Badanie wytrzymałości połączenia klejowego „drewno - drewno” na ścinanie przy ściskaniu

4.2.5. Badanie wytrzymałości połączenia klejowego „taśma CFRP - drewno” na odrywanie

Badanie przyczepności taśmy doklejonej do drewna za pomocą kleju Resin 55 wykonano poprzez odrywanie krążka przyrządem DYNA Z15, wg [193]. We wszystkich badanych próbkach nastąpiło zniszczenie w warstwie drewna.

Tab. 4.18. Wyniki badań wytrzymałości taśmy na odrywanie od drewna

Kształt i wymiary próbki [mm] ^{średnica odrywanego} krążka - 50 mm

Liczba próbek n [szt.] 6

Średnia wytrzymałość na odrywanie fh,śr [MPa] 2,64 Odchylenie standardowe s [MPa] 0,22

Błąd średni sr [MPa] 0,05

Współczynnik zmienności ν [%] 8,27

Rys. 4.41. Umieszczenie próbki w przyrządzie DYNA Z15 do wyznaczania wytrzymałości połączenia „drewno - klej - drewno” na odrywanie

Rys. 4.42. Próbka z naklejonym oraz oderwanym krążkiem do badania wytrzymałości połączenia

„drewno - klej - drewno” na odrywanie

4.2.6. Badanie wytrzymałości połączenia klejowego „drewno - drewno” na ścinanie przy ściskaniu

Badanie wytrzymałości połączenia „drewno - klej - drewno” zrealizowano na prasie hydraulicznej ZD-40 przy użyciu próbek złożonych z trzech, sklejonych ze sobą za pomocą kleju Resin 55, drewnianych klocków, rys. 4.43. We wszystkich badanych próbkach zniszczenie nastąpiło poprzez ścięcie drewna wzdłuż włókien. W żadnej z 6 przeprowadzonych prób nie nastąpiło ścięcie spoiny klejowej. Przykładowa próbka po zniszczeniu została przedstawiona na rys. 4.44.

Rys. 4.43. Badanie wytrzymałości na ścinanie przy ściskaniu połączenia

„drewno - klej - drewno”

Rys. 4.44. Przykładowa próbka po zniszczeniu przy próbie badania wytrzymałości na ścinanie przy ściskaniu połączenia „drewno - klej - drewno” Tab. 4.19. Wyniki badań wytrzymałości na ścinanie przy ściskaniu połączenia „drewno - klej - drewno”

Kształt i wymiary

próbki [mm]

Liczba próbek n [szt.] 6

Średnia wytrzymałość na ścinanie fv,śr [MPa] 4,97 Średnia wytrzymałość na ścinanie fv,śr(ω=12%) [MPa] 4,75 Odchylenie standardowe s [MPa] 0,71

Błąd średni sr [MPa] 0,18

Współczynnik zmienności ν [%] 14,27 Wskaźnik dokładności (dla 1-α=0,95) p [%] 7,13

4.3.BADANIA LITYCH BELEK DREWNIANYCH WZMOCNIONYCH PRZY UŻYCIU

CFRP 4.3.1. Opis badań

Przedmiotem badań było zastosowanie taśm węglowych CFRP do wzmacniania zginanych belek drewnianych obiektów zabytkowych. W programie badawczym zaproponowano wykorzystanie taśm węglowych do wzmocnienia i odtworzenia nośności belek z defektami - korozja biologiczna, inkluzje, skręt włókien, pęknięcia drewna.

Stanowisko badawcze przedstawiono na rys. 4.1 i 4.45. Zastosowano siłownik o średnicy tłoka 100 cm² i maksymalnym wywieranym ciśnieniu 20 MPa firmy, VEB Verkzeugstoffprüfmaschine Leipzig oraz siłomierz ETP 7920-16 firmy, MOM Kalibergyár. Do rejestracji wyników użyto komputera PC oraz wielokanałowego systemu pomiarowego UPM 100 firmy Hottinger Baldwin Messtechnik.

Podczas badania rejestrowano:

- wartość siły obciążającej - za pomocą zestawu komputerowego,

- przemieszczenie belki w środku oraz na podporach- czujniki indukcyjne, - odkształcenia w drewnie - tensometry elektrooporowe typu RL 300/50, - odkształcenia w taśmie - tensometry elektrooporowe typu RL 120/20,

- wartość siły niszczącej - rejestracja komputerowa, dla kontroli odczyty na manometrze maszyny wytrzymałościowej,

- sposób zniszczenia - opis i dokumentacja fotograficzna.

Belki w skali technicznej o długości 4 m i wymiarach przekroju 12×22 cm oparte zostały swobodnie na obu końcach. Rozpiętość belek w osiach podpór wynosiła 3,80 m. Obciążono je symetrycznie dwupunktowo siłą, dzięki czemu w środkowej części belki uzyskano czyste zginanie. Na podporach zastosowano podparcie widełkowe zapobiegające utracie stateczności giętnej (zwichrzeniu).

Rys. 4.45. Widok stanowiska badawczego

Badano 21 ok. stuletnich sosnowych belek (7 typów po 3 belki w serii): • belka A - belka świadkowa ze starego drewna,

• belka B - belka wzmocniona, wklejoną, jedną taśmą CFRP w układzie pionowym na całej długości belki; spękanie drewna symulowane na całej długości za pomocą asymetrycznych nacięć o szerokości 4 mm i głębokości 25 mm;

• belka C - belka z usuniętą skorodowana częścią, zastąpioną nakładkami z drewna oraz wklejonymi na całej długości belki dwoma taśmami CFRP w układzie pionowym;

• belka D - belka wzmocniona wklejonymi dwoma taśmami CFRP w układzie pionowym na całej długości belki; nierównomierny przebieg włókien symulowany przez obustronne nacięcia o szerokości 3 mm i głębokości 20 mm;

• belka E - belka wzmocniona wklejonymi dwoma taśmami CFRP w układzie pionowym na całej długości belki; skręt włókien symulowany poprzez układ nierównoległych do krawędzi podłużnej belki 3 nacięć o szerokości 3 mm i głębokości 20 mm;

• belka F - belka wzmocniona w strefie maksymalnego momentu zginającego trzema taśmami CFRP, o długości od 400 do 600 mm, w układzie poziomym; osłabienie strefy rozciąganej symulowane wyciętym otworem o średnicy 25 mm;

• belka G - belka świadkowa z nowego drewna.

Przekroje poprzeczne badanych modeli oraz widok z boku pokazano na rys. 4.47, 4.56, 4.71, 4.86, 4.101, 4.115.

Specyfikację, użytych do wzmacniania belek, taśm podano w tab. 4.20, [95]. Do wklejania taśm użyto dwuskładnikowego kleju na bazie żywicy epoksydowej do mat kompozytowych S&P Resin 55 (ze względu na konsystencję umożliwiającą wklejenie wkładek wzmacniających do wnętrza przekroju). Uzupełnienia przekrojów nacięć w belkach B, C, D, E, po wklejeniu taśm, dokonano kompozycją kleju Resin 55 i mączki kwarcowej w stosunku wagowym 100:80.

Tab. 4.20. Dane techniczne zastosowanych taśm S&P Lamelle CFK 150/2000

rodzaj taśmy ^{S&P Lamelle}

CFK 150/2000

szerokość taśmy bf [mm] 50

grubośc taśmy t_f [mm] 1,2

moduł Younga E [GPa] > 165

wytrzymałość na rozciąganie fw,t [MPa] > 2800 odkształcenie przy zerwaniu ε_w [%] > 1,5

Taśmy CFRP są fabrycznie przygotowane do klejenia z jednej strony. Jako, że taśmy miały zostać wklejone do wewnątrz druga strona została zmatowiona za pomocą drobnoziarnistego papieru ściernego. Taśmy przed wklejeniem zostały starannie oczyszczone i odtłuszczone przy użyciu acetonu technicznego. Wszystkie prace przy przygotowaniu ich do wklejenia w przekrój drewniany wykonywano w rękawiczkach by nie zatłuścić powierzchni taśmy, co mogłoby zmniejszyć przyczepność kleju, [243]. Nacięcia w belkach, w których umieszczano zbrojenie zostały oczyszczone sprężonym powietrzem, by usunąć wszystkie znajdujące się tam luźne elementy, zwierciny, mogące mieć negatywny wpływ na jakość połączenia klejowego.

Tensometry elektrooporowe na taśmie zostały naklejone na połowie długości jednej z wklejonych w belkę taśm (belki B, C, D, E) oraz na całej długości taśm w belce F. Rozmieszczenie tensometrów na taśmach pokazano na rys. 4.46. W belce F tensometry zostały naklejone na każdą z trzech wklejonych taśm co 50 mm. Tensometry na taśmach, zatopionych w kompozycji klejowej, zostały zabezpieczone woskiem pszczelim.

Rys. 4.46. Rozmieszczenie tensometrów na taśmie w belkach B, C, D, E (tensometry naklejone na połowie jednej taśmy)

W rozdz. 4.3.2 - 4.3.8 przedstawiono ścieżki równowagi statycznej badanych belek. Dla modeli wzmocnionych pokazano, dla porównania, linię trendu dla trzech przebadanych belek świadkowych - A. Dodatkowo pokazano, liniami pionowymi, graniczne ugięcie L/250 dla stropów i L/167, czyli powiększone o 50% dla obiektów starych, remontowanych, wg [191].

Przedstawiono także rozkłady naprężeń normalnych w drewnie, w taśmach oraz naprężeń stycznych w spoinie wyznaczone na podstawie rozkładów odkształceń uzyskanych w badaniach.