Wzmacnianie elementów drewnianych taśmami lub matami z włókien węglowych

(1)

Seria: BU D O W N IC TW O z. 93 N r kol. 1514

Janusz BROL*

Politechnika Śląska

WZMACNIANIE ELEMENTÓW DREWNIANYCH TAŚMAMI LUB MATAMI Z WŁÓKIEN WĘGLOWYCH

S treszczenie. R eferat przedstaw ia w yniki badań laboratoryjnych w zm ocnień elem entów drew nianych za pomocą kom pozytów z w łóknam i w ęglow ym i. Badania przeprow adzono d la przypadków obciążenia elem entów , jak zginanie, rozciąganie, ściskanie i ścinanie. Ponadto w zięto pod uw agę, niektóre nietypow e przypadki, ja k na przykład poprzeczne w zm ocnienie podłużnie spękanych elem entów .

STRENGTHENING OF WOODEN MEMBERS WITH STRIPS OR MATS FROM CARBON FIBRES

S u m m ary . T he paper presents results o f laboratory tests o f w ooden m em bers strengthening w ith carbon fiber composites. T h e tests w ere undertaken for the basic cases o f m em bers looking, like bending, tension, com pres

sion and shear. B esides, som e no t typical cases w ere considered, for instance transversal strengthening o f m em bers with longitudinal splitting.

1. Wprowadzenie

Rew aloryzacje obiektów zaw ierających dachy i stropy o konstrukcji drew nianej, w zm ac

nianie innych rodzajów konstrukcji (np. konstrukcje przekryć obiektów zabytkow ych, zwłaszcza sakralnych) to w spółcześnie pow szechnie spotykane w kraju problem y budow nictwa. W zm acnianie elem entów drew nianych m etodam i tradycyjnym i w w ielu przypadkach koliduje z zaleceniam i konserw atorów . Z aistniała w ięc potrzeba poszukiw ania now ych roz

wiązań konstrukcyjnych um ożliw iających w ykonyw anie w zm ocnień tych elem entów , nie zmieniających kształtu lub estetyki konstrukcji, a jednocześnie skutecznych. Chodzi tu za

równo o zabezpieczenie elem entów w ykazujących skutki naturalnego zużycia, ja k też o przy

padki koniecznego zw iększenia nośności lub ograniczenia ugięć.

’ Opiekun naukow y: Prof. dr inż. A ndrzej A jdukiew icz.

(2)

O becnie, od kilku lat, coraz popularniejsze je s t w ykorzystyw anie taśm z w łókien w ęglo

w ych do w zm acniania konstrukcji budow lanych. Prow adzone badania w zm ocnień z zastoso

w aniem taśm z w łókien w ęglow ych dotyczą głów nie konstrukcji żelbetow ych.

Praktycznie nie są rozpoznane m ożliw ości i skuteczność w zm acniania taśm am i i matam i z w łókien w ęglow ych konstrukcji drewnianych. B ardzo nieliczne badania były na ten tem at prow adzone w Szw ajcarii w naw iązaniu do konkretnych obiektów, np. napraw y po pożarze m ostu drew nianego w Lucernie. R ozw iązania takie pow inny um ożliw iać w ykonyw anie w zm ocnień elem entów zagrożonych, szczególnie tam , gdzie w ykonyw anie w zm ocnień w sposób tradycyjny je s t niem ożliw e lub co najm niej niewłaściw e. N ależy dodać, iż w zm acnia

nie taśm am i lub matam i z w łókien w ęglow ych praktycznie nie pow oduje zw iększenia gaba

rytów przekroju i m ożliw e je s t łatwe zakrycie (zam askow anie) takich wzm ocnień. Jest to bar

dzo istotne w przypadku elem entów w idocznych (np. odkrytych belek stropow ych w obiek

tach zabytkow ych).

2. Opis badań i uzyskane wyniki z badań

2.1. Badania pom ocnicze

Badania te dotyczyły określenia cech w ytrzym ałościow ych m ateriałów użytych do w yko

nania modeli badaw czych: drewna, taśm i mat z w łókien węglow ych.

W celu ograniczenia czynników zm iennych w szystkie m odele badaw cze w poszczegól

nych grupach były w ykonane z drew na tej samej klasy, pochodzącego z tego sam ego źródła.

W yniki badania cech w ytrzym ałościow ych drew na przedstaw iono w tablicy 1.

T ablica 1 W yniki badania cech w ytrzym ałościow ych drew na

Średnia w ytrzym ałość drew na na ściskanie <xir = £ < 7 / « = 65,266

O dchylenie standardow e s0 = ^ ( < y , - o J / ( n - \ ) = 3 ,2 2 MPa W ytrzym ałość charakterystyczna na ściskanie Rc = 5 9 ,9 1 7 MPa

Średni m oduł sprężystości otrzym any z badań E ir = 8,9 GPa W ytrzym ałość drew na na zginanie statyczne R gz = 7 1 ,6 MPa

Liczebność prób po 6 próbek

(3)

Wyniki badań taśm i m at z w łókien w ęglow ych obejm ujące w yznaczenie m odułu Yo- ung a przy rozciąganiu, oraz w yznaczenie w ytrzym ałości na rozciąganie przedstaw iono w tablicy 2.

T ablica 2 W yniki badań taśm i m at z w łókien w ęglow ych

Re [Mpa] E [Gpa] Liczba prób

Taśm a Sika Car- boD ur M l 214

2517,3 225,4 ( przy rozciąga

niu)

3

- 239,9 (przy ściskaniu) 2

T aśm a Sika Car- boD ur S512

3212 173,52 3

M ata SikaW rap - 223,43 6

2.2. B adania zasadnicze

W seriach badaw czych, zależnie od dostępnego m ateriału do w zm ocnień (próbki drewna), jak i m ateriałów do w zm ocnień (w ysokie koszty) w ykonano od 2 do 8 próbek w każdej serii, przy ogólnej zasadzie, że bada się rów nolegle próbki nie w zm ocnione i w zm ocnione. Do po

miaru odkształceń w ykorzystano tensom etry elektrooporow e, a do pom iaru przem ieszczeń czujniki indukcyjne.

Badanie na zginanie w zm ocnień taśm am i z w łókien w ęglow ych drew na przeprow adzono

na m odelach o w ym iarach 120x160x3000 mm. B adania w ykonano w dw óch seriach. Seria ZG, składająca się z czterech m odeli, obejm ow ała badanie na zginanie drew na nie w zm oc

nionego, z pom iarem ugięć i naprężeń panujących w drew nie. Seria ZW , składająca się rów nież z czterech m odeli, obejm ow ała badanie na zginanie drew na w zm ocnionego taśm ą z w łó

kien w ęglow ych SikaC arboD ur S512. Taśm a ta m iała przekrój 50x1,2 mm. W trakcie badań dokonywano pom iaru ugięć oraz odkształceń na pow ierzchni taśm y i drewna. N a rys. 1 przedstaw iono schem at badania m odeli, rozm ieszczenie tensom etrów oraz czujników induk

cyjnych dla m odeli badaw czych serii ZW .

B adania serii ZG były traktow ane ja k o św iadki dla badań serii ZW . Schem at badania dla modeli belek nie w zm ocnionych serii ZG był taki, ja k dla serii ZW . Rozm ieszczenie czujni

ków indukcyjnych było analogiczne do rozm ieszczenia dla serii ZW . T ensom etry na drewnie były rozm ieszczone tylko w środku rozpiętości na górnej i dolnej pow ierzchni belek.

(4)

W w yniku przeprow adzonych badań stw ierdzono istotny w zrost nośności m odeli w zm oc

nionych w stosunku do m odeli nie w zm ocnionych. N a rys. 2 przedstaw iono wartości średnie dla serii ZG i ZW.

w i d o k o d d o ł u

P„200 ^ 200 ,, 200

1 1 1

l. 500 500

1

„ 200 „ 200 „ 200 ^{.... 1} ¹ ^“

J

w i d o k z g ó r y

]

500 . 50« j. 200 j. 200 | 200 |. 400 |.

Rys. 1. S chem at badania modeli ZW Fig. 1. Schem e o f testing for m odels ZW

Rys. 2. W ykres zależność u gięcia od siły F - w yniki średnie w serii Fig. 2. R elation d isplacem ent / load F - mean results in the series

A nalizując zależność m aksym alnego ugięcia elem entu od obciążenia F stwierdzono w zrost nośności przy ugięciu rów nym 1/150 o około 20%. W tablicy 3 przedstaw iono średnie w ytrzym ałość m odeli serii ZG i ZW na zginanie statyczne w raz z odchyleniem standardowym

(5)

T ablica 3 Ś rednia w ytrzym ałość m odeli ZG i ZW

Seria badawcza ZG ZW

Średnia wytrzymałość na zginanie R/g [MPa] 58,01 76,17

Odchylenie standardowe [MPa] 12,16 4,83

W trakcie badań zaobserw ow ano zróżnicow anie postaci zniszczenia m odeli. Zniszczenie modeli nie w zm ocnionych serii ZG następow ało poprzez pęknięcie w łókien drew na w dolnej części elem entu (w łókna rozciągane). Zniszczenie następow ało zazw yczaj w bezpośrednim sąsiedztwie wad drew na, np. sęków. W m odelach elem entów w zm ocnionych serii ZW pierw sze oznaki zniszczenia (rozczepienie słojów ) następow ały w górnej części m odelu, a dalej następowały pierw sze pęknięcia w łókien dolnych - skrajnych, w narożach belki. Taśm a z włókien w ęglow ych w dalszym ciągu pracow ała, m odel przenosił obciążenie. Zniszczenie modelu następow ało w w yniku odspojeniu się taśm y lub poprzez ścięcie drew na w zdłuż w łó

kien nad taśm ą.

Badanie na rozciąganie drew na w zm ocnionego taśm am i z w łókien w ęglow ych przepro

wadzono na m odelach o w ym iarach 60x60x400 mm. W badaniu skupiono się głów nie na określeniu skuteczności przekazania się sił rozciągających z drew na na taśm ę. Do badań w y

korzystano taśm ę SikaC arboD ur 1214 o standardow ej szerokości 120 mm i grubości 1,4 mm.

Taśmę tę do badań ścięto do szerokości 50 m m . T aśm y z w łókien w ęglow ych były przyklejo

ne (w celu zachow ania osiow ości) do dw óch przeciw ległych płaszczyzn bocznych rów nole

głych do w łókien drew na. Do dwóch pozostałych płaszczyzn bocznych m odelu przykręcono płaskowniki stalow e, poprzez które realizow ano siłę rozciągającą. Drugi koniec taśm z w łó

kien w ęglow ych był przyklejony do elem entu stalow ego. E lem enty stalow e, poprzez które realizowano siły rozciągające, były przegubow o połączone z głow icam i m aszyny w ytrzym a

łościowej. N a rys. 12 przedstaw iono schem at badania m odelu o bazie pom iarowej 250 mm.

Badania przeprow adzono na ośm iu m odelach. W trakcie badania m ierzono odkształcenia na długości taśm y oraz m aksym alną siłę zryw ającą połączenie.

ł Z50 ł 250 F

T 111^ • • • • I I= | - T -

70Koiło^2} Ł

roo ’L Rys. 3. S chem at b ad an ia na rozciąganie

Fig. 3. S chem e o f testing at tension

(6)

W tablicy 4 przedstaw iono wyniki badań na zerw anie połączenia przy założeniu długości przyklejenia taśm y 2x250 mm (pow ierzchnia kontaktu z drew nem 25000 m m 2).

N a rysunku 4 przedstaw iono typow y wykres naprężeń w taśm ie o długości bazy pom iaro

wej 250 mm.

Tablica 4 W yniki badań na zerw anie połączenia

M odel Siła zryw ająca połączenie [kN]

Średnie naprężenia ści

nające [MPa]

ROZ1 106 4,24

ROZ2 96 3,84

ROZ3 97 3,88

ROZ4 98 3,92

ROZ5 95 3,8

ROZ6 103 4,12

RO Z7 105 4,2

ROZ8 105 4,2

Średnia 100,625 4,025

O dchylenie stand. 4,56 0,18

Poziom obciążenia 700

rw’ 600 o.

3 400 I 300

■B !?

a 200

3

100

0 o

długość [mm]

Rys. 4. R ozkład naprężeń na długości taśmy Fig. 4. D istribution o f stresses along the strip

Zniszczenie próbki następow ało poprzez odspojenie się taśm y od drewna, poprzez ścięcie w arstw y pow ierzchniow ej drew na lub poprzez odspojenie się kleju od taśmy. O dspojenie się taśm y od kleju następow ało zazwyczaj z pierw szą w arstw ą w łókien. Średnie naprężenia na długości próbki dla bazy pom iarowej 250 mm w ynosiło 4 M Pa. Trudno jednak do czegokol-

(7)

wiek porównać te w artości. W kartach producenta nie m a danych o przyczepności w ykorzy

stywanego kleju do drew na (są tylko dane dotyczące stali i betonu), niem niej jed n ak przy

czepność kleju do drew na je s t stosunkowo duża. Przyczepność tą m ożna porów nać, co zaob

serwowano w trakcie badania, do przyczepności kleju do w łókna węglow ego.

Celem badania na ściskanie było określenie skuteczności w zm acniania taśm am i i matam i z włókien w ęglow ych bez uw zględnienia w pływ u w yboczenia. W badaniach w ykorzystano taśmy SikaC arboD ur M 1214 o grubości 1,4 mm oraz m aty SikaW rap H ex - 230C. Badania przeprowadzono na próbkach o w ym iarach 120x120x300 mm, w czterech seriach po 6 próbek (w każdej serii dw ie próbki z tensom etrycznym pom iarem odkształceń). W idok modeli ba

dawczych pokazano na rys 5, a uśrednione wyniki badań przedstaw iono w tablicy 5:

>)

Rys. 5. W idok m odeli badaw czych przy ściskaniu: a) m odel SD, b) m odel SW W , c) model SM M , d) m odel SW M

Fig. 5. V iew o f m odels in tests at com pression: a) m odel SD, b) m odel SW W , c) m odel SM M , d) m odel SW M T ablica 5 U średnione wyniki badań na ściskanie

Seria N apręż. [MPa] O dch. stand. [MPa]

SD - drew no nie w zm ocnione 37,52 8,20

SWW - cztery taśm y w zdłuż w łókien 38,11 3,31

SMM - opaska z m aty w połow ie w ysokości próbki. 39,66 6,25 SWM - dw ie taśm y w zdłuż w łókien + opaska 38,82 6,86

N a podstaw ie przeprow adzonych badań stw ierdzono, że w krótkich próbkach w zm ocnienie nie je st skuteczne. O rzeczyw istym w zm ocnieniu słupów ściskanych m ożna by w nioskow ać dopiero ze sm ukłych próbek, kiedy podw yższony m om ent bezw ładności redukuje w pływ w y

boczenia. T e badania nie w chodziły w zrealizow any zakres program u badań. W każdej serii badawczej badano dw a m odele z tensom etrycznym pom iarem odkształceń. B adania z wyko-

(8)

rzystaniem tensom etrycznych pom iarów odkształceń w ykonano, by móc porów nać wyniki z m odeli num erycznych i um ożliw ić kalibracje tych modeli.

Badanie na ścinanie w poprzek w łókien drew na przeprow adzono w trzech seriach, na

modelach o w ym iarach 120x160x300 mm i schem acie badaw czym pokazanym na rys 6.

- SCD - składająca się z 4 modeli nie wzm ocnionych,

- SCM -I - dw a m odele w zm ocnione poprzez ow inięcie ich lx matą, - SCM -II - dw a m odele w zm ocnione poprzez ow inięcie ich 2 razy matą.

Tak m ała ilość modeli badaw czych w ynikała z bardzo w ysokiego kosztu maty. Uśrednione w yniki badań na ścinanie przedstaw iono w tablicy 6.

W ID O K Z P R Z O D U

IF

I

a o

n M. 100 L 150 150 J. 1001 \ 1

50 250 250 50

W ID O K Z T Y Ł U

|F I

2h

^{. 100 J.}

1

¹⁵⁰ 150

1 ? L

¹⁰⁰

S

50 250

J '

⁵⁰

Rys. 6. Schem at badania na ścinanie Fig. 6. Schem e o f testing for shear

Tablica 6 U średnione wyniki badań na ściskanie

Seria Siła niszcząca [kN]

SCD 109,53

S C M I 1 118,10

SCM -II 2 137,85

Przy tak małej liczbie prób trudno ocenić rzeczyw isty (statystyczny) w zrost nośności na ścinanie przy tak w ykonanym w zm ocnieniu. N iem niej jed n ak ujaw nił się w zrost nośności na ścinanie. D la modeli pojedynczo owiniętych średni wzrost nośności w ynosił 8%, a dla po

dw ójnego ow inięcia średni w zrost w yniósł 26%.

3. Wnioski

Przeprow adzone badania m iały na celu opracow anie zasad technologii i obliczania wzm ocnień konstrukcji drew nianych za pom ocą taśm lub m at z w łókien w ęglow ych.

(9)

W zmacnianie taśm am i lub matam i z w łókien w ęglow ych praktycznie nie pow oduje zw ięk

szenia gabarytów przekroju i m ożliw e je s t łatw e zakrycie (zam askow anie) takich w zm ocnień.

Jest to bardzo istotne w przypadku elem entów widocznych (np. odkrytych belek stropow ych w obiektach zabytkow ych). Dlatego w badaniach głów ny nacisk położono na dopracow anie tej metody w zm ocnień. N ie bez znaczenia je s t także prostota i krótki czas w ykonania w zm oc

nienia. C ała technologia w zm ocnienia sprow adza się do usunięcia zanieczyszczeń pow ierzch

ni drewna i przyklejenia taśm y lub maty, a następnie - w razie potrzeby - zam askow ania.

Najlepiej, jeżeli w czasie w zm acniania konstrukcja je s t odciążona. Podkreślić należy, że wzmocnienie elem entów zginanych taśm am i w ęglow ym i bardzo zm niejsza rozrzut w yników związany z w adam i drewna. W próbkach zginanych odchylenie standardow e w badanych seriach spadło z około 12% do 4,8% . D odatkow o w trakcie badań zauw ażono, że dzięki przy

klejonej taśm ie w ady drew na zlokalizow ane w dolnej części m odelu nie w pływ ają istotnie na wynik pom iaru. D latego zasadne je s t w ykorzystanie tej m etody szczególnie tam, gdzie z po

wodów błędów w ykonaw czych, wad drew na czy też na skutek niew łaściw ego użytkow ania została osłabiona rozciągana strefa przekrojów zginanych.

W zakresie ugięć skuteczność w zm ocnienia dla przebadanych modeli na zginanie przy zastosowaniu pojedynczej taśm y SikaC arboD ur S512 w ynosiła około 20%.

W zakresie rozciągań badanie dotyczyło skuteczności w spółpracy drew na z naklejonym i taśmami. Stw ierdzono, że decydujące znaczenie m a adhezja na długości około 50 mm od końca taśm y (czyli na odcinku równym jej szerokości), a średnie naprężenia ścinające między taśmą a drew nem (w próbce o bazie pom iarowej 250 mm) w ynosiły około 4 M Pa (siła zry

wająca połączenie o długości 250 mm w ynosiła około 50 k N ) .

W zakresie ściskania badano jedynie krępe próbki w zm ocnione na dw óch lub na czterech płaszczyznach taśm am i (lub taśm am i i m atam i). W zm acniając elem enty ściskane poprzecznie do włókien za pom ocą w ykonanych opasek z maty, zauw ażono du żą różnicę w średnich (stycznych i prom ieniow ych) odkształceniach poziom ych. Pom ierzone odkształcenia w przy

padku w ykonania opaski w ynosiły zaledw ie 20% odkształceń średnich dla elem entów nie wzmacnianych. W zm acnianie konstrukcji poprzez w ykonanie opasek z maty m ożna zalecać przy napraw ie silnie spękanych podłużnie elem entów ściskanych, kiedy chcem y zabezpieczyć element przed podłużnym spękaniem drewna. Zjaw isko takie je s t niebezpieczne w elem en

tach szczególnie w ytężonych, gdzie dążym y do w yelim inow ania m ożliw ości w ystąpienia lokalnej utraty stateczności przez zm niejszenie długości w yboczeniow ych oddzielonych od

(10)

siebie pęknięciam i fragm entów pręta. W zm acnianie tak ą m etodą je s t bardzo proste do wyko

nania i praktycznie nie zw iększa przekroju słupa. Sam a grubość w zm ocnienia wynosi około 1,5 mm. W przebadanych m odelach m aksym alne (w yznaczone na podstaw ie odkształceń, przy podw ójnym ow inięciu) naprężenia w m acie w ynosiły niewiele ponad 100 MPa, co sta

nowi zaledw ie kilka procent nośności maty. Przy zastosow aniu w zm ocnienia w postaci przy

klejonych do pobocznie elem entu drew nianego taśm z w łókien w ęglow ych stw ierdzono, że w krótkich próbkach sam o w zm ocnienie podłużne nie je s t skuteczne. O rzeczyw istym w zm oc

nieniu słupów ściskanych m ożna by w nioskow ać dopiero na podstaw ie badań sm ukłych pró

bek, kiedy podw yższony m om ent bezw ładności redukuje w pływ w yboczenia. Te badania nie w chodziły w zakres program u.

W zm ocnienie elem entów ścinanych w ykonano poprzez ow inięcie elem entu badawczego m atą w ęglow ą SikaW rap Hex 230C. M odele w zm ocnione poprzez jednokrotne owinięcie w ykazyw ały średni w zrost nośności około 8%, natom iast próbki ow inięte dw a razy wykazały średni w zrost na poziom ie 26% . W artości te są średnim i z dwóch próbek w serii i nie mogą być m iarodajne przy popraw nym określaniu skuteczności takiego rozwiązania.

W zm ocnienie poprzez ow inięcie m atą elem entu (z zachow aniem prostopadłości kierunku włókien zastosow anych m ateriałów ) skutecznie uniem ożliw ia rozw arstw ienie się włókien w m om encie zniszczenia. Zniszczenie następuje poprzez zerw anie się w łókien. W trakcie anali

zy badań laboratoryjnych i analizy num erycznej uznano, iż korzystniejsze będzie w zm acnia

nie na ścinanie poprzez naklejenie maty pod kątem 45 stopni do kierunku w łókien drewna.

Rów nolegle z przedstaw ionym i badaniam i podjęto próby num erycznych obliczeń skutecz

ności w zm ocnień drewna. W yniki dośw iadczeń pozw oliły na uzyskanie cech fizycznych w prow adzonych do analiz num erycznych. Wyniki tych analiz nie są tu przedstaw ione.

Recenzent: Dr hab. inż. M aria Kamińska, prof. PŁ A bstract

In order to seek for an effective and easy in applying m ethod o f retrofitting and strength

ening o f existing tim ber structures som e laboratory tests were carried out on a set o f models.

The tests w ere undertaken for the basic cases o f m em bers looking, like bending, tension, com pression and shear. Besides, som e not typical cases were considered, for instance trans

versal strengthening o f m em bers with longitudinal splitting.