EESTI MAAÜLIKOOL Metsandus- ja maaehitusinstituut Rauno Hein TAMMEPUIDUST PLAATNAAGLITEGA ÜHENDATUD LIITTALADE KATSED THE EXPERIMENTS OF TIMBER BEAMS CONNECTED WITH OAK PLATE DOWELS Ehitusinseneriõppe lõputöö Maaehituse õppekava Juhendaja: lektor Marko Teder, MSc Tartu 2016
Lõputöö koostasin iseseisvalt. Kõigile töös kasutatud teiste autorite töödele ja andmeallikatele on viidatud. Kinnitan, et annan oma intellektuaalomandi varalised õigused lõputöö tulemuste suhtes üle Eesti Maaülikoolile.... Kuupäev/nimi/allkiri Tunnistan lõputöö kaitsmisvalmiks. Juhendaja:... Kuupäev/nimi/allkiri
Eesti Maaülikool Magistritöö lühikokkuvõte Kreutzwaldi 1, Tartu 51014 Autor: Rauno Hein Õppekava: Maaehitus Pealkiri: Tammepuidust plaatnaaglitega ühendatud liittalade katsed Lehekülgi: 82 Jooniseid: 52 Tabeleid: 11 Lisasid: 9 Osakond: Uurimisvaldkond: Juhendaja(d): Kaitsmiskoht ja aasta: Maaehituse osakond Puitkonstruktsioonid Marko Teder Tartu 2016 Magistritöö eesmärgiks oli teostada koormuskatsed tammepuidust plaatnaaglitega ühendatud liittaladega ning võrrelda katse tulemusi teoreetiliste arvutustega. Arvutustes lähtuti СНиП II-25-80 ehitusnormidest ja selle lisast (ЦНИИСК им. Кучеренко 1986) ning Allika ja Kulbachi poolt 1962. aastal välja antud raamatust Puitkonstruktsioonid. Katsed teostati seoses sellise ühendusviisi vähese uuringu ning kasutuse tõttu tänapäeval. Katse käigus uuriti ka plaatnaaglite endi tugevust ning teostati eelpool mainitud liittalade hinnakalkulatsioon võrreldes liimpuittaladega. Katsete läbiviimiseks konstrueeriti kuusepuidust liittalad (6 tk), mille sidemeteks kasutati tammepuidust (Euroopa tamm) plaatnaagleid. Kõik katsekehad olid ligikaudu kuus meetrit pikad kogu ristlõikega 100 400mm. Liittaladele teostati Eesti Maaülikooli laboris purustavad katsed, mis viidi läbi lähtuvalt EVS-EN 408:2010+A1:2012 standardist (2012). Lisaks teostati plaatnaaglite (20 tk) katsed nihketugevuse määramiseks, mis olid mõõduga 12 58 50 mm. Nende puhul lähtuti standardist ASTM D905 08 (2013). Plaatnaaglite nihkekatsete tulemusena selgus, et katseliste väärtuste kohaselt olid plaatnaaglid ligi 50% tugevamad võrreldes arvutuslikul teel saadud tulemustega. Töös näidati, et liittalades võib kasutada 95%-lise tõenäosusega arvestuslikust hulgast väiksemal hulgal naagleid, tagades liittala töötamise ühtse elemendina katse tulemustes saadud piirkoormuste korral. Hinnakalkulatsiooni tulemusena leidis autor, et sellise liittala konstrueerimine tuleb võrreldes liimpuittalaga vähemalt 37% odavam. Magistritöö raames teostatud uuringu vajalikkus seisnes samuti ka keskkonnasõbraliku, soodsa ja otstarbeka lahenduse uurimisel liittala konstrueerimiseks. Sarnaste uuringute teostamine on vajalik selleks, et tellijal oleks võimalik vastavalt erinevatele juhtudele (nt restaureerimisel) kasutada erinevaid liittala konstruktsioone. Antud magistritöö puhul on selleks lahenduseks plaatnaaglitega ühendatud liittalad. Märksõnad: paindekatse, nihkekatse, naagelühendused, maksumus
Estonian University of Life Sciences Abstract of Master s Thesis Kreutzwaldi 1, Tartu 51014 Author: Rauno Hein Specialty: Rural Building Title: The experiments of timber beams connected with oak plate dowels Pages: 82 Figures: 52 Tables: 11 Appendixes: 9 Department: Field of research: Supervisors: Place and date: Department of Rural Building Timber structures Marko Teder Tartu, 2016 The purpose of the Master s thesis was to analyze and test compound wood beams connected with oak plate dowels. Another aim of the thesis was to analyze and compare the conformity of the theory and experiments of compound beams and oak plate dowels. During the thesis the author also examined the shear strength of oak plate dowels and compared the building cost with glue laminated beam. The calculations are based on СНиП II-25-80 building code and its appendix (ЦНИИСК им. Кучеренко 1986) and a book Puitkonstruktsioonid released in 1962 by Allikas and Kulbach. The tests were executed due to the small amount of usage and studies of such connection method. In order to carry out large test piece experiments, the author constructed six spruce wood compound beams connected with oak plate dowels. All the large test pieces were about six meters long and their cross-sections were 100 400 mm. The large destructive experiments were carried out in the laboratory of Estonian University of Life Sciences according to EVS-EN 408:2010+A1:2012 standard (2012). Small oak plate dowel tests (20 pcs.) were also conducted and the purpose of these tests was to determine the shear strength of oak plate dowels. The oak plate dowel dimensions were 12 58 50 mm. The small experiments were carried out according to ASTM D905 08 standard (2013). The oak plate dowel test results showed that experimentally found results are up to 50% stronger than the calculated results. This indicates that with 95% of a probability, compound beams need less oak plate dowels to act as one unit in the same ultimate load as found in the results of experiments. The results of the price calculation indicate that the studied constructive solution, compound beam, results in 37% less of a cost both in material and work price, than glue laminated beam. The necessity of this thesis study was to examine a sustainable, profitable and effective solution for building a compound beam. Further similar studies are recommended to find the best solution for constructing a compound beam in different situations (e.g. restoration) which would also be beneficial to the clients. In the case of the thesis the solution is compound beam connected with oak plate dowels. Keywords: bending, shear, dowel connections, cost
SISUKORD SISSEJUHATUS... 9 1 Kirjanduse ülevaade... 12 1.1 Puitmaterjali eelised ja puudused... 12 1.2 Liittalad... 14 1.2.1 Puidust (liit)talade eelised terastalade ees... 15 1.2.2 Liittalade kasutuskohad... 15 1.2.3 Erinevad ühendusmeetodid liittalade konstrueerimiseks... 17 1.3 Varem teostatud sarnased tüüblitega/naaglitega ühendatud liittalade uuringud... 18 1.3.1 Prismaliste tüüblite kasutus seinaelementides... 18 1.3.2 Liittalade tugevdamine pulknaaglite ja teraskinnititega... 20 1.3.3 Tüüblitega ühendatud liittalade katsed... 21 1.4 Puidust plaatnaaglid... 23 1.4.1 Plaatnaaglite arvutusteooria... 24 1.5 Plaatnaaglitega ühendatud liittala... 28 1.5.1 Arvutusteooria plaatnaaglitega ühendatud liitalade konstrueerimiseks... 29 2 Uurimismaterjalid ja metoodika... 33 2.1 Arvutuskäik... 33 2.1.1 Plaatnaaglitega ühendatud liittalade arvutused... 33 2.2 Katsekehade valmistamine... 37 2.2.1 Katsekehade algandmed... 37 2.2.2 Plaatnaaglite valmistamine... 38 2.2.3 Liittalade konstrueerimise tehnoloogia... 39 2.3 Katseseadmed ja vahendid... 41 2.3.1 Katsete jaoks vajalikud seadmed ja vahendid... 41 2.3.2 Hüdrauliline press Lukas 250... 42 2.3.3 Niiskusmõõtur FME moisture meter... 43 2.3.4 Fakkop Microsecond Timer... 43 2.4 Katsete metoodika ning teostus... 44 2.4.1 Plaatnaaglite nihketugevuskatse... 44 2.4.2 Liittalade katsete metoodika... 45 3 Katsetulemused... 48 3.1 Talade ning tammepuidu niiskussisaldused... 48 5
3.2 Naaglite nihkekatsete tulemused... 49 3.2.1 Nihketugevused... 49 3.2.2 Liittalade purunemiseeldused lähtuvalt naaglite katsetulemustest... 51 3.3 Liittalade katsete tulemused... 54 3.3.1 Liittalade maksimaalsed koormused ning läbipainded... 54 3.3.2 Läbipainded... 56 3.3.3 Talade omavahelised nihked... 57 3.3.4 Liittalade elastsusmoodulid... 59 3.4 Liittalade maksumus... 60 Kokkuvõte... 62 Summary... 65 Kasutatud kirjandus... 67 Lisad... 70 Lisa 1. Talade niiskussisalduse mõõtmise tulemused FME moisture meter iga Eesti Maaülikooli saabudes,vahetult enne katsekehade konstrueerimist ning enne katseid... 71 Lisa 2. Saematerjali andmed... 72 Lisa 3. Talade klassifitseerimine mõõtetulemuste abil eeldatavatesse tugevusklassidesse... 73 Lisa 4. Plaatnaaglite andmed ning ristikiudu nihkekatsete tulemused... 74 Lisa 5. Plaatnaaglite purunemispildid... 75 Lisa 6. Liittalade lõige ning plaatnaagel koos mõõtudega... 77 Lisa 7. Liittalade katsetulemused... 78 Lisa 8. Liittalade purunemispildid... 79 Lisa 9. Kiivetugistik... 81 6
LÜHENDITE JA TÄHISTE LOETELU Ladina tähed A jõuõlg punktkoormuseni [mm] B tala laius [mm] b 1 ühepoolse naaglipesa sügavus [mm] b d plaatnaagli laius [mm] d max (w) tala maksimaalne läbipaine [mm] E materjali elastusmoodul [N/mm 2 ] F punktkoormus [N] f (w) liittala maksimaalne läbipaine [mm] f eel liittala eeltõus [mm] f lub lubatud tala läbipaine [mm] H ühe prussi kõrgus [mm] H liittala kõrgus [mm] h s tapi sügavus [mm] I ristlõike inertsimoment [mm 4 ] I br ristlõike bruto inertsimoment [mm 4 ] K ж tegur L tala sille [mm] l d plaatnaagli kõrgus [mm] M max maksimaalne paindemoment [Nmm] n pl minimaalne plaatnaaglite arv [tk] N pl maksimaalne plaatnaaglite arv [tk] P max silindrilt tulenev koormus [N] q jaotatud koormus [N/mm] S 1 plaatnaaglite vaheline kaugus [mm] S br ristlõike bruto staatiline moment neutraaltelje suhtes [mm 3 ] T plaatnaagli arvutustugevus [N] t d plaatnaagli paksus [mm] 7
u inst (w) tala maksimaalne läbipaine [mm] W vastupanumoment [mm 3 ] Kreeka tähed σ pinge [N/mm 2 ] Lühendid K1- K20 katsetatavad plaatnaaglid LT...-... liittala lühend (nt. LT 3-12) SA1- SA2 nihkeandurid liittala otstes SAL siirdeandur läbipainde mõõtmiseks T1- T12 lihttalade lühendid 8
SISSEJUHATUS Puit on tänaseni olnud üks põhilisemaid ehitusmaterjale, mis leidis kasutust juba esivanemate aegadel. Okaspuulaadsed on kasvanud maismaal juba 200...300 miljonit aastat tagasi (Saarman ja Veibri 2006). Tänu selle kergele kaalule, töödeldavusele ja tugevusele hakati seda üsna kiirelt kasutama ehitusmaterjalina. Üheks põhilisemaks kasutamise põhjuseks kujunes fakt, et puu tüvi moodustab ka ise kandekonstruktsiooni tala ja posti (Allikas ja Kulbach 1962). Tänapäeval kasutatakse puitu hoonete või rajatiste ehitamisel selle kerge kättesaadavuse ja taastuva omaduse tõttu. Samuti on puit taaskasutatav ning ümbertöödeldav. Neil põhjustel on puidu kasutamine hoonete või rajatiste ehitamisel sageli vältimatu. Hoonete ehitamisel kasutatakse puitu alates abikonstruktsioonidest kuni suurte kandekonstruktsioonielementideni. Eelmainitult on puit üks tähtsamaid ehitusmaterjale ning ühtlasi on see ka vastupidav, tugev, taastuv ja looduslähedane ning just neil põhjustel kasutatakse teostatavas lõputöös kandekonstruktsioonielemendi ehk liittala konstrueerimisel ainumaterjalina puitu. Teadmised puiduvaldkonnas on tänaseni väga palju arenenud. Eriti suurt tähelepanu on pälvinud liimpuidust elemendid, mille tohutu areng on põhjustanud selle laialdase kasutuse üle maailma. Liimpuit on tõhus ja hea ehituskonstruktsioonideks kasutatav materjal, kuid kuna selle tootmine paiskab õhku keskkonda saastavaid ained ning on väga energiakulukas (O Loinsigh, Oudjene jt 2012), siis on magistritöö autor otsustanud uurida lähemalt muud alternatiivset lahendust. Väiksemate hoonete vahelagede, põrandate või muude suuremate sillete või kandekonstruktsioonide puhul on teisigi lahendusi lisaks liimpuidule. Teiste seas näiteks liittalad, mille kasutamine ja tootmine võib osutuda liimpuittalast odavamaks ning keskkonnasõbralikumaks. Lõputöö ajendiks on alternatiivsete lahenduste uurimine, mis võimaldaks kasutada konkreetsetes olukordades erinevaid lahendusi sõltuvalt ehitaja või tellija majanduslikest eelistustest ja võimalustest. 9
Liittalade konstrueerimise põhimõte seisneb selles, et talad ühendatakse omavahel mitme kaupa horisontaalselt või vertikaalselt kokku. Liittalasid saab konstrueerida väga erinevate kinnitusvahenditega, milleks on näiteks poldid, kobad, naelad, kruvid, diagonaallaudised, tüüblid, metallseibid, ogaplaadid või puidust/metallist naaglid (Allikas 1985). Käesolevas magistritöös on piirdutud ühe konkreetse lahenduse uurimisega, milleks on tammepuidust plaatnaaglitega ühendatud liittalad. Magistritöös võetakse kinnitusvahenditena kasutusele puidust plaatnaaglid selleks, et saavutada lõppkonstruktsioon üksnes puidust materjalidega. Sellise konstruktsiooni valiku põhjuseks on soov teostada võrdlus liimpuittalaga nii nende kandevõimes kui ka nende tootmise keskkonnasõbralikkuses ja konstrueerimise hinnas. Täpsustuseks peab siiski välja tooma, et liittaladele lisatakse metallist poldid, millega tõmmatakse liittala tihedalt kokku ning, mis tagavad naaglitega konstruktsiooni koospüsimise. Magistritööle sarnaseid uuringuid puidust plaatnaaglitega ühendatud liittalade kohta on kirjandusest vähe leida ning tänapäeva ehituspraktikas on sellised konstruktsioonid vähe levinud. Seetõttu on läbiviidavad katsed vajalikud ning informeerivad, et jõuda selgusele, kas antud alternatiivne lahendus liittalast oleks nii ehitajale kui ka tellijale majanduslikult ökonoomne ja otstarbekas. Positiivsete tulemuste korral oleks sellise liittala kasutamine mitmeti kasulik, kuna selle lahenduse puhul on nii töömahukus kui ka primaarenergia väiksem. Lisaks näitena reustaureerimise juures, kus peakandja jääb eksponendiks, ei ole ilus kasutada liimpuitu ehk tegemist oleks liialt kaasaegse lahendusega. Magistritöö eesmärgiks on teostada katsed ja analüüsida tammepuidust plaatnaaglitega ühendatud liittala kandevõimet ning võrrelda neid arvutuslikult saadud tulemustega. Lisaks liittalade uurimisele katsetatakse ka plaatnaaglite endi tugevust nihkele. Töö käigus selgitatakse välja, millised on kasutatava liittala juures nii positiivsed kui ka negatiivsed küljed. Magistritöö esimene peatükk on kirjanduse ülevaade. Selles kirjeldatakse puidu omaduste head ja halvad küljed. Samuti on selgitatud liittalade olemust ja vajadust ning nende erinevaid liittalade ühendusvõimalusi. Teostatud on põhjalik kirjandusanalüüs, mis hõlmab varem tehtud analoogseid katseid. Esimeses peatükis tuuakse välja plaatnaaglitega ühendatud liittalade konstrueerimiseks vajalikud arvutusalused. 10
Töö teises osas teostatakse lähtuvalt esimeses peatükis selgitatud valemite järgi vajalikud teoreetilised arvutused katsetatavate liittalade ja plaatnaaglite kohta. Seejärel selgitatakse, milline on katsete teostusmetoodika liittala paindekatse ja naaglite nihkekatse puhul ning millised on katsete läbiviimiseks vajalikud vahendid. Teise peatüki lõpus kirjeldatakse katsekehade algandmeid ja valmistustehnoloogiat. Kolmandas peatükis on katseliste tulemuste analüüs ning nende järeldused. Töö lõppeb kokkuvõttega nii eesti kui ka inglise keeles. Seoses lõputöö kirjutamisega soovib autor tänada oma juhendajat lektor Marko Tederit, kes juhendas teda kogu magistritöö kirjutamise vältel. Samuti tänab autor EMÜ metsanduse- ja maaehitusinstituudi metsatööstuse osakonna lektorit Regino Kaske, kes aitas valmistada liittalade jaoks vajalikud plaatnaaglid ning kes juhendas plaatnaaglite katsete teostamisel vajamineva katseseadeldise INSTRON 3369 kasutamisel. Ühtlasi tänab autor oma kursusekaaslast Tõnu Timmat, kes varustas teda tammeplanguga, ning oma onu, kes toetas saematerjali ostmisega. 11
1 KIRJANDUSE ÜLEVAADE 1.1 PUITMATERJALI EELISED JA PUUDUSED Puitkonstruktsioonide valmistamise eelisena võib välja tuua, et see ei sõltu aastaajast ega ilmastikust (Allikas ja Kulbach 1962), mis soodustab selle kasutamist igas valdkonnas. Puit on suures osas taaskasutatav, ümbertöödeldav ning vähetundlik erinevate keemiliste mõjutuste suhtes (Allikas ja Kulbach 1962). Puidu kerge kättesaadavuse tõttu kasutatakse seda tänapäeval ehituses igapäevaselt. Puidu kui ehitusmaterjali eelised (University of Cambridge s.a): 1) madal energiavajadus tootmisel; 2) madal hind puidu tootmisel; 3) tegemist on loodussõbraliku materjaliga; 4) puit on taastuv materjal; 5) puidu väike erikaal tema suure tugevuse juures; 6) puidu väikse tiheduse tõttu on seda kergem transportida, 7) puidu realiseerimine on väga odav; 8) puit ei juhi elektrit; 9) puidul on madal soojusjuhtivus; 10) õigel viisil naelte ja kruvide kasutamine ei nõrgesta puitu. Kõige tähtsamaks faktoriks võib lugeda seda, et erinevalt metallidest ning muudel fossiilsetel kütustel põhinevatest materjalides, on puit taastuv ning puidu kasvu on võimalik säilitada lõputult (Forest product laboratory 2010). Nii nagu igale teisele ehitusmaterjalile, on ka puidule omased mõningad puudused. Puidu kui ehitusmaterjali puudused (University of Cambridge s.a): 1) suur omaduste varieeruvus lähtuvalt puiduliigist ning suur sõltuvus puidu kasvutingimustest; 2) puit on mõõtmetelt ebastabiilne, kuna puidus olev vesi muudab selle mõõtmeid; 12
3) niiskuse suurenedes puidu tugevus kahaneb; 4) ajast sõltuvad deformatsioonid nt. läbipaine; 5) puit on kergesti süttiv; 6) puit on tundlik termiitide, kooreüraskite ning saastatuse suhtes; 7) puitu ei saa kasutada kõrgete temperatuuride juures; 8) puit on vastuvõtlik mädanike ja muude haiguste suhtes; 9) puit on anisotroopne materjal. Mõningaid puidu puuduseid on võimalik osaliselt ka vältida. Põlemist saab tänapäeval vältida kasutades mitmesugused erinevaid puiduvõõpasid ning kahjurite ja mädanike vastu aitavad spetsiaalselt puidu jaoks sobilikud immutusvahendid. Puidu niiskus mängib samuti väga olulist rolli puidu tugevusomaduste suhtes. Joonisel 1 on graafiliselt kujutatud puidu tugevuse kasvu pikikiudu puitmaterjali niiskuse vähenemisel (Dinwoodie 1975). Joonis 1. Pikisuunalise survetugevuse muutus vastavalt puidu niiskussisaldusele (Dinwoodie 1975) 13
Seoses sellega, et puit on taastuv, looduslik ning omab väga palju positiivseid eelised, on magistritöös kasutatud ainumaterjalina puitu. Liittala konstrueerimisel on lõputöös kasutatud sidemetena tammepuidust plaatnaagleid ning taladeks kuusepuidust saematerjali. 1.2 LIITTALAD Tala puhul on tegemist paindele töötava elemendiga ning varraste ja postide puhul survele töötava elemendiga (Hajianmaleki ja Qatu 2010). Käesoleva magistritöö puhul on tegemist paindele töötava elemendiga ehk täpsemalt liittalaga. Liittala (ing. k. compound beam, composite beam, built-up beam) on kahest või mitmest erinevast elemendist ühendatud liittala, mille tagajärjel töötab see kui ühtne element (Harris 2003). Liittala peab olema piisavalt tugev, et tagada konstruktsiooni jäikus. Nende konstrueerimiseks kasutatakse tänapäeval mitmeid erinevaid mooduseid. Üks põhilisemaid põhjuseid liittalade kasutamiseks on saematerjali ristlõigete piiratud mõõtmed ning seetõttu on tarvis suurema ristlõike saamiseks talad omavahel ühtseks konstruktsioonielemendiks ühendada. Samuti on piiratud ka talade maksimaalne pikkus seoses standardse puitmaterjali pikkusega. Võrreldes liittalasid samaväärse ristlõikega lihttaladega, on liittalade tugevusomadused nõrgemad (Maripuu 1989). Liittala põhimõte seisneb selles, et pärast talade omavahelist ühendamist töötaks see ühtse konstruktsioonielemendina, kus tala alumiseks vööks on tõmbevöö ning ülemiseks survevöö. Joonisel 2 on näha liittala töö põhimõtet ning paindele töötamisel pingete jaotust. 14
Joonis 2. Joonisel A on talad vabalt üksteise peal ning joonisel B on talad ühendatud omavahel liittalaks ehk ühtseks konstruktsioonielemendiks. Jooniste taha on lisatud nende paindepingete jaotused. 1.2.1 Puidust (liit)talade eelised terastalade ees Tabel 1. Puidust talade võrdlus terastaladega (Forest & Wood Products Australia 2008) Metallist talad Teras on kallis materjal Vajab spetsialistist tarnijat ning kokku panijat Vajab ehitusplatsil spetsialistis alltöövõtjat Terastalad on rasked, mistõttu nõuavad need paika tõstmisel kraanasid, troppijaid jne Keevitamisel tekivad ohutusega seotud küsimused Konstrueeritud puidust talad Puit on odav materjal Üks tarnija/tootja iga struktuurilise olukorra jaoks Piisab ühest puusepast platsil kõikide tööde elluviimiseks Puit on kerge materjal, mistõttu on seda platsil kergem hallata Ei vaja ohutusnõudeid puusepatööde ajal 1.2.2 Liittalade kasutuskohad Komposiittalasid ehk liittalasid kasutatakse tänapäeval ehituses kandekonstruktsioonidena erinevate funktsioonide täitmiseks. Neid konstruktsioonielemente kasutatakse üldjuhul 15
põrandate, vahelagede, katuste või mõne muu kandekonstruktsiooni ehitamisel, millel on erineva suurusega sildeava vajadus. Joonisel 3 on välja toodud mõned (liit)talade kasutusvõimalused hoonete ehitamisel erinevates situatsioonides. Joonis 3. Erinevad võimalused (liit)talade kasutamisel hoonetes (Timber Development Association 2008) Lisaks eelneval joonisel näidatud juhtudele, kasutatakse liittalasid ka paljudes muudes kohtades, nagu näiteks sildade ehitamisel. Joonisel 4 on näha puidust liittalade kasutamist ühe puidust silla näitel. Joonis 4. Tüüblitega ühendatud liittalade kasutamine sillakonstruktsioonina (CTS Bridges s. a.) 16
1.2.3 Erinevad ühendusmeetodid liittalade konstrueerimiseks Tänapäeval on liittalade konstrueerimisviise väga palju. Liittalade liitmiseks/ühendamiseks on palju erinevaid kinnitusvahendeid: naelad, kruvid, poldid, ogaplaadid, tüüblid, liimid ning erinevad naaglid pulk- ja plaatnaaglid. Tüüblite ning naaglite valmistamiseks kasutatakse nii metalli kui ka puitu. Allolevatel joonistel 5 ja 6 on toodud välja mõningad liittalade ühendamiseks levinud sidemetüübid. Joonis 5. Erinevad üldlevinud kinnitusvahendid liittalade konstrueerimiseks (A. Just ja E. Just 2015) Joonis 6. Ogaplaat, mida kasutatakse nii talade kui ka sõrestike ühendamiseks (A. Just ja E. Just 2015) Üks kõige laialdasemalt kasutatud ühendusviis tänapäeval on puidu liimimine ehk liimpuidu valmistamine. Liimpuidu abil on võimalik luua väga suure sildega ning erineva funktsiooniga kandureid. Samuti võivad need olla ka väga keerulise kujuga (vt. joonis 7). Joonis 7. Liimpuidu kasutuse näide (Glued Laminated Timber Association 2010) 17
Liittalade konstrueerimiseks on veel lisaks eelmainitud võimalustele ka muid lahendusi, näiteks puit-betooniga, puit-metalliga, betoon-terasega jne. 1.3 VAREM TEOSTATUD SARNASED TÜÜBLITEGA/NAAGLITEGA ÜHENDATUD LIITTALADE UURINGUD 1.3.1 Prismaliste tüüblite kasutus seinaelementides Schmidt i ja Blassi poolt 2015 aastal koostatud katseline uuring on küllaltki sarnane autori poolt teostatava magistritööga. Nimelt uurisid ja katsetasid saksa teadlased ristkihtpuidust seinaelemente, mille kinnitussidemeteks olid naaglilaadsed prismalised tüüblid (Schmidt ja Blass 2015). Antud uuringus on välja toodud, et üldiselt on kahte sorti kinnitusviise: otsene kinnitus ja mitteotsene kinnitus (Schmidt ja Blass 2015). Nende vahe seisneb selles, et otsese kinnitusviisi puhul ei kasutata naagleid ning koormusest tulenevad jõud liiguvad mööda freesitud kontuuri, mis jääb kahe ehitusplaadi vahele (Schmidt ja Blass 2015). Mitteotsese kinnitusviisi puhul kasutatakse aga tüübleid (Schmidt ja Blass 2015). Joonisel 8 on välja toodud ka illustreeriv joonis nende kahe viisi erinevuse kohta. Joonis 8. Otsene ja mitteotsene ühendus (Schmidt ja Blass 2015) 18
Katsekehade katsetamisel teostati nihkekatse, kus mudelkatsekehad on y-telje suhtes 10 kraadise nurga all ning kõik katsekehad olid ühe meetri pikkused (Schmidt ja Blass 2015). Ristkihtpuidust katsekehad olid valmistatud okaspuust, mille kogupaksuseks oli 100 mm (Schmidt ja Blass 2015). Nihet mõõdeti katse käigus mõlemast küljest ning katse tulemust hinnati tulemite aritmeetilise keskmisega (Schmidt ja Blass 2015). Kokku teostati katseid kümne erineva kinnitusvariandiga (vt joonis 9), millest S7 sarnaneb ka autori poolt koostatud magistritöö lahendusega. Variandi S7 puhul kasutati vineerist tüübleid. Need paiknesid seinaelementide suhtes risti (Schmidt ja Blass 2015). Joonis 9. Eksperimentaalkatsetustes kasutatud erinevad kinnitusviisid (Schmidt ja Blass 2015) Schmidt i ja Blassi (2015) poolt teostatud katsete tulemustena saadi, et kõige tugevamateks olid konstruktsioonid, kus kasutati tüübleid S6 ja S4. S6 konstruktsiooni puhul kasutati tüübleid, mis paigutati seinaelementide vahele diagonaalselt (Schmidt ja Blass 2015). S4 puhul kasutati väga keerulise kujuga tüüblit, mis paigaldati freesitud soontega paralleelselt (Schmidt ja Blass 2015). Variant S7 oli oma tugevuse poolest pigem kehvem. Lahendusega S7 olid sarnased ka S8, S9 ja S10 (Schmidt ja Blass 2015). S8 puhul oli tegemist lihtsalt paksema tüübliga, mille tõttu oli ka tulemus parem (Schmidt ja Blass 2015). S9 ja S10 puhul oli kasutatud kiiltüübleid ning võrreldes S7 olid ka tulemused paremad (Schmidt ja Blass 2015). 19
1.3.2 Liittalade tugevdamine pulknaaglite ja teraskinnititega Jaapanis toimub palju erinevaid maavärinaid ning selle tulemusena saavad hoonete kandekonstruktsioonid raskelt kannatada. Eriti suure kahju pälvivad just puidust ehitised. Tulevikus sarnaste olukordade vältimiseks, viidi jaapanlaste Mori, T., Minami, M., Jung, K., Kitamori, A., Komatsu, K. poolt uurimise käigus läbi mitu erinevat katset, et näha kas liittala tugevdamine pulknaaglitega võiks vähendada maavärinast tingitud purustusi (2010). Liittala konstrueerimisel kasutati vertikaalseid kruve (talade kokku tõmbamiseks) ning horisontaalselt läbivaid pulknaagleid, mis katsekehade konstrueerimisel ühendati nihke vältimiseks kahe tala vahele (joonis 10) (Mori, Minami jt. 2010). Joonis 10. Naaglite töötamisskeem nihke vältimiseks (Mori, Minami jt. 2010) Eksperimentaalses uuringus kasutati liittalade puhul terasest kinniteid (kahte erinevat tüüpi keermepolte) ning tammepuidust pulknaagleid, et vältida talade omavahelist nihkumist (Mori, Minami jt. 2010). Katsed viidi läbi erineva koguse ning diameetriga naaglite abil (Mori, Minami jt. 2010). Uuringus kasutati liittala materjalina liimpuitu (valmistatud punasest männist), kuna selle elastsusmoodulite erinevused on väiksemad kui saematerjali puhul (Mori, Minami jt. 2010). Katsetel kasutati siireandureid, millega mõõdeti liittala keskel läbipainet ning kahe tala omavahelist nihet (Mori, Minami jt. 2010). Tulemusena saadi, et enamikel katsekehadel, millel kasutati 18 mm diameetriga pulknaagleid, olid katsete läbiviimisel sarnased purustused, mis olid suuresti põhjustatud paindest ning samuti tekkisid praod naaglite ümbruses (Mori, Minami jt. 2010). Parim 20
tulemus saavutati suurima läbimõõduga naaglite puhul, ehk mida suurem oli naagli läbimõõt, seda tugevam oli liittala (Mori, Minami jt. 2010). Katsete käigus purunesid paljud naaglid seoses põikjõust tuleneva koormusega (vt. joonis 11) (Mori, Minami jt. 2010). Joonis 11. Nihkepinge tagajärjel purunenud naaglid (Mori, Minami jt. 2010) Lõpptulemusena saadi, et liittala paindejäikus oli ligi kaks korda parem võrreldes algse talaga (Mori, Minami jt. 2010). Tulemus paranes lähtuvalt naaglite arvu ning diameetri suhtes, ehk mida rohkem oli naagleid, seda jäigem ja tugevam oli ka tala (Mori, Minami jt. 2010). Suurema diameetriga naaglid pidasid suurema tõenäosusega vastu koormusest tulenevatest nihkepingetest (Mori, Minami jt. 2010). Üldiselt olid tulemused palju efektiivsemad, kui kasutati 24 ja 28 mm diameetriga naagleid (Mori, Minami jt. 2010). 1.3.3 Tüüblitega ühendatud liittalade katsed Joseph F. Miller (2009) poolt koostatud katsed viidi läbi suuresildeliste liittalade puhul. Sidemetena kasutati erineva materjaliga prismalisi tüübleid, mis paigutati talade keskele. Tüüblid olid valgest tammest ning parallam PSL-st (puidu kiududest liimitud liimpuit) (Miller 2009). Taladel, millel oli enim oksakohti, paigaldati survetaladeks (Miller 2009). Katsete läbiviimisel kasutas Joseph F. Miller oma töös koormuse lisamiseks pressi ning siirdeandureid, millega mõõdeti tala keskel läbipainet ning otstes talade omavahelist nihkumist (2009). Joonisel 12 on uuringus teostatud katsete skeem koos pressi ja andurite asetusega. 21
Joonis 12. Suure katsekeha katseskeem (Miller 2009) 1 = 25,4 mm Esimese katsekeha puhul toimus purunemine 34,1 Kips (~ 151,7 kn) juures (Miller 2009). Tulemusena toodi välja, et naaglid, mis asetsesid tala otstes, purunesid kiiremini kui tala keskel (Miller 2009). Teise katse puhul toimus purunemine 39,6 Kips (~ 176,2 kn) juures (Miller 2009). Liittala purunes tõmbevöös, mis kandus koheselt edasi ka survevööle (Miller 2009). Joonisel 13 on näha kõikide katsete tulemused, mis iseloomustab maksimaalset koormust ja deformatsiooni (Miller 2009). Sealt saab välja lugeda, et kõige suurema tugevuse tagasid parallam PSL tüüblid ehk nende abil suudeti muuta tala jäigaks. Parallam PSL tüüblitega katsekehal toimus purunemine 42,4 Kips (~ 188,6 kn) juures (Miller 2009). Lisaks tüüblitega katsetele, teostati ka ilma tüübliteta (full depth & stacked) katsed - need olid tulemuste järgi kõige nõrgemad (vt. joonis 13) (Miller 2009). 22
Joonis 13. Katsekehade katsete tulemused (Miller 2009) 1 kips = 4.4482216 kn 1 inch = 25,4 mm 1.4 PUIDUST PLAATNAAGLID Plaatnaaglid (Derevjagini plaadid) on ristkülikukujulised puidust või metallist plaadid, mis paigaldatakse kahe või kolme tala vahele (Allikas ja Kulbach 1962). Neid kasutatakse sellepärast, et muuta taladest või palkidest ühendatud talad omavahel nihkekindlaks (Allikas ja Kulbach 1962) ning ühtseks konstruktsioonielemendiks. Puidust naagleid valmistatakse kõvast lehtpuidust nagu näiteks tamme- või kasepuidust (Allikas 1985). Plaatnaagleid võib valmistada lisaks kõvale lehtpuule ka näiteks vineerist või mõnest muust tugevast puidupõhisest materjalist. Põhiline on see, et valitud materjal oleks piisavalt tugev, et võtta vastu koormusest tulenevad nihkepinged. Naaglite puhul on olulisel kohal nende tugevus ristikiudu, et tõkestada talade omavaheline nihkumine. 23
Tabelis 2 on toodud välja osade puuliikide kohta käivad üldised andmed. Sellest võib välja lugeda, et tamm on võrreldes teiste puuliikidega väga suure tiheduse ning tugevusega materjal. Negatiivseks küljeks võib lugeda tamme tõmbetugevust pikikiudu. Tabel 2. Tammepuidu omaduste võrdlus muude puiduliikidega (Veibri 2005; MatWeb s.a.) Puuliik Tamm Saar Kask Kuusk Mänd Tihedus (kg/m 3 ) 690...700 550...800 630...670 390...480 480...530 Kahanemine (%) 12,6...15,6 8,5...13,6 14,2 12,0 12,4 Tõmbetugevus pikikiudu (MPa) 90 165 137 88 104 Survetugevus pikikiudu (MPa) 53...65 38...58 54...60 35...44 47 Nihketugevus (MPa) 12,70 12,50 11,80 5,30 9,80 Paindetugevus (MPa) 88...100 80...120 107...123 66...84 87 Elastusmoodul (GPa) 10-13 8,3-13,4 13-15 8,3-13 10-12 Tüüpiliste plaatnaaglite mõõdud on vastavalt НиТУ 122-55 projekteerimisstandardile järgnevad: laius 54 mm ja paksus 12 mm või laius 72 mm ning paksus 16 mm (НиТУ 122-55 1955 ref Puitkonstruktsioonid 1962: 124). Joonisel 14 on välja toodud tammepuidust plaatnaagli skeem koos vajalike tähistustega. Antud joonisel kujutab tähis t d plaadi paksust, l d plaadi kõrgust ning b d plaadi laiust. Joonis 14. Plaatnaagel koos tähistustega 1.4.1 Plaatnaaglite arvutusteooria Plaatnaaglid paigaldatakse talade/prusside vahele. Plaatide kiud peavad jääma talade kiududega risti, et tagada naaglite piisav tugevus koormusest tuleneva nihkesurve jaoks 24
(Allikas ja Kulbach 1962). Vastasel juhul ei oleks naaglitest suurt kasu ehk liittala ei oleks jäik ega töötaks kui ühtne element. Liittalade projekteerimisel lähtub autor kirjandusest (Allikas ja Kulbach 1962) ja СНиП II- 25-80 (1980) ning selle lisast (ЦНИИСК им. Кучеренко 1986). Ühe tala kõrgus leitakse valemiga (Allikas ja Kulbach 1962): 1 1 h L (1) 10 16 kus h tala kõrgus [mm], L tala sille [mm]. Talad ühendatakse omavahel 2-4 poldiga (Allikas ja Kulbach 1962), et talad üksteisega tihedalt kokku tõmmata. Komposiittala puhul mille sille L 4 m, tuleb täiendavaks teguriks k ж = 0,7 (Allikas ja Kulbach 1962). Tähelepanu tuleb kindlasti suunata ka sellele, et vastupanumomendi ja inertsimomendi arvutamisel sisselõikest tulenevaid nõrgestusi ei arvestata (Allikas ja Kulbach 1962). Liittaladesse tuleb plaatnaaglite jaoks lõigata/freesida teatud mõõtmetega süvised, mille mõõtmete teadasaamiseks tehakse vajalik arvutus järgneva valemiga (Allikas 1985): h s 0,5l 1 (2) d kus h s tala sisse lõigatava pilu sügavus [mm], l d - plaatnaagli kõrgus [mm]. Samas peab olema täidetud tingimus naagli sisselõike sügavuse osas (Allikas ja Kulbach 1962): h s 0,2h (3) kus h s - tala sisselõike sügavus [mm], h tala kõrgus [mm]. 25
Naagli laius b d sõltub suuresti liittala laiusest. Kui b 150 mm, siis on plaatnaaglid tala laiuse suhtes täies ulatuses (Allikas 1985). Vastasel juhul, kui b > 150 mm, siis tuleb kasutada malekorras paigutust ning sellisel juhul arvutatakse naaglipesa sügavus b 1 järgmise valemiga: (Allikas 1985). b 0,5b 0,3 (4) 1 l d kus b 1 ühepoolse naaglipesa sügavus [mm]; b liittala laius [mm]; l d naagli kõrgus [mm]. Naaglite minimaalne vahekaugus arvutatakse (ЦНИИСК им. Кучеренко 1986): S 1 3,5h s td (5) kus S 1 plaatnaaglite vahekaugus [mm]; h s tala sisse lõigatava pilu sügavus [mm]; t d plaatnaagli paksus [mm]. Samuti peab arvestama järgmise tingimusega (ЦНИИСК им. Кучеренко 1986): S1 9t d (6) kus S 1 plaatnaaglite vahekaugus [mm], t d plaatnaagli paksus [mm]. Kui l d 4,5t 1986) ehk valemina: d, võetakse soovitusliku vahekaugusena (S 1 ) 10t d (ЦНИИСК им. Кучеренко S1 10t d (7) Plaatnaaglite koguse arvutamiseks on eelnevalt vajalik arvutada liittala bruto staatiline moment ning bruto inertsimoment, mis leitakse vastavalt valemite (8) ja (9) järgi (Masso jt 2012): 2 bh S (8) br 8 26
3 bh I (9) br 12 kus S br ristlõike bruto staatiline moment [mm 3 ]; I br ristlõike bruto inertsimoment [mm 4 ]; b liittala laius [mm]; H liittala kõrgus [mm]. Kuna lõputöös kasutatakse tammepuidust plaatnaagleid, mille paksuseks on 12 mm ning kõrguseks on 58 mm, siis tammepuidust plaatnaaglite arvutustugevus leitakse valemiga (Allikas 1985): T = 0, 75 b d (10) kus T naagli arvutustugevus [kn]; b d plaatnaagli pikkus [cm]. Vastasel juhul, kui plaadi paksus ei ole 12 mm, kasutatakse valemit (ЦНИИСК им. Кучеренко 1986): T = 0,625 t d b d (11) kus T naagli arvutustugevus [N], b d plaatnaagli pikkus [cm]; t d plaatnaagli paksus [cm]. Juhul kui koormuse mõju talale on sümmeetriline, jäetakse liittala keskelt 0,2L pikkuse ulatuses plaatnaaglid panemata (ЦНИИСК им. Кучеренко 1986). Minimaalne plaatnaaglite kogus servast 0,4L pikkuse ulatuses leitakse järgmise valemiga (ЦНИИСК им. Кучеренко 1986): 1,2M maxsbr n pl (12) I T br kus n pl plaatnaaglite arv liittalas (tk), M max maksimaalne paindemoment (Nmm), S br ristlõike bruto staatiline moment neutraaltelje suhtes [mm 3 ], 27
I br - ristlõike bruto inertsimoment [mm 4 ], T plaatnaagli arvutustugevus [N]. Plaatnaaglite arv, mis on võimalik paigutada maksimaalselt 0,4L pikkuse ulatuses, saab leida järgnevalt (ЦНИИСК им. Кучеренко 1986): 0,4L N pl (13) S 1 kus N pl plaatnaaglite arv [tk]; L Liittala sille [mm]; S 1 plaatnaaglite vahekaugus [mm]. 1.5 PLAATNAAGLITEGA ÜHENDATUD LIITTALA Magistritöös uuritakse nii teoreetilisel kui ka praktilisel teel liittalasid, mille sidemeteks on puidust plaatnaaglid. Plaatnaaglitega ühendatud liittalade põhimõte seisneb selles, et naaglid, mis paigutatakse tala keskel asuvatesse soontesse, võtavad vastu horisontaalsetest koormusest tulenevad nihkepinged, ehk liittala muudetakse nihkekindlaks (Allikas ja Kulbach 1962). Seega naaglite arv on suuresti seotud põikjõust. Kindlasti tuleb arvestada, et liittala ei ole siiski sama jäikuse ja tugevusega võrreldes monoliitse talaga. Liittala tugevus jääb võrreldes monoliitse talaga umbes 15-25% nõrgemaks (Maripuu 1989). Joonisel 15 on plaatnaaglitega ühendatud liittala skeem. 28
Joonis 15. Liittala skeemid koos tähistustega. Joonisel A on liittala vaade ning joonisel B on liittala läbilõige. 1.5.1 Arvutusteooria plaatnaaglitega ühendatud liitalade konstrueerimiseks Paindepinge arvutusvalemit (14), kasutati selleks, et leida talade maksimaalsed paindemomendid (15) (Masso jt 2012): M W (14) M max W (15) kus σ = f m,k materjali paindetugevus [N/mm 2 ]; M max maksimaalne arvutuslik paindemoment [Nmm]; 29
W vastupanumoment [mm 3 ]. Järgmiseks, et leida arvutuslik maksimaalne paindemoment, on eelnevalt vajalik teostada arvutus arvutusliku vastupanumomendi leidmiseks, mille valem on järgnev (Masso jt 2012): W 2 bh (16) 6 kus W vastupanumoment [mm 3 ]; b liittala laius [mm]; H liittala kõrgus (2h) [mm]. Jaotatud koormuse q, mis mõjub talale, saab tuletada alloleva valemi järgi (Masso jt 2012): 2 ql M (17) max 8 kus M max maksimaalne arvutuslik paindemoment [Nmm]; q jaotatud koormus [N/mm]; L tala sille [mm]. Järgnevalt on võimalik arvutada talale mõjuv punktkoormus, kus maksimaalsest paindemomendist jagatakse õlaga a. Selle leidmiseks kasutatakse järgmist valemit (SINTEF Byggforsk 2007): F M max (18) a kus F koormus neljapunkti paindekatsel jaotatud punktides [N]; M max maksimaalne arvutuslik paindemoment [Nmm], a kaugus tala äärest koormuse mõjumise punktini [mm]. P max leitakse järgmise valemi abil, arvestades, et koormused F mõjuvad liittalale sümmeetriliselt: P max 2F (19) 30
kus P max punktkoormus, mis tuleneb pressilt [N]; F punktkoormus [N]. P max võrdlusväärtuse katseliste maksimaalsete purunemiskoormustega. Liittala maksimaalset läbipainet on käesolevas magistritöös arvutatud kolmel erineval viisil. Esimesena teostatakse maksimaalse läbipainde arvutus kahe sümmeetrilise punktkoormuse F suhtes (SINTEF Byggforsk 2007): d Fa 24EI 2 2 max 3L 4a (20) kus d max arvutuslik maksimaalne läbipaine [mm]; a jõuõlg tala servast koormuse mõjumispunktini [mm]; F punktkoormus [N]; E materjali elastsusmoodul [N/mm 2 ]; I materjali inertsimoment [mm 4 ]; L tala sille [mm]. Teisena teostatakse arvutus läbipainde leidmiseks kahe sümmeetrilise punktkoormuse F suhtes lihtsustatud meetodil (McKenzie ja Zhang 2007): 2 0,104FaL uinst (21),1 EI kus u inst,1 tala maksimaalne läbipaine [mm]; F punktkoormus [N]; A jõuõlg tala servast koormuse mõjumispunktini [mm]; E materjali elastsusmoodul [N/mm 2 ]; I inertsimoment [mm 4 ]. Viimasena teostatakse arvutus läbipainde leidmiseks, mis sõltus materjali elastsusmoodulist, inertsimomendist, sildest, jaotatud koormusest q ning tegurist K ж (vt. tabel 4). Läbipaine arvutatakse järgmise valemiga (ЦНИИСК им. Кучеренко 1986): 31
4 5qL f (22) 384EIK Ж kus f tala arvutuslik läbipaine [mm]; q jaotatud koormus [N/mm]; L tala sille [mm]; E tala elastsusmoodul [N/mm 2 ]; I tala inertsimoment [mm 4 ]; K ж tegur (vt tabel 2). Tabel 3. Koefitsiendi K ж väärtused sõltuvalt elementide kihtide arvust ning sildest (СНиП II 25-80) Koefitsientide tähised K ж Elemendi kihtide arv Koefitsientide väärtused vastavalt elementide silletele (arvestatakse läbipainde arvutustes) (m) 2 4 6 9 2 0,45 0,65 0,75 0,8 3 0,25 0,5 0,6 0,7 10 0,07 0,2 0,3 0,4 Märkus. Vahepealsete sillete ning elementide arvu jaoks vajalikud koefitsiendid interpoleeritakse. Arvutuse käigus leitud läbipainet tuleb kontrollida lubatud läbipaindega, vastavalt millise tüübiga on tegu: Tabel 4. Lubatud läbipainded (f lub ) vastavalt konstruktsioonile (Masso jt 2012) Konstruktsioon w inst w net,fin w fin Peakandur l/400 l/300 l/200 Pärlinid ja teisejärgulised kandurid - l/200 l/150 Liittalale oleks mõistlik anda ka eeltõus, et vältida koormuse juures liigset läbipainet. Vajadusel saab arvutada eeltõusu liittalale valemi (23) järgi (ЦНИИСК им. Кучеренко 1986): f eel 1,5 f (23) kus f koormusest tingitud arvutuslik läbipaine [mm]; f eel tala eeltõus [mm]. 32
2 UURIMISMATERJALID JA METOODIKA 2.1 ARVUTUSKÄIK 2.1.1 Plaatnaaglitega ühendatud liittalade arvutused Järgnevad arvutused liittalade konstrueerimise kohta on teostati peatükkides 1.4.1 ja 1.5.1 mainitud valemite järgi. Arvutuste jaoks vajalikud andmed võeti tabelist 5. Tabel 5. Liittalade andmed (lisa 3 alusel) Katsekeha number Pikkus (mm) Laius/ Kõrgus (mm) Poltide arv/mõõt Liittala puidu liik Naaglite materjal Dünaamiline elastsusmoodul (N/mm 2 ) Liittala eeldatav tugevusklass LT 2-6 6104 101/402 2/M16 7013 C14 LT 1-5 6125 101/406 2/M16 7180 C14 LT 4-11 6198 101/405 2/M16 Euroopa 8588 C16 Kuusk LT 8-10 6158 100/395 2/M16 tamm 9238 C18 LT 7-9 6152 100/407 2/M16 9507 C18 LT 3-12 6118 101/406 2/M16 10255 C22 Märkus. Liittalade pikkuse juures on autor arvestanud 6 meetriga ning tugevusklassid on määratud lähtuvalt dünaamilistest elastsusmoodulitest, mis põhinevad lisas 3 olevast tabelist. Dünaamilised elastsusmoodulid on määratud katselisel teel fakkoppiga mõõdetud tulemustest, materjali tihedusest ning niiskussisaldusest (Lisa 3). Talade vastupanumomendi leidmiseks teostati arvutus valemi (16) järgi (liittala laiused ja paksused võetud tabelist 5). Arvutus on teostatud LT 2-6 näitel: 2 2 b H 101 402 W = = = 2 720 334 mm 6 6 3 Valemite (8) ja (9) abil arvutati ristlõike bruto staatiline moment ja bruto inertsimoment. Arvutused on teostatud LT 2-6 näitel: 2 2 b H 101 402 S br = = = 2 040 251 mm 8 8 3 33
3 3 b H 101 402 I br = = = 5,468 10 12 12 8 mm 4 Teiste liittalade arvutused on teostatud analoogselt. Eelnevad arvutused on vajalikud, et hiljem arvutada liittalades olevate plaatnaaglite arvutuslik kandevõime. Plaatnaaglite paigaldamise jaoks tuli liittala sisse freesida tapid. Süviste sügavused arvutati valemi (2) järgi: h s 0,5l d 1 0,5 58 1 30 mm Samuti kontrolliti tingimust (3): h s 0,2h h s 0,2 400 80 mm 30 mm Tingimuskontrollist leidis autor, et tapi sügavus sobis. Talade sisse tulevate tappide arvutuslikuks ühepoolseks sügavuseks saadi 30 mm. Kahe tala peale kokku on süvise sügavus 60 mm, millesse on arvestatud mõlemas otsas oleva 1 mm deformatsioonivuugiga. Järgneva valemi alusel leiti, et plaatnaagli kõrguseks tuli liittala puhul 58 mm, mille puhul erineb tulemus НиТУ 122-55 projekteerimisstandardi järgi olevast tüüpmõõdust, milleks oli 54 mm (НиТУ 122-55 1955 ref Puitkonstruktsioonid 1962: 124). Tingimusest 4,5t d l d 5t d leiti, et: 4,5 12 54 mm 58 mm 5 12 60 mm Arvestades, et t d = 12 mm. Seega jäi arvutatud plaatnaagli kõrgus soovitud vahemikku. Järgmiseks teostatakse tingimuskontroll, et saada teada, milline on plaatnaaglite vaheline samm, arvestades, et plaatnaagli kõrgus l d = 58 mm: ld 4,5t d l d 4,5 12 54 mm 34
Plaatnaaglitevaheline samm, võttes arvesse eelneva tingimuse tulemust, saadi valemi (7) alusel: S1 = 10 td = 10 12 = 120 mm Plaatnaaglite tugevus, arvestades, et plaatnaagli mõõtmeteks on 12 58 100 mm, arvutati valemi (10) järgi: T = 0, 75 bd = 0, 75 10 = 7,5 kn Valemis kasutatud laiuse ühikuks oli sentimeeter. Plaatnaaglite tugevus, arvestades, et plaatnaagli mõõtmeteks on 12 58 50 mm, arvutati valemi (10) järgi: T = 0, 75 bd = 0, 75 5 = 3, 75 kn Maksimaalselt on lubatud plaatnaagleid liittala mõlemasse otsa paigaldada 0,4L pikkuse ulatuses ehk: 0,4L 0,4 6000 2400 mm Arvutusest selgus, et plaatnaagleid võib liitala mõlemasse otsa sümmeetrilise koormuse tõttu lisada 2,4 meetri ulatuses. Maksimaalne plaatnaaglite kogus, mis oli võimalik paigaldada eelnevalt mainitud vahemikku, arvutati valemiga (13): N pl 0,4L S 1 6000 0,4 120 20 tk Arvutusest selgus, et 2,4 meetri ulatuses on võimalik liittalasse lisada 20 plaatnaaglit ehk kogu tala peale kokku 40 plaatnaaglit. Katsetes kasutas autor igas liittalas ühel poolel 19 plaatnaaglit. Seega ühe liittala kohta 38 plaatnaaglit. Materjali kokkuhoiu tõttu jäeti igasse talasse 2 naaglit panemata ning uuriti sellise liittala maksimaalset kandevõimet antud naaglite arvu suhtes. 35
Liittalade konstrueerimisel lähtuti talade dünaamilistest elastusmoodulitest ehk sarnaste omadustega talad ühendati kokku, et need omavahel sarnased oleksid. Järgnevate arvutustega leiti iga liittala kohta maksimaalsed arvutuslikud paindemomendid M max, neljapunkti paindekatse jaoks vajalikud punktkoormused F, silindrilt tulenevad maksimaalset koormused P max, lauskoormused q ning arvutuslikud läbipainded kolmel erineval viisil. Esimene tala 2-6: Esialgu teostati arvutus maksimaalse paindemomendi leidmiseks valemi (16) alusel: M max = Wσ = 2040251 14 = 38084676 Nmm = 38,08 knm Valemi (18) alusel leiti punktkoormused F, mis mõjuvad neljapunkti paindekatsel liittala otspunktidest kaugusel a: F = M max a = 38,08 1,8 = 21,16 kn Sellest tulenevalt arvutati välja ka liittala purunemiskoormus P max valemi (19) järgi: P max = 2F = 2 21,16 = 42,32 kn Teiseks arvutati maksimaalse paindemomendi valemi (17) alusel jaotatud koormus q: 8M = L 8 38,08 = 6 max q 2 2 = 8,463 kn/m Viimasena arvutati liittala läbipainded kolmel erineval viisil, arvestades iga valemi puhul ka tegurit K ж. Esiteks arvutati valemi (20) alusel arvutuslik maksimaalne läbipaine, arvestades, et talale mõjuvad sümmeetriliselt punktkoormused F, mille kaugused mõlemast otsast on 1,8 m: d = max Fa 24EIK Ж 2 2 ( ) 3L 4a d 3 21,16 10 1800 = 8 24 7013 5,468 10 0, 75 36 2 2 ( 3 6000-4 1800 ) 52,44 mm max =
Teiseks arvutati liittala läbipaine lihtsustatud valemi (21) järgi, arvestades, et talale mõjuvad sümmeetriliselt punktkoormused F, mille kaugused mõlemast otsast on 1,8 m: 0,104FaL = EIK 3 0,104 21,16 10 1800 6000 = 7013 5,468 10 2 2 uinst 8 = Ж 49,58 mm Kolmandaks arvutati läbipaine valemi (22) alusel, arvestades, et talale mõjub jaotatud koormus q: 4 5qL = 384EIK 5 8,463 6000 = 384 7013 5,468 10 f 8 Ж 4 0, 75 = 49,66 mm Analoogselt arvutati ka teiste liittalade puhul. Tabelis 6 on esitatud liittalade katsete jaoks vajalikud eeldatavad purunemiskoormused ning samuti ka arvutuslikud läbipainded. Tabel 6. Liittalade tähistused koos arvutuslike väärtustega. Liittala number Purunemiskoormus, (kn) Arvutuslik maksimaalne paindemoment, (knm) Läbipaine d max, (mm) Läbipaine u inst, (mm) Läbipaine f, (mm) LT 2-6 42,32 38,08 52,44 49,58 49,66 LT 1-5 42,95 38,65 50,72 47,95 48,03 LT 4-11 48,84 43,96 48,58 45,93 46,00 LT 8-10 52,01 46,81 52,09 49,25 49,33 LT 7-9 55,22 49,69 49,12 46,45 46,52 LT 3-12 67,49 60,74 55,80 52,76 52,84 Märkus. Läbipainded d max, u inst ja f on arvutatud vastavalt valemite 20, 21, 22 alusel. 2.2 KATSEKEHADE VALMISTAMINE 2.2.1 Katsekehade algandmed Liittalade valmistamisel kasutati kahte kuusepuust prussi, mille ristlõigeteks oli 100 200 mm. Eelnevas alapeatükis 2.1.1 tabelis 5 tõi autor välja liittalade kombinatsioonid, mida kirjeldati numbripaaridena. Talad, millel olid sarnased dünaamilised elastsusmoodulid ühendati, et saada võimalikult sarnaste tugevusomadustega liittala. Kõikide talade andmed on välja toodud lisas 2. Kahe omavahel ühendatava lihttala 37
vahele paigaldati plaatnaaglid mõõtmetega 12 58 100 mm, sammuga 120mm. Plaatnaaglite mõõtmed võeti vastavalt peatükis 2.1.1 arvutatud tulemustele НиТУ 122-55 projekteerimisstandardi järgi (НиТУ 122-55 1955 ref Puitkonstruktsioonid 1962:124). 2.2.2 Plaatnaaglite valmistamine Plaatnaaglid valmistati tammepuidust Eesti Maaülikooli metsanduse laboris. Tammeplangu niiskussisaldus oli laborisse tuues mõõtmiste järgi 15...17%, mis paari nädala möödudes langes 8..9% -ni. Valmistamistehnoloogia etapid: 1) tammeplank saeti elektrisaega väiksemateks osadeks ning kuivatati madala niiskusprotsendini; 2) seejärel saeti lauad kantmaterjaliks; 3) järgnes kantmaterjali hööveldamine (sileda tasapinnaga naagleid oli hiljem liittaladesse kergem paigaldada); 4) hööveldatud materjali saagimine lintsaega 12 mm paksusteks tükkideks; 5) need tükeldamine saepingil 58 mm laiusteks tükkideks; Joonis 16. Plaatnaaglite valmistamisetapid 38
Joonis 17. Katsetes kasutatud plaatnaagel 2.2.3 Liittalade konstrueerimise tehnoloogia Liittalade valmistamiseks kasutatud saematerjaliks oli kuusepuit, mille niiskusprotsent Eesti Maaülikooli laborisse saabudes oli ~24%, mis oli võrreldes tarnija poolt lubatud 18%-lisest väärtusest kõrgem. Mõned nädalad hiljem, kui saematerjal oli kuivanud ühtlase temperatuuri ja suhtelise niiskusega ruumis, märgati mitmeid erinevaid muutusi: taladele tekkis juurde pikipraod ning samuti oli märgata ka kõverdumist ning kaardumist. Kõik need muutused mõjutavad oluliselt puidu tugevusomadusi. Vaatamata suurtematele kahjustustele, said katseteks vajalikud liittalad konstrueeritud. Kokku ehitati kuus liittala. Täpsemaid andmeid näeb lisas 2 ja tabelis 5. Liittalade konstrueerimistehnoloogilised etapid: 1) talad tõmmati omavahel pitskruvidega kokku ning seejärel märgiti peale poltide asukohad (joonis 18); Joonis 18. Talade kokkutõmbamine pitskruvidega ning poldi asukohtade märkimine 39
2) pärast poltide asukohtade mahamärkimist puuriti pitskruvidega kinniolevate talade sisse 16 mm läbimõõduga avad, kasutades selleks elektripuuri (joonis 19); Joonis 19. Tala otstesse poldiaukude puurimine ning M16 poltidega talade ühendamine 3) plaatnaaglite asukohtade mahamärkimine ning pitskruvidega vertikaalselt prusside kokkutõmbamine (joonis 20); Joonis 20. Plaatnaaglite asukohtade mahamärkimine ning pitskruvidega vertikaalsete prusside kinnitõmbamine 4) naaglite jaoks freesiti vajalikud tapid ülafreesi abil (joonis 21); Joonis 21. Vasakul pildil ülafreesiga tappide freesimine ning paremal pildil freesitud süvis 40
5) talade ühendati poltidega ning naageldati kummihaamri abil (joonis 22); Joonis 22. Talade ühendamine poltidega ning naageldamine haamri abil Joonis 23. Naageldatud liittala 2.3 KATSESEADMED JA VAHENDID 2.3.1 Katsete jaoks vajalikud seadmed ja vahendid Katsete läbiviimiseks olid vajalikud järgmised vajalikud seadmed ja vahendid: 1) Hüdrauliline press Lukas (vt. peatükk 2.3.2); 2) Niiskusmõõtur FME moisture meter (vt. peatükk 2.3.3); 3) Fakopp Microsecond timer (vt. peatükk 2.3.4); 4) INSTRON 3369 (vt. peatükk 2.4.1); 5) Siirdeandurid Ahlborn Almemo FWA; 41
6) Betoonist toed; 7) Terasest koormuse jaotustala; 8) Terasplaadid; 9) Terasest kiivetugistik (vt joonis 31 ja lisa 9); 10) Andmesalvestaja Ahlborn Almemo 5690-2 (vt joonis 32); 11) Ülafrees; 12) Elektripuur; 13) Kummihaamer; 14) Mõõdulint; 15) Saepink; 16) Elektrisaag; 17) Lintsaag. 2.3.2 Hüdrauliline press Lukas 250 Liittalade katsetused viidi läbi Eesti Maaülikooli ehituskonstruktsioonide laboris. Katsete läbiviimisel kasutati koormuse edasikandmiseks hüdraulilist silinderpressi Lukas (joonis 24), mille maksimaalseks survejõuks on 250 kn ehk 25 tonni. Hüdrauliline press töötab õlisurvel, mida koormatakse käsipumba abil. Joonis 24. Vasakul pildil on hüdropress LUKAS ja paremal pildil surveregulaator 42
2.3.3 Niiskusmõõtur FME moisture meter Niiskus mängib teadaolevalt olulist rolli puidu tugevusomaduste suhtes. Sellest tulenevalt mõõdeti iga tala mõlemast otsast ning keskelt. Niiskussisalduse määramiseks kasutati aparaati nimega FME moisture meter it (joonis 25), mille täpsuseks on 0,3%. Joonis 25. FME moisture meter talade niiskussisalduse määramiseks Mõõtmisi tehti katsekehadele kokku 3 korda: esimesel korral vahetult pärast talade saabumist laborisse, teisel korral vahetult enne katsekehade konstrueerimist ja kolmandal korral vahetult enne katseid. 2.3.4 Fakkop Microsecond Timer Kõik katsetatavad talad mõõdeti üle ka Fakkop microsecond timer iga (joonis 26). Lõputöös katsetatavate talade puhul teostati mõõtmised pikikiudu. Tulemuste abil oli võimalik arvutada dünaamiline elastsusmoodul ning seeläbi määrata ligikaudsed talade tugevusklassid. Joonis 26. Fakopp microsecond Timer 43
2.4 KATSETE METOODIKA NING TEOSTUS 2.4.1 Plaatnaaglite nihketugevuskatse Magistritöö puhul ei piirdutud ainult liittalade tugevuskatsetega, vaid uuriti ka plaatnaaglite tugevust lõikele. Plaatnaaglitest katsekehasid oli 20, mõõtmetega 12 58 50mm. Liittalades kasutati plaatnaagleid mõõtmetega 12 58 100mm ja neid oli kogu liittala peale kokku 38 tükki. Joonisel 27 on kõik katsekehad vahetult enne katsetamist. Kõik kehad mõõdeti vahetult enne katseid digitaalse nihikuga, mille täpsuseks oli ± 0,01 mm. Digitaalnihiku abil mõõdeti naagli paksus, laius ja kõrgus (vt. lisa 4). Joonis 27. Katsekehad vahetult enne katsetamist Katsed olid vajalikud, et mõõta tammepuidust plaatnaaglite ristitugevus lõikele. Tulemuste järgi oli võimalik naaglite tugevust võrrelda arvutuslikega. Võib tekkida vajadus liittaladesse naagleid juurde lisada või hoopis vähendada. Katsete tulemuste järgi arvutati liittalades kasutatud plaatnaaglite reaalsed tugevused. Katsete läbiviimisel kasutati katsemasinat Instron 3369, mille maksimaalseks survejõuks on 50 kn. Katseskeem on toodud joonisel 28. 44
Joonis 28. Vasakul pildil on katsemasin Instron 3369, keskmisel joonisel on nihkekatseskeem ning paremal nihkekatse teostamine katsemasinaga Instron 3369. Kiirus, mida kasutati plaatnaaglite nihkekatsetel, oli 5 mm/min. Katsete teostamisel lähtuti ning selle jaoks vajalikud nõuded võeti vastavalt ASTM D905 08 standardi järgi (2013). 2.4.2 Liittalade katsete metoodika Magistritöö suuresildeliste katsekehadega katsed viidi läbi neljapunkti paindekatsetena Eesti Maaülikooli ehituskonstruktsioonide laboris. Katsete käigus saadi siirded talade omavahelisest nihkumisest, liittala maksimaalsed läbipainded, maksimaalsed paindemomendid, määrati liittalade staatilised paindeelastsusmoodulid ning tugevusklassid. Katsete teostamiseks vajalikud andmed ning nõuded võeti standardist EVS-EN 408:2010+A1:2012 (2012). Tala otsad asetati terasplaatidele, et vältida muljumisest tekkivaid vigastusi. Katsekeha sildeavaks oli kuus meetrit. See vastas standardile ning jäi nõutud vahemikku L=18H ± 3H. Katsekehade kõrguseks oli 400 mm (joonis 30). Liittala kõrgusest lähtuvalt määrati koormuste F mõjumiskaugused, mis mõlemast tala otsast oli 1,8 meetrit. See jäi nõutud 6h ± 1,5h vahemikku. Punktkoormuste vaheks oli 6h ehk 2,4 meetrit (joonis 29 ja 30). 45
Standardist lähtuvalt on koostatud paindekatseskeem, mille järgi koostati hiljem ka katsejoonised (joonis 29). Joonis 29. Neljapunkti paindekatseskeem vastavalt standardile EVS-EN 408:2010+A1:2012 Katsetatud katsekehade andmed on eelnevalt välja toodud tabelis 5. Võttes aluseks joonise 29, koostati ka katsetatavate liittalade puhul neljapunkti paindekatseskeem tala paiknemisega ja pressi ning andurite asetusega (joonis 30). Siirdeandurid on talade peale märgitud lühitähistustega järgnevalt: SA-1 on siirdeandur vasakus otsas; SA-2 on siirdeandur paremas otsas; SAL on siirdeandur läbipainde mõõtmiseks. Joonis 30. Liittala katseskeem koos pressi ning andurite asetusega Liittala koormati peatükis 2.3.2 mainitud hüdraulilise pressi Lukas abil. Hüdraulilise pressi abiga koormati jõuga P max selle alla jäävat terasest jaotustala ning sealt kandus koormus sümmeetriliselt edasi liittalale. Koormuse mõjumiskaugus mõlemast otsast oli 1,8 m. Kiive vältimiseks projekteeriti liittalade katsete jaoks terasest kiivetugistik (vt. lisa 9). Liittalasid toetati selle abil neljast kohast. Tugistiku postidele lisati terasest rullikud, et liittalad katsete teostamisel vabalt liikuda saaksid (joonis 31). 46
Joonis 31. Katsete jaoks projekteeritud terasest kiivetugistik Koormuse rakenduskiiruseks võeti vastavalt eelmainitud standardile (EVS-EN 408:2010+A1:2012) 0,003h mm/s ehk 1,2 mm/s, arvestades, et katsekeha kõrguseks oli 400mm. Katsed teostati kuni purunemiseni. Katsete käigus saadud tulemused salvestati Ahlborn almemo andmesalvestajaga 5690-2 (joonis 32). Joonis 32. Ahlborn almemo 5690-2 andmesalvestaja 47
3 KATSETULEMUSED 3.1 TALADE NING TAMMEPUIDU NIISKUSSISALDUSED Teadaolevalt mängib puidu niiskus olulist rolli puidu füüsikalis-mehaaniliste omaduste suhtes (vt. peatükk 2.3.3). Selleks määras autor katsetatavate talade niiskusprotsendid. Mõõtmised viidi läbi Eesti Maaülikooli laboris kasutades selleks alapeatükis 2.3.3 mainitud FME Moisture meter it. Mõõtmistulemused on esitatud lisas 1 ning joonisel 33. Esimesed niiskusmõõtmised teostati taladele vahetult pärast talade saabumist Eesti Maaülikooli laborisse. Tulemusena selgus, et niiskusprotsent oli talades maksimaalselt kuni 27,7 % ning need varieerusid vahemikus 20,4...27,7 %. Katsekehadeks kasutatavad talad kuivasid 3 nädalat enne kui nendest liittalasid konstrueerima hakati. Vahetult enne katsekehade konstrueerimist saadi liittalade niiskusprotsendiks maksimaalselt kuni 18,2 %, mis on märgatavalt parem võrreldes algse niiskusprotsendiga. Väärtused varieerusid vahemikus 12,3...18,5 %. Puidu kuivamisel oli märgata mitmeid erinevaid muutusi. Tekkisid praod ning osad talad isegi kaardusid. Kolmanda ehk viimase niiskusmõõtmise tegi autor vahetult enne katsete teostamist. Mõõtmistulemustena selgus, et niiskussisaldus oli vahemikus 11,4...8,4%. Võrreldes algsete mõõtmistulemustega, oli niiskus vähenenud ligi 16,3%. Tammenaaglite valmistamiseks kasutatud plangul mõõdeti niiskusprotsent samamoodi nagu talade puhul - otstest ja keskelt. Mõlemas otsas piirdus niiskusprotsent 9 % ning keskel 11 %. Seega tammepuidu niiskus jäi samuti lubatud piiridesse. Kõikide plaatnaaglite niiskussisaldus oli lõppkokkuvõttes alla 10%. 48
Keskmine niiskusprotsent (%) 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 I II III T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 Joonis 33. Talade T1-T12 niiskusprotsentid mõõdeti erinevatel aegadel (I- vahetult pärast katsekehade saabumist laborisse; II- vahetult enne katsekehade konstrueerimist; IIIvahetult enne katseid) 3.2 NAAGLITE NIHKEKATSETE TULEMUSED 3.2.1 Nihketugevused Väikeste katsekehadega katsed viidi läbi Eesti Maaülikooli laboris. Materjali kokkuhoiu tõttu valmistati tammepuidust plaatnaagleid katsete jaoks kokku 20 tükki, mille mõõtmeteks olid 12 58 50mm. Need katsekehad olid võrreldes liittalades kasutatud plaatnaaglitega laiuselt (b d ) poole väiksemad (paksus t d oli sama). Siinkohal peab mainima, et vastavalt valemile (11) sõltub plaatnaagli tugevus naagli paksusest ning laiusest. Katsetulemused on esitatud lisas 4 ning plaatnaaglite purunemispildid lisas 5. Nihkekatsete käigus määrati plaatnaaglite maksimaalne lõiketugevus, maksimaalne läbipaine ning maksimaalse koormuse saavutamise aeg. Kõikide katsete tulemused on välja toodud lisas 4. Tabelis 7 on katsete tulemuste statistilised näitajad. 49
Tabel 7. Tunnuste statistilised näitajad Tunnus Maksimaalne lõiketugevus, N Keskmine 7510 Mediaan 7205 Standardhälve 1462 Vabadusastmete arv n 19 Studentikordaja 2,093 Usalduspiiride ulatus 0,95 702,2 Usaldatavusega 0,95 maksimaalse lõiketugevuse keskmine tugevus 7510±702,2 Miinimum 6263 Maksimum 13129 Märkus. Tabel on koostatud lisa 4 alusel. Katsete tulemusena selgus, et katsekehade lõiketugevuse keskmiseks väärtuseks oli 7,510 kn. Kõigist katsekehadest nõrgimaks osutus katsekeha K-15, mille tugevus oli 6,263 kn ning tugevaimaks katsekeha K-14, mille lõiketugevus oli 13,13 kn (vt. lisa 4). Katsekeha K-14 erines teistest oma lõiketugevuse poolest keskmiselt 45,1 % (vt joonis 34). Tabelis 7 on näha, et maksimumi ja miinimumi vahe on väga suur. See erinevus ehk vahe tekibki sõltuvalt katsekehast K-14. Samuti võib välja tuua, et K-14 oli võrreldes teistega välimuselt tumedam (vt joonis 34), mille järgi võib järeldada, et tegu oli sügispuiduga. Sügispuidu osa on võrreldes kevadpuidu osaga tihedam ja tugevam (Forest Products Laboratory 2010) ning tumedam (The University of Arizona s.a.). Teiste naaglite puhul järeldati nende heleduse tõttu, et tegemist oli kevadpuidu osaga. Peatükis 2.1.1 saadi ühe naagli, mõõtudega 12 58 50mm, arvutuslikuks nihketugevuseks 3,75 kn. Tulemusena selgus, et katsetulemused ületasid teoreetiliselt saadud arvutustugevuse peaaegu kahekordselt. 95% usalduspiiriga võis öelda, et naaglid suudavad vastu võtta lõiketugevust piirides 7,510 ± 0, 702 kn. Tulemuste puhul võis järeldada, et liittalade projekteerimisel on võimalik muuta arvutusvalemites plaatnaagli tugevust, mille tagajärjel on võimalik liittalades kasutada väiksemas koguses plaatnaagleid. Tõsi on see, et liittala töötab ühtse elemendina ainult siis kui konstruktsiooni iga element on otsast otsani terve. Plaatnaaglite purunemisel kaotab 50
Maksimaalne lõiketugevus, N K1 K2 K3 K4 K6 K6 K7 K8 K9 K10 K11 K12 K13 K14 K15 K16 K17 K18 K19 K20 liittala nihkekandevõime ehk talad hakkavad omavahel nihkuma ning konstruktsioon ei tööta enam kui ühtne element. Seega oleks oluline, et plaatnaagleid oleks liittalas nii palju, et need peaksid kuni tala enda purunemiseni vastu, et tagada liittala töötamine ühtse elemendina. 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Katsekeha number Joonis 34. Tammepuidust plaatnaaglite nihketugevused ristikiudu (lisa 4). Punase joonega on tähistatud plaatnaagli arvutuslik tulemus 3,75 kn Lähtudes katse tulemustest ja valemist (11) sai autor tulemuseks, et ühe plaatnaagli tugevus, mida kasutatakse katsetatavates liittalades, võib olla 15,02 kn. Arvestades plaatnaagli lõikepinnana 12 100 mm, on lõiketugevus 12,52 N/mm 2. Kirjandusest leidus, et lehtpuidu lõiketugevus pikikiudu on 4,0 MPa (Porteous ja Kermani, 2013). Lõiketugevus ristikiudu on umbes 2-3 korda tugevam kui pikikiudu (Tallnerk Grupp s.a) ehk umbes 8,0-12,0 N/mm 2. Seega katsete tulemuste järgi prognoositud tulemused on võrreldes kirjandusest leitud väärtuste vahemikuga isegi suuremad (vt. tabel 2). 3.2.2 Liittalade purunemiseeldused lähtuvalt naaglite katsetulemustest Peatükis 2.1.1 arvutatud plaatnaagli ( 12 58 100 mm) nihketugevuseks saadi valemi (11) alusel 7,5 kn ning sellest eeldas autor, et liittalade katsetamise käigus purunevad esmalt naaglid ja seejärel talad. Eeldus selgus valemist (12), kus teostati tagurpidi arvutus maksimaalse paindemomendi leidmiseks. Maksimaalse paindemomendi arvutustes arvestati 19 plaatnaagliga liittala mõlemal poolel ning plaatnaagli tugevusega 7,5 kn. 51
Järgnev arvutus teostati liittala LT 2-6 näitel (ülejäänud liittalade puhul analoogselt) valemi (12) alusel: n pl 1,2M maxs I T 8 T n plibr 7,5 19 5,468 10 max = = 31825 knmm = 31,83 knm 1,2 S 1,2 2,040 10 M 6 br br br Arvutusest selgus, et naaglid peaksid purunema liittalas maksimaalse paindemomendi 31,83 knm korral. Katse tulemuste põhjal sai autor läbi arvutuste, et ühe plaatnaagli, mõõtudega 12 58 100 mm, tugevuseks oli 15,02 kn (vt. peatükk 3.2.1). Sellest eeldati vastavalt arvutustulemustele, et kõikide katsekehade puhul purunevad esialgu talad. Arvutus teostati liittala LT 2-6 näitel (ülejäänud liittalade puhul analoogselt) valemi (12) alusel: n pl 1,2M maxs I T br br T n pli 1,2 S 15,02 19 5,468 10 = 1,2 2,040 10 8 br M max 6 = br 63, 73 knm Seega arvutuste kohaselt selgus, et plaatnaaglid peaksid talas purunema hoopis 63,73 knm paindemomendi korral. Tabelis 8 on esitatud kõikide liittalade arvutuslikud maksimaalsed paindemomendid (vt. tabel 6) ning arvutuslikud naaglite maksimaalsed paindemomendid, mille korral peaks toimuma plaatnaaglite purunemine. 52
Tabel 8. Purunemiseeldused sõltuvalt plaatnaaglite nihketugevusest Katsekeha number Liittalade arvutuslikud maksimaalsed paindemomendid (knm) A1 (knm) Märkus A2 (knm) Märkus LT 2-6 38,08 31,83 enne purunevad enne puruneb 63,73 naaglid tala LT 1-5 38,65 32,14 enne purunevad enne puruneb 64,37 naaglid tala LT 4-11 43,96 32,06 enne purunevad enne puruneb 64,21 naaglid tala LT 8-10 46,81 31,27 enne purunevad 62,63 enne puruneb naaglid tala LT 7-9 49,69 32,22 enne purunevad enne puruneb 64,53 naaglid tala LT 3-12 60,74 32,14 enne purunevad enne puruneb 64,37 naaglid tala Märkus. Siinkohal on autor arvestanud, et igas liittalas on kogu tala peale kokku 38 tammepuidust plaatnaaglit. A1 maksimaalse arvutusliku paindetugevuse põhjal on arvestatud plaatnaagli nihketugevuseks 7,5 kn. A2 puhul on plaatnaagli nihketugevuseks arvestatud katseliste tulemuste põhjal arvutatud väärtus ehk 15,02 kn (vt. peatükk 3.2.1). Liittalade arvutuslikud maksimaalsed paindemomendid on välja arvutatud peatükis 2.1.1. Siinkohal sai autor arvutada lähtuvalt plaatnaaglite katseliste tugevuste alusel plaatnaaglite vajaliku koguse liittalades, kasutades selleks valemit (12). Tabel 9. Plaatnaaglite algne vajalik kogus A ning katseliste tulemuste põhjal leitud kogus B Katsekeha number Plaatnaaglite kogus A liittala ühele poolele(tk) Plaatnaaglite kogus B liittala ühele poolele (tk) LT 1-5 30 15 LT 2-6 30 15 LT 4-11 35 17 LT 8-10 38 19 LT 7-9 39 20 LT 3-12 48 24 Märkus. Kogus A on arvestatud plaatnaagli tugevusega 7,5 kn ning kogus B on arvestatud plaatnaagli tugevusega 15,02 kn. Plaatnaaglite koguse arvutamisel on kasutatud valemit 12. Peatükis 2.1.1 arvutati kuue meetrise sildega liittala jaoks maksimaalne võimalik plaatnaaglite kogus. Maksimaalselt oli võimalik lisada liittala ühele poolele 20 plaatnaaglit ehk kokku kogu liittala peale 40 tükki. Magistritöö raames lisati igasse liittalasse kokku 38 naaglit ehk mõlemale tala poolele 19 tükki. Autori teostatud arvutused näitavad (vt. tabel 9), et esimese kolme liittala (LT 1-5, LT 2-6 ja LT 4-11) puhul oleks olnud võimalik 53
Maksimaalne koormus (kn) vastavalt kogusele B (vt. tabel 9) mõned plaatnaaglid liittalast eemaldada. LT 8-10 puhul selgus, et plaatnaaglite kogus B on sama, mis lisati ka katsetatud liittaladesse (kokku 38). LT 7-9 puhul oleks vajalik naaglite arv olnud 20 ehk kokku 40 tükki (maksimaalne võimalik naaglite kogus) ja LT 3-12 puhul koguse B suhtes 24 ehk kokku 48 tükki (ületas maksimaalset kogust). Koguse A ja B erinevus sõltus plaatnaagli tugevusest. 3.3 LIITTALADE KATSETE TULEMUSED Liittalade katsed viidi läbi Eesti Maaülikooli ehituskonstruktsioonide laboris. Enne katsete teostamist määratleti ruumis olevad sisetingimused. Laboris oli temperatuur 20,3 C ja niiskus 23,1 %. Vastavalt EVS-EN 408:2010+A1:2012 standardile (2012) on lubatud ümbritseva keskkonna temperatuuriks (20 ± 2) C ja niiskuseks (65 ± 5) %. Temperatuur jäi lubatud vahemikku, kuid ruumi niiskustase oli lubadust kuivem. Kõik ülejäänud katsete jaoks vajalikud nõuded ning nende paikapidavused on välja toodud peatükis 2.4.2. 3.3.1 Liittalade maksimaalsed koormused ning läbipainded Katsekehade katsete tulemused ning purunemispildid on välja toodud lisas 7 ja 8. Joonisel 35 on autor esitanud kõikide katsete tulemuste põhjal maksimaalsete koormuste ja läbipainete graafiku. 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Maksimaalne läbipaine (mm) LT-2-6 LT-1-5 LT-4-11 LT-8-10 LT-7-9 LT-3-12 Joonis 35. Maksimaalse koormuse ja maksimaalse läbipainde graafik 54
Maksimaalne koormus Pmax (kn) 42,32 42,95 48,84 47,48 52,01 55,22 59,52 67,49 75,15 71,76 78,44 86,85 Katsete tulemusena selgus, et kõige tugevamaks osutus liittala LT 8-10, mille maksimaalseks kandevõimeks oli 176,7 bar ehk 86,85 kn. Tugevuse poolest järgmine liittala oli LT 3-12, mis pidi olema algsete andmete kohaselt (vt. tabel 6) kõige tugevam. LT 3-12 maksimaalseks kandevõimeks teostatud katset puhul oli 159,6 bar ehk 78,44 kn. Järgnevate liittalade maksimaalseteks kandevõimeteks olid vastavalt 75,15 kn (LT 2-6), 71,76 kn (LT 7-9), 59,52 kn (LT 4-11) ja 47,48 kn (LT 1-5). Võrdlusmoment katsekehade arvutuslike tulemustega on joonisel 36. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Arvutuslik Tegelik Katsekeha lühend Joonis 36. Liittalade eeldatavad ja tegelikud kandevõimed Joonisel 36 on selgelt näha, et kõikide katsekehade tegelikud tulemused ületavad tunduvalt arvutuslikke väärtuseid. Sellest saab järeldada, et arvutuslikult saadud tulemused on küllaltki suure varuga. Samuti mõjutas tulemusi kindlasti ka liittalade tegelikud tugevusomadused ja puidudefektid (oksad ja nende paiknemine, lõhed jne.). Arvutuslike maksimaalsete koormuste leidmisel on arvestatud eeldatavate tugevusklassidega, mis on tuletatud dünaamiliste elastsusmoodulite järgi (vt. lisa 2). 55
Deformatsioon (mm) 67,81 66,66 84,1 76,53 92,25 95,01 3.3.2 Läbipainded Peatükis 2.1.1 kolmel erineval viisil arvutatud liittalade läbipaindeid (vt. tabel 6) on võrreldud joonisel 37 katselisel teel saadud tulemustega. Kõik katseliste tulemuste väärtused hetkel, kui liittalad jõudsid maksimaalse koormuspiirini. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 dmax uinst f Katseline Katsekeha Joonis 37. Läbipainete ehk deformatsioonide arvutuslike ja katseliste tulemuste graafik (Lisa 6) Esimese katsekeha (LT 2-6) puhul oli katselisel teel saadud läbipaindeks 84,10 mm, mis erines arvutuslikest läbipainetest A, B ja C vastavalt 37-41%. Teise katse (LT 1-5) puhul oli katseliseks läbipaindeks 67,81 mm, mis erines arvutuslikest läbipainetest vastavalt 25-29%. Kolmanda katse (LT 4-11) puhul oli katseliseks läbipaindeks 92,25 mm, mis erines arvutuslikest läbipainetest vastavalt 47-50%. Neljanda katse (LT 8-10) puhul oli katseliseks läbipaindeks 95,01 mm, mis erines arvutuslikest läbipainetest vastavalt 45-48%. Viienda katse (LT 7-9) puhul oli katseliseks läbipaindeks 76,53 mm, mis erines arvutuslikest läbipainetest vastavalt 35-39%. Viimase katse (LT 3-12) puhul oli katselisteks läbipaindeks 66,66 mm, mis erines arvutuslikest läbipainetest 16-20%. Joonisel 37 on näha, et katselised tulemused ületasid oluliselt arvutuslikke väärtuseid. 56
Koormus (bar) Koormus (bar) 3.3.3 Talade omavahelised nihked Talade omavahelise siirde mõõtmiseks paigaldati liittala otstesse siirdeandurid (vasakul poolel lühendiga SA-1 ja paremal poolel lühendiga SA-2. Tulemustena saadi, et liittalade omavaheliseks nihkeks oli maksimaalselt 1,28...4,14 mm (vt. joonis 38). Katsetulemused saadi ainult kolme katsetala puhul (LT 4-11, LT 7-9 ja LT 3-12), kuna teiste talade puhul olid nihked peaaegu nullilähedased. Samuti oli võimalus, et antud olukorda mõjutas tala otstesse paigaldatud siirdeandurite halb paigaldus. SA-1 siirded 200 150 100 50 0 0 2 4 6 Deformatsioon (mm) LT 4-11 LT 7-9 LT 3-12 200 SA-2 siirded 100 0 0 2 4 6 Deformatsioon (mm) LT 3-12 LT 7-9 Joonis 38. SA-1 ja SA-2 tulemused vastavalt koormusele Plaatnaaglitega ühendatud liittala katsete puhul oli selgelt näha, et liittalade vahel olevad sidemed hakkasid oodatust palju paremini tööle. Plaatnaaglid olid piisavalt tugevad, et võtta põikjõust tingitud koormus täielikult vastu. Joonisel 39 on selgelt näha, et plaatnaaglid on terved ning on võimelised veel suuremaidki koormusi vastu võtma. Probleemseks asjaoluks osutus see, et naaglitevahelised alad purunesid kergelt ehk liittala purunemise põhjuseks oli plaatnaaglite liialt väike samm. Lahendusena soovitaks autor naaglitevahelist sammu suurendada, et vältida naaglitevahelise ala purunemist. Sammu suurendades väheneb ka plaatnaaglite hulk, mis teeb konstrueerimise veel lihtsamaks. 57
Joonis 39. Plaatnaaglite vahelise ala purunemine seoses liialt tiheda sammu tõttu Nähes katsetulemustest, et kõik plaatnaaglid jäid terveks, võis eeldada, et plaatnaaglite kogus võib olla tunduvalt väiksem. Arvestades, et plaatnaagli keskmine tugevus oli 15,02 kn, saab vastavalt katseliselt saadud põikjõu F abil teostada arvutuse, et näha kui palju oleks vaja naagleid, et vastavaid jõude vastu võtta. Lähtudes lisas 7 olevatest katsetulemustest F (põikjõust), sai arvutada vastavalt 95% usaldatavusega keskmise põikjõu väärtuse abil optimaalse plaatnaaglite arvu. Tabelis 10 on toodud välja liittalade katsete statistilised näitajad (põikjõu F suhtes). Tabel 10. Katsetulemuste põikjõu väärtused ning selle statistilised näitajad Katsekeha nr Põikjõud F (kn) LT 2-6 37,58 LT 1-5 23,74 LT 4-11 29,76 LT 8-10 43,43 LT 7-9 35,88 LT 3-12 39,22 Keskmine (kn) Standardhälve Vabadusastmete arv n Studentikordaja Usaldusvahemiku laius Keskmise põikjõu väärtus 0,95 usaldatavusega 34,94 7,078 5 2,571 8,137 34,94 ± 8,137 Seega põikjõu ülemiseks usalduspiiriks on 43,07 kn. Selle alusel sai arvutada usaldatavusega 0,95 vajaliku arvu plaatnaagleid liittala ühel poolel. Seega 43,07/13,62 = 3,2 ~ 3 tükki ehk kogu liittala peale kokku 6 tükki. Kõikide katsete puhul ei olnud liittalade purunemine tingitud plaatnaaglite tiheda sammu tõttu. Joonisel 40 on selgelt näha, et kõik plaatnaaglite ümbrused on terved ning purunemine on tingitud läbipaindest. Tulemusena järeldas autor, et suurel määral mõjutab lõpptulemust puidust talade tugevusomadused. Kindlasti mõjutasid tulemust oluliselt ka eelnevad defektid (näiteks oksakohad, praod jne). 58
Joonis 40. LT 1-5 purunemine läbipaindest 3.3.4 Liittalade elastsusmoodulid Liittalade dünaamilised elastsusmoodulid, mida arvestati arvutuskäikudes ning mille järgi jaotati talad erinevatesse tugevusklassidesse, olid arvutuslikud (vt. lisa 3). Talade dünaamiliste elastsusmoodulite järgi seati talad omavahel paaridesse, et moodustada sarnaste omadustega liittalad (vt. tabel 6 ja lisa 2). Liittalade katsete tulemuste järgi määras autor nende staatilised elastsusmoodulid ning seejärel ka nende tugevusklassid (vt. tabel 11) vastavalt standardile EVS-EN 338:2009 (2009). Staatiliste elastsusmoodulite leidmisel lähtuti EVS-EN 408:2010+A1:2012 standardist (2012). Tabel 11. Arvutuslikul ja katselisel teel saadud staatilised elastsusmoodulid ning tugevusklassid Katsekeha number Dünaamiline elastsusmoodul (N/mm 2 ) Arvutuslik tugevusklass Staatiline elastsusmoodul standardi järgi (N/mm 2 ) Katselise maksimaalse paindepinge alusel määratud tugevusklassid LT 2-6 7013 C14 12624 C24 LT 1-5 7180 C14 7735 C14 LT 4-11 8588 C16 26066 C18 LT 8-10 9238 C18 17694 C30 LT 7-9 9507 C18 33590 C20 LT-3-12 10255 C22 33146 C24 Märkus. Staatilised elastsusmoodulid on arvutatud standardi EVS-EN 408:2010+A1:2012 järgi. Dünaamilised elastsusmoodulid on välja toodud lisas 3. Katselisel teel saadud maksimaalsete paindepingete alusel määrati liittalade tugevusklassid vastavalt standardile EVS-EN 338. 59
Katsete tulemustena selgus, et liittalade tugevusomadused olid võrreldes algsete arvutuslike tugevusomadustega tunduvalt suuremad. Katselise maksimaalse paindepinge järgi selgus, et liittalade tugevusklassid varieeruvad C14...C30 vahel. Kõige paremate tugevusomadustega tala oli LT 8-10, mille tugevusklassiks maksimaalse paindepinge järgi on C30. Paindeelastsusmooduli ning tugevusklassi muutust mõjutas oluliselt talade niiskussisalduse langus. 3.4 LIITTALADE MAKSUMUS Tänapäeval on liittalade konstrueerimisel väga palju erinevaid võimalusi (vt. peatükk 1.3.3). Üks variant võib olla alati teisest parem nii vastupidavuselt kui ka välimuselt, kuid kõige tähtsamaks on tänapäeval siiski tellija rahulolu. Kõik sõltub kasutuskohast, tingimustest ning tellija võimalustest. Samuti on inimesed läbi aegade otsinud enda jaoks parimaid ja soodsamaid lahendus. See tähendab, et vahest eelistatakse ilule soodsamat hinda. Kui võrrelda plaatnaaglitega ühendatud liittalasid liimpuittaladega, siis liimpuidust tala, mille mõõtmeteks on 100 400 6000 mm, hinnaks kujuneks autori läbiviidud hinnapäringute järgi 120,24 eurot (ilma käibemaksuta). Ühe liittala kalkulatsioon on järgmine: 1. Saematerjali (kaks tala mõõtmetega 100 200 6000 mm) peale kulub keskmiselt 48,87 eurot (ilma käibemaksuta). 2. Plaatnaaglite (tammepuidust) hind. Arvestades tammepuidu hinda ning naaglite mõõtmeid 12 58 100, saame arvutuslikult ühe naagli materjalikuluks 0,073 eurot (ilma käibemaksuta). Kuue meetrise tala puhul on vajalik maksimaalselt 40 plaatnaaglit (sõltuvalt koormustingimustest), millega saame naaglite materjalihinnaks 2,29 eurot (ilma käibemaksuta). 3. Viimasena lisandub veel tööjõukulu. Arvestades ühe liittala valmistamist otsast lõpuni (naaglite valmistamine, naaglite süvendite freesimine, talade hööveldamine/viimistlus ning kokkupanek) puusepa töötundideks 3 tundi. Kasutades keskmist Eesti ehitustöölise tunnipalka 2015 aastase seisuga, saame kokku tööjõukuludeks 18,75 eurot, millele tuleks liita sotsiaal- ja töötus-kindlustusmaks. 60
Kokku saame liittala maksumuseks 48,87 + 2,29 + 18, 75 1,338 = 76, 25 eurot (ilma käibemaksuta). Seega liimpuittala ja naagelühendustega liittala hinnavahe on vähemalt 36,6 %. Juhul, kui tööd teeme ise, siis on vahe veelgi suurem. Oletades, et talad on hööveldatud ja valmistatud meistri käe läbi, pakuks selline alternatiivne lahendus kindlasti silmailu ning oleks keskkonnasõbralik ja soodne. Antud alternatiiv leiaks kasutust ka restaureerimisel. Kõne alla tulevad just sellised kohad, kus peakanduri konstruktsioon vastab magistritöös uuritule. Eriti sellistes kohtades, kus puitkonstruktsioon on eksponeeritav. 61
KOKKUVÕTE Magistritöö eesmärgiks oli uurida ning katsetada tammepuidust plaatnaaglitega ühendatud liittalasid. Samuti oli eesmärgiks analüüsida ja võrrelda liittalade ning tammepuidust plaatnaaglite katseliste tulemuste vastavust arvutuslikult saadud tulemustega. Magistritöö raames teostati arvutuslik võrdlus tammepuidust plaatnaaglitega ühendatud liittalade ja liimpuittalade maksumuse vahel. Katsete teostamiseks konstrueeriti kuusepuidust liittalad, mille sidemetena kasutati tammepuidust plaatnaagleid. Plaatnaaglite materjalina kasutati tammepuitu (Euroopa tamm) sellepärast, et tegemist on ühe tugevaima kohaliku puitmaterjaliga, mis võtab hästi vastu koormusest tulenevaid nihkepingeid. Kõik liittaladest katsekehad olid ligikaudu kuus meetrit pikad ja nende ristlõigeteks oli 100 400mm. Kõik suurte katsekehadega katsed teostati Eesti Maaülikooli ehituskonstruktsioonide laboris vastavalt EVS-EN 408:2010+A1:2012 nõuetele. Magistritöö raames teostati katsed ka naaglitega, mille mõõtudeks oli 12 58 50mm. Nende katsete puhul uuriti plaatnaaglite nihketugevust ning nihkekatsed viidi läbi ASTM D905 08 standardi järgi. Magistritöö raames teostati kokku 26 katset, millest 20 hõlmasid plaatnaagleid ning kuus liittalasid. Plaatnaaglite katsete tulemusena leiti, et nende tugevus osutus oluliselt suuremaks võrreldes arvutuslikega. Sellest järeldati, et liittalade projekteerimisel oleks otstarbekas vähendada plaatnaaglite kogust vastavalt vajadusele. Liittalade katsete tulemusena leidis autor, et plaatnaaglid töötasid nihkele loodetust paremini, sest vastavalt siirdeanduritele oli liittalade omavaheline nihe nullilähedane. Antud väidet sai kinnitada ka visuaalse vaatlusega. Praktiliselt kõik tammepuidust plaatnaaglid jäid katsete teostamisel terveks. Samuti märgati, et naaglite liiga tiheda asetuse tõttu, purunesid katsekehad LT 7-9, LT 8-10, LT 4-11 ja LT 2-6 nihkel. LT 3-12 ja LT 1-5 katsekehade tulemusena toimus purunemine paindel. Lahendusena teostati arvutus, et määrata vastavalt katselisel teel saadud põikjõule F, vajaliku koguse plaatnaagleid. Tulemusena leiti, et plaatnaaglite arvu oleks võinud liittalades vähendada. 62
Liittalade arvutuslike ja katseliste tulemuste vahel oli märgatav erinevus. Liittalade katselised maksimaalsed koormused ja läbipainded olid võrreldes arvutuslike tulemustega palju suuremad. Katsete tulemuste erinevused tulenesid liittalade erinevatest tugevusomadustest. Kõige suuremate katseliste ja arvutuslike erinevustega katsekehadeks olid LT 2-6 ja LT 8-10 ning nende katselised maksimaalsed paindemomendid erinesid arvutuslikul teel saadud väärtustest vastavalt 43,7% ja 40,1%. Arvutuslikul teel leitud paindepinged olid võrreldes katseliste tulemuste põhjal määratud paindepingetega tunduvalt väiksemad. Esialgsete andmete põhjal selgus, et katseliste tulemuste põhjal peaks omaduste poolest tugevaim olema määratud tugevusklassiga C22 LT 3-12 (katsetulemuste põhjal C24), kuid pärast katseid selgus, et kõige paremate omadustega oli hoopis katsekeha LT 8-10, mille tugevusklass oli lähtuvalt katselisest maksimaalsest paindepingest C30 (algsete tulemuste põhjal C18). Algne tugevusklass põhines dünaamilisel elastsusmoodulil, mis võttis arvesse ka niiskussisaldust. Katseperioodi pikkusest sõltuvalt niiskussisaldus aga muutus. Hinnakalkulatsiooni tulemusena selgus, et uuritud konstruktiivse lahenduse ehk liittala materjali ja töö hind tuleks ligikaudu 37% väiksem kui liimpuittala puhul. Sellest tulenevalt on liittala kasutamine kasulik ja otstarbekas alternatiiv. Saades vastupidava ja hinna poolest odavama variandi, tuleb see kasuks ettevõttele nii rahalises aspektis kui ka keskkonnale selle madalama saastatuse tõttu. Hoolimata sellest, et magistritöö raames uuritud plaatnaaglitega ühendatud liittala asemel on sageli kasutusele võetud muid alternatiive, soovitab autor uurida kõiki liittalade võimalusi. Tellijale on rahaline väljaminek oluline, mistõttu tehakse valik sageli soodsama, kuid tõhusa lahenduse kasuks. Igale ehitusega tegelevale ettevõttele on oluline tellijate vajadustele vastu tulemine ja nende jaoks parima lahenduse leidmine. Soodsaima ja tõhusaima lahenduse leidmiseks tuleks katsetada ja teostada võrdlusmomente liittalade uurimisel nii ajalises kui ka rahalises mõttes. Antud alternatiiv leiaks kasutust ka restaureerimisel. Kõne alla tulevad just sellised kohad, kus peakanduri konstruktsioon vastab magistritöös uuritule ning kus puitkonstruktsioon on eksponeeritav. Magistritöö autor soovitaks uurida veel teisigi erinevaid alternatiivseid lahendusi, võrrelda neid arvutuslike tulemustega ning teostada neile hinnakalkulatsioonid. Kindlasti tuleks 63
luua võrdlusmoment teiste erinevate lahendustega, et tellija teaks täpselt, millistes situatsioonides oleks valik kõige otstarbekam. 64
THE EXPERIMENTS OF TIMBER BEAMS CONNECTED WITH OAK PLATE DOWELS SUMMARY The purpose of the thesis was to analyze and test compound wood beams connected with oak plate dowels. Another aim of the thesis was to analyze and compare the conformity of the theory and experiments of compound beams and oat plate dowels. During the thesis the author also examined the shear strength of oak plate dowels and compared the results with theoretically calculated results. All of the large experiments were carried out in the laboratory of Estonian University of Life Science by using the method of four-point bending test according to EVS-EN 408:2010+A1:2012 standard. The author made six test pieces out of spruce wood which were connected with oak plate dowels. The compound beams were six meters long with the dimensions of 100 400mm. The experiments of small test pieces, which were oak plate dowels, were carried out according to ASTM D905 08 standard. Total of 20 small test pieces were made and their dimensions were 12 58 50mm. The reasons for using oak wood is because of its durable shear strenght and it is also the strongest wood in our region. The usage of oak wood was also stated in the russian building code СНиП II-25-80. Oak plate dowels were computationally 50,1% weaker compared to the results from the experiments. The experimentally found shear strength of oak dowel was 15,02 kn. The most significant difference between calculated and experimentally found results were from LT 2-6 and LT 8-10 test pieces. The study showed that they had accordingly 43,7% and 40,1% of a difference in maximum bending moment. All of the plate dowels were in a good shape and had no damage after the large experiments. It was also noticed that the space between the dowels was smashed due to the shear force. The results were affected by the small distance between the dowels. Because of that, the author recommends to use less dowels in the future because of their high load capacity. 65
The results of the price calculation indicate that the studied constructive solution, compound beam, results in 40% less of a cost both in material and work price, than glue laminated beam. Therefore using compound beam is a practical and beneficial alternative due to the fact that financial expenses are always important for any organization. Being able to receive resistant and cheaper solution is better for the organization in financial aspect and also more beneficial to the environment due to the smaller amount of contamination. Despite the fact that different alternatives have somewhat replaced the usage of compound beam connected with oak plate dowels in construction, the author suggests to examine and study different opportunities of using compound beams. The solution examined in the thesis could also find usage in restoration in places where girders construction conforms the study in the thesis and in places where timber constructions are exhibited. Financial spending is always important for any customer and they often choose the inexpensive, yet durable solution. It is always important for any organization to meet the needs of their clients and to offer them the best possible solution. In order to find the most inexpensive and effective solution, it is important to study different types of compound beams and to execute comparisons of the costs of both time and money. 66
KASUTATUD KIRJANDUS Allikas, L. (1985). Puit- ja plastmasskonstruktsioonid. Tallinn: Valgus. 360 lk. Allikas, L., Kulbach, V. (1962). Puitkonstruktsioonid. Tallinn: Eesti riiklik kirjastus. 414 lk. ASTM D905-08. (2013). Standard Test Method for Strength Properties of Adhesive Bonds in Shear by Compression Loading. USA: American Society for Testing and Materials. CTS Bridges. (s.a). Bridges. http://www.ctsbridges.co.uk/bridges/timber-bridges/dowel-laminatedfoot-bridges/ (02.04.2016). Dinwoodie, J. M. (1975) Timber A Review of the Structure-Mechanical Property Relationship. Journal of Microscopy. vol.104. pt.1.pp.3-32. EVS-EN 338:2009. (2009). Ehituspuit. Tugevusklassid. Tallinn: Eesti standardikeskus. EVS-EN 384:2010. (2010). Structural timber - Determination of characteristic values of mechanical properties and density. Tallinn: Eesti standardikeskus. EVS-EN 408:2010+A1:2012. (2012) Puitkonstruktsioonid. Ehituspuit ja liimpuit. Mõnede füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste määramine. Tallinn: Eesti standardikeskus. Forest & Wood Products Australia. (2008). Market knowledge & development: Timber beams instead of steel beams in housing construction. Austraalia: Forest & Wood Products Australia Limited. 9 p. Forest Products Laboratory. (2010). Wood handbook: Wood as an engineering material. Centennial Edition.General Technical Report FPL-GTR-190. Madison, WI: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory. 508 p. Glue laminated Timber Association. (2010). Structural glued laminated timber-design essentials. UK: Glued Laminated Timber Association. 12 p. Harris, C. M. (2005). Dictionary of Architecture & Construction. Fourth Edition. USA: McGraw- Hill Education. 1088 p. 67
Just, A., Just, E. (2015). Puitkonstruktsioonid. Õppematerjal. Tallinn. 128 lk. Maripuu, A. (1989). Kodu oma kätega. Tallinn: Valgus. 144 lk. Masso, T. (2012). Ehituskonstruktori käsiraamat. 3. Parandatud ja täiendatud trükk. Tallinn: Ehitame kirjastus. 577 lk. MatWeb. (s.a.). Material property data. http://www.matweb.com/index.aspx (16.05.16) McKenzie, W. M. C., Zhang, B. (2007). Design of Structural Timber to Eurocode 5. 2nd Edition. Suurbritannia: Palgrave Macmillan. 508 p. Mehdi Hajianmaleki and Mohammad S. Qatu. (2011). Mechanics of Composite Beams, Advances in Composite Materials - Analysis of Natural and Man-Made Materials, Dr. Pavla Tesinova (Ed.), ISBN: 978-953-307-449-8, InTech, http://www.intechopen.com/books/advancesin-composite-materials-analysis-of-natural-and-man-made-materials/mechanics-of-compositebeams Miller, J. F. (2009). Design and analysis of Mechanically Laminated Timber Beams Using Shear Keys. USA: Michigan Technological University. 211 p. Mori, T., Minami, M., Jung, K., Kitamori, A., Komatsu, K. (2010). Development of reinforce method for bending stiffness of compound beam using pin-keyed joint: Effect of pin-key s diameter. Jaapan. 8 p. O Loinsigh, C., Oudjene, M., Ait-Aider, H., Fanning, P., Pizzi, A., Shotton, E., Meghlat, E.- M. (2012). Construction and Building Materials: Experimental study of timber-to-timber composite beam using welded-through wood dowels. Iirimaa, Algeeria, Prantsusmaa: Elsevier. pp. 245 250. Porteous, J., Kermani, A. (2013). Structural Timber Design to Eurocode 5. 2nd Edition. UK: Wiley-Blackwell.623 p. Puuinfo. (s. a.). Suured puitehitised. http://puuinfo.ee/ehitamine/suured-puitehitised/ (03.03.2016) Saarman, E., Veibri, U. (2006). Puiduteadus. Tartu: Vali press OÜ. 560 lk. SINTEF Byggforsk. (2007). Byggforskserien: Statikkformler for bjelker. Norway: SINTEF Byggforsk. 8 p. Tallnerk Grupp. (s.a). Puidu tugevus. http://www.tallnerk.ee/?244 (20.04.16) 68
Teder, M. (2012). Overview of some non-destructive techniques for in situ condition assessment of timber structures. In: Fungi and Beetles in Historic Timber Structures in Northern Europe. Proceedings of the international workshop. Petrozavodsk, May 29 - June 1, 2012. Petrozavodsk: Karelian Research Centre of RAS, pp. 59-67. The University of Arizona. (s.a.). About tree rings. http://ltrr.arizona.edu/about/treerings (02.05.16) University of Cambridge. (s.a). The structure and mechanical behaviour of wood: Wood as an engineering material. UK. http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/wood/engr_mater.php (03.03.2016) Youngs, R. L. (2009). History, Nature and products of wood. Forests and forest plants- vol II. UK: Eolss Publisher/UNESCO. 344 p. Деревянные конструкции. (1982). Строительные нормы и правила. СНиП II-25-80. M.: Стройиздат. * НиТУ 122-55. (1955). Нормы и технические условия проектирования деревянных конструкций. Viidatud: Puitkonstruktsioonid. 1962. Tartu: Eesti riiklik kirjastus, lk 124 vahendusel. ЦНИИСК им. Кучеренко. (1986). Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП II-25-80). M.: Стройиздат. 69
LISAD 70
LISA 1. TALADE NIISKUSSISALDUSE MÕÕTMISE TULEMUSED FME MOISTURE METER IGA EESTI MAAÜLIKOOLI SAABUDES,VAHETULT ENNE KATSEKEHADE KONSTRUEERIMIST NING ENNE KATSEID Katse T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 Tala I ots 21,5 % 25,2% 24,1% 21,5% 21,6% 21,3% 22,5% 21,2% 23,1% 20,4% 21,1% 22,1% Tala keskelt 23,2% 25,4% 25,5% 23,5% 24,5% 25,4% 24,0% 23,2% 24,0% 22,7% 23,2% 24,2% Tala II ots 22,3% 23,9% 26,4% 23,8% 21,1% 27,7% 21,5% 23,0% 22,2% 22,6% 22,3% 24,5% Katse T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 Tala keskelt 17,7% 18,5% 17,0% 17,2% 17,7% 16,7% 16,4% 16,2% 18,2% 15,8% 14,5% 17,7% Tala I ots 13,8% 15,9% 12,9% 14,6% 13,5% 12,5% 12,6% 12,6% 15,2% 13,2% 13,2% 16,8% Tala II ots 13,7% 15,3% 16,4% 15,2% 13,8% 15,1% 12,3% 13,7% 12,4% 15,1% 12,3% 15,0% Katse T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 Tala I ots 8,5% 9,0% 9,5% 10,8% 8,5% 9,0% 10,6% 10,6% 10,6% 10,6% 10,8% 9,5% Tala keskelt 9,8% 7,0% 10,9% 8,4% 9,8% 7,0% 10,9% 10,8% 10,9% 10,8% 8,4% 10,9% Tala II ots 9,7% 9,0% 11,4% 10,8% 9,7% 9,0% 10,2% 10,1% 10,2% 10,1% 10,8% 11,4% 71
LISA 2. SAEMATERJALI ANDMED Tala nr Materjal Pikkus (mm) Ristlõige (mm) T1 Kuusk 6125 202 T2 Kuusk 6104 202 T3 Kuusk 6107 202 T4 Kuusk 4104 200 T5 Kuusk 6125 204 T6 Kuusk 6102 200 T7 Kuusk 6152 203 T8 Kuusk 6158 202 T9 Kuusk 6098 204 T10 Kuusk 6114 193 T11 Kuusk 6198 205 T12 Kuusk 6118 204 Dünaamiline elastsusmoodul (MPa) Eeldatav tugevusklass 100 7240 C14 102 6669 < C14 101 9992 C18 101 8543 C16 101 7119 C14 100 7357 C14 100 9422 C18 99 9056 C18 100 9591 C18 101 9420 C18 100 8632 C16 100 10517 C22 72
LISA 3. TALADE KLASSIFITSEERIMINE MÕÕTETULEMUSTE ABIL EELDATAVATESSE TUGEVUSKLASSIDESSE Tala nr Keskmine μs Keskmine sek L (mm) L (m) Kiirus m/s Tihedus (kg/m 3 ) MoE dyn (Pa) MoE dyn (Gpa) MoE stat (Gpa) MC % muut % 1% väärtus 12 % MoE stat (Gpa) Tugevusklass 1 1297 0,0013 6125 6,125 4722 460 10258646518 10,26 8,210 22,33% -11,78 0,0821 7,240 C14 2 1347 0,0014 6104 6,104 4532 460 9446081539 9,446 7,560 24,83% -11,75 0,0756 6,669 <C14 3 1101 0,0011 6107 6,107 5547 460 14152691295 14,15 11,32 25,33% -11,75 0,1132 9,992 C18 4 1190 0,0012 6104 6,104 5129 460 12102997924 12,10 9,680 22,93% -11,77 0,0968 8,543 C16 5 1308 0,0013 6125 6,125 4683 460 10086826013 10,09 8,070 22,40% -11,78 0,0807 7,119 C14 6 1282 0,0013 6102 6,102 4760 460 10421402937 10,42 8,340 24,80% -11,75 0,0834 7,357 C14 7 1142 0,0011 6152 6,152 5387 460 13349293371 13,35 10,68 22,67% -11,77 0,1068 9,422 C18 8 1166 0,0012 6158 6,158 5281 460 12830397159 12,83 10,26 22,50% -11,78 0,1026 9,056 C18 9 1122 0,0011 6098 6,098 5435 460 13587731546 13,59 10,87 23,10% -11,77 0,1087 9,591 C18 10 1135 0,0011 6114 6,114 5387 460 13348023955 13,35 10,68 21,90% -11,78 0,1068 9,420 C18 11 1202 0,0012 6198 6,198 5156 460 12230720458 12,23 9,780 22,20% -11,78 0,0979 8,632 C16 12 1075 0,0011 6118 6,118 5691 460 14899093599 14,90 11,92 23,60% -11,76 0,1192 10,517 C22 Märkus: Keskmine kiirus mõõdeti Fakopp microsecond timer ga tala otstest vahetult enne katsekehade valmistamist. Kuuse puidu tihedus on võetud kirjandusest (Veibri 2006). Dünaamiline elastsusmoodul on arvutatud lähtuvalt Marko Tederi artikli järgi (Teder, 2012). Tugevusklassid on eeldatavad ning need on määratud vastavalt arvutatud dünaamiliste elastsusmoodulite järgi. 73
LISA 4. PLAATNAAGLITE ANDMED NING RISTIKIUDU NIHKEKATSETE TULEMUSED Katsekeha number Paksus Laius kõrgus Maksimaalne survejõud Läbipaine maksimaalse jõu korral Aeg maksimaalse jõu saavutamiseks (mm) (mm) (mm) (N) (mm) (sek) K1 12,36 50,80 61,83 6354-7,531 62 K2 12,34 50,90 61,99 8364-7,722 70 K3 12,65 50,40 60,62 7802-7,806 71 K4 12,09 50,40 61,83 7771-8,511 55 K6 12,08 50,40 60,73 7483-7,949 66 K6 12,27 51,30 62,01 7517-9,039 64 K7 12,10 50,40 61,98 6951-6,307 53 K8 12,35 50,80 62,10 6916-9,186 69 K9 13,13 50,90 61,84 6982-7,728 60 K10 12,98 50,70 62,03 8565-10,109 73 K11 12,14 50,40 60,84 7308-9,720 68 K12 11,90 50,40 62,02 6966-8,430 62 K13 11,75 50,40 62,15 6263-8,571 60 K14 12,16 50,40 60,89 13129-8,882 62 K15 12,30 50,40 60,69 6342-9,232 67 K16 12,00 50,30 60,87 7375-8,948 65 K17 12,24 50,50 60,91 7090-8,322 66 K18 12,09 50,50 60,52 6429-7,427 61 K19 12,23 50,90 61,91 7485-8,351 72 K20 12,51 50,60 61,89 7102-8,287 71 74
LISA 5. PLAATNAAGLITE PURUNEMISPILDID K-1 K-6 K-2 K-7 K-3 K-8 K-4 K-9 K-5 K-10 K-11 K-16 75
Lisa 5 järg K-12 K-17 K-13 K-18 K-14 K-19 K-15 K-20 76
LISA 6. LIITTALADE LÕIGE NING PLAATNAAGEL KOOS MÕÕTUDEGA Liittala lõige Joonis 41. Liittala lõige Plaatnaagli skeem Joonis 42. Plaatnaagel 77
LISA 7. LIITTALADE KATSETULEMUSED Katsekeha nr LT 2-6 LT 1-5 LT 4-11 LT 8-10 LT 7-9 LT 3-12 Arvutuslik/katseline elastsusmoodul (MPa) 7013/12624 7180/7735 8588/26066 9238/17694 9507/33590 10255/33146 Arvutuslik/katseline maksimaalne paindemoment (knm) 38,08/67,64 38,65/42,73 43,96/53,57 46,81/78,16 49,69/64,58 60,74/70,60 Arvutuslik/katseline maksimaalne P (kn) 42,32/75,15 42,95/47,48 48,84/59,52 52,01/86,85 55,22/71,76 67,49/78,44 Arvutuslik/katseline maksimaalne F (kn) 21,16/37,58 21,47/23,74 24,42/29,76 26,00/43,43 27,61/35,88 33,75/39,22 Arvutuslik/katseline maksimaalne Läbipaine d max (mm) 52,44/84,10 50,72/67,81 48,58/92,25 52,09/95,01 49,12/76,53 55,80/66,66 Arvutuslik/katseline maksimaalne Läbipaine u inst (mm) 49,58/84,10 47,95/67,81 45,93/92,25 49,25/95,01 46,45/76,53 52,76/66,66 Arvutuslik/katseline maksimaalne Läbipaine f (mm) 49,66/84,10 48,03/67,81 46,00/92,25 49,33/95,01 46,52/76,53 53,84/66,66 78
LISA 8. LIITTALADE PURUNEMISPILDID Joonis 43. LT 2-6 purunemispilt Joonis 44. LT 2-6 purunemispilt Joonis 45. LT 1-5 purunemispilt Joonis 46. LT 4-11 purunemispilt 79
Lisa 8 järg Joonis 48. LT 8-10 purunemispilt Joonis 47. LT 8-10 purunemispilt Joonis 49. LT 7-9 purunemispilt Joonis 50. LT 7-9 purunemispilt Joonis 51. LT 3-12 purunemispilt Joonis 52. LT 3-12 purunemispilt 80