X L V I I I K O N F E R E N C J A N AU K O W A

KOMITETU INŻ YNIERII LĄ DOWEJ I WODNEJ PAN

I KOMITETU NAUKI PZITB

Opole – Krynica

2002

Mikołaj MALESZA

1

Czesław MIEDZIAŁ OWSKI

2

Jarosław MALESZA

3

BADANIA DOŚ WIADCZALNE KONSTRUKCJI NOŚ NEJ

SZKIELETOWEGO BUDYNKU DREWNIANEGO

1. Wstęp

Przeprowadzono badania pod obciążeniem poziomym szkieletowego budynku drewnianego
w skali naturalnej. Badaniom poddano budynek budowany na jednym z osiedli w Suwałkach
przed wykonaniem robó t wykończeniowych (tzw. stan surowy otwarty). Budynek obciążono
tak aby nie przekroczyć stanó w granicznych ponieważ budynek przeznaczony był do dalszej
realizacji robó t wykończeniowych.

W trakcie badań dokonywano pomiaró w przemieszczeń poszczegó lnych ścian, aby

określić wielkość i charakter deformacji bryły budynku.

W dalszych etapach analizy zostaną określone sztywności poszczegó lne elementó w

konstrukcji i metody rozdziału przyłożonego obciążenia zewnętrznego na ściany. Wstępnie
do rozdziału obciążeń zewnętrznych przyjęto sztywności ścian na podstawie badań
doś wiadczalnych [5], [6], a schemat statyczny stropu opartego na ścianach w postaci bardzo
sztywnej belki na sprężystych podporach. Rozdział obciążeń na poszczegó lne ściany i udział
tych ścian w zapewnieniu sztywności przestrzennej konstrukcji budynku jest tematem
szeregu prac w zakresie badań i modelowania szkieletowych budynkó w drewnianych
[1], [2], [3].

2. Opis konstrukcji badanego budynku

Jest to budynek o prefabrykowanej szkieletowej konstrukcji drewnianej ze wspó łpracującym
poszyciem, parterowy z użytkowym poddaszem i z podpiwniczeniem o konstrukcji
monolitycznej z żelbetowym wylewanym stropem. Wysokość kondygnacji parteru wynosi
2,74 m. Dach dwuspadowy o kącie nachylenia połaci

a

= 45

°

wykonano w postaci konstrukcji

krokwiowo-płatwiowej.

1

Dr inż., Wydział Budownictwa i Inż. Środowiska Politechniki Białostockiej

2

Dr hab. inż., prof. PB, Wydział Budownictwa i Inż. Środowiska Politechniki Białostockiej

3

Mgr inż., Wydział Budownictwa i Inż. Środowiska Politechniki Białostockiej

164

Ściany parteru i poddasza wykonano z drewna ś wierkowego o przekroju słupkó w

i rygli poziomych 45 x 135 mm co 600 mm z obustronnym poszyciem płytą: wió rową o
grubości 13 mm od wewnątrz i płytą gipsowo-kartonową typu FERMACEL o grubości
12,5 mm od zewnątrz. Jako łączniki płyty wió rowej i konstrukcji drewnianej przyjęto
gwoździe G2,8/60 mm o rozstawie 100 mm na obwodzie płyty wió rowej poszycia i zszywki
K 1,6/50mm w rozstawie co 80mm na obwodzie płyty FERMACEL.

Strop nad parterem wykonano z belek 60 x 180 mm o rozstawie 450 mm

i 2 x 60 x 180 mm, co 400 mm dla rozpiętości odpowiednio 300 i 390 cm. Poszycie stropó w
stanowi płyta wió rowa 19 mm i od dołu płyta gipsowo-kartonowa typu gkf grubości 12,5 mm.

Krokwie dachu miały przekró j 45 x 180 mm przy rozstawie 625 mm, a poszycie

stanowiła płyta wió rowa grubości 12,5 mm od gó ry i płyta gkf grubości 12,5 mm od dołu.

Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono badany budynek.

Rys. 1. Widok badanego budynku Rys. 2. Układ ś cian parteru badanego budynku

3. Metodyka i przebieg badań

Budynek obciążono odcinkowo obciążeniem poziomym na wysokości stropu. Obciążenie
realizowano za pomocą stalowych cięgien, siłownika i konstrukcji oporowej zmontowanej na
stropie stanu zerowego.

Schemat obciążenia konstrukcji budynku przedstawiono na rys. 3.

165

Rys. 3. Schemat obciążenia konstrukcji budynku:

a)widok z gó ry, b)widok z boku

Fazy obciążenia konstrukcji budynku oraz wartości przykładanego obciążenia poka-

zano na rys. 4.

Rys. 4. Fazy badania konstrukcji budynku

Faza I przeznaczona była dla ustabilizowania obciążeń i przemieszczeń, P

s

= 4,0 kN.

Faza II polegała na badaniu budynku do zakresu obciążeń poziomych eksploatacyjnych
(wiatrem), P

e

= 24,0 kN i następnie do wielkości obciążenia P

u

= 40,0 kN. W trakcie badania

mierzono przemieszczenia ś cian w poziomie dolnej krawędzi stropu w kierunkach
prostopadłym i ró wnoległym do kierunku zadawanego obciążenia. Do pomiaru zastosowano
czujniki zegarowe o dokładności 0,01 mm i czujniki indukcyjne PELTRON PS x 50.

166

Odczyty dokonano po zrealizowaniu każdego przyrostu obciążenia o wartości 4,0 kN.
Usytuowanie miejsc pomiarowych na planie budynku pokazano na rys. 2.

4. Wyniki badań

Uzyskane przykładowe wyniki pomiaró w przemieszczeń ścian dla obu kierunkó w dla
poszczegó lnych poziomó w obciążeń przedstawiono w tab. 1.

Tabela 1

Zależność przemieszczeń ś cian dla poszczegó lnych poziomó w obciążenia budynku
przedstawiono na rys. 5, a przemieszczenia gó rnej krawędzi ścian w funkcji przypadających
na nie (rozdzielonych) obciążeń przedstawiono na rys. 6.

Rys. 5. Przemieszczenia ścian dla poszczegó lnych

poziomó w obciążeń budynku

1

2

3

4

5

6

1

0

0,000

0,000

0,000

0,000

2

4

0,067

0,020

0,010

0,000

3

8

0,133

0,066

0,020

0,010

4

12

0,200

0,100

0,030

0,010

5

16

0,267

0,103

0,050

0,015

6

20

0,333

0,108

0,060

0,020

7

24

0,402

0,112

0,070

0,020

y

6

x

6

Lp.

P [kN]

y

1

x

1

167

Rys. 6. Przemieszczenia gó rnych krawędzi ścian w zależności

od przypadających na nie (rozdzielonych) obciążeń

5. Przemieszczenia i sztywności ścian

Wielkości przemieszczeń bryły budynku w stosunku do środka ciężkości rzutu ścian
przedstawiono na rys. 7.

Rys. 7. Przemieszczenia bryły budynku dla obciążeń eksploatacyjnych

P

e

= 24 kN, M

e

= 14,19 kNm

168

W stosunku do przyjmowanych wymagań [4] pomierzone wartości nie przekraczają

wartości dopuszczalnych przemieszczeń gó rnej krawędzi ściany przy poziomie
eksploatacyjnych obciążeń będących wynikiem parcia wiatru. Wartości przemieszczeń
ograniczone są do wielkości y

lim

= 0,002 h

s

i dla wysokoś ci ściany h

s

= 2,70 m wynoszą

y

lim

= 5,48 mm. Analizę sztywności poszczegó lnych ścian budynku i rozdział obciążenia

zewnętrznego przeprowadzono przyjmując charakterystyki doś wiadczalne P = f(

d

) uzyskane

przez autoró w w trakcie badań tarcz o ró żnej konstrukcji i geometrii [5], [6].

Rozdział obciążeń zewnętrznych na poszczegó lne ściany budynku przyjęto dla

następujących schemató w statycznych, któ re przedstawiono na rys. 8.


a) dla kierunku podłużnego

b) dla kierunku poprzecznego

Rys. 8. Schematy statyczne tarczy stropu na podatnych podporach (ścianach)

przyjęte przy obliczaniu rozdziału obciążenia na poszczegó lne ściany

Kierunek poprzeczny obciążono momentem, któ ry jest iloczynem obciążenia

zewnętrznego i jego mimośrodu względem środka ciężkości ścian. Sztywności K =

d

P

obliczone dla fazy obciążeń eksploatacyjnych nie przekraczających obciążenia wiatrem
wynoszą odpowiednio:

K

1y

= 24610, K

2y

= 18990, K

3y

= 15240, K

4y

= 30768 kN/m

K

1x

= 934, K

2x

= 6376, K

3x

= 7514, K

4x

= 10054, K

5x

= 5001 kN/m

Obliczone deformacje zastępczej bardzo sztywnej belki odwzorowującej płytę

stropu na podatnych tarczach ś cian obciążonej poziomymi siłami jak w badaniach
doś wiadczalnych poró wnano z wynikami przemieszczeń uzyskanymi w trakcie badań
dla tego samego poziomu obciążeń. Na rys. 9. przedstawiono poró wnanie przemieszczeń
otrzymanych w trakcie badań z przemieszczeniami uzyskanymi z przyjętego schematu
statycznego.

169

Rys. 9. Poró wnanie deformacji uzyskanych z badań i dla przyjętego

schematu statycznego, - · -

×

-z badań, - - - analitycznie.

6. Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonych badań i wstępnej analizy zagadnienia na tle uzyskanych
wynikó w można sformułować następujące wnioski:

-

Uzyskane z badań doś wiadczalnych przemieszczenia poziome na wysokości stropu nad
parterem są dużo mniejsze od przyjmowanych wartości dopuszczalnych,

-

Uzyskane z badań doś wiadczalnych deformacje bryły budynku nie potwierdzają
przyjmowanego powszechnie założenia o nieskończonej sztywności stropu w swojej
płaszczyźnie lecz ś wiadczą o jego podatności i deformacji w płaszczyźnie,

-

W wyniku analizy statycznej płyty stropu jako belki o bardzo dużej sztywności opartej
na podatnych podporach otrzymano przemieszczenia poziome 1.2 do 3.1 razy większe
od uzyskanych z badań dla tego samego poziomu obciążeń,

-

Znacznie mniejsze przemieszczenia poziome w płaszczyźnie stropu w rzeczywistej
konstrukcji budynku uzyskane z badań są wynikiem zwiększonej sztywności ścian w
wyniku ich wspó łpracy ze ś cianami prostopadłymi oraz przestrzennego charakteru
pracy płyty stropu,

-

Ponadto część przemieszczeń została zakumulowana na podatnych połączeniach płyty
stropu ze ścianami i ścian w złączach pionowych między sobą

-

Uzyskane wyniki wskazują na konieczność analizy tego typu budynkó w w modelach
przestrzennych co pozwoli na uściślenie wartości przemieszczeń elementó w budynku,
rozdziału obciążeń na poszczegó lne tarcze ścienne oraz analizy rzeczywistych wytężeń
połączeń.

Literatura

[1] SCHMIDT R.J., MOODY R.C., Modeling laterally loaded light – framed buildings.

Journal of Structural Engineering, Vol. 115, No 12/1989.

[2] KASAL B., LEICHTI R.J., Incorporating load sharing in shear walls design of light –

frame structures. J.S.E., Vol. 118, No 12/1992.

[3] PHILLIPS T.L., ITANI R.Y., MCLEAN D.I., Lateral load sharing by diaphragms in

wood – framed buildings. J.S.E., Vol. 119, No 5/1993.

[4] DIN 1052 Holzbauwerke Berechnung und Ausfuhrung.
[5] MALESZA M., MIEDZIAŁ OWSKI CZ., MALESZA J., Badania ścian szkieletowych

budynkó w drewnianych. Inż ynieria i Budownictwo, Nr 4/1999.

[6] BASZEŃ M., MALESZA M., MIEDZIAŁ OWSKI CZ., Analiza wytężenia i podatności

drewnianych ścian szkieletowych z otworami. KILIW PAN i PziTB, Krynica’99.

170

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE WOOD-FRAMED

BUILDING STRUCTURE

Summary

The paper discusses results of experimental tests of the wood-framed sheathed buiding in
natural scale. In result of applied horizontal loading the three-dimensional form of
displacements has been obtained and then compared with allowable displacements for this
kind of structure. The paper also presents analytical method of load sharing calculation on
shear walls and their respective deformation under exploitational loading.