PL68613Y1 - Wzmocniony drewniany element konstrukcyjny - Google Patents

Abstract

Wzmocniony drewniany element konstrukcyjny zawiera element wzmacniający (4) w kształcie odcinka koła wklejonego pionowo do wnętrza elementu konstrukcyjnego (1), równolegle do jego powierzchni bocznych, za miejscem występowania wady (2) elementu konstrukcyjnego, przy czym element wzmacniający (4) jest usytuowany tak, że prosta krawędź odcinka koła jest skierowana w stronę powierzchni górnej albo dolnej elementu konstrukcyjnego (1) i jest równoległa do dłuższej osi elementu konstrukcyjnego (1).

Description

Opis wzoru

Przedmiotem wzoru użytkowego jest drewniany element konstrukcyjny lokalnie wzmocniony.

Podstawową wadą elementów konstrukcyjnych wykonanych z drewna, najczęściej pełniących funkcję belek nośnych, jest obecność sęków. Sęki, zwłaszcza te obecne w strefach rozciąganych belek, wydatnie redukują wytrzymałość konstrukcji przez zmniejszenie przekroju przenoszącego obciążenia oraz wprowadzenie zaburzenia przebiegu włókien w drewnie.

Dotychczasowo opracowanych zostało wiele metod wzmocnienia drewnianych elementów konstrukcyjnych. Jednym ze sposobów jest wzmocnienie istniejących elementów konstrukcyjnych poprzez ich modyfikację, która może polegać na stosowaniu różnego rodzaju zabiegów strukturalnych (na przykład przesycenie i wypełnienie żywicami), mających na celu ujednorodnienie i uciąglenie przekroju. Innym, częściej stosowanym rozwiązaniem, jest wprowadzenie do konstrukcji dodatkowych elementów o wyższych właściwościach mechanicznych w stosunku do istniejących, przenoszących obciążenia samodzielnie lub we współpracy ze wzmacnianym elementem. Najpopularniejsze rozwiązanie to metalowe lub kompozytowe pręty, płaskowniki lub inne kształtowniki, które wprowadzane są do wewnątrz wzmacnianego przekroju lub przymocowywane do zewnętrznych powierzchni przekroju wzmacnianego (US4274241, PL76195). Wraz z rozwojem technologii klejenia i stosowania żywic, do wzmocnień elementów konstrukcyjnych zaczęły masowo być stosowane kompozyty FRP (Fiber Reinforced Polymer). Podstawowe znaczenie praktyczne przypisuje się w tej chwili kompozytom włóknistym o osnowie polimerowej, pokrytej włóknami węglowymi, szklanymi i aramidowymi. Kompozyty stworzone na bazie włókien szklanych (GFRP) i aramidowych (AFRP) posiadają znacznie wyższą wytrzymałość na rozciąganie w stosunku do stali, jednakże ze względu na niską wartość wytrzymałości na obciążenia cykliczne, to kompozyty na bazie włókien węglowych (CFRP) są zalecane do wzmacniania konstrukcji inżynierskich. W stosunku do stali posiadają one dodatkowo przewagę w postaci odporności na działanie czynników środowiskowych. W związku ze specyfiką konstrukcji budowlanych, która sprawia, że budownictwo charakteryzuje się znaczną konserwatywnością, dopiero w latach 90 XX wieku po raz pierwszy zastosowano taśmy CFRP doklejane od spodu elementu drewnianego na całej jego długości. Od tej pory na całym świecie przeprowadzono szereg badań dotyczących wzmacniania przy użyciu taśmy CFRP zorientowanej pionowo oraz poziomo względem wzmacnianego elementu. Badania te ukierunkowane były na weryfikację efektywności wzmocnienia obejmującego całą długość elementu wzmacnianego.

Jedna z metod wzmacniania drewnianych elementów konstrukcyjnych za pomocą taśm kompozytowych została przedstawiona w polskim opisie patentowym PL 208514. Belka drewniana według tego patentu wzmocniona jest dwoma pasmami wykonanymi z kompozytów włóknistych. Pasma te naklejone są po obu stronach powierzchni bocznej elementu tak, że oba pasma są skrzyżowane ze sobą na powierzchni dolnej, w środku rozpiętości belki. Początek każdego pasma znajduje się w strefie przypodporowej belki, w jej górnym narożu. Dalej pasmo biegnie ukośnie w kierunku środka rozpiętości belki, poprzez dolną powierzchnię na drugą boczną powierzchnię belki, a następnie dalej biegnie ukośnie i kończy się w górnym narożu strefy przypod porowej. Pasma wykorzystane do wzmocnienia są wykonane z mat szklanych lub węglowych. Takie wzmocnienie wymaga jednak użycia dość dużej ilości materiału kompozytowego, co ma znaczenie z ekonomicznego punktu widzenia. Ponadto, wzmocnienie jest widoczne z zewnątrz, co ma niejednokrotnie znaczenie dla konstrukcji już istniejącej, z punktu widzenia walorów estetycznych. W przypadku niewielkich, lokalnych, naturalnych wad drewna konstrukcyjnego, takich jak sęki, istotne jest zastosowanie miejscowego wzmocnienia, które będzie bardzo łatwe do wykonania, niewidoczne i możliwe do zastosowania lokalnego nawet w przypadku licznych, drobnych wad.

Wzmocniony drewniany element konstrukcyjny według wzoru charakteryzuje się tym, że zawiera element wzmacniający w kształcie odcinka koła, wklejony pionowo do wnętrza elementu konstrukcyjnego, równolegle do jego powierzchni bocznych, w miejscu występowania wady lub zespołu wad elementu konstrukcyjnego. Element wzmacniający w kształcie odcinka koła jest usytuowany tak, że prosta krawędź (cięciwa) odcinka jest skierowana w stronę powierzchni górnej albo dolnej elementu konstrukcyjnego i jest równoległa do dłuższej osi elementu konstrukcyjnego.

Element wzmacniający jest wykonany z materiału o większej wytrzymałości mechanicznej niż wzmacniany element konstrukcyjny, wybranego spośród: kompozytu na bazie włókien szklanych (GFRP), kompozytu na bazie włókien aramidowych (AFRP), kompozytu na bazie włókien węglowych (CFRP), materiałów lignocelulozowych (bambus, drewno), jak również innych wysokoprzetworzonych materiałów (stal, tworzywo sztuczne).

Element wzmacniający umieszcza się w uprzednio wykonanej szczelinie i wkleja się go z użyciem środka klejącego (kleju). Szerokość szczeliny powinna umożliwiać utworzenie spoiny klejowej poprzez zapewnienie koniecznego luzu między elementem wzmacniającym i wzmacnianym. Kształt elementu wzmacniającego, czyli odcinek koła, związany jest z technologicznie najłatwiejszą do wykonania w tym kształcie szczeliną. Promień odcinka koła i długość lokalnego wzmocnienia uzależniony jest od wielkości i umiejscowienia wady w elemencie konstrukcyjnym.

Wzmocnienie drewnianego elementu konstrukcyjnego za pomocą wklejonego do wnętrza elementu wzmacniającego pozwala na precyzyjne, lokalne wzmocnienie w miejscu występowania wady, umożliwia zastosowanie większej liczby elementów wzmacniających w przypadku takiej konieczności oraz nie wpływa na estetyczną wartość konstrukcji w przypadku, gdy ma to znaczenie, np. w obiektach zabytkowych.

Przedmiot wzoru został przedstawiony na rysunku, na którym Fig. 1a przedstawia powierzchnię boczną elementu konstrukcyjnego z wadą w postaci sęka, z zaznaczoną szczeliną, Fig. 1b przedstawia powierzchnię dolną elementu konstrukcyjnego z zaznaczoną szczeliną, Fig. 2a przedstawia powierzchnię boczną elementu konstrukcyjnego z wadą w postaci sęka, z zaznaczonym wklejonym elementem wzmacniającym, Fig. 2b przedstawia powierzchnię dolną elementu konstrukcyjnego z widocznym wklejonym elementem wzmacniającym. W drewnianym elemencie konstrukcyjnym 1 z widocznym sękiem 2 wykonano za pomocą piły tarczowej szczelinę 3, w kształcie odcinka koła. Oddzielnie przygotowano element wzmacniający 4 o kształcie odpowiadającym kształtowi szczeliny (odcinek koła). Element wzmacniający wykonany był z kompozytu na bazie włókien węglowych (CFRP). Następnie element wzmacniający 4 wklejono w uprzednio wykonaną szczelinę 3 za pomocą kleju epoksydowego. W poniższej tabeli przedstawiono wyniki badań, dotyczące wzmocnienia elementów konstrukcyjnych wklejką w kształcie odcinka koła, wykonaną z materiału na bazie CFRP.