Eurokody Projektowanie konstrukcji drewnianych PDF

Preview

Summary

Eurokody Projektowanie konstrukcji drewnianychEurokody Projektowanie konstrukcji drewnianychPN-EN 1995 Eurokod 5...

Description

E01

BŁĘKitne stronY

EUROKODY

praktyczne komentarze Niniejszy skrypt to kolejne opracowanie w cyklu publikacji na temat podstaw projektowania konstrukcji budowlanych według aktualnie obowiązujących norm opartych na EUROKODACH. Każdy skrypt to teoria przedstawiona w przystępny sposób oraz przykłady, które prowadzą krok po kroku przez proces wymiarowania.

Skrypt 5 1. WPROWADZENIE ............................................................................

E02

2. MATERIAŁY ...............................................................................

E02

2.1. Drewno lite ........................................................................

E02

2.2. Drewno klejone .....................................................................

E04

2.3. Materiały płytowe

................................................................... E04

2.3.1. Płyty OSB ....................................................................

E05

2.3.2. Sklejka ......................................................................

E05

2.3.3. Pozostałe elementy drewnopochodne ............................................

E06

3. PODSTAWY PROJEKTOWANIA .................................................................. 3.1. Założenia ogólne

E07

...................................................................

E07

3.2. Wpływ środowiska ...................................................................

E07

3.2.1. Klasy użytkowania ............................................................

E07

3.2.2. Klasy trwania obciążenia .....................................................

E08

3.2.3. Współczynniki modyfikujące .................................................... 3.2.4. Temperatura drewna ........................................................... 3.3. Wartości obliczeniowe właściwości materiałowych

....................................

4. STANY GRANICZNE NOŚNOŚCI ................................................................ 4.1. Jednokierunkowe i złożone stany naprężeń

E08 E12 E12 E12

...........................................

E12

5. STANY GRANICZNE UŻYTKOWALNOŚCI ..........................................................

E14

5.1. Pionowe i poziome odkształcenia ....................................................

E14

5.2. Drgania ............................................................................

E16

5.3. Poślizg w złączach

.................................................................

E16

6. PRZYKŁADY ...............................................................................

E16

6.1. Element ze sklejki

.................................................................

E16

arcadia-press

E02

BŁĘKitne stronY

Część 5. Eurokod 5

Projektowanie konstrukcji drewnianych 1.Wprowadzenie Podstawowy pakiet norm europejskich PN-EN 1995 Eurokod 5 obejmuje zagadnienia związane z projektowaniem konstrukcji drewnianych. Obecnie tworzą go następujące normy wraz z poprawkami: [1] PN-EN 1995-1-1:2010 Eurokod 5 - Projektowanie konstrukcji drewnianych - Część 1-1: Postanowienia ogólne - Reguły ogólne i reguły dotyczące budynków; poprawki: PN-EN 1995-11:2010/NA:2010 [2] PN-EN 1995-1-2:2008 Eurokod 5: Projektowanie konstrukcji drewnianych - Część 1-2: Postanowienia ogólne - Projektowanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe; poprawki: PN-EN 1995-1-2:2008/NA:2010; PN-EN 1995-1-2:2008/ AC:2009 [3] PN-EN 1995-2:2007 Eurokod 5: Projektowanie konstrukcji drewnianych - Część 2: Mosty; poprawki: PN-EN 1995-2:2007/Ap1:2010 Jednak posiadanie tylko tych norm nie zapewni pełnego źródła informacji niezbędnych do projektowania konstrukcji z drewna i materiałów drewnopochodnych. W tym opracowaniu przedstawiono najważniejsze powiązania normatywne oraz ich interpretację po zmianach, jakie nastąpiły w stosunku do ostatniej wersji PN-B-03150:2000, będącej w swym szkielecie prenormą Eurokodu 5 oraz jej bezpośredniej poprzedniczki PN-B-03150:1980, w której jeszcze cytowano właściwości materiałów.

2. Materiały Zanim zacznie się omawiać projektowanie konstrukcji drewnianych na podstawie normy Eurokod 5, należy podkreślić, że świat zrobił duży krok do przodu w zakresie materiałów drewnopochodnych, w których surowcem wyjściowym jest drewno, i że fakt ten znajduje odzwierciedlenie w obecnej normie. Z uwagi na specyfikę te-

arcadia-press

go surowca (drewna) powstał szereg technologii „porządkujących” jego strukturę, dając bardziej przewidywalne właściwości w zakresie projektowania. Wśród podstawowych materiałów występujących w Eurokodzie 5, dla których przewidziane są współczynniki obliczeniowe, należy wymienić: drewno lite w układach prętowych, drewno klejone, elementy LVL, sklejkę, płyty OSB czy płyty pilśniowe. Im bardziej rozdrobnione włókna tworzą ponownie element, tym coraz bardziej przewidywalne są jego właściwości. Grupę materiałową pochodzenia naturalnego, jakim jest drewno, uzupełnia grupa łączników mechanicznych (dziś głównie na bazie stali), bez których współczesne konstrukcje drewniane nie mogą się obyć. Tak szeroka gama produktów nie pozwala dziś zawrzeć w normie podstawowej cech niezbędnych do projektowania. Tak więc należy uzupełnić biblioteczkę konstruktora konstrukcji drewnianych o narzędzia pozyskiwania danych materiałowych. Zazwyczaj jest to kolejna norma, ale, niestety, nie zawsze.

2.1. Drewno lite Właściwości i dane materiałowe dotyczące drewna litego należy pozyskać z normy PN-EN 338. Obecnie obowiązująca wersja to PN-EN 338:2011 Drewno konstrukcyjne. Klasy wytrzymałości. W normie tej określono system klas1 wytrzymałości oparty na klasyfikacji wytrzymałościowej. Należy tu nadmienić, że jeszcze w tym roku jest szansa na wprowadzenie ujednolicenia zasad sortowniczych z europejskimi wymaganiami (obecnie w tym zakresie jesteśmy białą plamą na mapie Europy). W normie PN-EN 338:2011 podano wartości charakterystyczne istotnych cech dotyczących wy1 Klasa drewna - cecha jakości drewna odpowiadająca wartości wytrzymałości charakterystycznej na zginanie (np. C24)

BŁĘKitne stronY

E03

Tablica 1. Klasy wytrzymałości – Wartości charakterystyczne wg PN-EN 338:2011

trzymałości, sztywności i gęstości dla wszystkich gatunków drewna iglastego (oznaczone symbolem C) i liściastego (oznaczone symbolem D), przeznaczonego do stosowania w konstrukcjach budowlanych. Wśród klas objętych normą na polskim rynku występują przede wszystkim klasy C20, C22, C24, C27. Klasy niższe nie nadają się na elementy konstrukcyjne, a wyższe są na naszym rynku nieosiągalne. Dla projektantów przydatna może być informacja nawiązująca do poprzednich klasyfikacji drewna: klas oznaczanych symbolem K np. K33 lub oznaczeniami klas spotykanych jeszcze na naszym rynku budowlanym. Zacznijmy od klas jakości oznaczanych cyframi rzymskimi na podstawie normy PN-57/D96000 i ich możliwymi przejściami klasy jakości tarcicy sortowanej metodami wytrzymałościowymi wg PN-82/D-94021. Również w obecnej wersji normy, czyli w Eurokodzie 5, mamy załączoną do arkusza krajowego tablicę relacji klas sortowniczych krajowego drewna konstrukcyjnego wg PN-D-94021 w stosunku do klas wytrzymałościowych według PN-EN 338 (tablica NA.2).

Tablica 2. Współzależność klas jakości ogólnej itarcicy sortowanej metodami wytrzymałościowymi

gdzie klasy jakości przy sortowaniu wizualnym oznaczają: KW – klasa wyborowa, KS – klasa średniej jakości, KG – klasa gorszej jakości; przy poprzedzeniu tych oznaczeń literą M otrzymujemy analogiczne klasy jakości przy sortowaniu maszynowym.

W praktyce istnieje jeszcze problem klas pośrednich jakie występowały w normie PN-B-03150:1981 – K21, K27, K33, K39. Klasy tarcicy cienkiej sortowanej wizualnie na elementy konstrukcji wg PN-81/B-03150 można przyjąć, że odpowiadają klasom jakości wg PN-EN 338 w następującym zakresie: K21 to ok. C24, K27 ok. C30, K33 ok. C35, K39 ok. C40. Różnica ta wynika z definiowania wartości charakterystycznych przy różnych wilgotnościach drewna. Klasy K by-

arcadia-press

E04

BŁĘKitne stronY

i płyty OSB. Jednak nie zamykają one grupy materiałów płytowych. Bez względu na rodzaj materiału płytowego opartego na bazie fornirów (V), wiórów (S) i włókien (D), istotne jest określenie kierunku oddziaływania w stosunku do włókien (warstw pracujących). Tu warto zwrócić uwagę na ilustrację z poTablica 3. Współzależność klas jakości tarcicy sortowanej metodami wytrzymałościowymi wg PN-82/D-94021 oraz klas wg EN 1912 (źródło EC5 tablica NA.2.) przedniej wersji normy, której zabrakło w EC5, a która równocześnie stwarza wielu osobom trudności interpretacyjne w zapisach norm materiałowych. W przeciwieństwie do drewna litego (C) i klejonego warstwowo (GL), dla których oznaczamy tylko jedną wytrzymałość na zginanie (fm,k), dla sklejki czy płyt OSB oznaczamy wytrzymałość na 2.2. Drewno klejone zginanie prostopadłe do płaszczyzny płyty (fm,90,k) Zgodnie z zapisem normy PN-EN 1194:2000 „nor- i zginanie w płaszczyźnie płyty (fm,0,k) – porówma zawiera system klasyfikacji wytrzymałościowej naj z ilustracją 1. dla drewna klejonego warstwowo o poziomym układzie czterech i więcej warstw tarcicy. Określono 2.3.1. Płyty OSB w niej liczbę klas wytrzymałości oraz podano cha- Płyty OSB w zakresie właściwości objęte są norrakterystyczne wartości wytrzymałości, sztywno- mą PN-EN 12369-1:2002 Płyty drewnopochodne. ści oraz gęstości. Przedmiot normy czasowo ogra- Wartości charakterystyczne do projektowania, niczono do drewna klejonego warstwowo z tarcicy Część 1: Płyty OSB, płyty wiórowe i płyty piliglastej. Należy tu podkreślić, że norma ta może śniowe. Zakres tej normy obejmuje dane dotycząnam posłużyć jedynie w zakresie projektowania ce wartości charakterystycznych oraz gęstości, elementów prętowych wykonanych z drewna klejo- do stosowania podczas projektowania konstrukcji nego oznaczonych symbolem GL. objętych EC5-1-1 następujących rodzajów płyt: Elementy płytowe CLT (HBE) i GLT nie są objęte OSB/2, OSB/3 i OSB/4; wiórowych P4, P5, P6, tą normą i charakterystyk należy szukać u pro- P7; pilśniowych twardych HB.HLA2; pilśniowych ducenta. półtwardych MBH.LA2; MDF.LA i MDRHLS. Natomiast wartości charakterystyczne sklejek, płyt 2.3. Materiały płytowe z drewna litego, płyt z fornirów klejonych warWśród tej grupy materiałów najbardziej rozpo- stwowo (LVL) i płyt wiórowo-cementowych są obznawalne na naszym rynku budowlanym są: sklejka jęte kolejnymi częściami tej normy. ły badane przy wilgotności 15%, a klasy C są oznaczane przy wilgotności 12% i z tego powodu, mimo z pozoru zbieżnej definicji wartości charakterystycznej, obu klas nie można bezpośrednio przyrównać.

Tablica 4. Charakterystyczne wartości wytrzymałości isprężystości wN/mm2 oraz gęstości wkg/m3 (dla jednorodnego drewna klejonego warstwowo – woznaczeniu litera h)

arcadia-press

BŁĘKitne stronY

E05

Ilustracja 1. – Oznaczenia (indeksy) stosowane przy odpowiednich wytrzymałościach imodułach dla elementów płytowych (pracujących jako płyty lub tarcze) wg PN-EN 03150:2000

Dalej, jako reprezentanta problemu w tablicy 5, przedstawiono wartości charakterystyczne dla płyt OSB/2 i OSB/3. Oprócz wartości charakterystycznych w normie podkreślono, że w przypadku stosowania płyt OSB zgodnie z PN-EB 1995-1-1 wartości charakterystyczne właściwości mechanicznych i gęstości podane w tablicy 6 należy zmodyfikować ze względu na czas trwania obciążenia i warunki użytkowania współczynnikami kmod i kdef (co dotyczy również innych materiałów, o czym poniżej). Po wartości pozostałych materiałów objętych tą normą należy sięgać już bezpośrednio do jej zawartości.

2.3.2.Sklejka Kolejna norma z zakresu płyt drewnopochodnych obejmuje właściwości sklejki - PN-EN 123692:2005 Płyty drewnopochodne. Wartości charakterystyczne do projektowania, Część 2: Sklejka (obecnie zastąpiona wersją 2011 w języku angielskim). Z uwagi na bardzo dużą liczbę kombinacji surowca wyjściowego (drzew liściastych i iglastych), grubości fornirów, ilości warstw, norma

ta w załączniku A podaje jedynie zalecenia form prezentacji wartości charakterystycznych. Ale patrząc tylko do załącznika A, możemy nie zauważyć jeszcze jednego problemu związanego z interpretacją danych wytrzymałościowych podawanych dla sklejki. Widać to było w poprzedniej wersji normy PN-B-03150:2000 – patrz tablica 6. Jakby było mało rozróżniania wytrzymałości na zginanie prostopadłej do płaszczyzny płyty (fm,90,k) i w płaszczyźnie płyty (fm,k), wytrzymałości w tablicach mają jeszcze po dwie wartości dotyczące tego samego zagadnienia, a w stopce można było znaleźć UWAGĘ: Wartości górne dotyczą kierunku wzdłuż włókien fornirów zewnętrznych, dolne – w poprzek włókien fornirów zewnętrznych. Uwaga ta była niezmiernie ważna i nakłada na projektanta konieczność sprecyzowania w projekcie ukierunkowania włókien zewnętrznych płyty. Obecnie wartości do projektowania należy szukać u producentów, określając po drodze istotne informacje m.in. pochodzenie sklejki, np. liściasta z brzozy, liczbę warstw fornirów, grubość oraz bardzo istotne założenie – ułożenie płyty sklejki w konstrukcji (patrz przykład oblicze-

arcadia-press

E06

BŁĘKitne stronY

Tablica 5. Wartości charakterystyczne płyt zgodnych zEN 300: OSB/2: Płyty nośne przeznaczone do stosowania wwarunkach suchych iOSB/3: Płyty nośne przeznaczone do stosowania wwarunkach wilgotnych wg PN-EN 12369-1:2002

niowy). Warto również popatrzeć na tablice producentów, zwracając uwagę na stosowane indywidualne oznaczenia (niekoniecznie „zgodne” z normą). Nie są one trudne do „rozpracowania” pod warunkiem, że wiemy jak powstaje sklejka2 i dlaczego tak istotne jest prawidłowe ukierunkowanie płyty w konstrukcji. Jak widać po przykładowych wartościach (tablica 6), zmiana kierunku ułożenia płyty może mieć istotne znaczenie dla nośności danego elementu. Podkreślając ponownie, wymaga to od projektanta starannego opisania rysunku, aby na budowie nie doszło do błędnego zamontowania elementu płytowego (porównaj przykład obliczeniowy).

2.3.3. Pozostałe elementy drewnopochodne Obecnie dostępna jest już w języku oryginału (w języku angielskim) PN-EN 12369-3:2008 Płyty drewnopochodne. Wartości charakterystyczne do projektowania, Część 3: Płyty z drewna litego. Ta norma obejmuje rzadko stosowane na naszym rynku płyty z drewna litego SWP (Solid W ood Panel) – ilustracja obok. Tak jak i w poprzednich materiałach drewnopochodnych, istotne właściwości zróżnicowane są w zależności od grubości i ukierunkowania pracujących włókien.

Tablica 6. – wyciąg ztablicy Z.2.4.2 PN-B-03150:2000 dla sklejki bukowej produkcji krajowej

SKLEJKA - sklejka symetryczna - płyta sklejona z nieparzystej liczby warstw forniru, w której wewnętrzne i zewnętrzne warstwy są, z uwagi na grubość i rodzaj, symetryczne względem warstwy środkowej p. 1.3.3 PN-B-03150:2000; czyli zewnętrzne warstwy fornirów mają ten sam kierunek włókien.

2

arcadia-press

BŁĘKitne stronY

Ilustracja 2. Płyta z drewna litego SWP [1]

grubość [mm]

12–20

> 20 ÷ 30

> 30 ÷ 42

> 42

ρ [kg/m 3]

410

410

410

410

Em [N/mm 2]

różnice w sytuacjach obliczeniowych (etapy realizacji, zmiany warunków podparcia). Do analizy konstrukcji drewnianych używamy, analogicznie jak w pozostałych konstrukcjach, metody stanów granicznych. Analizę konstrukcji prowadzi się stosując następujące założenia związane ze sztywnością: n w analizie pierwszego rzędu w zakresie liniowo-sprężystym, jeżeli na rozkład sił wewnętrznych i momentów w elementach nie ma wpływu rozkład sztywności w konstrukcji (np. jeżeli wszystkie elementy charakteryzuje jednakowa zmienność właściwości w czasie), w projektowaniu należy przyjmować wartości średnie, n w analizie pierwszego rzędu w zakresie liniowo-sprężystym, jeżeli na rozkład sił wewnętrznych i momentów w elementach ma wpływ rozkład sztywności w konstrukcji (np. elementy są złożone z materiałów o różnej zmienności właściwości w czasie), należy przyjmować wartości średnie właściwości, dostosowane do czasu trwania składowej obciążenia, która wywołuje największe naprężenie w odniesieniu do wytrzymałości materiału, n w analizie drugiego rzędu w zakresie liniowo-sprężystym należy przyjmować wartości obliczeniowe bez uwzględniania czasu trwania obciążenia (wg EC5-1-1 p.2.2.2). Na początek skupmy się na jednorodnych rozwiązaniach (z jednego materiału) bez analizowania złożonych elementów cechujących się różnym wpływem czasu na właściwości materiału. n

Tablica 7. Wybrane parametry dla płyt SWP wg EN12369-3 (oryg)

fm [N/mm 2]

E07

0

35

30

16

12

90

5,0

5,0

9,0

9,0

0

10000

8200

7600

7100

90

550

550

1500

1500

3. Podstawy projektowania 3.1. Założenia ogólne Konstrukcje drewniane, z uwagi na zmienność własności materiału w czasie i wrażliwość na oddziaływanie środowiska, są trudnym polem działań dla projektanta. Wymagają dobrej znajomości tworzyw drzewnych omówionych powyżej, jak i poprawnego określenia środowiska, w jakim przyjdzie pracować konstrukcji. W modelach obliczeniowych odnoszących się do poszczególnych stanów granicznych analizowanych dla konstrukcji drewnianych należy uwzględnić następujące zagadnienia (wg EC5-1-1 p.2.2.1): n różnice we właściwościach materiałów (np. wytrzymałość i sztywność oraz zagadnienia omówione powyżej), np. dla złożonych belek dwuteowych o różnych materiałowo pasach i środniku, n różnice w zachowaniu się materiałów w czasie (czas trwania obciążenia, pełzanie), patrz klasa trwania obciążenia, n różnice w warunkach klimatycznych (temperatura, zmiany wilgotności), patrz zagadnienia klas użytkowania,

3.2. Wpływ środowiska 3.2.1.Klasy użytkowania Ponieważ drewno jak i jego pochodne są bardzo wrażliwe na niestabilne warunki wilgotnościowe (wraz ze wzrostem wilgotności maleją parametry wytrzymałościowe drewna - patrz ilustracja 3), przy analizie konstrukcji wykonanych z tych materiałów należy uwzględnić, w jakich warunkach wilgotnościowych pracuje konstrukcja. Dotychczasowy wzór Bauschingera został zastąpiony ogólnym opisem warunków środowiskowych nazwanych klasami użytkowania. Konstrukcje powinny być zaliczane do jednej z podanych niżej klas użytkowania: 1. Klasa użytkowania 1 charakteryzuje się wilgotnością materiału odpowiadającą temperaturze 20 °C i wilgotnością względną otaczającego powietrza przekraczającą 65% tylko przez kilka tygodni w roku. W klasie użytkowania 1 przeciętna wilgotność większości gatunków drewna iglastego nie przekracza 12%,

arcadia-press

E08

BŁĘKitne stronY

Ilustracja 3. Zależność cech drewna od zmiany wilgotności materiału

Ilustracja 4. Zależność wytrzymałości od wilgotności

3.2.2. Klasy trwania obciążenia

2. Klasa użytkowania 2 charakteryzuje się wilgotnością materiału odpowiadającą temperaturze 20 °C i wilgotnością względną otaczającego powietrza przekraczającą 85% tylko przez kilka tygodni w roku. W klasie użytkowania 2 przeciętna wilgotność większości gatunków drewna iglastego nie przekracza 20%. 3. Klasa użytkowania 3 odpowiada warunkom powodującym wilgotność drewna wyższą niż odpowiadająca klasie użyt...