XII. MAGYAR MECHANIKAI KONFERENCIA MaMeK, 2015 Miskolc, 2015. augusztus 25-27. 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.
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.
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 11 12 Dupla 13 Minden völgyben 14 15 Dupla 16 Minden völgyben 17 18 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
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. 3.2.1 1-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
3.2.2 2-ES TÖNKREMENETELI MÓD Merevebb konstrukciókban, például minden völgyben leerősített esetekben fordult elő a 6. ábrán látható jobb felső szelemenvég elcsavarodása. 3.2.3 3-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
3.2.4 4-ES TÖNKREMENETELI MÓD A magasabb trapézlemez profilú konstrukciókban a lemezszélek függőleges hullámosodása (minden 2. hegy ellapul ), lemezhorpadás volt megfigyelhető. 3.2.5 5-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.
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 0,4327 2 0,1875 3 Dupla 0,3812 4 Minden völgyben 0,2281 5 0,1459 6 Dupla 0,2826 7 Minden völgyben 0,4274 8 0,3605 9 Dupla 0,5688 10 Minden völgyben 0,3187 11 0,2056 12 Dupla 0,2945 13 Minden völgyben 0,4086 14 0,3842 15 Dupla 0,5947 16 Minden völgyben 0,3800 17 0,1967 18 Dupla 0,3260 2. 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 0,4327 4 Minden völgyben 0,2281 7 Minden völgyben 0,4274 10 Minden völgyben 0,3187 13 Minden völgyben 0,4086 16 Minden völgyben 0,3800 3. 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
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 0,1875 3 Dupla 0,3812 5 0,1459 6 Dupla 0,2826 8 0,3605 9 Dupla 0,5688 11 0,2056 12 Dupla 0,2945 14 0,3842 15 Dupla 0,5947 17 0,1967 18 Dupla 0,3260 4. 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 0,1875 5 0,1459 8 0,3605 11 0,2056 14 0,3842 17 0,1967 5. táblázat: Panelmerevségek szimpla, minden 2. völgyben leerősített esetekben
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 15,79 2 2 11,52 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, 5 8 17,53 1, 2, 3, 5 9 Dupla 33,31 1, 5 10 Minden völgyben 17,19 1, 2, 5 11 11,80 3, 4, 5 12 Dupla 21,74 4, 5 13 Minden völgyben 24,21 1, 2 14 17,41 1, 5 15 Dupla 28,59 1, 2, 5 16 Minden völgyben 18,88 5 17 12,13 4, 5 18 Dupla 22,70 5 6. 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.
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 10-40 %. 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, 2013. [3] P.K.A. YIU: BRANZ STUDY REPORT. Profiled sheet steel claddings as diaphragms General review. Building Research Association New Zealand, 1987. [4] LARRY D. LUTTRELL: Strength and behaviour of light-gage steel shear diaphragms. Cornell University, Ithaca, New York, 1967. [5] J. MICHAEL DAVIES: Developments in stressed skin design. The University of Manchester, Manchaster, UK, 2007. [6] TORSTEN HÖGLUND: Stabilisation by stressed skin diaphragm action.. Swedish Institue of Steel Construction, Stockholm, 2002.