Opis wzoru Przedmiotem wzoru uzytkowego jest wzmacniana belka cienkoscienna typu sigma. Belki tego typu stosowane sa zwlaszcza w konstrukcjach hal stalowych jako platwie dachowe lub rygle scienne, a w ukladach dwugaleziowych jako konstrukcja slupa lub rygla ram. Z opisu zgloszenia wynalazku GB2247033A znana jest belka cienkoscienna typu sigma. W stanie techniki znana jest takze tasma CFRP – kompozyt polimerowy z wlóknami weglowymi (ang. Carbon Fiber Reinforced Polymer). Tkaniny CFRP naklejone za pomoca kleju na bazie zywic epoksydowych dzieki swoim nieprze- cietnym wlasciwosciom oraz mozliwosci poprawy charakterystyki pracy stalowych cienkosciennych elementów belkowych moga byc wykorzystywane zarówno w nowych, jak i juz istniejacych i eksploat- owanych obiektach budowlanych. Dotyczy to zarówno obiektów budowlanych, przemyslowych, wyko- rzystywanych w górnictwie oraz rolnictwie, co swiadczy o duzej wszechstronnosci proponowanego rozwiazania technicznego. Znane sa równiez z artykulu pt. „Badania eksperymentalne i numeryczne belek cienkosciennych typu sigma wzmacnianych tasmami CFRP"; Katarzyna Rzeszut, Ilona Szewczak, Patryk Rózylo – Ma- terialy Budowlane – 2017, nr 11, s. 5–6, wyniki badan laboratoryjnych i analiz numerycznych belek cienkosciennych typu sigma wzmocnionych tasma CFRP. Z artykulu pt. „Effective bond length of the CFRP tapes in strengthened sigma steel beams", Katarzyna Rzeszut, Ilona Szewczak, Patryk Rózylo, AIP Conference Proceedings – 2019, vol. 2060, nr 1, s. 1–10, znana jest analiza wplywu efektywnej dlugosci zakotwienia tasm wykonanych z wlókien weglowych (CFRP) wzmacniajacych cienkoscienne belki stalowe. W celu zbadania tego problemu opra- cowano testy laboratoryjne i modele numeryczne. Testy laboratoryjne w schemacie czteropunktowego zginania przeprowadzono na stalowych belkach wykonanych z cienkosciennego profilu sigma. Jedna belka byla traktowana jako referencyjna i nie posiadala wzmocnienia, pozostale belki wzmocniono ta- sma CFRP. Nastepnie opracowano modele numeryczne uwzgledniajace wyniki laboratoryjne i rózna dlugosc zakotwienia tasm CFRP. W pracy szczególna uwage zwrócono na ocene mozliwosci zwieksze- nia nosnosci krytycznej przy jednoczesnym ograniczeniu przemieszczen belek poprzez odpowiednie polozenie tasmy CFRP. W artykule pt. „Experimental studies of sigma thin-walled beams strengthen by CFRP tapes", Katarzyna Rzeszut, Ilona Szewczak, World Academy of Science, Engineering and Technology Inter- national Journal of Structural and Construction Engineering – 2017, vol. 11, nr 7, s. 799–806, przedsta- wiono stanowisko eksperymentalne oraz wstepne wyniki badan laboratoryjnych dotyczacych analizy skutecznosci wzmocnienia stalowych belek wykonanych z cienkosciennych profili sigma za pomoca tasm CFRP. W artykule pt. „Issues of thin-walled sigma beams strengthened by CFRP tape in the context of experimental and numerical studies", Katarzyna Rzeszut, Ilona Szewczak, Patryk Rózylo, Engineering Transactions – 2018, vol. 66, nr 1, s. 79–91 i w artykule pt. „Modern measurement methods in strength tests of sigma thin-walled steel beams", Ilona Szewczak, Katarzyna Rzeszut, E3S Web of Confer- ences – 2018, vol. 49, s. 1–10, przedstawiono wyniki badan laboratoryjnych i analiz numerycznych cien- kosciennych belek wzmocnionych CFRP. W artykule pt. „Pilotazowe badania eksperymentalne cienkosciennych belek stalowych typu sigma wzmocnionych tasmami CFRP", Ilona Szewczak, Katarzyna Rzeszut, Materialy Budowlane – 2016, nr 11, s. 84–85, zaprezentowano stanowisko badawcze oraz wyniki pilotazowych badan labora- toryjnych dotyczacych analizy efektywnosci wzmocnienia stalowych belek wykonanych z ksztaltowni- ków cienkosciennych typu sigma przy uzyciu tasm CFRP. Wzmocnienia stalowych belek wykonanych z cienkosciennych profili sigma za pomoca tasm CFRP opisano równiez w takich publikacjach jak: Rzeszut K., Szewczak I., Analiza efektywnosci wzmocnienia belek stalowych tasmami CFRP w zaleznosci od rodzaju przekroju poprzecznego, [w:] Nowe Trendy w Architekturze Budownictwie i Inzynierii Srodowiska, Tomasz Blaszczynski; Monika Siewczynska; Dawid Sinacki [red.], Wydawnictwo Politechniki Poznanskiej, ISBN 978-83-7775-501-3, pp. 110–123, 2018; Szewczak I., Rzeszut K., Rózylo P., Samborski S., „Laboratory and Numerical Ana- lysis of Steel Cold-Formed Sigma Beams Retrofitted by Bonded CFRP Tapes", Materials. – 2020, vol. 13, nr 19, s. 1–14; Szewczak I., Rzeszut K., Rózylo P., Snela M., „Laboratory and Numerical Ana- lysis of Steel Cold-Formed Sigma Beams Retrofitted by Bonded CFRP Tapes–Extended Research",3 Materials. – 2020, vol. 13, nr 21, s. 1–16 oraz Szewczak I., Rzeszut K., Rózylo P., Structural Behavior of Steel Cold-Formed Sigma Beams strengthened by Bonded steel, Thin walled Structures, 2020/21. Zblizona do wzoru koncepcje przedstawia takze publikacja polskiego wzoru uzytkowego PL72814Y1, z której znana jest wzmacniana belka cienkoscienna typu sigma z naklejona tasma CFRP umieszczona na powierzchni wewnetrznej srodnika. W rozwiazaniu PL72814Y1 zastosowana zostala tasma CFRP, czyli kompozyt skladajacy sie z wlókien weglowych zatopionych w matrycy np. z zywicy epoksydowej. Gotowe juz tasmy sa przyklejane do belki stalowej za pomoca dodatkowej warstwy kleju. Przykladem takiego produktu moze byc np. Sika Carbodur. Nowe proponowane wedlug wzoru uzytkowego rozwiazanie natomiast przewiduje wykorzystanie maty CFRP w postaci tkaniny jednokierunkowej wykonanej z wlókna weglowego. Tkanina jest przykladana do powierzchni belki, a nastepnie nakladany jest na nia klej na bazie zywic epoksydowych. Wlókna tkaniny w trakcie tego procesu sa zatapiane w kleju i jednoczesnie przyklejane do powierzchni belki. Przykladem takiego produktu moze byc np. Sika Wrap. Istotna róznice stanowi natomiast sama lokalizacja przyklejonej do belki maty CFRP. W przy- padku rozwiazania PL72814Y1 tasma zostala przyklejona do srodnika belki o przekroju typu sigma, w wyniku czego przekrój belki jest przekrojem otwartym. Nowe rozwiazanie przewiduje przyklejenie maty CFRP na zagieciach brzegowych przekroju, tworzac w ten sposób przekrój zamkniety na dlugosci belki. Taka aplikacja maty CFRP powoduje duzy wplyw wzmocnienia na poprawe nosnosci belki. W przypadku rozwiazania PL72814Y1 obserwowano, ze zniszczenie próbek nastepuje w sku- tek odklejenia sie tasm od powierzchni belki stalowej. Tasmy mialy jedynie wplyw na zmniejszenie wielkosci przemieszczen pionowych i poziomych belki. W przypadku nowego rozwiazania, zniszcze- nia nastepuja poprzez utrate statecznosci belek stalowych. W wyniku analiz badawczych, zauwazono wzrost nosnosci belek, wydluzenie plateau na wykresie sila–przemieszczenie oraz zmniejszenie prze- mieszczen. Zamkniecie przekroju za pomoca tkaniny CFRP wydluza czas pracy belki poprzez prze- ciwdzialanie zwichrzeniu oraz dystorsji belki stalowej. Najwazniejszym i korzystnym skutkiem technicznym jest zwiekszenie nosnosci elementów po- przez przeciwdzialanie ich dystorsji oraz zwichrzeniu. Jest to istotne z punktu widzenia Stanu Granicz- nego Nosnosci (SGN) wedlug EUROKOD 3, gdzie nalezy spelnic warunek dotyczacy nieprzekroczenia nosnosci elementu na zwichrzenie oraz redukcji przekroju ze wzgledu na mozliwosc wystapienia dys- torsji. Zamkniecie przekroju belek stalowych cienkosciennych pasmem tkaniny CFRP przyklejonym do zagiec brzegowych przekroju pozwala zwiekszyc ich trwalosc poprzez przeciwdzialanie utracie statecz- nosci elementu w wyniku przylozenia obciazenia. Zastosowanie wzmocnienia wykorzystujacego tkanine CFRP oraz klej na bazie zywicy epoksy- dowej pozwala na zwiekszenie nosnosci elementu w przypadku uszkodzenia lub przeciazenia podczas eksploatacji. Istota wzoru uzytkowego jest wzmacniana belka cienkoscienna typu sigma z naklejona mata CFRP. Jej istota jest to, ze mata CFRP w postaci tkaniny jednokierunkowej wykonanej z wlókna weglo- wego, naklejona jest za pomoca kleju na bazie zywic epoksydowych do powierzchni zewnetrznej zagiec brzegowych belki. Prezentowany wzór uzytkowy przeznaczony jest do poprawy nosnosci pracy zginanych elemen- tów stalowych cienkosciennych (w budynkach mieszkalnych, budynkach uzytecznosci publicznej, obiektach przemyslowych, obiektach inzynierskich) w warunkach normalnej eksploatacji. Zamkniecie przekroju za pomoca doklejonej tkaniny CFRP pozwala na zwiekszenie nosnosci belek stalowych cien- kosciennych na zginanie ze skrecaniem poprzez przeciwdzialanie dystorsji i zwichrzeniu elementu. Zastosowanie doklejonej tkaniny CFRP w zginanych belkach stalowych cienkosciennych umoz- liwia spelnienie Stanu Granicznego Nosnosci w normalnych warunkach pracy, zwiekszajac przy tym trwalosc i bezpieczenstwo uzytkowania konstrukcji. Zastosowanie wzmocnienia poprzez doklejenie tkaniny CFRP, w odniesieniu do znanych rozwia- zan technicznych, jest maloinwazyjnym oraz relatywnie malo pracochlonnym rozwiazaniem technicz- nym. Aplikacja kleju za pomoca walka, przyklejenie tkaniny oraz zabiegi zwiazane z przygotowaniem samego podloza sa szybkie w realizacji, dzieki czemu zalozony i trwaly efekt techniczny mozna osia- gnac niewielkim nakladem pracy. Schematyczny widok przekrojowy wzmacnianej belki cienkosciennej typu sigma z naklejona mata CFRP wedlug wzoru uzytkowego przedstawiono na fig. 1 rysunku. Na fig. 2 pokazano wykres badan testowych w relacji obciazen i przemieszczen Wzmacniana belka cienkoscienna typu sigma 1 posiada naklejona mate CFRP 2. Jako mate CFRP 2 zastosowano tkanine jednokierunkowa wykonana z wlókna weglowego. Mata CFRP 2 nakle- jona jest za pomoca kleju na bazie zywic epoksydowych do powierzchni zewnetrznej zagiec brzego- wych 1a belki stalowej 1. W przykladowych realizacjach wykorzystano belki o przekroju -200 - 70 - 2 i -140 - 70 - 2 i dlugosci 300 cm. Do wzmocnienia uzyto tkanine Sika Wrap 230 C. Tkanina ta posiada tylko jedna warstwe wlókien weglowych. Tkanina przyklejona w srodku rozpietosci belki na dlugosci 300 mm (jest to szerokosc tkaniny w rolce). W przykladzie uzyto dwuskladnikowej tiksotropowej zywicy epoksydowej do impregnacji, laminacji i klejenia – Sikadur 330. Testy laboratoryjne wzmocnionej belki polegaly na poddaniu belek stalowych cienkosciennych czteropunktowemu zginaniu. Badane próbki to belki o przekroju poprzecznym -200 - 70 - 2 oraz -140 - 70 - 2, dlugosci 300 cm oraz odleglosci miedzy punktami podparcia w trakcie badan wyno- szacej 270 cm. Belki byly wykonane i badane w seriach rózniacych sie dlugoscia zakladu tkaniny, przy uwzglednieniu dwóch róznych przekrojów. Lacznie badaniu poddano 8 belek stalowych cienkoscien- nych, w ich naturalnej skali, przy czym dwie belki stanowily elementy odniesienia (bez wzmocnienia tkanina CFRP). Dodatkowo wykonano badania materialowe polaczenia klejonego. Wytrzymalosc na scinanie kleju wyznaczono na podstawie badan wlasnych ze wzgledu na brak normowych wytycznych dla anali- zowanego polaczenia. Próbki wykonano z polówek wioselek stalowych polaczonych dwustronnie za- kladkowo z tkanina CFRP za pomoca kleju na bazie zywicy epoksydowej. Badania przeprowadzono uwzgledniajac dwie rózne dlugosci zakladu, 55 mm oraz 30 mm. Dla kazdej dlugosci zakladu badania wykonano na pieciu próbkach. Wytrzymalosc na odrywanie kleju wy- znaczono na podstawie normy PN-EN ISO 4624. Próbki wykonano z walców stalowych o srednicy 50 mm polaczonych z blacha stalowa ocynkowana ogniowo za pomoca kleju na bazie zywicy epoksy- dowej. W warstwie kleju znajdowal sie fragment tkaniny CFRP. Badania wykonano na szesciu próbkach. Belki stalowe cienkoscienne przebadano na specjalnie do tego celu przygotowanym stanowisku badaw- czym. Wszystkie elementy obciazono dwiema silami skupionymi w taki sposób, ze w czesci srodkowej kazdej z belek otrzymano strefe o stalej wartosci momentu zginajacego. Kazda belka zostala wyposa- zona w system czujników indukcyjnych do pomiarów przemieszczen oraz stanowisko do optycznej i bezdotykowej metody pomiaru przemieszczen w przestrzeni 3D (z wykorzystaniem systemu ARAMIS). W oparciu o wyniki analiz i pomiarów wykonanych w trakcie badan eksperymentalnych elementów w ich naturalnej skali wyciagnieto nastepujace wnioski: - tkanina CFRP naklejona klejem na bazie zywicy epoksydowej przeciwdziala dystorsji oraz zwichrzeniu w zginanych belkach stalowych cienkosciennych poddanych obciazeniu zwiek- szajac ich nosnosc opisana w warunku Stanu Granicznego Nosnosci; - tkanina CFRP naklejona klejem na bazie zywicy epoksydowej zmniejsza ugiecie w zginanych belkach stalowych cienkosciennych poddanych obciazeniu poprawiajac zakres pracy ele- mentu ze wzgledu na warunek Stanu Granicznego Uzytkowalnosci; - obserwowana jest poprawa charakterystyki pracy belek stalowych cienkosciennych w Stanie Granicznym Nosnosci oraz w stanie go poprzedzajacym. Wyniki prowadzonych badan przedstawiono w tabeli 1 Belki o wysokosci przekroju 200 mm: SBHT1, SBHT2, SBHT3 Belki o wysokosci przekroju 140 mm: SBLT1, SBLT2, SBLT3 Na fig. 2 pokazano wykres badan testowych w relacji obciazen i przemieszczen. W swietle prze- prowadzonych badan wzmacniana belka cienkoscienna typu sigma z mata CFRP naklejona do po- wierzchni zewnetrznej zagiec brzegowych poprawia charakterystyke pracy zginanych belek stalowych cienkosciennych. PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL