VIII. CELOSTÁTNÍ KONFERENCE SE ZAHRANI�NÍ Ú�ASTÍ SPOLEHLIVOST KONSTRUKCÍ TÉMA: DO DALŠÍ DEKÁDY METODY SBRA 12. dubna 2007, Praha ISBN 978-80-86246-33-8

1 Antonín Lokaj, Ing., Ph.D., Vysoká škola bá�ská - Technická univerzita Ostrava, Stavební fakulta, Katedra konstrukcí, L. Podéšt� 1875, 708 33 Ostrava-Poruba, Tel.: +420 597 321 302, E-mail: antonin.lokaj@vsb.cz

2 Kristýna Vavrušová, Ing., Vysoká škola bá�ská - Technická univerzita Ostrava, Stavební fakulta, Katedra konstrukcí, L. Podéšt� 1875, 708 33 Ostrava-Poruba, Tel.: +420 597 321 375, E-mail: kristyna.vavrusova@vsb.cz

95

NAHODILOST MATERIÁLOVÝCH CHARAKTERISTIK PRVK� D�EV�NÝCH KONSTRUKCÍ Antonín Lokaj 1, Kristýna Vavrušová 2

ABSTRACT

Structural timber is a material of natural origin with great variance in its properties (mainly in physical and mechanical properties). Good knowledge of this properties is necessary for optimaly and safety design of timber structures. Aim of this paper is in prediction of mechanical properties (density, bending strength) of structural timber due to non-destruction methods.

KLÍ�OVÁ SLOVA

D�ev�né konstrukce – timber structures, pevnost v ohybu – bending strength.

1 Úvod - specifikace problematiky Konstruk�ní d�evo pro nosné stavební konstrukce je materiál p�írodního p�vodu vyráb�ný vý�ezem z kmen� jehli�natých i listnatých d�evin, jehož rozm�ry v konstrukci jsou stanoveny statickým výpo�tem. Jedná se o nejrozší�en�jší typ materiálu na bázi d�eva, který se v podstat� v nezm�n�né podob� používá pro nosné konstrukce st�ech, strop� i celých staveb již po staletí. Protože se jedná o p�írodní materiál, který obsahuje celou �adu imperfekcí a nehomogenit, rozptyl jeho materiálových vlastností je pom�rn� zna�ný. Konstruk�ní d�evo musí spl�ovat �adu, �asto protich�dných, požadavk�. Z hlediska projektanta-statika je zvlášt� d�ležitá dobrá znalost fyzikáln�-mechanických vlastností konstruk�ního d�eva, zejména jeho pevnostní a tuhostní charakteristiky.

2 Metody ov��ování fyzikáln�-mechanických vlastností konstruk�ního d�eva Jakost konstruk�ního d�eva je ur�ována jednak nedestruktivními metodami (vizuální t�íd�ní, strojní t�íd�ní, p�ípadn� další nedestruktivní metody), jednak destruktivními metodami (pr�kazné zkoušky). Vizuální t�íd�ní d�eva podle pevnosti se v Evrop� provádí podle národních norem, které ale musejí vycházet ze zásad obsažených v evropské norm� EN 518 ("Konstruk�ní d�evo. T�íd�ní. Požadavky na normy pro vizuální t�íd�ní podle pevnosti"), která byla v �R zavedena jako �SN EN 518. V �R se vizuální t�íd�ní provádí podle �SN 73 2824-1 T�íd�ní �eziva podle pevnosti - �ást 1: Jehli�naté �ezivo. Pr�kazné zkoušky zpravidla neslouží k t�íd�ní �eziva, používají se k ov��ení skute�ného chování d�eva a k p�ímému stanovení nejd�ležit�jších fyzikáln�-mechanických vlastností.

96

V Evropské unii byl zaveden jednotný systém t�íd pevnosti d�eva (EN 338 "Konstruk�ní d�evo. T�ídy pevnosti") ozna�ené podle charakteristické pevnosti v ohybu (C14 až C40 pro jehli�naté a topolové d�evo a D30 až D70 pro listnaté d�evo). Pro zat�íd�ní d�eva do t�chto jednotných t�íd platných pro celou EU byly vypracovány normy EN 384 a EN 408. Všechny tyto normy byly v �R zavedeny do soustavy národních norem jako p�íslušné normy �SN EN. Nedestruktivní metody zjiš�ování fyzikálních a mechanických vlastností materiál� na bázi d�eva nacházejí uplatn�ní jednak v oblasti t�íd�ní �eziva, jednak u rekonstrukcí, �i adaptací stávajících d�ev�ných konstrukcí, kdy je nutné co nejp�esn�ji zjistit pevnostní a tuhostní charakteristiky zabudovaných materiál�, aniž by došlo k jejich poškození. V praxi nastává pot�eba ur�it jakost zabudovaného konstruk�ního d�eva s možností použití destruktivních pr�kazných zkoušek. Tato situace nastává po havárii konstrukcí, ke kterým, bohužel, ob�as dochází.

3 Havárie st�ešní konstrukce - testování vzork� d�eva V uplynulém roce došlo k n�kolika haváriím st�ešních konstrukcí. Jednou z nich byla i havárie st�ešní konstrukce prodejny LIDL v Ostrav�, ke které došlo 3. 1. 2006 ve ve�erních hodinách - viz obr. 1 a 2.

Obr. 1, 2: Havárie st�ešní konstrukce

Nosná konstrukce st�echy sedlového tvaru o rozp�tí cca 20m byla navržena z p�íhradových vazník� z �eziva tlouš�ky 50 mm s ocelovými deskami s prolisovanými trny. Objekt byl dokon�en a p�edán do provozu za�átkem roku 2005. Havárie byla zprvu p�isouzena nadm�rnému zatížení sn�hem. Pozd�ji se však ukázalo, že zatížení sn�hem havárii pouze inicializovalo, ale nebylo její hlavní p�í�inou. Byly posuzovány možné p�í�iny havárie v oblasti koncep�ní, p�edprojektové i projektové p�ípravy, p�i výrob�, montáži, p�ípadn� údržb� b�hem relativn� krátké doby užívání. Za nejzávažn�jší byla zjišt�na pochybení v oblasti prostorového ztužení st�ešní konstrukce, na které je tento typ rovinných konstrukcí zvlášt� citlivý. P�i zjiš�ování p�í�in této havárie byla zvažována i možnost, že bylo použito nekvalitní �ezivo. Za tímto ú�elem byly bezprost�edn� po havárii odebrány vzorky konstruk�ního d�eva z nosných i ztužujících prvk� st�ešních vazník� (více jak 50 kus�). Odebrané vzorky byly otestovány nedestruktivním zp�sobem (vizuální t�íd�ní, m��ení vlhkosti, hustoty, ultrazvukové m��ení a m��ení PILODYNem) a pomocí statické ohybové zkoušky podle �SN EN 408 za ú�elem zjišt�ní skute�né pevnosti použitého d�eva.

Pro zjišt�ní statické pevnosti v ohybu byl použit lis EU 40 (obr. 3, 4).

97

Obr. 3, 4: Lis EU 40

Výsledky statické zkoušky testovaných vzork� ve statickém ohybu jsou na obr. 5. Z výsledk� vyplývá, že pevnost d�eva použitého na konstrukci st�echy prodejny (pevnost v ohybu se pohybovala mezi 25 a 80 MPa) odpovídá jakostní t�íd� SI, resp. S10 (charakteristická pevnost v ohybu pro tuto t�ídu pevnosti, tj. 5-ti procentní kvantil, �iní 22 MPa). Na obr. 7 jsou výsledky m��ení hustoty vzork�, které rovn�ž odpovídají jakosti p�edpokládané projektem.

Obr. 5: Pevnost v ohybu vzork� fm – �etnost v Obr. 6: Histogram rozd�lení pravd�podobnosti intervalech I = 5 MPa (µ�= 50,7 MPa, σ = 12,0 MPa)[6] pevnosti v ohybu podle [4]

Obr. 7: Hustota vzork� ρ – �etnost v intervalech Obr. 8: Histogram rozd�lení pravd�podobnosti I = 25kg/m3 (µ�= 455,8 kg/m3, σ = 60,1 kg/m3) [6] hustoty podle [4]

Na obrázcích 6 a 8 jsou pro srovnání uvedeny histogramy pravd�podobnosti pevnosti v ohybu a hustoty podle [4], které byly vytvo�eny na základ� laboratorních zkoušek d�eva konstruk�ních rozm�r� (100/150 mm). P�i srovnání t�chto obrázk� je patrné, že rozd�lení hodnot pravd�podobností t�chto vlastností je tak�ka totožné a vlastnosti d�eva ze st�ešní konstrukce LIDL podle [6] (tlouš�ky 50 mm) odpovídají hodnotám získaným na základ� laboratorních m��ení d�eva konstruk�ních rozm�r� podle [4].

98

Vzorky byly rovn�ž otestovány pomocí ultrazvukového p�ístroje, kterým je možno zm��it �as pr�chodu zvukových vln mezi zvukovými sondami [µs] a rychlost zvukových vln [m.s-1]. Na základ� t�chto veli�in je možno odvodit hustotu a pevnost daného materiálu. M��ení bylo provedeno pomocí ultrazvukového p�ístroje TICO (obr. 9), pracující s dvojicí 54 kHz sond s m�rným rozsahem 15 až 6550 µs. Ultrazvukové m��ení bylo provedeno v radiálním i tangenciálním sm�ru a dále rovnob�žn� se sm�rem vláken. Pro m��ení byla užita metoda p�ímého m��ení Pro stanovení hustoty d�eva byl využit p�ístroj Pilodyn 6J (obr. 10). Jedná se o penetra�ní metodu založenou na principu vniknutí trnu vst�eleného do d�eva konstantní silou (6 Joule). Hloubka vniknutí d�eva je p�itom závislá na hustot� a vlhkosti d�eva.

Obr. 9: Ultrazvukový p�ístroj TICO Obr. 10: Pilodyn 6J pro m��ení hustoty

Na základ� výsledk� nedestruktivních i destruktivních test� vzork� byla sestavena tabulka s korela�ními koeficienty, které vyjad�ují míru závislosti mezi výsledky jednotlivých metod (viz Tab. 1). Z Tab. 1 je z�ejmé, že nejlepší odhad hustoty a pevnosti v ohybu poskytuje m��ení ší�ky letokruh� a PILODYN 6J.

Tab. 1: Korela�ní koeficienty mezi výsledky jednotlivých testovacích metod

99

Obr. 11: Dodate�né hrubé zásahy do nosné konstrukce st�ešního vazníku

4 Souhrn a záv�ry Na základ� provedených test� je možno prohlásit, že kvalita materiálu nebyla p�í�inou havárie výše zmín�né st�ešní konstrukce. Charakteristické hodnoty fyzikáln�-mechanických charakteristik jsou v p�íslušných normách uvedeny pom�rn� konzervativn�, skute�né hodnoty bývají v�tšinou mnohem vyšší. Tato skute�nost je z�ejm� jednou z p�í�in, že konstrukce �asto snesou po ur�itou dobu i ur�itou míru "poddimenzování" zp�sobenou nejr�zn�jšími p�í�inami (nevhodný model, hrubá chyba, atd.). Hrubé chyby v d�sledku lidského selhání a neodborných zásah� do konstrukce b�hem jejího užívání nelze zcela vylou�it (viz nap�. obr. 11), lze jim však do jisté míry p�edcházet d�sledným uplat�ováním systému �ízení jakosti, soustavným vzd�láváním odborné ve�ejnosti, pou�ením se z chyb, které byly u�in�ny a vedly k haváriím konstrukcí.

POD�KOVÁNÍ

Projekt byl realizován za finan�ní podpory ze státních prost�edk� prost�ednictvím Grantové agentury �eské republiky. Registra�ní �íslo projektu je 103/07/0557 – Pravd�podobnostní posuzování inženýrské spolehlivosti konstrukcí.

100

LITERATURA

[1] MAREK, P., GUŠTAR, M., ANAGNOS, T. (1995): Simulation-Based Reliability Assessment for Structural Engineers, CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, 1995, ISBN 0-8493-8286-6.

[2] MAREK, P., BROZETTI, J., GUŠTAR, M., AND TIKALSKI, P. (EDITORS): Probabilistic Assessment of Structures using Monte Carlo Simulation – Backround, Excercises and Software – 2nd Edition, ITAM CAS Praha, 2003, 472 pp.

[3] MAREK, P., GUŠTAR, M.: Computer program AntHillTM, Prague, ARTech, 1988-2001. [4] KUKLÍK, P., KUKLÍKOVÁ, A.: Nondestructive Testing of Solid Timber, Proc. International

Conference on Wood Fiber Composites, Stuttgart, 2000, pp. 303-312. [5] LOKAJ, A.: Využití pravd�podobnostní metody SBRA p�i navrhování d�ev�ných konstrukcí,

doktorská diserta�ní práce na VŠB-Technická univerzita Ostrava, 2001. [6] KUBE�KA K., LOKAJ A., VAVRUŠOVÁ K., JONOV D., Zjišt�ní kvality d�eva nosné

konstrukce st�echy prodejny Lidl v Ostrav�. �asopis St�echy, fasády, izolace, IX/2006, ISSN: 1212-0111, str. 36-38.