Nosnosť spojovacích hmoždiniek - PDF na stiahnutie zadarmo
F. Colling; H. J. Pale; C. Skúšajúci 2x6 SDü d = 16 mm 100 120 100 3 d 3 d 3 d 7 d 5 d 5 d 5 d 5 d 5 d 7 d
Projekt, na ktorom je založená táto správa, bol financovaný Nemeckým inštitútom pre technológiu budov (DIBt) v Berlíne pod referenčným číslom P 52-5-13.190-1434/13. Zodpovednosť za obsah tejto publikácie nesú autori. F. Colling H. J. Blaß C. Prüfer i
Obsah 1 Všeobecné informácie. 1 2 Porovnanie DIN 1052: 1988 EC 5. 2 2.1 Základ pre porovnávacie výpočty. 2 2.1.1 perm N St podľa DIN 1052: 1988. 2 2.1.2 F v, rk podľa EC 5. 4 2.1.3 Porovnávacia hodnota R V. 6 2.2 Zostavenie porovnávacích výpočtov. 8 2.2.1 Prípojky drevo-drevo, n h = 1 a n h = 6. 9 2.2.2 Prípojky drevo-drevo, vplyv uhla zaťaženia α. 10 2.2.3 Spoje z oceľového plechu a plechu. 13 2.3 Záver, zistenia. 14 3 Inventár vykonaných pripojení. 14 4 Skúšobné údaje. 16 4.1 Opuch, skúšky v ťahu/šmyku, štíhlosť. 16 4.2 Surové hustoty. 18 4.3 Kvalita ocele. 20 4.4 Odstupy. 21 4,5 priemer. 23 4.6 Schéma zapojenia. 23 4.7 Vylúčené hodnoty. 24 5 Hodnotenia, časť 1. 25 5.1 Porovnanie s prípustnými hodnotami podľa DIN 1052: 1988. 25 5.2 Porovnanie s charakteristickými hodnotami podľa Eurokódu 5. 26 5.2.1 Jednotlivé vyhodnotenia. 26 5.2.2 Súhrnné hodnotenie. 33 5.3 Porovnanie s očakávanými skúšobnými hodnotami. 34 5.4 Záver. 36 6 experimentov s hmoždinkami. 36 6.1 Všeobecne. 36 6.2 Skúšky s hmoždinkami. 37 6.2.1 Materiál a metódy. 36 6.2.2 Výsledky skúšok v ťahu. 39 6.2.3 Výsledky skúšok na ohyb. 40 7 Zoštíhľujúci efekt. 45 ii
8 Hodnotenia Časť 2. 46 8.1 M y -nov. 46 8,2 M y -novinka + zoštíhľujúci efekt 25% s vytvorením 2 plastových pántov. 47 8,3 M y -new + zoštíhľujúci efekt 25% pri vytvorení 1 a 2 plastových pántov. 49 8,4 My -new + zoštíhľujúci efekt 10% pri vytvorení 1 plastového závesu a 25% pri 2 plastových závesoch. 50 8.5 Účinky na základe príkladov. 52 9 Efektívny počet nef hmoždiniek. 56 9.1 Všeobecne. 56 9.2 Dátový materiál. 56 9.3 Ovplyvňujúce faktory. 58 9.3.1 Počet hmoždiniek, ktoré ležia jeden za druhým (n h). 58 9.3.2 Vzdialenosť medzi spojovacími prvkami (a 1/d). 58 9.3.3 Štíhlosť spojenia (SH). 59 9.4 Viacnásobná regresia. 60 9.4.1 Regresná rovnica. 60 9.4.2 Vplyv štíhlosti. 60 10 Stupňovité/nepresadené usporiadanie hmoždiniek. 62 11 Zhrnutie. 63 12 Literatúra. 65 iii
Príklad: Náraz v ťahu (zaťaženie vlákna), d = 16 mm, SH = 60 mm, MH = 100 mm. Pre bočné drevo: najmenej 2 5,5 60 16 = 10560 N = 16 kn 2, najviac však 2 33,0 16 = 16896 N = 16,90 kn Pre stredné drevo: St najmenej 8,5 100 16 = 13600 N = 13, 60 kn 2, maximálne však zuln 5 16 = 13056 N = 13,06 kn rozhodujúce: perm N St = 16 kn St U spojovacích prostriedkov ležiacich jeden za druhým v smere zrna bolo dovolené, aby bolo úplne účinných až 6 hmoždiniek, t. J. Redukcia nebola nutná. S viac ako 6 po sebe nasledujúcimi spojovacími prvkami sa počet efektívnych hmoždiniek dal vypočítať takto: 2 nef 6 (n 6) Rov. (2.2) 3 To znamená, že prvých 6 hmoždiniek v rade je úplných a 7. a každé ďalšie Hmoždinky boli použité s 2/3 prípustného zaťaženia hmoždinky. 3
Prípad poruchy 4 (2 plastové závesy na šmykové spojenie): 2 0 Fv, Rk 1,15 2 145927 24,11 16 = 12202 N = 12,20 kn na SF 1 0 rozhodujúci: F v, rk = 10,48 kn na SF 2 10, 48 = 20,96 kn na SDü. Ak na vlákno dreva pôsobí sila pod určitým uhlom, musí sa sila zabudovania príslušného dreva vynásobiť koeficientom k α: d 8 mm: k α = 1 d> 8 mm: k 2 2 (1,35 0,15 d) sin cos s α = uhol medzi silou a smerom zrna v príslušnom dreve, rov. (2.8) Pre prípoje oceľový plech - drevo (s vnútorným plechom) možno únosnosť vypočítať nasledovne: Prípad poruchy 1 (porucha kotvenia v SH): Fv, Rk fh, 1, k t1 d Rov. (2.9a) Poruchový prípad 2 (1 plastový záves na oceľovom plechu a zahnutý kolík v SH): 4M y, k Fv, Rk fh, 1, k t1 d 2 1 2 fh, 1, kd t1 Poruchový prípad 3 (2 plastové závesy na šmykový spoj): Rovnica (2.9b) Fv, Rk 1,15 2 2 My, k fh, 1, kd Eq paralelne k zrnu je počet efektívnych Účinná hmoždinka: pri 1 n ef na 13 d 0,9 1 = vzdialenosť medzi hmoždinkami v smere vlákien, rovnica (2.10) 2.1.3 Porovnávacia hodnota RV Podľa DIN 1052: 1988 bolo potrebné vykonať nasledujúci dôkaz: s pred sv. 2.11) St existuje N St = zaťaženie založené na charakteristických zaťaženiach podľa DIN 1055 6
Rv alebo povoliť N [kn] Rv/povoliť N Rv alebo povoliť N [kn] Rv/povoliť N Rv alebo povoliť N [kn] Rv/povoliť N Rv alebo povoliť N [kn] Rv/povoliť N MH d = 8 mm d = 24 mm 3 6 1 1,39 1,4 1 1,3 1,2 8,0 1,1 6,0 0,9 0,892 0,8 4,0 0,7 0,6 EC 5 DIN "starý" 0,4 0,3 0 0 0 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 SH 25,0 1,39 1,4 2 1,3 1,2 1, 1 15,0 0,9 1 0,8 0,7 0,6 5,0 0,602 EC 5 DIN „starý“ 0,4 0,3 0 0 0 3,00 4,00 5,00 6,00 7, 00 8,00 SH Obrázok 2.2 Výsledky porovnávacích výpočtov: drevo-drevo, nh = 6 SDü, α SH = α MH = 0 10 9 1,15 8 7 0,9 6 0,8 5 0,7 4 0,672 0,6 3 2 EC 5 1 DIN „starý“ 0,4 0,3 0 0 0 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 20 18 1,15 SH 16 14 0,9 12 0, 8 10 8 0,7 6 0,6 4 0,474 EC 5 2 0,4 DIN „starý“ 0,3 0 0 0 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 SH 1,2 1.1 1.2 1.1 2.2.2 Spojenia drevo-drevo, vplyv uhla zaťaženia α Na obrázkoch 2.3 až 2.6 sú zostavené porovnávacie výpočty pre rôzne uhly zaťaženia v bočnom dreve (α SH) a v stredovom dreve (α MH). Na týchto obrázkoch možno pozorovať rovnaké tendencie ako pri napätí rovnobežnom so smerom zrnitosti dreva: so zvyšujúcimi sa priemermi hmoždiniek a štíhlosťou dreva poskytuje EC 5 nižšie komparatívne hodnoty únosnosti hmoždinky ako DIN 1052: 1988. 10
boli k dispozícii spojovacie kolíky. Celkovo bolo do databázy pridaných 183 rôznych zlúčenín. 174 prípojok boli prípoje plech - drevo, pre hodnotenie bolo k dispozícii iba 9 prípojok drevo - drevo. Z tohto dôvodu sú na nasledujúcich obrázkoch zohľadnené iba spojenia oceľový plech - drevo. Nepredstavujú reprezentatívne zastúpenie, ale iba viac alebo menej náhodný výber. Štíhlosť SH bočného dreva (= hrúbka bočného dreva/priemer hmoždinky) spojov sa pohybovala medzi 3,28 a 13,4 s priemernou hodnotou 6,88 (pozri obrázok 3.1 vľavo). Najčastejšie bola identifikovaná bočná štíhlosť dreva SH 6. Obrázok 3.1 vpravo poskytuje prehľad použitých priemerov hmoždiniek. Obrázok 3.2 zobrazuje počet hmoždiniek usporiadaných za sebou v smere sily a zrna. Obrázok 3.1 Štíhlosť bočných trámov (vľavo) a priemer hmoždinky (vpravo) vytvorených spojov Obrázok 3.2 Počet hmoždiniek v smere sily a zrnitosti vytvorených spojov 15
4 Údaje o teste V rámci výskumného projektu boli zhromaždené a komplexne vyhodnotené výsledky testov z celkovo 7 zdrojov (pozri [5] až [11]). 4.1 Skúšky napučania, šmykové skúšky v ťahu/tlaku, štíhlosť Celkovo bolo hodnotených 1588 skúšok, z toho 1045 spojení drevo-drevo a 543 spojenie oceľový plech-drevo. Obrázok 4.1 zobrazuje počet testov s pridruženými zdrojmi. Obrázok 4.1 Vyhodnotené skúšky so zdrojmi Obrázok 4.2 zobrazuje počet skúšok v ťahu a šmyku vykonaných pre každý zdroj. Celkovo bolo vykonaných 988 ťahových skúšok a 600 tlakových skúšok. Obrázok 4.2 Počet skúšok v ťahu a šmyku v strihu Štíhlosť SH bočného dreva (= hrúbka bočného dreva/priemer hmoždinky) skúšobných telies sa pohybovala medzi a 7,5 (obrázok 4.3). Z tohto obrázka vidno, že pri spojoch drevo-drevo sú to hlavne spojenia s bočnou štíhlosťou dreva SH 600 kg/m³. Na príslušné údaje zo skúšok sa v ďalšom texte odkazuje ako na vylúčené hodnoty. Po odpočítaní týchto vylúčených hodnôt zostalo celkovo 561 skúšok s prípojkami drevo-drevo a 325 skúšok s prípojkami oceľový plech-drevo. 24
Obrázok 5.7 Pomer R V/R k (Kneidlove experimenty) Tento obrázok ukazuje, že hodnota charakteristického pomeru (R V/R k) k je pod cieľovou hodnotou v niektorých testovacích sériách. Ak sú zhrnuté všetky testované hodnoty, výsledkom je charakteristická hodnota pomeru (R V/R k) k = 0,990, čo zhruba zodpovedá cieľovej hodnote. Skúšky Brühl [7] Brühl vykonal 6 sérií skúšok, pri ktorých boli spoje opatrené priečnou ťahovou výstužou (obr. 5.8). Obrázok 5.8 Spojenie s priečnou ťahovou výstužou podľa Brühla Použili sa hmoždinky s priemermi d = 7 až d = 16 mm. Obrázok 5.9 zobrazuje súvisiace výsledky zľava (d = 7 mm) doprava (d = 16 mm). Pri skúškach s väčšími priemermi predčasne zlyhali bočné trámy skôr, ako bolo možné dosiahnuť únosnosť spoja. Na vyhodnotenie bolo možné použiť všetky testovacie hodnoty. 31
Pre každý test sa znovu vypočítal pomer medzi testovacou hodnotou R V a charakteristickou vypočítanou hodnotou podľa Johansena R k. Obrázok 5.9 zobrazuje priemernú hodnotu pomeru (R V/R k) ma príslušnú hodnotu charakteristického pomeru (R V/R k) k pre každú sériu skúšok. Obrázok 5.9 Pomer R V/R k (Brühlove experimenty) Ak sú kombinované všetky experimentálne hodnoty, výsledkom je charakteristická hodnota pomeru (R V/R k) k = 0,912, čo je pod cieľovou hodnotou. Skúšky Schmid [11] Schmid uskutočnil 9 skúšobných sérií s veľmi nízkou štíhlosťou dreva (SH = 1,25) a vysokopevnostnými ocelami s priemerom d = 24 mm. V súlade s kritériami vylúčenia vysvetlenými v časti 4.7 museli byť z hodnotenia vylúčené všetky výsledky testov (na obrázku 5.10 sú zobrazené červenou farbou): Z dôvodu nedostatočnej štíhlosti: všetky testovacie série (109 až 117). Pre každý test sa znovu vypočítal pomer medzi testovacou hodnotou R V a charakteristickou vypočítanou hodnotou podľa Johansena R k. Obrázok 5.10 zobrazuje príslušnú strednú hodnotu pomeru (R V/R k) ma príslušnú hodnotu charakteristického pomeru (R V/R k) k pre každú sériu skúšok. 32
Obrázok 5.10 Pomer R V/R k (Schmidove experimenty) Ak sú zhrnuté všetky experimentálne hodnoty, výsledkom je charakteristická hodnota pomeru (R V/R k) k = 30, ktorá zhruba zodpovedá cieľovej hodnote. 5.2.2 Sumárne vyhodnotenie 5.2.2.1 Spojenia drevo-drevo Obrázok 5.11 zobrazuje hodnoty pomeru R V/R k pre všetky skúmané spojenia drevo-drevo. Charakteristický pomer (RV/R k) k všetkých skúšobných hodnôt (bez vylúčených hodnôt) je 74. [-] 4,5 spojenia drevo-drevo 4,0 3,5 Jorissen Ehlbeck/Werner 3,0 2,5 mil., ec5 RV/R k (RV/R k) k 74 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 Séria testov Obrázok 5.11 Pomer RV/R k pre spojenie drevo-drevo (červená = vylúčené hodnoty) Skutočnosť, že je táto hodnota vyššie, naznačuje, že po Charakteristickú únosnosť R k vypočítanú Eurokódom 5 možno považovať za mierne konzervatívnu. 33
pevnosť v ťahu a priemer alebo výrobcu nie je možné zistiť. V zásade sú hodnoty pevnosti v ťahu pri skúškach výrazne nad hodnotami pre oceľ S235, čo sa musí predpokladať pre hmoždinky bez určenia kvality ocele. Obrázok 6.2 zobrazuje príklad hmoždiniek skúšobnej série VK 16/200 po ťahových skúškach. Obrázok 6.2 Hmoždinky skúšobnej série VK 16/200 po ťahových skúškach s jasným zúžením a prilepených značkách pre optický merací systém 6.2.3 Výsledky skúšok ohybom Obrázok 6.3 Hmoždinky skúšobnej série RB 8 x 140 po skúške ohybom v stroji na testovanie krútiaceho momentu Schatz GmbH Zatiaľ čo jednoznačné hodnotenie pevnosti v ťahu a 0,2% skúšobného napätia je špecifikované skúšobnými normami pri skúškach v ťahu, medza klzu hmoždinky významne závisí od dosiahnutého uhla ohybu (pozri obrázok 6.1). Blaß, Bienhaus a Krämer [14] navrhli empirický vzťah 40 na základe skúšok ohybom pomocou hmoždiniek
Medzi výsledkami testu a prediktívnymi hodnotami sa dosiahol tento výraz: s ff My, nový 2 yu 3 0,15 d pre fu 450 N/mm² 3 0,15 fu d pre fu 450 N/mm² d = priemer fy = medza klzu ocele fu = pevnosť v ťahu ocele Rovnica (6.3) Obrázok 6.4 Absorbovateľný ohybový moment v závislosti od uhla ohybu pre vysokopevnostnú oceľ (plná čiara) a nízko pevnostnú oceľ s výrazným medzou klzu (prerušovaná čiara) Obrázok 6.5 ukazuje vzťah medzi M y pre 122 skúšok ohybom EN 409 a hodnota podľa rovnice (6.3) založená na strednej (kosoštvorcovej) a nominálnej (štvorcovej) pevnosti v ťahu určených pre príslušnú sériu skúšok. Obrázok 6.5 Hodnoty pomeru medzí klzu od skúšok k medze klzu podľa rovnice (6.3) založené na skutočných medzných hodnotách (kosoštvorce) alebo nominálnych medziach (štvorce) a pevnosti v ťahu hmoždiniek. Hodnoty pomerov sú nezávislé od priemeru hmoždinky. Priemerná hodnota pomeru je 9, charakteristická hodnota 0. To je veľmi dobré stanovenie hodnoty 43
Hmoždinky s d = 12 mm, zatiaľ čo Ehlbeck/Werner použila aj hmoždinky do 30 mm. Obrázok 8.2 zobrazuje rovnaké hodnotenie pre spojenia oceľový plech - drevo. Tento diagram je porovnateľný s obrázkom 5.12 v časti 5.2.2.2. Hodnota charakteristického pomeru (RV/R k) k všetkých testovaných hodnôt (bez vylúčených hodnôt) vyplýva z 01. Na porovnanie: s M y -alt sa pre všetky testované hodnoty získala hodnota charakteristického pomeru 73. Obr. 8.2 Pomer RV/R k pre spojenia drevo-drevo (červená = vylúčené hodnoty) 8,2 M y - nový + štíhlosť 25% s tvorbou 2 plastových pántov Použitím upravenej rovnice pre medzu klzu M y podľa časti 6.2 a štíhlosti 25% v prípade poruchy Testy boli prehodnotené pre 2 plastové závesy. Obrázok 8.3 zobrazuje výsledky porovnania skúšobných hodnôt R V s charakteristickými vypočítanými hodnotami R k pre spojenia drevo-drevo. Tento obrázok je porovnateľný s obrázkom 5.11 prvého hodnotenia (časť 5.2.2.1). 37 Obrázok 8.3 Pomer R V/R k pre spojenie drevo-drevo (červená = vylúčené hodnoty): prehodnotenie s M y -novým a zoštíhľujúci efekt 25% s výskytom 2 plastových pántov na šmykovú spojku 47
Hodnota charakteristického pomeru (RV/R k) k všetkých skúšobných hodnôt drevo-drevo (bez vylúčených hodnôt) vedie k 37. Na obrázku 8.4 sú uvedené výsledky porovnania skúšobných hodnôt RV s charakteristickými vypočítanými hodnotami R k pre oceľový plech. Zobrazené pripojenia. Tento obrázok je porovnateľný s obrázkom 5.12 prvého hodnotenia (časť 5.2.2.2). 0,978 Obrázok 8.4 Pomer RV/R k pre prípoje oceľový plech - drevo (červená = vylúčené hodnoty): prehodnotenie s M y -novým a zoštíhľujúci efekt 25% s výskytom 2 plastových pántov na šmykovú spojku Hodnota charakteristického pomeru (RV/R k) k všetkým Výsledkom testovacích hodnôt z oceľového dreva (bez vylúčených hodnôt) je 0,978. Porovnanie testovaných hodnôt s očakávanými testovacími hodnotami (R V/R EV) je znázornené na obrázku 8.5. Tento obrázok je porovnateľný s obrázkom 5.13 prvého hodnotenia (časť 5.3). Obrázok 8.5 Pomer RV/R EV ako funkcia štíhlosti bočného dreva: prehodnotenie s M y - nový a štíhlosť 25% s výskytom 2 plastových pántov na šmykový spoj. Obrázok 8.5 zobrazuje prístup k ideálnej hodnote 1: In pre štíhlosť SH> 6 V tejto oblasti prichádza do úvahy zoštíhľujúci efekt s vytvorením 2 plastových pántov. 48
Nosnosti v rozsahu strednej štíhlosti sú však 4 1, t. J. Prekročená vypočítaná nosnosť 26%. Nasledujúca tabuľka 8-1 ukazuje mieru využitia tohto spojenia pomocou troch ovplyvňujúcich faktorov opísaných v rôznych kombináciách. Tabuľka 8-1 M y - nový stupeň využitia spojenia s nízkou štíhlosťou Zoštíhľujúci efekt s 1 plastovým závesom/2 plastovými závesmi Nadmerná pevnosť (S 355) Stupeň využitia 0%/25% 10%/25% 25%/25% 1,26 *) x 1, 24 xx 1,24 xx 1,13 xx 1,13 xx 1,13 xxx 1,13 xxx 1,13 xxx 1,13 *) Aktuálny stav Z tejto tabuľky je zrejmé, že v prípade kompaktných pripojení s malými priemermi hmoždiniek rôznymi ovplyvňujúcimi faktormi nemožno dosiahnuť žiadne významné zmeny: v súčasnosti nízky prebytok 26% je možné znížiť iba na 13%. Príklad 2 Tenké spojenie s väčším priemerom hmoždinky (d = 16 mm). NKL 2, KLED = stredná. F g, k = F p, k = 76 kn Podľa súčasného stavu normalizácie vedie tento príklad k miere využitia = 1,83> 1, t. J. Vypočítaná únosnosť je prekročená o 83%. 53