Analýza únosnosti vybraných spojů dřevěných konstrukcí kolíkového typu při statickém i cyklickém namáhání

Pavel Dobeš

Disertační práce

Load-carrying capacity analysis of selected dowel-type connections of timber structures under static and cyclic loading

Anotace:

V současnosti se použití dřeva jako stavebního materiálů dostává stále více do popředí zájmu. Při navrhování dřevěných konstrukcí je přitom nezbytné věnovat zvýšenou pozornost návrhu jejich spojů. Běžně používanými spoji jsou spoje kolíkového typu, které se často používají v kombinaci s ocelovými styčníkovými plechy vkládanými do výřezů v dřevěných prvcích. Prezentovaná disertační práce se zabývá chováním dvojstřižných svorníkových spojů hraněného řeziva a kulatiny s vloženými ocelovými plechy. K experimentálnímu testování bylo vybráno několik variant spojů s různou vzdáleností spojovacího prostředku od namáhaného konce a u hraněného řeziva také s různým obsahem vlhkosti. Bylo celkem vyrobeno šest typů zkušebních vzorků ze smrkového dřeva, u kterých byly před samotným testováním stanoveny a vyhodnoceny jejich vybrané fyzikální vlastnosti. Zkušební vzorky svorníkových spojů byly nejprve testovány tahem rovnoběžně s vlákny dřeva až do porušení při kvazistatickém namáhání. Výsledky experimentu posloužily pro srovnání s výpočetními postupy podle normy pro navrhování dřevěných konstrukcí a výpočty podle teorie lineární lomové mechaniky. Následně byl vyhodnocen vliv vzdálenosti spojovacího prostředku od namáhaného konce na skutečnou únosnost spoje. Vliv vlhkosti na skutečnou únosnost spoje byl vyjádřen pomocí navržených regresních modelů. Experimenty a analytické modely byly podpořeny jednoduchou numerickou analýzou na základě metody konečných prvků. V druhé fázi experimentálního testování bylo provedeno cyklické, dynamické zatěžování tahem rovnoběžně s vlákny až do porušení pro dvě vybrané geometrické modifikace hraněného řeziva. Výsledky cyklického testování posloužily pro analýzu poklesu tuhosti, únosnosti a způsobu porušení spojů. Následně bylo u několika zkušebních vzorků aplikováno účinné ztužení proti křehkému porušení pomocí konstrukčních vrutů. Stěžejní poznatky výzkumu byly nakonec shrnuty v závěru.

Abstract:

Nowadays, the use of timber as a building material is gaining more prominence. When designing timber structures, it is necessary to pay increased attention to the design of their connections. Commonly used connections are dowel-type connections, which are often used in combination with steel plates slotted into cut-outs in timber members. The presented dissertation deals with the behavior of double-shear bolted connections of squared timber and round timber with slotted-in steel plates. Several variants of connections with different distance between the fastener and the loaded end, in the case of squared timber, also with different moisture content were selected for the experimental testing. A total of six types of test specimens were made from spruce timber, for which their selected physical properties were determined and evaluated before the experimental testing. Test specimens of bolted connections were first tested in tension parallel to grain until failure under quasi-static loading. The results of the experiments were used for comparison with calculation procedures according to the standard for the design of timber structures and with calculations according to the theory of linear elastic fracture mechanics. Subsequently, the effect of the end distance on the load carrying capacity of the connections was evaluated. The effect of moisture content on the load-carrying capacity of the connections was expressed using the proposed regression models. The experiments and the analytical models were supported by a simple numerical analysis based on the finite element method. In the second phase of the experimental testing, cyclic, dynamic tests in tension parallel to grain until failure were performed for two selected geometric modifications of squared timber. The results of the cyclic, dynamic tests were used to analyze the stiffness reduction, load carrying capacity and failure mode of the connections. Subsequently, effective reinforcement against brittle failure was applied to several test specimens using structural screws. The main findings of the research were finally summarized in the conclusion.

Klíčová slova

Únosnost, hraněné dřevo, kulatina, ocelový plech, svorník, spoj, experimentální testování, numerické modelování, lomová mechanika, vlhkost

Keywords

Load-carrying capacity, squared timber, round timber, steel plate, bolt, connection, experimental testing, numerical modelling, fracture mechanics, moisture content

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 19. 1. 2022

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 28. 6. 2022
• Vedoucí: Antonín Lokaj
• Oponent: Bohumil Straka, Milan Šmak, Petr Kuklík

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Fakulta stavební

Doktorský studijní program / obor:
Stavební inženýrství / Teorie konstrukcí