Experimentální výzkum vlivu zesílení konstrukce valené klenby lepenou uhlíkovou výztuží

Transkript

1 EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM KLENEB Experimentální výzkum vlivu zesílení konstrukce valené klenby lepenou uhlíkovou výztuží 1 Úvod Při rekonstrukcích památkově chráněných a historických budov se často setkáváme s požadavkem na rekonstrukci, sanaci, zesílení nebo úpravu konstrukcí kleneb, které se vzhledem k dlouhodobému používání masivně vyskytují ve stavebních objektech pozemního, inženýrského i dopravního stavitelství. Vzhledem k dostupnosti nových materiálů a technologií, se objevují oprávněné snahy tyto technologie využít i při rekonstrukcích kleneb. Nedostatečný stupeň poznání jejich spolupůsobení a chování však neumožňuje jejich běžné použití ani tam, kde by to bylo oproti již vyzkoušeným, časem prověřeným, ale ne pro všechny případy nejvýhodnějším metodám vhodné. Z tohoto důvodu byl na Katedře konstrukcí pozemních staveb Fakulty stavební ČVUT v rámci výzkumného záměru MSM Spolehlivost, optimalizace a trvanlivost stavebních materiálů a konstrukcí (řešitel prof. Ing. Jiří Witzany, DrSc.,), zahájen experimentální výzkum tlačených zděných konstrukcí zaměřený na stanovení vlivu významných fyzikálně mechanických vlastností, kvality provedení a geometrických vlastností na přetváření, porušování a únosnosti vybraných tlačených zděných konstrukcí, a na ověření účinnosti vybraných sanačních metod zděných valených kleneb. Součástí experimentálního výzkumu je modelování kleneb a zesilovaných kleneb metodou konečných prvků. 1

2 ZESILOVÁNÍ HISTORICKÝCH ZDĚNÝCH KLENEB 2 Cíle práce Práce se zabývá experimentálním výzkumem segmentů valených zděných kleneb, který ověřuje mechanismy porušování v závislosti na vzepětí a zesílení uhlíkovou tkaninou (CFRP). Získané výsledky experimentálního výzkumu jsou použity pro ověření možnosti účelného využití počítačové simulace konstrukce zděné valené klenby jako doplňku experimentálního výzkumu zděných valených kleneb, zejména pak ověření principů porušování numerických modelů kleneb v závislosti na vzepětí a vyztužení, a jejich porovnání s experimentálním výzkumem. 3 Podstata řešení Z důvodů získání potřebných informací pro verifikaci numerického modelu se práce v první části zabývá výzkumem segmentů nezesílených valených kleneb, který ověřuje princip přetváření a porušování v závislosti na vzepětí (schéma nevyztužených kleneb viz.obr 7.1). Dále se práce zabývá experimentálním výzkumem zděné valené klenby vyztužené lepenou uhlíkovou tkaninou (CFRP), který ověřuje princip přetváření a porušování v závislostí na vzepětí. Získané výsledky jsou použity pro modelování pomocí nejvíce užívané metody k řešení inženýrských problémů, tedy metody konečných prvků (MKP) s použitím lineární a nelineární analýzy, a následné verifikaci numerických modelů a experimentů (schéma vyztužených kleneb viz.obr 7.2). Obr Schéma kleneb nevyztužených, umístění snímačů deformací 1-10 Klenba K3 vzp. 375 mm, K2A vzp. 750 mm Klenba K4 vzp mm 2

3 EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM KLENEB Obr Schéma kleneb vyztužených, umístění snímačů deformací A-K, tenzometrické snímače T0-T5, červeně vyznačena poloha uhlíkové tkaniny Klenba K10 vzp. 375 mm, K 9A vzp. 750 mm, K 8A vzp mm Souhrnný přehled kleneb s označením jednotlivých experimentů a jejich základním popisem je uveden v tabulce (viz.obr7.3). Označení vzorku experimentu Rozpon (mm) Šířka (mm) Tloušťka (mm) Vzepětí (mm) Klenba K2A Klenba K Klenba K Klenba K8A Klenba K9A Klenba K Obr Souhrnný přehled experimentů Okrajové podmínkyzachycení vodorovných sil Počet Zatížení vzorků břemena) 1 Ztužující rám břemena) 1 Ztužující rám břemena) 1 Ztužující rám břemena) 1 břemena) 1 břemena) 1 Kotvení do podlahových profilů+táhla 20mm Kotvení do podlahových profilů+táhla 20mm Kotvení do podlahových profilů+táhla 20mm 3

4 ZESILOVÁNÍ HISTORICKÝCH ZDĚNÝCH KLENEB 4 Experimentální výzkum 4.1 Výzkum valených klenbových konstrukcí nevyztužených První dílčí část experimentálního průzkumu nevyztužených klenbových konstrukcí byla prováděna na klenbách s rozponem 3,0 m, šířkou 0,9 m a vzepětím 1,0 m, 0,75 m a 0,375 m (viz.obr.č.7.1). Jako kusové stavivo byly použity cihly pevnosti P15 zděné na maltu vápennou MV1 o tloušťce spár mm. V tabulce (obr.7.19) a grafech jsou shrnuty výsledky experimentálního ověřování principu porušování valených zděných kleneb a jejich vzájemné porovnání. Klenba Klenba K3 - v K2A - v Klenba K4-373 mm 750 mm v 1000mm Maximání zatížení (kn) 68,54 73,18 80,1 Svislé deformace ve vrcholu (snímače 1,2) -9,549-6,544-7,608 Svislé deformace v 1/3 rozpětí (snímače 3,4) 0,118 2,128 3,374 Svislé deformace v 2/3 rozpětí (snímače 5,6) 1,683-0,322 3,237 Vodorovné deformace v 1/3 rozpětí (snímače 7,8) 1,683 2,769 7,293 Vodorovné deformace v 2/3 rozpětí (snímače 9,10) 3,168 1,746 5,376 Obr.7.19 Souhrnné výsledky zatěžování nevyztužených kleneb Z průběhu deformací experimentálně zatěžovaných segmentů valených kleneb je patrný rozdílný charakter průběhu svislých deformací klenbových konstrukcí (viz.obr.7.20). Klenba s nízkým vzepětím 375 mm vykazuje deformace převážně směrem dolů. Na kolapsu klenby se nejvýrazněji podílí vyčerpání únosnosti kritického průřezu v tlaku. Vyšší klenby 750mm a 1000 mm vykazují rozdílný směr deformace ve vrcholu, kde se deformují směrem dolů, a v kritickém průřezu, kde se deformují směrem nahoru. Na kolapsu klenby se nejvýznamněji podílí ztráta stability v důsledku tvarových změn klenbového systému. Průběh svislých deformací (viz.obr.7.20) 4

5 EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM KLENEB Obr Průběh experimentálně naměřených deformací kleneb při stejné úrovni zatížení[50] 4.2 Experimentální výzkum valených klenbových konstrukcí vyztužených lepenou výztuží z uhlíkové tkaniny Druhá dílčí část experimentálního průzkumu klenbových konstrukcí byla prováděna na klenbách s rozponem 3,0 m, šířce 0,75 m a vzepětí 1,0 m, 0,75 m a 0,375 m (viz.obr.7.2) s vyztužením uhlíkovou tkaninou Tyfo SCH-41 o materiálových vlastnostech vlastnosti viz. obr Tahová pevnost v hlavním směru (MPa) Obr.7.22 Materiálové vlastnosti vytvrzeného kompozitu z uhlíkové tkaniny Tyfo SCH-41[2] Klenba K10 o vzepětí 375 mm (v/l=0,125) Na mechanismu kolapsu bylo rozhodující poškození průřezu smykem při zatížení 127 kn (viz.obr. 7.32). Klenba vykazovala deformace převážně směrem dolů. Rubová i lícní výztuž přenáší tahová namáhání. Průběhy svislých deformací jsou uvedeny na obr Pracovní diagramy jednotlivých tenzometrických snímačů umístěných na výztuži jsou uvedeny na obr Modul pružnosti v tahu (GPa) 95,8 Maximální tahové přetvoření (%) 1,0 Tahová pevnost normalizovaná tloušťkou (MPa*mm) Modul pružnosti normalizovaný tloušťkou (GPa*mm) ,8 Tloušťka (mm) 1,0 5

6 ZESILOVÁNÍ HISTORICKÝCH ZDĚNÝCH KLENEB Obr.7.32 Klenba K10 poškození Obr.7.36 Klenba K10 průběh experimentálně naměřených svislých deformací Průběhy napětí ve výztuži v místech tenzometrů, klenba K10-375mm 250 T T 1 Napětí ve výztuži MPa T 2 T 3 T 4 T Čas experimentu (s) Obr.7.40 Klenba K10 pracovní diagramy tenzometrů Klenba K 9A o vzepětí 750 mm (v/l=0,25) Na mechanismu kolapsu bylo rozhodující poškození průřezu smykem při zatížení 254 kn (viz.obr.7.48). Klenba vykazovala deformace převážně směrem dolů. Rubová i lícní výztuž přenáší tahová namáhání. Průběhy svislých deformací snímačů přetvoření jsou uvedeny v diagramech na obr pracovní diagramy tenzometrických snímačů na obr

7 EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM KLENEB Obr.7.48 Klenba K9A, vývoj smykové trhliny až ke kolapsu konstrukce Obr.7.50 Klenba K9A, průběhy svislých deformací Průběhy napětí ve výztuži v místech tenzometrů, klenba K9A 750mm Napětí ve výztuži MPa T 0 T 1 T 2 T 3 T 4 T Čas experimentu (s) Obr.7.53 Klenba K9A pracovní diagramy tenzometrů (hodnoty T0 a T1 jsou chybné) Klenba K 8A o vzepětí 1000 mm (v/l=0,33) Na mechanismu kolapsu bylo rozhodující poškození průřezu smykem při zatížení 216 kn (viz.obr.7.59). Klenba vykazovala deformace převážně směrem dolů. Rubová i lícní výztuž přenáší tahová namáhání. Průběhy svislých deformací jsou uvedeny na obr Pracovní diagramy jednotlivých tenzometrických snímačů jsou uvedeny na obr

8 ZESILOVÁNÍ HISTORICKÝCH ZDĚNÝCH KLENEB Obr.7.59 Klenba K8A kolaps klenby Obr.7.61 Klenba K8A průběh svislých deformací klenby K8A 1000mm - Průběhy napětí ve výztuži v místech tenzometrů Napětí ve výztuži MPa T 0 T 1 T 2 T 3 T 4 T Čas experimentu (s) Obr.7.66 Klenba K8A pracovní diagramy tenzometrů Výsledky experimentálního zatěžování kleneb vyztužených V tabulce (viz.obr. 7.67) jsou shrnuty souhrnné výsledky experimentálního ověřování principu porušování valených zděných kleneb a jejich vzájemné porovnání. Z průběhu deformací experimentálně zatěžovaných segmentů valených kleneb je patrný rozdílný charakter průběhu svislých deformací klenbových konstrukcí a různých mechanismů porušení, při různých hodnotách vzepětí. 8

9 EXPERIMENTÁLNÍ VÝZKUM KLENEB Klenba K10 - Klenba K9A - Klenba K8A - v 373 mm v 750 mm v 1000mm Maximání zatížení (kn) 127,26 254,2 216 Max. svislé deformace ve vrcholu (snímače H,K) 23,52 15,36 12,18 Max. svislé deformace v 1/4 rozpětí (snímače L,G) 10,8 6,14 3,02 Max. svislé deformace v 3/4 rozpětí (snímače I,J) 10,82 8,1 4,72 Max. vodorovné deformace v 1/3 rozpětí (snímače C,F) 3,24 10,72 3,9 Max. vodorovné deformace v 2/3 rozpětí (snímače A,E,B,D) 3,24 8,86 3,88 Obr.7.67 Souhrnné výsledky experimentů vyztužených kleneb 4.3 Porovnání experimentu nezesílených kleneb a kleneb zesílených lepenou uhlíkovou výztuží Klenby o vzepětí 375 mm U nevyztužené klenby K3 byla v okamžiku náhlého kolapsu vlivem tlakového a tahového porušení průřezu při zatížení 68,54 kn naměřena svislá deformace o velikosti 9,87 mm. U vyztužené klenby K10 byla v okamžiku kolapsu vlivem smykového porušení klenby při zatížení 122 kn naměřena svislá deformace o velikosti 23,5mm. V porovnání s totožnou klenbou nevyztuženou došlo k nárůstu mezních deformací na 238 % a k nárůstu mezní únosnosti na 178%. Klenby o vzepětí 750 mm U nevyztužené klenby K2A došlo k náhlému kolapsu způsobeného ztrátou stability v důsledku tvarových změn klenbového systému při mezním zatížení 73,18 kn a deformaci 6,54mm. Kolaps vyztužené klenby K9A smykovým porušením nastal při mezním zatížení 254 kn a deformaci 15,3mm. V porovnání s totožnou klenbou nevyztuženou došlo k nárůstu mezních deformací na 234% a mezní únosnosti na 347%. Klenby o vzepětí 1000 mm V případě nevyztužené klenby K4 došlo k náhlému kolapsu způsobeného ztrátou stability v důsledku tvarových změn klenbového systému při mezním zatížení 80,1 kn a deformaci 7,61mm. Kolaps vyztužené klenby K8A smykovým porušením nastal při mezním zatížení 214 kn a deformaci 12,18mm. V porovnání s totožnou klenbou nevyztuženou došlo k nárůstu mezních deformací na 160% a mezní únosnosti na 267% (viz.obr.7.68) 9

10 ZESILOVÁNÍ HISTORICKÝCH ZDĚNÝCH KLENEB Síla (kn) ,0 Svislé deformace klenby K2A - snímače 1, 2 a klenby K9A - snímače K,H -2,0-4,0-6,0 Deformace (mm) -8,0-10,0-12,0 K2A 750mm, snímač 1 K2A 750mm snímač 2 K9A 750mm, snímač K K9A 750mm, snímač H -14,0-16,0-18,0 Obr.7.68 Pracovní diagram a) fialová barva nezesílená klenba b) zelená barva zesílená klenba Provedený experimentální průzkum prokázal výrazný vliv zesílení kleneb uhlíkovou tkaninou na změnu způsobu kolapsu, nárůst mezní únosnosti a nárůst deformací, v případě zesílených kleneb pružně plastických. Zároveň byla ověřena možnost zesilování a sanování kleneb pomocí výztužných tkanin, která by mohla být řešením nejen pro špatný technický stav historických budov, ale i pro vysoké nároky na zásahy do historických konstrukcí. Hlavními výhodami této metody jsou výrazné zesílení bez zásahů do zesilované konstrukce, nulové přitížení a nulové zvětšení tloušťky klenby. Vysoká variabilita, rychlá aplikace a nízké náklady na aplikaci, které vyváží náklady na materiál. Hlavní nevýhodou této metody je prakticky žádná zkušenost odborné veřejnosti s touto metodou, která je dána teprve se rozvíjejícími normami a standardy. 10