TAŚMY CFRP WE WZMACNIANIU ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH Z DREWNA

Podobne dokumenty
WZMACNIANIE ZGINANYCH BELEK DREWNIANYCH OBIEKTÓW ZABYTKOWYCH PRZY UŻYCIU TAŚM WĘGLOWYCH

NUMERYCZNE MODELOWANIE ROZKŁADÓW ODKSZTAŁCEŃ I NAPRĘŻEŃ W BELKACH Z DREWNA LITEGO WZMOCNIONCH PRZY UŻYCIU CFRP

Wzmacnianie drewnianych konstrukcji zabytkowych przy użyciu taśm węglowych

WZMACNIANIE ZGINANYCH LITYCH BELEK DREWNIANYCH TAŚMAMI CFRP

Stalowe ściągi wklejane technologia przydatna w usztywnianiu murów konstrukcyjnych obiektów zabytkowych z bogato dekorowanymi fasadami

WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE TAŚM KOMPOZYTOWYCH Z WŁÓKIEN WĘGLOWYCH

ANALIZA BELKI DREWNIANEJ W POŻARZE

Przykłady obliczeń belek i słupów złożonych z zastosowaniem łączników mechanicznych wg PN-EN-1995

POZ BRUK Sp. z o.o. S.K.A Rokietnica, Sobota, ul. Poznańska 43 INFORMATOR OBLICZENIOWY

CZYNNE WZMACNIANIE ZGINANYCH BELEK ŻELBETOWYCH SPRĘŻAJĄCYMI TAŚMAMI CFRP

Stropy TERIVA - Projektowanie i wykonywanie

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

Efektywność wzmocnienia zginanych elementów żelbetowych przy użyciu naprężonych kompozytów CFRP stan wiedzy w dziedzinie badań doświadczalnych

NAPRAWA KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH PRZYKŁADY NIERACJONALNYCH WZMOCNIEŃ

Zestaw pytań z konstrukcji i mechaniki

PRZYKŁADOWE ROZWIĄZANIE WZMOCNIENIA KONSTRUKCJI DREWNIANEGO STROPU BELKOWEGO

Zadanie 1 Zadanie 2 tylko Zadanie 3

KONSTRUKCJE DREWNIANE I MUROWE

Badanie próbek materiału kompozytowego wykonanego z blachy stalowej i powłoki siatkobetonowej

WZMACNIANIE ZGINANYCH LITYCH BELEK DREWNIANYCH PRĘTAMI I BLACHAMI STALOWYMI ORAZ MATERIAŁAMI CFRP

Wyboczenie ściskanego pręta

PRZEDMOWA WIADOMOŚCI WSTĘPNE ROZWÓJ MOSTÓW DREWNIANYCH W DZIEJACH LUDZKOŚCI 13

Nowoczesne sposoby napraw i wzmocnień konstrukcji murowych

Liczba godzin Liczba tygodni w tygodniu w semestrze

1. Połączenia spawane

Wytrzymałość Materiałów

DWUTEOWA BELKA STALOWA W POŻARZE - ANALIZA PRZESTRZENNA PROGRAMAMI FDS ORAZ ANSYS

Wpływ gatunku stali zbrojenia głównego na nośność na zginanie i graniczne odkształcenia kompozytu przy wzmacnianiu taśmami CFRP

Politechnika Białostocka

Wzmocnienia konstrukcje metodą wstępnie naprężonych taśm kompozytowych z włókien węglowych doświadczenia polskie. Construction

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2015/16

KONSTRUKCJE MUROWE ZBROJONE. dr inż. Monika Siewczyńska

PROJEKTOWANIE KONSTRUKCJI STALOWYCH WEDŁUG EUROKODÓW.

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2014/15

Rys. 1. Elementy zginane. KONSTRUKCJE BUDOWLANE PROJEKTOWANIE BELEK DREWNIANYCH BA-DI s.1 WIADOMOŚCI OGÓLNE

PRZEZNACZENIE I OPIS PROGRAMU

WYTRZYMAŁOŚĆ RÓWNOWAŻNA FIBROBETONU NA ZGINANIE

Wzmacnianie mostów materiałami kompozytowymi

Zakład Konstrukcji Żelbetowych SŁAWOMIR GUT. Nr albumu: Kierunek studiów: Budownictwo Studia I stopnia stacjonarne

Laboratorium wytrzymałości materiałów

700 [kg/m 3 ] * 0,012 [m] = 8,4. Suma (g): 0,138 Ze względu na ciężar wykończenia obciążenie stałe powiększono o 1%:

SPRAWOZDANIE Z BADAŃ

Algorytm do obliczeń stanów granicznych zginanych belek żelbetowych wzmocnionych wstępnie naprężanymi taśmami CFRP

OBLICZENIA STATYCZNE konstrukcji wiaty handlowej

10.1 Płyta wspornikowa schodów górnych wspornikowych w płaszczyźnie prostopadłej.

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Projektowanie i obliczanie połączeń i węzłów konstrukcji stalowych. Tom 2

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH


ZASTOSOWANIE ANALIZY NIELINIOWEJ W PROGRAMIE DIANA DO OCENY STANU ZARYSOWANIA BELEK ŻELBETOWYCH O ROZPIĘTOŚCI 15 M

BUDOWNICTWO DREWNIANE. SPIS TREŚCI: Wprowadzenie

Katedra Inżynierii Materiałów Budowlanych

Pręt nr 1 - Element żelbetowy wg. PN-B-03264

Badania belek z drewna klejonego warstwowo wzmocnionych prętami bazaltowo epoksydowymi

SAS 670/800. Zbrojenie wysokiej wytrzymałości

Badania wybranych połączeń klejowych przydatnych w rehabilitacji i wzmacnianiu zginanych belek drewnianych z wykorzystaniem elastooptyki

S&P C-Sheet Maty kompozytowe z włóknami węglowych

Belka dwuteowa KRONOPOL I-BEAM

Kleje konstrukcyjne stosowane w obiektach inżynierii komunikacyjnej

BADANIA DOŚWIADCZALNE ZARYSOWANYCH BELEK ŻELBETOWYCH Z NAKLEJONYMI TAŚMAMI KOMPOZYTOWYMI Z WŁÓKIEN WĘGLOWYCH

SPRAWOZDANIE Z BADAŃ

9.0. Wspornik podtrzymujący schody górne płytowe

LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

Dr inż. Janusz Dębiński

WZMACNIANIE ELEMENTÓW DREWNIANYCH TAŚMAMI LUB MATAMI Z WŁÓKIEN WĘGLOWYCH STRENGTHENING OF WOODEN MEMBERS WITH STRIPS OR MATS FROM CARBON FIBRES

ODPORNOŚĆ OGNIOWA ELEMENTÓW ZGINANYCH ZE ZBROJENIEM ZEWNĘTRZNYM

OCENA NOŚNOŚCI DORAŹNEJ BELEK STALOWYCH WZMOCNIONYCH NAPRĘŻONYMI TAŚMAMI CFRP

Informacje ogólne. Rys. 1. Rozkłady odkształceń, które mogą powstać w stanie granicznym nośności

Wkręt z gwintem na całej długości KonstruX

METODY ZWIĘKSZANIA WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH ZBROJONYCH BELEK BETONOWYCH

S&P FRP system materiałów kompozytowych do wzmacniania konstrukcji budowlanych

KARTA INFORMACYJNA SikaWrap -300 C NW

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH. Doświadczalne sprawdzenie zasady superpozycji

Wytrzymałość Konstrukcji I - MEiL część II egzaminu. 1. Omówić wykresy rozciągania typowych materiałów. Podać charakterystyczne punkty wykresów.

Politechnika Białostocka

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z PRZEDMIOTU: KONSTRUKCJE BUDOWLANE klasa III Podstawa opracowania: PROGRAM NAUCZANIA DLA ZAWODU TECHNIK BUDOWNICTWA

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wyznaczenie reakcji belki statycznie niewyznaczalnej

Ścinanie betonu wg PN-EN (EC2)

Temat 2 (2 godziny) : Próba statyczna ściskania metali

SPRAWOZDANIE Z BADAŃ

KARTA INFORMACYJNA SikaWrap 301 C

długości KonstruX i Wysoki opór wyciągania Mocne połączenie System do wszystkich typów połączeń nośnych w konstrukcjach z drewna

ANALIZA PRACY STATYCZNEJ ZGINANYCH BELEK DREWNIANYCH WZMACNIANYCH PRZY UŻYCIU CFRP. Tomasz Nowak. Praca doktorska

8. WIADOMOŚCI WSTĘPNE

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów studia niestacjonarne I-go stopnia, semestr zimowy

PaleZbrojenie 5.0. Instrukcja użytkowania

KONSTRUKCJE BUDOWLANE I INŻYNIERSKIE

ZAJĘCIA 3 DOBÓR SCHEMATU STATYCZNEGO PŁYTY STROPU OBLICZENIA STATYCZNE PŁYTY

Temat: Mimośrodowe ściskanie i rozciąganie

Nośność belek z uwzględnieniem niestateczności ich środników

Sprawdzenie stanów granicznych użytkowalności.

7.0. Fundament pod słupami od stropu nad piwnicą. Rzut fundamentu. Wymiary:

Widok ogólny podział na elementy skończone

S&P FRP. system materiałów kompozytowych do wzmacniania konstrukcji budowlanych. Troszczymy się o jutro

S&P FRP. system materiałów kompozytowych do wzmacniania konstrukcji budowlanych

Ścinanie i skręcanie. dr hab. inż. Tadeusz Chyży

PRZYSPIESZENIE PROCESU WZMACNIANIA ELEMENTÓW ŻELBETOWYCH TAŚMAMI Z WŁÓKIEN WĘGLOWYCH W METODZIE NSMR

Transkrypt:

VI KONFERENCJA NAUKOWA DREWNO I MATERIAŁY DREWNOPOCHODNE W KONSTRUKCJACH BUDOWLANYCH Międzyzdroje, 7-9 maja 004 DR HAB. INŻ. JERZY JASIEŃKO DR INŻ. PIOTR PIETRASZEK MGR INŻ. TOMASZ NOWAK Instytut Budownictwa Politechniki Wrocławskiej TAŚMY CFRP WE WZMACNIANIU ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH Z DREWNA Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań zastosowania taśm węglowych CFRP do wzmacniania zginanych belek drewnianych z uwzględnieniem ich przydatności w konserwacji zabytków. Zawarto wykresy przebiegu naprężeń i odkształceń belek po wzmocnieniu. Badania przeprowadzono na belkach drewnianych wykonanych z drewna eksploatowanego ok. 100 lat. Ponadto przedstawiono program badawczy belek wzmocnionych przy użyciu taśm węglowych. 1. WSTĘP Zainteresowanie kompozytami wynika z dwóch podstawowych przesłanek: pierwsza - to ich dobre parametry wytrzymałościowe, druga - to mały ciężar. Z jednoczesną kombinacją tych cech mamy do czynienia w zasadzie tylko w przypadku kompozytów, stąd gwałtownie rosnące w ostatnich latach ich wykorzystanie w konstrukcjach, gdzie ma to pierwszorzędne znaczenie. Materiały kompozytowe (Fibre Reinforced Plastics) są najogólniej mówiąc tworzywami sztucznymi, zbrojonymi różnego rodzaju włóknami. Najczęściej spotykane kompozyty to: - zbrojone włóknami węglowymi (CFRP Carbon Fibre Reinforced Plastic) - zbrojone włóknami szklanymi (GFRP Glass Fibre Reinforced Plastic) - zbrojone włóknami aramidowymi (AFRP Aramid Fibre Reinforced Plastic) Ponieważ włókna szklane posiadają słabą odporność na środowiska alkaliczne oraz niższą wytrzymałość zmęczeniową, a włókna aramidowe mają znacznie niższy moduł sprężystości niż włókna węglowe, to właśnie materiały CFRP są zalecane do wzmacniania konstrukcji poddanych obciążeniom zmęczeniowym. W pracy przedstawiono koncepcję zastosowania taśm węglowych CFRP do wzmacniania zginanych belek drewnianych w obiektach zabytkowych oraz wyniki badań zastosowania taśm węglowych CFRP do wzmacniania zginanych belek drewnianych w obiektach zabytkowych. 309

Koncepcja wzmocnienia odpowiada znanej i stosowanej w Polsce metodzie polegającej na przyklejaniu stalowych płaskowników lub blach do elementów konstrukcji, [8], [9], [11]. Zalety wzmocnień taśmami zbrojonymi włóknami węglowymi uwidaczniają się zwłaszcza w konserwacji zabytków. Głównie chodzi tu właściwie o stosunek wagi i wymiarów do uzyskiwanych wytrzymałości. Taśmy można ponadto łatwo ukryć w przekroju tak, że zachowany jest pierwotny wygląd elementu. Z badań przeprowadzonych pod kierunkiem Martina [14] wynika, iż ukrycie taśm wewnątrz przekroju zwiększa wytrzymałość badanych belek z drewna klejonego warstwowo podczas próby ogniowej o 44% w stosunku do belek wzmocnionych zbrojeniem zewnętrznym. Ponadto przewodność cieplna kompozytów jest znacznie mniejsza niż stali, co jednocześnie sprawia, że odporność ogniowa konstrukcji z ich użyciem jest większa. Pierwsze badania z zastosowaniem taśm węglowych do wzmacniania elementów drewnianych przeprowadzono dopiero w latach dziewięćdziesiątych, [1], [], [3], [6], [8], [18], [1], [3]. Także w Polsce zostały podjęte takie próby na Politechnice Wrocławskiej [11], Śląskiej [4], [5] oraz Poznańskiej [15], [0]. W badaniach opisanych w [4] taśmy zostały doklejone do spodu belki. Stwierdzono wzrost nośności przy ugięciu równym l/150 o około 0% - rys. 3. W modelach wzmocnionych pierwsze oznaki zniszczenia następowały w górnej części modelu zaś w niewzmocnionych w dolnej części (rozciąganej), zazwyczaj w bezpośrednim sąsiedztwie wad drewna, np. sęków czy nierównomiernego przebiegu włókien. Dodatkowo przeprowadzono badanie na rozciąganie drewna wzmocnionego taśmami CFRP. Średnie naprężenie ścinające na długości próbki dla bazy pomiarowej 50 mm wynosiło 4 MPa. Zniszczenie próbki następowało poprzez odspojenie się taśmy od drewna, poprzez ścięcie warstwy powierzchniowej drewna lub poprzez odspojenie się kleju od taśmy. Podjęto także próbę wzmacniania słupów drewnianych za pomocą mat z włókien węglowych jednak na podstawie przeprowadzonych badań nie stwierdzono skuteczności tego działania. Należałoby przeprowadzić badania na smuklejszych próbkach, kiedy większy moment bezwładności redukuje wpływ wyboczenia. Koncepcja odtworzenia nośności osłabionej strefy rozciąganej modelowanej za pomocą rozcięcia włókien rozciąganych prostopadle do osi belki przedstawiono w [15] i [0] w dwóch układach z taśmami wklejonymi pionowo i poziomo. Jednocześnie podjęto próbę optymalizacji długości zakotwienia połączenie taśma-drewno. W przypadku badanych belek można uznać, że wzmocnienie osłabionej strefy rozciąganej pozwoliło na odtworzenie pełnej nośności belek na zginanie. W [8] stwierdzono, że przyklejenie taśm do górnej i dolnej powierzchni belki (rys. ) pozwala zwiększyć nośność belki o 100% przy jednoczesnym wzroście sztywności o 40% - rys. 1. 310

Rys. 1. Zależność ugięcie moment zginający w środku rozpiętości badanych belek [9] Rys.. Sposób przyklejenia taśm CFRP [9] W [3] przedstawiono koncepcję wzmocnienia klejonych belek drewnianych z taśmami węglowymi wklejonymi w przekrój podczas procesu produkcyjnego. Decydujące znaczenie przy tym rozwiązaniu miała estetyka belki oraz jej większa odporność ogniowa. Najczęściej stosowany sposób doklejenia taśm przedstawiony na rysunku 8 [1], [], [5], [1], [3] - jest nie do zaakceptowania ze względów konserwatorskich,. W obiektach zabytkowych często mamy do czynienia z bogatym wystrojem stropów, dlatego właściwszym rozwiązaniem jest wtopienie taśm w przekrój drewniany- rys. 5. Pozwala to na wykorzystanie tej metody w pracach konserwatorskich. Ogranicza to również możliwość delaminacji połączenia klejowego taśma-drewno, [13]. Wstępne badania belek z tak wklejonymi taśmami przeprowadzono w 001 r w Instytucie Budownictwa Politechniki Wrocławskiej w programie pod kierunkiem naukowym dr. hab. inż. J. Jasieńko, [11]. Sprężone taśmy kompozytowe z włóknami węglowymi (CFRP) otwierają nowe możliwości wzmacniania istniejących konstrukcji. Dzięki sprężeniu przyklejane taśmy CFRP włączają się do przenoszenia obciążeń w konstrukcji już od początkowych faz działania obciążenia oraz powodują redukcję naprężeń w istniejącym przekroju. Zakotwienia przejmują znaczną część siły rozwarstwiającej i zdecydowanie zmniejszają naprężenia ścinające w spoinie [17]. 311

Dotychczas, przy wzmacnianiu, bardzo duża wytrzymałość na rozciąganie taśm kompozytowych CFRP wykorzystywana była tylko w niewielkim stopniu. Wstępne sprężenie taśm pozwala na znaczne wykorzystanie ich nośności, a przez to zwiększenie efektywności ekonomicznej wzmocnienia. Elementem dodatnim efektu sprężania jest wprowadzenie do konstrukcji naprężeń wstępnych ściskających w taki sposób by w czasie eksploatacji redukcji w konstrukcji ulegały naprężenia rozciągające. Zwiększenie nośności następuje tu przez wprowadzenie stanu naprężeń przeciwnego do spodziewanego w eksploatacji oraz likwidacji wpływu wad drewna w strefie naprężeń rozciągających przez uprzednie sprężenie tych stref. Naturalne wady drewna bardziej obniżają wytrzymałość drewna pracującego na rozciąganie (nawet o 100%) niż na ściskanie. Pierwsze próby wzmacniania belek drewnianych sprężonymi taśmami węglowymi przeprowadzone zostały w 199 roku, [3]. Badania jednoznacznie wskazują na zasadność takiego rozwiązania znaczący wzrost nośności i sztywności (rys. 3). Rys. 3. Zależność ugięcie-obciążenie (przekrój środkowy) dla belek z drewna niezbrojonego, zbrojonego i sprężonego []. W Stanach Zjednoczonych w okresie 1993 1995 zastosowano taśmy FRP na ponad stu kładkach dla pieszych i mostach drewnianych przeznaczonych do lekkiego transportu. W sierpniu 1995 skonstruowano pierwszy most (Lighthouse Bridge) dla ciężkiego transportu kołowego z użyciem FRP []. Następnie powstało wiele innych mostów drewnianych m.in. The Pattagumpus Bridge (1997) oraz The West Seboeis Stream Bridge (1998). Wyniki z cytowanych badań dostarczają wiele interesujących informacji w kreowaniu, zastosowaniu taśm CFRP w konserwacji i wzmacnianiu zabytków budownictwa drewnianego.. BADANIA Celem głównym zrealizowanych badań było oszacowanie redukcji odkształceń oraz wzrostu nośności zginanych belek drewnianych wzmocnionych taśmami węglowymi CFRP. Elementami badanymi były 3 jednoprzęsłowe belki wykonane z ok. stuletniego drewna 31

sosnowego o schemacie statycznym jak na rys. 4. Belka świadkowa (niewzmocniona), belka wzmocniona taśmami Sika CarboDur S151 oraz belka wzmocniona taśmami Sika CarboDur H514. Rozpiętość belek w osiach podpór wynosiła 3,80 m. Wymiary przekrojów poprzecznych poszczególnych belek oraz sposób ich wzmocnienia pokazano na rys. 5. Grubości poszczególnych taśm wynosiły odpowiednio 1, mm oraz 1,4 mm. Do wklejania taśm użyto kleju na bazie żywicy epoksydowej o następującym składzie: - Epidian 5-100 cz. w. - cement 3,5-185 cz. w. - utwardzacz Z-1-11 cz. w. - ftalan dwubutylu - 5 cz. w. Rys. 4 Schemat stanowiska badawczego Rys. 5 Przekroje poprzeczne badanych belek Wartości odkształceń drewna, przy takim samym obciążeniu w odpowiadających sobie przekrojach, były znacznie mniejsze w belkach wzmocnionych taśmami węglowymi od odkształceń belki świadkowej. Także ugięcia wzmocnionych belek były znacznie mniejsze. Wartości ugięć w środku rozpiętości belek przy obciążeniu 30 kn wynosiły dla belek B1, B, B3 odpowiednio: 40,63 mm; 0,06 mm; 8,54 mm. Wartości ugięć w zależności od siły obciążającej przedstawiono na rys. 6. 313

siła obciążająca [kn] 80 70 60 50 40 30 0 10 0 0 10 0 30 40 50 60 70 ugięcie [mm] Rys. 6 Ścieżki równowagi dla badanych belek B1 B B3 Wzrost nośności dla belek zginanych B i B3 w stosunku do belki świadkowej B1 wyniósł odpowiednio 108% i 50%. Obciążenie jakie przeniosły odpowiednio belki B1, B, B3 wyniosło: 35,1, 73,1, 5,7 kn. Na rys.7 przedstawiono naprężenia normalne w drewnie przy sile obciążającej F = 30 kn. wysokość belki h [mm] 50 00 150 100 50 0-0 -15-10 -5 0 5 10 15 0 5 30 35 naprężenia normalne σ [MPa] Rys. 7 Naprężenia normalne w drewnie, F=30 kn B1-0,85 Fn B - 0,41 Fn B3-0,57 Fn Wyniki przeprowadzonych badań świadczą o niskim stopniu wykorzystania nośności taśmy. Maksymalna wartość naprężeń normalnych w taśmie belki B to 516,6 MPa (przy wytrzymałości taśmy na rozciąganie 1300 MPa), a w belce B3 590,4 MPa (przy wytrzymałości - 800 MPa). Istnieje zatem możliwość użycia taśm o mniejszej wytrzymałości bądź o mniejszym przekroju tak aby lepiej została wykorzystana ich nośność. Wykres naprężeń normalnych w taśmie oraz stycznych w spoinie przedstawiono na rys. 8-13. 314

napreżenia normalne s [MPa] 500 400 300 00 100 0 0 50 500 750 1000 150 1500 1750 000 50 Położenie przekroju na długości sklejenia x [mm] Rys. 8 Naprężenia normalne w taśmie belka B (powierzchnia dolna) 0,5 Fn 0,41 Fn 0,60 Fn 0,73 Fn 0,9 Fn napreżenia styczne t [MPa] 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0,0-0,1-0, -0,3-0,4 0 50 500 750 1000 150 1500 1750 000 0,5 Fn 0,41 Fn 0,60 Fn 0,73 Fn 0,9 Fn -0,5 położenie przekroju na długości sklejenia x [mm] Rys. 9 Naprężenia styczne w spoinie w belce B (powierzchnia dolna) położenie przekroju na długości sklejenia x [mm] 0,5 Fn napreżenia normalne s [MPa] 0-100 -00-300 -400-500 -600 0 50 500 750 1000 150 1500 1750 000 50 0,41 Fn 0,60 Fn 0,73 Fn 1,00 Fn -700 Rys. 10 Naprężenia normalne w taśmie belka B (powierzchnia górna) 315

napreżenia styczne t [MPa] 0,4 0,3 0, 0,1 0,0-0,1 0 50 500 750 1000 150 1500 1750 000-0, -0,3 położenie przekroju na długości sklejenia x [mm] 0,5 Fn 0,41 Fn 0,60 Fn 0,73 Fn 0,9 Fn Rys. 11 Naprężenia styczne w spoinie góra taśmy w belce B (powierzchnia górna) 600 0,17 Fn naprężenia normalne σ [mm] 500 400 300 00 100 0 0 50 500 750 1000 150 1500 1750 000 50 0,34 Fn 0,57 Fn 0,80 Fn 0,99 Fn położenie przekroju na długości sklejenia x [mm] Rys. 1 Naprężenia normalne w taśmie belka B3 naprężenia styczne τ [MPa] 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 0,0-0,1-0, 0 50 500 750 1000 150 1500 1750 000 0,17 Fn 0,34 Fn 0,57 Fn 0,80 Fn 0,99 Fn -0,3 położenie przekroju na długości sklejenia x [mm] Rys. 13 Naprężenia styczne w spoinie - belka B3 W belce B uzyskano obraz zniszczenia poprzez rozwarstwianie drewna belki. W belce B3 nastąpiło natomiast wyraźne rozwarstwienie na styku drewna i taśmy, w strefie 316

przyskleinowej, od strony drewna. Wystąpiła też nieciągłość spoiny. Obrazy zniszczenia belek przedstawiono na rys. 14. Wklejenie w przekrój belki taśm węglowych w znacznym stopniu ograniczyło wpływ nierównomierności usłojenia i inkluzji na nośność belki oraz obraz jej zniszczenia. Można powiedzieć, że własności drewna w kierunku prostopadłym do kierunku obciążania zostały ujednolicone. Z punktu widzenia teorii niezawodności model zniszczenia badanych połączeń powinien przybrać postać modelu szeregowego, tzn. o nośności przekroju po wzmocnieniu decydować powinno jego najsłabsze ogniwo. Przekrój zespolony drewno- CFRP jest przekrojem znacznie doskonalszym niż przekrój litego drewna na skutek wprowadzenia taśmy węglowej uciąglającej nierównomierną strukturę drewna. Stąd najsłabszego ogniwa w łańcuchu należy szukać tu w strefach przyskleinowych w drewnie, co potwierdzają badania. Istnieje jednak możliwość modyfikacji struktury powierzchni np. poprzez impregnację, co niewątpliwie powinno poprawić ich nośność. Szczególną uwagę należy zwrócić na staranność wykonania spoiny klejowej. W belce B3 nastąpiło wyraźne rozwarstwienie na skutek nieciągłości spoiny. Rys. 14 Przebieg zarysowań w zginanych belkach 3. PROGRAM BADAWCZY - KONTYNUACJA Zaproponowany program badawczy będzie rozwinięciem przeprowadzonych już badań wstępnych. Schemat stanowiska badawczego pokazano na rys. 4. Skład kompozycji epoksydowej służącej do wklejenia taśm CFRP oraz przyklejenia nakładek drewnianych przedstawiono w rozdziale. Część programu badawczego, w którym zaproponowano wykorzystanie taśm węglowych do wzmocnienia i odtworzenia nośności belek z defektami korozja biologiczna, inkluzje, skręt włókien, pęknięcia drewna, została przedstawiona poniżej. 317

W belce A symulowano spękanie drewna na całej długości belki za pomocą nacięć o szerokości 3 mm (rys. 15). W belce B usunięto skorodowaną część zastępując ją nowymi nakładkami z drewna i wklejając dwie taśmy węglowe w układzie pionowym (rys. 15). Rys. 15 Przekroje poprzeczne belek A i B Rys. 16 Przekrój podłużny belki D Rys. 17 Przekrój podłużny belki E W belce D nierównomierny przebieg włókien symulowano obustronnymi nacięciami belki o głębokości 0 mm na całej długości belki (rys. 16, 19). Skręt włókien w belce E został symulowany w sposób przedstawiony na rys. 17. Wklejone taśmy CFRP w układzie pionowym o szerokości 50 mm i grubości 1, mm. 318

W belce F osłabienie strefy rozciąganej na skutek sęka symulowano wyciętym otworem o średnicy 40 mm (rys. 18). Rys. 18 Przekrój podłużny belki F Rys. 19 Przekroje poprzeczne belek A i B 4. PODSUMOWANIE Istotnym problemem przy wzmacnianiu taśmami CFRP zginanych belek drewnianych jest szacowanie nośności połączenia klejowego oraz wzmocnionego elementu. Tradycyjne modele matematyczne bazujące na metodzie zastępczych charakterystyk przekroju, równości ugięć elementu wzmacnianego i wzmacniającego oraz model obliczeniowy według prawa zachowania płaskich przekrojów nie dają zadowalających rezultatów. Proponowane dotychczas sposoby określania dystrybucji naprężeń dla przekroju zginanego elementu zespolonego z reguły okazują się nieprzydatne ze względu na stopień skomplikowania oraz trudności z określeniem warunków brzegowych. Występuje również konieczność określenia jednostkowych wytrzymałości stosowanych połączeń klejowych. Interesujące wyniki uzyskano w pracy [15, 0] gdzie zaproponowano model obliczeniowy odtworzenia strefy rozciąganej dla pionowego i poziomego ułożenia taśm. Podstawowym założeniem było to, że wytrzymałość na ścinanie spoiny klejowej między taśmą węglową i drewnem jest większa niż wytrzymałość na ścinanie drewna wzdłuż włókien. Dobrą korelację z wynikami doświadczalnymi daje sposób szacowania nośności belek wzmacnianych wkładkami (nakładkami) oparty na opracowaniu Malinowskiego [1]. 319

Jednakże metoda ta jest skomplikowana w obliczeniach, oraz sposób wzmocnienia jest dosyć kłopotliwy, a w niektórych przypadkach wręcz niemożliwy. W pracy [3] zaproponowano wzór do szacowania naprężeń stycznych wzdłuż długości połączenia klejowego sprężonej taśmy CFRP i drewna. W pracy [] analizę matematyczną naprężeń w warstwie kleju, przeprowadzono posługując się równaniem różniczkowym więzi poślizgowej. Założono, że maksymalne siły sprężające zależą od charakterystyk materiałowych kleju, taśm CFRP oraz drewna w równym stopniu jak od charakterystyk geometrycznych taśm CFRP oraz belki drewnianej. Rys. 0 Różniczkowo mały element [] Poczyniono także następujące uproszczenia: - przed zniszczeniem taśmy CFRP oraz belka drewniana wykazują liniowe charakterystyki materiałowe, - klej ulega deformacji głównie w wyniku ścinania, - naprężenia normalne wszystkich elementów przekroju są rozłożone regularnie w ich przekrojach poprzecznych, - cała deformacja zachodzi tylko w warstwie kleju, belkę drewnianą traktuje się jako niepodatną. wtedy: gdzie: ( 0) sinh( ω x) Ga σ τ a ( x) = dla 1 cosh ω ω ta E ( 0) Ga σ sinh( ω x) ( ) cosh( ω x) σ x = 1 dla ω 1 ta t E cosh ω E A G a α = ; ρ = ; ϖ = E A t w w ( 1+ α ρ ) a E t l x, (1) 0 b l x, () 0 b ; 30

LITERATURA [1] Becker S., Rippin T.: Entwicklung eines Bemessungsverfahrens für Verbundquerschnitte aus Brettschichtholz und faserverstärkten Kunststoffen. Diplomarbeit, FH Wiesbaden, 1999. [] Bergmeister K., Luggin W.: Innovative strengthening of timber structures using carbon fibers. Innovative Wooden Structures and Bridges Lahti, Finland, August 9-31, 001 [3] Blass H. J., Romani M.: Tragfähigkeitsuntersuchungen an Verbundträgern aus BS-Holz und Faserverbundkunststoff-Lamellen. In: Holz als Roh- und Werkstoff 59, 001. [4] Brol J.: Wzmacnianie elementów drewnianych taśmami lub matami z włókien węglowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria: Budownictwo, z. 93, Gliwice, 001. [5] Brol J.: Wzmacnianie zespolonych stropów drewniano-żelbetowych polimerami zbrojonymi włóknami węglowymi. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria: Budownictwo, z. 95, Gliwice, 00. [6] Crews K., Greenland A, Bakkos S.: Application of advanced Fibre Reinforcement Plastic composites to structural timber. 5-th World Conference on Timber Engineering, Montreux, Switzerland, 1998. [7] Dagher H.J., Lindyberg R., Abdel-Magid B.: Three FRP-reinforced glulam demonstration projects in the USA. 5-th World Conference on Timber Engineering, Montreux, Switzerland, 1998. [8] Greenland A., Crews K., Bakkos S.: Enhancing timber structures with advanced Fibre Reinforced Plastic composite reinforcements. 5-th World Conference on Timber Engineering, Montreux, Switzerland, 1998. [9] Guan Z.W.: Structural behaviour of glued bolt joints using FRP. 5 th World Conference on Timber Engineering, Montreux, Switzerland, 1998. [10] Jasieńko J.: Opracowanie metod wzmacniania konstrukcji drewnianych przy zastosowaniu żywic syntetycznych. Raport Instytutu Budownictwa Politechniki Wrocławskiej, seria SPR 15/1989, Wrocław, 1989. [11] Jasieńko J.: Połączenia klejowe w rehabilitacji i wzmacnianiu zginanych belek drewnianych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 00. [1] Jeruzal J., Malinowski C., Kuś M.: Belki drewniane wzmacniane nakładkami nie dochodzącymi do podpór analiza teoretyczna. Konferencja naukowa, Drewno i materiały drewnopochodne w konstrukcjach budowlanych, Szczecin-Świnoujście 1999. [13] Kowal Z.: Delaminacyjna niestateczność powłok kompozytowych na elementach metalowych. IX International Conference on Metal Structures, Kraków, 1995. [14] Leijten A.J.M.: Balkkop restauratie met ingelijmde staalplaten. Rapport 5-87-8/5-LV-6, TU Delft, Netherlands, 1987. [15] Lis Z., Rapp P.: Odtworzenie nośności osłabionej strefy rozciąganej w zginanych belkach drewnianych za taśm z włókien węglowych. Konferencja Naukowa, Drewno i materiały drewnopochodne w konstrukcjach budowlanych, Szczecin, 00 [16] Luggin W., Bergmeister K.: Carbon Fibre Reinforced and prestressed timber Beams. nd Int. PhD Symposium in Civil Engineering, Budapest, 1998. [17] Łagoda M.: Możliwość wzmacniania konstrukcji mostowych sprężonymi taśmami kompozytowymi. Konferencja Naukowo-Techniczna, Awarie Budowlane, Szczecin Międzyzdroje, 003. [18] Martin, Z., Tingley, D.A.: Fire resistance of FRP reinforced glulam beams. World Conference on Timber Engineering, Whistler Resort, British Columbia, Canada, 000. [19] Plenzler R.: Redystrybucja naprężeń w zginanych elementach zespolonych z drewna i płyty pilśniowej. Konferencja Naukowa, Drewno i materiały drewnopochodne w konstrukcjach budowlanych, Szczecin-Świnoujście, 1999. [0] Rapp P, Lis Z.: Odtworzenie nośności osłabionej strefy rozciąganej w zginanych belkach drewnianych za pomocą zbrojenia rozproszonego z włókien węglowych. Konferencja Naukowo- Techniczna, Remo 00, Wrocław Zamek Kliczków, 00. [1] Siebler A., Vafakish Homaee A.: Trag- und Verformungsverhalten von Verbundträgern aus Brettschichtholz und Carbonfaserverstärkten Kunststoffen. Forschungsarbeit FH, Wiesbaden, 1999. 31

[] Tingley D. A., Gai. C.: FRP reinforced glulam performance: a case study of the Lighthouse Bridge. 5-th World Conference on Timber Engineering, Montreux, Switzerland, 1998. [3] Triantafillou T., Deskovic, N.: Prestressed FRP Sheets as External Reinforcement of Wood Members. Journal of Structural Engineering, ASCE, 118(5), 199. STRIPS CFRP IN REINFORCEMENT OF CONSTRUCTIONAL ELEMENTS MADE OF WOOD The results of researches of carbon strips CFRP application for reinforcement of bending wooden beams, taking under consideration of their suitability in monuments maintenance, have been presented in the paper. Diagrams of stresses and deformations of beams after reinforcement have been contained. The researches have been carried out on wooden beams made of wood that has been operated around 100 years. Moreover, the research program of beams reinforced by application of carbon strips has been presented. 3