deformations occur repetitively and therefore the material close to the stiffening ring is low-cyclically stressed. Key words: shell, stiffener, thermal stress, cylinder, fatigue

ÚVOD Předmětem výzkumu je chování válcových skořepin při vysokých teplotách. Zkoumá se porucha membránové napjatosti v blízkosti prstencové výztuhy způsobená oteplením pláště. Tento problém se vyskytuje převážně u potrubních konstrukcí hutního průmyslu. V potrubích, která jsou součástí odprášení oceláren, se teplota plynu může pohybovat okolo 400°C. Při takovémto teplotním zatížení dochází k velké deformaci celé konstrukce. Deformace od teploty ale není ve všech částech konstrukce stejná. Vysoká teplota je primárně uvnitř potrubí. Vedením tepla dochází ke změně teploty po tloušťce skořepiny a k částečnému ohřátí prstencové výztuhy. Vzhledem k teplotě prostředí na vnější straně skořepiny je oteplení výztuhy menší než by odpovídalo změně teploty skořepiny. Tím dochází k rozdílným teplotním deformacím skořepiny a výztuhy a skořepina je v místě vyztužení deformována. Tyto deformace vznikají opakovaně a dochází tedy k nízkocyklickému namáhání materiálu, které může mít za následek porušení konstrukce viz. obr. 1.

Obr. 1: Detailní zobrazení trhliny v místě obvodové výztuhy Fig.1: Detail view on crack close ring stiffener

- 16 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 V posledních letech nastalo několik havárií způsobených výše uvedeným jevem.[1],[2]. Jde o poměrně mladou problematiku. Dosud se jí zabýval pouze Ch. Witz a A. Hampel [2]. PŘIPRAVOVANÝ VÝZKUM Podle známých rovnic z mechaniky [3],[4],[5] byla zpracována přípravná studie popisující normálové napětí v podélném směru i obvodové napětí v závislosti na vzdálenosti od výztuhy pro potrubí o poloměru 1500 mm, tloušťky 4-16 mm a různá teplotní zatížení, (obr. 2). Výsledky jsou pouze teoretické. Vycházející z následujících zjednodušení. Teplotní změna ve výztuze je nulová, nekonečná linearita oceli, rozdíl teplot na vnitřním a vnějším povrchu je nulový. σx pro t = 6mm

σθ pro Ts = 300°C

1400

100

50°C

MPa

MPa

350°C 400°C

200

4 0 ,2

12mm 14mm 16mm

0, 24

0, 2

0, 22

0, 18

0, 14

0, 16

0 ,1

0, 12

0, 08

0, 04

0, 2

10mm

-500 0, 06

0, 22

0, 18

0, 14

0, 1

0, 12

0, 16

8mm

450°C

0, 02

0

6mm -300 -400

0 -200

4mm

-200

300°C

400

0, 08

-100

250°C 600

4

200°C

0 ,0

0

150°C

800

0, 06

0

100°C 1000

0, 02

1200

-600

-400

-700

m

m

Obr.2: Normálové a obvodové napětí v blízkosti výztuhy Fig.2: Meridional and circumferential stress close to stiffener Připravovaný výzkum bude pokračovat ve 3 fázích. První se týká zpřesnění výpočtu všech složek napětí v okolí výztuhy pomocí programu Ansys. Druhou fází bude měření na potrubí v německém městě Bochum. Na provádění experimentů autor spolupracuje s firmou Siemens, která již na potrubí měří teplotní změny skořepiny při provozním zatížení konstrukce. Počítačový model bude kalibrován podle výsledků tohoto měření. Poslední fází výzkumu bude zhodnocení konstrukce z hlediska nízkocyklové únavy materiálu. LITERATURA [1] O´Donnel W.J., Watson J.M., Mallin W.B., Kenrick J.R.: Low cycle thermal fatigue and fracture of reinforced piping, Salt Lake City, 1985 [2] Hampel A., Witz Ch.: Stresses introduced at cylindrical convection cooled hot gas duct,

Linz 2007 [3] Timoshenko S., Woinowsky-Krieger: Theory of plates and shells, London, 1959 [4] Beitz W., Kuttner K., Zhang W.: Dubbel – Handbook of Mechanical Engineering, 1994 [5] Ventsel E., Krauthammer T.: Thin plates and shells, New York, 2001 [6] Křupka V.: Výpočet válcových tenkostěnných kovových nádob a potrubí, SNTL Praha, 1967

- 17 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 PLECHOBETONOVÁ MOSTOVKA COMPOSITE BRIDGE DECK Jan Psota Abstract This paper deals with a composite plate used as a bridge deck. It is described here the behaviour of both (steel and concrete) materials and their advantages and disadvantages. The wide used and well known are studs welded on the top part of the steel deck. The work will try to find the special way how to ensure suitable connection between steel and concrete and will focus on the design and testing of a connection with the concrete reinforcement welded on the top part of the steel plate. Key words: composite plate, bridge deck, stud connector, concrete reinforcement, effective width

ÚVOD Příspěvek se zabývá rekapitulací dosavadních znalostí o plechobetonových mostovkách. Jedná se o spřažení tenkého plechu a betonové desky o malé tloušťce pomocí spřahovacích prostředků. Uvažuje se nový typ spřažení, přivařenou betonářskou výztuží. Plánuje se experimentální ověření plechobetonové desky a následné porovnání s numerickým modelem vytvořeným v softwaru ABAQUS. SOUČASNÝ STAV Spojením dvou materiálů oceli a betonu vznikají ocelobetonové konstrukce. Oba materiály mají svoje výhodné, ale také nevýhodné vlastnosti. Vhodným spojením se dají využít tyto příznivé vlastnosti a redukovat nedostatky. Ocel vyniká svou velkou únosností v tahu a v tlaku a nízkou hmotností. Její nevýhodou je poměrně malá tuhost, vysoká cena, někdy může být rozhodující malá požární odolnost. Beton má naopak dobrou pevnost v tlaku ale téměř žádnou pevnost v tahu. Proto se pro zlepšení pevnosti - únosnosti přidává ocelová výztuž, která vlastnosti betonu v tahu vylepšuje. Beton je v porovnání s ocelí levnější. V uvažované kombinaci (ocelová deska tloušťky cca 10 mm a betonová deska tloušťky cca 80 mm) tvoří ocelová deska ztracené bednění a nahrazuje dolní výztuž desky. Betonová deska zajišťuje potřebnou ohybovou (podélnou i příčnou) tuhost. Konstrukci také přitěžuje svojí vlastní váhou, což bývá často výhodné pro dynamickou odezvu konstrukce na vnější zatížení. Protože je ocelová deska štíhlá, mohlo by docházet k jejímu boulení v tlačených oblastech. Při vhodném a dostatečném spřažení betonová deska boulení omezuje. Plechobetonová deska bývá vyztužena podélnými i příčnými výztuhami. Stavební výška plechobetonové mostovky je výrazně nižší než u klasické mostovky složené z desky, podélníků a příčníků. V porovnání s ortotropní mostovkou má mostovka s plechobetonovou deskou lepší únavové a dynamické chování, což někdy bývá základní podmínkou pro návrh mostu. Jiným způsobem použití plechobetonové desky je její využití pro komorový průřez, kde je horní pás průřezu tvořen plechem s nabetonovanou spolupůsobící betonovou deskou. Z výše uvedeného vyplývá nutnost vyřešit účinné spojení ocel-beton. Běžně používané a odzkoušené jsou krátké spřahovací trny (viz obr. 1), případně perforovaná lišta, kterou je protažena betonářská výztuž desky. Spřahovací trny jsou rozmístěny po celé ploše plechu v daných příčných a podélných roztečích: nad stojinami ocelového uzavřeného průřezu hustěji a mezi nimi v řidším rastru kvůli průběhu normálového napětí v horní desce (smykové ochabnutí horní desky). Trny zabezpečují spolupůsobení betonu s ocelovou deskou, které je nutné k přenosu podélných a příčných sil mezi oběma materiály. Dále brání oddělování betonové desky od ocelové a tím je také zabráněno zatékání vody pod betonovou desku a následné korozi ocelové desky. Použití spřahovacích prostředků je také

- 18 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 nutné z důvodů lokálních zatížení od kol vozidel. Čím je toto lokální zatížení větší, tím by rastr trnů měl být hustější. Předmětem práce autora je návrh a odzkoušení alternativního typu spřažení (místo trnů). Vychází se z potřeby zjednodušení a zefektivnění instalace spřažení (oproti přivařování množství trnů na širokých mostovkách). Konkrétně se jedná o vhodně tvarovanou betonářskou výztuž, která by se v určitých místech ručně přivařila na horní povrch ocelové desky. Tento způsob spřažení by měl dokázat splnit všechny výše jmenované požadavky stejně jako pro trny. Na britských ostrovech se již dříve experimentovalo s přivařenými ocelovými dráty, ale k masivnějšímu rozšíření nedošlo kvůli malé odolnosti svaru na únavu. Nyní by se chtěl autor tohoto článku k dané problematice vrátit.

Obr. 1: Pásnice komorového nosníku s trny pro připojení betonové desky Fig. 1: Top flange of the box girder with the shear stud connectors

Obr. 2: Alternativní spřažení ocelové a betonové desky pomocí betonářské výztuže Fig. 2: Alternative shear connection with concrete reinforcement

ZÁVĚR Připravuje se matematický model plechobetonové desky s alternativním spřažením podle obr. 2 v programu ABAQUS, který se po odladění porovná s výsledky experimentů provedených na plechobetonových deskách s různými tvary betonářské výztuže. Důraz by měl být kladen zejména na způsob „spojení“ spřahovacího prostředku (drátu) s ocelovou deskou a na únavovou životnost tohoto detailu. OZNÁMENÍ Výzkum, jehož výsledky SGS 10/026/OHK1/1T/11.

se

prezentují

v tomto

příspěvku,

je

podporován

grantem

LITERATURA [1] Johnson R.P., Buckby R.J.: Composite structures of steel and concrete Volume 2, Bridges, with a commentary on BS 5400: Part 5. Granada Publishing Limited, 1979 [2] Castro J.M., Elghazouli A.Y., Izzudin B.A.: Assesment of effective slab widths in composite beams. Department of Civil and Environmental Engineering, Imperial College, London, UK, 2006 [3] Hyeong-Yeol, Youn-Ju: Ultimate strength of a steel-concrete composite bridge deck slab with profiled sheeting. Structural Engineering Department, Korea Institute of Construction Technology, Korea, 2009

- 19 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 OCELOBETONOVÝ NOSNÍK S VYSOKOU ŽEBROVOU DESKOU COMPOSITE SHEAR BEAM WITH HIGH RIB DECK Štěpán Thöndel Abstract Composite steel-concrete constructions are currently very progressive technology. Their behaviour is however still not exactly explored. This paper describes planned experiment examining the deflection of composite beam with high rib deck which will be oriented mainly on the influence of the rib deformation to the deflection of whole beam. This influence is currently not described in Eurocode and the rib high is temporarily restricted to 80 mm. The aim of work is to test if it is possible to neglect the rib deformation also for the decks with rib higher than 80 mm. Key words: composite structures, bending resistance, composite rib deck, experiment, shear connection.

ÚVOD Ocelobetonové spřažené nosníky s žebrovou deskou jsou konstrukcí hojně používanou v moderním stavebnictví. Jejich použití má však stále některá omezení, z nichž jedno bychom se rádi pokusili odstranit. Navrhování a provádění ocelobetonových spřažených konstrukcí se v současné době v Evropě řídí normou EN 1994-1-1. Tato norma udává v článku 7.3.1 (4) c, že při výpočtu průhybu lze účinek neúplné interakce ocelového nosníku s betonem zanedbat za předpokladu, že výška vlny trapézového plechu orientovaného kolmo na osu nosníku není vyšší než 80 mm. Navržený experiment a budoucí doktorská práce si kladou za cíl ověřit vliv desky s vyšší vlnou na průhyb nosníku. Podaří-li se prokázat, že výška vlny nemá zásadní vliv, bude v budoucnu možné použít při navrhování stropů trapézové plechy vyšší než 80 mm, aniž by bylo nutné stanovovat průhyby nosníků přesnějšími metodami. Použitím vysokých trapézových plechů lze dosáhnout větší únosnosti stropů, případně většího rozpětí stropní konstrukce. Výška vlny trapézového plechu v EN 1994-1-1 v současnosti ovlivňuje pouze odhad únosnosti spřahovacího trnu. Platnost vztahu uvedeného v EN pro únosnost trnu je rovněž omezena na výšku vlny do 85 mm. EXPERIMENTY

F1

F1

Pro ověření chování nosníku s vysokou vlnou je navržen následující experiment. Dva nosníky s žebrovou deskou výšky 135 mm o rozpětí 6 m budou postupně zatěžovány až do destrukce. Schéma zatížení nosníků a uspořádání zkoušky je patrné z obr.1.

6000 150

1850

2000

1850

150

POSUN MEZI TR. PLECHEM A IPE 200 + OHYB VLNY

1500

NAPĚTÍ OCEL PRŮHYB

Obr. 1: Schéma zatížení a měření vzorku Fig. 1: Schneme of loading and measurement

- 20 -

135

400

200

NAPĚTÍ BETON

65

ŘEZ VZORKEM POSUN MEZI TR. PLECHEM A IPE 200 + OHYB VLNY

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 Nosník bude tvořit ocelový válcovaný profil IPE 200 spřažený s betonovou deskou o celkové výšce 200 mm. Deska bude vybetonována do trapézového plechu TR 135/310 tloušťky 0,75 mm. Šířka betonové desky je 1500 mm a výška vlny plechu je 135 mm. Na prvním nosníku bude plech umístěn v tzv. obrácené poloze, viz. obr. 2. V každé vlně budou přivařeny celkem 4 trny o průměru 19 mm a výšce 175 mm, čímž bude dosaženo úplného smykového spojení. Druhý vzorek se bude skládat ze stejných profilů, pouze plech bude otočen do tzv. normální polohy, obr. 2. Tato poloha umožní použít pouze 40 trnů na celý nosník, vždy 2 trny v jedné vlně, a bude se tedy jednat o neúplné smykové spojení (η=0,52). Na obou nosnících budou v průběhu zatěžování měřeny průhyby, posuny a napětí, obr.1. Měření deformace vlny se plánuje na obou koncích nosníku v místech, kde dochází k největšímu prokluzu mezi ocelovým profilem a betonovou deskou. Princip tohoto měření je naznačen na obr.3 a nyní se hledají vhodné senzory, které bude možné umístit do poměrně malého a špatně přístupného prostoru. Průhyb nosníku bude měřen uprostřed rozpětí pomocí potenciometrického kladičkového snímače dráhy. Napětí na povrchu betonu a oceli bude měřeno uprostřed rozpětí nosníku pomocí nálepkových tenzometrů. Maximální zatížení vzorku se předpokládá u vzorku číslo jedna 2 x 90 kN a u vzorku číslo dvě 2 x 55 kN. C 25/30

OBRÁCENÁ POLOHA

200

135 mm

OHYB VLNY

NORMÁLNÍ POLOHA

POSUN

160 mm

Trn h =175 mm O 19 mm TR 135/310

P 10 S 235 IPE 200 S 235

6000

Obr. 2: Obrácená a normální poloha plechu Fig. 2: Reverse and normal steel sheeting position

Obr. 3: Schéma měření deformace vlny Fig. 3: Scheme of rib deflection measurement

ZÁVĚR Realizace popsaného experimentu je plánována na září 2010. Získaná data se porovnají s ručním výpočtem podle ČSN EN 1994-1-1 a s výsledky numerického modelu vytvořeného s využitím software ANSYS. Pokud se podaří dosáhnout odpovídající shody mezi modelem a experimentem, bude možné stanovit obecnější pravidla (zejména z hlediska průhybu) pro předpověď chování nosníků s deskou vybetonovanou do plechů s vysokou vlnou. OZNÁMENÍ Experiment je realizován za přispění výzkumného záměru MSM 6840770001 a za pomoci společnosti Metrostav a.s. LITERATURA

[1] Johnson R.P.: Composite Structures of Steel and Concrete, Beams, Slabs, Columns, and Frames for Buildings. Third Edition, Blackwell Publishing, 2004 [2] Studnička J.: Ocelobetonové spřažené konstrukce. ČVUT 2009 [3] ČSN EN 1994-1-1 Navrhování spřažených ocelobetonových konstrukcí. ČNI 2006 [4] Mirza O.,Uy B.: Finite element model for the long-therm behaviour of composite steel-concrete push tests, Steel and Composite Structures , Vol.1, No. 1, 2010 [5] Narayan,R..: Steel-concrete composite structures Stability and Strenght. Elesevier Applied Science Publisher, 1988

- 21 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 Mostovkový panel z vyztužených polymerů FIBRE REINFORCED POLYMER BRIDGE DECK PANEL Martin Vovesný Abstract The aim of this research is the development and analysis of a composite bridge deck panel made of fibre-reinforced polymer (FPR). Innovative FRP composite roadway bridge deck systems are gradually gaining acceptance in replacing damaged or deteriorated concrete or timber decks. The main advantage of this type of deck is low self-weight of FRP composite bridge deck in comparison with concrete deck [1] and corrosion resistance. Key words: bridge, fibre-reinforced polymer (FRP), composite, bridge deck

ÚVOD V poslední době se mnoho zemí po celém světě potýká s problémem nutnosti zrekonstruovat velké množství mostních objektů, které jsou ve špatném nebo dokonce v havarijním stavebním stavu. Hledají se proto nové materiály a nová technologická řešení, které by usnadnily rekonstrukce a zajistily následně delší dobu životnosti konstrukcí. Jednou z těchto novinek jsou i plasty vyztužené vlákny (FRP), někdy také známé pod názvem polymery vyztužené vlákny. Tento materiál lze uplatnit při konstrukci mostovek [2], kde lze dobře využít všech výhod, které nabízí oproti dosud nejčastěji využívanému železobetonu. Největší výhodou, FRP mostovky je vysoký poměr pevnosti a hmotnosti. Hmotnost mostovky z FRP materiálu se pohybuje přibližně okolo 150 kg/m2 [3], tahová pevnost FRP se pohybuje okolo 500 MPa. Hmotnost železobetonové mostovky se pohybuje okolo 550 kg/m2. Další velkou výhodou je vysoká odolnost proti degradaci materiálu působením vnějších vlivů, jako jsou posypové soli nebo střídání teplot. S vysokou odolností a dlouhou životností materiálu přímo souvisí i nízké náklady na údržbu a opravy FRP mostovek. Díky těmto svým vlastnostem se stal FRP materiál velice lákavou alternativou k doposud používaným materiálům v mostním stavitelství. Jeho masovému rozšíření však stále brání jeho vysoká pořizovací cena. MOSTOVKOVÉ PANELY Z VLÁKNY VYZTUŽENÝCH POLYMERŮ Do dnešní doby byly v zahraničí na několika mostech použity mostovky vyrobené z FRP panelů. Nejčastěji se jednalo o rekonstrukce mostů, kde stávající mostovka již nevyhovovala a bylo potřeba ji vyměnit. Další menší skupinou mostů, kde se můžeme s použitím FRP mostovek setkat, jsou pohyblivé mosty. Zde byly nahrazeny stávající ocelové rošty za FRP panely, čímž se zachovala hmotnost konstrukce, ale zlepšila se odolnost proti korozi a zároveň se snížila hlučnost při pojezdu vozidel po konstrukci [2]. Třetí možnou aplikací FRP mostovkových panelů je jejich použití na provizorních mostech. Při návrhu provizorních mostů, kde se předpokládá opakované používání a častý transport celé konstrukce z místa na místo, není pořizovací cena hlavním kriteriem při výběru použitých materiálu. Hlavním kriteriem je zde právě hmotnost konstrukce, doba životnosti a udržovací náklady. Doposud používané mostovkové panely je možné rozdělit do dvou velkých skupin podle technologie výroby. První skupinou jsou sendvičové panely (obr. 1a), které jsou tvořeny z jednotlivých vrstev, které jsou k sobě pevně spojeny. Tyto panely nabízejí nejlepší poměr tuhosti a hmotnosti a proto našly své první uplatnění v leteckém průmyslu. Sendvičové panely jsou tvořeny dvěma okrajovými vrstvami, které jsou od sebe odděleny jádrem, které nejčastěji tvoří vzájemně spojené šestihranné buňky. Tato struktura připomíná včelí plást, z čehož vzešel i anglický název pro tyto panely „honeycomb“. Další možná struktura jádra je pěnová. Okrajové vrstvy i jádro mohou mít různé materiálové varianty, nejčastěji se však pro okrajové vrstvy využívá FRP materiál nebo hliník a pro jádro nejčastěji materiál na bázi papíru vyztužený aramidovými vlákny. Nevýhodou těchto panelů je

- 22 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 nemožnost automatizace výroby a velká náročnost při návrhu. Tyto nedostatky jsou však vykoupeny lepším poměrem tuhosti a vlastní hmotnosti tohoto panelu oproti ostatním typům.

Obr. 1: a) Sendvičový panel, b) Panel s výztužnými žebry Fig. 1: a) Sandwich panel, b) Adhesive bonded panel Dalším typem panelů se kterými se v praxi můžeme setkat častěji jsou panely s výztužnými žebry (obr.1b) vyrobené procesem pultruze. Hlavní předností těchto panelů je možnost masové produkce, kterou umožňuje plně automatizovaná technologie výroby. Panel je celý tvořen z FRP materiálu. Lišit se může pouze uspořádáním a typem výztužných vláken v krajních vrstvách a ve výztužných žebrech panelu. Tím že je materiál panelu homogenní je snazší jeho modelování metodou MKP a bude i snazší stanovení návrhových postupů a použití tohoto typu panelu v mostním stavitelství. ZÁVĚR Cílem disertační práce autora je výzkum mostovkových panelů z FRP se zaměřením na panely s žebry vyrobené procesem pultruze případně návrh nového mostovkového panelu a vytvoření návrhového postupu. V současné době probíhá numerické modelování panelu s cílem optimalizace příčného řezu panelu. Dalším krokem bude experimentální ověření materiálových vlastností, které budou použity pro zpřesnění numerických modelů. Dále budou provedeny zkoušky globálního chování panelu, jehož výsledky budou porovnány s výsledky z numerického modelu. Na závěr bude ověřen vliv cyklického zatížení na FRP mostovkový panel v místě přípoje k hlavnímu nosnému systému. Uplatnění nového mostovkového panelu z FRP se předpokládá na mostní provizorium TMS, ale uplatnění může nalézt i při rekonstrukcích mostních objektů, kde je degradovaná současná mostovka nebo pro konstrukce nových mostů, kde je potřeba snížit vlastní tíhu konstrukce. OZNÁMENÍ Tato práce vznikla za podpory projektu GAČR 103-08-H066 LITERATURA [1] Majumdar, P, K: Strength and Life Prediction of FRP Composite Bridge Deck, Virginia Polytechnic Institute and State University, April 2008 [2] Scott R.: FRP bridges – 14 years and counting, Reinforced Plastics magazine, January/february 2010

[3] Ganga Rao, V. S., Siva, R, Hota, V.: Advances in fibre-reinforced polymer composite bridge decks, Progress in Structural Engineering and Materials. 2002, p. 161-168.

- 23 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 ANALÝZA ZBYTKOVÉ ÚNOSNOSTI A ROBUSTNOSTI HYBRIDNÍCH NOSNÍKŮ ZE SKLA A OCELI ANALYSIS OF HYBRID BEAMS FROM GLASS AND STEEL IN RESPECT TO RESIDUAL LOAD CAPACITY AND ROBUSTNESS Tomáš Fremr Abstract Structural glass is essential feature of the every modern building. Principal objective of this research is provide background and facilitation incoming engineer and architects how to use this interesting material easily in their project especially for girders. Hybrid steel-glass beam compounded from steel flanges and glass web fulfil needs of architects due to its transparency and higher load bearing capacity. Glass web of hybrid beams is parted to several panes partly from safety reasons, partly from limited size of glass panels. Behaviour of this beam depends on number of glass panes in web, kind of used adhesive and type of connection web between flanges. Key words: hybrid, steel-glass, process of connection, glass, adhesive

ÚVOD Stavební sklo je součástí každé moderní stavby. Cílem tohoto výzkumu je poskytnout budoucím inženýrům a architektům podklady a pomůcky jak tento transparentní a zajímavý materiál vhodně použít ve svých projektech a to především na nosné prvky, jako jsou nosníky či sloupy. Vzhledem k malé pevnosti skla v tahu se sklo spojuje s jinými materiály, jako je např. dřevo, ocel, nerezová ocel, hliník. Výzkum je zaměřen na hybridní nosník složený z ocelových pásnic a dělené skleněné stojiny, viz obr. 1, který bude používán jako nosný prvek střešních konstrukcí či jako výztužný prvek skleněných fasád. Nevýhodou skla je jeho křehký lom a proto se nosné prvky vyrábí z vrstveného skla s použitím PVB folie. Z hlediska bezpečnosti je nutné, aby nosník i po rozbití či částečném porušení skla vykazoval omezenou zbytkovou únosnost. Proto je výhodné, je-li skleněná stěna nosníku sestavena z více než jednoho skleněného panelu. Další výhodou tohoto řešení je i možnost výroby hybridních nosníků o delším rozpětí, než je výrobní rozměr skla (3,21 x 6,0m) [1]. Vliv na únosnost a chování nosníku bude mít počet skleněných panelů ve stojině i druh použitého skla, lepidla a také způsob připojení stojiny. Chování nosníku bude modelováno pomocí analytických a numerických modelů, které budou ověřeny experimenty.

Obr. 1: Hybridní nosník – vizualizace Fig. 1: Hybrid beam – visualization

- 24 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 ANALYTICKÉ MODELY První analytický model použitý pro ruční výpočty je založen na příhradové analogii [2], kdy hybridní nosník s dělenou skleněnou stojinou modelujeme jako příhradový nosník. Horní a dolní pás nosníku je tvořen ocelovými pásnicemi a skleněné panely nahrazují tlačené diagonály. Stojina je k hornímu a dolnímu pásu připojena pomocí smykového lepeného spoje. Tuhost tohoto smykového spoje je přímo závislá na tuhosti použitého lepidla, na typu připojení stojiny k pásnicím a také na počtu panelů stojiny, viz tab. 1. Druhý analytický model použitý pro ruční výpočty je založen na analogii s Vierendeelovým nosníkem [2]. Jednotlivé skleněné panely spolu s ocelovými pásnicemi vytvářejí nosnou rámovou konstrukci. Tuhost celého nosníku je nepřímo závislá na počtu skleněných panelů. Lepený přípoj mezi stojinou a pásnicí je závislý na materiálových vlastnostech lepidla, zejména jeho modulu pružnosti. Pracovní diagram lepidel není lineárně pružný, ale elastoplastický, což výrazně ovlivňuje chování nosníku v průběhu zatěžování. PROVEDENÉ RUČNÍ VÝPOČTY Pro výpočet byl zvolen hybridní nosník s rozpětím 4,25 m, viz obr. 2 se dvěma typy průřezů dle tab. 1, 2 (přípoj přímý a přípoj s úhelníky). U těchto průřezů byly vypočteny příslušné průřezové charakteristiky. Z výše uvedených modelů byly odvozeny vztahy použitelné pro ruční výpočet a za pomoci programu Excel byla na nosnících provedena studie, vždy pro různý počet dílů skleněné stojiny (3, 5, 7) a také pro tři druhy lepidel (na bázi epoxidu, akrylátu a polyuretanu). Sledovány byly hodnoty především smykového napětí ve vrstvě lepidla a průhyb nosníku. Nosník s přímým přípojem skleněných panelů a na tomto nosníku vypočtené hodnoty svislé deformace w uprostřed rozpětí a smykového napětí τEd ve vrstvě lepidla u podpory jsou uvedené v tab. 1. Velikost zatížení PEd=20 kN (MEd=28,3 kNm) je pro všechny nosníky stejná a odpovídá dosažení smykové pevnosti v polyuretanovém lepidle τRd,max=5,0 MPa a také dosažení limitního průhybu nosníku 17,0 mm. Porovnání analytických modelů a vliv počtu skleněných tabulí, viz tab. 1.

Tab. 1: Hybridní nosník s přímým přípojem skleněných panelů Table 1: Hybrid beam with a abutting joint of glass panes Průřez

Veličina

Druh lepidla

Počet tabulí skla

Epoxid

3 5

Akrylát Celková svislá deformace w [mm]

Vierendeelmodel 6,12

6,36

6,43

7

6,88

3

7,22

5 Polyuretan

Příhradová analogie

8,10

7,90

7

9,42

3

10,75

5

13,50

12,89

7

17,61

Limitní průhyb nosníku L/250 [mm] Maximální smykové napětí ve vrstvě lepidla τEd [MPa]

bez vlivu lepidla

17,0 3

3,12

3,25

5

3,04

4,01

7

3,02

4,94

Nosník s přípojem skleněných panelů pomocí úhelníků a na tomto prvku vypočtené hodnoty svislé deformace w uprostřed rozpětí a smykového napětí τEd ve vrstvě lepidla u podpory jsou uvedené v tab.

- 25 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 2. Velikost zatížení PEd=35 kN (MEd=49,6 kNm) je pro všechny nosníky stejná a odpovídá dosažení smykové pevnosti v polyuretanovém lepidle τRd,max=5,0 MPa a také dosažení limitního průhybu nosníku 17,0 mm. Porovnání analytických modelů a vliv počtu skleněných tabulí, viz tab. 2.

Tab. 2: Hybridní nosník s přípojem skleněných panelů pomocí úhelníků Table 2: Hybrid beam with conection between web and flanges by steel angels Průřez

Veličina

Druh lepidla

Počet tabulí skla

Epoxid

3 5

Akrylát Celková svislá deformace w [mm]

Vierendeelmodel 10,12

10,34

10,41

7

10,85

3

11,16

5 Polyuretan

Příhradová analogie

11,80

12,00

7

13,26

3

14,50

5

16,49

17,12

7

21,04

Limitní průhyb nosníku L/250 [mm] Maximální smykové napětí ve vrstvě lepidla τEd [MPa]

bez vlivu lepidla

17,0 3

2,95

3,08

5

2,88

3,81

7

2,86

4,70

PLÁNOVANÉ EXPERIMENTY Jsou připraveny tři sady experimentů. V první sadě je plánováno vyzkoušet 2 nosníky se stojinou z jednoho skleněného panelu, kde stojina je z tepelně zpevněného dvouvrstvého skla 2x12 mm. Po rozbití jedné tabule, tj. jedné vrstvy skla ještě před zkouškou, bude nosník zatížen provozním zatížením po dobu 48 hod. V této době bude zkoumáno chování nosíku a jeho robustnost, rozvoj trhlin a svislá deformace. Po dobu zatěžování (48 hodin) by nemělo dojít ke kolapsu nosníku. V druhé sadě je plánováno vyzkoušet 1 nosník s dělenou stojinou ze 3 skleněných panelů. Stojina bude vyrobena z tepelně zpevněného dvouvrstvého skla 2x12 mm s přípojem pomocí U profilu k pásnici. Nosník bude zatěžován až do porušení, tj. vzniku první trhliny. Následně bude zkoumána zbytková únosnost a to až do kolapsu konstrukce, bude také sledován rozvoj trhlin ve stojině. Nosník bude zatížen 2 břemeny, viz obr. 2, a bude příčně držen uprostřed rozpětí , tzn. bude zajištěna příčná a torzní stabilita. Cílem této sady experimentu bude ověření analytických modelů a také numerického modelu nosníku.

Obr. 2: Statické schéma Fig. 2: Structural systém Ve třetí sadě je plánováno vyzkoušet 8 nosníků s dělenou stojinou z 5 skleněných panelů. Stojina bude vyrobena z tepelně zpevněného dvouvrstvého skla 2x12 mm, resp. třívrstvého 3x8 mm. Tři nosníky budou s přípojem pomocí U profilu a pět s přímým spojem, vždy s jiným typem lepidla, viz tab. 3.

- 26 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 Styk mezi jednotlivými panely stojiny bude realizován dvěma způsoby: na sraz bez vyplnění spáry nebo s přeplátováním, resp. na pero a drážku. Vždy jeden nosník s přímým přípojem a jeden nosník s přípojem stojiny pomocí U profilu budou zatěžovány až do porušení, tj. vzniku první trhliny. Od vzniku první trhliny bude zkoumána zbytková únosnost a to až do kolapsu konstrukce, bude také sledován rozvoj trhlin ve stojině. Nosník bude zatížen 2 břemeny, viz tab. 3, a bude příčně držen uprostřed rozpětí. V těchto bodech zajištěna příčná a torzní stabilita. U ostatních nosníků bude rozbit jeden panel stojiny (všechny vrstvy skla) ještě před zkouškou. Nosník bude zatížen provozním zatížením po dobu 48 hod. V této době bude vyšetřováno chování nosníku - robustnost, rozvoj trhlin a svislá deformace. Po dobu zatěžování (48 hodin) by nemělo dojít ke kolapsu nosníku.

Tab. 3: Třetí sada experimentů Table 3: Third set of experiments Statické schéma

zpevněné sklo s PVB folií tupý spoj

tupý spoj

spoj pero drážka

Počet zkoušeným vzorků tloušťka skla [mm]

akrylát

polyuretan

2x 12

3

0

0

3x 8

0

3

2

ZÁVĚR Cílem bude stanovit zbytkovou únosnost a robustnost hybridních nosníků s dělenou stojinou. Dále bude pomocí numerického modelu (vytvořeného v programu ANSYS v souladu s výsledky z plánovaných experimentů) provedena parametrická studie a tímto budou ověřeny výsledky výpočtů provedených pomocí analytických modelů (příhradová analogie, Vieredeelův model). Upravené a ověřené analytické modely budou poté sloužit jako podklad pro navrhování při běžné inženýrské praxi. OZNÁMENÍ Tato práce vznikla za podpory výzkumného záměru RFCS – CT 2007 – 0036 „INNOGLAST“. LITERATURA [1] HERON Volume 52, No. 1/2, Structural Glass, 2007 [ISSN 0046-7316] [2] Feldmann M.: Development of optimum hybrid steel-glass-beams in respect to structural an architectural criteria, ANNEX 2007, RWTH Aachen, Germany

- 27 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 LEPENÉ SPOJE KONSTRUKCÍ ZE SKLA NAMÁHANÉ SMYKEM SHEAR BONDED CONNECTIONS OF GLASS STRUCTURES Klára Machalická Abstract There has been a new trend in architecture to use a glass as a structural element due to a great advantage of transparency. Structural glass is often combined with other materials like steel, aluminium or wood to improve the load carrying capacity, stiffness and failure behaviour. Connections between glass panes and another material are a specific problem in the realization of these structures. Quality of the shear connection between glass and glass or glass and another material has an essential influence to the load-carrying capacity of the whole system. Bonded joints, depending on the width and stiffness, provide a uniform distribution of stresses due to relatively large bonded area in comparison to bolted connections. This is a significant advantage in glass connections because of the brittle behaviour of glass which is sensitive to stress concentrations. Key words: glass structures, bonding, shear adhesive connection, glue

ÚVOD V současné době jsou vyvíjeny různé typy hybridních prvků, kdy se konstrukční sklo často kombinuje s jinými materiály s cílem zvýšit únosnost prvku a dosáhnout bezpečného chování při porušení při zachování transparentnosti. S ohledem na křehkost skla je u těchto prvků spoj mezi sklem a jiným materiálem výhodné provádět jako lepený, protože v závislosti na geometrii a tuhosti spoje lze zabránit vytvoření špiček napětí ve spoji. Míra spolupůsobení mezi oběma materiály ovlivňuje celkovou únosnost hybridního konstrukčního prvku. Pro správný a bezpečný návrh je důležitá znalost vlivu různých faktorů na únosnost lepeného spoje ve smyku. Jedná se zejména o chování spoje v závislosti na druhu lepidla, druhu spojovaných materiálů, povrchové úpravě nebo stárnutí spoje. Únosnost lepeného spoje dále závisí na geometrii a rozměrech spoje, délce trvání zatížení, rozsahu působícího zatížení, okolním prostředí (vlhkost, teplota, UV záření, chemické složení), součiniteli teplotní roztažnosti spojovaných materiálů, úpravě a stavu povrchu skla, provedení spoje, údržbě a ošetřování spoje během provozu. LEPENÝ SPOJ KONSTRUKCÍ ZE SKLA Zdokonalování technologie lepení a vývoj nových výrobků vytváří širší možnosti spojování konstrukčního skla včetně možnosti vytvoření transparentních lepených spojů. Výběr lepidla a jeho mechanických vlastností umožňuje široké možnosti použití lepených spojů. Mezi hlavní výhodu lepených spojů ve srovnání se šroubovanými spoji patří fakt, že napětí může být přenášeno do křehkého skla rovnoměrně, a tedy příznivěji, v závislosti na geometrii a tuhosti spoje. Při použití lepeného spoje odpadá nutnost vkládání mezivrstvy mezi sklo a tvrdý materiál, lze spojovat tenčí materiály, snižuje se hmotnost celého spoje, vrstva lepidla může působit jako těsnění a v závislosti na výběru lepidla může být i chemicky odolná. Volbou vhodného lepidla a tloušťky lepené vrstvy lze docílit vyrovnání rozdílných délkových změn vlivem odlišných tepelných roztažností spojovaných materiálů. Tloušťkou lepené vrstvy lze při použití poddajných nebo výplňových lepidel vyrovnat výrobní tolerance až několik centimetrů bez ztráty pevnosti. Porovnání vlastností různých druhů lepidel je znázorněno na obr. 1, [1]. Při posuzování z hlediska vlivu na lidské zdraví jsou lepené spoje výhodné, protože nevzniká žádný nebezpečný hluk a při dodržení zásad bezpečnosti práce je vliv chemických látek na lidské zdraví zanedbatelný [2].

- 28 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010

Obr. 1: Porovnání vlastností různých druhů lepidel Fig. 1: Qualitative comparison of different adhesive joints HODNOCENÍ LEPENÉHO SPOJE DLE TUHOSTI Lepený spoj může být hodnocen podle tuhosti jako poddajný nebo tuhý. Poddajná lepidla – silikony a jednosložkové polyuretany – lze klasifikovat podle jejich termomechanických vlastností jako elastomery. Elastomery mají díky nízké hustotě intermolekulárních vazeb, mají schopnost protažení až několikanásobku původní délky a po ukončení působení zatížení se rychle vrátí do původního tvaru. Lepidla na bázi silikonů běžně dosahují pevností v tahu kolem 0,8 až 1,8 MPa. Elastomery se aplikují ve vrstvě průměrně kolem 5 mm a vzhledem k nízkému modulu pružnosti vyrovnávají koncentrace napětí. Proto jsou vhodné pro lineární spoje, dynamicky zatížené spoje a také dobře plní další technické funkce lepidel jako je těsnění nebo útlum přenosu hluku mezi spojovanými částmi. I přes dlouhou tradici používání silikonových lepidel pro lepení skla v architektuře nejsou poddajná lepidla vhodná pro bodové spoje, protože nejsou schopna přenosu velkých smykových sil. Tuhá lepidla – akryláty a epoxidy - lze klasifikovat dle termomechanických vlastností jako termosety. Tuhost termosetů je dosažena díky jejich husté zesíťované struktuře intermolekulárních vazeb. Termosety mají schopnost vytvořit silné vazby mezi atomy lepidla a povrchem skla a vytvořit pevný tuhý spoj. V optimální tloušťce dosahují vysokých hodnot pevnosti, ale mají malou schopnost protažení. Některé akryláty jsou transparentní, vytvrzované pomocí UV záření. Po vytvrzení zůstávají UV stabilní, což lze považovat za výhody při lepení konstrukcí ze skla. Termosety lze dělit na kontaktní lepidla, která se aplikují v tloušťce často menší než 1 mm, a lepidla výplňová, která vyžadují větší tloušťku vrstvy lepidla (průměrně kolem 5 mm). Tato lepidla mohou být vhodná pro použití v hybridních konstrukcích, protože jimi lze překonat imperfekce v rovinnosti různých spojovaných materiálů, viz obr. 2 a 3, [2]. ADHEZE A KOHEZE Únosnost lepeného spoje je závislá především na dvou nejdůležitějších činitelích – adhezi a kohezi. Adheze (přilnavost) je vzájemné přitahování dvou povrchů adhezními silami. Adheze souvisí s molekulovou strukturou lepidla, je výsledkem působení chemických a fyzikálních sil na stykových plochách v nerovnostech a pórech materiálů. Koheze (soudržnost) charakterizuje stav látky (lepidla), ve kterém drží její částice působením mezimolekulárních sil pohromadě. V konstrukci ze skla může dojít k porušení lepeného spoje jedním ze tří způsobů. Z hlediska bezpečnosti je nejméně přijatelné porušení prvku ze skla překročením jeho tahové nebo smykové pevnosti. V případě prokluzu nebo utržení vrstvy lepidla od stykové plochy lepeného materiálu jde o nedostatečnou adhezi lepidla ke stykové ploše lepeného prvku. Adheze závisí na přípravě lepených ploch (čištění, odmaštění, použití primerů) a na druhu spojovaných materiálů. Zdrsnění povrchu skla (např. pískováním) snižuje pevnost skla, ale v závislosti na viskozitě lepidla může zlepšit adhezi. V případě porušení soudržnosti vrstvy lepidla (koheze) jde o žádaný způsob porušení spoje. Vlivem smykového namáhání dochází ke ztrátě

- 29 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 soudržnosti vrstvy lepidla až nakonec dojde k jejímu roztržení. Konstrukce tak svým chováním má schopnost varovat před blížícím se celkovým kolapsem.

Obr. 2: Vliv tloušťky vrstvy lepidla na únosnost tuhého lepeného spoje Fig. 2: The effect of adhesive layer thickness on the strength of rigid adhesive bonds Obr. 3: Vliv tloušťky vrstvy lepidla na únosnost poddajného lepeného spoje Fig. 3: The effect of adhesive layer thickness on the strength of elastic adhesive bonds ŽIVOTNOST A STÁRNUTÍ LEPENÉHO SPOJE Životnost lepeného spoje závisí na chemickém složení lepidla a na jeho makromolekulární struktuře. Mechanické vlastnosti lepeného spoje, které jsou závislé na samotné vrstvě lepidla i na stykové ploše mezi lepidlem a lepeným materiálem, se mohou zhoršovat při vystavení spoje vlhkosti, UV-záření a změnám teploty. UV-záření je primární příčinou poškození organických materiálů. Při lepení skla, kterým UV-záření prochází, může docházet k porušení vnějších vrstev molekul lepidla a tím jsou poškozeny adhezní síly mezi povrchem skla a lepidlem. Pro lepení skla se doporučuje používat UVodolná lepidla nebo celý spoj chránit neprůsvitnou vrstvou nanášenou na povrch skla. Rozsah teplot, během kterých spoj musí být schopen přenášet zatížení, je další důležitý aspekt. Obecně platí, že se zvyšující se teplotou se lepidla stávají méně tuhá a únosná. K porušení spoje dochází odloupnutím vrstvy lepidla od podkladu (adhezně), protože adhezní síly se vlivem vysokých teplot snižují. Naopak se snižující se teplotou se lepené materiály smršťují a tím dojde ke zvýšení tuhosti celého spoje. Vrstva lepidla se při nízkých teplotách stane křehčí a náchylnější ke koheznímu porušení [3]. Během opakovaných změn teploty musí být vrstva lepidla dostatečně pružná, aby byla schopná vyrovnávat rozdílné teplotní roztažnosti různých spojovaných materiálů např. oceli a skla. Toho lze dosáhnout použitím pružného lepidla s dostatečnou životností v optimální tloušťce vrstvy. PLÁN EXPERIMENTŮ Neúplné údaje o lepidlech poskytované výrobci, chybějící údaje o chování lepidla ve spoji a chybějící normy či jiné přepisy pro výpočet lepeného spoje jsou v současnosti základními problémy při návrhu lepených spojů. Vlastnosti lepeného spoje jsou závislé nejen na výběru lepidla, ale také na spojovaných materiálech a jejich povrchových úpravách. První zkoušky zaměřené na chování lepeného spoje ve smyku na malých tělesech jsou připraveny dle schématu na obr. 4. Ve spolupráci se zastoupením firem SIKA.CZ a 3M byla vybrána lepidla různých mechanických vlastností od nejtužších epoxidových pryskyřic po nejpoddajnější silikonová lepidla, do výběru lepidel byla také zahrnuta transparentní lepidla vytvrzující pomocí UV-záření určená pro lepení skla. Pro zjištění adheze vybraných lepidel k různým materiálům budou tyto experimenty provedeny pro spoj sklo s běžnou ocelí, nerezovou ocelí, hliníkem, dřevem, sklem a pískovaným sklem.

- 30 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 Stárnutí spoje bude zkoumáno na vzorcích vystavených cyklickým změnám teploty a vlhkosti. Výsledky (pevnosti ve smyku i chování pod rostoucím zatížením) se porovnají se vzorky, které nebyly vystaveny změnám teploty a vlhkosti.

Obr. 4: Schéma uspořádání zkoušek lepeného spoje ve smyku Fig. 4: Setup of the small-scale shear connection tests ZÁVĚR Přesná představa o chování vrstvy lepidla (různých druhů lepidel) pod rostoucím zatížením včetně vlivu adheze lepidla k různým materiálům a vlivu vystavení spoje okolnímu prostředí, je důležitá pro správný a bezpečný návrh lepených spojů i k úspěšnému výzkumu lepených spojů konstrukcí ze skla. OZNÁMENÍ Tato práce vznikla za podpory výzkumného grantu GAČR 103-08-H066 LITERATURA [1] Wurm J.: Glass Structures, Design and construction of self-supporting skins, Birkhäuser, 2007, pp. 86 – 88, ISBN 978-3-7643-7608-6 [2] Burchardt B., Diggelmann K., Koch S., Lanzendörfer B., Wappmann R., Wolf J.: Elastic Bonding, Sika Services AG, 2006, ISBN-10 3-937889-35-3 [3] Huveners E. M. P., van Herwijnen F.: Mechanical shear properties of adhesives, Glass performance days 2007, Tampere, pp. 367 – 370, ISBN 952-91-8674-6, www.gpd.fi

- 31 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 CHOVÁNÍ PŘEDEPNUTÝCH PRUTŮ Z NEREZOVÝCH OCELÍ PRESTRESSED STAINLESS STEEL MEMBERS BEHAVIOUR Kateřina Servítová Abstract Paper describes material properties of stainless steels used for load-bearing civil engineering structures however the main emphasis is laid on extremely slender compression members in form of stayed columns. The tests prepared in Central laboratory of CTU in Prague are discussed, which will be evaluated and analysed with a goal to result in design recommendations of such type of structures. Key words: Stainless steel structures, Prestressed structures, Prestressed stainless steel columns, Prestressed stainless steel beams, Experimental analysis NEREZOVÁ OCEL Korozivzdorná ocel se díky své trvanlivosti a vzhledu začíná stále více používat na nosné stavební konstrukce. Kromě vyšší ceny materiálu brání většímu využívání i omezenější sortiment výrobků. Korozivzdorné oceli se dělí podle chemického složení a metalurgické struktury do pěti základních skupin: austenitické, feritické, austeniticko-feritické (označované také jako duplexní), martenzitické a precipitačně vytvrzené. Pro stavební konstrukce se nejčastěji užívají oceli austenitické a austenitickoferitické. Chemické složení jednotlivých tříd udává EN 10088-1 [1]. Označení je buď chemickou značkou nebo číslem ve formátu 1.4301 (1 - ocel; 43 - obsahuje více než 2,5 % Ni a neobsahuje Mo, Nb a Ti; poslední dvojčíslí určuje konkrétní ocel ve skupině). Pracovní diagram korozivzdorných ocelí nemá na rozdíl od běžných uhlíkových ocelí vyznačenou mez kluzu (obr. 1) a proto byla zavedena smluvní mez kluzu, která odpovídá napětí, při kterém vznikne poměrné plastické přetvoření 0,2%.

Obr. 1: Porovnání pracovního diagramu uhlíkových a korozivzdorných ocelí Fig.1: Comparison of low-carbon and stainless steel stress-strain relationship Korozivzdorné oceli mají zpravidla vysokou tažnost, která dosahuje až 60%, zatímco uhlíková ocel pouze 20-30%. Pro návrh konstrukce z uhlíkových ocelí se používá bilineární pracovní diagram, který je zjednodušený především v části zpevňování materiálu. Při použití stejného zjednodušení pro korozivzdorné oceli by byl výsledný návrh konzervativní s výjimkou stabilitního návrhu, kde by návrh byl naopak optimistický. Proto se používají výstižnější modely pracovního diagramu, jejichž základem je tříparametrický Ramberg-Osgoodův model (obr. 2). Zpřesnění bylo provedeno Mirambellem a Realovou zavedením dvoustupňového modelu, upraveného ještě Gardnerem a Nethercotem (obr. 2). Norma EN1993-1-4 [2] používá pro modelování materiálových vlastností jednoduchý RambergOsgoodův pracovní diagram.

- 32 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010

Obr. 2: Porovnání Ramberg-Osgoodova a dvoustupňového pracovního diagramu Fig. 2: Comparison of Ramberg-Osgood and two-stage stress-strain relationship PŘEDPJATÉ KONSTRUKCE Předpjaté konstrukce jsou konstrukce, do kterých se v průběhu výroby, montáže nebo provozu (zesilování konstrukcí) vnáší záměrně napětí [3]. Předpjaté konstrukce lze dělit podle účelu konstrukce, způsobu předpětí nebo materiálu (vysokopevnostní, běžný materiál). Předpětí se používá pro zvýšení únosnosti, zmenšení průhybu, zvýšení tuhosti konstrukce nebo zmenšení vzpěrných délek. Konstrukce lze předpínat vytvořením vícevrstvé konstrukce spojením předem ohnutých prvků, změnou polohy podpor (staticky neurčité konstrukce), montážním postupem, použitím pomocného zatížení – balastu, využitím nebo vyvoláním vlastních pnutí konstrukce. Konstrukce lze předpínat jako celek, jednotlivé prvky nebo skupiny prvků [3]. Příhradové a plnostěnné nosníky (vzpínadla a věšadla) předpjaté pomocí táhel s vysokou pevností jsou nejrozšířenějším a nejpoužívanějším typem předpjatých konstrukcí. Táhla mohou být umístěna uvnitř (obr. 3a) nebo vně konstrukce (obr. 3b,c). a b c

Obr. 3: Tlačené pruty: a - s centrickým táhlem, b - s excentrickými táhly, c - s táhly ve tvaru vzpínadla Fig. 3: Compression members: a - with centric tie, b - with eccentric ties, c - with ties forming a stayed column Pruty s centricky umístěným táhlem (obr. 3a) se využívají na tažené prvky, protože se použitím předpětí nezkracuje vzpěrná délka prutu. Při excentrickém uspořádáním táhel (obr. 3b) dochází ke zmenšení vzpěrné délky, ale aby bylo zkrácení výraznější, musí být excentricita a tuhost táhel poměrně vysoká. Z tohoto hlediska je nejvýhodnější typ ve tvaru vzpínadla (obr. 3c), který zkracuje vzpěrnou délku až na polovinu [3]. EXPERIMENTY V Brazílii byly provedeny zkoušky ocelového nepředpjatého a předpjatého prutu (obr. 4) z trubky o vnějším průměru 89,3 mm a tloušťce 3,2 mm, dlouhého 12 m, s křížem délek 600 mm z trubek o vnějším průměru 42,6 mm a tloušťce 3 mm. Jako táhel bylo použito lan o průměru 6,35 mm. Mez

- 33 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 pevnosti použité oceli byla 380 MPa u prtu a 750 MPa u drátů lana. Experimentálně určená únosnost v tlaku samotného prutu bez kříže s lany byla 10 kN, při přidání kříže s lany bez předpětí byla únosnost 20 kN a při použití předpětí ocelkové velikosti 7,12 kN byla únosnost 25 kN (test musel být předčasně ukončen) [4,5]. Další výzkum tohoto problému byl pouze teoretický [6].

Obr. 4: Nákres a rozměry ocelového sloupu podle [4] Fig.4: Steel column’s layout and dimensions after [4] V rámci disertační práce jsou na FSv ČVUT připraveny zkoušky tří tlačených předpjatých nerezových prutů délky 5 m ve svislé poloze. Pro návrh vzorků byla provedena studie významu hlavních parametrů. Prosté a vzpěrné únosnosti byly vypočteny podle ČSN EN 1993-1-4 jako charakteristické hodnoty, kritické hodnoty pomocí softwaru SCIA ENGENIER 2009 ve 3D bez předpětí (tab.1,2).

Tab.1: Kritické zatížení v závislosti na průměru hlavního prutu Table 1: Critical load depending on diameter principal member průměr / tloušťka hlavního prutu [mm]

únosnost v prostém tlaku [kN]

kritické zatížení - vzpěrná únosnost kritické zatížení - vzpěrná únosnost prut bez kříže - prut bez kříže prut s křížem - prut s křížem [kN] [kN] 250 mm [kN] 250 mm [kN]

20 / 2

26,01

0,37

0,33

3,60

30 / 2

40,46

1,37

1,20

11,10

7,18

40 / 2

54,92

3,41

2,91

22,80

13,13

50 / 2

69,37 83,82

6,87

5,69

29,10

16,67

12,11

9,76

35,10

20,09

70 / 2

98,27

19,52

15,26

42,75

24,13

80 / 2

112,72

29,45

22,31

52,95

29,03

90 / 2

127,17

42,28

30,99

66,00

34,73

100 / 2

141,62

58,39

41,29

82,35

41,18

60 / 2

2,61

Tab.2: Únosnost a kritické zatížení v závislosti na velikosti kříže Table 2: Resistance and critical load depending on cross size velikost kříže [mm]

kritické zatížení SCIA ENGINEER [kN]

kritické zatížení - 1 půlvlna [kN]

kritické zatížení - 2 půlvlny [kN]

bez kříže

6,9

6,87

27,48

125

13,2

6,87

27,48

250

29,1

6,87

27,48

500

36,2

6,87

27,48

1000

33,0

6,87

27,48

2000

30,6

6,87

27,48

Odtud vyplynuly rozměry a uspořádání zkušebních vzorků: hlavní prut je zhotoven z jednoho kusu kruhové trubky o vnějším průměru 50 mm a tloušťce stěny 2 mm, ke kterému je uprostřed přivařen kříž (obr.5). Kříž je zhotoven ze čtyř na sebe kolmých kruhových trubek o vnějším průměru 25 mm a tloušťce stěny 1,5 mm. Trubky jsou z materiálu 1.4301 a pro předpětí jsou použita jednopramenná vinutá lana Macalloy o průměru 4 mm. Lana budou před zkouškou předepnuta silou 0,25 kN a při překročení normou dané počáteční křivosti bude prut vyrovnán pomocí nerovnoměrného předpětí v lanech. Zatěžovat se bude v několika zatěžovacích stupních. Před započetím zkoušky bude změřen

- 34 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 počáteční tvar prutu prostorovým protínáním vpřed pomocí totální stanice. V průběhu experimentu budou deformace měřeny v sedmi bodech ve dvou na sebe kolmých směrech pomocí potenciometrů a zároveň bude celý prut měřen 3D skenováním.

Obr. 5: Uspořádání a rozměry nerezového prutu Fig.5: Stainless steel column’s layout and dimensions ZÁVĚR Snaha o potlačení viditelnosti nosných konstrukcí a otevření, resp. prosvětlení prostoru vede často k užití subtilních prvků z nerezové oceli. Předepnutím lze zkrátit vzpěrné délky a tím zvýšit únosnost prutu. Další výhodou je snadnější doprava a montáž konstrukce pro její nižší hmotnost. V rámci disertační práce se předpokládá ověření velmi štíhlých tlačených prvků z nerezové oceli v laboratoři, následná numerická analýza a příslušné parametrické studie. OZNÁMENÍ Tento výzkum je podpořen výzkumným grantem GAČR 103-08-H066. LITERATURA

[1] ČSN EN 10088-1: Korozivzdorné oceli - Část 1: Přehled korozivzdorných ocelí, ČNI, Praha, 2005 [2] ČSN EN 1993-1-4: Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí - Část 1-4: Obecná pravidla Doplňující pravidla pro korozivzdorné oceli, ČNI, Praha, 2008 [3] Ferjenčík P., Tocháček M.: Predpäté kovové konštrukcie, Bratislava, 1966 [4] Araujo R.R., Andrade S. A. L., Vellasco P. C. G., Silva J. G. S. a Lima L. R. O.: Structural response of prestressed stayed steel columns, Stability and ductility of steel structures, Lisbon, 2006, s. 241-248 [5] Araujo R.R., Andrade S. A. L., Vellasco P. C. G., Silva J. G. S. a Lima L. R. O.: Experimental and numerical assessment of stayed steel columns, Journal of Constructional Steel Research 64, 2008, s. 1020–1029 [6] Saito D.: Post-buckling behaviour of prestressed steel stayed columns, Department of Civil and Environmental Engineering, Imperial College of Science, Technology & Medicine, London, 2008

- 35 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 EXPERIMENTÁLNÍ A NUMERICKÁ ANALÝZA HYBRIDNÍCH NOSNÍKŮ ZE SKLA A OCELI EXPERIMENTAL AND NUMERICAL ANALYSIS OF THE HYBRID STEEL-GLASS BEAMS Michal Netušil Abstract New hybrid steel-glass beam consists of steel flanges and glass web bonded together. Glued joint, realized by polymer adhesive is the key element of whole composite structure, therefore also the key aspect of research, development and numerical modeling. This paper deals with the research pointed on the description of different adhesive behavior under increasing load, ultimate carrying capacity of the area glued joints according to the thickness of the adhesive layer and calibration of the FE models of polymer adhesives, transferred from industry to glass construction design (epoxies, acrylics, polyurethanes, silicones). Each adhesive has its own material behavior and appropriate numerical model, which fits the best. Main task of the last period was to find out these non-linear models and verify them by experiments. Properly fitted models of the adhesive layer, verified by small-scale shear steel-glass connection tests, was involved to prepared complex FE model of the hybrid beam. Key words: hybrid steel-glass beam, polymer adhesive, FE modelling

ÚVOD V uplynulém období bylo uskutečněno několik sérií experimentů, zaměřených na zjištění materiálových vlastností lepidel, která byla vybrána jako odpovídající požadavkům pro použití v hybridním nosníku, a na stanovení únosnosti lepeného spoje ocel-sklo ve smyku a v tahu. V druhém případě se jednalo o experimenty, které měly popsat rozdílné chování různých materiálů, používaných běžně pro spoje s nosnou funkcí. Na základě výsledků byly kalibrovány rozdílné nelineární numerické materiálové modely lepidel, které byly vytvořeny díky vstupním hodnotám získaným z materiálových zkoušek. Ve spolupráci s firmou SIKA CZ byla vybrána a experimentálně zkoušena 4 lepidla a sice epoxidové lepidlo SIKADUR 30, akrylát SIKAFAST 5211, polyuretan SIKATACK+BOOSTER a silikon SIKASIL SG 500. Lepidla byla vybírána s ohledem na více parametrů vzhledem k jejich použití v dlouhém, smykem namáhaném spoji mezi stojinou a pásnicí hybridního nosníku. Tento spoj je pro fungování nosníku klíčový, protože musí svou tuhostí zajistit spolupůsobení obou materiálů, ale také dostatečně pružně kompenzovat rozdílné teplotní deformace skla a oceli. Zvláštní pozornost byla při výběru věnována vlivu stárnutí (zajištění funkce spoje i po několika desetiletích) a taká UV stabilitě materiálu lepidla. Obecně známá UV nestabilita polyuretanových lepidel byla v případě SIKATACKU vyřešena primerovými nátěry s UV odolností až 99,7% na stranu oceli i skleněné stojiny. Je tak zabráněno dopadu světla na lepený spoj vlivem odrazu uvnitř skleněné stojiny. Ukázalo se jako nemožné použít pro tento spoj jednosložkové lepidla tvrzené vzdušnou vlhkostí, protože šířka spoje nedovolovala rovnoměrné tuhnutí lepidla, takže by uprostřed spoje mohlo vznikat tzv. „živé“ jádro, které by znamenalo značné snižovalo únosnost spoje a tím i celého nosníku. Je tedy nutné pro spoj použít dvousložkové lepidla nebo systém BOOSTER, který funguje v podstatě jako druhá složka a který zajistí rovnoměrné tuhnutí spoje i bez přísunu vzdušné vlhkosti. Celý proces tvrdnutí se vlivem Boosteru zkracuje na několik desítek minut oproti několika dnům v případě samotného jednosložkového lepidla. Každé z vybraných lepidel má své specifické chování, které bylo třeba numericky modelovat pomocí metody konečných prvků v programu ANSYS 11.Každé z lepidel vykazuje také rozdílné chování pod rostoucím zatížením při různých tloušťkách spoje. Experimenty bylo mimo jiné dokázáno, že s rostoucí tloušťkou spoje (nad jistou mez) sice roste schopnost spoje pružně se deformovat, ale klesá jeho celková únosnost. Jelikož je schopnost pružného protažení (smyková deformace) jednou z podmínek použití daného typu lepidla v hybridním nosníku (kvůli

- 36 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 kompenzaci rozdílné teplotní roztažnosti skla a oceli a kvůli možnosti přerozdělení špiček napětí ve spoji) a tato vlastnost je úměrná tloušťce spoje, byl výzkum zaměřen také na stanovení vlivu tloušťky spoje na jeho tuhost a únosnost. PROVEDENÉ EXPERIMENTY První sadou provedených experimentů byly materiálové zkoušky uspořádané dle [1]. Zkušební tělesa byla tvořena odlitky vytvrzených lepidel daného tvaru a tloušťky. Při kontrolované deformaci 1mm/min byla na předem určeném úseku měřena hodnota podélného protažení. Výsledky těchto experimentů, kterými jsou např. pracovní diagram, Youngův modul pružnosti a Poissonův součinitel, skutečná pevnost v tahu nebo protažení při přetržení, slouží jako vstupní data pro definování materiálového modelu lepidla v numerickém výpočetním modelu lepeného spoje. Porovnání pracovních diagramů lepidel je na obr. 1., kde S- silikon, A- akrylát, PU- polyuretan. Chybí zde pracovní diagram epoxidového lepidla, který je téměř lineární a od ostatních lepidel se liší téměř o řád s dosaženou pevností v tahu okolo 35 MPa a protažením při přetržení méně než 0,5% (0,005 v obr. 1), tedy téměř na hranici měřitelnosti. Po zralé úvaze může být takové epoxidové lepidlo v dalším výpočtu uvažováno jako lineárně elastický materiál.

Obr. 1: Porovnání výsledků materiálových zkoušek pro různá lepidla Fig. 1: Comparison of the material tests of different adhesives Dalším krokem experimentálního programu byla kalibrace numerických modelů lepeného spoje pomocí výsledků jednoduchých tahových a smykových zkoušek spoje ocel-sklo, uspořádaných dle obr. 2, které byly uskutečněny v Kloknerově ústavu při ČVUT Praha.

Obr. 2: Uspořádání zkoušek lepeného spoje ocel-sklo (vlevo: tah, vpravo: smyk) Fig. 2: Set-up of the tension (left) and shear (right) steel-glass connection tests

- 37 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 Mimo ověření správné funkce materiálových modelů lepidel prokázaly tyto experimenty také skutečné mechanické a přetvárné charakteristiky spoje, které se liší od charakteristik samotných lepidel vzhledem k jinému způsobu namáhání vrstvy lepidla v plošném spoji. Zjištěná skutečná únosnost a tuhost spoje ve smyku je také určujícím faktorem pro výpočet a posouzení hybridního nosníku pomocí Möhlerovy metody, popsané dříve v [2]. Všechna lepidla byla při výrobě zkušebních těles aplikována profesionálně v laboratořích firmy Sika CZ v Brně a byly použity certifikované technologie přípravy a případné aktivace povrchu před lepením pomocí primerových nátěrů (pro některá lepidla). Tím bylo dosaženo požadované přilnavosti lepidla ke kontaktnímu povrchu, aby ke kolapsu vzorku docházelo vždy porušením vnitřní soudržnosti lepidla a ne ztrátou adheze. To se ve velké většině případů také podařilo a chování lepidla ve spoji mohlo být popsáno v celém rozsahu jeho přetváření až do porušení. Na obr. 3 vlevo je průběh zkoušky spoje ocel-sklo v tahu, na obr. 3 uprostřed je potom průběh zkoušky spoje ve smyku a reprezentativní kohezní porušení spoje je na obr. 3 vpravo.

Obr. 3: Zkoušky lepeného spoje (zleva: tah, smyk, kohezní porušení) Fig. 3: Steel-Glass connection tests (from left: tension, shear, cohesion failure) Celkem bylo připraveno a odzkoušeno více než 50 vzorků různých lepidel s různou tloušťkou spoje. Výsledky těchto experimentů jsou přehledně shrnuty na obr. 4 (tah) a obr. 5 (smyk), kde jsou vykresleny charakteristické křivky pracovních diagramů plošného spoje pro různá lepidla a tloušťky spoje.

Obr. 4: Pracovní diagramy lepených spojů v tahu Fig. 4: Stress-strain diagrams of the glued joints subjected to tension

- 38 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010

Obr. 5: Pracovní diagramy lepených spojů ve smyku Fig. 5: Shear stress-strain diagrams of the glued joints NUMERICKÁ ANALÝZA Pro tvorbu a kalibraci nelineárních numerických materiálových modelů různých lepidel byl zvolen program Ansys 11. Ukázalo se jako téměř nemožné naladit numerický model lepidla tak, aby se choval v naprostém souladu s výsledky experimentů ve smyku i v tahu současně. Prioritou proto bylo chování spoje ve smyku, neboť to je hlavní způsob namáhání dlouhého spoje v hybridním nosníku. Sladění modelů s tahovými zkouškami bylo pouze doplňkovou záležitostí. Přesto je třeba říci, že ani v tahu nejsou níže uvedené modely lepidel příliš vzdáleny od přesného chování zjištěného experimenty. Na obr. 6 je model tělesa pro smykové zkoušky, který byl vytvořen ke kalibraci materiálových modelů.

Obr. 6: Numerický model spoje (vlevo: průběh napětí, vpravo: deformace spoje) Fig. 6: FE model of the glued joint (left: stress distribution, right: deformation of the joint) Lepidlo bylo ve spoji modelováno jako objemový prvek SOLID 45 v případě lineárně elastického nebo multi-lineárně elastického materiálu. Pro hyper-elastickou analýzu byl zvolen objemový prvek SOLID 185, který umožňuje aplikaci různých předdefinovaných materiálových modelů, ze kterých byl pomocí zadávání vstupních parametrů lepidel z materiálových zkoušek vybrán ten nejpřiléhavější. Při zatížení lepeného spoje smykem se určitá vrstva lepidla o definované tloušťce měřené od spojovaných materiálů deformuje méně než zbytek lepidla uvnitř spoje. Protože je tloušťka této „tužší“ vrstvy spoje konstantní pro každý materiál a při zvětšování celkové tloušťky spoje se již nemění, ovlivní zmíněná krajní oblast více tenčí spoj než spoj o větší tloušťce. Zvláštní drobná korekce byla třeba pro rozdílné tloušťky lepeného spoje i při použití stejného materiálu.

- 39 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 Pro model silikonového lepidla Sikasil SG-500 a polyuretanového lepidla SikaTack-Plus Booster byl zvolen tříparametrový model Mooney-Rivlin, který nejlépe odpovídal provedeným smykovým zkouškám lepidla ve spoji. Pro model akrylátového lepidla SikaFast5211 se jako nejvhodnější jeví multilineárně elastický materiál, zadávaný křivkou charakterizující nelineární chování materiálu. Pro tuhé epoxidové lepidlo byl zvolen lineárněelastický materiálový model, který byl dostatečně výstižný pro popis chování spoje s tímto materiálem. Pro každé z lepidel se tedy dá najít numerický materiálový model, který jeho chování dokáže popsat s nejmenší chybou oproti ostatním modelům.Výše uvedené závěry potvrzují grafy na obr. 7, kde je porovnání experimentálně zjištěných dat a numerické analýzy. V případě všech grafů je na vodorovné ose vyneseno poměrné smykové přetvoření (posun/tloušťka spoje, viz obr. 2 vpravo) a na svislé ose smykové napětí ve vrstvě lepidla. Grafy na obr. 7 jsou vykresleny v pořadí silikon, polyuretan, akrylát a epoxid.

Obr. 7: Porovnání výsledků experimentů a numerického výpočtu Fig. 7: Comparison of the experiments and numerical analysis Znalost všech důležitých vlastností použitých lepidel, jejich chování ve spoji a fungující materiálové modely, ověřené na jednodušších tahových a smykových zkouškách společně tvoří nutné předpoklady k vytvoření komplexního numerickém modelu celého hybridního nosníku. ZKOUŠKY HYBRIDNÍCH NOSNÍKŮ V OHYBU Plánované zkoušky hybridních nosníků o rozpětí 4 m, zatěžovaných dvojicí osamělých břemen až do porušení (podrobněji popsané v [2]) , budou sloužit nejen jako nástroj k ověření různých výpočetních metod a správné funkce numerických modelů, ale také pro zjištění charakteru porušení a chování nosníku po vzniku prvních trhlin ve skleněné stojině. Celkem je vyrobeno 12 hybridních nosníků s různými variantami detailu lepeného spoje mezi stojinou a pásnicemi za použití akrylátového a polyuretanového lepidla. Zkoušky začnou probíhat v červnu 2010.

- 40 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 TECHNOLOGIE VÝROBY NOSNÍKŮ Výroba nosníků probíhá v laboratořích firmy SIKA CZ v Brně a všechna lepidla jsou aplikovaná nejpřesnějšími technologiemi samotného výrobce. Rozdílné technologie výroby nosníků byly navrženy pro různé druhy lepidel z hlediska jejich viskozity. Nízkoviskózní– tekutá lepidla jsou aplikována přímo do spáry v pomocném U profilu po uložení stojiny na polyamidové lože a ustavení celého systému do roviny. Navržená tloušťka lepeného spoje v tomto systému je ideálně 3,25mm, ovšem s přihlédnutím k imperfekcím skleněné tabule a ocelového profilu se reálně pohybuje mezi 2 až 4 mm. Takto lze z vybraných lepidel aplikovat akrylátové lepidlo SIKAFAST 5211. Tato technologie se při výrobě osvědčila a lze při ni aplikovat i taková lepidla, která mají velice krátkou dobu tuhnutí, neboť se dostávají ihned do kontaktu s lepenými prvky a nedochází k žádné prodlevě mezi aplikací lepidla a spojením lepených ploch. Tímto způsobem lze vyrobit oba spoje mezi ocelovou pásnicí a skleněnou stojinou, kterými se tento výzkum zabývá, tj. spoj po stranách skleněné tabule pomocí přídavného U profilu, viz obr. 8 vlevo a v druhém případě přímý spoj, viz obr. 8 vpravo. Vysokoviskózní - pastovitá lepidla musí být aplikována nejprve na jeden lepený povrch a poté tlakem spojena s druhou lepenou částí. Takto bylo aplikováno polyuretanové lepidlo SikaTack-Plus Booster.

Obr. 8: Hybridní nosníky (vlevo: spoj pomocí U profilu, vpravo: přímý spoj) Fig. 8: Hybrid beams (left: U profile connection, right: direct connection) ZÁVĚR Zobecnění výsledků experimentů a numerických studií má sloužit jako nástroj pro návrh hybridního nosníku, kde klíčovým prvkem je lepený spoj, realizovaný pomocí polymerového lepidla. Jeden z parametrů výpočtu Möhlerovou metodou, popsanou dříve v [2], je smykový modul lepeného spoje G, který je ovšem v rozsahu nelineárního pracovního diagramu lepidla proměnný. Pro přesnost výpočtu je proto velmi důležité, jaký smykový modul bude sloužit jako vstupní údaj. Bylo dokázáno, že nelze počítat pouze s počáteční tuhostí spoje, neboť ten v průběhu zatěžování může měknout a míra podélného smykového spojení mezi sklem a ocelí tak ve skutečnosti klesá. Modifikace Möhlerovy metody spočívá ve sčítání napětí v prvcích hybridního nosníku po částech s odlišnými smykovými moduly lepeného spoje. V oblasti vědění o akrylátových a polyuretanových lepidlech v nosných spojích ve stavebnictví je dosud značná rezerva, ač jejich potenciál v tuhosti a únosnosti je obrovský. OZNÁMENÍ Tato práce vznikla za podpory grantu GAČR 103-08-H066. LITERATURA [1] ČSN EN ISO 527 – 1 : Plasty – Stanovení tahových vlastností, ČNI 1998 [2] Netušil M.: Hybridní nosníky ocel-sklo, Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 23.3.2009, ČVUT Praha, ISBN 978-80-01-04382-0

- 41 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 SPŘAŽENÍ TRNY MALÝCH PRŮMĚRŮ SHEAR CONNECTION BY SMALL DIAMETER STUDS Thi Huong Giang Nguyen Abstract Twelve push-out tests with small stud shear connectors having diameters outside the limitation of current design code to determine shear resistance were performed. From the push-out tests the loadslip curves were also determined. The present investigation focuses on the evaluation of the shear connection in partly encased composite members under combined bending and axial loading using the commercial finite element (FE) software ANSYS. Key words: composite members, small diameter stud shear connector, push-out test, load-slip curve.

ÚVOD Spřažené ocelobetonové sloupy s obetonovanými ocelovými profily, popř. duté ocelové profily vyplněné betonem, se používají desítky let. V posledním období jsou stále populárnější ocelobetonové sloupy a nosníky s částečně obetonovanými ocelovými profily. Částečně obetonované prvky, kde je beton umístěn mezi pásnicemi ocelového profilu, jsou výhodné z hlediska výroby ocelobetonového prvku (úspora bednění při betonáži, která může probíhat ve svislé poloze sloupu nebo formou výroby ocelobetonového prefabrikátu, kdy se betonuje ve vodorovné poloze a druhá strana po zatvrdnutí betonu a otočení profilu) i výrazného zvýšení požární odolnosti oproti samotnému ocelovému profilu. V konstrukci potom umožňují i jednodušší přípoje dalších ocelových prvků na pásnice ocelového profilu. Autorka připravuje teoretický výzkum zaměřený na aplikace trnů malých průměrů pro spřažené ohýbané nosníky popř. sloupy se zabetonovanou stojinou (obr. 1), který by měl odstranit časově náročné a finančně nákladné experimenty takových prvků. Z dále uvedených protlačovacích zkoušek byly určeny výpočetní charakteristiky spřažení trny průměrů 10 a 13 mm, jejich únosnosti, tuhosti a tažnosti, které jsou potřebné pro numerické řešení úlohy [1].

Obr. 1: Částečně obetonovaný prvek, pohled a příčný řez. Fig.1: Partly encased composite member, view and cross section.

- 42 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 PROTLAČOVACÍ ZKOUŠKY V Experimentální centru Fakulty stavební ČVUT bylo provedeno 12 protlačovacích zkoušek ke zjištění charakteristických a návrhových únosností trnů s průměry 10 a 13 mm. V experimentech byly použity ocelové profily IPE220 s různou kvalitou betonů a trny typu SD (KB - Kopfbolzen) z oceli S235J2G3+C450 podle EN ISO 13918. Zkoušky byly uspořádány podle obr. 2 a parametry protlačovacích vzorků uvádí tab. 1 [1]. Závislosti prokluzu ve spřažení na zatěžovací síle F (dále jen F-s) jsou uvedeny na obr. 3.

Obr. 2. Zkušební vzorek pro protlačovací zkoušky. Fig. 2. Test specimen for push-out tests.

Tab.1: Přehled protlačovacích zkoušek T1-T4 Table 1: Summary of push–out tests T1-T4 Označení d [mm] T1S1-T1S3 10 T2S1-T2S3 13 T3S1-T3S2 13 T4S1-T4S3 10

fu [MPa] 547,28 495,15 495,15 547,28

fck [MPa] 21,36 26,08 31,28 28,40

Ecm[MPa] 29510 31057 34600 31500

PRk,1 [kN] 34,37 52,55 52,55 34,37

PRk,2 [kN] 23,02 44,11 50,99 27,43

PRk,exp[kN] 36,00 48,75 50,63 39,38

Eurokód 4 [2] uvádí pro trny průměrů 16÷25 mm dva vztahy pro jejich návrhovou únosnost (odpovídající porušení trnu střihem a betonu otlačením), s dílčím součinitelem γv = 1,25. Pro charakteristickou únosnost v případě dlouhých trnů (vyšších než čtyřnásobek průměru) platí:

PRk ,1 = 0,8 fu PRk ,2

πd2

1)

4 = 0, 29α d 2 f ck Ecm

2)

Pro vyhodnocení zkoušek podle Přílohy B [2] se má provést redukce zjištěné únosnosti s ohledem na specifikovanou mez pevnosti materiálu trnů podle vztahu:

PRk ,3 =

fu ,min f ut

PRk ,exp

(3)

- 43 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 kde fu,min = 450 MPa je minimální specifikovaná mez pevnosti materiálu trnů a fut mez pevnosti zjištěná při zkoušce (v našem případě 547,3 MPa pro trny průměru 10 mm a 495,2 MPa pro trny průměru 13 mm). Obr. 3. ukazuje závislosti prokluzu ve spřažení na zatěžovací síle F (dále jen F-s) získané z protlačovacích zkoušek vzorků T1S1÷T1S3 a T4S1÷T4S3. Pro numerické studie, kde je vstupním údajem nelineární pracovní diagram pružiny, byl použit průměr z první sady vzorků, dále nazvaný „ náhradní křívka T1“.

Obr. 3: Pracovní diagram F-s získaný z protlačovacích zkoušek vzorků serie T1 a T4. Fig. 3: Load-slip curve F-s from push-out tests of specimens T1 and T4 series. Náhradní křivka F-s byla tedy odvozená z experimentálních průběhů T1S1÷T1S3. Vrcholy multilineární křivky T1 jsou stanoveny z aritmetického průměru a jsou uvedeny v tab.2. Tab. 2. Náhradní křivka T1 Table 2. Substitute curve T1 Č. bodu

F/Fmax [%]

s [mm]

F [kN]

Č. bodu

F/Fmax [%]

s [mm]

F [kN]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0 5 16 20 25 30 35 40 50 55 60

0,000 0,029 0,072 0,086 0,122 0,172 0,219 0,270 0,404 0,501 0,630

0 2,08 6,67 8,33 10,42 12,50 14,58 16,67 20,83 22,92 25,00

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

60 70 75 80 85 88 92 94 96 100 90

0,630 1,022 1,355 1,885 2,687 3,146 3,979 4,488 5,003 5,707 7,112

25,000 29,167 31,250 33,333 35,417 36,667 38,333 39,167 40,000 41,667 37,500

- 44 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ K vytvoření nelineárného numerického modelu vyšetřovaných spřažených nosníků byl použit software ANSYS. Pro materiálově i geometricky nelineární statickou analýzu (GMNIA) byl navržen 3D numerický model na bázi konečných prvků. Cílem je simulace nosníku se zabetonovanou stojinou a se spřažením trny malých průměrů, s využitím dat získaných z protlačovacích zkoušek. Základní ocelový profil je uvažován jako HEB300 s délkou 4.0 m a zabetonové části s betonem kvality C20/25. Spřahovací trny s průměrem 10 mm jsou rozmístěny uprostřed výšky stojiny po 400 mm. Dále jsou předpokládány třmínky o ø 6 mm po 200 mm a čtyři pruty betonářské výztuže o ø 8 mm podle obr. 1. Diskretizace je uvedena na obr. 4, přičemž byla upřednostněna metoda přímé generace. Vytvořená pravidelná síť konečných prvků se vyznačuje jednoduchostí, pravoúhlostí, snahou minimalizace počtu prvků a dosažení jejich vhodných stranových poměrů [3]. Obě části spřaženého nosníku jsou modelovány svojí plnou geometrií: ocelový profil používá objemový prvek SOLID45 (zahrnuje plasticitu a velké deformace). Jedná se o 8-uzlový prvek se 3 stupni volnosti v každém uzlu. Železobetonová část používá objemový prvek SOLID65 (prostorový 8uzlový prvek se 3 stupni volnosti v každém uzlu). Kontakt mezi plochami betonových částí a ocelovým profilem byl modelován pomocí dvojice prvků pro kontakt typu surface-to-surface (plochaplocha) CONTA174 A TARGE170. Pro nelineární řešení kontaktních úloh byla použita metoda Augmented Lagrangian.

Obr. 4: Axonometrické zobrazení diskretizace modelu nosníku. Fig. 4: Axonometry of discretization of the beam model. Smykové spřažení ocelové a betonové částí nosníku je simulováno diskrétně, pomocí nelineárních pružin COMBIN39, působících ve směru podélné osy nosníku (viz obr. 5). Jedná se o jednoosý prvek

definovaný dvěma uzlovými body, který má jeden stupeň volnosti v každém uzlu (posun ve směru osy, popř. jiný typ volnosti – natočení, teplotu apod.). Prvek umožňuje zadání nelineární závislosti mezi silou a protažením/zkrácením. Orientace uzlového souřadného systému se při geometricky nelineární analýze nemění, tzn. výsledky jsou v původním souřadném systému. Závislost mezi silou a protažením/zkrácením F-D lze definovat nejvýše pomocí 20 bodů.

- 45 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010

Obr. 5: Model smykového spojení (podél osy prvku). Fig. 5: Model of shear connection (along longitudinal axis of member). V modelu byly použity čtyři základní idealizované pracovní diagramy materiálů [5]. Zavedené nelineární konstitutivní vztahy jednoosé napjatosti jsou uvedeny na obr. 6. Pro ocel je použit izotropní materiál s bilineárním pracovním diagramem v jednoosé napjatosti. Plastická část křivky je nahrazena přímkou se sklonem Ep s cílem podpořit numerickou stabilitu výpočtu. Při víceosé napjatosti je aplikováno Misesovo kritérium plasticity s kinematickým zpevněním. OCEL

BETON V TLAKU

SPŘAŽENÍ

σ = f(fc,ε) Podle rov. (4)

Obr. 6: Model pracovních diagramů oceli, betonu a spřažení. Fig. 6: Stress-strain curves for steel, concrete and load-slip relationships for shear connection. Beton v tlaku je modelován (na počátku zatěžování) izotropním materiálem s kvadrilineárním pracovním diagramem v jednoosé napjatosti. Křivka vychází ze závislosti σ -ε podle Eurokódu 2 [4]:

σc fc

=

kη − η 2 1 + (k − 2)η

0 < ε < ε cu

kde :

σc = normálové napětí v betonu, fc = válcová pevnost betonu v tlaku, η =ε/εc ,

- 46 -

(4)

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 k = 1,1Ec ,0 ε c / f c , εcu = mezní poměrné přetvoření betonu, εcu = -3,5 ‰ pro fc < 50 MPa,

εc = poměrné přetvořené při dosažené pevnosti v tlaku ε c = −0, 7 ( f c )

Ec ,0 = 22000 ( f c /10 )

0.3

0.3

[‰],

na intervalu σc ∈ (0,0.4fc).

Chování betonu v tahu je modelováno lineárně pružně až do dosažení fct při zachování počátečního modelu pružnosti Ec,0 ze závislosti σ -ε v tlaku. Sestupnou větev představuje lineární změkčení definované poměrným přetvořením na mezi vzniku trhlin εcr a součinitelem T∈(0,1), jehož vhodnou volbou lze urychlit konvergenci výpočtu při rozvoji trhlin. Míra přenosu smyku pro otevřené resp. uzavřené trhliny je určena koeficienty βt = 0,3 a βc = 0,6. Pro nelineární pružinu modelu spřažení jsou souřadnice multilineárního pracovního diagram F-s podle obr. 6 uvedeny v tab. 2. Pracovní diagram spojení vychází z protlačovacích zkoušek série T1. Sestupná větev pracovního programu byla vzhledem ke zvolené metodě řešení nahrazena přímkou se sklonem Ep, která má hodnotu 0,3 ‰ počátečního sklonu. ZÁVĚR V současné době je vytvářen MKP model nosníku se zabetonovanou stojinou v programu ANSYS. Kalibrace modelu bude provedena podle testů uvedených v [6], s následnou parametrickou studií. Cílem disertační práce je rozšíření současných možností navrhování spřažených konstrukcí podle Eurokódu ČSN EN 1994-1-1, který omezuje průměr spřahovacích trnů na 16-25 mm, o spřažení trny průměrů 10-13 mm a aplikace těchto trnů na vybrané konstrukční prvky - zejména širokopřírubové profily se zabetonovanou stojinou, včetně vypracování doporučení pro jejich praktický návrh. OZNÁMENÍ Tento výzkum byl podpořen výzkumným grantem GAČR 103-08-H066. LITERATURA [1] Nguyen T.H.G.: Experimenty s trny malých průměrů. Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí, ČVUT Praha, 2009, s. 14-17. [2] ČSN EN 1994-1-1 Navrhování spřažených ocelobetonových konstrukcí, Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. ČNI 2006. [3] ANSYS® Modeling and Meshing Guide, Rel.ase 11.0. online manual, Ansys, Inc., 2003. [4] ČSN EN 1992-1 Navrhování betonových konstrukcí, Část 1-1, Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. ČNI, 2006. [5] Queiroz F.D.., Vellasco P.C.G.S, Nethercot D.A.: Finite element modelling of composite beams with full and partial shear connection. J. of Constructional Steel Research. Vol. 63, 2007, s. 505-521. [6] Treadway J., Elghazouli A.Y.: Inelastic behaviour of composite members under combined bending and axial loading. J. of Constructional Steel Research. Vol. 64, 2008, s. 1008-1019.

- 47 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010

CHOVÁNÍ KOMPONENTY STĚNA SLOUPU VE SMYKU ZA ZVÝŠENÉ TEPLOTY – EXPERIMENTÁLNÍ A NUMERICKÁ STUDIE BEHAVIOUR OF COMPONENT COLUMN WEB IN SHEAR AT ELEVATED TEMPERATURE – EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDY Michal Strejček Abstract The paper presents an experimental investigation of a column web panel of semi-rigid beam-tocolumn joint exposed to fire conditions with a view to verify an analytical prediction model. Recent experimental studies have shown that degradation of material properties and high axial forces, due to thermal expansion of the beam at elevated temperature, significantly affect moment-rotation response of joint. The component method which was originally established for evaluation of the joint behaviour at ambient conditions can be adopted for elevated-temperature cases. Recently published mechanical models are limited by absence of description of some components loaded by interaction of bending moment and axial force. Behaviour of the component column web in shear was investigated experimentally at the Czech Technical University in Prague. Detailed finite element simulations of the tests were performed to extend the experimental study to other temperatures. Key words: Steel joint, Elevated temperature, Component method, Column web in shear

ÚVOD Zvýšená teplota při požáru výrazně ovlivňuje chování jednotlivých konstrukčních prvků i celé konstrukce. Se vzrůstající teplotou degradují mechanické vlastnosti oceli a narůstají objemové změny konstrukčních dílů vlivem vysoké teplotní roztažnosti oceli. Při nerovnoměrném rozložení teplot je ovlivněn průběh vnitřních sil v konstrukci, kdy volnému protažení brání chladnější nebo tužší konstrukce v okolí požárem zatíženého prvku [1]. Normálové napětí v průřezech se vyvíjí v závislosti na fázích požáru. Při zahřívání jsou průřezy zatíženy přídavnými tlakovými silami od tepelného prodloužení nosníků. V okamžiku dosažení kritické teploty, při které jsou vyčerpány rezervy mechanické únosnosti průřezu, rychle roste průhyb nosníku. Dochází ke změně nosného mechanismu z ohybového na membránový, který vystřídá tlakové napětí za tahové. Další růst tahových napětí vyvolá chladnutí konstrukce, kdy protažený nosník vlivem teplotních změn zkracuje svoji délku [2]. Ve spojení se zpětným nárůstem pevnosti zatěžují nosníky okolní konstrukci tahovými silami, které mohou způsobit její destrukci. Kolaps v této situaci závisí zejména na styčnících, které zajišťují redistribuci vnitřních sil v konstrukci. Návrhové modely pro předpověď chování styčníků jsou založeny na geometrických a materiálových vlastnostech styčníku. Rozdělují se na zjednodušené analytické modely, mechanické modely a numerické modely. Mechanické modely jsou, z hlediska dostatečné přesnosti a přijatelné náročnosti řešení, pro projektanty nejefektivnějším postupem. V praxi se nejvíce osvědčila metoda komponent, kterou lze upravit i pro návrh za zvýšené teploty [3]. Při řešení je nutné zohlednit jevy, které za požáru ovlivňují chování konstrukce. Jedná se zejména o změny materiálových charakteristik jednotlivých části styčníku, proměnlivost jejich chování při zvýšené teplotě a interakci vnitřních sil. Současný výzkum se zabývá návrhem pokročilých mechanických modelů, které uvažují konstrukci jako celek. Interakci vnitřních sil zohledňují nejen odlišným zapojením komponent, ale i popisem jejich chování. Zjednodušený popis tažených a tlačených komponent u styčníků s čelní deskou, které jsou vystaveny kombinaci ohybového momentu a normálové síly při zvýšené teplotě, odvodil Spyrou [4]. Komponentu stěna nosníku ve smyku popsal a experimentálně ověřil Qian [5]. Cílem této práce je ověřit chování komponenty „stěna sloupu ve smyku“, která ovlivňuje deformace styčníků s jednostranným přípojem nebo styčníků s oboustranným přípojem nesymetricky zatíženým.

- 48 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 EXPERIMENTY K prověření chování komponenty „stěna sloupu ve smyku“ byl proveden experiment v laboratoři ČVUT v Praze. Zkušební sada byla složena ze tří vzorků, z nichž jeden byl podroben mechanickému zatěžování při běžné teplotě a dva při zvýšených teplotách. Zkušební vzorek, jehož tvar umožnil působení normálové síly a ohybového momentu ve styčníku, sestával ze sloupu průřezu HEA 200 a nosníku průřezu HEB 200, viz obr. 1 a). Spojení obou částí bylo řešeno přípojem s čelní deskou se šesti nepředepjatými šrouby M22 třídy 8.8. Styčník byl navržen tak, aby prověřovaná komponenta ovlivňovala celkovou únosnost styčníku. Komponenty v tlačené oblasti nosníku i sloupu byly vyztuženy, aby nedošlo k jejich předčasnému porušení v průběhu zatěžování. Podélné výztuhy spojující obě pásnice nosníků zabezpečily tlačené pásnice nejen proti boulení, ale i odolnost celého vzorku proti kroucení při zatěžování. Jelikož komponenta „stěna sloupu v tlaku“ má obvykle menší únosnost než „stěna sloupu ve smyku“, byla navržena příčná výztuha stěny sloupu v místě spodní pásnice nosníku. Proti stáhnutí závitu šroubu, ke kterému může dojít při zvýšených teplotách nad 400 °C, byly u tažených šroubů v přípoji použity dvě matice.

a)

b)

Obr. 1: Zkušební vzorek, a) konstrukční návrh, b) uspořádání experimentu Fig. 1: Test specimen, a) constructional design, b) test set-up Mechanické zatížení zkušebního vzorku zajišťoval hydraulický lis, který působil jako osamělého břemeno, viz obr. 1 b). Při experimentu byl řízen konstantním nárůstem síly 0,07 kN/s až do dosažení maximálního možného posuvu 25 cm. Směr deformace vzorku vymezovaly vodicí lišty ve svislém i vodorovném směru s tolerancí 5 mm na obou hranách pásnic sloupu. Kloubové úpravy hlavy pístu i spodní podpory zkušebního vzorku zajistily přenos vnitřních sil v konstrukčním systému bez vlivu přídavného ohybového momentu. Vnitřní síly v průběhu zatěžování byly stanoveny s uvažováním vlivu deformací konstrukce. Se vzrůstající působící silou vzrůstaly ohybový moment i normálová síla proporčně. Pro ohřev vzorků při experimentech za zvýšených teplot bylo použito elektrického generátoru a keramických odporových deček, které byly umístěny spolu s tepelnou izolací na povrch vzorku. Teplota byla měřena pomocí plášťových termočlánků na obou površích stěny sloupu ve dvou bodech. Informativně byla měřena teplota také na spodní pásnici sloupu a na čelní desce u výztuhy. V průběhu zatěžování byly měřeny deformace celého styčníku i stěny sloupu. Obě hodnoty byly měřeny odděleně se synchronizací podle času v intervalu 5 s. Indukční potenciometr, umístěný na dráze aplikace mechanického zatížení - spodní podpora, poskytl informace o deformacích celého styčníku. Deformace stěny sloupu byly měřeny bezkontaktně metodou dynamické stereofotogrammetrie, při které dva fotoaparáty o vysokém rozlišení se stabilní polohou snímaly změnu polohy stěny sloupu. Z tohoto důvodu nebyly keramické odporové dečky spolu s tepelnou izolací na předním povrchu stěny sloupu osazeny. Snazší vyhodnocení posunů umožnil rastr 64 bodů v pravidelné síti 30*30 mm zvýrazněný na předním povrchu stěny sloupu, viz obr. 2 a). Výsledná deformace byla stanovena relativně vzhledem k lokálnímu souřadnému systému. Pro každou sekvenci snímků byl stanoven nový lokální systém, který následoval deformovaný tvar stojiny podle osy y, viz

- 49 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 obr. 2 b). Vzhledem k vysokým teplotám byly body vyraženy na povrch stěny důlčíkem. Červená složka záření z rozpáleného povrchu oceli, které negativně ovlivňuje snímací čip fotoaparátu a tím i kvalitu pořízené fotografie, byla částečně potlačena nanesením černé vypalovací barvy na měřený povrch.

a)

b)

Obr. 2: Čelní povrch stěny sloupu, a) rastr bodů, b) lokální souřadný systém Fig. 2: Front surface of the column panel, a) point grid, b) local coordination system Uprostřed stěny sloupu byly pro měření poměrných deformací umístěny tenzometry do vysokých teplot, viz obr. 2 (mezi body 30 a 31). Tyto tenzometry s volnou mřížkou jsou při montáži zataveny do slabé cementokeramické vrstvy, která umožňuje funkčnost tenzometru až do teplot 1150 °C. Tenzometry snímaly deformace při obou površích stěny ve třech směrech. Ve směru rovnoběžném (SGr) i kolmém (SGk) na osu sloupu a ve směru hlavní tahové diagonály stěny (SGd). Deformace od teplotních změn kompenzoval jeden tenzometr nalepený na přídavném plechu o rozměrech 300*30*6,5 mm, který byl vyroben ze stejného materiálu jako zkušební vzorek. Při experimentu byl vložen do místa prověřované stěny sloupu mezi keramickou dečku a tepelnou izolaci tak, aby byl vystaven stejným tepelným podmínkám. Zkušební postup byl započat ohřevem vzorku na požadovanou teplotu. Cílem bylo dosáhnout v oblasti styčníku konstantní teploty 600 °C a poté aplikovat mechanické zatížení v podobě osamělého břemene. Průběh ohřevu je znázorněn na obr. 3, kde slabá čárkovaná křivka popisuje teploty na izolovaném povrchu a slabá plná křivka popisuje teploty na odkrytém povrchu. Silná plná křivka udává průměrnou teplotu ve střednicové rovině stěny sloupu. Při experimentu byla teplota ve střednicové rovině 570 °C. Po celou dobu aplikace mechanického zatížení byla její hodnota udržována konstantní. Tepelné ztráty neizolovaného povrchu při teplotách nad 500 °C výrazně ovlivnily rychlost nárůstu a rozložení teplot ve stěně. Teplotní spád po tloušťce stěny dosahoval hodnot až 45 °C.

Obr. 3: Teplota ve stěně sloupu v závislosti na čase Fig. 3: Temperature – time relationship of the column web panel Při dosažení teploty 570 °C byl zkušební vzorek zatížen silou z hydraulického lisu. Deformace stěny sloupu v rovině xy úměrně rostla spolu se zvyšující se hodnotou působícího zatížení, viz obr. 4 a).

- 50 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 Záznamy průběhů experimentů při běžné i zvýšené teplotě jsou uvedeny v grafu na obr. 7. Mechanické zatížení stěny je vyjádřeno hodnotou ekvivalentního smykového zatížení Veqv, které zohledňuje interakci vnitřních sil působících na smykové pole stěny podle vztahu: M N V = − eqv z 2

(1)

kde M je působící ohybový moment, N je působící normálová síla a z je rameno vnitřních sil. V závěru zatěžování došlo k vyboulení stěny, viz obr. 4 b). Stěna průřezu HEA 200 patří do první třídy klasifikace průřezů. Boulení je pro tento průřez netypické, což potvrdil experiment při běžné teplotě. Příčinou vyboulení při zvýšené teplotě byly pravděpodobně rozdílné materiálové charakteristiky oceli po tloušťce stěny sloupu způsobené nerovnoměrně rozloženou teplotou. K ověření tohoto předpokladu posloužily výstupy z měření tenzometrů SGk, instalovaných kolmo na osu sloupu, viz obr. 5. Z průběhu obou křivek je počátek boulení zřejmě signalizován při dosažení ekvivalentního smykového zatížení Veqv = 196 kN, kdy tenzometr na neizolovaném povrchu zaznamenal náhlou změnu z tahového přetvoření na tlakové se symetrickým průběhem vzhledem k přetvoření na izolovaném povrchu stěny. Z důvodu oddělení „netypického“ chování je křivka na obr. 7, popisující deformaci za zvýšené teploty, po vyboulení znázorněna tečkovaně.

a)

b)

Obr. 4: Deformovaný styčník, a) rovinná deformace, b) boulení stěny Fig. 4: Deformed shape of the joint, a) in-plane deformation, b) buckling of the panel

Obr. 5: Výstup měření tenzometrů SGk Fig. 5: Output from the strain gauges SGk

- 51 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 NUMERICKÝ MODEL Experimentální studii doplňuje numerická simulace styčníku, která poskytla potřebné informace o chování komponenty při vyšších teplotách, které nebyly prověřené experimentem. Pro modelování byl použit software ABAQUS. Geometrie zkušebního vzorku je osově symetrická a proto byla modelována pouze polovina vzorku s uvažováním symetrických okrajových podmínek, viz obr. 6 a). Z důvodu snížení času potřebného pro výpočet a generaci sítě byly některé detaily zkušebního vzorku oproti skutečnému tvaru zjednodušeny. Šikmé koncové úpravy nosníku i sloupu pro přenos mechanického zatížení pod úhlem nebyly modelovány. Přesný průřez válcovaného profilu byl uvažován pouze u sloupu a hlavy šroubů i matice byly uvažovány cylindrického tvaru. Koutové svary nebyly do modelu zahrnuty.

a)

b)

Obr. 6: Numerický model, a) detail styčníku, b) deformovaný tvar styčníku Fig. 6: Numerical model, a) joint in detail, b) deformed shape of the joint Všechny tři části; sloup, nosník i šroub, byly modelovány s využitím objemových (SOLID) elementů C3D8 bez redukované integrace. Pro zajištění spolupůsobení všech částí modelu byly na styčných plochách simulovány kontaktní vazby. Kontaktní páry byly definovány diskretizační metodou surfaceto-surface s parametrem finite sliding option. Kontaktní plochy zahrnovaly povrchy mezi čelní deskou a sloupem, šrouby a čelní deskou, šrouby a pásnicí sloupu. Povrch šroubu byl uvažován jako podřízená plocha - slave surface, zatímco kontaktní plochy čelní desky a pásnice sloupu jako řídící plocha master surface. Vlastnosti kontaktu byly definovány v normálovém a tangenciálním směru. Součinitel tření byl uvažován konstantní hodnotou µ = 0,3. Simulace kontaktů s využitím výpočtu pomocí ABAQUS/standard solver je velmi citlivá na vytvoření počátečního kontaktu v prvním přírůstku zatížení. Z tohoto důvodu byla analýza rozdělena na dva kroky, přičemž v prvním bylo vneseno do šroubů předpětí o velikosti 0,3 fy,b. Mechanické zatížení bylo aplikováno v druhém kroku analýzy v podobě posuvu podpory nosníku směrem k podpoře sloupu. Podpory nosníku i sloupu byly uvažovány jako liniové klouby kolmé na těžišťovou osu příslušného prvku. Šrouby byly ponechány bez podepření již od počátečního kroku simulace. Charakteristiky pro definici použitého materiálu při běžné teplotě byly získány z tahové zkoušky. Byly zjištěny tyto hodnoty: charakteristická mez kluzu fy = 340 MPa, charakteristická mez pevnosti fu = 490 MPa a modul pružnosti E = 195 GPa. Charakteristiky za zvýšených teplot, tj. modul pružnosti a mez kluzu, byly odvozeny z materiálové zkoušky za běžné teploty pomocí redukčních součinitelů podle ČSN EN 1993-1-2. Plastická oblast byla vypočtena podle doporučení Renner [6], která prověřovala základní mechanické vlastnosti oceli při zvýšených teplotách s různými rychlostmi nárůstu mechanického zatížení. Takto zjištěné pracovní diagramy oceli byly převedeny na „skutečné“ hodnoty, které jsou nezbytné pro přesný popis deformací v plastické oblasti pracovního diagramu oceli. Pracovní diagram

- 52 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 materiálu šroubů byl převzat z ČSN EN 1993-1-2. Model byl verifikován pomocí výsledků experimentů při teplotách 20 °C a 570 °C, viz obr. 7. Shoda výsledků je velmi dobrá. Numerická předpověď pro teplotu 570 °C se odchyluje od výsledku experimentu po vyboulení stěny. Dále byly prověřeny teploty: 400 °C, 500 °C a 700 °C, viz obr. 7.

Obr. 7: Porovnání experimentů s numerickou simulací Fig. 7: Comparisons between test and numerical results ZÁVĚR Disertační práce autora je zaměřena na využití metody komponent pro popis chování styčníků ocelových a ocelobetonových konstrukcí za požáru. Tento článek se zabývá ověřením chování komponenty „stěna sloupu ve smyku“ ve styčníku s čelní deskou, který je zatížen interakcí ohybového momentu a normálové síly. Popis komponenty za zvýšené teploty je nezbytný pro návrh styčníků s jednostraným přípojem nebo s oboustranným nesymetricky zatíženým přípojem. Experimentální vyšetření doplňuje numerická simulace, která rozšiřuje studii o další prověřované teploty. Numerický model byl verifikován na základě výsledků experimentů při běžné i zvýšené teplotě. Výsledky studie poslouží pro ověření analytického popisu, který bude součástí disertační práce. OZNÁMENÍ Výzkum byl podporován grantovým projektem GAČR 103/07/1142. Poděkování patří Ústavu teoretické a aplikované mechaniky ÚTAM AV ČR, v.v.i. a Experimentálnímu centru ČVUT v Praze. LITERATURA [1] Wang Y.C.: Behaviour of steel and composite structures in fire. Steel and composite structures. ISBN 0-415-24436-6. London and New York, 2002. [2] Wald F., Simões da Silva L., Moore D.B., Lennon T., Chladná M., Santiago A., Beneš M.: Experiment with structure under natural fire. New Steel Construction 13(3), 2005. [3] Burgess I.W.: Connection modelling in fire. Proc. of COST C26 Workshop Urban Habitat Constructions under Catastrophic Events, Prague, 2007, ISBN 978-80-01-03583-2, pp. 25-34 [4] Spyrou S.: Development of a component-based-model of steel beam-to-column joints at elevated temperature. Doctoral thesis, University of Sheffield, United Kingdom, 2002. [5] Qian ZH.: Shear behaviour of steel members and beam-to-column joint under elevated temperatures. Doctoral thesis, Nanyang Technological University, Singapore, 2007. [6] Renner A.: The effect of train-rate on the elevated-temperature behaviour of structural steel. Doctoral thesis, University of Sheffield, United Kingdom, 2005.

- 53 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010

PATNÍ DESKA S TRNY BASE PLATE WITH STUDS Jiří Žižka Abstract This paper focuses on column base with embedded base plate with header shear studs to connected plate to the concrete block of foundation and threaded connectors to fix the endplate of the column. The objective of this research is oriented to a new type of column base detail using base plate with studs. This should allow an easy and quick manufacturing with a simple and complex adjustment to accept severe tolerances in-situ. The behaviour of this joint will be examined by experiments and by FE simulation and an analytical prediction model will be created. A software design tool is expected to be an integral part of the work. Key words: steel structures, column base, base plate, stud connectors

ÚVOD V současnosti se klade důraz na rychlost a přesnost výstavby. Rychlost realizace závisí na koordinaci činností při výstavbě. Montáž ocelových sloupů je často na kritické cestě výstavby. Přesná montáž ocelových sloupů zkracuje navazující práce. Požadují se jednoduchá typizovaná kotvení sloupů s využitím přesnosti použitých technologií. Patky se obvykle navrhují jako kloubové nebo ohybově tuhé, viz [1]. V kotvení se uplatní předem nebo dodatečně zabetonované kotevní šrouby. U předem zabetonovaných kotevních šroubů se požaduje tolerance až 50 mm. Dodatečně realizované kotevní šrouby mohou být výrobně nebo cenově náročné, viz [2]. Pro pokrytí svislých tolerancí se patní plechy podlévají zálivkovou maltou. Podlití ovlivňuje únosnost, ohybovou tuhost a rotační kapacitu patky a při realizaci představuje další operaci. CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE Cílem disertační práce je navrhnout nový typ kotvení ocelových sloupů s předem zabetonovanou patní deskou, které využije spřahovací trny pro kotvení patní desky do betonu a trny se závitem pro připojení patní desky na sloupu, viz obr. 1. SLOUP TRN SE ZÁVITEM

SPŘAHOVACÍ TRN

PATNÍ DESKA ZÁLIVKOVÁ MALTA

MÍSTNĚ PODEPŘENÝ PATNÍ PLECH

Obr. 1: Schéma navržené patky sloupu Fig.1: Scheme of proposed column base

- 54 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 Navržené řešení přípoje umožní jednodušší a rychlejší montáž patek. Pro usnadnění návrhu přípoje bude vytvořena počítačová aplikace. Disertační práce bude obsahovat: • • • • • • •

analýzu současného stavu navrhování a realizace patek ocelových sloupů, návrh nového typu patky sloupů, návrh, popis a vyhodnocení experimentů s patkami ve skutečném měřítku, analýzu patky pomocí metody komponent, analýzu vybraných komponent pomocí metody konečných prvků, návrhový počítačový program závěry a doporučení.

EXPERIMENTY Chování patky sloupu bylo experimentálně ověřeno na vzorcích upravených podle obr. 2. Celkem bylo provedeno měření na sadě šestnácti zkušebních vzorků, která se dělí na tři tvarově odlišné podskupiny místně podepřené patní desky, viz obr. 3, pokrývající většinu proměnných parametrů kotvení, zejména geometrické nepřesnosti při provádění. HEB 180

PODPORA

ZATÍŽENÍ SMYKOVOU SILOU

ZATÍŽENÍ OSOVOU SILOU

Obr. 2: Uspořádání zkoušky patky sloupu, vzorek S1 Fig.2: Arrangement of column base experiment, specimen S1 Při zkoušce se měnily: zatížení zkušebních vzorků, tloušťka podlití a historie zatížení. Vzorky byly namáhány osovou (převážně tahovou) silou s excentricitou a smykovou sílou s excentricitou. Devět patek bylo zatěžováno monotónně a sedm cyklicky. Cílem cyklického zatěžování bylo napodobit seizmické zatížení. Experimenty se stanovila únosnost, tuhost a rotační kapacita vzorků, viz tab. 1.

- 55 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010

S2 (p1 = 80 mm)

S1 (p = 0 mm)

S3 (p1 = 80 mm) (p2 = 60 mm)

Obr. 3: Tři skupiny místně podepřených patních desek Fig. 3: Three geometrically different groups of locally supported base plate

Tab. 1: Parametry a výsledky zkoušek Table 1: Experiment parameters and results Experiment Vzorek 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

S1 S1 S1 S2 S3 S1 S2 S2 S2 S2 S2 S3 S3 S1 S3 S1

Tloušťka podlití t [mm] 30 30 30 0 0 30 5 30 30 30 30 30 30 30 30 5

Zatížení tah cyklický tah/tlak cyklický tah/tlak tah tah smyk tah tah cyklický tah/tlak smyk cyklický smyk smyk cyklický smyk cyklický smyk cyklický tah/tlak tah

Excentricita síly [mm] 1000 667 667 500 500 550 350 500 500 550 550 550 550 550 600 750

Natočení [rad] 0,060 0,025 0,048 0,170 0,180 0,045 0,200 0,190 0,050 0,083 0,056 0,087 0,075 0,036 0,070 0,120

Síla [kN] 84 120 150 85 86 160 105 93 110 100 80 90 75 140 100 105

Způsob porušení vzorků odpovídal předpokladu analytického modelu. Vzorky první podskupiny S1 se porušily vytažením trnu z betonu, vzorky zbylých podskupin vykazovaly porušení místně podepřené desky. Na zkušebních vzorcích byly měřeny deformace v několika místech pomocí průhyboměrů. Pomocí potencionálních měřičů ve specielních podložkách byla měřena síla v trnech se závitem. Lankovým průhyboměrem byla měřena změna velikosti ramene působící síly během experimentu a u většiny vzorků byly měřeny fotogrammetricky deformace. U vybraných vzorků byla měřena poměrná deformace horního povrchu místně podepřené desky pomocí tenzometrů. Zatěžování vzorků bylo řízeno deformací a vyvozená síla byla měřena siloměrem vloženým mezi zatěžovací válec a zkušební vzorek. Fotogrammetrické měření pokrylo podstatnou část nejvíce zkoumané komponenty místně podepřená patní deska. Výsledky tohoto měření poskytnou trojrozměrný model zkušebního vzorku v průběhu času při známém zatížení. Výsledky se v současné době zpracovávají, diagramy deformací jsou zobrazeny na obr. 6 a 7.

- 56 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010

Obr. 4: Zkušební vzorek S3 před zkouškou a po ní Fig.4: Specimen S3 before the experiment and afterwards

Obr. 5: Deformace patní desky vzorku S3 a pracovní diagramy zkoušek 1, 4 a 5 Fig.5: Deformation of specimen S3 base plate and load-deformation diagram of experiments 1, 4 and 5

Obr. 6: Průběh deformace místně podepřené patní desky S3 v podélném a příčném řezu Fig.6: Deformation of the locally supported base plate S3 in longitudinal and transverse cut

- 57 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010

Obr. 7: Průběh deformace místně podepřené patní desky S1 a S2 v podélném řezu Fig.7: Deformation of the locally supported base plate S1 and S2 in longitudinal cut Výsledky měření průhyboměrů jsou přesnější než data z fotogrammetrického měření, ale nepokrývají konstrukci v takové hustotě jako terče fotogrammetrického měření. Data z průhyboměrů poskytují podklady pro zpřesnění hodnot získaných fotogrammetricky, kterými lze ověřit MKP model patní desky. Experimenty jsou součástí evropského výzkumného projektu FRCS Innovative fastening solutions a navazují na práce dalších partnerů v projektu. Návrh vzorků vycházel zejména z výsledků zkoušek spojovacích trnů v tahu, smyku a jejich kombinaci, které byly provedeny v roce 2008 na TU ve Stuttgartu. Experimenty s patkami v laboratořích Kloknerova ústavu ČVUT v Praze potvrdily výsledky partnerů projektu a popsaly zároveň chování celého styčníku v měřítku 1:1. METODA KOMPONENT Chování patky lze popsat metodou komponent, která se využívá na návrh styčníků, viz [1]. Styčník se rozloží na vhodné části, komponenty, jejichž chování se popíše závislostí deformace na síle. Komponenty lze popsat jednoduchými modely, které co nejvíce vychází z mechanického chování, viz [4]. Oddělení vlivů jednotlivých vnitřních sil vede k přehlednosti návrhu. Po popisu všech komponent se jejich chování složí do pracovního diagramu patky. Pracovní diagram se pro potřeby jednoduchého návrhu popisuje pouze hlavními charakteristikami: tuhostí, únosností a deformační kapacitou. Do modelu pro navržené řešení kotvení sloupu patní deskou vstupují komponenty, jejichž chování je dobře známo a popsáno, např. v [5] a [6], ale také komponenty, jejichž chování je třeba doplnit, viz [7]. Jedná se o komponenty vytržení vyztuženého kužele betonu a komponentu patní deska s trny. Komponenta vyztuženého kužele betonu je předmětem práce na TU ve Stuttgartu, viz [3]. Doktorská práce na tyto výsledky naváže. Na popis komponenty patní deska s trny se zaměřuje připravovaná doktorská práce. KOMPONENTA PATNÍ DESKA S TRNY Citlivost na vstupní parametry při chování místně podepřené desky bude analyzováno parametrickou studií metodou konečných prvků. Výsledky studie citlivosti umožní ověřit analytický model pro zjednodušený výpočet únosnosti a tuhosti komponenty, viz [8]. Pro model patní desky s trny na pružném podloží se využívá program ANSYS. Model desky je vytvořen z elementů SHELL181. Pružné podloží je simulováno prvky COMBIN39, které podpírají každý uzel desky. Deska je dále držena kloubovými podporami v místě spojovacích trnů. Tyto klouby přenášejí tah i smyk a zajišťují prostorovou stabilitu desky. Deska je namáhána osamělými silami v místě trnů se závitem. Materiál se uvažuje s bilineárním pracovním diagramem s vyznačenou mezí kluzu a neomezenou tažností. Model je připraven ve vstupním makru a lze v něm měnit geometrické i materiálové vlastnosti. V současné době probíhá vyhodnocování dat z experimentů, pomocí kterých bude model a jeho chování

- 58 -

Sborník semináře doktorandů katedry ocelových a dřevěných konstrukcí 2010 kalibrován (viz obr. 6 a 7). Po úspěšné kalibraci proběhne příprava matice vstupních hodnot pro parametrickou studii, která předpoví chování komponenty lokálně podepřená deska i pro případy, které nebyly a nebudou ověřeny experimentálně. VÝSTUPY K navrhování konstrukcí se v současné době využívá informačních nástrojů, které si v poslední době oblíbili také výrobci stavebních ocelových konstrukcí pro jeho marketingový potenciál. V rámci doktorské práce bude připraven počítačový program pro návrh přípoje patky sloupu patní deskou se spojovacími trny. Přípoj sloupu k podkladní konstrukci bude též přihlášen jako užitný vzor. SOUČASNÝ STAV A PLÁN DALŠÍHO POSTUPU PRACÍ V době přípravy článku byly ukončeny zkoušky se vzorky patek a materiálové zkoušky betonu. Dále se bude v červnu až září 2010 zkoušet materiál výztuže, spojovacích trnů, závitových tyčí, místně podepřené desky a sloupu. V současné době se dále pracuje na vyhodnocení výsledků zkoušek. Od října 2010 začne práce na kalibrování MKP modelu, po kterém budou následovat parametrické studie. Tato část práce se plánuje na TU Stuttgart pod vedením U. Kuhlmann, která vede evropský projekt, jehož je práce součástí. Do června 2011 bude též připraven analytický model a jeho naprogramování do návrhového nástroje. Předložení disertace je plánováno na podzim roku 2011.

ZÁVĚR Cílem disertační práce je vývoj nového typu kotvení patní deskou s trny. Přínos práce bude v poznání a popisu chování komponenty patní deska s trny. Součástí práce bude příprava analytického modelu, jeho ověření a vypracování návrhového počítačového programu pro jeho snadnou aplikaci v praxi. Předložení disertace je plánováno na podzim roku 2011. OZNÁMENÍ Výzkum, jehož výsledky se prezentují v tomto příspěvku, je podpořen grantem RFSR-CT-2007-00051 InFaSo a výzkumným stipendiem poskytnutým Německou akademickou výměnnou službou DAAD, www.daad.cz. Autor tyto podpory velice oceňuje. LITERATURA [1] Wald, F., Sokol, Z., Steenhuis, M., Jaspart, J.P.: Component Method for Steel Column Bases, HERON. 2008, vol. 53, no. 1/2, p. 3-20. ISSN 0046-7316. [2] Eligehausen R.: Connections between Steel and Concrete, RILEM Cachan Cedex, 2001, ISBN 2912143-25-X. [3] Eligehausen R., Berger W.: Experimental work on components, Universität Stuttgart, 2009, interní dokument projektu InFaSo. [4] Wald, F., Sokol, Z., Jaspart, J.P.: Base Plate in Bending and Anchor Bolts in Tension, HERON. 2008, vol. 53, no. 1/2, p. 21-50. ISSN 0046-7316. [5] ČSN EN 1993-1-8: 2005 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-8: Navrhování styčníků, Český normalizační istitut, 2005. [6] Wald F., Sokol Z.: Navrhování styčníků, ČVUT v Praze, 1999, ISBN 80-01-02073-8. [7] Gregor D.: Opakovaně namáhané přípoje smíšených konstrukcí, Disertační práce ČVUT v Praze, 2004. [8] Lee D., Goel S. C., Stojadinovic B.: Exposed Column-Base Plate Connections Bending About Weak Axis: I. Numerical Parametric Study, International Journal of Steel Structures, Vol. 8, No. 1, KSSC, 2008, pp. 11-27. [9] Herout P.: Učebnice jazyka Java , Kopp České Budějovice, 2004, ISBN 80-7232-115-3.

- 59 -