Raport de Cercetare

Grant: PLANSEE COMPUSE LEMN-BETON

INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARI PENTRU CONSTRUCTII

SI ECONOMIA CONSTRUCTIILOR INCERC - Filiala Timisoara

ASPECTE GENERALE

Planseele compuse lemn-beton reprezinta o solutie constructiva usor de realizat si, totodata, o varianta eficienta de reabilitare a unor plansee vechi din lemn. Problema se afla in atentia colectivului de cercetare de la INCERC Filiala Timisoara, care a efectuat deja, pana in prezent, cercetari pe aceasta tema si acestea au continuat si in etapa actuala.

In cadrul Programului Grant A, Cod CNCSIS 1397/2002 si 725/2003, la INCERC Filiala Timisoara s-au elaborat, pana in prezent, 3 faze de cercetare, dupa cum urmeaza:

Faza 1.1. Studiu de sinteza asupra cercetarilor efectuate pana in prezent asupra planseelor compuse lemn - beton (septembrie 2002) [19].

Faza 1.2. Studii si cercetari experimentale pe epruvete asupra conlucrarii lemn - beton (octombrie 2002) [20].

Faza 2.1. Comportarea planseelor compuse lemn - beton sub sarcini de lunga durata (octombrie 2003) [21].

Cercetarile au continuat in anul 2004 in cadrul Programului Grant A, Cod CNCSIS 725 cu faza "Plansee compuse lemn - beton; comportarea la sarcini de lunga durata; reabilitarea cu fibra carbon". Acestea s-au desfasurat in doua etape distincte si anume: in cadrul primei etape s-au finalizat si interpretat incercarile la lunga durata ale unor elemente compuse lemn - beton realizate cu grinzi din lemn lamelar incleiat, incercari incepute in cadrul fazei precedente. In cadrul celei de-a doua etape, s-a testat posibilitatea reabilitarii acestor tipuri de elemente cu tesatura din fibra - carbon.

PROGRAMUL CERCETARILOR EXPERIMENTALE

2.1. Comportarea planseelor compuse lemn - beton sub sarcini de lunga durata

(etapa I)

In vederea studierii comportarii in timp a planseelor compuse lemn - beton realizate cu grinzi lamelare incleiate din lemn, s-au confectionat si incercat 4 elemente compuse lemn - beton in aceasta varianta constructiva. Solutia s-a ales in vederea compararii comportarii lemnului lamelar incleiat cu lemnul masiv, in conditiile conlucrarii acestuia cu betonul.

Elementele compuse lemn - beton au fost realizate in Laboratorul Filialei INCERC Timisoara, cu grinzi lamelare din lemn confectionate de Firma S.C. TECHNIKA Schweiz IMPEX S.R.L din com. Voiteg (Jud. Timis).

Ca elemente de legatura pentru asigurarea conlucrarii lemn - beton s-au utilizat holtsuruburi (f8 mm), montate in grinzile de lemn inclinate la 45⁰ , alternant in crucis. Aceasta varianta de asigurare a conlucrarii a fost adoptata pe baza rezultatelor cercetarilor efectuate anterior asupra elementelor compuse lemn - beton, in cadrul carora s-a constatat o comportare favorabila a conlucrarii lemn - beton prin holtsuruburi inclinate la 45⁰, montate alternant in crucis in grinda de lemn.

Dintre cele 4 elemente compuse, doua s-au incercat in regim static cu incarcari de scurta durata (faza 2.1) si doua s-au incarcat la lunga durata, mentinandu-se sub incarcare din septembrie 2003, pana in august 2004.

Se mentioneaza ca numerotarea elementelor experimentale s-a facut tinandu-se seama si de incercarile precedente, [15], [16], [17]. In acest context, in Tabelul 2.1 este prezentat programul complet avut in vedere in cadrul studiului comparativ al grinzilor compuse lemn - beton realizate cu grinzi din lemn lamelar, fata de cele din lemn masiv.

2.2.Reabilitarea planseelor compuse lemn - beton cu fibra carbon (etapa a II-a).

In cadrul cercetarilor experimentale efectuate pana in prezent asupra elementelor compuse lemn - beton, s-a constatat ca cedarea elementelor compuse are loc prin degradarea grinzilor de lemn. In acest context, se pune problema reabilitarii grinzii de lemn ce intra in alcatuirea planseului compus.

Prezenta lucrare isi propune studierea posibilitatii reabilitarii planseelor compuse lemn - beton cu fibra carbon. In acest scop, s-au utilizat elementele compuse GS 6 si GS 7 (Tabelul 2.1), incercate pana la rupere, in cadrul fazei precedente, in regim static de incarcare.

Reabilitarea a constat in aplicarea pe fata intinsa a grinzilor de lemn a sistemului de consolidare pe baza de tesatura din fibra carbon Sika Wrap Hex - 230 C/Sikadur - 330. Prin aplicarea acestui sistem de reabilitare se urmareste aducerea elementelor rupte la performantele initiale (capacitate portanta si deformabilitate).

Tabelul 2.1

Fig. 2.1. Forma si dimensiunile elementelor experimentale

COMPORTAREA PLANSEELOR COMPUSE LEMN - BETON SUB SARCINI DE LUNGA DURATA (Etapa a I-a)

Incercari experimentale

Programul experimental cuprinde 4 grinzi compuse lemn - beton care difera de cele incercate in etapele precedente prin faptul ca grinzile de lemn sunt realizate in solutie lamelara incleiata (Tabelul 2.1). In plus, lungimea necesara a lamelelor ce alcatuiesc grinzile de lemn se realizeaza prin imbinari dinti-pana ale unor lamele mai scurte; aceste imbinari se repartizeaza pe inaltimea sectiunii transversale a grinzii, in diferite sectiuni.

Forma si alcatuirea elementelor experimentale sunt prezentate in Fig. 2.1.

Detalii privind executia elementelor, caracteristicile fizico-mecanice ale materialelor (lemn, beton, elemente de legatura) s-au prezentat in lucrarea elaborata anterior [21]

3.1.1. Incercari preliminare

In vederea studiului elementelor compuse lemn - beton la sarcini de lunga durata, doua elemente compuse similare au fost incercate pana la rupere, in regim static de scurta durata. Pe baza incarcarii corespunzatoare cedarii acestor elemente; s-a stabilit nivelul de incarcare la lunga durata al celorlalte doua elemente [21].

Elementele GS4 [17] si GS6 , GS7 [21] au fost incercate, in regim static de scurta durata , pana la rupere, rezultand urmatoarele aspecte:

- Grinda GS6 a cedat prematur, prin deschiderea unei imbinari dinti - pana situata in lamela extrema intinsa, in treimea mijlocie a deschiderii grinzii. Acest mod de cedare este caracteristic grinzilor din lemn lamelar incleiat, la care nu se respecta conditia ca, in treimea mijlocie a deschiderii, pe cca 1/4 din inaltime, sa nu se realizeze imbinari ale lamelelor componente [1].

- Grinda GS7, la care in zona centrala nu s-au prevazut imbinari ale lamelelor, s-a rupt la o forta cu 33 % mai mare, fata de cea precedenta. Cedarea a pornit tot dintr-o sectiune slabita (de la un nod din structura lemnului), dar situata spre capatul grinzii.

- Realizarea grinzilor lamelare incleiate din lamele imbinate prin sistemul dinti pana (pentru obtinerea lungimii dorite a elementului) afecteaza capacitatea portanta a elementelor compuse prin slabirea sectiunilor in zona imbinarilor. Astfel se explica cedarea elementului GS7 la o forta ceva mai mica fata de cea calculata, respectiv fata de cea a elementului similar GS₄ realizat cu lemn masiv.

- Elementele realizate cu lemn lamelar incleiat (GS6 si GS7) prezinta o deformabilitate mai mare, fata de cel cu lemn masiv (GS4);

- Eficienta conlucrarii cu suruburi inclinate s-a evidentiat prin valori mici ale deplasarilor relative ale placii de beton fata de grinda de lemn (d0,5 mm) la sarcina de exploatare.

Valorile teoretice si experimentale ale fortelor de cedare ale elementelor (masive si lamelare) incercate in regim static de scurta durata sunt prezentate comparativ in Tabelul 3.1.

Tabelul 3.1

Se mentioneaza ca, incarcarea teoretica de rupere a elementelor experimentale (col. 2) s-a stabilit in conformitate cu metodologia de calcul [17], adoptata pe baza celei propuse in normele germane [8].

Valorile fortelor de rupere rezultate in urma incercarii la scurta durata (col. 3) au stat la baza stabilirii nivelului de incarcare al elementelor similare incercate la lunga durata.

3.1.2. Incercari la lunga durata

Fiecarui element incercat la sarcini de scurta durata ii corespunde un element incarcat la lunga durata: astfel, grinzile GSL6 si GSL7 corespund grinzilor GS6, respectiv GS7 (au fost turnate concomitent).

Cele 2 elemente GSL6 si GSL7 au fost incarcate cu placi din fonta cu greutate prestabilita, pastrandu-se aceeasi schema de incarcare ca si la incercarile preliminare cu sarcini de scurta durata (Fig. 3.1).

Fig.3.1. Incarcarea la lunga durata a elementelor experimentale

Nivelul de incarcare la lunga durata trebuie sa corespunda unor sageti aferente care, in timp, sa nu depaseasca sageata admisa la exploatare. Aceasta sageata se considera f_adm=l/250=1,44 cm, corespunzand atat unor grinzi pentru plansee din lemn [10], cat si unor plansee din beton armat [11].

Nivelul de incarcare la lunga durata s-a stabilit conform aspectelor prezentate in [19], rezultand, pentru conlucrarea cu suruburi, ca forta de incarcare la lunga durata P_l se poate considera 28% din forta de cedare a elementului corespunzator incercat la sarcini de scurta durata P_rs (incarcare efectiva aplicata, fara greutatea proprie a elementului). Astfel, pentru elementele experimentale au rezultat urmatoarele nivele de incarcare:

pentru grinda GSL6 : P_l=0,28xP_rs=0,28x66,34=18,57 kN; (realizat 18,60 kN);

pentru grinda GSL7 : P_l=0,28xP_rs=0,28x97,84=27,39 kN; (realizat 27,04 kN).

Avandu-se in vedere faptul ca elementul GSL6 a avut o alcatuire asemanatoare cu cea a elementului GS6 ( imbinare dinti-pana in lamela inferioara a grinzii de lemn, in treimea mijlocie), rupt prematur in regimul static de scurta durata, GSL6 s-a incarcat la lunga durata la un nivel corespunzator (28% din forta de rupere a lui GS6). Pe parcursul urmaririi comportarii elementelor sub incarcari de lunga durata, s-a considerat ca, de fapt, elementul GSL6 ar trebui incarcat la acelasi nivel cu GSL7, elementele fiind incarcate la starea limita de exploatare. Din acest motiv, dupa 40 de zile, s-a majorat incarcarea elementului GSL6 , de la 18,60 kN, la 26,88 kN.

Elementele experimentale au fost mentinute sub incarcare timp de 300 zile (septembrie 2003 - august 2004), urmarindu-se, de-a lungul intregei perioade, evolutia sagetilor maxime si a lunecarilor dintre placa de beton si grinda de lemn.

Rezultatele incercarilor la lunga durata

Evolutia in timp a sagetilor elementelor GSL6 si GSL7, realizate cu lemn lamelar, comparativ cu cea ale elementelor GSL1 si GSL2, realizate cu lemn masiv (incercate anterior) este prezentata in Fig. 3.2.

Fig. 3.2. Evolutia in timp a sagetilor

Din analiza diagramelor se constata:

- la toate elementele s-a observat o prima tendinta de stabilizare a sagetilor, dupa cca 25 de zile de la incarcare; cresterile periodice ale sagetilor in continuare, pot fi explicate prin varatiile de umiditate si de temperatura din hala de incercari pe perioada de iarna;

- stabilizarea definitiva a sagetilor a avut loc dupa cca 140 de zile;

- la elementul GSL 6 cresterea brusca a sagetii la 40 de zile de la incarcare a fost determinata de majorarea nivelului de incarcare (vezi pct. 3.1);

- urmarind valorile stabilizate ale sagetilor maxime cuprinse intre 1,6 cm si 1,8 cm, rezulta necesitatea reducerii nivelului de incarcare al unor asemenea elemente la 25% din capacitatea portanta corespunzatoare regimului static de incarcare, deoarece valorile experimentale ale sagetilor depasesc sageata admisa la exploatare de 1,44 cm.

Pe tot parcursul urmaririi comportarii elementelor incarcate, s-au masurat si lunecarile lemn - beton la capete, trasandu-se diagramele incarcare -lunecare prezentate in Fig. 3.3.

Diagramele arata, in primul rand, valori foarte mici ale lunecarilor lemn - beton, confirmand comportarea favorabila a conlucrarii prin suruburi inclinate la 45⁰ alternant in crucis. Aceste lunecari prezinta tendinta de stabilizare dupa cca 150 de zile; elementul GSL6, la care nivelul de incarcare la lunga durata s-a corectat pe parcurs, stabilizarea lunecarilor nu este evidenta, dar valorile acestora se pastreaza in limite foarte mici.

Fig. 3.3. Evolutia in timp a lunecarilor lemn - beton

3.3. Concluzii

In urma cercetarilor experimentale efectuate asupra comportarii planseelor compuse lemn-beton la sarcini de lunga durata s-au desprins urmatoarele concluzii principale:

Planseele compuse lemn - beton pot fi realizate fie cu grinzi din lemn masiv, fie cu grinzi lamelare incleiate din lemn. Comportarea celor doua variante este comparabila, grinzile lamelare prezentand, insa, o deformabilitate mai accentuata. In cazul realizarii grinzilor lamelare din lamele mai scurte imbinate prin sistemul dinti - pana, este esentiala repartizarea imbinarilor pe inaltimea sectiunii transversale in sectiuni diferite si evitarea amplasarii unor imbinari in lamela extrema intinsa, in treimea mijlocie a deschiderii grinzii. Este recomandabila realizarea grinzilor lamelare incleiate din lamele de lemn continue.

Ca elemente de legatura pentru conlucrarea lemn - beton, suruburile pentru lemn inclinate la 45⁰, alternant in crucis, reprezinta o varianta eficienta, usor de aplicat. Conlucrarea prin suruburi inclinate fiind mai rigida, fata de alte sisteme de conlucrare studiate anterior (cupoane de armatura profilata, montate in alveole practicate in prealabil in grinda de lemn), influenteaza nivelul de incarcare al planseului compus, exprimat prin raportul dintre incarcarea de lunga durata a planseului si incarcarea de rupere sub sarcini de scurta durata (P_l/P_rs).

Nivelul de incarcare maxim al planseelor compuse lemn - beton, apreciat (pe baza cercetarilor anterioare) la P_l/P_rs = 0.28 pentru elementele experimentale, trebuie redus, ca urmare a depasirii in timp a valorii sagetii admise f_adm=l/250=1,44 cm, la aceasta incarcare; evolutia sagetilor in timp, arata posibilitatea acceptarii unui nivel de incarcare P_l/P_rs=0,25. In consecinta, sarcina de exploatare a unui planseu compus lemn - beton va reprezenta cca o patrime din capacitatea portanta calculata pentru sarcini de scurta durata.

RECOMANDARI PRIVIND PROIECTAREA PLANSEELOR COMPUSE LEMN - BETON

Neexistand pe plan national o metodologie de calcul a planseelor compuse lemn - beton, in cadrul studiilor efectuate la INCERC Filiala Timisoara s-au adaptat si verificat pe cale experimentala metodologia propusa in normele germane DIN 1052 [8] si rezultatele unor cercetari efectuate in acest sens pe plan international [3], [4], [5], [6], [7].

Ca o concluzie a cercetarilor efectuate pana in prezent la INCERC Filiala Timisoara asupra planseelor compuse lemn - beton, se prezinta detaliat un exemplu de calcul pentru un panseu realizat in aceasta varianta constructiva.

EXEMPLU DE CALCUL

Calculul planseului compus lemn-beton se reduce de fapt la grinzile de lemn ale planseului care conlucreaza cu o anumita latime din placa de beton. Conlucrarea este realizata cu holtsuruburi inclinate la 45s, alternant in crucis.

In Fig. 4.1 sunt prezentate schema statica si sectiunea transversala a planseului.

Fig. 4.1. Schema statica si sectiunea transversala a planseului

4.1. Caracteristicile materialelor componente

Lemnul grinzilor [10] : brad, calitatea I (apreciere vizuala)

- rezistenta de calcul la incovoiere statica : R_il = 14.1 N/mm²

- rezistenta de calcul la compresiune in lungul fibrelor : R_cl = 10.2 N/mm²

- modulul de elasticitate paralel cu fibrele : E_l = 11300 N/mm²

Betonul placii

- rezistenta de calcul la compresiune : R_cb = 12.5 N/mm²

- rezistenta de calcul la intindere : R_tb = 0.95 N/mm²

- modulul de elasticitate al betonului la compresiune : E_b = 27000 N/mm²

Armatura placii [11]: OB37

- rezistenta de calcul la tractiune: R_a = 210 N/mm².

4.2 Caracteristicile sectiunilor transversale ale elementelor componente

Grinzile de lemn : sectiunea (15x15) cm

- momentul de inertie : I_l = 4219 cm⁴ ;

- aria sectiunii transversale : A_l = 225 cm² .

Placa de beton : h_p = 6 cm

Latimea de conlucrare a placii se determina pe baza unei relatii simplificate, pentru plansee compuse lemn-beton cu rigiditate mare in rosturile de legatura incarcate cu sarcini uniform distribuite [6], astfel :

Pentru exemplul considerat (Fig. 4.1) rezulta b₁ = 66 cm, caracteristicile sectiunii de calcul a placii de beton (5x 66) cm avand urmatoarele valori :

- momentul de inertie : I_b = 1193 cm⁴

- aria sectiunii transversale : A_b = 398 cm²

Elementele de legatura : holtsuruburi f8 mm

- modulul de rigiditate la lunecare al unui surub, apreciat pe baza incercarilor la forfecare pe epruvete compuse lemn-beton [21] se considera G = 21315 N/mm. (Nota : In contextul cercetarilor efectuate pana in prezent, se considera ca aceasta valoare poate fi luata in considerare la calculul planseelor compuse lemn-beton la care conlucrarea este asigurata prin suruburi inclinate la 45 , alternant in crucis, diametrul f8 mm).

- distanta dintre elementele de legatura se apreciaza: e'= 9 cm (aceasta valoare a fost testata pe cale experimentala in cadrul prezentului program Grant [21]).

4.3 Incarcari si solicitari

Incarcari permanente si cvasipermanente de calcul: g = 3.29 kN/m

Incarcari utile de calcul:    p = 1.47 kN/m

q = g + p= 4.76 kN/m

Momente incovoietoare de calcul :    M_g = 5.33 kNm

M_p = 2.38 kNm

M = 7.71 kNm

Forte taietoare de calcul maxima: T = 8.57 kN

4.4 Calculul la starea limita de rezistenta

La calculul planseelor compuse lemn-beton trebuie luata in considerare comportarea diferita a materialelor componente sub sarcini de lunga durata. Fenomenele de contractie si curgere lenta se deosebesc la lemn si beton in functie de conditiile climatice [2], [17]. De aceea, eforturile normale si tangentiale trebuie verificate atat in faza initiala t₀ (fara influenta curgerii lente), cat si pentru timpul t_i (cu influenta curgerii lente).

In cele ce urmeaza se detaliaza acest calcul pe baza metodologiei adoptate.

a). Faza initiala t₀ (fara curgere lenta)

Caracteristicile sectiunii compuse (notatii conform Fig. 4.1)

- momentul de inertie al sectiunii compuse se calculeaza pentru o sectiune echivalenta din lemn, astfel :

(2)

unde: - coeficientul de echivalenta al lemnului;

- coeficient al rigiditatii conlucrarii dintre lemn-beton;

cm

cm

Momentul de inertie rezulta :

cm⁴

Verificarea eforturilor unitare normale

- la fata inferioara a grinzii de lemn:

daN/cm² (3)

s_li=5.08 N/mm² < R_il=14.1 N/mm²;

- in centrul de greutate al sectiunii de lemn :

daN/cm²

s_Gl = 2.06 N/mm² < R_cl=10.2 N/mm² (4)

- la fata superioara a placii de beton

daN/cm² (5)

s_bs= -4.05 N/mm² < - R_c = 12.5 N/mm²;

- la fata inferioara a placii de beton

daN/cm² (6)

s_bi = 1.72 N/mm² > R_t = 0.95 N/mm² (Placa se armeaza);

- la fata superioara a grinzii de lemn efortul se calculeaza din conditii geometrice, din diagrama de variatie a eforturilor unitare normale pe inaltimea sectiunii transversale (Fig.4.1), rezultand :

s_ls=-0.96 N/mm² < R_lc = -10.2 N/mm² .

Armarea placii de beton

Placa se armeaza la volumul efortului unitar normal s_bi determinat pe baza diagramei de variatie din Fig. 2, rezultand ~2f6/66 cm.

Verificarea efortului unitar tangential

Efortul unitar tangential maxim se calculeaza astfel:

daN/cm² (7)

t_max =0.36 N/mm² < t_al = 1.2 N/mm²

in care :

- momentul static al placii de beton in raport cu centrul de greutate al sectiunii compuse : cm³

- momentul static al sectiunii de lemn :

cm³

- rezistenta admisa la lunecare in lemn: t_al = 1.2 N/mm² [8].

b). Faza t_i (curgere lenta)

Aceasta faza a calculului se refera de fapt la comportarea elementelor compuse lemn-beton la sarcini de lunga durata. Principiul calculului consta in reducerea modulilor de elasticitate ai betonului si lemnului, precum si a modulului de rigiditate a conlucrarii (modulul la lunecare al conectorilor) corespunzatori timpului t_i = 50 ani, interval apreciat pentru comportarea la lunga durata a elementului.

In urma unor studii si cercetari experimentale [2], [17], [18] se presupune reducerea marimilor mentionate dupa cum urmeaza.

Modulul de elasticitate al betonului E_bt se considera in conformitate cu prevederile [11], astfel :

N/mm² (9)

unde:

v = 1.0 ;

Modulul de elasticitate al lemnului E_lt se stabileste pe baza propunerii lui Ceccotti [4]:

N/mm² (10)

Modulul la lunecare al elementelor de legatura G_t , se determina tot pe baza recomandarii lui Ceccotti [4], astfel :

N/mm (11)

Cu valorile reduse E_bt, E_lt si G_t, se reface calculul ca si la pct. 3.4.4(a), rezultand I_ct=19567 cm⁴ , cu care se verifica valorile eforturilor unitare:

Eforturi unitare normale :

s_li=5.08 N/mm² < R_il=14.1 N/mm²; s_ls = - 0.83 N/mm² < R_lc = - 10.2 N/mm²;

s_Gl = 2.13 N/mm²;

s_bs = -3.79 N/mm² < R_bc = -12.5 N/mm² ; s_bi = 1.38 N/mm² > R_t = 0.95 N/mm².

Efortul unitar tangential

t_max = 0.36 N/mm² < t_al = 1.2 N/mm²

Numarul necesar de elemente de legatura (suruburi):

Se stabileste pe baza momentului capabil calculat in ipoteza atingerii in fibra cea mai intinsade lemn a rezistentei la incovoiere statica, R_i (rezulta din rel. 3):

daNcm = 21.88 kNm

in care : a₂, y_G - conform Fig.4.1.

Elementele de legatura se calculeaza de regula pentru valoarea maxima a fortei taietoare aferente acestui moment: T_max= 24.31 kN.

Forta de lunecare la interfata lemn-beton pe unitatea de lungime rezulta:

kN/m (12) Pe baza fortei de lunecare totale (Lx3.60 m) si a capacitatii portante a unui surub, se determina numarul necesar al acestora.

Capacitatea portanta a unui surub f8 s-a determinat pe baza incercarilor la forfecare pe epruvete efectuate la INCERC Filiala Timisoara [14] si a unor concluzii in domeniu din literatura de specialitate [5] si poate fi considerata D_s = 14.0 kN. (Se mentioneaza ca la INCERC Filiala Timisoara s-au efectuat incercari la forfecare pe epruvete realizate cu suruburi perpendiculare pe suprafata de forfecare, rezultand capacitatea portanta a unui surub de 7.0 kN. Din cercetarile efectuate pe plan international, rezulta ca aceasta capacitate portanta este de cca 2 ori mai mare, in cazul in care suruburile sunt inclinate la 45⁰).

In consecinta, rezulta numarul necesar de elemente de legatura: n = 37 suruburi (amplasate la 9.8 cm).

Se constata ca distanta dintre suruburi e'= 9 cm a fost apreciata corespunzator.

4.5 Verificarea la starea limita de exploatare

Verificarea deformatiilor se face pe baza rigiditatii la incovoiere a lemnului, tinandu-se seama de faptul ca la sarcinile permanente intervine si efectul curgerii lente (E_lb x I_c,expl), in timp ce la sarcini utile acest efect nu se ia in considerare (E_l x I_c,expl). In acest capitol se determina I_c,expl pentru timpul initial t₀ si final t_I (50 ani).

a). Faza initiala t₀

E_b = 27000 N/mm²; E_l=11300 N/mm²; n=2.39;

G_0,expl,0 = 16758 N/mm (valoarea modulului de rigiditate a conlucrarii s-a apreciat in conformitate cu [7] deoarece, pana in prezent, nu se dispune de rezultate proprii privind considerarea modulului de rigiditate a conlucrarii la exploatare).

b). Faza t_i

E_b,t = 12343 N/mm²; E_lt=5650 N/mm²; n=2.18; (vezi rel. 9 si 10)

N/mm (vezi rel. 11)

Calculul sagetii se face cu relatia cunoscuta pentru grinda simplu rezemata incarcata cu o sarcina uniform distribuita :

- pentru incarcarile permanente si cvasipermanente :

cm ; (12.a)

- pentru incarcarile utile :

cm ; (12.b)

Prin suprapunerea efectelor rezulta valoarea sagetii totale, care se compara cu sageata admisa : f = 0.69 + 0.16 = 0.85 cm < cm

5. REABILITAREA PLANSEELOR COMPUSE LEMN - BETON CU FIBRA CARBON (Etapa a II-a)

5.1. Utilizarea fibrelor carbon la reabilitarea planseelor compuse lemn - beton

Pe parcursul exploatarii planseelor compuse lemn - beton pot aparea situatii in care, din diferite motive (exploatare necorespunzatoare, modificarea destinatiei constructiei), elementele de planseu, respectiv grinzile de lemn, se degradeaza. In aceste cazuri, trebuie intervenit pentru refacerea performantelor planseului in vederea exploatarii acestuia in continuare. Masurile de interventie se aleg in functie de gradul de degradare al elementelor de planseu, astfel:

- in cazul grinzilor de lemn mai putin avariate, se efectueaza repararea locala a defectelor (fisuri, desprinderi de lamele la grinzile lamelare incleiate) prin injectari de rasini epoxidice;

- daca grinzile de lemn prezinta degradari accentuate, atunci se poate realiza rebilitarea acestora, utilizand diferite materiale performante (fibre de sticla, fibre carbon, etc).

In cadrul prezentei lucrari se testeaza posibilitatea reabilitarii elementelor compuse lemn-beton cu tesatura de fibra carbon tip Sika Wrap Hex-230C [22].

5.2. Procedeu de reabilitare a elementelor compuse lemn - beton

In vederea studierii posibilitatilor de reabilitare a planseelor compuse lemn - beton s-au utilizat cele doua elemente compuse lemn - beton GS6 si GS7, incercate in regim static, in cadrul etapei a I-a. In urma incercarii initiale, la ambele elemente s-a degradat grinda de lemn, prin cedarea partiala la forte de lunecare a legaturii incleiate intre lamele si desfacerea imbinarii dinti - pana din lamela extrema intinsa.

Pentru reabilitare, grinzile s-au indreptat, iar apoi s-a lipit pe fata intinsa a acestora cate o fasie de tesatura de fibra carbon Sika Wrap Hex-230C. Lipirea s-a realizat cu adeziv epoxidic Sikadur 330, fabricat tot de firma Sika.

Aplicarea tesaturii pe suprafata de lemn parcurge anumite faze distincte:

pregatirea stratului suport prin slefuire si indepartarea prafului cu ajutorul unui aspirator;

urmarirea marimii denivelarilor si crapaturilor locale, care nu trebuie sa depaseasca 0,5 mm; denivelarile si crapaturile mai mari se reprofileaza cu un amestec de adeziv Sikadur-30 si nisip cuartos Sikadur 501 (raport de amestecare 1:1);

aplicarea adezivului pe suprafata de lemn, cu mistria sau trafaletul;

taierea la dimensiunea necesara a tesaturii de fibra carbon cu o foarfeca sau un cutit ascutit, astfel incat integritatea fibrelor longitudinale sa nu fie afectata;

asezarea tesaturii Sika Wrap Hex 230-C pe stratul de rasina si presarea acesteia cu ajutorul unei role, pana cand adezivul patrunde printre fibrele tesaturii ; directia de impregnare trebuie sa fie in lungul fibrei; bulele de aer de sub tesatura sunt eliminate prin nivelarea cu ajutorul unui spaclu de plastic.

Dupa efectuarea operatiei de aplicare a fibrei carbon pe suprafata de lemn, grinzile rezultate GSC6, respectiv GSC7 se pastreaza in stare neincarcata, pana la intarirea compozitului (min. 7 zile), dupa care, elementul compus reabilitat poate fi incarcat.

5.3. Incercari experimentale

Elementele reabilitate s-au incercat in regim static de incarcare, exact in aceleasi conditii ca si elementele initiale.

Incarcarea s-a aplicat cu doua cricuri hidraulice, prin intermediul a doua grinzi metalice de repartitie, realizandu-se 4 forte concentrate (Fig. 5.1).

Incercarea a constat in:

- realizarea preliminara a unui ciclu incarcare - descarcare a elementelor pana la un nivel situat sub incarcarea teoretica de exploatare, in vederea stabilizarii sistemului de incarcare;

- incarcarea in trepte a elementelor pana la rupere.

Fig. 5.1. Schema statica de incarcare a elementelor reabilitate cu fibra carbon

Imaginea unui element pregatit pentru incercare este prezentata in Fig. 5.2.

Fig. 5.2. Element experimental pregatit pentru incercare

Pe parcursul incercarii s-au masurat:

- valorile treptelor de incarcare, cu doua doze de forta de cate 20 t, fixate sub cricurile hidraulice;

- sagetile la mijlocul deschiderii elementului si sub forte (total 5 sectiuni), cu microcomparatoare cu fir, avand precizia de 0,01 mm;

- deplasarile dintre placa de beton si grinda de lemn s-a masurat la ambele capete ale elementelor, cu microcomparatoare cu tija, cu precizia de 0,01 mm.

5.4. Rezultatele incercarilor experimentale

In urma incercarii in regim static de scurta durata a elementelor reabilitate GSC6 si GSC7, au rezultat in primul rand aspecte generale de comportare a celor doua elemente, comparativ cu elementele initiale GS6, respectiv GS7:

- Ruperea ambelor elemente reabilitate s-a produs sub efectul eforturilor tangentiale dintre lamelele grinzilor lamelare, prezentand desprinderi ale lamelelor in unele zone, sau char fisuri orizontale in lamele; la elementul GSC7, degradat in proportie foarte mare prin lunecarile dintre lamelele de lemn, in momentul cedarii s-a produs ruperea partiala a tesaturii de fibra carbon; la elementul GSC6, fibra carbon a ramas lipita de lemn, fara sa prezinte tendinta de rupere.

- imbinarea dinti - pana din zona centrala a lamelei extreme a elementului GS6 nu a mai influentat capacitatea portanta a elementului reabilitat GSC6, continuitatea lamelei extreme fiind asigurata prin tesatura de fibra carbon lipita pe fata aparanta a acesteia;

- fortele de cedare ale elementelor reabilitate depasesc cu cca 10 % pe cele ale elementelor initiale.

Valorile teoretice (calculate in cap. 5.5) si experimentale ale fortelor de cedare ale elementelor GSC6 si GSC7, comparativ cu cele ale elementelor GS6 si GS7, sunt prezentate in Tabelul 5.1

Tabelul 5.1

Nota : P_expl - forta de exploatare experimentala determinata ca fiind ¼ din forta de cedare experimentala (vezi cap. 3.3);

mm - sageata admisa a elementului compus.

Se constata ca, prin reabilitarea grinzilor de lemn cu tesatura de fibra carbon, capacitatea portanta initiala a elementelor compuse este practic refacuta (sau chiar depasita).

Sagetile masurate la mijlocul deschiderii la fiecare treapta de incarcare s-au reprezentat in functie de incarcarile corespunzatoare, rezultand diagramele din Fig. 5.3. In aceeasi figura s-au reprezentat, pentru comparatie, si valorile inregistrate in cazul elementelor initiale GS6 si GS7. Se constata ca elementele reabilitate prezinta deformatii (sageti) semnificativ mai mari fata de elementele incercate initial.

Fig. 5.3. Variatia sagetilor in functie de incarcare

Valorile sagetilor corespunzatoare fortelor de exploatare experimentale sunt prezentate in Tabelul 5.1; valorile din tabel confirma deformabilitatea mai mare a elementelor reabilitate. Daca la elementul GSC6 sageata a crescut cu cca 50% fata de cea a elementului initial GS6, la GSC7, fata de GS7, aceasta majorare depaseste 100%. Fenomenul este explicabil prin gradul de degradare diferit al celor doua elemente compuse GS6 si GS7.

Pentru aceleasi elemente, s-au reprezentat lunecarile intre placa de beton si grinda de lemn, in functie de incarcarile corespunzatoare (Fig. 5.4). Din diagrame rezulta ca, desi lunecarile inregistrate pana la rupere la elementele reabilitate au avut valori mai mari fata de cele ale elementelor initiale; valorile acestor deplasari se afla intr-un domeniu 2 - 4 mm, deci sunt mici. Acest aspect arata ca, chiar si dupa degradarea puternica a grinzilor de lemn, suruburile inclinate asigura o conlucrare corespuzatoare intre placa de beton si grinda de lemn.

Fig. 5.4. Variatia deplasarilor lemn - beton in functie de incarcare

5.5. Calculul elementelor degradate, reabilitate cu fibra carbon

Verificarea elementelor compuse lemn - beton reabilitate cu tesatura de fibra carbon consta in:

- Reducerea aportului sectiunii de lemn din punct de vedere al rigiditatii, in functie de gradul de degradare al grinzii de lemn.

- Luarea in considerare a aportului fibrei carbon.

In aceasta etapa de cercetare, tinand seama de gradul diferit de degradare al sectiunilor de lemn la elementele GS6 si GS7, in cazul elementelor reabilitate corespunzatoare GSC6, respectiv GSC7 s-a luat rigiditatea diminuata a grinzii de lemn prin considerarea activa doar a unei parti din sectiunea initiala a acesteia, astfel:

- la grinda GS6, la care din observatii vizuale rezulta o degradare mai ponderata a sectiunii de lemn: ;

- la grinda GS7, la care s-au constatat desprinderi ale lamelelor de lemn in proportie mare: .

In acest mod se reduc corespunzator momentele de inertie ale grinzilor de lemn, deci implicit rigiditatea acestora.

In consecinta, se adapteaza metodologia de calcul prezentata prin exemplul din cap. 4, luand in considerare aspectele mentionate si notatiile din Fig.5.5.

Caracteristicile lemnului, betonului si ale armaturii placii sunt cele prezentate la pct. 4.1. Pentru fibra carbon se considera modulul de elasticitate: E_cf= 230000 N/mm².

Caracteristicile sectiunilor transversale ale elementelor componente (grinzi de lemn, placa de beton) se pastreaza de la elementele initiale; pentru fibra carbon se considera:

- momentul de inertie cm⁴

- aria sectiunii transversale a tesaturii cm².

Fig. 5.5 Caracteristicile sectiunii transversale de calcul

Incarcarile si solicitarile sunt cele date la pct. 4.3

Calculul la starea limita de rezistenta

La calculul elementelor reabilitate se ia in considerare comportarea diferita a lemnului, betonului si a elementelor de legatura sub sarcini de lunga durata, in timp ce fibra carbon nu-si modifica proprietatile de deformabilitate in timp. Fenomenele de contractie si curgere lenta se deosebesc la lemn si beton in functie de conditiile climatice [2], [17]. De aceea, eforturile normale si tangentiale trebuie verificate atat in faza initiala t₀ (fara influenta curgerii lente), cat si pentru timpul t_i (cu influenta curgerii lente). Pentru calculul la timpul t_i modulul de elasticitate al fibrei carbon se considera nemodificat [13].

a). Faza initiala t₀ (fara curgere lenta)

Caracteristicile sectiunii compuse (notatii conform Fig. 5.8)

- momentul de inertie al sectiunii compuse reabilitate se calculeaza pentru o sectiune echivalenta din lemn, astfel :

unde: I_b, n, g, A_b, a₁, a₂ - sunt date la pct. 4.4.a

- aria sectiunii transversale de lemn active:

- pentru GSC 6 se considera :

- pentru GSC 7 se considera :

- momentul de inertie al sectiunii active de lemn:

- pentru GSC 6 rezulta:

- pentru GSC 7 rezulta :

a₃ - distanta de la centrul de greutate al fibrei carbon la centrul de greutate al sectiunii reabilitate

b). Faza t_i (curgere lenta)

Fibra carbon nemodificandu-si proprietatile de deformabilitate (nu s-a constatat sa aiba curgere lenta / fluaj [13] ) calculul corespunzator acestei faze corespunde celui de la pct. 4.4.b.

In urma calculelor efectuate a rezultat o distanta intre elementele de legatura e'=9,8 cm, fata de distanta initiala e'=9cm, ceea ce inseamna ca distanta dintre suruburi a fost apreciata corespunzator.

Valorile eforturilor unitare normale si tangentiale, calculate cu sunt prezentate in Tabelul 5.2.

Tabelul 5.2

Verificarea la starea limita de exploatare

a). Faza initiala t₀

E_b = 27000 N/mm²; E_l=11300 N/mm²; E_cf=230000 N/mm²; n=2.39; n_cf=20.35

G_0,expl,0 = 16758 N/mm (valoarea modulului de rigiditate a conlucrarii s-a apreciat in conformitate cu [7] deoarece, pana in prezent, nu se dispune de rezultate proprii privind considerarea modulului de rigiditate a conlucrarii la exploatare).

- pentru elementul GSC6:

- pentru elementul GSC7:

b). Faza t_i

E_b,t = 12343 N/mm²; E_lt=5650 N/mm²; E_cf=230000 N; n=2.18; n_cf=40.71   

N/mm

- pentru elementul GSC6:

- pentru elementul GSC7:

Calculul sagetii se face cu relatia cunoscuta pentru grinda simplu rezemata incarcata cu o sarcina uniform distribuita (vezi cap. 4, rel. 12).

Valorile teoretice si cele experimentale sunt date in Tabelul 5.3.

Tabelul 5.3

Din tabel rezulta urmatoarele aspecte:

- La valoarea teoretica a fortei de exploatare P_teor=17.14 kN, valorile corespunzatoare ale fortelor experimentale au rezultat mai mari. Crestere mai substantiala s-a obtinut la elementul GSC7. Pe de alta parte, se constata ca modelul teoretic adaptat (atat pentru elementele initiale cat si pentru cele reabilitate) este corespunzator.

- Sagetile experimentale au rezultat de asemenea comparabile ce cele calculate pe baza teoriei propuse. In cazul elementului GSC 6 rezultatele sunt foarte bune, in timp ce pentru elementul GSC 7 au rezultat deformatii experimentale mult mai mari, explicabile probabil atat prin degradarea mai accentuata a legaturii dintre lamelele de lemn, cat si prin lunecarile mai pronuntate dintre placa de beton si grinda de lemn (Fig. 5.7).

- Modelul teoretic propus pentru calculul deformatiilor elementelor reabilitate, constand in diminuarea rigiditatii grinzii de lemn in concordanta cu degradarile observate ( pentru GSC6, respectiv pentru GSC7), poate fi considerat corespunzator.

5.6. Concluzii

Planseele compuse lemn - beton, asemenea altor elemente structurale, sunt supuse deteriorarii in timp, prin degradarea unora dintre grinzile de lemn.

In cazul unor degradari mici ale grinzilor de lemn (fisuri, dezlipiri partiale ale lamelelor la grinzile lamelare incleiate), se procedeaza la repararea locala a defectelor prin injectari de rasini epoxidice.

In cazul unor degradari mai accentuate, care afecteaza integritatea sectiunii active a lemnului, grinzile de lemn se pot reabilita prin utilizarea unor materiale performante, cum ar fi tesaturi din fibra de sticla sau fibra carbon. (In cadrul prezentului studiu s-a ales, pentru reabilitarea grinzilor de lemn, tesatura Sika Wrap Hex 230-C, produsa de firma Sika).

Tesatura de fibra carbon se aplica prin lipire pe fata intinsa a grinzilor de lemn. In vederea obtinerii unor performante superioare ale reabilitarii, se recomanda repararea prealabila locala a unora dintre defecte (injectarea cu rasini epoxidice a rosturilor dintre lamelele de lemn dezlipite, sau a imbinarilor dinti-pana din lamelele extreme intinse).

Calculul elementelor compuse lemn - beton reabilitate cu tesatura de fibra carbon consta in:

- Reducerea aportului sectiunii de lemn din punct de vedere al rigiditatii, in functie de gradul de degradare al grinzii de lemn. In functie de deteriorarea mai slaba sau mai pronuntata a grinzii de lemn (pe baza unor constatari vizuale), se apreciaza aria activa de lemn a elementului compus reabilitat, prin reducerea inaltimii grinzii de lemn (de ex. in cazul elementelor experimentale studiate, la GSC6 inaltimea sectiunii de lemn s-a considerat 0.5 din cea initiala, iar la GSC7, aceasta s-a luat doar 0.2 din inaltimea initiala).

- Luarea in considerare a aportului fibrei carbon in comportarea elementului compus. In acest sens s-a adaptat metodologia de calcul preluata din normele germane [8], luand in considerare un moment de inertie compus, care tine seama si de aportul fibrei carbon.

Prin reabilitare cu tesatura de fibra carbon, elementele compuse degradate isi refac, sau chiar depasesc capacitatea portanta initiala cu cca 10%. Deformabilitatea elementelor reabilitate este insa mai mare decat a celor initiale.

In vederea elucidarii problemei reabilitarii cu fibra carbon a planseelor compuse lemn - beton, se impune continuarea studiilor si cercetarilor experimentale.

B I B L I O G R A F I E

1. BOB LIANA - Contributii privind utilizarea elementelor compuse pentru realizarea structurilor de rezistenta. Teza de doctorat, Timisoara 1999.
2. BOB LIANA, GRUIN A. - Recomandari privind calculul si alcatuirea planseelor compuse lemn - beton . Zilele Academice Timisene, Timisoara 2001.
3. Küng, R -Leichtbeton in Verbund mit Holz - eine Sanierungsmethode zur Verstärkung alter Holzdecken. "Zement und Beton", Heft 1, 1988.
4. Linden, van der M.L.R. - Timber - Concrete Composite floor systems. A calculation model. TNO Building and Construction Research,
5. Meierhofer, U -Untersuchungen und Entwichlungen zum Mechanischen Verbund von Holz und Beton. "Schweizer Ingenieur und Architekt", Nr. 37, 8 September 1994.
6. Natterer, I,Hoeft, M -Holz - Beton - Verbunddechen mit Hilti -verbundankern Primarschule Triesenberg (Liechtenstein), 1987.
7. Scheiflinger G -Deckenkonstruktionen aus Holz und Holzwerkstoffen, Diplomarbeit, T.U.Graz, 1995.
8. DIN 1052, Teil 1 u. 2 - "Holzbauwerke"
9. Eurocode 5 : "Bemessung und Konstruktion von Holzbauteilen - allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau".
10. NP 005-96 : "Cod pentru calculul si alcatuirea elementelor de constructii din lemn"
11. STAS 10107/0-90 "Calculul si alcatuirea elementelor structurale din beton, beton armat si beton precomprimat"
12. NE 012-99 "Cod de practica pentru executarea lucrarilor din beton, beton armat si beton precomprimat"
13. FRP    "Design and use of externally bonded fibre reinforced polymer reinforcement (FRP EBR) for reinforced concrete structures". Technical Report; FIB CEB - FIP    Bulletin 14; July 2001.
14. * * Solutii noi de proiectare privind structurile compuse, studiul imperfectiunilor structurilor metalice si tehnologii eficiente de constructii. Cercetari de laborator privind conlucrarea lemn-beton. Contract INCERC -Timisoara 9/1996, faza A.115.2 ; noiembrie 1997.
15. * * Cercetari experimentale privind comportarea planseelor compuse lemn-beton. Contract INCERC-Timisoara 9/1996, faza A.127.1, aprilie 1998.
16. * * Comportarea planseelor compuse lemn - beton sub incarcari de lunga durata. Contract INCERC - Timisoara 9/1996, faza A.16.1; octombrie 1999.

* * * Elaborarea unor metodologii perfectionate de evaluare a starii constructiilor in vederea precizarii solutiilor de reabilitare si a modului de intretinere a constructiilor. Comportarea planseelor compuse lemn-beton sub incarcari de lunga durata. Contract INCERC 9/1996, faza A.16.1, octombrie 1999.

* * * Expertizarea si reproiectarea constructiilor cu plansee din bolti de caramida si/sau din lemn. Contract INCERC 9/96, faza A.8.2, iunie 2000.

* * * Studiu de sinteza asupra cercetarilor efectuate pana in prezent asupra planseelor compuse lemn - beton. Grant Program A, cod CNCSIS 1397, Faza 1.1; septembrie 2002.

20. * * * Studii si cercetari experimentale pe epruvete asupra conlucrarii lemn - beton. Grant Program A, cod CNCSIS 1397, Faza 1.2; octombrie 2002.
21. * * * Comportarea planseelor compuse lemn - beton sub sarcini de lunga durata. Grant Program A, cod CNCSIS 725, Faza 2.1; octombrie 2003.
22. * * * Fisa Tehnica Sika Wrap Hex 230-C / Sikadur - 330; Editia 1, 2003.