analiza stikov lesene skeletne gradnje · 2018-06-19 · iii analiza stikov lesene skeletne gradnje...
Post on 15-Feb-2020
13 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Jože Prislan
ANALIZA STIKOV LESENE SKELETNE GRADNJE
Magistrsko delo
Jože Prislan
ANALIZA STIKOV LESENE SKELETNE GRADNJE
Magistrsko delo
Maribor, junij 2018
ANALIZA STIKOV LESENE SKELETNE GRADNJE Magistrsko delo
Študent: Jože Prislan Študijski program: 2. stopnja, gradbeništvo Smer: gradbene konstrukcije Mentor: red. prof. dr. Miroslav Premrov, univ. dipl. inž. grad. Somentorica: doc. dr. Erika Kozem Šilih, univ. dipl. inž. grad. Somentor: red. prof. dr. Andrej Štrukelj, univ. dipl. inž. grad Lektorica: Lena Vastl, prof. slovenščine
Maribor, junij 2018
I
II
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju dr. Premrov Miroslavu, ter
somentorjema dr. Štrukelj Andreju in dr. Kozem Šilih Eriki
za vodenje in pomoč pri izdelavi magistrske naloge. Hvala
tudi osebju laboratorija in prijatelju Brezovnik Simonu za
pomoč pri izvedbi eksperimentalne analize.
Posebna zahvala tudi staršem za omogočen študij, ter vsem
prijateljem in sošolcem za nepozabna skupna leta preživeta
med študijem.
Hvala tudi vsem, ki so na glas dvomili v uspešen zaključek
mojega šolanja, in me s tem dodatno motivirali.
III
ANALIZA STIKOV LESENE SKELETNE GRADNJE
Ključne besede: lesena skeletna gradnja, nosilnost tesarskih zvez, analiza napetosti,
eksperimentalna in numerična analiza
UDK 624.011.1.04(043.2)
Povzetek
Magistrsko delo v prvem delu opisuje razvoj lesene gradnje in razvoj stikov skeletne gradnje
od samega začetka do danes. V drugem delu je opisana eksperimentalna analiza izbranih
stikov v leseni skeletni gradnji, izvedenih s pomočjo tradicionalnih tesarskih zvez. Dobljene
rezultate smo primerjali z rezultati numerične analize, ki smo jo izvedli s programsko
opremo Solidworks. Z zadovoljivim ujemanjem obeh analiz in s pomočjo numerične analize
smo nato pridobili tudi količine, ki jih je z eksperimentalno analizo težko ali nemogoče
izmeriti. Z vsemi pridobljenimi podatki in vedenjem smo v zadnjem delu preverili še
ustreznost stikov, izvedenih s pomočjo tesarskih zvez po standardu SIST EN 1995-1:2005 na
prostorskem modelu realnega lesenega skeletnega objekta.
IV
ANALYSIS OF JOINTS IN TIMBER FRAME CONSTRUCTIOS
Keywords: wooden skeleton construction, capacity of traditional carpenter conections,
tension analysis, experimental and numerical analysis
UDK 624.011.1.04(043.2)
Abstract
In the first part, the thesis describes the development of wooden construction and
development of juncture for the skeletal constructions from start until now. In the second
part, i have described the experimental analysis of the selected juncture in wooden skeletal
construction carried out by using traditional carpepenter connnections. The results were
then compered to the numerical analysis results by using Solidworks software. When we
were satisfied with both analysis, we olso gaind the quantity by using numerical analysis.
The latter is difficult or impossible to achieve by using experimental analyisi. In the final part
we have also checked the suitability of juncture done by carpenter connection by standard
SIST EN 1995-1: 2005 on the spatial model of real wooden skeletal object.
V
IZJAVA O AVTORSTVU IN ISTOVETNOSTI TISKANE IN
ELEKTRONSKE OBLIKE ZAKLJUČNEGA DELA
Ime in priimek študenta: Jože Prislan
Študijski program: 2. stopnja, gradbeništvo
Smer: gradbene konstrukcije
Naslov zaključnega dela: ANALIZA STIKOV LESENE SKELETNE GRADNJE
Mentor: red. prof. dr. Miroslav Premrov
Somentorica: doc. dr. Erika Kozem Šlih
Somentor: red. prof. dr. Andrej Štrukelj
Podpisani študent: Jože Prislan
• izjavljam, da je zaključno delo rezultat mojega samostojnega dela, ki sem ga izdelal ob pomoči mentorja, somentorice in somentorja;
• izjavljam, da sem pridobil vsa potrebna soglasja za uporabo podatkov in avtorskih del v zaključnem delu in jih v zaključnem delu jasno in ustrezno označil;
• na Univerzo v Mariboru neodplačno, neizključno, prostorsko in časovno neomejeno prenašam pravico shranitve avtorskega dela v elektronski obliki, pravico reproduciranja ter pravico ponuditi zaključno delo javnosti na svetovnem spletu preko DKUM; sem seznanjen/‐a, da bodo dela deponirana/objavljena v DKUM dostopna široki javnosti pod pogoji licence Creative Commons BY‐NC‐ND, kar vključuje tudi avtomatizirano indeksiranje preko spleta in obdelavo besedil za potrebe tekstovnega in podatkovnega rudarjenja in ekstrakcije znanja iz vsebin; uporabnikom se dovoli reproduciranje brez predelave avtorskega dela, distribuiranje, dajanje v najem in priobčitev javnosti samega izvirnega avtorskega dela, in sicer pod pogojem, da navedejo avtorja in da ne gre za komercialno uporabo;
• dovoljujem objavo svojih osebnih podatkov, ki so navedeni v zaključnem delu in tej izjavi, skupaj z objavo zaključnega dela;
• izjavljam, da je tiskana oblika zaključnega dela istovetna elektronski obliki zaključnega dela, ki sem jo oddal za objavo v DKUM.
VI
Uveljavljam permisivnejšo obliko licence Creative Commons: ________________(navedite obliko)
Začasna nedostopnost:
Zaključno delo zaradi zagotavljanja konkurenčne prednosti, zaščite poslovnih skrivnosti, varnosti ljudi in narave, varstva industrijske lastnine ali tajnosti podatkov naročnika:
(naziv in naslov naročnika/institucije) ne sme biti javno dostopno do (datum odloga javne objave ne sme biti daljši kot 3 leta od zagovora dela). To se nanaša na tiskano in elektronsko obliko zaključnega dela.
Temporary unavailability:
To ensure competition priority, protection of trade secrets, safety of people and nature, protection of industrial property or secrecy of customer's information, the thesis
(institution/company name and address) of must not be accessible to the public till (delay date of thesis availability to the public must not exceed the period of 3 years after thesis defense). This applies to printed and electronic thesis forms.
Datum in kraj: Podpis študenta/‐ke:
Podpis mentorja/‐ice:
(samo v primeru, če delo ne me biti javno dostopno)
Ime in priimek ter podpis odgovorne osebe naročnika in žig:
(samo v primeru, če delo ne sme biti javno dostopno)
VII
Kazalo vsebine
IZJAVA O AVTORSTVU IN ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE OBLIKE ZAKLJUČNEGA DELA .... V
UPORABLJENI SIMBOLI IN KRATICE ................................................................................................. XIV
SimboliXIV
Grški simboli ................................................................................................................................ XVI
Kratice XVI
1 UVOD .......................................................................................................................................... 1
1.1 Opredelitev problema ........................................................................................................ 1
1.2 Namen in cilji magistrskega dela ........................................................................................ 1
1.3 Struktura magistrskega dela ............................................................................................... 2
2 SPLOŠNO O GRADNJI Z LESOM ................................................................................................... 3
2.1 Les kot gradbeni material ................................................................................................... 3
2.2 Lesena gradnja skozi čas ..................................................................................................... 4
2.3 Sistemi lesenih konstrukcij ............................................................................................... 11
3 EKSPERIMENTALNA ANALIZA ................................................................................................... 22
3.1 Razvoj stikov lesene skeletne gradnje .............................................................................. 22
3.1.1 Splošno o razvoju ...................................................................................................... 22
3.1.2 Spoj stebra in prečke ................................................................................................ 29
3.1.3 Zavetrovanje ............................................................................................................. 39
3.2 Eksperimentalne metode ................................................................................................. 43
3.2.1 Opis eksperimenta .................................................................................................... 44
3.3 Predstavitev rezultatov ..................................................................................................... 62
4 NUMERIČNA ANALIZA .............................................................................................................. 72
4.1 Modeliranje ...................................................................................................................... 72
4.2 Vhodni podatki in izvedba analize .................................................................................... 74
4.2.1 Materiali ................................................................................................................... 74
4.2.2 Statični sistemi .......................................................................................................... 75
VIII
4.3 Predstavitev in primerjava rezultatov numerične z eksperimentalno analizo ................. 79
5 KONTROLA STIKOV NA REALNEM MODELU OBJEKTA .............................................................. 95
5.1 Zasnova ............................................................................................................................. 95
5.2 Analiza obtežb .................................................................................................................. 97
5.2.1 Stalne obtežbe .......................................................................................................... 97
5.2.2 Koristna OBTEŽBA ..................................................................................................... 97
5.2.3 Obtežba snega .......................................................................................................... 98
5.2.4 OBTEŽBA VETRA ...................................................................................................... 100
5.2.5 POTRES .................................................................................................................... 106
5.3 Statična analiza ............................................................................................................... 110
5.4 Preverjanje ustreznosti stikov ........................................................................................ 114
6 ZAKLJUČEK .............................................................................................................................. 124
VIRI IN LITERATURA ........................................................................................................................ 126
PRILOGE .......................................................................................................................................... 128
Naslov študenta .......................................................................................................................... 128
Kratek življenjepis ....................................................................................................................... 128
Skice lesene strojne lope ............................................................................................................ 129
IX
Kazalo slik
Slika 2.1: Naselje mostiščarjev na Ljubljanskem barju [3]. .................................................... 5
Slika 2.2: Prikaz tesanja tramov [5]. ....................................................................................... 6
Slika 2.3: Skica vodnega žagalnega stroja iz skicirke Villarda De Honnceourta okoli leta 1250
[5]. .......................................................................................................................................... 7
Slika 2.4: Obnova pokritega mostu Kapellbrucke v Luzernu [7]. ........................................... 9
Slika 2.5: Nekaj primerov sodobnih lesenih mostov [7]. ..................................................... 10
Slika 2.6: Prikaz razvoja masivne lesene gradnje [11]. ........................................................ 16
Slika 2.7: Princip gradnje kladnih sten [13]. ......................................................................... 17
Slika 2.8: Okvirna konstrukcija. Okvirji, stebri in prečke [14]. ............................................. 18
Slika 2.9: Postavljane okvirne konstrukcije s pomočjo avtodvigala [12]. ............................ 19
Slika 2.10: Shema skeletne konstrukcije [9]. ....................................................................... 20
Slika 2.11: Primer skeletne hiše v gradnji (Mozirje, 2013). ................................................. 21
Slika 3.1: Kozolec v Mozirskem gaju, zgrajen leta 2008. ..................................................... 24
Slika 3.2: Podaljševanje v višino (vertikalno) [16]. ............................................................... 25
Slika 3.3: Podaljševanje v dolžino (horizontalno) [16]. ........................................................ 25
Slika 3.4: Ojačenje [16]. ....................................................................................................... 25
Slika 3.5: Razširjanje [16]. .................................................................................................... 26
Slika 3.6: Križanje [16]. ......................................................................................................... 26
Slika 3.7: Odcepi [16]. .......................................................................................................... 27
Slika 3.8: Vogalne zveze [16]. ............................................................................................... 27
Slika 3.9: Nekaj tesarskega orodja, ki ga mojstri uporabljajo pri delu. ............................... 28
Slika 3.10: CNC stoj med delom [17]. ................................................................................... 28
Slika 3.11: Zgoraj tradicionalni tesarski stiki, spodaj dodatne povezave elementov v vozlišču
[15]. ...................................................................................................................................... 29
Slika 3.12: Stik stebra in grede [16]. .................................................................................... 30
Slika 3.13: Spoj stebra in grede s cvekom [15]. ................................................................... 30
Slika 3.14: Levo železna spojka, desno s spojko ojačan stik. ............................................... 31
Slika 3.15: Primer železne zaplate. ...................................................................................... 32
Slika 3.16: Svornik [16]. ........................................................................................................ 32
Slika 3.17: Skica stika z ulegom zgoraj in pa prikaz iz realnega primera [16]. ..................... 33
Slika 3.18: Shema različnih izvedb repastega čepa [16]. ..................................................... 34
Slika 3.19: Ojačitev stika »po domače«. .............................................................................. 34
Slika 3.20: Izvedba vozlišč s kovinskimi ploščami [18]. ........................................................ 35
Slika 3.21: Izvedba spoja z ježevkami (eno in dvostranske) [18]. ........................................ 35
Slika 3.22: Izvedba odcepov s posebnimi ploščami in vijaki [18]. ....................................... 36
Slika 3.23: Vnaprej luknjana plošča za povezavo konstrukcijski elementov. ...................... 36
X
Slika 3.24: Nevidno streme z luknjami [19]. ........................................................................ 37
Slika 3.25: Skriti spojnik [19]. ............................................................................................... 38
Slika 3.26: Skriti snemljivi spojnik [19]. ................................................................................ 39
Slika 3.27: Načini izvedbe zavetrovanja [10]. ...................................................................... 40
Slika 3.28: Primer ročice, ki poleg zavetrovanja prevzame tudi dekorativno vlogo. ........... 40
Slika 3.29: Detajl priključitve ročice v glavni element z lastovičjim repom [16]. ................ 41
Slika 3.30: Priključitev ročice v glavni element s poševnim čepom [16]. ............................ 42
Slika 3.31: Sistem zavetrovanja, ki ga uporablja podjetje Rothoblass [19]. ........................ 43
Slika 3.32: Izbira in priprava lesa za izdelavo vzorcev. ......................................................... 45
Slika 3.33: Razrez lesa. ......................................................................................................... 46
Slika 3.34: Les razrezan na željene dolžine . ........................................................................ 46
Slika 3.35: Stik stebra in grede s čepom in utorom. ............................................................ 47
Slika 3.36: Ročica z lastovičjim repom pred vgradnjo v glavna elementa. .......................... 47
Slika 3.37: Izdelava utora v glavni element za ročico z lastovičjim repom. ......................... 48
Slika 3.38: Gotov vzorec z lastovičjim repom. Manjkajo jeklene plošče za vpetje na pomožno
konstrukcijo. ......................................................................................................................... 48
Slika 3.39: Izdelava luknje v glavni element za zavetrovanje s poševnim čepom. .............. 49
Slika 3.40: Čep ročice in utor v gredi tik pred spojitvijo. ..................................................... 49
Slika 3.41: Glavna elementa za preizkus spoja med stebrom in gredo z že izvedenima čepom
in luknjo................................................................................................................................ 50
Slika 3.42: Izdelava lukenj za jeklena cveka zgoraj in v sredini ter že vstavljeni cveki spodaj.
............................................................................................................................................. 51
Slika 3.43: Uporabljeno ročno orodje za izdelavo preizkušancev. ...................................... 52
Slika 3.44: Prikaz vpetja vzorca s pomožno konstrukcijo, narejeno posebej za te vzorce. . 53
Slika 3.45: Prikaz senzorja specifičnih deformacij na obremenilnem batu pred in po zaščiti
pred zunanjimi vplivi. ........................................................................................................... 54
Slika 3.46: Merilno mesto za merjenje vertikalnega pomika. ............................................. 55
Slika 3.47: Položaj in način pritrditve merilnika pomikov za merjenje relativnih pomikov
med ročico in obema glavnima elementoma. ..................................................................... 55
Slika 3.48: Vzorec z lastovičjim repom po zaključku obremenjevanja. ............................... 56
Slika 3.49: Vzorec s poševnim čepom po zaključku obremenjevanja in prikaz mesta
porušitve ročice desno spodaj. ............................................................................................ 57
Slika 3.50: Stanje vzorca z lastovičjim repom, kjer smo ročico obremenjevali na tlak po
končanem preizkusu. ........................................................................................................... 58
Slika 3.51: Obremenjevanje stika med stebrom in gredo. .................................................. 59
Slika 3.52: Analogni prikazovalnik sile, ki deluje na preizkušanec na napravi za preverjanje
tlačne trdnosti betona. ........................................................................................................ 60
Slika 3.53: Spoj stebra in grede pred (levo) in po (desno) končanem obremenjevanju. .... 61
Slika 3.54: Mesto porušitve čepa v spoju stebra in grede. .................................................. 62
Slika 3.55: Razlika med začetnimi robnimi pogoji za vzorca 3 in 4. ..................................... 66
XI
Slika 4.1: Enodimenzijski končni element (greda) [22]. ....................................................... 73
Slika 4.2: Dvodimenzijski končni element [22]. ................................................................... 73
Slika 4.3: Trodimenzijski končni element [22]. .................................................................... 73
Slika 4.4: Statični sistem zavetrovanja, uporabljen za numerično analizo. ......................... 75
Slika 4.5: Statični sistem stika grede in stebra, uporabljen za numerično analizo. ............. 76
Slika 4.6: Primerjava realnega vzorca zavetrovanja z lastovičjim repom z modelom,
modeliranim v programu Solidworks. ................................................................................. 77
Slika 4.7: Prikaz modela zavetrovanja s poševnim čepom, modeliranega v programu
Solidworks. ........................................................................................................................... 77
Slika 4.8: Model stika stebra in grede, ki je modeliran v programu Solidworks. ................ 78
Slika 4.9: Prikaz mreženja vseh teh analiziranih modelov. Na levi zavetrovanje z lastovičjim
repom, na sredini zavetrovanje s poševnim čepom in na desni stik stebra in grede. ......... 78
Slika 4.10: Deformirane oblike modelov, analiziranih s programom Solidworks, v enakem
vrstnem redu (od leve proti desni) kot na sliki 4.9. ............................................................. 79
Slika 4.11: Napetosti v ročici modela zavetrovanja z lastovičjim repom. ............................ 88
Slika 4.12: Napetosti v ročici modela zavetrovanja s poševnim čepom. ............................. 89
Slika 4.13: Napetosti v ročici modela, obremenjenega na tlak. .......................................... 89
Slika 4.14: Model vzorca zavetrovanja, modeliran v programu Tower 7. ........................... 91
Slika 4.15: Diagram osne sile v ročici za 1. model (lastovičji rep). ...................................... 92
Slika 4.16: Diagram osne sile za 2. model (poševni čep). .................................................... 92
Slika 4.17: Diagram osne sile za 3. model (lastovičji rep – tlak). ......................................... 93
Slika 5.1: 3D skica obravnavanega objekta. ......................................................................... 96
Slika 5.2: 3D skica konstrukcije obravnavanega objekta . ................................................... 96
Slika 5.3: Slika obtežbe snega. Obtežni primer (i). .............................................................. 99
Slika 5.4: Slika obtežbe snega. Obtežni primer (ii). .............................................................. 99
Slika 5.5: Slika obtežbe snega. Obtežni primer (iii). ............................................................. 99
Slika 5.6: Prikaz razdelitve vetrnih con pri vetru prečno na sleme. ................................... 103
Slika 5.7: Razdelitev vetrnih con pri smeri vetra vzdolžno na sleme. ................................ 105
Slika 5.8: Prostorski model analiziranega objekta izdelan v programu Tower 7. .............. 111
Slika 5.9: Velikost vpliva osnih sil v ročicah. ...................................................................... 112
Slika 5.10: Diagrami osnih sil poveznikov. Zgoraj diagrami in pozicija poveznikov v
prostorskem modelu. Spodaj za lažjo analizo samo diagrami osnih sil v poveznikih. ....... 113
Slika 5.11: Razmiki moznikov in njihove razdalje do konca roba. ..................................... 115
Slika 5.12: Prikaz razmikov in odmikov od robov moznikov pri izvedbi stika na izbranem
realnem objektu. ................................................................................................................ 116
Slika 5.13: Prečni prerez ročice. ......................................................................................... 118
Slika 5.14: Diagram prečnih sli v okvirju, kjer nad točko priključitve ročice v poveznik pride
do največje prečne sile. ..................................................................................................... 123
XII
Kazalo preglednic
Preglednica 2.1: Delež sodobnih stanovanjskih objektov v izbranih državah sveta [2]. ....... 8
Preglednica 2.2: Delitev konstrukcijskih sistemov lesene gradnje [10]. ............................. 12
Preglednica 2.3: Konstrukcijski sistemi za večetažno leseno gradnjo. ................................ 13
Preglednica 2.4: Stopnja prefabrikacije glede na izbrani konstrukcijski sistem [8]............. 14
Preglednica 2.5: Prednosti in slabosti posameznih konstrukcijskih sistemov [8]. .............. 15
Preglednica 3.1: Pregled spojev v leseni gradnji [15]. ......................................................... 23
Preglednica 3.2: Rezultati porušnih sil za vzorce stika med gredo in stebrom. .................. 71
Preglednica 4.1: Mehanske lastnosti izbranega lesa za numerično analizo. ....................... 74
Preglednica 4.2: Lastnosti izbrane kvalitete jekla za sornike v stiku grede in stebra. ......... 74
Preglednica 4.3: Osne sile v ročici posameznih vzorcev, dobljene s pomočjo programa
Tower 7. ............................................................................................................................... 93
Preglednica 5.1: Prikaz nihajnih časov konstrukcije, pridobljenih s programom Tower 7.
........................................................................................................................................... 108
Preglednica 5.2: Najmanjši razmiki med paličastimi mozniki in oddaljenost od roba lesa [28].
........................................................................................................................................... 114
Preglednica 5.3. Primerjava dobljenih osnih sil v ročicah med numerično analizo in analizo
realnega objekta. ............................................................................................................... 116
XIII
Kazalo grafov
Graf 3‐1: Vertikalni pomiki eksperimentalne analize za zavetrovanje z lastovičjim repom.
............................................................................................................................................. 63
Graf 3‐2: Relativni pomik ročice zgoraj pri eksperimentalni analiz za zavetrovanje z
lastovičjim repom. ............................................................................................................... 64
Graf 3‐3: Relativni pomik ročice spodaj pri eksperimentalni analizi za zavetrovanje z
lastovičjim repom. ............................................................................................................... 64
Graf 3‐4: Vertikalni pomiki pri eksperimentalni analizi za zavetrovanje s poševnim čepom.
............................................................................................................................................. 65
Graf 3‐5: Relativni pomik ročice zgoraj pri eksperimentalni analizi za zavetrovanje s
poševnim čepom. ................................................................................................................. 67
Graf 3‐6: Relativni pomik ročice spodaj pri eksperimentalni analizi za zavetrovanje s
poševnim čepom. ................................................................................................................. 67
Graf 3‐7: Primerjava vertikalnih pomikov med prvimi tremi vzorci zavetrovanja. ............. 68
Graf 3‐8: Vertikalni pomik na tlak obremenjene ročice pri eksperimentalni analizi. .......... 69
Graf 3‐9: Relativni pomik na tlak obremenjene ročice zgoraj pri eksperimentalni analizi. 70
Graf 3‐10: Relativni pomik na tlak obremenjene ročice spodaj pri eksperimentalni analizi.
............................................................................................................................................. 70
Graf 4‐1: Primerjava vertikalnih pomikov obeh analiz za lastovičji rep. ............................. 80
Graf 4‐2: Primerjava relativnih pomikov ročice zgoraj obeh analiz za lastovičji rep. .......... 81
Graf 4‐3: Primerjava relativnih pomikov ročice spodaj obeh analiz za lastovičji rep. ......... 81
Graf 4‐4: Primerjava vertikalnih pomikov obeh analiz za poševni čep. ............................... 82
Graf 4‐5: Primerjava relativnih pomikov ročice zgoraj obeh analiz za poševni čep. ........... 83
Graf 4‐6: Primerjava relativnih pomikov ročice spodaj obeh analiz za poševni čep. .......... 83
Graf 4‐7: Primerjava vertikalnih pomikov obeh analiz za ročico obremenjeno na tlak. ..... 84
Graf 4‐8: Primerjava relativnih pomikov ročice zgoraj obeh analiz za ročico obremenjeno na
tlak. ...................................................................................................................................... 85
Graf 4‐9: Primerjava relativnih pomikov ročice spodaj obeh analiz za ročico obremenjeno
na tlak. .................................................................................................................................. 86
Graf 4‐10: Primerjava rezultatov obeh analiz za stik stebra in grede. ................................ 87
XIV
UPORABLJENI SIMBOLI IN KRATICE
Simboli
A površina
AEd projektna vrednost vpliva potresa
Anos površina prečnega nosilca v izbranem prerezu
ag projektni pospešek tal
c širina obtežbe v nevtralni osi
b širina konstrukcije (dolžina pravokotna na smer vetra)
c0 faktor hribovitosti terena
cdir smerni faktor
ce koeficient izpostavljenosti
ce(z) faktor izpostavljenosti
cpe koeficient zunanjega tlaka
cr faktor hrapavosti terena
ct toplotni koeficient
cseason faktor letnih časov
E0,05 5‐odstotna kvantila vrednosti modula elastičnosti v smeri vlaken
EEdx projektna vrednost vpliva potresa v smeri x
EEdx projektna vrednost potresnega vpliva v smeri y
e razdalja od roba strehe
e širina dejanske obtežbe (kontrola strižne trdnosti po MSN)
fc,0,d projektna tlačna trdnost v smeri vlaken
fc,0,k karakteristična tlačna trdnost v smeri vlaken
Fb nadomestna horizontalna potresna sila
fy napetost tečenja jekla
fv,d projektna strižna trdnost
fv,k karakteristična strižna trdnost
fu natezna trdnost jekla
Gkj stalna obremenitev
h višina konstrukcije
Iy vztrajnostni moment okoli y‐osi
XV
Iz vztrajnostni moment okoli z‐osi
Iv(z) vpliv turbolence vetra
iy vztrajnostni polmer okoli y‐osi
kb turbolenčni faktor
kr faktor terena
kmod modifikacijski faktor trajanja obtežbe
Leff efektivna dolžina elementa
Nd osna sila
m masa celotne stavbe
My upogibni moment okoli y‐osi
Mz upogibni moment okoli z‐osi
NP osna sila v povezniku
NR osna sila v ročici
q teža na enoto površine
q faktor obnašanja (analiza potresne obtežbe)
qb osnovni tlak vetra
qp(ze) največji tlak pri sunkih vetra
P reprezentativna vrednost vpliva prednapetja
Qk,i spremenljiva obtežba
S obtežba snega na strehi za trajna/začasna projektna stanja
Sd(Ti) ordinata v projektnem stanju pri nihajnem času T
Se(Ti) elastični spekter odziva
Sk karakteristična obtežba snega na tleh
T nihajni čas
TB spodnja meja nihajnega časa na območju spektra, kjer ima spektralni
pospešek konstantno vrednost
TC zgornja meja nihajnega časa na območju spektra, kjer ima spektralni
pospešek konstantno vrednost
S faktor tal (pri analizi potresne obtežbe)
vb osnovna hitrost vetra
Vb,0 temeljne vrednost osnovne hitrosti vetra
Vd prečna sila
z višina objekta
z0 hrapavostna dolžina
ze referenčna višina
we tlak vetra na ploskve
XVI
Grški simboli
µi oblikovni koeficient obtežbe snega
σx normalne napetosti
ρ gostota
λ korekcijski faktor
η faktor za korekcijo vpliva dušenja
ψe,i koeficient za kombinacijo za spremenljivi vpliv
β faktor, ki določa spodnjo mejo pri vodoravnem projektnem spektru
σc,0,d projektna tlačna napetost smeri vlaken
λrel relativna vitkost
λy vitkost glede na upogib okrog y‐osi
τd projektna strižna napetost
ΥM delni faktor varnosti za lastnosti materiala
Kratice
CNC numerično krmiljen stroj (ang. Computer numerical control)
MKE metoda končnih elementov
OSB plošče iz večslojno lepljenih iveric (ang. Oriented strand board)
SIST EN slovenski prevod Evrokoda
MSN mejno stanje nosilnosti
MSU mejno stanje uporabnosti
1
1 UVOD
1.1 Opredelitev problema
Les kot naravni material spremlja človeka že od začetka njegovega obstoja. Bil je eden
izmed prvih materialov, ki ga je človek uporabil za gradnjo svojih bivališč in drugih
pomožnih objektov. Nivo razvoja lesene gradnje je bil do pojava jekla in betona na
nekaterih področjih že relativno visok, sta ga pa raba jekla in betona močno zavrla. Preteči
je moralo kar nekaj desetletij, mogoče celo več kot stoletje, da je človek ponovno prepoznal
prednosti gradnje z lesom.
Z razvojem novih materialov in tehnologije se je obenem razvijala tudi gradnja na splošno,
le lesena gradnja je močan razvoj doživela šele v zadnjem času. Sorazmerno z razvojem
tehnologije, ki omogoča bolj natančne izvedbe posameznih detajlov, se veča tudi cena
lesenih gradenj. Ker je cena večinoma previsoka za manjše obrtnike, se veliko lesenih
skeletnih objektov še vedno izdeluje na tradicionalen način – s pomočjo tesarskih zvez, ki
jih najlažje opazujemo v tradicionalnem slovenskem kozolcu. Te zveze se s precejšnjo mero
natančnosti da dobro izdelati tudi z ročnim orodjem. Prav zaradi tega bomo največ
pozornosti v tej magistrski nalogi namenili tradicionalnim tesarskim zvezam.
1.2 Namen in cilji magistrskega dela
Namen te magistrske naloge je preveriti nosilnost nekaterih izbranih tradicionalnih
tesarskih zvez v leseni skeletni gradnji. Ugotoviti želimo, ali so ti stiki dovolj dobri za gradnjo
tudi po veljavni standardih, kot jih lahko izvedemo s pomočjo sodobnih veznih sredstev.
Obenem bomo z eksperimentalno analizo preverili tudi ustreznost numerične analize
izbranih stikov. Izdelali se bodo modeli tesarskih zvez, katerih nosilnost se bo testirala in
preverila v laboratoriju. Namen njihove izvedbe je preveritev numerične analize, ki se bo
izvedla vzporedno v ustreznem računalniškem programu.
Cilj te naloge je podati in primerjati ugotovitve obeh omenjenih analiz. Na koncu pa bomo
poskušali podati mnenje o ustreznosti tesarskih zvez z današnjimi standardi, ki se jih mora
upoštevati pri gradnji lesenih objektov.
2
1.3 Struktura magistrskega dela
V magistrskem delu bomo najprej predstavili les kot gradbeni material in razvoj lesene
gradnje skozi zgodovino. Na kratko bomo opisali sisteme lesene gradnje, ki se uporabljajo
danes, ter predstavili njihove prednosti in slabosti.
V nadaljevanju se bomo osredotočili na skeletni sitem gradnje. Bolj konkretno na stikanje
posameznih konstrukcijskih elementov. Ker je teh možnosti veliko, si bomo izbrali dve
skupini lesnih zvez. Na kratko bo kronološko predstavljen tudi razvoj teh zvez. Znotraj
izbranih skupin bomo izbrali eno oz. dve izvedbi stikanj na tradicionalni način, ki se bodo
bolj podrobno analizirali. Izbrane stike bomo analizirali numerično in eksperimentalno ter
rezultate med seboj primerjali.
V zadnjem poglavju bomo izvedli analizo na modelu realnega objekta in preverili ustreznost
tesarskih zvez z današnjimi standardi.
3
2 SPLOŠNO O GRADNJI Z LESOM
2.1 Les kot gradbeni material
Človek les za svoje potrebe izkorišča že od prazgodovine naprej, pa naj bo to za kurjavo ali
za gradnjo svojih bivališč. V tej magistrski nalogi se bomo lesu posvetili izključno le kot
gradbenemu materialu.
Les je pomembna naravna gospodarska dobrina. Več kot četrtina srednje Evrope je pokrita
z gozdovi, z letnim prirastkom med tremi in štirimi odstotki prostorninskih metrov na
hektar. To se na prvi pogled zdi malo, a potrebno je vedeti, da je čas rasti drevja med 80 in
100 let in da se prirastek volumsko veča. Iz tega lahko razberemo, da je gozdarstvo
gospodarska panoga, ki se prenaša iz generacije v generacijo. Da se še danes lahko
sprehajamo po kvalitetnih gozdovih, se lahko zahvalimo stoletja stari gozdni zakonodaji, ki
gozdove varuje pred nenadzorovanim prekomernim izsekavanjem. Izkoristek lesa je danes
stoodstoten, res pa je, da se ga velik delež še vedno uporablja za kurivo, ostali del pa
uporabljamo v najrazličnejše namene. [1]
Les se zaradi konstrukcijskih lastnosti, natezna trdnost je podobna tlačni, že od nekdaj
uporablja za prevzem upogibnih obremenitev. Ker pa je vrednost elastičnega modula lesa
relativno majhna, se upogibne deformacije pri večjih razponih večje, zato uporaba
masivnega lesa težko zadosti pogojem mejnega stanja uporabnosti. Les ima v primerjavi z
betonom približno enako tlačno, a precej večjo natezno trdnost. Velika prednost lesa , v
primerjavi z betonom, je tudi njegova od štiri do šestkrat manjša gostota. V primerjavi z
jeklom ponuja podobne konstrukcijske zahteve kot jeklo, saj ob približno 13‐krat manjši
gostoti zagotavlja približno ravno tolikokrat nižjo natezno in tlačno trdnost. Problem ostaja
v elastičnem modulu, ki je 20‐krat manjši od elastičnega modula jekla. Prednost lesa je tudi
enostavna obdelava. [2]
Seveda pa zaradi dejstva, da je les naravni material, obstajajo tudi njegove številne slabosti.
Izpostavljen je napadom številnim škodljivcem, je gorljiv in tudi anizotropen. To pa so
največje pomanjkljivosti lesa kot konstrukcijskega materiala. Da se les čim bolj zaščiti pred
škodljivci, ga moramo pred vgradnjo pravilno in dovolj osušiti. Dopustna vlažnost lesa je
predpisana z ustreznimi evropskimi predpisi, glede na posamezne primere njegove
uporabe. [2]
4
Zanimiva lastnost je tudi gorljivost lesa, saj, v nasprotju s pričakovanji, les v primerjavi z
betonom in jeklom prevzema večje požarne obremenitve. Pri gorenju na svoji površini
ustvarja zoglenelo plast kot neke vrste samozaščito. [2]
Biološki in antibiološki vplivi povzročajo razne deformacije in poškodbe v lesni masi, ki se
izkazujejo v odstopanjih od normalnega izgleda lesa. Vsa odstopanja, ki negativno vplivajo
na lastnosti lesa, imenujemo napake lesa. Napake delimo v šest osnovnih skupin:
− nepravilna oblika debla,
− nepravilnost v anatomski zgradbi,
− napake zaradi nepravilne obdelave lesa,
− poškodbe lesa zaradi fizikalno‐mehanskih vplivov,
− napake v barvi lesa,
− napake zaradi delovanja insektov.
2.2 Lesena gradnja skozi čas
Človek je les za gradnjo svojih bivališč začel uporabljati, takoj ko se je ustalil in začel graditi
stalna bivališča. Za svoje zgradbe je že od vsega začetka uporabljal razne oblike lesa, hlode,
kole, veje, lubje itd., saj ga je s svojim nepopolnim orodjem najlažje obdeloval. [1]
V srednji Evropi so bile izkopane prazgodovinske lesene zgradbe, ki so se v močvirjih precej
dobro ohranile. Ob obalah švicarskih in avstrijskih jezer so bili izkopani ostanki lesenih
zgradb iz kamene dobe, ki jih je človek zgradil s koli in lesenimi rešetkami. Ohranitev le‐teh
moramo pripisati naravnim pojavom. Verjetno so desetletja trajajoče poplave na obale
jezer nanesle velike količine mulja in z njim prekrila lesene zgradbe, ki so se zato
konservirala in ohranila do danes. Posebno bogato najdišče je bilo odkrito v močvirju jezera
Federsee, 50 km severno od Bodenskega jezera. Na tem najdišču so lesene zgradbe grajene
ob koncu zgodnje kamene dobe (2500 do 1800 let pred našim štetjem) in naselje koliščarjev
iz bronaste dobe (1100 do 800 let pred našim štetjem). [1]
Podobno najdišče kolišč oz. mostiščarjev, kot jih tudi imenujemo, pa se nahaja tudi v
Slovenji, in sicer na Ljubljanskem barju. Tam je na okoli 150 kvadratnih kilometrih do sedaj
odkritih 40 koliščarskih naselbin. Te so s prekinitvami na tem območju živela v obdobjih
neolitika, eneolitika in bronaste dobe, to je v času 4500 do 1600 let pred našim štetjem.
[28]
Vsa ta najdišča so pomagala rekonstruirati veliko gradbenih podrobnosti, zato imamo
danes precej jasno sliko o tedanjem načinu gradnje z lesom. Zgradbe so bile majhne, z enim,
nedeljenim notranjim prostorom. Izdelane so bile iz kolov, prepletenih s protjem. Kasneje,
z razvojem orodja, so jih gradili iz polovičnih hlodov ali tesanih brun. Stike in zareze so
zapolnili z mahom ali glino. Ostrešja so bila povezana z vrvmi iz ličja, pokrita pa s snopi trsja.
Samo obliko ostrešij lahko primerjamo z današnjimi ostrešji. Koče nad nestabilnim dnom
5
močvirij so postavljali na nekakšne rešetke, spletene iz drobnih kolov in okleščkov, ki so jih
premično pritrjevali na kole, trdno zabite v dno. Zaradi take konstrukcije so se lahko
zgradbe dvigale in spuščale in se tako prilagajale višini gladine vode. [1]
Rekonstrukcijo koliščarskega naselja na Ljubljanskem barju dobro prikazuje spodnja slika
2.1.
Slika 2.1: Naselje mostiščarjev na Ljubljanskem barju [3].
Grajenje z lesom je moralo biti znano tudi antičnim narodom v sredozemskem prostoru,
kar vemo iz zgodovinskih poročil. Od teh zgradb se žal ni nobena ohranila, ker se nezaščiten
les zlahka uničlji. Predvidevamo pa, da je moralo biti grajenje z lesom razvito in obsežno,
saj je v teh deželah kras najverjetneje nastal prav zaradi prekomernega sekanja gozdov. [1]
Pionirji lesarske znanosti so bili stari Grki: Teofrast (372–287 pr. n. št.) je bil prvi, ki je
izčrpneje pisal o zgradbi, lastnostih in uporabi lesa. Poudarjal je, da kvaliteta lesa nastaja
med rastjo samega drevesa, medtem ko je njegova obstojnost in odpornost pred insekti
odvisna od ravnanja z lesom po poseku drevesa. Že v tistem času so spoznali, da je najboljši
čas za sečnjo dreves odvisen od vrste lesa, ki se seka. Teofrast omenja tudi povezavo med
luninimi menami in časom poseka ter kvaliteto lesa. Les je trši in bolj odporen proti
razkroju, če je posekan v mlaju. [4]
Samo nekaj stoletij po propadu Rima je gozd prerasel večji del Evrope, razen obalnega,
sredozemskega pasu. Zaradi negotovih razmer, ki so jih povzročali pogosti vojni pohodi
različnih ljudstev, je bil po propadu Rima glavni cilj prebivalstva golo preživetje. Ko so se
razmere izboljšale, se je število prebivalstva začelo naglo večati. Bivalna kultura ljudi v
6
tistem času je bila na zelo nizkem nivoju. Iz gradiva, ki je zelo skromno, lahko sklepamo, da
so bila bivališča v času med 6. in 10. stoletjem enocelične zgradbe iz lesenih brun. Les, ki ga
je bilo takrat v izobilju, je bil najcenejši in najpriročnejši material za gradnjo hiš. Poleg vseh
njegovih statičnih lastnosti tudi obdelava lesa ni pomenila kakšnega hudega tehnološkega
podviga. Ves proces, od podiranja dreves do postavitve hiše, so opravili z sekirami in
ročnimi žagami. Drevo so podrli, oklestili in olupili. Iz teh brun so postavljali brunarice.
Kasneje so debla že obtesali in dobili brune pravokotnega preseka, kar prikazuje slika 2.2,
iz katerih so gradili brunarice ter nosilne konstrukcije streh zidanih katedral in drugih stavb.
Uporaba desk v gradnji se je pojavila predvidoma v 13. stoletju z izumom vodnega
žagalnega stroja, ki je pospešil in pocenil razrez lesa. [5] Shemo preprostega žagalnega
stroja na vodni pogon prikazuje slika 2.3.
Slika 2.2: Prikaz tesanja tramov [5].
7
Slika 2.3: Skica vodnega žagalnega stroja iz skicirke Villarda De Honnceourta okoli leta 1250
[5].
Zidane zgradbe so bile redkost. Pri nas so se dokaj zgodaj pojavile na Primorskem in na
Krasu. Drugje so se zidane stavbe pojavile kasneje. Poleg lesenih in zidanih hiš je obstajal
tudi tretji tip gradnje hiš, ki je imel nosilno konstrukcijo iz lesa, vmes pa polnilo. Običajno je
bilo polnilo iz šibja zamazanega z ilovico ali pa je bilo to polnilo ilovica sama. Streha je bila
krita s slamo. [5]
Največjo nevarnost za lesene hiše je predstavljal ogenj. Zaradi vnetljivosti materiala, iz
katerega so bile narejene, in načina kurjenja na odprtem ognjišču, je nemalokrat izbruhnil
požar, ki se je hitro širil iz strehe na streho in velikokrat uničil velike dele mest ali celo cela
mesta. Kot zanimivost naj omenim, da je Ljubljana je med letoma 1350 in 1800 prizadelo
okoli 25 požarov, med tem jih je bilo sedem še posebej hudih. Prav zaradi uničujočih
požarov so mestne oblasti po vsej Evropi za gradnjo hiš spodbujale uporabo negorljivih
materialov, kot sta kamen in opeka. V določenem obdobju so oblasti dopuščale samo še
tiste lesene hiše, ki so stale predhodno, lesenih novogradenj pa niso več dovoljevale. Z
raznimi finančnimi spodbudami so meščanom pomagali pri zamenjavi lesene in slamnate
kritine z negorljivo opečno. S tem pa se je krepil tudi mit o neprimernosti lesa za gradnjo,
za kar pa danes vemo, da ne drži. Seveda se lesu v gradnji tudi takrat niso mogli povsem
izogniti. Ohranil se je tam, kjer je bil zaradi svojih lastnosti nepogrešljiv. [5]
Način gradnje z lesom se je v preteklosti razlikoval od pokrajine do pokrajine. Arhitektura
se je morala prilagoditi ekstremnim podnebnim in reliefnim razmeram, ki so bile značilne
za določeno območje.
8
Gradnja z lesom se je prav zaradi zgoraj omenjenih težav z ognjem vztrajno umikala gradnji
z ostalimi negorljivimi materiali. Tudi industrijska revolucija je pospešila menjavo naravnih
materialov za umetno anorganska gradiva, potem pa še umetna polimerna gradiva. V
zadnjih desetletjih pa, ko je okolje čedalje bolj onesnaženo, postajajo spet bolj cenjena
naravna gradiva, ki nimajo negativnih učinkov na naravo in človeka. Tudi les v gradbeništvu
ponovno pridobiva konstrukcijsko vlogo, ki jo je nekoč že imel. Umetna gradiva so v
nekaterih primerih še vedno bolj uporabna in cenejša, vendar imajo veliko več negativnih
vplivov na naravo in človeka kot naravna. [6]
Predsodke o barakarski gradnji so v zadnjih letih začele izrivati prednosti lesene gradnje. To
so nižji stroški, hitrejša gradnja, ugodna bivalna klima, trajnost lesa pri pravilnem
vzdrževanju in pa dejstvo, da je les ob pravilni površinski obdelavi najbolj zdravo gradivo.
[6]
Danes se lesena gradnja vse bolj širi. Deleži sodobnih stanovanjskih objektov so od države
do države seveda različni, kar prikazuje preglednica 2.1. [2] Res, da so podatki v preglednici
nekoliko starejšega datuma (leto 2007), a vseeno lepo prikazuje v katerih delih sveta je
lesena stanovanjska gradnja najbolj razširjena.
Preglednica 2.1: Delež sodobnih stanovanjskih objektov v izbranih državah sveta [2].
DRŽAVA
Delež sodobnih lesenih stanovanjskih objektov
Kanada 95 %
ZDA 65 %
Japonska 50 %
Skandinavija 70 %
Velika Britanija 10 %
Škotska 50 %
Nemčija (Bavarska) 7 % (30 %)
Avstrija 8 %
Češka 2 %
Južna Evropa 3 %
Opazimo lahko, da obstajajo velike razlike v razširjenosti lesene gradnje po svetu.
Prednjačijo države Severne Amerike pa tudi Japonska. V Evropi največji poudarek leseni
gradnji dajejo skandinavske države, tudi zaradi tega, ker je les zelo dober toplotni izolator
9
v primerjevi z ostalimi konstrukterskimi materiali kot so jeklo, beton, opeka, kamen. V
vzhodni in južni Evropi do lesene gradnje še vedno ostajajo določeni zadržki. Eden izmed
razlogov je tudi to, da jo je zelo težko ohladiti, kar pa ne nudi posebnega udobja v vročih
klimatskih razmerah. [2]
Les že od samega začetka igra pomembno vlogo tudi v gradnji mostov. Zato je prav, da na
kratko predstavimo tudi razvoj lesenih mostov.
Les je znan kot najstarejši material za prenos upogibnih obremenitev. Najenostavnejše
oblike »lesenih mostov« so se pojavile že v pradavnini. Sledilo je obdobje manjših mostnih
konstrukcij, a tudi v starem veku najdemo izredno velike mostove. Most čez Evfrat v
Babilonu (783 pr. n. št) je dolg kar 200 m. V srednjem veku so se po celotni Evropi izvajale
velike mostne konstrukcije, a se je o njih ohranilo bolj malo podatkov. V 18. stoletju je
nastalo ogromno mostov z razponom med 25 in 50 metri, veliki mojstri so bili Francozi.
Največji most tega iz tistega časa je bil most čez Ren v Schaffhausnu, prekladna konstrukcija
preko dveh polj je imela razpetini 56 m in 63 m. Veliko mostov je tačas nastalo tudi v ZDA.
[7]
19. stoletje je za gradnjo velikih lesenih mostov pomenilo zlato dobo. V ZDA so v tem času
zgradili številne lesene mostove, pri katerih je bil nosilni sistem paličje. Palične nosilce pa
so v večini primerov poimenovali kar po njihovih konstruktorjih. Do leta 1840 so bili to
izključno leseni mostovi, potem pa so začeli uporabljati kovinska spojna sredstva. [7]
V Švici so že od 13. stoletja gradili pokrite mostove. Primer takšnega mostu je most Kapell‐
brucke v Luzernu, ki ga med obnovo prikazuje slika 2.4.
Slika 2.4: Obnova pokritega mostu Kapellbrucke v Luzernu [7].
10
V začetku 20. stoletja je les iz mostogradnje skoraj popolnoma izginil. Pričelo se je obdobje
jeklenih, kasneje pa tudi armiranobetonskih mostov. Do 60. let se o lesu kot
konstrukcijskem materialu ni slišalo skoraj nič. Vzrok temu je bilo ne vzdrževanje obstoječih
objektov, zato se je lesa prijel sloves, da je v visoki vlagi neobstojen proti škodljivcem. Če z
konstrukcijskimi elementi to pomanjkljivost odpravimo in les globinsko in površinsko dobro
zaščitimo, se njegova trajnost bistveno podaljša. Za konstrukcijske elemente je zelo
priporočljiv tudi lepljen les. Če je lepljen les dobro zaščiten, ne razpoka, omejeno pa je tudi
nabrekanje in krčenje. [7]
V ponovnem obujanju lesenih mostov prednjačijo ZDA, kjer so v zadnjih petindvajsetetih
letih zgradili že več kot 400 novih lesenih mostov. V Evropi so s sistematičnim uvajanjem
novih lesenih mostov začeli nekoliko pozneje, vendar njihovo število v zadnji letih, zlasti v
Skandinaviji zelo narašča. Lesene mostove gradijo tudi drugod po Evropi, pa tudi pri nas,
vendar so slabe izkušnje z nepravilno izvedenimi in slabo vzdrževanimi objekti povzročile
velik zaostanek pri uvajanju sodobnik lesenih konstrukcij. A ta trend se počasi popravlja,
kar dokazuje nekaj novih objektov, postavljenih po Sloveniji. [7]
Slika 2.5 prikazuje nekaj sodobnih lesenih mostnih konstrukcij po svetu.
Slika 2.5: Nekaj primerov sodobnih lesenih mostov [7].
11
2.3 Sistemi lesenih konstrukcij
Tehnologije lesene gradnje so bile skozi zgodovino odvisne od naravnih danosti posamezne
regije in stopnje razvitosti orodja. [8] Danes je izbira konstrukcijskega sistema novogradnje
pogojena s številnimi dejavniki. Pri tem gre za prepletanje arhitektonskih, gradbeno‐
konstrukcijskih , gradbeno‐fizikalnih in ostalih funkcionalnih zahtev. Če se osredotočimo le
na gradbeno‐konstrukcijske zahteve, moramo zagotoviti, poleg nosilnosti in stabilnosti
konstrukcij, tudi ustrezno nosilnost oz. odpornost konstrukcij v primeru nezgodnih
projektnih stanj, kot sta na primer potres in požar. Z izbiro primernega nosilnega sistema
in izbiro dovolj velikih prečnih prerezov elementov, uporabo zaščitnih oblog in premazov
lahko dosežemo primerljivo ali celo boljšo požarno odpornost od konstrukcij iz drugih
običajnih materialov. Spoznanja iz področja potresne varnosti pa lahko zagotovijo tudi
dobro obnašanje lesenih konstrukcij ob potresu. Seveda ob predpogoju, da je konstrukcija
pravilno načrtovana in izvedena, kar pa ob doslednem upoštevanju sodobnih standardov
za projektiranje lesenih konstrukcij Evrokod 5 v kombinaciji s standardi s področja
projektiranja protipotresnih konstrukcij Evrokod 8, ne bi smel biti problem. [9]
Les so kot konstrukcijsko gradivo znova odkrili v zadnjih letih. Obstaja več delitev
konstrukcijskih sistemov. V splošnem pa jih delimo na: [6]
− masivni sistem,
− okvirni sistem,
− skeletni sistem
Ti sistemi se delijo še v podsisteme, kar prikazuje preglednica 2.2.
12
Preglednica 2.2: Delitev konstrukcijskih sistemov lesene gradnje [10].
Zavedati se moramo, da danes ne gradimo samo eno‐ ali dvoetažnih objektov. Hkrati pa
zaradi določenih konstrukcijski zahtev niso vsi sistemi primerni za gradnjo večetažnih
objektov. Za večetažno gradnjo je potrebno zgornjo preglednico nekoliko reducirati, da
dobimo sisteme, ki so za tako gradnjo primerni. Ti sistemi so predstavljeni v preglednici 2.3.
[10]
13
Preglednica 2.3: Konstrukcijski sistemi za večetažno leseno gradnjo.
Razlogi, zaradi katerih ne moremo uporabiti običajnih sistemov, kot jih poznamo pri eno‐
ali dvodružinskih objektih, tudi pri gradnji tro ali več‐nadstropnih stavb so naslednji: [10]
− večje skupne obtežbe,
− zahteve po drugačni zvočni zaščiti,
− dodatne zahteve po požarni varnosti,
− ostrejše zahteve glede izvedbe priključkov, vozlišč, balkonskih elementov,
inštalacijskih poti,
− upoštevanje časovnih deformacij nosilnih elementov v vertikalni smeri,
− upoštevanje krajšega časa gradnje zaradi zaščite pred vremenskimi vplivi
Glavna značilnost montažnih objektov je, da jih na gradbišču sestavljamo iz prej izdelanih
elementov oz. sklopov. Metode izvedbe lesene montažne gradnje se razlikujejo glede na
stopnjo izdelave elementov v tovarni in glede na način sestavljanja na gradbišču. Glede na
to se jih deli v skupine, kot je prikazano v preglednici 2.4. Največjo stopnjo prefabriciranosti
je deležen prostorski način gradnje. [8]
14
Preglednica 2.4: Stopnja prefabrikacije glede na izbrani konstrukcijski sistem [8].
Vsak sistem gradnje ima svoje prednosti in slabosti, kar je na kratko predstavljeno v
preglednici 2.5.
15
Preglednica 2.5: Prednosti in slabosti posameznih konstrukcijskih sistemov [8].
Zaradi težnje po dosegu optimalne metode glede na finančni vidik in vidik kakovosti, se
proizvajalci odločajo tudi za kombinacijo različnih metod gradnje. Nosilni sistem je lahko na
primer skelet (elementarni način gradnje), zaprt s paneli (ploskovni način gradnje),
sanitarne enote pa so izvedene v celičnem načinu gradnje. Velika večina svetovnih
proizvajalcev se odloča za velikostenske in celične sisteme, zaradi največje možne
prefabrikacije oz. prenosa gradnje iz gradbišča v tovarno. To pa zmanjša stroške gradnje na
gradbišču. Gre za racionalno proizvodnjo , pri kateri so elementi izdelani bolj natančno in
hitreje. Elementi v tovarni se lahko pripravljajo vse leto, kar pomeni, da vreme ni ključni
dejavnik v tolikšnem obsegu kot pri klasični gradnji. So pa stroški prevoza, zaradi velikosti
elementov, seveda dražji. Pogoj je pa tudi dobra dostopnost gradbišča s tovornjaki. [8]
Cilj vsake industrijske proizvodnje je nižanje cene končnega izdelka ob enaki ali boljši
kvaliteti objekta. Cena objekta se niža z večanjem stopnje prefabrikacije, seveda pa morajo
ti sistemi omogočati tudi fleksibilnost oz. zmožnost prilagajanja zahtevam posameznega
potrošnika. Z večanjem stopnje prefabrikacije do gotovih prostorskih enot oz. modularnih
hiš fleksibilnost pada, kar pripelje do izgube identitete doma. Rešitev je v manjših
16
modularnih enotah, ki se poljubno nizajo v željeno kompozicijo, projektantu pa omogočajo
prilagajanje arhitekturne lupine značilnostim posameznih kulturnih krajin. [8]
Masivni sistem
Prva oblika masivne gradnje je bila kladna oz. brunasta gradnja, ki je bila značilna tako za
alpski prostor in Rusijo kot tudi Skandinavijo. Uporabljala se je za gradnjo stanovanjskih hiš,
cerkva, mostov, stolpov. Znanje so tesarji prenašali iz roda v rod. Ta sistem je v gradnji
prisoten še danes, seveda pa se je skozi zgodovino izpopolnil, kar prikazuje slika 2.6.
Slika 2.6: Prikaz razvoja masivne lesene gradnje [11].
17
Osnovni princip tradicionalne kladne gradnje je, da so bruna horizontalno položena druga
na drugo, stiki pa so zapolnjeni z malto, blatom, ilovico in rastlinskimi vlakni. Zveze so
obremenjene le na tlak. Velikost posameznega prostora je omejena na dolžino hlodov. Za
to gradnjo je značilna tudi velika poraba lesa. [11] Zaradi križnega sestavljanja brun z
zarezami pride do blokiranja z lastno težo, tako da konstrukcija ne potrebuje dodatnih
veznih sredstev. V tem primeru se seveda uporablja masiven, ne lepljen les. [12] Način
kladne gradnje je prikazan na spodnji sliki 2.7.
Slika 2.7: Princip gradnje kladnih sten [13].
Danes pa so masivne stene v večini primerov izdelane iz masivnega lepljenega lesa. Tudi te
konstrukcijske izvedbe lahko obložimo z izolacijo ter ploščami. Posamezni leseni elementi
so v celoto navadno povezani z žebljanjem ali lepljenjem. [12]
Moderno masivno leseno gradnjo določajo ploščati masivni leseni elementi velikih
dimenzij. Omejitve za prostore v horizontalni smeri ni , masivna bruna pa so nadomeščena
z manjšimi enotami. Elementi so lahko eno ali več slojni, vezani križno ali vzporedno. [11]
Za tovrstno gradnjo je značilno, da prenos obtežb poteka preko masivnih velikoploskovnih
elementov, izolacija pa je ločena od nosilne konstrukcije. Zavetrovanje pri historičnih
zgradbah je določeno s konstrukcijskimi dimenzijami, pri modernih izvedbah pa z
ploskovnimi elementi. Današnja masivna lesena gradnja ni linearno nadaljevanje razvoja
18
tradicionalne kladne gradnje, ampak je to sprememba v industrijski produkt s ponovno
poudarjenimi kvalitetami lesa. [11]
Značilnosti moderne lesene masivne gradnje so enostavna izdelava stenskih, stropnih in
strešnih konstrukcijskih elementov, možna je uporaba manjvrednega lesa, difuzijsko odprt
način gradnje s samouravnavanjem nihanja vlage v prostoru, dobra toplotna akumulacija,
dobra ekološka energetska bilanca, omogočena je izdelava elementov pod kontroliranimi
pogoji v tovarni in hitro sestavljanje na gradbišču, je pa zaradi transporta omejena širina
elementa na 2,50 m. [11]
Okvirni sistem
Okvirni sitem vsebuje stebre in prečke, ki kot že samo ime sistema pove, skupaj tvorijo
okvir. Okvir je obložen z obeh strani z raznimi obložnimi ploščami iz izbranega materiala.
Plošče so lahko mavčne, vlaknene, OSB, iverice itd. Prostor med izbranima ploščama je
zapolnjen z izolacijo. Okvir prevzema funkcijo nosilnega elementa, polnilo ima izolacijsko
funkcijo, obloga pa ščiti objekt pred zunanjimi atmosferskimi vplivi, prevzema pa tudi
horizontalno obremenitev objekta. Večjo togost zagotovimo tudi z medsebojnim
podpiranjem okvirjev. [14] Lep primer okvirnega sistema opazimo na sliki 2.8, na sliki 2.9
pa je prikazana tudi montaža posameznih okvirjev.
Slika 2.8: Okvirna konstrukcija. Okvirji, stebri in prečke [14].
19
Slika 2.9: Postavljane okvirne konstrukcije s pomočjo avtodvigala [12].
Skeletni sistem
Skeletne konstrukcije na splošno so sestavljene iz stebrov in nosilcev oz. gred. Seveda to
velja tudi za leseno skeletno gradnjo. Stebri in nosilci pa se v vozliščih povezujejo na različne
načine. Gre za sklop predhodno izdelanih linijskih elementov , ki so navadno lahki, kar olajša
montažo, je pa več spojev, kar montažo podaljšuje. Skeletna gradnja omogoča tudi kasnejše
spremembe tlorisa, saj je nosilna konstrukcija ločena od stenskih elementov. Govorimo o
t. i. odprtem načinu gradnje. [12] Shema obravnavanega sistema je prikazana na spodnji
sliki 2.10.
20
Slika 2.10: Shema skeletne konstrukcije [9].
Stebri in nosilci so izdelani iz žaganega masivnega, lameliranega, lepljenega ali
konstrukcijskega kompozitnega lesa. Prednost slednjih pred masivnim lesom je dimenzijska
stabilnost, visoka nosilnost glede na težo in dimenzijska in oblikovna fleksibilnost. [14]
Primer skeletne enostanovanjske hiše med gradnjo je prikazan na spodnji sliki 2.11.
21
Slika 2.11: Primer skeletne hiše v gradnji (Mozirje, 2013).
22
3 EKSPERIMENTALNA ANALIZA
3.1 Razvoj stikov lesene skeletne gradnje
3.1.1 Splošno o razvoju
Že v pradavnini so si obdelovalci lesa prizadevali povezovati dele konstrukcij v trdne in
trajne enote. Naši daljni predniki so gradili z viličastimi rogovilami, na katere so vezali druge
dele z vrvmi iz ličja. Seveda je bilo to nekoč, danes pa zmoremo že kaj boljšega. Način
povezave delov lesene konstrukcije danes določamo po statični obremenitvi, upogibni,
tlačni, natezni ali strižni, ki so jim konstrukcije izpostavljene. Ločimo posredne in
neposredne spoje. Posredno med seboj spajamo lesene dele z žičniki, vijaki, sorniki,
mozniki, lepili. Med neposredne spoje pa spada zarezovanje v les, kar mizar imenuje
rogličenje, utorjanje, brazdanje itd., tesarke vezi so nekoliko bolj grobe in jih imenujemo
sklopi, preploščitve in čepljenja. Delež spojev, ki jih uporabljamo v leseni konstrukciji, se je
skozi čas seveda spreminjal. V preteklosti, ko so bila vezna sredstva vseh vrst zelo draga,
se je, kjer se je le to dalo, uporabil neposredni spoj. Danes, ko pa je hitrost montaže eden
glavnih dejavnikov pri ceni konstrukcije, pa se v večini primerov uporabljajo posredni spoji
oz. kombinacija obeh. [1]
V zadnjem času so se močno razvila tudi lepila za les, zato lesene stike delimo tudi na
podajne oz. popustljive spoje ter na lepljene, nepopustljive oz. toge spoje. Podrobnejša
razdelitev spojev je prikazana v preglednici 3.1. [15]
23
Preglednica 3.1: Pregled spojev v leseni gradnji [15].
V tej magistrski nalogi bomo na kratko predstavili razvoj podajnih lesenih stikov od zlatega
obdobja gradnje kozolcev, to je obdobje, ko so prevladovali neposredni stiki, do danes, ko
so v ospredju posredni stiki.
Slovenski kozolec (toplar) je najboljši primer za predstavitev lesene skeletne gradnje pred
približno 150 do 200 leti. Lep primer skoraj novega kozolca najdemo tudi v Mozirskem gaju,
ki je prikazan na sliki 3.1. Omenjeni kozolec je bil zgrajen leta 2008 in zagotovo spada med
mlajše.
24
Slika 3.1: Kozolec v Mozirskem gaju, zgrajen leta 2008.
Kozolci se glede na pokrajino, v kateri se nahajajo, v določenih podrobnostih seveda
razlikujejo, vendar je osnovni princip gradnje podoben, ne glede na to, kje ta kozolec stoji.
V tem obdobju so večinoma še izvajali stike lesenih elementov brez uporabe kovinskih
veznih sredstev. Elementi so bili na mestu stika tesarsko obdelani tako, da so se na različne
načine preklapljali. Preko takšnih povezav so se večinoma prenašale tlačne in strižne sile,
so pa že znali izdelati tudi bolj kompleksen stik, ki je prenašal natezne sile ali celo upogibni
moment. [15]
Lesene zveze glede na medsebojni položaj, ki ga zavzemajo leseni elementi v konstrukciji,
delimo v sedem skupin, in sicer: [16]
I. podaljševanje v višino (vertikalno),
II. podaljšanje v dolžino (horizontalno),
III. ojačenje (horizontalno, redko poševno),
IV. razširjanje (velja predvsem za deske in plohe),
V. križanje (pravokotno in poševno),
VI. odcepe (pravokotni in poševni),
VII. vogale (pravokotni in poševni).
25
Primeri za vsako skupino posebej so prikazani v serji spodnjih slik od 3.2 do 3.8..
Slika 3.2: Podaljševanje v višino (vertikalno) [16].
Slika 3.3: Podaljševanje v dolžino (horizontalno) [16].
Slika 3.4: Ojačenje [16].
26
Slika 3.5: Razširjanje [16].
Slika 3.6: Križanje [16].
27
Slika 3.7: Odcepi [16].
Slika 3.8: Vogalne zveze [16].
Takšne stike uporabljamo še danes, le da nam danes namesto ročnega orodja, ki se je
uporabljalo v preteklosti, delo olajšajo t. i. CNC (numerično krmiljeni) stroji. CNC stroji
omogočajo natančno obdelavo konstrukcijskih elementov, kar zagotavlja natančno sestavo
in kvalitetno izvedbo lesene konstrukcije. [15] Še vedno pa živijo tudi mojstri, ki objekte s
pomočjo tradicionalnih tesarskih zvez naredijo še s pomočjo ročnega orodja. Na slikah sta
28
prikazana CNC stroj (slika 3.10) in osnovno tesarsko orodje (slika 3.9) za izdelavo tesarskih
zvez.
Slika 3.9: Nekaj tesarskega orodja, ki ga mojstri uporabljajo pri delu.
Slika 3.10: CNC stoj med delom [17].
29
Takšni stiki so primerni le za konstantne oz. enosmerne obtežbe. V primeru spreminjajoče
se obtežbe, kot je primer potresa ali močnega vetra, pa se takšnim spojem dodaja
mehanska vezna sredstva, ki preprečujejo izgubo kontakta med posameznimi elementi, kar
je lepo prikazano na sliki 3.11.
Slika 3.11: Zgoraj tradicionalni tesarski stiki, spodaj dodatne povezave elementov v vozlišču
[15].
Ker bi bilo za to nalogo preobsežno, da bi pregledali razvoj vseh zgoraj naštetih skupin
stikovanj elementov v leseni konstrukciji, se bomo osredotočili le na dve vrsti stikov. To sta
spoja stebra in grede ter detajl zavetrovanja.
3.1.2 Spoj stebra in prečke
Spoj stebra in prečke, katerega razvoj bomo predstavili, spada med skupinami lesnih zvez
v skupino odcepi. Pri odcepih imamo glavni, neprekinjen in pa stranski tram, ki se od
glavnega odcepi. Poznamo dve skupini odcepov, in sicer pravokotne in poševne.
Osredotočili se bomo na pravokotne odcepe. [16] Primer pravokotnega odcepa je prikazan
na sliki 3.12.
30
Slika 3.12: Stik stebra in grede [16].
Kot je bilo že bilo predhodno omenjeno, bom s pregledom stikov začel, tik preden je človek
v lesene konstrukcije vnesel kot vezna sredstva tudi druge materiale.
Spoj stebra in prečke so mojstri v preteklosti stikovali s pomočjo klina (čepa) in utora.
Povezana sta z lesenim žebljem (cvekom). Cvek je kvadratičnega prereza in se malo zožuje.
Preden se ga zabije, vezni les navrtamo.
Osnovni princip tega stika se skozi stoletja ni spreminjal, ostala sta čep in utor. Kasneje je
cvek zamenjal moznik iz trdega lesa, ki se od cveka razlikuje v tem da je lahko okrogel,
mnogokoten ali kvadratičen in konstantnega prereza skozi celotno dolžino. [16]
Slika 3.13: Spoj stebra in grede s »cvekom« [15].
31
Ker morajo ti stiki prenašati tudi natezne sile, so z razvojem obdelave kovin spoj čepa in
utora dodatno jačali. Najprej so to storili z železno spojko. Spojka je kovana iz ploščatega
ali okroglega železa. Debela je od 4 do 10 mm, dolga od 200 do 300 mm, trni pa približno
90 mm. Spojko in stik, ojačan z njo, lahko vidimo na spodnji sliki 3.14.
Slika 3.14: Levo železna spojka, desno s spojko ojačan stik.
Verjetno se je sočasno kot železna spojka pojavila tudi železna zaplata. Zaplata ima
ukrivljene konce, navadno iz od 6 do 15 mm debelega in 40 do 50 mm širokega ploščatega
železa. Na koncih jo pritrdimo z malimi sponami, v sredini pa z žeblji ali svorniki, kot
prikazuje tudi slika 3.15.
32
Slika 3.15: Skica železne zaplate.
Ker človek vedno stremi k napredku, je kmalu za spojkami in zaplatami znal izdelati tudi
železni svornik, ki je počasi izpodrinil lesene cveke in moznike. Svornik je sestavljen iz trupa,
glave in šesterokotne matice. Med matico in les se je vstavila podložka, debela od 3 do 4
mm.
Slika 3.16: Svornik [16].
Klin ni namenjen prenašanju strižnih sil, ampak ohranja prečko v pravilni ravnini. Med
stikom stebra in prečke pa mora v večini primerov, eden od elementov prenašati tudi
strižne sile. Zato se stik z utorom in klinom velikokrat kombinira z »ulegom«. Poznamo več
izvedb ulegov, to so raven uleg, enkrat nagnjen uleg in dvakrat nagnjen uleg. V vseh
naštetih primerih se je uporabila izvedba ravnega čepa.
33
Slika 3.17: Skica stika z ulegom zgoraj in pa prikaz iz realnega primera [16].
Vse te stike uporabimo v primerih, ko je glavni in neprekinjen tram steber, stranski tram pa
je greda. Pojavljajo se tudi primeri, ko je glavni tram greda stranski tram pa je steber. V tem
primeru se navadno uporabi repasto izvedbo čepov. Glavna razlika med ravnimi in
repastimi čepi je, da ravne pritrdimo z cveki, mozniki in žeblji, repaste pa z zagozdami. [16]
Klin ali zagozda je lahko železna ali iz trdega lesa, zvezo pa utrjuje z razrivanjem. Poznamo
enojne in dvojne zagozde. [16] Na sliki 3.18. so prikazane različne izvedbe repastega čepa.
34
Slika 3.18: Shema različnih izvedb repastega čepa [16].
Pogosto pa so tesarski mojstri tudi sami, s svojimi metodami, dodatno ojačali stike, kar
skuša prikazati slika 3.19.
Slika 3.19: Ojačitev stika »po domače«.
35
Če je do te točke razvoja spojev v leseni gradnji še mogoče približno pravilno kronološko
slediti razvoju, pa je od tu naprej nemogoče z gotovostjo trditi, kateri način izvedbe se je
pojavil prej kot drugi.
Ker so se konstruktorji že relativno zgodaj začeli zavedati konkurenčne uspešnosti, estetike
in izvedljivosti, je bila jasna posledica razvoj boljših veznih sredstev. Vezna sredstva morajo
imeti zadostno veliko nosilnost in zadostno togost. Oblikovana pa morajo biti tudi tako, da
ne motijo estetskega videza konstrukcije. Omogočati morajo lahko in enostavno izvedbo
[18].
Od začetka počasi, na to pa čedalje hitreje, predvsem po iznajdbi CNC strojev, so klasične
tesarske lesne zveze izpodrinile nove metode spajanja konstrukcijskih elementov.
Uporabljajo se različne vrste spojnih pločevin, ki jih z žeblji priključimo bočno na spajane
elemente. [18]
Slika 3.20: Izvedba vozlišč s kovinskimi ploščami [18].
Učinkovito spojno sredstvo so tudi eno ali dvostranske ježevke (slika 3.21), ki se od strani
vtisnejo v spajane elemente ali pa jih vložimo med spajane elemente.
Slika 3.21: Izvedba spoja z ježevkami (eno in dvostranske) [18].
36
Različne odcepe gred pogosto spajamo tudi s posebej oblikovanimi pločevinami in
različnimi mozniki, trni in vijaki.
Slika 3.22: Izvedba odcepov s posebnimi ploščami in vijaki [18].
Obstajajo tudi že v naprej luknjane plošče za spoje med lesenimi konstrukcijskimi elementi,
ki jih potem kombiniramo z ustreznimi vijaki. Lep primer takšne plošče je prikazan na sliki
3.23
Slika 3.23: Vnaprej luknjana plošča za povezavo konstrukcijski elementov.
Je pa treba pri uporabi takšnih plošč paziti na ustrezno razporeditev vijakov.
37
Omenjeni stiki pa niso bili sprejemljiva rešitev za ljubitelje tradicionalnih lesenih
konstrukcij, zato je težnja po čimbolj tradicinalnih konstrukcijah, torej taki, ki je izvedena s
klasičnimi tesarskimi lesnimi zvezami, spodbudila razvoj t. i. »nevidnih spojev za tramove«.
Ker je teh spojev skoraj toliko kot je različnih proizvajalcev lesenih konstrukcij, bomo
predstavili le nekaj rešitev podjetja Rothoblaas. Seveda je osnovni princip vseh
proizvajalcev podoben, to je čim bolj skriti vezno sredstvo v same konstrukcijske elemente.
Prvi nevidni spoj, ki ga bomo tukaj omenili, je sistem »nevidno streme z ali brez lukenj«.
Prikaz spoja izvedenega z nevidnim stremenom je na sliki 3.24.
Slika 3.24: Nevidno streme z luknjami [19].
Streme je iz aluminija in je izdelano s postopkom iztiskanja in je torej brez vmesnih varjenih
mest.
Naslednji nevidni sistem podjetja Rothoblaas je »skriti spojnik«. Primer tega lahko vidimo
na sliki 3.25.
38
Slika 3.25: Skriti spojnik [19].
Prednost sistema »skriti spojnik« je enostavna vgradnja zaradi možnosti privitja po končani
montaži. Uporabi se lahko tudi za začasne konstrukcije, saj se lahko enostavno sname
zaradi sistema predhodne palice. Prav zaradi sistema predhodne palice pa je odporen tako
na prečne kot tudi na natezne obremenitve. [19]
Podjetje Rothoblaas ima v svoji ponudbi tudi »skriti snemljivi spojnik«. Ta je prikazan na
sliki 3.26.
39
Slika 3.26: Skriti snemljivi spojnik [19].
Skriti snemljivi spoj je strižni spoj, ki zagotavlja trdnost v vseh smereh. T. i. priklopni sistem
se lahko sname, zato je primeren za izvedbo začasnih konstrukcij. Ima dobro razmerje med
dimenzijami in odpornostjo. [19]
Tu smo omenili samo nekaj osnovnih skupin spojev. Točna izvedba posameznega spoja se
od proizvajalca do proizvajalca razlikuje, skupno vsem pa je to, da brez sodobnih CNC
strojev, ki zagotovijo natančno obdelavo lesa, ni mogoče izdelati stika, ki bi ustrezal
sodobnim normativom lesene gradnje.
3.1.3 Zavetrovanje
Dobro izvedeno zavetrovanje je ključnega pomena za horizontalno nosilnost konstrukcije.
Sile, ki povzročijo horizontalno obtežbo na konstrukcijo, so lahko posledica vetra, potresa,
deformacije posameznih konstrukcijskih elementov, netočnosti montaže in udarcev. Da se
zagotovi horizontalno stabilnost skeletnega objekta, je potrebno vanj vgraditi elemente
zavetrovanja. Različne načine zavetrovanja prikazuje slika 3.27. [10]
40
Slika 3.27: Načini izvedbe zavetrovanja [10].
V preteklosti so za zagotovitev zavetrovanja vgrajevali, v ravnino stebra in nosilca, lesene
ročice. V tej ravnini se je oblikoval trikotnik, ki predstavlja stabilen element v lastni ravnini.
V primeru kozolca pa so nekatere ročice, odvisno od položaja v konstrukciji, prevzele tudi
dodatno, dekorativno funkcijo. [10] Primer, ko ročica prevzame tudi dekorativno vlogo,
lahko vidimo na spodnji sliki 3.28.
Slika 3.28: Primer ročice, ki poleg zavetrovanja prevzame tudi dekorativno vlogo.
41
Sam detajl priključitve ročice v steber ali nosilec se je na začetku, tako kot vsi drugi stiki,
izvedel izključno s tesarskimi zvezami. Najbolj razširjena tesarska zveza, ki se je uporabljala
za priključitev ročice v steber in nosilec je bil poševni sklop, znan tudi pod imenom lastovičji
rep, ki je prikazan na sliki 3.29.
Slika 3.29: Detajl priključitve ročice v glavni element z lastovičjim repom [16].
Veliko se je uporabljal tudi poševni čep, slika 3.30. Predvsem tam, kjer je zaradi vizualnega
izgleda lice stebra moralo ostati neprekinjeno.
42
Slika 3.30: Priključitev ročice v glavni element s poševnim čepom [16].
Mnogi tesarji, ki še danes gradijo s tradicionalnimi tesarskimi zvezami, pogosto ročice pri
manjših objektih enostavno kar privijejo v steber oz. gredo z lesnimi vijaki. Pri tej izvedbi
vse obtežbe, ki nastanejo v ročici, prevzamejo vijaki.
Danes se ustrezno zavetrovanje izvaja predvsem z uporabo jeklenih vrvi in kotnih profilov,
ki so povzeti iz jeklene skeletne gradnje. V današnjem času je uporaba jeklenih pločevin v
stikih bistveno povečala togost vozlišč, zato se je zmanjšalo potrebno število zavetrovanih
polj v skeletu. To je z vidika funkcionalnosti objekta dobra lastnost, saj elementi
zavetrovanja zavzemajo koristni prostor v objektu. [10]
Tudi za detajl zavetrovanja bomo predstavili rešitev, ki jo ponuja podjetje Rothoblaas.
Omenjeno podjetje detajl zavetrovanja izvedel z kavlji za protivetrno zaščito. Poleg kavljev
sta potrebna še disk za oporna sidra in napenjalo, vse našteto pa prikazuje tudi slika 3.31.
[19]
43
Slika 3.31: Sistem zavetrovanja, ki ga uporablja podjetje Rothoblass [19].
Kavlje je potrebno fiksirati še na plošče, ki se jih pritrdi na steber in nosilec. Ta plošča se
oblikuje in dimenzionira za vsak primer posamezno.
3.2 Eksperimentalne metode
Eksperimentalno analizo izbranih stikov smo izvedli v laboratoriju za analizo konstrukcij
Fakultete za gradbeništvo, prometno inženirstvo in arhitekturo Univerze v Mariboru.
Izvajali smo preizkuse nosilnosti izbranih tradicionalnih tesarskih zvez, izvedenih z ročnim
orodjem.
44
3.2.1 Opis eksperimenta
Izdelava preizkušancev
Preizkušance je izdelal kandidat sam, v svoji delavnici. Ker je se je preizkušalo majhno
število preizkušancev, je izbira lesa za preizkus zelo pomembna. Pri izbiri lesa je pomembno,
da se izbere les enake kvalitete, zato je kandidat sam v svojem gozdu poiskal primerna
drevesa, iz katerih je pridobil les za preizkus. Izbrani so bili drevesi približno enake starosti
in dimenzij, ki sta bili med seboj oddaljeni približno 30 metrov, saj je za kvaliteto lesa
pomembna tudi struktura tal, na katerih drevo raste. Les se je nato spravil iz gozda, olupil
in se nato okrogel še 3 mesece skladiščil. Postopek pridobivanja lesa na kratko prikazuje
slika 3.32. Nato se je izbrana hlodovina razrezala na izbrane dimenzije in se ponovno
skladiščila približno 6 mesecev. Iz samo zračno sušenega lesa smo potem izdelali
preizkušance. Najprej smo les s skobeljnim strojem obdelali tako, da smo dobili točne
dimenzije določenih elementov. Z ročnim tesarskim orodjem smo nato izdelali
preizkušance.
45
Slika 3.32: Izbira in priprava lesa za izdelavo vzorcev.
Ker časovno in predvsem logistično ni mogoče, da bi naredili in preizkusili vse zgoraj naštete
stike, smo se odločil za izvedbo treh stikov. Odločili smo se za dva tipa zavetrovanja, in sicer
pritrditev roke na način lastovičjega repa in pritrditev roke s poševnim čepom. Za stik med
gredo in stebrom pa smo izbrali način stikovanja s pomočjo ravnega kratkega čepa.
Postopek izdelave je na kratko predstavljen v spodnjih slikah.
46
Slika 3.33: Razrez lesa.
Slika 3.34: Les razrezan na željene dolžine .
47
Slika 3.35: Stik stebra in grede s čepom in utorom.
Slika 3.36: Ročica z lastovičjim repom pred vgradnjo v glavna elementa.
48
Slika 3.37: Izdelava utora v glavni element za ročico z lastovičjim repom.
Slika 3.38: Gotov vzorec z lastovičjim repom. Manjkajo jeklene plošče za vpetje na pomožno
konstrukcijo.
49
Izvedba detajla zavetrovanja na način poševnega čepa je zelo podobna, le da se namesto
lastovičjega repa izvedeta čep in utor. Sam stik roke z prečko oz. stebrom pa se dodatno
ojača še z lesnimi vijaki.
Slika 3.39: Izdelava luknje v glavni element za zavetrovanje s poševnim čepom.
Slika 3.40: Čep ročice in utor v gredi tik pred spojitvijo.
50
Na podoben način, kot sta se izvedla zgornja dva detajla, se izvedejo stiki med prečko in
stebrom.
Slika 3.41: Glavna elementa za preizkus spoja med stebrom in gredo z že izvedenima čepom
in luknjo.
Po spoju prečke in utora se prečno na utor in čep izvrtata še dve luknji, v kateri zabijemo
kovinska palična moznika, ki danes nadomeščata lesene »cveke«.
51
Slika 3.42: Izdelava lukenj za jeklena moznika zgoraj in v sredini ter že vstavljena moznika
spodaj.
Za izdelavo preizkušancev je bilo uporabljeno samo ročno orodje, ki je prikazano na spodnji
sliki 3.43.
52
Slika 3.43: Uporabljeno ročno orodje za izdelavo preizkušancev.
Izvedba eksperimenta
Eksperiment smo, kot je že bilo omenjeno, izvedli v laboratoriju za analizo konstrukcij
Fakultete za gradbeništvo, prometno inženirstvo in arhitekturo Univerze v Mariboru.
Preizkus je bil razdeljen na dva dela. V prvem delu smo preizkusili oba izbrana stika
zavetrovanja, v drugem delu pa stik stebra in prečke.
53
Za izvedbo preizkusa stikov zavetrovanja je bilo potrebno izdelati pomožno konstrukcijo,
na katero smo potem pritrdili preizkušance. Izvedba pomožne konstrukcije in pritrditev
preizkušanca nanjo je prikazana na sliki 3.44.
Slika 3.44: Prikaz vpetja vzorca s pomožno konstrukcijo, narejeno posebej za te vzorce.
Preizkušance smo nato obremenjevali z hidravličnim batom vse do porušitve. Bat smo
opremili z merilnimi lističi za merjenje specifičnih deformacij, na podlagi katerih smo potem
prišli do sile, s katero je bat deloval na preizkušanec. Uporabili smo merilne lističe tipa 1‐
LY41‐6/120, ki so, ker je bat jeklen, temperaturno usklajeni z jeklom (slika 3.45).
54
Slika 3.45: Prikaz senzorja specifičnih deformacij na obremenilnem batu pred in po zaščiti
pred zunanjimi vplivi.
Preizkušance pa smo opremili z induktivnimi senzorji pomika. Uporabili smo induktivne
senzorje tipa HBM WA100 z 0,1 % natančnostjo. Zanimale so nas vertikalni pomik celotnega
preizkušanca in relativni pomik med ročico in stebrom ter med ročico in gredo. Uporabili
smo tri senzorje. Enega za vertikalni pomik celotnega preizkušanca, drugega za merjenje
relativnega pomika med ročico in stebrom, tretjega pa za merjenje relativnega pomika med
gredo in ročico. Uporabljena merilna mesta in način pritrditve so prikazani na spodnjih
slikah.
55
Slika 3.46: Merilno mesto za merjenje vertikalnega pomika.
Slika 3.47: Položaj in način pritrditve merilnika pomikov za merjenje relativnih pomikov
med ročico in obema glavnima elementoma.
Preizkus smo napravili na petih preizkušancih. Zanimalo nas je predvsem obnašanje stikov,
ko se v ročici vzpostavi natezna sila. Zato smo ročico natezno obremenili na dveh
56
preizkušancih z izvedbo lastovičjega repa in na dveh s pomočjo poševnega čepa, ki je bil
ojačan z lesnim vijakom. En preizkušanec, izveden z lastovičjim repom, pa smo obremenili
tako, da smo ročico izpostavili tlačnim napetostim.
Pri izvedbi s pomočjo lastovičjega repa pride do cepljenja stebra in prečke. To smo pred
samim preizkusom tudi pričakovali, glede na to, da je les ortotropen material. Ker je bil les
že dlje časa zračno sušen, so na njem že nastale prvotne razpoke zaradi sušenja. Ko se je
vzorec dovolj močno obremenil, se vidne deformacije niso pojavile na drugih mestih,
ampak se je lomljenje vzorca nadaljevalo na teh predhodnih razpokah. Tudi na sami ročici
pride do deformacij vendar v veliko manjši meri. Ob dosegu porušne sile je enega od repov
ročice na gredi ali stebru izpulilo iz utorov. V nobenem primeru pa ni izpulilo obeh hkrati.
To je posledica različnih velikosti in položaja razpok zaradi predhodnega sušenja. Deloma
pa je to odvisno tudi od natančnosti izdelave. Stanje vzorca po končani obremenitvi lahko
vidimo na spodnji sliki 3.48.
Slika 3.48: Vzorec z lastovičjim repom po zaključku obremenjevanja.
57
Pri izvedbi zavetrovanja s poševnim čepom, kar je lepo videti na spodnji sliki 3.49, pride do
vidnih deformacij samo na ročici. Vse ročice te izvedbe so se deformirale na podoben način.
Čep ročice se je vedno porušil na enakem mestu. Treba je še enkrat poudariti, da je ročico
na željenem mestu držal lesni vijak, ki je tudi pripomogel k višini sile, potrebne za porušitev.
Seveda je logično, da je prišlo do deformacij tudi na vijaku in na mestu njegovega vpetja v
gredi in stebru, a razvoja teh deformacij med samim preizkusom ni bilo mogoče opazovati,
saj je detajl oblikovan tako, da je na zunaj vidna samo glava vijaka.
Slika 3.49: Vzorec s poševnim čepom po zaključku obremenjevanja in prikaz mesta
porušitve ročice desno spodaj.
58
Največja neznanka, glede obnašanja med obremenitvijo, je bil vzorec, izveden s pomočjo
lastovičjega repa, obremenjen tako, da bo v ročici nastopila tlačna sila. Pred izvedbo
preizkusa smo predvidevali, da bo prišlo do loma na vpetjih grede in stebra na pomožno
konstrukcijo. Na spodnji sliki 3.50 lahko vidimo stanje tega vzorca po porušitvi.
Slika 3.50: Stanje vzorca z lastovičjim repom, kjer smo ročico obremenjevali na tlak po
končanem preizkusu.
Naša predvidevanja so se izkazala za pravilna. Med samim postopkom obremenjevanja
nismo opazili vidnih deformacij na stiku obeh glavnih elementov in ročice, kot tudi ne na
59
ročici sami. Prve deformacije so se pojavile pri vpetju grede na pomožno konstrukcijo, ki pa
so se na to počasi širile vse do stika grede in ročice. Za pridobitev bolj realnih rezultatov bi
morali povečati razdaljo med vpetjem vzorca na pomožno konstrukcijo ter stikom gredi in
ročice. A to zaradi logističnih razlogov ni bilo mogoče.
Vse dobljene signale s senzorjev smo med preizkusi, ojačane in digitalizirane z merilnim
ojačevalcem, vizualno spremljali in shranjevali s pomočjo ustrezne programske opreme
(HBM Catman AP). Za izvedbo meritev z induktivnimi senzorji pomikov smo uporabili
merilni ojačevalnik HBM QuantumX MX 840A, za meritve specifičnih deformacij na batnici
hidravličnega cilindra pa smo uporabili ojačevalnik HBM QuantumX MX 1615B.
Stik stebra in prečke s kratkim čepom pa smo izvedli na napravi, ki je v osnovi namenjena
preizkusom tlačne trdnosti betona, a smo z majhno mero iznajdljivosti lahko preizkusili
naše preizkušance, kar lahko vidimo na spodnji sliki 3.51.
Slika 3.51: Obremenjevanje stika med stebrom in gredo.
60
Tudi za te preizkušance je bilo potrebno izdelati pripomoček, da smo s pomočjo tlačne sile,
ki jo v osnovi na preizkušanec povzroči bat, na preizkušanec izvršili silo, ki steber in prečko
vlečeta narazen. Preizkušance smo obremenjevali do točke porušitve. Silo porušitve smo
odčitavali s pomočjo merilne skale (slika 3.52). Relativnih pomikov med stebrom in prečko,
med naraščanjem sile do porušitve, pa nismo odčitavali.
Slika 3.52: Analogni prikazovalnik sile, ki deluje na preizkušanec na napravi za preverjanje
tlačne trdnosti betona.
61
Tudi pri teh preizkušancih nas je zanimalo izključno obnašanje stika, ko je stranski tram
obremenjen z natezno silo. To pomeni, da se hoče stranski tram od glavnega odcepiti.
Prečko smo podprli 7 cm stran, na vsaki strani priključitve, da smo čim bolj izničili učinek
upogiba le‐te. Na sliki 3.53 je prikazan preizkušanec pred in po obremenitvi.
Slika 3.53: Spoj stebra in grede pred (levo) in po (desno) končanem obremenjevanju.
Ob hitrem pogledu na sliki ne opazimo bistvene razlike po porušitvi preizkušanca. Vendar
ob bolj podrobnem pregledu lahko opazimo, da se na desni sliki med stebrom in prečko
pojavi konkreten razmak, približno 1 cm. Tudi oba elementa preizkušanca na prvi pogled
ne kažeta vzroka za porušitev. Za razkritje vzroka porušitve smo morali preizkušanec po
porušitvi razstaviti. Mesto porušitve je prikazano na sliki 3.54.
62
Slika 3.54: Mesto porušitve čepa v spoju stebra in grede.
Zelo jasno je videti, da se je porušil čep v sekundarnem elementu. Prišlo je do zdrsa med
vlakni točno nad luknjami za moznike. To smo pred samo obremenitvijo tudi pravilno
napovedali.
3.3 Predstavitev rezultatov
Predstavitev rezultatov bomo razdelili na vsako posamezno vrsto stika. Obravnavo vsakega
stika, to velja za zavetrovanje, pa bomo razdelili še na vsako posamezno merilno mesto
pomikov. Najprej bomo predstavili rezultate analize zavetrovanja z lastovičjim repom.
Rezultati vseh meritev so podani v grafih spodaj, kjer so prikazani pomiki na določenem
merilnem mestu, odvisni od sile, ki smo jo z obremenilnim batom vršili na vzorce.
63
Graf 3‐1: Vertikalni pomiki eksperimentalne analize za zavetrovanje z lastovičjim repom.
Z zgornjega grafa pomikov lahko opazimo, da je velikost pomikov v začetni fazi med obema
vzorcema zelo podobna. Pri sili okoli 2 kN pa pri vzorcu 1 pomiki naraščajo nekoliko hitreje
kot pri vzorcu 2. Tudi sila, pri kateri začne krivulja pomikov skakati levo‐desno, kar je znak,
da so na tej točki začele deformacije vidno in hitreje naraščati, se razlikuje za približno 1,5
kN. Če je ta točka pri vzorcu 1 okoli 7,2 kN, je pri vzorcu 2 nekje pri sili 8,7 kN. Ko smo iskali
vzroke za takšne razlike, smo izključili kvaliteto lesa, saj je les praktično brez grč, poleg tega
pa sta bila oba vzorca narejena iz lesa istega drevesa. Predvidevamo, da je do te razlike
prišlo zaradi razlike v natančnosti izdelave. Naj še enkrat poudarimo, da so bili vsi vzorci
izdelani ročno, s pomočjo ročnega orodja, s katerim pa hitro pride do odstopanj pri kvaliteti
izdelave.
64
Graf 3‐2: Relativni pomik ročice zgoraj pri eksperimentalni analiz za zavetrovanje z
lastovičjim repom.
Zelo podobno situacijo, kot smo jo opazili pri vertikalnem pomiku, smo zaznali tudi pri
relativnem pomiku ročice zgoraj. Tudi tu začnejo pomiki pri vzorcu 1 na neki točki hitreje
naraščati kot pa pri vzorcu 2. Razlogi za to so pojasnjeni že pri vertikalnih pomikih.
Graf 3‐3: Relativni pomik ročice spodaj pri eksperimentalni analizi za zavetrovanje z
lastovičjim repom.
65
Pri relativnem pomiku ročice spodaj pa je, v primerjavi s pomikom ročice zgoraj, situacija
obrnjena, saj pomiki na vzorcu 2 naraščajo hitreje kot na vzorcu 1. Iz tega lahko razberemo,
da se je pri vzorcu 1 bolje izvedla priključitev ročice spodaj, pri vzorcu 2 pa se je bolje izvedla
priključitev zgoraj. Sicer pa se je, kot je pokazal graf vertikalnih pomikov, bolje izvedla
priključitev ročice na vzorcu 2.
Identičen postopek preizkusa, kot smo ga izvedli na zavetrovanju z lastovičjim repom, smo
izvedli tudi na zavetrovanju z poševnim čepom, dobili pa smo rezultate, ki so prikazani v
spodnjih grafih.
Graf 3‐4: Vertikalni pomiki pri eksperimentalni analizi za zavetrovanje s poševnim čepom.
V zgornjih preglednicah lahko hitro opazimo dva zelo različna rezultata, in sicer za oba
preizkušanca. Pomiki so ob začetku preizkusa, do obremenitve približno 2,4 kN, še dokaj
podobni. Nadaljnji trend pomikov kaže, da je vzorec 4 nekoliko bolj tog pri večjih
obremenitvah, kar je verjetno posledica natančnejše izdelave samih detajlov in spajanje
posameznih sestavnih elementov vzorca. To tezo potrjujejo tudi manjši skoki krivulje pri
vzorcu 4, pri velikosti sile okoli 2,5 do 3,0 kN, pri kateri je prihajalo do medsebojnega
naleganja posameznih elementov. Pri sili približno 4,2 kN pa je pri vzorcu 4 prišlo do
porušitve, med tem ko je vzorec 3 vztrajal tja do sile 4,9 kN, ko sta popustila oba čepa na
ročici, pri sili 5, 2 KN pa je prišlo še do izpuljenja lesnih vijakov iz glavnih elementov vzorca.
Vzrok za tako zgodnjo porušitev vzorca 4 tiči v tem, da je zaradi ročne izdelave vzorcev prišlo
do manjšega odstopanja pri samem položaju vzorca, pripetega na pomožno konstrukcijo.
66
Vzorec 4 je bil minimalno zavrten navzgor, zato nismo mogli na vzorec namestiti dela
konstrukcije, ki je preprečevala porušitev vzorca med obema glavnima elementoma vzorca.
Ker nas je vseeno zanimal vpliv tega elementa na končne rezultate, smo preizkus vseeno
izvedli. Za lažjo predstavo je na sliki 3.55 prikazana razlika med obema vzorcema.
Slika 3.55: Razlika med začetnimi robnimi pogoji za vzorca 3 in 4.
Kljub temu da robni pogoji obeh vzorcev niso enaki, bomo prikazali še primerjavo obeh
relativnih pomikov ročic.
67
Graf 3‐5: Relativni pomik ročice zgoraj pri eksperimentalni analizi za zavetrovanje s
poševnim čepom.
Krivulje relativnih pomikov med ročico in gredo dajejo podobne zaključke kot globalni
vertikalni pomiki vzorcev. Pomiki pri vzorcu 4 pri enaki sili naraščajo hitreje kot pri vzorcu
3.
Graf 3‐6: Relativni pomik ročice spodaj pri eksperimentalni analizi za zavetrovanje s
poševnim čepom.
68
Tudi začetni del rezultatov, do sile nekje 2,5 kN, pri relativnih pomikih med ročico in
stebrom daje podobne zaključke kot prejšnje preglednice za poševni čep. Po omenjeni sili
pa v vzorcu 3 pride do hitrejšega naraščanja pomikov. Kot smo že omenili pri opisu za
globalni vertikalni pomik, je to posledica razlike v natančnosti izvedbe stikov med
posameznimi elementi vzorcev.
Iz nadaljnje analize, tako eksperimentalne kot tudi numerične, moramo zaradi velike razlike
v podanih robnih pogojih izločiti vzorec 4.
Ker je bilo eno izmed naših vprašanj pred začetkom izvedbe eksperimentov tudi, katera
izvedba zavetrovanja je bolj nosilna, bomo v spodnji preglednici prikazali primerjavo
vertikalnih pomikov prvih treh vzorcev.
Graf 3‐7: Primerjava vertikalnih pomikov med prvimi tremi vzorci zavetrovanja.
Z zgornjega grafa je razvidno, da je togost vzorcev v začetni fazi zelo podobna, ne glede na
vrsto izvedbe zavetrovanja, do razhajanj pa pride, kot smo že predhodno omenili, zaradi
razlike v natančnosti izdelave. Zgornje krivulje kažejo še, da je zavetrovanje z lastovičjim
repom, pri večjih obremenitvah bolj nosilno. Vzorec s poševnim čepom je do porušitve
čepov še najbolj konkurenčen lastovičjemu repu, ko pa vso obremenitev nase prevzame
lesni vijak, pa začnejo pomiki, v odvisnost od sile, veliko hitreje naraščati kot pri vzorcih z
lastovičjim repom.
69
Res je, da nas je pri zasnovi eksperimentalne analize veliko bolj zanimalo obnašanje
vzorcev, ko v ročici nastopa natezna sila. Kljub temu pa smo en vzorec obremenili tako, da
smo v ročici povzročili tlačne napetosti. Stik je bil izveden s pomočjo lastovičjega repa. V
spodnjih preglednicah so prikazani dobljeni rezultati.
Graf 3‐8: Vertikalni pomik na tlak obremenjene ročice pri eksperimentalni analizi.
Če samo preletimo zgornji graf, v katerem je prikazan vertikalni pomik, lahko ugotovimo,
da je vzorec, pri katerem v ročici nastopa tlačna sila, veliko bolj nosilen, kot pa če je v ročici
natezna napetost. Pomiki pri enaki obremenitvi, v primerjavi z vzorci, v katerih v ročici
nastopa natezna napetost, so veliko manjši. Tudi sam potek krivulje pomikov je, do prvega
večjega preloma, skorajda linearen. Velikost sile pri prvem prelomu je tudi precej večja od
vzorcev, pri katerih v ročici nastopa natezna sila, pri konkretnem vzorcu je ta sila pri
velikosti približno 11 kN. Je pa zelo pomembno, da poudarimo, da ta prelom ni posledica
hipne povečave deformacij na stikih ročice in obeh glavnih elementov, ampak je do večjih
deformacij prišlo na vpetju vzorca na pomožno konstrukcijo. Po tem dogodku so pomiki
ponovno naraščali skorajda linearno, a je strmina krivulje nekoliko večja. Na mestu vpetja
vzorca je potem prišlo tudi do končne porušitve vzorca. V primeru, da bi hoteli izvesti
analizo, pri kateri bi do porušitve prišlo na vpetju ročice in glavni elementov oz. na mestu
stika stebra in prečke, bi morali dimenzije vzorca nekajkrat povečati, da se vpliv vpetja ne
bi prenesel do vpetja ročice, a to v izbranem laboratoriju praktično ni mogoče.
70
Tako kot na prejšnjih vzorcih, smo merili tudi relativne pomike med ročico in obema
glavnima elementoma. Rezultati so podani v spodnjih dveh grafih.
Graf 3‐9: Relativni pomik na tlak obremenjene ročice zgoraj pri eksperimentalni analizi.
Graf 3‐10: Relativni pomik na tlak obremenjene ročice spodaj pri eksperimentalni analizi.
71
Tudi ob analizi zadnjih dveh grafov pridemo do podobnih zaključkov kot pri grafu 3‐8.
Pomiki so glede na velikost sile manjši kot pri ostalih vzorcih. Je pa opaziti, da na ročici
zgoraj naraščajo nekoliko počasneje kot na ročici spodaj, kar je spet posledica odstopanj v
natančnosti izdelave. Zelo čiste krivulje obeh relativnih pomikov do prve večje deformacije
nam dajejo vedeti, da natančnost izdelave detajlov priključitve ročice na glavna elementa
ni tako pomembna kot pri ročici, pri kateri nastajajo natezne napetosti. Zelo hitro pride do
naslona celotne površine ročice na glavni element, potem pa je velikost pomika odvisna od
kakovosti lesa in dimenzij konstrukcijskih elementov.
Treba je še poudariti, da na podlagi enega samega vzorca glede točnega obnašanja
posamezne izvedbe stika ne moremo nadaljevati z obširnim sklepanjem nam pa daje
začetno orientacijo za izvedbo numerične analize.
Rezultati stika grede in stebra so podani v spodnji preglednici. Kot je že bilo omenjeno, smo
pri tem stiku merili samo silo porušitve.
Preglednica 3.2: Rezultati porušnih sil za vzorce stika med gredo in stebrom.
Zaporedna številka vzorca 1. 2. 3.
Sila ob porušitvi 37 kN 34 kN 36 kN
Iz rezultatov lahko razberemo, da pri porušitvi ni bilo velikih odstopanj v velikosti sil.
Povprečna sila porušitve znaša 35,66 kN. Najmanjša sila od povprečja odstopa za 4,7 %,
največja pa za 3,8 %. To pomeni, da je bila izdelava vzorcev podobne kvalitete, podobno
pa velja tudi za izbrani les. Majhna odstopanja nam omogočajo tudi dobro numerično
analizo. Lažje bomo izdelali natančen model za analizo, s katerim bomo lahko tudi realno
ocenili dogajanje in razvoj relativnih pomikov, tudi med samim naraščanjem obtežbe.
72
4 NUMERIČNA ANALIZA
Skokovit razvoj programske opreme nam danes omogoča projektiranje vedno bolj
zahtevne konstrukcije. Dejstvo pa je, da na postavitev najbolj primernega matematičnega
modela za analizo še vedno vpliva človeški faktor. To od posameznika zahteva dobro
poznavanje materialov in sposobnost predvidevanja obnašanja različnih konstrukcij.
Natančneje, bolje kot inženir, na podlagi svojega znanja in izkušenj, predvidi obnašanje
konstrukcije, bliže so rezultati numeričnih analiz dejanskemu stanju, tj. obnašanju
konstrukcije v realnem svetu. [20]
Seveda pa se kljub napredku programske opreme pri modeliranju modelov ne moremo
izogniti tudi različnim poenostavitvam. Zaradi tega lahko pride do odstopanja med rezultati
eksperimentalne in numerične analize, zaradi česar se ne smemo zanašati samo na
rezultate numeričnih analiz. Zato moramo za preveritev ustreznosti rezultatov numerične
analize še vedno izvajati tudi eksperimentalne analize, kar pa zaradi stroškovnih in
prostorskih omejitev ni vedno lahko izvedljivo. Če je nujno izvesti eksperimentalne analize,
jih je treba omejiti do te mere, da še vedno pridobimo ustrezno sliko obnašanja konstrukcije
oz. konstrukcijskega elementa. [20]
V tem poglavju bomo izvedli numerično analizo tesarskih zvez, ki smo jo izvedli tako, kot je
opisano v prejšnjem poglavju. Rezultate obeh raziskav pa bomo nato med seboj primerjali.
4.1 Modeliranje
Modele, ki jih bomo modelirali, bomo analizirali po metodi končnih elementov (v
nadaljevanju: MKE).
MKE je splošna numerična metoda za obravnavo kompliciranih sklopov konstrukcijskih
elementov. Dobra lastnost te metode je prilagodljivost robnim pogojem v geometrijskem
in matematičnem smislu. Zaradi uporabe matrične algebre je kot nalašč namenjena za
uporabo z računalniki. Osnove metode je leta 1954 podal Chris Argyris. Močan in hiter
razvoj pa je omenjena metoda doživela vzporedno z razvojem računalnikov. [21]
Z uporabo MKE konstrukcijo razdelimo na končne elemente, ki so med seboj povezani v
vozliščih. S tem dobimo mrežo končnih elementov, ki z drugimi geometrijskimi podatki,
73
podatki o elementih, lastnostih materialov in podatki o obtežbi, predstavlja računski model
konstrukcije. [21]
Pri linijskih konstrukcijah so končni elementi grede (slika 4.1), pri ploskovnih so liki (slika
4.2), na primer trikotnik ali pravokotnik. Pri prostorskih konstrukcijah pa so končni elementi
tetraedri, heksaedri in podobno (slika 4.3). [21]
Slika 4.1: Enodimenzijski končni element (greda) [22].
Slika 4.2: Dvodimenzijski končni element [22].
Slika 4.3: Trodimenzijski končni element [22].
Za računanje z MKE moramo poznati lastnosti končnih elementov. Te lastnosti in pogoji, ki
jih moramo poznati, so odvisni od metode računanja znotraj MKE. Računa se lahko po
metodi premikov ali metodi sil. Bolj se je uveljavila metoda premikov, saj je njena prednost
v enostavnejši formulaciji postopka, ki se lahko poenoti za katerokoli konstrukcijo. [21]
Ker je danes na voljo že veliko literature, ki podrobneje opisujejo MKE in obe metodi
izračuna, na tem mestu teh metod ne bomo podrobneje predstavljali, ampak naj bralec
sam, v kolikor ga to zanima, poišče ustrezno literaturo in razišče MKE.
Za analizo stikov bomo uporabili programsko opremo Solidworks 2015, ki, kot je mogoče
razbrati iz zgornjega zapisa, za preračun konstrukcij uporablja MKE. Ker gre pri različnih
74
izvedbah stikov iz iste skupine za relativno majhne razlike v izvedbah, bomo modele
obravnavali kot telesa. Tako se bomo izognili prevelikim poenostavitvam v pomembnih
detajlih stika, kar bi lahko privedlo do rezultatov, pri katerih ne bi opazili razlike med
posameznimi izvedbami stika.
Za korektno izvedbo analize je treba upoštevati tudi zelo pomembno lastnost lesa. To je
ortotropnost. Kot vemo, je material ortotropen takrat, ko so mehanske lastnosti materiala
različne glede na smer obtežbe, ki nanj deluje. Za samo modeliranje v programski opremi
Solidworks to pomeni, da je potrebno za vse različne poteke smeri, ki jih elementi v modelu
zavzemajo, ustvariti nov koordinatni sistem. Pri analizi celotnega modela pa se lastnosti
materialov transformirajo na glavni koordinatni sistem.
4.2 Vhodni podatki in izvedba analize
4.2.1 Materiali
Materiali in njihove osnovne lastnosti, ki smo jih uporabili v analizi, so podani v spodnjih
preglednicah.
Na podlagi vizualnega pregleda smo ocenili, da gre za kvaliteto lesa C30.
Preglednica 4.1: Mehanske lastnosti izbranega lesa za numerično analizo.
Les C30 fm,k ft,0,k fc,0,k fv,k E0,mean Gmean
N/mm2 30 18 23 3 12000 750
Za kovinske paličaste moznike pri stiku prečke in stebra smo uporabili jeklo kvalitete S235.
Lastnosti so opisane v preglednici 4.2.
Preglednica 4.2: Lastnosti izbrane kvalitete jekla za sornike v stiku grede in stebra.
S235 fy fu E G
N/mm2 235 360 2.1x105 8.1x104
Vse zgoraj navedene lastnosti materialov so upoštevane v vseh analizah stikov. To velja za
stik prečke in stebra, pa tudi za vse verzije zavetrovanja. Lesni vijaki, ki smo jih uporabili, pa
imajo po podatku proizvajalca natezno trdnost 400 N/mm2.
75
4.2.2 Statični sistemi
Glede na to, da so se izvedle numerične analize dveh različnih skupin stikov, smo pri izvedbi
uporabili dva različna statična sistema. Oba sta prikazana na slikah 4.4 in 4.5.
Slika 4.4: Statični sistem zavetrovanja, uporabljen za numerično analizo.
76
Slika 4.5: Statični sistem stika grede in stebra, uporabljen za numerično analizo.
Kot je bilo že omenjeno, smo numerično analizo stikov opravili s programsko opremo
Solidworks. Na osnovi preizkušancev, analiziranih v laboratoriju, smo izdelali ustrezne
modele. Oblike modelov nismo poenostavljali, obravnavali smo jih kot telesa. V kolikor bi
se posluževali prevelikih poenostavitev, bi se razlike med posameznimi izvedbami modelov
izgubile, naš namen izdelave pa je ravno to, da se pokažejo razlike med posameznimi
izvedbami. To velja predvsem za analizo zavetrovanja, kjer sta se analizirali dve izvedbi. Vsi
trije modeli, na katerih smo analizo izvedli, pa so prikazani na spodnjih slikah.
77
Slika 4.6: Primerjava realnega vzorca zavetrovanja z lastovičjim repom z modelom,
modeliranim v programu Solidworks.
Slika 4.7: Prikaz modela zavetrovanja s poševnim čepom, modeliranega v programu
Solidworks.
78
Slika 4.8: Model stika stebra in grede, ki je modeliran v programu Solidworks.
Pred izvedbo analize definiramo še materiale posameznim elementov modela, določimo
mesto in velikost obtežbe ter podporne točke, da je model stabilen. Ker smo analizo izvajali
s pomočjo MKE, je modele treba razdeliti še na končne elemente oz. jih zmrežiti. Uporabili
smo gostoto mreže, ki jo ponudi program sam, pri čemer smo jo zgostili na mestih, na
katerih je velikost samega sestavnega dela to zahtevala. Zmreženi modeli so prikazani na
spodnji sliki 4.9.
Slika 4.9: Prikaz mreženja vseh treh analiziranih modelov. Na levi zavetrovanje z lastovičjim
repom, na sredini zavetrovanje s poševnim čepom in na desni stik stebra in grede.
Po izvedbi analiz, ki so dale pričakovane in realne rezultate, smo opazili, da so deformirane
oblike posameznih modelov zelo podobne realnim pri eksperimentalni analizi. Deformirane
79
oblike posameznih modelov, dobljene pri numerični analizi, so prikazane na spodnji sliki
4.10.
Slika 4.10: Deformirane oblike modelov, analiziranih s programom Solidworks, v enakem
vrstnem redu (od leve proti desni) kot na sliki 4.9.
Treba je poudariti, da so prikazi deformiranih oblik vzorcev zelo karikirani, in sicer z
namenom lažjega prikaza končne, porušene oblike modela. Rezultate, ki smo jih dobili pri
numerični analizi, in njihovo primerjavo z eksperimentalno analizo bomo predstavili v
naslednjem podpoglavju.
4.3 Predstavitev in primerjava rezultatov numerične z eksperimentalno
analizo
Takoj na začetku tega podpoglavja je potrebno izpostaviti, da smo izvajali linearno
numerično analizo. To pomeni, da nas je zanimalo, kako blizu se lahko z linearno analizo
vzorcev približamo realnemu obnašanju le‐teh. Vzrokov za to odločitev je več. Izvedba
linearne analize je veliko preprostejša in enostavnejša od nelinearne analize. Drugi razlog
pa tiči v tem, da se konstrukcije redko konstruirajo tako, da se material izkoristi do te mere,
da se začne obnašati nelinearno. To pomeni, da se z dobro linearno analizo lahko
zadovoljivo približamo dejanskemu obnašanju konstrukcije.
Ker nam podajanje samostojnih rezultatov numerične analize, za primerjavo z
eksperimentalno, samo po sebi ne bi povedalo veliko, jih bomo podali v že znane grafe
rezultatov eksperimentalne analize. Rezultate bomo podajali na enak način kot v prejšnjem
poglavju.
80
Graf 4‐1: Primerjava vertikalnih pomikov obeh analiz za lastovičji rep.
Ob hitrem pogledu na graf in krivuljo numerične analize nam najprej pade v oči njen
linearen potek. To je seveda posledica tega, kot smo že omenili, da smo izvajali linearno
analizo. Velikost pomikov numerične analiza na začetku tudi vidno odstopa od
eksperimentalne analize. Vzrok za to je, da v numerični analizi nismo upoštevali lastne teže
vzorca. Razlog za to pa je, da smo vzorce v eksperimentalni analizi zavrteli za 90 stopinj, kot
bi se pojavljali v praksi oz. v realni konstrukciji, zato smo rezultate pri eksperimentalni
analizi dejansko začeli beležiti, ko je v vzorcu že bila določena napetost, kot posledica lastne
teže. Sicer pa se naklon krivulje numerične analize kar lepo ujema s krivuljama
eksperimentalne analize. Končna točka krivulje numerične analize seveda ne pomeni
porušitve vzorca, ampak prikazuje točko, ki nam jo je programska oprema, v našem primeru
Solidworks, pokazala, da so pomiki vzorca tako veliki, da je za realne rezultate treba
uporabiti nelinearno analizo. Da pa se kasneje ne bomo preveč ponavljaji, naj dodamo, da
zadnja trditev velja tudi za vse nadaljnje rezultate.
Zelo podobne ugotovitve, kot jih je dal graf vertikalnih pomikov, lahko razberemo tudi iz
grafov relativnih pomikov med ročico in glavnima elementoma.
81
Graf 4‐2: Primerjava relativnih pomikov ročice zgoraj obeh analiz za lastovičji rep.
Graf 4‐3: Primerjava relativnih pomikov ročice spodaj obeh analiz za lastovičji rep.
Kljub temu da smo pri eksperimentalni analizi vzorcev poševnega čepa lahko vzpostavili
zadovoljive začetne robne pogoje samo pri enem vzorcu, smo primerjavo med obema
analizama vseeno izvedli. Dobili smo rezultate, prikazane v spodnjih grafih.
82
Graf 4‐4: Primerjava vertikalnih pomikov obeh analiz za poševni čep.
Pogled na graf nam razkrije, da je območje med linearnim območjem numerične analize in
porušitvijo čepov na realnem vzorcu veliko manjše kot pri lastovičjem repu. Delež
odstopanja med velikostjo pomikov pri obeh analizah je spet potrebno pripisati
neupoštevanju lastne teže pri numerični analizi. Zato je naklon krivulje, v začetnem delu,
pomikov na dejanskem vzorcu tudi bolj položen. Ko pa so se vsi elementi vzorca med seboj
dobro nalegli, se je naklon krivulje numerične analize bolj približal naklonu krivulje,
pridobljene v laboratoriju.
83
Graf 4‐5: Primerjava relativnih pomikov ročice zgoraj obeh analiz za poševni čep.
Podobna opažanja kot iz grafa vertikalnih pomikov lahko razberemo tudi iz grafa
relativnega pomika ročice zgoraj. Tudi na tem meritvenem mestu se krivulje numerične
analize narašča nekoliko hitreje kot krivulja eksperimentalne analize. Nekoliko drugačna
situacija pa se je zgodila na meritvenem mestu relativnega pomika ročice spodaj. To stanje
prikazuje spodnji graf 4‐6.
Graf 4‐6: Primerjava relativnih pomikov ročice spodaj obeh analiz za poševni čep.
84
Medsebojni odnos obeh krivulj do sile približno 2,5 kN je zelo podoben kot v predhodnem
grafu 4‐5. Za tem pa pomiki pri eksperimentalni analizi začnejo hitreje naraščati in pri sili 3
kN se obe krivulji že sekata. Tudi za tem pomiki, izmerjeni pri eksperimentalni analizi še
vedno naraščajo v tem trendu. Kot smo že omenili pri analizi rezultatov eksperimentalne
analize, je to posledica naleganja sestavnih delov vzorca med seboj. Opozorimo naj tudi na
to, da je razmerje med obema osema v primerjavi z grafom vertikalnih pomikov tudi zelo
karikirano, zato daje vtis, da pomiki naraščajo hitreje, kot pa se to dejansko zgodi. Ob
primerjavi obeh krivulj numerične analize zadnjih dveh grafov pa je opaziti, da krivulja
pomikov na ročici spodaj narašča počasneje. Kar je zelo zanimivo, saj je pri lastovičjem repu
ta situacija obrnjena.
Podobno kot pri poševnem čepu smo pri eksperimentalni analizi, pri kateri ročico
obremenjujemo na tlak, pridobili samo rezultate enega vzorca. Tudi tu ne moremo z
zagotovostjo trditi o ustreznosti teh rezultatov, saj je bilo opravljenih premalo meritev, da
bi pridobili nek trend dejanskega obnašanja detajla, a smo kljub temu tudi tu naredili
primerjavo rezultatov obeh analiz. Prikaz sledi v spodnjih grafih.
Graf 4‐7: Primerjava vertikalnih pomikov obeh analiz za ročico obremenjeno na tlak.
Naklona obeh krivulj sta kar zadovoljivo podobna, kar nam pove, da je bila numerična
analiza izvedena z zadovoljivo mero natančnosti. Tudi razlika med točko, ko se pri
eksperimentalni analizi pojavijo prve večje deformacije (cca. 11 kN), in končno točko
85
linearnega območja numerične analize (cca. 9,5 kN) ni velika. Razlog tiči v razliki načina
vpetja med obema analizama. Z numerično analizo smo simulirali vpetje vzorca po celotni
višini posameznega elementa, medtem ko je bil vzorec v laboratoriju vpet na treh točkah,
na katerih je tudi prišlo do večjih koncentracij napetosti in posledično tudi do deformacij.
A kot smo omenili že pri predstavitvi rezultatov eksperimentalne analize, bi za realnejše
rezultate morali analizirati večji vzorec, pri katerem bi zmanjšali vpliv vpetja na velikost sile
porušitve.
Graf 4‐8: Primerjava relativnih pomikov ročice zgoraj obeh analiz za ročico obremenjeno na
tlak.
86
Graf 4‐9: Primerjava relativnih pomikov ročice spodaj obeh analiz za ročico obremenjeno
na tlak.
Zelo podobne zaključke kot graf vertikalnih pomikov dajeta tudi grafa relativnih pomikov
med ročico in glavnima elementoma. Pojavljajo se zelo primerljivi odnosi krivulj med
obema analizama, le da so seveda velikosti relativnih pomikov ročice mnogo manjši kot
vertikalni pomik vzorca.
Primerjavo rezultatov obeh analiz za stik stebra in grede bomo izvedli samo za silo
porušitve, saj smo na eksperimentalni analizi merili samo silo porušitve stika. Rezultati obeh
analiz so skupaj podani v grafu 4‐10.
87
Graf 4‐10: Primerjava rezultatov obeh analiz za stik stebra in grede.
Modro obarvani stolpci predstavljajo posamezne sile porušitve, pridobljene z
eksperimentalno analizo v laboratoriju. Rdeča vodoravna črta prikazuje povprečje
dobljenih sil eksperimentalne analize. Črna vodoravna črta pa ponazarja silo, ki smo jo
pridobili z numerično analizo. Ta črta ponazarja konec linearnega obnašanja modela. S
podrobnim pregledom zgornje preglednice lahko pridemo do naslednjih ugotovitev. Izdelal
se je dokaj dober model za numerično analizo, saj je odstopanje sile na meji plastičnosti pri
numerični analizi 13,6 % od povprečja eksperimentalne analize. To pomeni, da se je dobro
ocenila kvaliteta izbranega lesa za vzorce eksperimentalne analize. Opazimo lahko, da je
sila na koncu elastičnega obnašanja pri numerični analizi še vedno manjša, kot je najmanjša
sila porušenja eksperimentalne analize. Iz tega lahko razberemo, da bi bili, če bi se odločili
samo za numerično analizo, na varni strani.
Ker smo z numerično analizo, v primerjavi z eksperimentalno, pridobili dovolj dobre
rezultate, lahko sedaj iz nje črpamo tudi količine, ki jih ne moremo oz. jih nismo mogli
izmeriti med obremenjevanjem vzorcev v laboratoriju. Osredotočili se bomo na modele
zavetrovanja, na normalne napetosti na sredini ročice. Pri stiku grede in stebra pa za to
nalogo ne potrebujemo dodatnih količin.
88
S pomočjo senzorjev, ki smo jih definirali v modelu za numerično analizo v programu
Solidworks, smo pridobili podatke o velikosti normalnih napetosti na sredini ročice. Gre za
fiktivne senzorje, ki jih za natančne odčitke željenih količin na določenih mestih
pozicioniramo na izbrana mesta v modelu. Na spodnjih slikah lahko vidimo potek napetosti
po prerezu na sredini ročice za posamezni model. Podane napetosti ustrezajo obremenitvi
za vsako izvedbo zavetrovanja na meji plastičnosti.
Slika 4.11: Napetosti v ročici modela zavetrovanja z lastovičjim repom.
89
Slika 4.12: Napetosti v ročici modela zavetrovanja s poševnim čepom.
Slika 4.13: Napetosti v ročici modela, obremenjenega na tlak.
90
Predvsem v primeru lastovičjega repa je opaziti zanimiv potek normalnih napetosti, saj v
ročici nastopa natezna osna sila. Vemo, da so normalne napetosti seštevek vpliva osne sile
in obeh upogibnih momentov. V matematični obliki so normalne napetosti zapisane z
naslednjim izrazom. [2]
�� = ��� ±���� ∙ � ± ���� ∙
(4.1)
Pri čemer je:
σd normalna projektna napetost
Nd osna sila
Myd upogibni moment okoli y‐osi
Mzd upogibni moment okoli z‐osi
A površina prereza
Iy vztrajnostni moment okoli y‐osi
Iz vztrajnostni moment okoli z‐osi
Ker lahko brez prevelikega posploševanja oba izbrana načina pritrditve (lastovičji rep in
poševni čep) ročice v steber in gredo predpostavimo kot členkasta, lahko ročico
obravnavamo kot palični element. Iz tega sledi, da upogibna momenta ne vplivata na potek
normalnih napetosti v ročicah. Zato moramo vzrok za nekonstantne normalne napetosti po
prerezu ročice iskati v načinu priključitve ročice na glavna elementa. Če samo na hitro
preletimo oba detajla priključka, lahko opazimo, da v ročici deluje ekscentrična osna
natezna sila. Iz tega lahko sklepamo, da je potek normalnih napetosti po prerezu ročice
neposredno odvisen od detajla priključitve ročice na glavna elementa. Predvidevamo, da je
območje tlačnih normalnih napetosti pri lastovičjem repu posledica naleganja vogala, ki je
v tem območju na oba glavna elementa. To se zgodi ob velikih zasukih ročice, ki pa so
posledica velikih pomikov konstrukcije.
Diagram napetosti, ko v ročici nastopa tlačna osna sila, pa nam potrjuje, da se vsak vitek
element, kar naša ročica zagotovo je (dokazano v nadaljevanju), pod tlačno obremenitvijo
ukloni.
Vpliv detajla priključitve ročice na glavna elementa za potek normalnih napetosti, odvisnih
od osne sile, je praktično nemogoče ugotoviti. Zato smo velikost osne sile pridobili s
pomočjo programa Tower 7. V omenjenem programu smo modelirali naše analizirane
modele in jih obremenili z obtežbami, ki smo jih s programom Solidworks predhodno
pridobili kot obtežbe, pri katerih vzorci prestopijo mejo plastičnosti. Na sliki 4.14 lahko
vidimo obravnavan model.
91
Slika 4.14: Model vzorca zavetrovanja, modeliran v programu Tower 7.
Kot smo že omenili, smo priključitev ročice na gredo in steber simulirali kot členkasto. Prav
tako stik med gredjo in stebrom. Členkasti stiki so tudi med vzorcem in pomožno
konstrukcijo. Analizirali smo tri različne modele, pri katerih je bila edina spremenljivka
obtežba. Prvi model smo obremenili z silo 5,5 kN, kar ustreza sili, pri kateri model z
lastovičjim repom preide v plastično območje. Drugi model je bil obremenjen s silo 4,25 kN,
pri kateri model preide v plastično območje, v katerem je ročica pritrjena s pomočjo
poševnega čepa. Tretji vzorec pa je bil obremenjen s silo 9,25 kN. Pri tej sili pa je v plastično
območje zašel vzorec, ki smo ga obremenjevali tako, da je v ročici nastala tlačna osna sila.
V spodnjih slikah so prikazani rezultati statične analize. Ker nas zanima samo velikost osnih
sil v ročici, smo zaradi preglednosti iz prikaza izključili osne sile v preostalem delu modela.
92
Slika 4.15: Diagram osne sile v ročici za 1. model (lastovičji rep).
Slika 4.16: Diagram osne sile za 2. model (poševni čep).
93
Slika 4.17: Diagram osne sile za 3. model (lastovičji rep – tlak).
Za boljšo preglednost bomo dobljene rezultate podali tudi v preglednici 4.3.
Preglednica 4.3: Osne sile v ročici posameznih vzorcev, dobljene s pomočjo programa
Tower 7.
Zaporedje modela 1. 2. 3.
Osna sila (kN) 14.45 (nateg) 11.16 (nateg) –23.64 (tlak)
Dobljene osne sile v ročici ter že predhodno dobljeno silo meje plastičnosti za stik stebra in
grede bomo v naslednjem poglavju primerjali z rezultati na realnem modelu objekta.
Bomo pa takoj na tem mestu izpostavili dejstvo, da je nesmiselno primerjati osno silo,
dobljeno z numerično analizo, ko v ročici nastopa tlak, z osno silo, dobljeno na modelu
realnega objekta. Razlog za to je v tem, kot smo omenili že pri opisu eksperimentalne
analize, da je do porušitve vzorca prišlo na vpetju grede v pomožno konstrukcijo in se je
deformacija potem razširila do samega detajla priključitve ročice v gredo. Do takrat pa
omenjeni detajl priključitve ročice ni kazal vidnih deformacij. Iz tega lahko sklepamo, da je
lahko obremenitev, ki bi jo takšen vzorec ob ustreznem dimenzioniranju vpetja prenesel,
94
nekajkrat višja. Je pa dovolj tehten razlog za izvedbo analiz, ko v ročici nastopa tlačna osna
sila, tudi to, da smo še dodatno preverili ustreznost izdelanega modela v programu
Solidworks.
95
5 KONTROLA STIKOV NA REALNEM MODELU OBJEKTA
V tem poglavju bomo modelirali model realnega lesenega skeletnega objekta. Pridobljene
rezultate pa bomo uporabili za kontrolo ustreznosti izvedbe stikov, analiziranih v prejšnjem
poglavju.
5.1 Zasnova
Za analizo smo si izbrali leseno strojno lopo, tlorisnih dimenzij 15,05 x 10 m in višine 7,5 m.
Raster med stebri v vzdolžni smeri je 4,95 v prečni smeri pa 4,90 m. Višina zunanjih stebrov
je 4,30 m, na vrhu katerih je potem pritrjena kapna lega. Na višini 3,38 m pa so v stebre
priključeni povezniki, na katerih potem ležijo stropniki dimenzij 22 x 14 cm. Prečna
dimenzija vseh stebrov je 20 x 20 cm, dimenzija leg pa je 22 x 20 cm. Povezniki pa so
dimenzij 26 x 20 cm. Streha je simetrična dvokapnica z naklonom 30 stopinj. Špirovci so
dolgi 6,40 m, prečnih dimenzij 14 x 12 cm. Celoten objekt je izveden s pomočjo
tradicionalnih tesarskih zvez. To pomeni, da je vsaka priključitev poveznikov in leg v steber
izvedena na način čepa in utora. Zavetrovanje je izvedeno s pomočjo lesenih ročic, dimenzij
14 x 12 cm, dolžine 1,5 m. Priključitev ročic na steber oz. lego je izvedeno s pomočjo
lastovičjega repa. Material, ki je uporabljen za celotno nosilno konstrukcijo, je žagan
masiven les, ki spada v I. kategorijo kvalitete s kvalifikacijo C30.
Objekt se uporablja za shranjevanje kmetijskih strojev, zato je zaradi lažjega dostopa do le‐
teh iz vseh strani odprt. Prostor v nadstropju pa je namenjen shranjevanju senenih kock.
Bo pa v nadstropju na zunanjih fasadah v prečni smeri narejena tudi lesena stena za
preprečitev vdora vetra z dežjem v 2. nadstropje objekta. Za lažjo predstavo o izgledu
objekta glej sliki 5.1 in 5.2.
Ker jo zaradi določitve nekaterih obtežb nujno potrebujemo, navajamo še lokacijo samega
objekta. Nahaja se v občini Rečica ob Savinji, na nadmorski višini 400 m.
96
Slika 5.1: 3D skica obravnavanega objekta.
Slika 5.2: 3D skica konstrukcije obravnavanega objekta .
97
5.2 Analiza obtežb
Analizo obtežb smo izvedli po SIST EN 1991 [23]. Obtežbe, upoštevane pri analizi, so:
− stalna obtežba (lastna teža in teža kritine),
− spremenljive obtežbe (sneg, veter, koristna obtežba)
− posebni obtežni primer (potres).
5.2.1 Stalne obtežbe
Lastna teža
Izračuna lastne teže na tem mestu ne bomo prikazali, saj jo program Tower 7, s katerim
bomo opravili analizo objekta, zajame in izračuna sam, na podlagi podanih materialnih
karakteristik.
Teža strehe
Pod težo strehe bomo upoštevali samo težo betonskih strešnikov z letvami in sekundarno
kritino. Ostali elementi ostrešja so že upoštevani pod lastno težo konstrukcijski elementov.
BETONSKI STREŠNIKI Z LETVAMI IN SEKUNDARNO KRITINO ……….q1= 0,575kN/m2
5.2.2 Koristna obtežba
Koristna obtežba objekta se določi na podlagi namena uporabe objekta. Po SIST EN 1991‐
1‐1 2004 [24] smo streho objekta razvrstili v kategorijo H (dostop le za normalno
vzdrževanje in popravila). Objekt se bo v nadstropju uporabljal za skladiščenje suhih
senenih kock. V objektu bo skladiščeno maksimalno 650 kock s povprečno maso 21 kg. Na
podlagi podanih podatkov tako obtežba v nadstropju znaša 91,00 kg/m2, ki pa jo bomo za
vsak primer povečali na 100 kg/m2.
STREHA KAT. H (dostop le za normalno vzdrževanje in popravila)q = 0,4 kN/m2
OBTEŽBA SUHIH BAL
q=1,0 kN/m2
98
5.2.3 Obtežba snega
Vpliv obtežbe snega smo določili po SIST EN 1991‐1‐3:2004. [25]
Obtežba snega na strehi za trajna/začasna projektna stanja se določi z naslednjim izrazom.
� = μ� ∙ �� ∙ �� ∙ ��
(5.1)
Pri čemer je:
µi oblikovni koeficient obtežbe snega
Sk karakteristična obtežba snega na tleh
Ce koeficient izpostavljenosti
Ct toplotni koeficient
Oblikovni koeficient µi za dvokapnico a1 = a2 = 30o
µi = 0,8 (nagib strehe 0° ≤ � ≤ 30°)
Koeficient izpostavljenosti
Ce = 1,0 (običajna izpostavljenost)
Toplotni koeficient
Ct = 1,0 (običajna prevodnost)
Karakteristična obtežba snega na tleh
Objekt je po SIST 1991‐1‐3:2008 – Nacionalni dodatek umeščen v cono A2. Leži pa na
nadmorski višini A = 400 m.
�� = 1,293 ∙ �1 + �728#$%&&
(5.2)
�� = &&&&&1,293 �1 + 400728#$% &&&= &&&1,68&)�/+$
99
Obtežni primer (i)
Slika 5.3: Slika obtežbe snega. Obtežni primer (i).
� = 0,8 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1,68 � = 0,8 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1,68
S = 1,34kN/m2 S = 1,34kN/m2
Obtežni primer (ii)
Slika 5.4: Slika obtežbe snega. Obtežni primer (ii).
� = 0,5 ∙ 0,8 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1,68 � = 0,8 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1,68
S = 0,67 kN/m2 S = 1,34kN/m2
Obtežni primer (iii)
Slika 5.5: Slika obtežbe snega. Obtežni primer (iii).
&� = 0,8 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1,68 &� = 0,5 ∙ 0,8 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1,68
S = 1,34kN/m2 S = 0,67 kN/m2
100
5.2.4 Obtežba vetra
Objekt je lociran v kraju Rečica ob Savinji, na nadmorski višini 400 m, zato po SIST EN 1991‐
1‐4:2005, [26] in njegovem nacionalnem dodatku dobimo izhodiščne podatke za izračun
vetrne obtežbe za objekt.
Vetrna cona 1 vb,0 = 20m/s
Nadmorska višina je pod 800 m
Kategorija terena III.
Hrapavostna dolžina z0 = 0,3
Smerni faktor Cdir = 1,0
Faktor letnega časa Cseason=1,0
Gostota zraka ρ = 1,25kg/m3
Tlak vetra na ploskve se izračuna z naslednjim izrazom.
-� = ./0��1 ∙ �/�
(5.3)
Pri čemer je:
qp(ze) največji tlak pri sunkih vetra
ze referenčna višina
Cpe koeficient zunanjega tlaka
Sledi izračun posameznih potrebnih količin:
23 = ���4 ∙ �5�6578 ∙ 23,9
(5.4)
23 = 1,0 ∙ 1,0 ∙ 20 = 20+/:
Pri čemer je:
Cdir smerni faktor
Cseason faktor letnega časa
Vb,0 temeljna vrednost osnovne hitrosti vetra v coni 1
(5.5)
101
.3 = 12 ∙ ; ∙ 23$
.3 = 12 ∙ 1,25 ∙ 20$ = 250�/+$
Pri čemer je:
qb osnovni tlak vetra
ρ gostota zraka
vb osnovna hitrost vetra
<0�1 = )=�90�1 ∙ >? @ ��9A
(5.6)
<0�1 = 1,01,0 ∙ >? @7,50,3A = 0,31
Pri čemer je:
Iv(z) vpliv turbolence vetra
kl turbolenčni faktor
C0 faktor hribovitosti terena
z višina objekta
z0 višina neravnine (hrapavost)
)4 = 0,19 ∙ B �9�9,CCCD9,9E
(5.7)
)4 = 0,19 ∙ 0,30,3#9,9E = 0,19
Pri čemer je:
102
kr faktor terena
z0,III višna neravnine za III. kategorijo terena
�4 = )4 ∙ >? ��9#
(5.8)
�4 = 0,19 ∙ >? 7,50,3# = 0,61
Pri čemer je:
Cr faktor hrapavosti terena
��0�1 = F1 + 7 ∙ <0�1G ∙ �4$ ∙ �9$
(5.9)
��0�1 = F1 + 7 ∙ 0,31G ∙ 0,603$ ∙ 1$ = 1,16
Pri čemer je:
Ce (z) faktor izpostavljenosti
C0 faktor hribovitosti terena
./0��1 = ��0��1 ∙ .3
(5.10)
./0��1 = 1,16 ∙ 250 = 288,16&�/+$
103
Smer vetra prečno na sleme
Slika 5.6: Prikaz razdelitve vetrnih con pri vetru prečno na sleme.
e = min L M = 21,00+2&ℎ = 15,00+
e = 15,00 m
104
�/� = �/�,O − Q�/�,O − �/�,O9R>STO9�
(5.11)
Pri čemer so:
Cpe, Cpe,1, Cpe,10 koeficienti zunanjega tlaka na strehi
Tlak vetra na streho
A Cpe we=qp(ze)*Cpe
F 5,62m2 –0,75 0,3 ∙ 0−0,751 = −0,225 �UVW +0,7 0,3 ∙ 0+0,701 = +0,210 �UVW G 11,25m2 –0,44 0,3 ∙ 0−0,441 = −0,134 �UVW +0,7 0,3 ∙ 0+0,701 = +0,210 �UVW H 84,00m2 –0,2 0,3 ∙ 0−0,201 = −0,060 �UVW +0,4 0,3 ∙ 0+0,401 = +0,120 �UVW I 84,00m2 –0,4 0,3 ∙ 0−0,401 = −0,120 �UVW 0,0 0,00 �UVW J 31,50m2 –0,5 0,3 ∙ 0−0,501 = −0,150 �UVW 0,0 0,00 �UVW
Tlak vetra na steno
A Cpe we = qp(ze)*Cpe
A 5,88 m2 –1,2 0,3 ∙ 0−1,21 = −0,36 �UVW
B 12,87 m2 –0,8 0,3 ∙ 0−0,81 = −0,24 �UVW
105
Smer vetra vzdolžno na sleme
Slika 5.7: Razdelitev vetrnih con pri smeri vetra vzdolžno na sleme.
X = +Y? Z M = 11&+2&ℎ = 15&+
e = 11mm
Tlak vetra na streho
A Cpe we=qp(ze)*Cpe
F 3,03m2 –1,31 0,3 ∙ 0−1,311 = −0,393 �UVW G 3,03m2 –1,71 0,3 ∙ 0−1,711 = −0,513 �UVW H 24,20m2 –0,65 0,3 ∙ 0−0,651 = −0,194 �UVW I 85,25m2 –0,5 0,3 ∙ 0−0,501 = −0,150 �UVW
Tlak vetra na steno
A Cpe we=qp(ze)*Cpe
D 18,75 m2 +0,8 0,3 ∙ 0+0,81 = 0,24 �UVW
E 18,75 m2 –0,7 0,3 ∙ 0−0,71 = −0,21 �UVW
106
5.2.5 Potres
Za določitev potresne obtežbe smo upoštevali SIST EN 1998‐1: 2005 [27]. Za tip tal smo
izbrali kategorijo C. Objekt pa smo uvrstili v II. kategorijo pomena.
[3 = ��0\�1 ∙ + ∙ ]
(5.12)
Pri čemer je:
Fb nadomestna računska horizontalna potresna sila
Sd(Ti) ordinata v projektnem spektru pri nihajnem času T
m celotna masa stavbe
λ korekcijski faktor (λ=1,00)
Elastični spekter odziva za vodoravno komponento potresnega vpliva pa SIST 1998 ‐1: 2005
opredeljuje z naslednjimi enačbami. [27]
0 ≤ \ ≤ \̂ : ��0\1 = �` ∙ � a1 + \\̂ ∙ 0b ∙ 2,5 − 11c
(5.13)
\̂ ≤ \ ≤ \d: ��0\1 = �` ∙ � ∙ b ∙ 2,5
(5.14)
\d ≤ \ ≤ \e: ��0\1 = �` ∙ � ∙ b ∙ 2,5 a\d\ c
(5.15)
\e ≤ \ ≤ 4:: ��0\1 = �` ∙ � ∙ b ∙ 2,5 a\d\e\$ c
(5.16)
Pri čemer je:
Se(T) elastični spekter odziva
T nihajni čas
ag projektni pospešek tal
107
TB spodnja meja nihajnega časa na območju spektra, kjer ima spektralni
pospešek konstantno vrednost
TC zgornja meja nihajnega časa na območju spektra, kjer ima spektralni
pospešek konstantno vrednost
TD vrednost nihajnega časa, pri kateri se začne območje konstantne
vrednosti spektra
S faktor tal
η faktor za korekcijo vpliva dušenja
Parametre, ki opisujejo elastični spekter odziva, podaja SIST EN 1998‐1: 2005 [27] in za naš
tip tal znašajo.
S = 1,15
TB = 0,2s
Tc = 0,6s
TD = 2,0s
Za analizo projektne potresne obtežbe bomo najprej določili maso konstrukcije. Za izračun
mase konstrukcije upoštevamo naslednjo enačbo. [27]
Ʃg�,h + Ʃij,� ∙ k�,�
(5.17)
Pri čemer je:
Gk,j stalna obremenitev
Ψe,i koeficient za kombinacijo za spremenljivi vpliv
Qk,i spremenljiva obremenitev
ij,� = l ∙ i$,�
(5.18)
Priporočena vrednosti za ϕ so:
vrhnja etaža (streha) –ϕ = 1,0
etaže zasedene neodvisno –ϕ = 0,5
108
Vrednosti ψ2,i za naš objekt pa znašajo:
Ψ2,i = 0,3
Ψ2,i = 0,0 (streha kategorije H)
Ψ2,i = 0,0 (obtežba snega)
Skupno maso objekta smo na podlagi zgornjih enačb in podanih spremenljivk določili s
pomočjo programa Tower 7.
–m = 25,34 T (ton)
Prav tako smo s pomočjo programa Tower 7 izračunali nihajne čase konstrukcije, ki smo jih
prikazali v preglednici 5.1.
Preglednica 5.1: Prikaz nihajnih časov konstrukcije, pridobljenih s programom Tower 7.
Na podlagi podatka, da se objekt nahaja v kraju Rečica ob Savinji, lahko s karte za potresno
nevarnost Slovenije, izdane s strani Uprave RS za geofiziko, pridobimo podatek, ki velja za
omenjeni kraj.
–ag =0,15 g
Dodajmo še druge potrebne podatke:
tip tal C
faktor obnašanja q= 2,5
Sposobnost konstrukcijskih sistemov, da prenašajo potresne vplive v nelienearnem
območju nam dovoljuje, da se za projektiranje objektov uporabijo sile, ki so manjše od tistih
109
v linearno‐elastičnem odzivu. Zato lahko z upoštevanjem faktorja obnašanja q izvedemo
elastično analizo z zmanjšanim spektrom odziva. [27]
Izraze za določitev zmanjšanega vpliva projektnega spektra določa SIST EN 1998‐1:2005.
[27]
0 ≤ \ ≤ \̂ : ��0\1 = �` ∙ � a23 + \\̂ ∙ 2,5. − 23#c
(5.19)
\̂ ≤ \ ≤ \d: ��0\1 = �` ∙ � ∙ 2,5.
(5.20)
\d ≤ \ ≤ \e: ��0\1 = �` ∙ � ∙ 2,5. a\d\ c ≥ n ∙ �`
(5.21)
\e ≤ \: ��0\1 = �` ∙ � ∙ 2,5. a\d\e\$ c ≥ n ∙ �`
(5.22)
Pri čemer je:
Sd(T) projektni spekter odziva
q faktor obnašanja
β faktor ki določa spodnjo mejo pri vodoravnem projektnem spektru
priporočena vrednost β= 0,2
Po SIST EN 1990:2004 [23] potresno obtežbo upoštevamo v kombinaciji vplivov za potresna
projektna stanja.
og�hhpO"+"r&&"+"&�j� &"+"&oi$��pO
∙ k��
(5.23)
Pri čemer je:
AEd projektna vrednost vpliva potresa
110
P reprezentativna vrednost vpliva prednapetja
Dodatno smo vodoravni komponenti potresnega vpliva kombinirali še po enačbah.
sj�t"+"0,3 ∙ sj��
(5.24)
in 0,3 ∙ sj�t"+"sj��
Pri čemer sta:
EEdx projektna vrednost vpliva potresa v smeri x
EEdy projektna vrednost vpliva potresa v smeri y
Potresno obtežbo smo z modalno analizo določili v programu Tower 7, pri čemer smo
upoštevali vse navedene podatke iz zgornje analize potresne obtežbe.
5.3 Statična analiza
Za izvedbo statične analize smo izdelali prostorski model izbranega objekta, na osnovi
skice, prikazane v sliki 5.2. Analizo smo izvedli s pomočjo programa Tower 7. Izdelan model
je prikazan na sliki 5.3. Model pa smo obtežili na podlagi zgornje analize obtežb.
111
Slika 5.8: Prostorski model analiziranega objekta izdelan v programu Tower 7.
Z izvedbo analize smo pridobili podatke, ki so potrebni za primerjavo s podatki,
pridobljenimi z numerično analizo za izbrane vrste stikov in zavetrovanj.
Kljub temu da smo s programom Tower 7 konstrukcijo kontrolirali na mejno stanje
nosilnosti (MSN) in mejno stanje uporabnosti (MSU) in da je kontrola pokazala, da je
prostorski model ustrezno dimenzioniran, postopka kontrole na tem mestu ne bomo
prikazali, ampak bomo prikazali rezultate analize, ki nam omogočajo že omenjeno
primerjavo z numerično analizo.
Za izvedbo primerjave potrebujemo vpliv osnih sil v poveznikih, predvsem na mestu
priključitve v steber in vpliv osnih sil v ročicah, ki zagotavljajo horizontalno stabilnost
objekta. Rezultati so podani na spodnjih slikah.
112
Slika 5.9: Velikost vpliva osnih sil v ročicah.
Za nas sta najbolj zanimivi obe skrajni vrednosti, najbolj tlačno obremenjena ročica in
najbolj natezno obremenjena ročica. Iz zgornjega grafa osnih sil smo dobili obe željeni
količini.
Max. tlačna osna sila NR = ‐ 114,08 kN
Max. natezna osna sila NR = 15,08 kN
Ker so povezniki odcepljeni od stebra in lahko ta stik izvedemo tudi s pomočjo čepa in utora,
kakršnega smo analizirali v poglavju 4, je naslednji podatek, ki ga potrebujemo za
primerjavo, velikost osnih sli v poveznikih. Zanima nas predvsem velikost sil takoj na
začetku vsakega poveznika, se pravi na stiku poveznika in stebra. Diagrami osnih sil
poveznikov so podani na sliki 5.5.
113
Slika 5.10: Diagrami osnih sil poveznikov. Zgoraj diagrami in pozicija poveznikov v
prostorskem modelu. Spodaj za lažjo analizo samo diagrami osnih sil v poveznikih.
Iz diagramov osnih sil poveznikov, ki so prikazani na sliki 5.5 lahko razberemo, da so osne
sile poveznikov na točki priključitve v stebre povsod tlačne.
Max. tlačna sila Np = ‐3,36 kN
Takoj lahko ugotovimo, da je to za samo stabilnost stikov in celoten objekt zelo ugodno.
Razlog za to je v mehanskih lastnostih lesa, ki nas napeljujejo k temu, da se leseni objekti
projektirajo v smeri, da se v stikih posameznih elementov vzpostavijo tlačne sile. Kar je
114
potrebno narediti pri detajliranju tega stika je, da se pravilno dimenzionirata steber in
poveznik, da preneseta ostale upogibne, tlačne in pa strižne napetosti.
5.4 Preverjanje ustreznosti stikov
Najprej bomo skladnost s SIST EN 1995‐1‐1: 2005 [28] preverili stik poveznika in stebra.
Najprej bomo preverili ustreznost razporeditve paličastih kovinskih moznikov (trni) na
povezniku. Predpostavili bomo, da se stik izvede na enak način, kot smo izvedli ga za
eksperimentalno analizo. Ohranja enake lastnosti, le čepu bomo višino povečali z 18 cm na
26 cm, ker čep navadno poteka po celotni višini elementa. Ohranili bomo enake razdalje za
a4, razdalja a2 pa se sorazmerno poveča z večanjem višine elementa. Ohranili bomo tudi
enako dolžino čepa, kot je bil na vzorcu za eksperimentalno analizo. Mozniki so premera 20
mm.
Minimalne dovoljene razmike med veznimi sredstvi tabelarično podaja SIST EN 1995‐1‐
1:2005 [28] in so za paličaste kovinske moznike podane v preglednici 5.2.
Preglednica 5.2: Najmanjši razmiki med paličastimi mozniki in oddaljenost od roba lesa [28].
115
S sliko 5.6 pa so pojasnjene označbe posameznih razmikov iz preglednice 5.2
Slika 5.11: Razmiki moznikov in njihove razdalje do konca roba.
S pomočjo preglednice 5.2 lahko izračuna minimalne razmike in razdalje od roba, ki jih mora
za ustreznost stika izpolnjevati naš izbrani stik.
a2 = 60 mm
a3t = 140 mm
a3c= 60 mm
a4t = 60 mm
a4c = 60 mm
Dobljen razmike je treba primerjati z razmiki na našem obravnavanem čepu. Prikazani so
na sliki 5.7.
116
Slika 5.12: Prikaz razmikov in odmikov od robov moznikov pri izvedbi stika na izbranem
realnem objektu.
S primerjavo med minimalnimi zahtevami in razmiki na sliki 5.7 ugotovimo, da pogojem
ustreza le razmik a2. Vsi ostali pogoji pa so neizpolnjeni. Ugotovimo tudi, da če povečamo
odmika a4c in a4t do minimuma, ki ga zahteva standard, razmik a2 še vedno izpolnjuje pogoj.
Pogojev pa ne izpolnjujeta odmika a3t in a3c. Vidimo, da odmika a3t ni mogoče povečati do
minimalne zahteve, saj je ta bistveno večja od dolžine čepa. Odmik a3c pa bi načeloma lahko
povečali do minimalne zahteve, a lahko že na podlagi ogleda slike in dolžine čepa na pamet
ugotovimo, da odmik a4 v elementu, v katerega je obravnavan čep priključen, ne bi
zadovoljeval minimalnim pogojem.
Ugotovimo lahko torej, da tudi če bi obravnavani stik izpolnjeval vse ostale pogoje glede
napetosti v elementih in veznem sredstvu, ni skladen s standardom SIST EN 1995‐1:2005.
V nadaljevanju se bomo osredotočili na detajle zavetrovanja. Najprej se bomo osredotočili
na ročice, ko v njih nastopa natezna osna sila. V preglednici 5.3 smo zaradi boljše
preglednosti skupaj podali osne natezne sile, ki smo jih dobili z numerično analizo in osne
sile na modelu realnega objekta.
Preglednica 5.3. Primerjava dobljenih osnih sil v ročicah med numerično analizo in analizo
realnega objekta.
Vrsta zavetrovanja Lastovičji rep Poševni čep
Osna sila (numerična anlaliza) kN 14,45 11,16
Osna sila (realni model objekta) kN 15,08 15,08
117
Če samo na hitro preletimo razpredelnico, lahko ugotovimo, da nobena izvedba analiziranih
zavetrovanj ne ustreza izvedbi na realnem objektu, projektiranemu po SIST EN 1998‐
1:2005, ko v ročici nastopa natezna sila.
Detajl lastovičjega repa lahko prevzame le dobrih 95 % nastale obremenitve, medtem ko
detajl, izveden s poševnim čepom, lahko prevzame le dobrih 74 %.
Že v poglavju 4.3. smo omenili, da ne moremo ustreznosti detajla lastovičjega repa, ko v
ročici nastopajo tlačne sile, primerjati z dobljeno osno silo pri numerični analizi. Zato bomo
detajl zavetrovajna, ko v ročici nastopa tlačna osna obremenitev vzporedno z vlakni,
preverili ročno po SIST EN 1995‐1:2005. [28]
Ročica obremenjena na tlak mora izpolnjevati pogoj podan s sledečim izrazom.
�u,9,� ≤ vu,9,�
(5.25)
Pri čemer je:
σc,0,d projektna tlačna napetost (smer vlaken)
fc,0,d projektna tlačna trdnost (smer vlaken)
Ker je detajl lastovičjega repa oblikovan tako, da tlačno silo prevzema celotna površina
prereza, bomo za efektivni prerez upoštevali celotno površino prereza ročice, ki znaša 12 x
14 cm. Po enačbi (4.1) izračunamo normalne napetosti.
�u,9,� = �w� = 114,08168 = 0,67 )�x+$
vu,9,� = )V7� ∙ vu,9,�yz
(5.26)
vu,9,� = 0,9 ∙ 2,31,3 = 1,59 )�x+$
Pri čemer je:
fc,0,k karakteristična tlačna trdnost (smer vlaken)
118
�u,9,� = 0,67 )�x+$ < vu,9� = 1,59 )�x+$
Ročica izpolnjuje pogoj.
Dodatno pa je treba preveriti še napetosti, ki nastanejo zaradi uklona, v kolikor so elementi
vitki.
Po standardu SIST EN 1995‐1‐1 za vitke elemente veljajo tisti, pri katerih so izpolnjeni
naslednji pogoji.
Če je relativna vitkost, okoli katerekoli osi (λrel,y; λrel,z) prereza elementa večja od 0,3, ga
moramo obravnavati kot vitkega.
Slika 5.13: Prečni prerez ročice.
]4�=,� = ]�| }vu,9,�s9,9~
(5.27)
119
]4�=,� = 37,28| } 1,88 ∙ 10$ = 0,56
Pri čemer je: λy vitkost glede na upogib okorog osi y
E0,05 5‐odstotna kvantila vrednosti modula elastičnosti (vzporedno z
vlakni)
]� = ����Y�
(5.28)
]� = 1504,04 = 37,28
Pri čemer je:
Leff efektivna dolžina elementa (za naš primer znaša 150 cm)
iy vztrajnostni polmer
Y� = }��
(5.29)
Y� = }12 ∙ 14�12168 = 4,04&x+
Pri čemer je:
Iy vztrajnostni moment okoli osi y
A površina prereza
Postopek ponovimo še za λrel,z in dobimo naslednji rezultat.
‐λrel,z = 0,65
120
Relativni vitkosti okoli obeh osi znašata več kot 0,3, a je relativna vitkost okoli z‐osi večja,
zato bomo po SIST EN 1995‐1‐1 preverili ustreznost elementa, ki upošteva upogib okoli z‐
osi.
�u,9,�)u,�, ∙ vu,9,� + )V7� �V,�,�vV,�,� + �V,�,�vV,�,� ≤ 1
(5.30)
)u,� = 1)� + �)�$ − ]4�=,�$
(5.31)
)u,� = 10,746 + �0,746$ − 0,65$ = 0,898
)� = 0,5 ∙ Q1 + nu ∙ Q]4�=,� − 0,3R + ]4�=,�$ R
(5.32)
)� = 0,5 ∙ 01 + 0,2 ∙ 00,65 − 0,31 + 0,65$1 = 0,746
Pri čemer je:
βc = 0,2 masiven les
Dobljene količine vstavimo v (5.30) in preverimo, če je pogoj izpolnjen.
σm,y,d = 0
σm,z,d = 0
0,670,898 ∙ 1,23 + 0 + 0 = 0,606 < 1
Prerez ročice izpolnjuje pogoje.
Zgornja kontrola ustreza tako za priključitev ročice z lastovičjim repom kot tudi za
priključitev s poševnim čepom, saj sta obe izvedbi oblikovani tako, da tlačno obremenitev
prevzame celoten prerez ročice.
121
Moramo pa, kljub temu da je kontrola po mejnem stanju nosilnosti (MSN) izvedena s
programom Tower 7 pokazala, da konstrukcija izpolnjuje pogoje, po MSN preveriti še
poveznik v točki priključitve ročice nanj na strig. V prostorskem statičnem modelu namreč
ni upoštevano, da smo zaradi izvedbe priključka prerez poveznika nekoliko oslabili.
Preverili bomo samo varianto priključitve z lastovičjim repom.
Pri priključitvi ročice na povezni z lastovičjim repom se iz ene strani izdela luknja v globini 5
cm, v katero se potem vstavi lastovičji rep, izveden na ročici. Kljub temu da luknja ne poteka
po celotni višini izbranega elementa, bomo mi upoštevali, kot da s tem oslabimo prerez po
celotni višini. Ob upoštevanju predpostavke smo tudi na varni strani.
Element, izpostavljen strižnim napetostim, mora ustrezati naslednjemu pogoju.
�� ≤ v<,�
(5.33)
Pri čemer je:
τd projektna strižna napetost
fv,d projektna strižna trdnost
Analizirali bomo prerez tik nad priključkom ročice v poveznik. Kljub predvidevanju, da se na
tem mestu pojavi le upogibni strig, smo vseeno ob predpostavki SIST EN 1995‐1‐1; 2005,
da raznos obtežbe poteka pod naklonom 1:3, s spodnjim izrazom izračunali tudi širino vpliva
obtežbe ostalih priključenih elementov v poveznik v nevtralni osi. [2]
x = X + 13 ∙ ℎ
(5.34)
Pri čemer je:
c širina obtežbe v nevtralni osi
e širina dejanske obtežbe
h višina nosilca
Ob tem mora veljati, da je h največkrat 2,5‐krat večji od širine nosilca b. [2]
Naša predvidevanja so se izkazala za pravilna, saj v nevtralni osi nosilca nad točko priključka
ročice v poveznik samostojno vpliva le obtežba ročice. Zato se v tej točki pojavi le upogibni
strig.
Ker je naš poveznik pravokotnega prereza, mora izpolnjevati naslednji pogoj.
122
�� = 32 ∙ ���875
(5.35)
Pri čemer je:
Vd prečna sila (odčitana v diagramu na sliki 5.9)
Anos površina prečnega prereza nosilca v izbranem prerezu
v<,� = )V7� ∙ v<,�yz = 0,9 ∙ 0,31,3 = 0,207 )�x+$
�� = 32 ∙ 60,8326 ∙ 15 = 0,233 )�x+$ > 0,207 )�x+$
Kot lahko vidimo iz rezultatov zgornje kontrole, oslabljen prerez ne zadošča pogojem MSN
za projektno strižno trdnost.
Eden od ukrepov, s katerim bi zadostili pogoje, je povečanje prečnega prereza poveznika
do te mere, da bo tudi oslabljen prerez izpolnjeval potrebne pogoje obremenitve na strig.
Z enakim postopkom lahko izvedemo tudi preverjanje MSN pri stebrih.
Ob koncu lahko dodamo, da izvedba zavetrovanja z lastovičjim repom, v kolikor v ročici
nastopa tlačna sila in je element, v katerega je ročica priključena tudi ustrezno
dimenzioniran na strig, ustreza SIST EN 1995‐1; 2005.
Sicer pa detajl zavetrovanja z lastovičjim repom, kot tudi poševnim čepom, ne ustreza
omenjenemu standardu. Treba bi bilo stika ročice in obeh glavnih elementov ojačati s
primernim načinom, da bi izpolnjevala pogoj po MSN tudi za natezno osno silo.
123
Slika 5.14: Diagram prečnih sli v okvirju, kjer nad točko priključitve ročice v poveznik pride
do največje prečne sile.
124
6 ZAKLJUČEK
Kot smo že v uvodu te naloge povedali, se še vedno velik delež lesenih skeletnih objektov
gradi s pomočjo tradicionalnih tesarskih zvez. Izhajajoč iz praktičnih izkušenj kandidata, gre
predvsem za kmetijske objekte različnih velikosti, namenjenih predvsem za shranjevanje
kmetijskih strojev in izdelkov. Vedno bolj popularna je tudi izdelava novih kozolcev. Tu in
tam pa se na željo posameznikov s tradicionalnimi tesarskimi zvezami zgradi tudi kakšna
enostanovanjska hiša.
Razlogi za odločitev za tovrstno gradnjo so zelo različni in jih v tej nalogi tudi nismo
podrobneje preučevali. Naša osredotočenost se je bolj nanašala na ustreznost teh zvez z
sodobnimi standardi za gradnjo lesenih objektov. Konkretno z SIST EN 1995‐1.2005. [28]
Ker je praktično nemogoče, da bi analizirali vse izvedbe stikov iz vseh skupin stikovanj, smo
podrobneje analizirali le nekaj izbranih. Izdelali so se vzorci teh detajlov, ki smo jih v
laboratoriju tudi eksperimentalno analizirali. Dobljene rezultate smo primerjali z rezultati
numerične analize, ki smo jo opravili s programom Solidworks. Ugotovili smo, da se z
numerično analizo da dovolj dobro približati realnemu obnašanju vzorcev. Zato smo lahko
s pomočjo numeričnih modelov pridobili tudi količine, ki jih v sklopu eksperimentalne
analize nismo mogli pridobiti. Na osnovi dokaj dobre numerične analize izbranih vzorcev
bi se dalo dobro numerično analizirati tudi druge skupine stikov, a smo ocenili, da zaradi
prevelikega obsega posameznih stikov v vsaki od skupin za izdelavo te naloge tega ni
smiselno izvajati.
Pridobljene podatke obeh analiz smo izkoristili za preverjanje analiziranih detajlov z že
zgoraj omenjenim standardom. Za ta namen smo s programom Tower 7 izdelali prostorski
model kmetijske strojne lope in ga analizirali v skladu z SIST EN standardi. Objekt kot celoto
smo na MSN in MSU preverili s programom Tower 7. Preverjanje ustreznosti stikov pa smo
tudi nekoliko podrobneje opisali. Ustreznost stikov smo preverjali na podlagi diagramov
NSK, pridobljenih z omenjeno analizo prostorskega modela.
Preverjanje detajlov na ustreznost z veljavnim standardom je sicer pokazalo, da bi nekateri
stiki v določenih situacijah v obnašanju objekta bilo ustreznih s standardom SIST EN 1995‐
1:2005, a seveda morajo izpolnjevati vse pogoje, ki jih standardi zahtevajo. Zato smo prišli
do ugotovitve, da izbrani stiki ne ustrezajo gradnji po omenjenem standardu. Kot pa je bilo
že na več mestih te naloge omenjeno, bi lahko te stike ob smiselni kombinaciji z drugimi
veznimi sredstvi izboljšali do te mere, da bi ustrezali veljavnemu standardu.
125
Ne moremo pa posploševati, da vsi stiki, grajeni s tesarskimi zvezami ne ustrezajo
standardu. Za tako ugotovitev bi bilo treba analizirati vsako izvedbo stika posebej. V realnih
objektih je namreč veliko situacij, ko morajo stiki med elementi prenesti le medsebojne
tlačne napetosti. Ustreznost teh stikov pa je v veliki meri odvisna le od prečnih dimenzij
posameznih elementov. Zato lahko v zaključku te naloge ugotovimo, da lahko s smiselno
izvedeno kombinacijo tradicionalnih tesarskih zvez in sodobnih veznih sredstev gradimo v
skladu z veljavnimi standardi SIST EN.
126
VIRI IN LITERATURA
[1] H. H. Göres, Vaša domača delavnica‐tesarstvo za vsakogar, Ljubljana: Tehniška
založba Ljubljana, 1976.
[2] M. Premrov in P. Dobrila, Lesene konstrukcije, Maribor: Fakulteta za gradbeništvo,
Univerza v Mariboru, 2008.
[3] [Elektronski]. Available: http://www.ljubljanskobarje.si/unesco‐na‐ljubljanskem‐
barju/kolisca‐kot‐del‐svetovne‐dediscine. [Poskus dostopa 25 januar 2018].
[4] O. primož, „Zgodovina lesarske znanosti ‐ 1.del: Antika,“ les, Izv. 50, pp. 213‐215,
1998.
[5] K. Domen, „Lesena gradnja in požari srednjeveških mest,“ Les, Izv. 6, pp. 196‐201,
2001.
[6] M. Zbašnik‐Senegačnik in J. Kresal, „Les konstrukcijsko gradivo v sodobni arhitekturi,“
Les, Izvod 7‐8, pp. 209‐212, 1998.
[7] J. Srpčič, „Leseni mostovi ‐ včeraj danes in jutri,“ Les, Izv. 4, pp. 95‐100, 2004.
[8] J. Hrovatin in M. Kitek Kuzman, „Členitev sistemov lesene montažne grasdnje glede
na postopek gradnje,“ Les, Izv. 12, pp. 360‐365, 2005.
[9] J. Lopatič, „Konstrukcijski sistemi naprednih lesenih konstrukcij,“ v Gradnja z lesom -
izziv in priložnost za slovenijo, Ljubljana, Biotehniška fakulteta, Odelek za lesarstvo,
2008, pp. 132‐137.
[10] B. Boršič, „Skeletni sistemi gradnje,“ Les, Izv. 3, pp. 58‐62, 2004.
[11] M. Kitek Kuzman in J. Kušar, „Gradnja iz masivnega lesa,“ AR : arhitektura raziskave,
Izv. 1, pp. 74‐77, 2004.
[12] J. Hrovatin in M. Kitek Kuzman, „Smernice razvoja lesene montažne gradnje,“ Les, Izv.
11, pp. 322‐330, 2005.
[13] D. Kušar, „Kladna gradnja ‐ slovenska tradicija,“ v Gradnja z lesom izziv in priložnosta
za slovenijo, Ljubljana, Biotehniška Fakulteta Odelek za lesarstvo, 2008, pp. 238‐241.
[14] J. Hrovatin, „Izvedbe sten pri leseni montažni gradnji,“ v Gradnja z lesom izziv in
priložnost za Slovenijo, Ljubljana, Biotehniška fakulteta Odelek za lesarstvo, 2008, pp.
242‐245.
[15] R. Žarnič in B. Dujič, „Vezna sredstva,“ v Gradnja z lesom izziv in priložnost za Slovenijo,
Ljubljana, Biotehniška fakulteta Odelek za lesarstvo, 2008, pp. 182‐187.
127
[16] Gradbeni elementi -skripta za visoke in nizke gradnje: III lesne zveze v tesarstvu,
Ljubljana: Državna založba Slovenije, 1950.
[17] [Elektronski]. Available: http://thecarpentryway.blogspot.si/2009/03/luddite‐
dreams.html. [Poskus dostopa 9 marec 2018].
[18] F. Saje in J. Lopatič, Zbornik 19. zborovanja gradbenih konstruktorjev Slovenije, Bled,
16. ‐ 17. oktober 1997, Ljubljana: Slovensko društvo gradbenih konstrukterjev, 1997.
[19] Rothoblaas, Plošče in spojniki za les (katalog).
[20] E. K. Šilih, Eksperimentalna in numerična analiza lesenih okvirnih stenskih elementov
z odprtinami: doktorska disertacija, Maribor, 2012.
[21] B. Lutar in J. Duhovnik, metoda končnih elementov za linijske konstrukcije, Maribor:
Fakulteta za gradbeništvo Univerza v Mariboru, 2004.
[22] J. Sorić, Metoda končanih elementa, Zagreb: Golden marketing, 2004.
[23] SIST EN 1990:2014 Evrokod- Osnove projektiranja konstrukcij, Slovenski inštitut za
standardizacijo, 2004.
[24] SIST 1991-1-1 2004 (sl) Evrokod 1: Vplivi na konstrukcije -1-1. Splošni vplivi -
Prostorninske teže, lastna teža, koristne obtežbe stavb, Slovenski inštitut za
standardizacijo, 2004.
[25] SIST 1991-1-3 2004 (sl) Evrokod 1: Vplivi na konstrukcije -1-3. Splošni vplivi - Obtežba
snega, Slopvenski inštitut za standardizacijo, 2004.
[26] SIST 1991-1-4 2004 (sl) Evrokod 1: Vplivi na konstrukcije -1-4. Splošni vplivi - Vplivi
vetra, Slovenski inštitut za standardizacijo, 2004.
[27] SIST EN 1998-1:2005, Evrokod 8; Projektiranje potresnoodpornih konstrukcij - 1.del;
Splošna pravila , potresni vplivi in pravila za stavbe, Ljubljana: Slovenski inštitut za
standardizacijo, 2005.
[28] SIST EN 1995- 1- 1: Evrokod 5: Projektiranje lesenih konstrukcij - 1-1. del: Splošna
pravila in pravila za stavbe, Ljubljana: Slovenski inštitut za standardizacijo, 2005.
PRILOGE
Naslov študenta
Jože Prislan
Dol‐Suha 31
3332 Rečica ob Savinji
Tel. št.: 041 543 552
E‐mail: jus.prislan@gmail.com
Kratek življenjepis
Rojstvo: 25. 2. 1988 Celje
Šolanje: 1995–2003 OŠ Rečica ob Savinji
2003–2007 Srednja tehniška in poklicna gradbena šola Celje
2007–2018 Fakulteta za gradbeništvo, Univerza v Mariboru
Skice lesene strojne lope
top related