Edo Wallner 2oo4/1 AR VPLIV ARMIRANJA LESENIH LEPLJENIH NOSILCEV The effect of reinforcement on glued laminated beams UDK 624.07 COBISS 1.02 pregledni znanstveni èlanek prejeto 1.4.2004 izvleèek Pri običajni konstrukcijski kvaliteti lesa je projektna nosilnost na tlačno obremenitev večja od natezne. Pogosto se zgodi, da je natezna porušitev merodajnejša od drugih tipov porušitev še posebno v primeru, ko za konstrukcijo izberemo cenejšo oziroma slabšo kvaliteto lesa z večjo vsebnostjo grč. Ob pomoči natezne armature lahko tako uporabljamo les slabše kvalitete. V članku so podani izsledki simulacij armiranja lesenih nosilcev iz različnih materialov in različnih odstotkov armiranja. abstract With normal quality of structural timber the designed compressed strength is greater than tension strength. However, often tension damage is the better measure than other types of damage, especially when timber of lesser quality, lower price or with more knots is chosen for the structure. By introducing tension reinforcement we can nevertheless also use timber with lesser quality for such purposes. The article presents findings from simulated reinforcement oftimber beams ofvarious materials and with different shares of reinforcement. kljuène besede: konstrukcija, lepljen lameliran les, ojačitev, kompozit key words: structure, glued laminated timber, reinforcement, composite Pri gradnji objektov je potrošnja gradiv relativno velika in zato ni pričakovati, daje povsod in za vse sestavne dele mogoče uporabljati najboljše in najdražje materiale. To preprosto ni ekonomično in tudi ni ekološko sprejemljivo. Zato je najbolj primerno, da se posekan in razrezan les pravilno razporedi in uporabi za različne izdelke brez ostankov. Tako je povsem pravilno, da se prvovrstna kvaliteta lesa uporablja predvsem za mizarske izdelke. Za izdelavo konstrukcij v gradbeništvu je zato primerna nekoliko slabša kvaliteta lesa, ki pa mora biti še vedno ustrezna predvsem v smislu varnosti. Zaradi specifičnih lastnosti lesa kot materiala, ki je naraven in kot tak vsebuje tudi grče, je grčavost poleg gostote lesa eden od ključnih elementov, ki vplivajo na kvaliteto lesa. Dejstvo je, da prevelika vsebnost grč povzroča krhkost lesa. Tako les na nek način postaja podoben betonu, za katerega vemo, da dobro prenaša tlačne napetosti nateznih pa ne. Takšen les izkazuje izrazito razliko med tlačno in natezno trdnostjo. Še največji povsem realen problem pa je ta, da je natezna trdnost lesa zaradi grč močno odvisna tudi od porazdelitve oz. raztrosa kvalitete lesa. Če takšnemu lesu dodamo ojačilne lamele, ki zaščitijo nosilec pred prehitrim pretrgom natezne cone, potem se izboljša celotna zanesljivost takega konstrukcijskega elementa. Mehanske lastnosti lesa Osnovne mehanske lastnosti lesa, ki so pomembne pri projektiranju konstrukcij so: natezna, tlačna in strižna trdnost ter elastični modul lesa. Seveda poleg osnovnih lastnosti so pogosto potrebne še druge odvisno od zahtevnosti konstrukcije. Pri običajnem projektiranju obstaja tudi s standardi dovoljeno poenostavljeno dimenzioniranje. Tako pogosto vpliv lezenja zanemarimo ali pa ga le ocenimo na osnovi reduciranih elastičnih modulov. Še redkeje pa se zgodi, da bi projektant upošteval mehanosorptivni vpliv ali pa razliko med elastičnim modulom za tlačno območje in elastičnem modulu za natezno območje. Prav tako se redko upošteva vpliv vlaženja in sušenja ter s tem povezano nabrekanje in krčenje lesa. Vpliv lezenja lesa je močneje izražen v primerih vlažnega okolja in je odvisen od obtežbe. Kombinacija visokega nivoja obremenitve in vlage lahko povzroči tudi do dvakratno povečanje povesov pri nosilcih. To nikakor ni zanemarljiv vpliv (sliki 1 in 2). Pomen oznak v legendi: 4_Pmodel = izračunani povesi s 4-parametričnim modelom 3_Pmodel = izračunani povesi s 3-parametričnim modelom Meaning of symbols in the key: 4_Pmodel = calculated bending with 4-parametrical model 3_Pmodel = calculated bending with 3-parametrical model Slika 1: Primerjava izmerjenih povesov in računalniško simuliranih z upoštevanjem lezenja lesa. Comparison ofmeasured and computer-simulated bending, with respect to creeping. Slika 2: Primerjava izmerjenih robnih deformacij in računalniško simuliranih z upoštevanjem lezenja. Comparison of measured and computer-simulated edge deformations, with respect to creeping. Tudi mehanosorptivni efekt ima lahko za posledico izjemno povečanje deformacij, enakega velikostnega razreda kot lezenje, ki nastanejo zaradi nihanja vlage v lesu. Ta vpliv je pri velikih prerezih bistveno manjši kot pri majhnih prerezih inje zato zelo redko obravnavan v praksi. Vseeno je priporočljivo uporabljati ustrezne premaze za les, ki zadržujejo čim bolj konstantno vlago znotraj prereza lesa. Slika 4: Porušitev natezne cone lameliranega lepljenega lesenega nosilca iz običajne II. kvalitete lesa. Damage on a laminated glued timber beam ofordinary II. quality timber in its tension zone. V resnici se lahko zgodi oboje in sicer, da je za porušitev natezne cone dejansko kriva prevelika količina grč ali pa, da se to zgodi zaradi sposobnost plastifikacije v tlačni coni, ko robne natezne napetosti pri povečanju obtežbe naraščajo hitreje od tlačnih in tako tudi hitreje dosežejo mejo trdnosti (slika 5). Slika 3: Normalne napetosti in deformacije poenostavljeni linearni model. Normal tensions and deformations: simplified linear model. Razliko med elastičnim modulom za tlačno območje ET in elastičnem modulu za natezno območje EN v praksi praktično nikoli ni upoštevano (slika 3). Razlog za to je povsem preprost in sicervnaravi statike linijskih konstrukcij. Znanoje, da na pomike in zasuke konstrukcije v največji meri vplivajo upogibni momenti in v veliko manjši meri osne in prečne sile. S tem razlogom so nekateri enostavni računalniški programi pri izračunu pomikov in zasukov zasnovani tako, da upoštevajo le deformacije odvisne od upogibnih momentov. Če poleg opisanega pri upogibni togosti elementov upoštevamo povprečni upogibni elastični modul E, ki ga določimo iz upogibnih preizkusov, potem na zunaj vidne razlike praktično ni. Vidimo namreč le konstrukcijo in njeno deformacijo (povese) ne pa tudi lokalno deformacijo materiala - vlakna. Prav tako najpogosteje na zunaj opazimo le porušitev natezne cone lesenega nosilca in to običajno napačno povežemo z manjšo nosilnostjo lesa v natezni coni (slika 4). Slika 5: Potek funkcije napetosti odvisnih od deformacij za les iglavcev II. kvalitete po podatkih raziskav B. Hug-a, ter predpostavljeni potek za lesene konstrukcije po standardu SIA 164 . Progress of the tension function, depending on deformations for II. quality coniferous timber according to B. Hug's research results and hypothetical progress for timber constructions according to the SIA 164 standard. Bistvena razlika med krivuljama prikazanega diagrama je opazna predvsem izven linearnega območja, kjer se izkaže razlika v kvaliteti materiala. Očitno se po standardu SIA zahteva večja kvalitete lesa. Zelo pogosto preiskave kažejo na to, da natezna cona nima nikakršne sposobnosti plastifikacije kot jo predpostavlja SIA in zato vedno krhko poči. V tlačni coni pa plastifikacija običajno vedno nastopi, razlika je le v velikosti tovrstnega odziva. V kolikor bi želeli uporabljati še slabšo III. kvaliteto lesa pa se prav zaradi velike vsebnosti grč natezna trdnost v primerjavi s tlačno bistveno bolj zmanjša in praktično razpolovi. To kažejo tako razmerja med dopustnimi napetostmi po JUS standardih kot tudi razmerja med projektnimi trdnostmi po EC5. Nosilci izdelani iz takšne kvalitete lesa so prav gotovo še posebej potrebni armiranja oziroma ojačanja natezne cone. Dejstvo je, da je takega lesa dovolj, cena pa temu primerno nizka in prav zato bi bilo smiselno izrabiti dani potencial. Mehanske lastnosti ojačitev Ojačitve izvedene z dolepljenjem lamel na lepljeni nosilec so lahko iz najrazliènejsih materialov. Za lamele se lahko uporabi karbonske lamele, lamele iz steklenih vlaken ali pa celo lamele iz obièajnegaplosèatega jekla S235. Lamela vrsta E(kN/cm2) fy (kN/cm2) Sika CarboDur S karbon 15500 240 Sika CarboDur M karbon 21000 200 Sika CarboDur H karbon 30000 140 FiRP GARP steklo- aramid 5516 24.1 FiRP CARP karbon - aramid 11446 83.4 FiRP ARP aramid 7998 98.6 Jeklo S235 jeklo 21000 24 iz podatkov iz slike 9 opaziti, da za 2-kratno nosilnost zadostuje 3% armiranja medtem ko za 3-kratno nosilnost potrebujemo kar 9% armiranja. Tako je oèitno, da se težišče ekonomiènosti armiranja giblje v okviru tri odstotnega armiranja. -'fi ■i Hli Slika 6: Mehanske lastnosti različnih ojačiLnih lamel. Mechanical properties of various reinforcement lamellas. Mehanske karakteristike ojačitev so, kot je prikazano v sliki 6 izjemno raznovrstne. Karbonske lamele so najdražje z najvišjo natezno trdnostjo, bistveno cenejše in tudi slabše pa so lamele iz steklenih vlaken in običajnegajekla. Vpliv "odstotka" armiranja V okviru analize nosilnosti z jeklom armiranih lamel smo s programom Scout simulirali armiranje lepljenega lameliranega lesenega nosilca dimenzij b/h= 10/20cm. i-T.r q i. Slika 8: Simulacija armiranega lepljenega nosilca s 5% jekla S235 po enoletni obremenitvi s P = 17.7kN. Simulation of glued beam with 5 %of S235 steel reinforcement after 1 year of loading where P=17,70 kN. Armiranje (%) P(kN) w(cm) koef. nosilnosti 0 14.97 4.22 1.000000 0.5 17.70 4.34 1.182365 1 20.90 5.02 1.396126 1.5 23.50 5.18 1.569806 2 26.00 5.34 1.736807 2.5 28.80 5.33 1.923848 3 31.50 5.69 2.104208 6 40.30 5.03 2.692051 9 46.50 4.24 3.106212 12 46.70 4.27 3.119572 Slika 9: Vpliv "odstotka" armiranja na povečanje nosilnosti P za jeklene lamele. The effect of "share" of reinforcement on increased load-bearing capacity P for steel lamellas. Slika 7: Simulacija nearmiranega lepljenega nosilca po enoletni obremenitvi s P = 14.97kN. Simulation of non-reinforced glued beam after 1 year of loading where P=14,97 kN. Predpostavili smo, da gre v primeru lesa za material slabše II. kvalitete, kjer je vsebnost grč takšna, daje natezna trdnost lesa reducirana in je enaka tlačni trdnosti (slika 5). Prostoležeči nosilec podpremo na razdalji 3.45 m in ga obremenimo z vertikalno koncentrirano obtežbo P v tretjinah razpona. Nato spreminjamo "odstotek" armiranja in preverjamo uspešnost armiranja. Kot lahko opazimo v sliki 10je uporaba armature z več kot 9% površine jekla v primerjavi s površino lesa v prečnem prerezu nosilca povsem nesmiselno, saj nosilnost ne narašča. Prav tako je Slika 10: Grafični prikaz vpliva "odstotka" armiranja (%) na povečanje nosilnosti P(kN). Graphic presentation of effects of "share" of reinforcement on increased load-bearing capacity P (kN). Vpliv tipa lamele za armiranje in načina lepljenja Analize so pokazale, daje jeklo S235, ki ima relativno nizko mejo elasto-plastiènosti v primerjavi s karbonskimi lamelami nesmiselno prednapenjati, saj je jeklo cenovno zelo primeren material, ki pa ima žal tudi slabe lastnosti v povezavi s toplotno prevodnostjo, kondenzacijo inkorozijo. Karbonske lamele tipa S imajo nekoliko manjši elastièni modul kot jeklo in jim je potrebno vsiliti velik raztezek, da se jih polno obremeni in zato je predkrivljenje oz. prednapetje priporoèljivo, saj s tem dosežemo enak uèinek z manj materiala ali pa veèji uèinek z enakim materialom. Pri visoko kvalitetnem jeklu bi lahko privzeli enake smernice, medtem ko pri mehkem jeklu S235 zelo hitro dosežemo mejo elasto-plastiènosti in zato prednapetje ni smiselno. Armiranje (%) P(kN) Ppr(kN) koef. nosilnosti 0 14.97 0 1.0000 0.6 24.40 0 1.6299 0.6 28.50 -15 1.9038 Slikali: Vpliv predkrivljenja Ppr na nosilnost P za karbonske lamele Sika S 1012. Effect ofpre-bending Ppr on load-bearing capacity P for carbon laminates Sika S1012. Armiranje lesenih lepljenih nosilcev je lahko raznovrstno, najveèkrat ojaèujemo le natezno cono in s tem lahko rešujemo problem prevelike grèavosti. V novejšem èasu se razvija tudi armiranje s FRP lamelami tudi v tlaèni coni lesenega lepljenega lameliranega nosilca s èimer se v bistvu ustvarja nekakšen "I" profil. Seveda je najbolj uporabno le armiranje natezne cone v primeru slabega moèno grèavega lesa. V kolikor je mogoèe uporabiti obièajno jeklo, je to cenovno še najenostavnejšarešitev. Za jeklene lamele velja, daje ekonomsko smiselno 3 odstotno armiranje prereza, nikakor pa ne 9 odstotno in veè. Armiranje nosilcev s karbonskimi lamelami postane cenovno sprejemljivo le ob soèasni uporabi tehnologije predkrivljenja. Ne glede na vrsto uporabljenega materiala pa armiranje poleg poveèanja varnosti konstrukcije zelo ugodno vpliva tudi na zmanjšanje viskoznih deformacij zaradi lezenja lesa. Viri in literatura Deuring M., Steiner W., Efficient strengthening by using the Sika CarboDur System, SikaAGZuerich, Winterthur 1996, Switzerland Habib J. Dagher, J. Breton, Creep Behavior of FRP-Reinforced Glulam Beams, 5th World Conference on Timber Engineering, Proceedings Vol. 1, EPFL, Lousane 1998, str. 161-168 Noel D. Stevens and George K. Criner, Economic Analysis of Fiber-Reinforced Polymer Wood Beams, University of Maine, 2000 Srpèiè J., Magistrsko delo: Vpliv vlage na reološke lastnosti lepljenih lameliranih nosilcev, Univerza v Ljubljani, FGG, Ljubljana 1992 Wallner E., 2001, Pred^ivljen lepljen lameliran nosilec, Zbornik 23. zborovanja gradbenih konstruktorjev Slovenije, Bled Wallner E., 2002, Izboljšani leseni lamelirani nosileci, Zbornik 24. zborovanja gradbenih konstruktorjev Slovenije, Bled Wallner E., 2002, Postopek poveèanja upogibne nosilnosti s predkrivljenjem, Patent SI 20759 A Wallner E., 2003, Magistrsko delo: Pred^ivljeni lepljeni lamelirani leseni nosilec, Univerza v Ljubljani, FGG, Ljubljana Wallner E., 2004, Raziskovalna naloga: Ojaèitve lesenih nosilcev, Univerza v Ljubljani, FA, Ljubljana asist mag Edo Wallner Univerza v Ljubljani Fakulteta za arhitekturo edo.wallner@guest.arnes.si