EXPERIMETÁLNÍ OVĚŘENÍ ÚNOSNOSTI DŘEVOBETONOVÝCH SPŘAŽENÝCH TRÁMŮ ZESÍLENÝCH CFRP LAMELAMI

Transkript

1 19. Betonářské dny (2012) Sborník Sekce: Výzkum a technologie 2 ISBN EXPERIMETÁLNÍ OVĚŘENÍ ÚNOSNOSTI DŘEVOBETONOVÝCH SPŘAŽENÝCH TRÁMŮ ZESÍLENÝCH CFRP LAMELAMI David Horák 1 Hlavní autor Ivana Švaříčková 1 Petr Žítt 2 Petr Štěpánek 1 1 VUT FAST, ÚBZK,,, Tel: , Fax: , horak.d@fce.vutbr.cz 2 VUT FAST, ÚSZK,,, Tel: , Fax: , zitt.p@fce.vutbr.cz Abstrakt Předmětem článku je popis průběhu experimentů provedených v letech 2011 a 2012 v rámci řešení vědecko-výzkumného projektu GAČR P104/10/2153. Cílem testů bylo ověření únosnosti nosníků z lamelového dřeva, do kterého byla při výrobě vlepena uhlíková lamela, a sledování vlivu uhlíkové lamely na změnu únosnosti v porovnání se stejným prvkem bez zakomponované uhlíkové lamely. Zatěžovací zkoušky byly provedeny jak pro samotný dřevěný prvek, tak i pro dřevěný prvek se spřaženou železobetonovou deskou. S ohledem na životnost konstrukce byla rovněž ověřována možnost použití kompozitních spřahovacích prostředků namísto běžně používaných ocelových hřebíků. Klíčová slova: Spřažené konstrukce, Lamelové dřevo, CFRP lamely, Experiment 1 Úvod Jednou z velmi častých sanací dřevěných trámových stropů je zesílení pomocí spřažené železobetonové desky. Nespornou výhodou tohoto způsobu sanace je ztužení objektu ve vodorovné rovině a využití výborných mechanických vlastností betonu v tlaku. Tahové síly naopak přenáší dřevěný prvek, který bývá vzhledem k celkové únosnosti průřezu většinou limitujícím faktorem. Z hlediska plného využití obou materiálů se tudíž nabízí otázka, zda je možno dřevěný prvek vylepšit a tím zvýšit jeho únosnost. 342

2 Sborník 19. Betonářské dny (2012) ISBN Sekce: Výzkum a technologie 2 Jednou z možných variant je zesílení dřevěných trámů zakomponováním uhlíkové (CFRP) lamely do dřevěného průřezu. CFRP materiály mají obecně výrazně vyšší pevnosti v tahu než dřevo a díky tomu i relativně malá plocha dodatečně vloženého zesílení může mít velký vliv na únosnost. Na druhou stranu zmíněná malá plocha tužšího materiálu má téměř zanedbatelný vliv na výslednou deformaci prvků, protože zvyšuje tuhost průřezu pouze minimálně. Lamela se umisťuje do spodní tažené části průřezu a to buď vytvořením drážky u prvků z rostlého dřeva, nebo zakomponováním uhlíkové lamely do poslední (dolní) lepené spáry u prvků z lamelového dřeva (Obr. 1) již při jeho výrobě. Tento článek se věnuje této druhé variantě, tedy výrobě nových prvků z lamelového dřeva. Obr. 1 Prvek z lamelového dřeva s vlepenou uhlíkovou lamelou 2 Pull-out test lepeného spoje Při zesilování konstrukcí a to jak betonových, tak i dřevěných zesílených CFRP lamelami vkládanými do vyfrézované drážky se běžně používá dvousložkového epoxidového lepidla, které zpravidla nabízí i výrobce uhlíkových lamel. Zakomponování lamely do lepené spáry dřevěného prvku s sebou ovšem neslo specifické požadavky z hlediska funkčnosti (únosnost lepeného spoje) a z hlediska proveditelnosti (pokud možno co nejmenší technologická náročnost). Metoda výroby byla konzultována přímo s výrobcem lepených vazníků a byla zvolena metoda vlepení lamely do předem připravené drážky ve spodní vrstvě lepeného dřeva. Lepení lamely probíhalo v rámci standardní výroby lepeného vazníku. Obr. 2 Pull-out test lepeného spoje Z tohoto důvodu byly provedeny pull-out testy (Obr. 2) několika druhů lepidel, které lze při výrobě používat. S ohledem na výsledky zkoušek bylo jako nejvhodnější vyhodnoceno lepidlo PUR, které je přímo používáno pro výrobu prvků z lamelového dřeva. 343

3 19. Betonářské dny (2012) Sborník Sekce: Výzkum a technologie 2 ISBN Zatěžovací zkoušky samotných dřevěných nosníků Cílem zkoušky bylo zjistit vliv zesílení dřevěného nosníku z lamelového dřeva s vlepenou uhlíkovou lamelou na jeho únosnost. Pro srovnání byl rovněž zatěžován jeden nosník z rostlého dřeva a jeden nosník bez uhlíkové lamely. Rozměry dřevěných nosníků byly 140 x 250 x 3500 mm, zatěžování bylo provedeno čtyřbodovým ohybem. V průběhu zkoušky byla měřena působící síla, průhyb nosníků a přetvoření průřezu v polovině rozpětí po jeho výšce indukčními snímači dráhy, přetvoření lamely v polovině rozpětí a v místě ukotvení lamely nalepeným odporovým tenzometrem a pokluzy konců lamely, které byly pro tento účel obnaženy. První sada zkoušek byla provedena v roce Výsledky však nepotvrdily očekávaný nárůst únosnosti u zesílených prvků, zároveň také nebyl patrný rozdíl mezi prvky z lamelového dřeva a rostlým dřevem. K porušení jednotlivých nosníků došlo převážně v lepených spojích (Obr. 3), což indikovalo nízkou kvalitu vyrobených prvků. Obr. 3 Prvek z lamelového dřeva s vlepenou uhlíkovou lamelou Obr. 4 Porušení prvků z druhé sady experimentů V roce 2012 byla sada experimentů s nosníky z lamelového dřeva zopakována. Tato sada vzorků byla vyrobena kvalitněji, což se mimo jiné projevilo očekávaným chováním a způsobem porušení zkušebních vzorků nedocházelo k pokluzům mezi jednotlivými vrstvami lepeného dřeva a materiál se choval jako celistvý, tedy poruchy nebyly vázány na lepené spoje (Obr. 4). Tab. 1 Tabulka naměřených hodnot odpovídající hodnoty ostatních snímačů mezní průhyb přetvoření v hodnota přetvoření lamely průhyb uprostřed krajních vláknech zkušební síly uprostřed při hodnotě horní dolní uprostřed nad prvek cca 30 kn tlačená tažená rozpětí podporou využití F w w ε h ε d ε 1/2 ε podp. [kn] [mm] [mm] [-] [-] [-] [-] [-] prvek E 42, ,8-2.77E E-04 není není 1 prvek F 68, , E E E E-03 1,61 prvek G 47, , E E E E-03 1,10 prvek H 53, , E E E E-03 1,25 344

4 Sborník 19. Betonářské dny (2012) ISBN Sekce: Výzkum a technologie 2 Výsledky zkoušek (viz Tab. 1) ukázaly, že dochází k 10 až 60% navýšení únosnosti prvku zesíleného uhlíkovou lamelou. Naopak zmenšení průhybu těchto prvků se dle předpokladů potvrdilo jako nevýznamné (srovnání viz Obr. 5). Obr. 5 L-D diagramy uprostřed rozpětí prvku bez lamely a s lamelou 4 Zatěžovací zkoušky spřahovacích prostředků Kromě samotných dřevěných prvků bylo cílem řešené části projektu ověřit únosnost dřevěných prvků se spřaženou železobetonovou deskou o tloušťce 60 mm. Spřažení trámu a desky bylo realizováno jednak pomocí běžně používaných ocelových hřebíků a dále pomocí tyčové kompozitní výztuže ze skleněných vláken (GFRP) a sklolaminátových mříží (Obr. 6). Kompozitní prvky byly vlepeny epoxidovým lepidlem do předvrtaných děr. Vzhledem k tomu, že nebyly k dispozici zkušenosti s tímto typem spřažení, byly provedeny zatěžovací zkoušky výše popsaných druhů spřažení. Metodika zkoušek spočívala ve vybetonování zkušebního tělesa (rozměry 60/140/400 mm) na dřevěný prvek opatřený 20 ks spřahovacích prvků v případě hřebíků a tyčové GFRP výztuže. Mříže byly rozmístěny tak, aby jejich smyková plocha přibližně odpovídala ploše tyčových výztuží, přičemž bylo ověřeno chování mříží orientovaných podél směru působící síly i ve směru kolmém. Připravený vzorek byl upnut do rámu a na nabetonovanou desku bylo aplikováno zatížení rovnoběžné se styčnou plochou. V průběhu zkoušky byla sledována velikost působící síly a posun nadbetonávky vůči dřevěnému prvku v horní a spodní čtvrtině styčné plochy. Tab. 2 Porušení spřahovacích prostředků spřahovací prostředky ks A (mm 2 ) A celk (mm 2 ) F max (kn) únosnost jednoho prvku (MPa) 1 hřebíky 20 50, ,31 91,98 91,49 2 skleněné tyče 20 50, ,31 143,55 142,79 3 mříže příčně 12 65,91 790,92 51,77 65,46 způsob porušení rozdrcení betonu pod roznášecí deskou roztržení betonu - podélné trhliny ustřihnutí spřažení 4 mříže podélně 12 65,91 790, ,71 ustřihnutí spřažení 345

5 19. Betonářské dny (2012) Sborník Sekce: Výzkum a technologie 2 ISBN Na základě výsledků (viz Tab. 2) byl proveden návrh počtu a rozmístění spřahovacích prostředků. Obr. 6 Vzorky na zkoušku spřažení 5 Zatěžovací zkoušky dřevěných nosníků s nadbetonávkou Cílem zkoušky bylo zjistit vliv zesílení dřevěného nosníku z lamelového dřeva s vlepenou uhlíkovou lamelou a nadbetonovanou deskou na jeho únosnost. Pro srovnání byly zatěžovány tři nosníky z rostlého dřeva a tři nosníky z lamelového dřeva s vlepenou uhlíkovou lamelou. Rozměry dřevěných nosníků byly 140 x 250 x 3500 mm, nadbetonávka 60 x 600 x 3500 mm, zatěžování bylo provedeno čtyřbodovým ohybem. Obr. 7 Porušení prvku v lepené spáře Obr. 8 Zatěžování prvku s deskou V průběhu zkoušky byla měřena působící síla, průhyb nosníků a přetvoření horních a dolních vláken dřevěného i betonového průřezu v polovině rozpětí indukčními snímači dráhy a odporovými tenzometry, přetvoření lamely v polovině rozpětí a v místě ukotvení lamely nalepeným odporovým tenzometrem a pokluzy konců lamely, které byly pro tento účel obnaženy. První sada testů proběhla v roce 2011, se stejně neuspokojivým výsledkem z hlediska předpokládané zvýšení únosnosti jako u trámů bez nadbetonávky. Nová sada experimentů proběhne do konce roku S ohledem na výsledky dřevěných prvků se dá očekávat navýšení únosnosti o cca 30 %. Návrh spřažení dle zkoušek se ukázal jako dostatečný, k porušení prvků došlo tahem za ohybu v tažené oblasti dřevěného prvku. Dalším uspokojivým výsledkem bylo zjištění, že dochází k nevýznamnému (téměř nulovému) posunu uhlíkové lamely v průběhu zatěžování a lamela tak přenáší část tahového napětí 346

6 Sborník 19. Betonářské dny (2012) ISBN Sekce: Výzkum a technologie 2 6 Závěr Vyhodnocené výsledky testů ukazují, že technologicky relativně nenáročné zakomponování uhlíkové lamely do prvku z lamelového dřeva umožní významně zvýšit únosnost prvku a to až o 60 % původní únosnosti prvků. Tento efekt je ovšem závislý na kvalitě provedení lepeného nosníku, především pak na soudržnosti jednotlivých vrstev a materiálů lepeného prvků pokud dojde k porušení prvku v lepených spojích, pak není možné využít vynikajících tahových vlastností uhlíkové lamely a únosnost prvku zesíleného CFRP je srovnatelná s prvkem bez zesílení. Provedené zkoušky prokázaly, že je možno spolehlivě využít kompozitních spřahovacích prostředků. Jejich aplikace je ovšem technologicky náročnější z hlediska pracnosti i času nutnost předvrtání děr a vlepení výztuže. Spojení FRP spřahovacích prvků a dřeva pouze mechanickou cestou (tedy zatlučení do předvrtaných děr jako u klasických hřebíků) nebylo prozatím experimentálně ověřeno. Je to teoreticky možnost, jak zjednodušit výrobu a přitom využít výhod systému bez kovových částí. Ve specifických podmínkách ovšem lze tento způsob spřažení využít jako alternativu tradičnímu spřažení pomocí ocelových hřebíků. Na rozdíl od klasického hřebíkového spoje, kdy dochází k otlačení betonu i dřeva, u spřahovacích prvků ze skleněných vláken dochází k otlačení trnu celé spojení je měkčí. Na tento jev je třeba brát zřetel při návrhu a při ověřování únosnosti navržených kompozitních spřahovacích prostředků. 7 Poděkování Zkoušky byly provedeny v rámci řešení projektu P104/10/2153 Kompozitní konstrukce na bázi vysokohodnotných silikátů a dřeva environmentální optimalizace a experimentální ověření. Ing. David Horák, Ph.D. VUT FAST, ÚBZK horak.d@fce.vutbr.cz Ing. Petr Žítt VUT FAST, ÚSZK zitt.p@fce.vutbr.cz Ing. Ivana Švaříčková, Ph.D. VUT FAST, ÚBZK svarickova.i@fce.vutbr.cz Prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc. VUT FAST, ÚBZK stepanek.p@fce.vutbr.cz 347