Mechanická analýza celodřevěných konstrukčních spojů

Ing. Jaromír Milch

Disertační práce

Mechanical analysis of all-wooden construction joints

Anotace:

Tradiční celodřevěné konstrukční spoje jsou v současnosti hojně vyhledávané při rekonstrukcích historicky cenných objektů. Tyto spoje jsou z pohledu budoucího zachování kulturního dědictví pro další generace nepostradatelné a nenahraditelné. Podtrhují samotný význam dřevěných konstrukcí a staveb, které mají v mnoha případech nevyčíslitelnou historickou, uměleckou ale i finanční hodnotu. Nicméně, tento zvýšený zájem sebou nese řadu problémů a rizik, které je nutné vhodným a včasným způsobem zachytit a eliminovat. Adekvátní nasazení těchto spojů vyžaduje výzkumem podložené postupy, které umožní vhodnou implementaci do stávajících konstrukcí při zachování jejich spolehlivosti a bezpečnosti. Hlavním cílem předkládané disertační práce bylo přispět k tvorbě adekvátních metodik analyzováním mechanického chování celodřevěných konstrukčních spojů zejména kolíkového typu, které se používají při rekonstrukcích poškozených dřevěných prvků nebo jejich částí. Pro tyto účely byly použity různé metody (modely), založené na kombinaci teoretických, experimentálních a numerických přístupů. Práci lze rozdělit na a) základní mechanické zkoušky masivního dřeva a b) konečně-prvkové komplexní analýzy celodřevěných spojů a konstrukcí. Základní mechanické zkoušky zahrnovaly tahové, tlakové, ohybové a smykové zkoušky na malých bezvadých tělíscích ze dřeva smrku (Picea abies L. Karst.), buku (Fagus sylvatica L.) a dubu (Quercus robur L.). Tyto druhy jsou pro historické, ale i současné evropské stavby klíčové. Odezva tělísek na různé druhy mechanického zatížení byla zaznamenávána pomocí kamer ve stereo konfiguraci (trojrozměrné snímání) za účelem získání plno-polních dat posunutí a poměrných deformací. Tyto výstupy sloužily pro stanovení materiálových charakteristik a jejich verifikaci v rámci sestavených materiálových modelů pro konečně-prvkové (KP) analýzy. Verifikované elasto-plastické materiálové modely byly směrodatnými materiálovými vstupy pro komplexnější KP analýzy pro hodnocení mechanické odezvy spojů a konstrukcí na zatížení. Mimoto byly materiálové charakteristiky využity v rámci teoretických výpočtů mechanických vlastností kolíkových spojů. Numerické analýzy založené na metodě konečných prvků (MKP) a byly řešeny v prostředí ANSYS s využitím vnitřního skriptovacího jazyka APDL (ANSYS Parametric Design Language) umožňujícího parametrizaci modelů. Výstupy z měření jednostřižných kolíkových spojů potvrdily shodu s teoretickými přístupy založenými na teorii EYM (European Yield Method), podle kterých se stanovuje mezní únosnost spojů a spojovacích prostředků. V rámci KP analýz bylo prokázáno, že sestavené elasto-plastické materiálové modely jsou schopny predikovat meze pevnosti i v komplexnějších úlohách, a proto mohou přispět ke spolehlivějšímu navrhování dřevěných konstrukcí a spojů v různých konfiguracích.

Abstract:

Traditional all wooden construction joints are currently widely used when historically valuable buildings are being reconstructed. These construction joints are indispensable and irreplaceable in order to maintain cultural heritage for our future generations. They underline the importance of the wooden structures and buildings, which in many cases might have incalculable historical, artistic as well as financial value. However, increased interest brings many challenges and potential risks that need to be taken into account and eliminated by appropriate solution(s). Adequate employment of these wooden joints requires a research-based approaches, which allows proper implementation within existing constructions while maintaining its reliability and safety. Main aim of preset doctoral thesis was to contribute to the development of suitable methods for analyzing mechanical behavior of all wooden construction joints, especially dowel joints, which are mainly used for reconstruction of damaged wooden elements or their parts. For such purposes, various methods (models), based on combination of theoretical, experimental and numerical approaches, has been used. This work was divided to a) basic mechanical tests of solid wood and b) complex finite element analyses of all wooden joints and constructions. Mechanical behavior in tension, compression, bending and shear was tested on small clear specimens made of spruce (Picea abies L. Karst.), beech (Fagus sylvatica L.) and oak (Quercus robur L.). Analyzed species were chosen as a most important historical as well as present European building materials. Mechanical response was captured using cameras in stereovision 3D configuration in order to obtain full-field displacement and strain data sets. Based on obtained data, material characteristics were determined and verified in frame of assembled material models for finite element analyses (FEA). Verified elasto-plastic material models were used as main material inputs for complex FEA for evaluation of mechanical response of joints and constructions subjected to load. Furthermore, material characteristics were used in calculations of mechanical properties of dowel joints. Numerical analyses were done using ANSYS software with parametric design language (APDL). Experimental results of single-shear dowel joints are in agreement with theoretical approach according to European Yield Method (EYM) theory, which was used for determination of joints and fasteners yield strength. FEA proved that assembled elasto-plastic material models can predict the ultimate strength even in complex tasks, and therefore, can be used for more reliable designing of wooden constructions and joints in variety of configurations.

Klíčová slova

mez úměrnosti, celodřevěné spoje, modul prokluzu, kulturní dědictví, nelineární chování, modul pružnosti, metoda konečných prvků (MKP), digitální korelace obrazu (DIC), mez pevnost

Keywords

proportional limit, strength, elastic modulus, finite element method (FEM), yield modulus, cultural heritage, non-linear behavior, digital image correlation (DIC), all-wooden joint

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 10. 11. 2016

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Ing. Jan Tippner, Ph.D.

Mendelova univerzita v Brně

Lesnická a dřevařská fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Dřevařské inženýrství / Technologie zpracování dřeva