TimberTech - teoretické základy

Modelování stěn na bázi dřeva

Řešení pro dřevostavby


Makroprvek vyvinutý na univerzitě v Trentu

V dnešní době může být modelování konstrukcí se stěnami na bázi dřeva pomocí softwaru založeném na metodě konečných prvků komplikované: zejména správné vyhodnocení příčné tuhosti stěny je složité, protože závisí na různých vstupech (smykové deformace stěn, deformace přípojů, kývání tuhého tělesa v důsledku deformace kotvení...), které je v modelu obtížné definovat.

Naopak se softwarem TimberTech Buildings je definování a modelování dřevěných stěn (CLT nebo rámových stěn) snadné, protože "sestavení" všech prvků stěny závisí na implementovaných numerických modelech odvozených z výzkumu vedeného na univerzitě v Trentu.

Model implementovaný v softwaru je schopen zohlednit všechny složky tuhosti v dřevěné stěně a jejích spojích. Popis modelu byl publikován v článku "Daniele Casagrande, Simone Rossi, Tiziano Sartori, Roberto Tomasi, Návrh analytického postupu a zjednodušeného numerického modelu pro pružnou odezvu jednopodlažních stěn na bázi dřeva namáhaných smykem, v Konstrukční a stavební materiály (2015)".


Modelování rámové stěny

Úvod

Tato část ukazuje srovnání mezi modelováním stěny lehkého rámu pomocí softwaru na principu konečných prvků a modelování pomocí softwaru TimberTech Buildings. Cílem tohoto srovnání je vypočítat a porovnat několik složek tuhosti daných prvky tvořícími stěnu.

Rámová stěna je vyrobena z dřevěných sloupků a vazníků vyztužených opláštěním velkoplošnými konstrukčními deskami, používanými k přenosu vodorovného zatížení do základů.

Pružný horizontální posun lehké rámové stěny vystavené účinku horizontální síly lze získat sečtením následujících složek deformace:

Posun v důsledku spojení mezi opláštěním a rámem

Posunutí v důsledku opláštění

Posunutí v důsledku translace tuhého tělesa

Posunutí v důsledku rotace pevného tělesa


Modelování pomocí softwaru pro výpočty metodou konečných prvků

Modelování lehkých rámových stěn na bázi dřeva pomocí softwaru pro výpočty metodou konečných prvků je velmi náročné a komplikované. Jak je znázorněno na následujícím obrázku, pro správné vyhodnocení vodorovné tuhosti stěny musíte použít:

Modelování pomocí softwaru TimberTech Buildings

Modelování s TimberTech Buildings je velmi jednoduché a rychlé. Uživatel definuje pro každý typ stěny  geometrické a mechanické vlastnosti.

Vlastnosti rámu

Vlastnosti opláštění


Případová studie

V této případové studii je srovnána stěny o délce 2 m a výšce 3 m vymodelovaná a posouzená softwarem TimberTech Buildings a softwarem na výpočty metodou konečných prvků. 

Stěna má následující vlastnosti:

  • rám má tloušťku 160 mm, šířka sloupků je 100 mm a rozteč sloupků je 1000 mm;
  • opláštění je z OSB/2 o tloušťce 12,5 mm. Tuhost hřebíků je 918 N/mm. Rozteč vnějších kotev je 100 mm a rozteč vnitřních kotev je 200 mm;
  • stěna je uchycena k základu kotvou o tuhosti 19977 kN/m a dvěma úhelníky s tuhostí 52186 kN/m.

Výsledky
Srovnání mezi výsledky získanými s Timbertech Buildings a výsledky získanými se softwarem na výpočty konečných prvků

Složky deformace
Složky deformace získané softwarem TimberTech Buildings

Z výše uvedené tabulky je patrné, jak jsou výsledky analytického modelu implementovaného v TimbertechBuildings velmi podobné výsledkům získaným pomocí softwaru na výpočty metodou konečných prvků. I přes jednodušší modelování stěny bylo dosaženo tuhosti stěny, která je velmi blízká tuhosti získané pomocí softwaru konečných prvků.

V tabulce výše je vidět, že příspěvek deformace daný posuvem tuhého tělesa je zanedbatelný. Na druhou stranu jsou velmi důležité deformace upevňovacích prvků a kývání tuhého tělesa (spojení kotvou).

Deformace spojení 
opláštění a rámu

Smyková deformace opláštění

Posun pevného tělesa

Rotace pevného tělesa


Modelování stěny z CLT

Úvod

Tato část ukazuje srovnání mezi modelováním CLT stěny pomocí softwaru na výpočty metodou konečných prvků a modelování pomocí softwaru TimberTech Buildings. Cílem tohoto srovnání je vypočítat a porovnat několik složek tuhosti daných prvky tvořícími stěnu.

Pružné horizontální posunutí napojované CLT stěny vystavené účinku horizontální síly lze získat součtem následujících složek deformace:

  • deformace kloubů;
  • smyková deformace panelu;
  • posun tuhého tělesa (úhelníky);
  • rotace tuhého těla (kotva).

Modelování pomocí softwaru pro výpočty metodou konečných prvků

Jak je znázorněno na následujícím obrázku, pro správné vyhodnocení vodorovné tuhosti stěny je nutno použít:

  • prvky "deskostěny" pro modelování CLT panelů;
  • prvky "vazby" pro modelování spojů mezi CLT panely;
  • prvky "vazby" pro simulaci úhelníků a kotev.


Modelování pomocí softwaru TimberTech Buildings

Modelování napojované CLT stěny pomocí TimberTech Buildings je velmi jednoduché a rychlé. Uživatel musí definovat geometrické a mechanické vlastnosti pro každou typologii stěny.

Vlastnosti CLT stěny v TimberTech Buildings

Typologie spoje

Vlastnosti CLT stěny v TimberTech Buildings

Vlastnosti spoje


Případová studie

V této případové studii je srovnána spojovaná CLT stěna o délce 7,5 m a výšce 3 m vymodelovaná a posouzená softwarem TimberTech Buildings a softwarem na výpočty metodou konečných prvků.

CLT stěna má následující vlastnosti:

  • panely mají tloušťku 120 mm (30 V - 20 H - 20 V - 20 H - 30 V) a délku 1250 mm;
  • panely jsou spojeny pomocí styčné desky. Spojovací prvky mají rozteč 125 mm a tuhost 1881 kN/m;
  • stěna je uchycena k základu kotvou o tuhosti 19977 kN/m a dvěma úhelníky s tuhostí 52186 kN/m.

Tabulka výsledků

Složky deformace v sw TimberTech Buildings

Z výše uvedené tabulky je patrné, jak jsou výsledky analytického modelu implementovaného v TimbertechBuildings velmi podobné výsledkům získaným pomocí softwaru na výpočty metodou konečných prvků. I přes jednodušší modelování stěny jsme dosáhli tuhosti stěny, která se velmi blíží tuhosti získané pomocí softwaru konečných prvků.

Deformace spojovacích prvků v napojení

Smyková deformace panelu

Posun tuhého tělesa

Rotace tuhého tělesa