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