KÖNNYŰSZERKEZETES TETŐBURKOLATI RENDSZER MEREVSÉGÉNEK ÉS TEHERBÍRÁSÁNAK KÍSÉRLETI MEGHATÁROZÁSA PANELKÍSÉRLETEK

Átírás

1 XII. MAGYAR MECHANIKAI KONFERENCIA MaMeK, 2015 Miskolc, augusztus KÖNNYŰSZERKEZETES TETŐBURKOLATI RENDSZER MEREVSÉGÉNEK ÉS TEHERBÍRÁSÁNAK KÍSÉRLETI MEGHATÁROZÁSA PANELKÍSÉRLETEK Lendvai Anita 1 és Dr. Joó Attila László 2 1,2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Hidak és Szerkezetek Tanszék 1112, Budapest, Műegyetem rkp. 3. lendvai.anita@epito.bme.hu; joo.attila@epito.bme.hu Absztrakt: A szelemenből és trapézlemezből álló burkolati rendszerek jelentős mértékben ellenállnak a saját síkjukban keletkező erőknek is, ezen hatást az Eurocode-ban stressed skin effect -nek nevezik. Ezen merevítő hatás elhanyagolása földrengésveszélyes területeken a biztonság kárára történik a szerkezet merevségének alulbecslése miatt. A hatás figyelembevételével az épület merevítése bizonyos esetekben el is hagyható, így a panelmerevség pontos számításának gazdaságossági előnye is lehet. Korábbi kutatásaink alapján meghatároztuk a meglévő Eurocode számítási eljárásának hiányosságait, melyek nem veszik figyelembe a növekvő szelemen- és trapézlemez keresztmetszetek merevség csökkentő hatását, ami a nagyobb külpontosság miatt következik be. Ezen hiányosságok vizsgálata érdekében a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Hidak és Szerkezetek Tanszék Szerkezetvizsgáló Laboratóriumában panelkísérlet-sorozatot végeztünk, mely során síkjában terhelt 3 m x 3 m-es paneleket vizsgáltuk összesen 18-féle kísérleti konfigurációban. Kísérleteink során a szelemen- és trapézlemez méretét, leerősítések számát, ill. a trapézlemez burkolat csak külső vagy külső és belső oldalon való alkalmazását változtattuk. Kísérletsorozatunk alapján a merevségén túlmenően egyértelmű következtetéseket tudtunk levonni a panelek teherbírására és tönkremeneteli módjára vonatkozóan is. Kulcsszavak: könnyűszerkezetes épületek, burkolati rendszer, szelemen, trapézlemez, stressed skin design, panelkísérlet, épületmerevség, trapézlemez nyírási tönkremenetele 1. BEVEZETÉS, A KUTATÁSI TÉMA AKTUALITÁSA Az elmúlt években számos nemzetközi és tanszéki TDK dolgozat [1], illetve diplomamunka [2] keretében végzett kutatás mutatott rá arra, hogy az Eurocode számítási eljárásaiban a szelemenek és a trapézelemezek merevítő hatásának figyelembevétele még további pontosítást igényel. A pontatlanság például földrengéshatásra történő méretezéskor a biztonság kárára történő eltérést eredményez, ezért a szerzők feladatuknak tekintik egy pontosabb számítási eljárás kidolgozását és annak az Eurocode szabványrendszerébe való adaptálását. A kutatási program része a szelemen és trapézlemez fedés merevítő hatásának vizsgálata acélszerkezetű csarnokok esetében, jelen tanulmány a panelkísérlet-sorozat előkészítését, végrehajtását és a kísérlet eredményeit mutatja be. A panelkísérlet során egy terhelőkeret épült, mely segítségével az alsó gerendára húzóerőt fejtettünk ki, így vizsgálva a szerkezet nyírási merevségét. Mért mennyiségek voltak az alsó gerenda vízszintes elmozdulása, a terhelőkeret elmozdulása, továbbá mértük a sajtó által kifejtett vízszintes húzóerőt is. 2. KÍSÉRLET BEMUTATÁSA 2.1 KÍSÉRLETI KONSTRUKCIÓ A kísérlet 3 dimenziós váza az 1. ábrán látható, a terhelő keret a szürke színű acélvázra erősített vízszintes HEA160-as szelvényekből áll. A gerendán levő szelemenbakokra erősítettük fel a szelemeneket, melyekre trapézlemez került felerősítésre. Az alsó HEA szelvény jobb oldalán fejtettünk ki húzást a gerendára, és figyeltük a trapézlemez deformációit. A teljes panelkísérlet befoglaló méreteit szintén az 1. ábra tartalmazza. A vízszintes HEA160-as főtartó gerendák tengelytávolsága 3,00 m volt, melyre a függőleges szelemenek 1,50 m-es tengelytávban kerültek felerősítésre. A szelemenekre kerülő trapézlemez burkolat mérete 3 m x 3 m-es volt. A sajtót az alsó gerenda jobb végéhez erősítettük, mellyel tengelyirányú húzást fejtettünk ki.

2 1. ábra: Terhelőkeret a felerősített szelemenekkel 2.2 KÍSÉRLETI PROGRAM 2. ábra: Sajtó a terhelő keret jobb oldalán A kísérlet megtervezésekor fontosnak tartottuk, hogy a kísérlet végrehajtása során vizsgálni tudjuk a változó szelemen- és trapézlemez méretet, a változó csavarmennyiséget, és a trapézlemez burkolat szelvényének merevítő hatását (csak kívül, illetve kívül és belül alkalmazott konfigurációkat összehasonlítva). Ennek érdekében összesen 18 különböző kísérleti konfigurációt állítottunk össze, mely során az alábbi paramétereket változtattuk: szelemen: ; ;, trapézlemez: ;, leerősítések száma: minden völgyben, vagy minden második völgyben, trapézlemez burkolat: kívül, vagy mindkét oldalon alkalmazva. A kísérleti konfigurációkat az 1. táblázatban foglaltuk össze.

3 Sorszám Szelemen Trapézlemez Leerősítés 1 Minden völgyben 2 3 Dupla 4 Minden völgyben 5 6 Dupla 7 Minden völgyben 8 9 Dupla 10 Minden völgyben Dupla 13 Minden völgyben Dupla 16 Minden völgyben Dupla 3. KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE 3.1 AZ ÉRTÉKELÉS MÓDJA 1. táblázat: Kísérleti konfigurációk Trapézlemez külső / külső-belső A kísérletek során rögzítettük az alsó HEA gerenda vízszintes elmozdulásait, és az ehhez tartozó erőt. A kapott adatsorokat erő-elmozdulás diagramban ábrázoltuk. Az alábbi, 3. ábrán példaként a 7-es panelkísérlet kísérleti eredményei láthatók: ebben az esetben a Z250-es szelemenekre LTP20-as trapézlemezt szereltünk, amelyet minden 2. völgyben erősítettünk a szelemenekhez. Az ábrán is látható módon, összesen 8 ciklusban terheltünk a panelt, folyamatosan növelve a terhelést egészen a panel tönkremeneteléig. A 3. ábrán jelöltük az egyes lokális tönkremeneteli módok megjelenését, illetve a vastagon jelölt trendvonal alapján a panel merevségét is egyértelműen meghatároztuk. 3. ábra: A 7-es panelkísérlet diagramja

4 A kísérletek alapján definiáltuk az észlelt tönkremeneteli módokat, melyeket fényképekkel dokumentáltunk és a következő fejezetben mutatunk be részletesen. A 4. ábrán szintén példaként a 7-es számú kísérlet tönkremeneteli módja látható. 4. ábra: Kísérleti jegyzőkönyv - fotódokumentáció 3.2 JELLEMZŐ TÖNKREMENETELI MÓDOK BEMUTATÁSA A panelek alsó élét húzásnak kitéve az alábbi jellegzetes tönkremeneteli módok voltak megfigyelhetők, a tönkremeneteli módokat a későbbi könnyebb azonosíthatóság miatt tipizáltuk, és számozással láttuk el. Általában a legtöbb esetben a tönkremeneteli módok egymással való kombinálódása volt megfigyelhető ES TÖNKREMENETELI MÓD Az 5. ábrán látható az 1-es típusú tönkremeneteli mód: a baloldali lemezmezők szétnyílása, lemezhorpadás az illesztések között. A panelek alsó élét növekvő nagyságú húzóerővel terheltük, melynek hatására kezdetben az illesztések között keletkezett a fentiekben jellemzett tönkremeneteli mód. A legtöbb esetben a panel tönkremenetele ezzel a tönkremeneteli móddal kezdődött, majd panelmerevségtől függően jelentek meg további tönkremeneteli módok. 5. ábra: Baloldali lemezmezők szétnyílása

5 ES TÖNKREMENETELI MÓD Merevebb konstrukciókban, például minden völgyben leerősített esetekben fordult elő a 6. ábrán látható jobb felső szelemenvég elcsavarodása AS TÖNKREMENETELI MÓD 6. ábra: Jobb felső szelemenvég elcsavarodása A 7. ábrán látható tönkremeneteli mód a lemezszélek vízszintes hullámosodása, lemezhorpadás. 7. ábra: Lemezszél horizontális hullámosodása

6 ES TÖNKREMENETELI MÓD A magasabb trapézlemez profilú konstrukciókban a lemezszélek függőleges hullámosodása (minden 2. hegy ellapul ), lemezhorpadás volt megfigyelhető ÖS TÖNKREMENETELI MÓD 8. ábra: Lemezszél függőleges hullámosodása A jellemző végső paneltönkremenetelt a legtöbb esetben a trapézlemez oválosodása okozta az illesztések körül. 9. ábra: Trapézlemez kiszakadása Összefoglalva, a konstrukció merevségétől függően, vagy a szelemen elcsavarodása indult meg, vagy a lemezek szétnyílása az illesztések között és a lemezszél hullámosodása, lemezhorpadási tönkremenetelként. Végső tönkremenetelként pedig a lemez kiszakadása volt a leggyakoribb tönkremeneteli mód a trapézlemez illesztések körül. Az önfúró csavar tönkremenetelét egyetlen esetben sem figyeltünk meg.

7 3.3 PANELMEREVSÉGEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Az alábbi 2. táblázatban foglaltuk össze a panelek számított merevségeit, melyeket a 3.1 pontban bemutatott módon a lineáris szakaszt tartalmazó trendvonal alapján felvett grafikonról olvastunk le: Sorszám Szelemen Trapézlemez Leerősítés Trapézlemez külső / külső-belső Panel merevsége (kn/mm) 1 Minden völgyben 0, , Dupla 0, Minden völgyben 0, , Dupla 0, Minden völgyben 0, , Dupla 0, Minden völgyben 0, , Dupla 0, Minden völgyben 0, , Dupla 0, Minden völgyben 0, , Dupla 0, táblázat: Panelmerevségek Általánosságban elmondható, hogy a legmerevebb konstrukciók között vannak dupla kialakításúak (kívülre és belülre helyezett trapézlemezes konstrukció), valamint az is elmondható, hogy a csavarszám csökkentése jelentősen ront a panel merevségén. Például a legkisebb szelemen és trapézlemez kombinációjával készített panelkísérletek esetén a szimpla, minden völgyben leerősített kialakítás merevebbnek bizonyult még a dupla, de minden 2. völgyben leerősített kombinációnál., csak egyoldali trapézlemez alkalmazása esetén, minden völgyben alkalmazott leerősítéssel elmondható, hogy bármilyen szelement is választunk, a legmerevebb konstrukciót a kisebb trapézlemez (LTP20) esetén kapjuk (3. táblázat). Sorszám Szelemen Trapézlemez Leerősítés Trapézlemez külső / külső-belső Panel merevsége (kn/mm) 1 Minden völgyben 0, Minden völgyben 0, Minden völgyben 0, Minden völgyben 0, Minden völgyben 0, Minden völgyben 0, táblázat: Panelmerevségek szimpla, minden völgyben leerősített esetekben Ritkábban, csak minden 2. völgyben alkalmazott leerősítés esetén általánosságban kijelenthető, hogy a magasabb (LTP45-ös) trapézlemez alkalmazása csak ront a panelmerevségen, minden esetben a kisebb trapézlemezes kombinációk bizonyultak merevebbnek. Várakozásunknak megfelelően ezekben a

8 kombinációkban (minden 2. völgyben leerősített panelek esetén) a dupla kialakítású, kívül-belül elhelyezett trapézlemezes megoldások voltak a legmerevebbek (4. táblázat). Sorszám Szelemen Trapézlemez Leerősítés Trapézlemez külső / külső-belső Panel merevsége (kn/mm) 2 0, Dupla 0, , Dupla 0, , Dupla 0, , Dupla 0, , Dupla 0, , Dupla 0, táblázat: Panelmerevségek minden 2. völgyben leerősített esetekben Amennyiben csak a szimpla kialakításúakat hasonlítjuk össze, szintén minden 2. völgyben leerősített esetekben, akkor ismét az előzőekhez hasonlóan azt figyelhetjük meg, hogy a magasabb trapézlemez (LTP45) alkalmazása rontja a panel merevségét, viszont a szelemenméret- és vastagság növekedésének merevségnövelő hatása van (5. táblázat). Sorszám Szelemen Trapézlemez Leerősítés Trapézlemez külső / külső-belső Panel merevsége (kn/mm) 2 0, , , , , , táblázat: Panelmerevségek szimpla, minden 2. völgyben leerősített esetekben

9 3.4 PANEL TEHERBÍRÁSOK ÖSSZEHASONLÍTÁSA A következő táblázatban összefoglaltuk a panelek teherbírását (6. táblázat). Sorszám Szelemen Trapézlemez Leerősítés Trapézlemez külső / külsőbelső Maximális teherbírás (kn) Jellemző tönkremeneteli mód 1 Minden völgyben 15, ,52 1, 5 3 Dupla 24,66 1, 2 4 Minden völgyben 11,63 1, 2, 5 5 9,83 1, 3, 4, 5 6 Dupla 17,86 4, 5 7 Minden völgyben 22,25 1, 2, 3, ,53 1, 2, 3, 5 9 Dupla 33,31 1, 5 10 Minden völgyben 17,19 1, 2, ,80 3, 4, 5 12 Dupla 21,74 4, 5 13 Minden völgyben 24,21 1, ,41 1, 5 15 Dupla 28,59 1, 2, 5 16 Minden völgyben 18, ,13 4, 5 18 Dupla 22, táblázat: Panelek teherbírása (kn) és a jellemző tönkremeneteli módok Általánosságban megfigyelhető, hogy a dupla, kisebb profilmagasságú (LTP20-as) panelek teherbírása volt a legnagyobb. A szimpla kialakításúak közül a legnagyobb szelemen (), kis profilmagasságú trapézlemez kombinációval kialakított panel volt a legnagyobb teherbírású. A szimpla, minden völgyben leerősített konstrukciókat megfigyelve átlagosan közel 30 %-kal nagyobb teherbírásúak az alacsony profilmagasságú kialakítások (LTP20), mint a magas profillal kialakítottak (LTP45). Valószínűleg ebben közrejátszhat, hogy a kisebb profilmagasságúban a trapéz profilok sűrűbben helyezkednek el, így sűrűbben lehet a szelemenre a trapézlemezt felcsavarozni. Vagyis a csavarszám döntő szerepet játszik a panelek merevségével és teherbírásával kapcsolatban. Illetve a kétféle trapézlemez fajlagos, 1 m-re vetített területe megegyezik, így ez nem okoz viselkedésbeli eltérést. A szelemenméret és -vastagság növelése a hasonló konstrukciókkal összehasonlítva (amennyiben csak szelemenméretben különböznek) közel 10-40% teherbírás növekedést okoz. A teherbírást a leerősítések száma is lényegesen befolyásolja, hasonló kialakítások esetén 16-36%-kal csökken a teherbírás fele annyi csavart alkalmazva (minden 2. völgyben leerősítve). 4. ÖSSZEFOGLALÁS A panelkísérlet-sorozat során összefoglalva az alábbiakat tapasztaltuk. A panelek tönkremenetele során hasonló tönkremeneteli módok ismétlődnek, melyek elsősorban a trapézlemez, valamint kisebb arányban a szelemen tönkremenetelét prognosztizálják: szelemenvég elcsavarodása, trapézlemez hullámosodása, illesztések körül a trapézlemez kiszakadása, mint lemezhorpadási jelenségek, illetve a trapézlemez oválosodása az önfúró csavarok körül. Egyetlen esetben sem figyeltünk meg csavar tönkremenetelt. A merevségek tekintetében azt figyelhettük meg, hogy várakozásainknak megfelelően a dupla kialakítású konstrukciók bizonyultak a legmerevebbnek a magasabb szelemenek esetén (Z250 és Z300). Kis szelemenméret és kis profilmagasságú trapézlemez esetén ez a hatás nem érvényesül (Z200 és LTP20 kombinációjában), ebben az esetben a szimpla, minden völgyben leerősített verzió volt a legmerevebb.

10 Általánosságban kijelenthető, hogy a kisebb profilmagasságú trapézlemez (LTP20) használata növeli a panelmerevséget a nagyobbal (LTP45) szemben. Ez a kijelentés kivétel nélkül érvényes az összes kísérleti konfiguráció esetén. A teherbírás vizsgálata esetén is hasonló tendenciákat figyelhetünk meg: a dupla (kívül-belül alkalmazott trapézlemezes) kialakítás a legmerevebb. A kisebb profilú trapézlemezes konstrukció mindig nagyobb teherbírású volt a hozzá hasonló kialakításhoz képest. Ez szorosan összefügg az elhelyezhető csavarszámmal, hiszen a kisebb profilú trapézlemez esetén a trapézprofilok sűrűbben helyezkednek el, így sűrűbben lehet a trapézlemezt leerősíteni, mely egy merevebb konstrukciót eredményez. A szelemenméret és -vastagság növelésnek teherbírás növelő hatása érezhető, melynek aránya közel %. Hasonló konstrukciókat vizsgálva a leerősítések számának is hasonló hatását figyeltük meg: 16-36%-kal nagyobb a teherbírás, ha minden völgyben alkalmazunk leerősítést (minden 2. völgyben leerősített panelhez képest). A panelkísérlet-sorozat végrehajtása után további célunk a kísérlet numerikus modellezése, majd a modell verifikálása után a kísérletsorozat kiterjesztése, mely során virtuális kísérletekkel tudjuk meghatározni a panelmerevségeket és a teherbírást más szelvényméretek esetén is. HIVATKOZÁSOK [1] KENÉZ, Á., RÁCZ, A., Stiffening effect of trapezoidal sheetings on steel halls, Young Scientific Conference (in Hungarian), supervisors: Dunai, L., Joó, A. L., BME Department of Structural Engineering, 2014 [2] SCHAUL, P., Stiffening effect of trapezoidal sheetings on the behavior of steel halls, MSc diploma work (in Hungarian), supervisor: Joó, A.L., Kotormán, I., BME Department of Structural Engineering, [3] P.K.A. YIU: BRANZ STUDY REPORT. Profiled sheet steel claddings as diaphragms General review. Building Research Association New Zealand, [4] LARRY D. LUTTRELL: Strength and behaviour of light-gage steel shear diaphragms. Cornell University, Ithaca, New York, [5] J. MICHAEL DAVIES: Developments in stressed skin design. The University of Manchester, Manchaster, UK, [6] TORSTEN HÖGLUND: Stabilisation by stressed skin diaphragm action.. Swedish Institue of Steel Construction, Stockholm, 2002.