Analýza chování hybridních nosníků ze skla a oceli

Abstrakt článku

Článek popisuje chování hybridního nosníku, složeného z ocelových pásnic a dělené skleněné stojiny, pomocí analytického modelu, který je založen na příhradové analogii. Model byl ověřen na základě výsledků z provedených experimentů.

Abstract

Analysis of hybrid beams of glass and steel

The article describes the behaviour of the hybrid beam composed of steel flanges and divided glass web, using an analytical model based on the truss analogy. The model is verified based on the results of the experiments.

Článek s názvem "Analýza chování hybridních nosníků ze skla a oceli", jehož spoluautorem je Ing. Tomáš Fremr, byl publikován v odborném časopise STAVEBNÍ OBZOR vydávaný stavebními fakultami v Praze, Brně a Ostravě a organizací ČKAIT.

Úvod

Intenzivní vývoj a výzkum v poslední době výrazně posouvá možnosti využití skla jako materiálu pro nosné konstrukce, především z důvodu použití tepelně upravovaného skla, které má lepší mechanické vlastnosti. Nevýhodou skla je malá pevnost tahu a porušení křehkým lomem, které nastává náhle bez předchozího varování. Naopak výhodou je kromě transparentnosti vysoká pevnost v tlaku. Snaha o zvýšení pevnosti v tahu skleněného nosného prvku vede v současnosti k výzkumu hybridních prvků, ve kterých je tah přenášen jiným materiálem., jako je např. ocel, vyztužený beton, dřevo, uhlíková vlákna. Další významnou výhodou hybridních konstrukcí je vyšší zbytková únosnost prvku a tím i celková vyšší míra bezpečnosti celé konstrukce. I po porušení skleněných tabulí je obvykle hybridní nosný prvek schopen alespoň částečně přenášet minimální provozní zatížení. Spojením skla s jiným materiálem je možné vytvořit nový konstrukční prvek s vyšší tuhostí a únosností ve srovnání s čistě skleněnými nosnými prvky při zachování transparentnosti

Předložený článek představuje výsledky experimentálního výzkumu hybridních nosníků se skleněnou dělenou stojinou a ocelovými přírubami. Chování hybridního nosníku při zatížení popisuje analytický model založený na analogii s příhradovým nosníkem. Model představuje zjednodušenou metodu použitelnou pro návrh hybridních nosníků, která umožňuje stanovit maximální ohybový moment, deformaci a maximální smykové napětí v lepené vrstvě, která spojuje skleněnou stojinu s ocelovými přírubami.

Typy průřezů hybridního nosníku

Vyráběny byly dva typy průřezů. Přípoj č. 1 (obr. 1 – vlevo) byl vytvořen přímým přilepením skleněné stojiny k ocelové pásnici 10 x 100 mm (ocel S235). Skleněná stojina byla z třívrstvého tepelně zpevněného skla tl. 3 x 8 mm. Lepidlo bylo naneseno po celé délce ocelové pásnice. Požadovaná tloušťka lepidla byla zajištěna pomocí dřevěných distančních vložek tl. 3 mm.

Přípoj č. 2 (obr. 1 – vpravo) byl sestaven z ocelové pásnice 10 x 100 mm s přivařeným profilem U 40/35/4 ohýbaným za studena (ocel S235). Do drážky, kterou profil U vytvořil, byl vložen polyamidový distanční proužek tl. 8 mm, na který byla ustavena skleněná tabule stojiny. Pásek zde slouží k oddělení skla a oceli, zabraňuje vzniku lokálních špiček napětí ve skle v oblasti podpor a v místech vnášeného zatížení. Skleněná stojina byla z dvouvrstvého tepelně zpevněného skla tl. 2 x 12mm. Lepidlo se aplikovalo po celé délce podélných spár (z obou stran), které vznikly mezi skleněnou stojinou a ocelových profilem U. Tloušťka lepidla vzhledem k imperfekcím ocelového profilu i skleněné stojiny byla po ustavení a vymezení spár 2 – 4 mm, (obr. 1).

Schéma zkoušek

Zkoušení nosníků proběhlo v rámci Experimentálního centra na Fakultě stavební, ČVUT. Šest nosníků bylo zatěžováno až do porušení, tj. vzniku první trhliny. Následně byla zkoumána zbytková únosnost a to až do kolapsu konstrukce, byl také sledován rozvoj trhlin ve stojině, deformace a napětí pomocí tenzometrů. Nosníky byly prostě podepřené s rozpětím 4,05 m, byly zatíženy 2 břemeny a byly příčně drženy uprostřed rozpětí a v místě podpor, takže byla zajištěna příčná a torzní stabilita. Působiště zatížení je umístěno tak, aby bylo mimo rozhraní jednotlivých panelů stojiny (obr. 2).

Závěr

V článku (zde je uvedena pouze část) je popsán zjednodušený výpočtový analytický model založený na příhradové analogii. Pro verifikaci modelu byly prozkoumány výsledky z provedených experimentů na Fakultě stavební, ČVUT. Po pečlivém rozboru byl původní výpočetní model modifikován, aby výpočet korespondoval s naměřenými výsledky.

Takto upravený model lze použít jako předpokládané chování hybridních nosníků s dělenou stojinou. Analytický model chování podle Möhlerovi teorie není vhodný pro hybridní nosníky s dělenou stojinou.

Výzkum, jehož výsledky jsou představeny v tomto příspěvku, byl podpořen grantem MŠMT COST č. LD11037.