Wzmocnienie belek drewnianych na zginanie i ścinanie z wykorzystaniem sprężonych prętów stalowych i kompozytowych – badania doświadczalne i numeryczne

• Autorzy: Wdowiak-Postulak, Agnieszka , Świt, Grzegorz , Krampikowska, Aleksandra , Zapała-Sławeta, Justyna , Grzmil, Wioletta , Koteš, Peter , Gocál, Jozef , Bahleda, Frantisek , Prokop, Jozef

Warianty tytułu

EN

Bending and shear strengthening of timber beams using prestressed steel and composite bars – experimental and numerical studies

• Konferencja: XXIII Konferencja Naukowo-Techniczna KONTRA 2024 „Trwałość budowli i ochrona przed korozją”, 9-11 października 2024 r., Cedzyna
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule opisano program badań doświadczalnych i numerycznych mający na celu określenie właściwości mechanicznych belek z drewna klejonego warstwowo (BSH) oraz z forniru klejonego warstwowo (LVL), wzmocnionych wstępnie naprężonymi prętami z włókien bazaltowych, szklanych, naturalnych i stalowych, mat bazaltowych z rowingiem i przędzą kompozytową, polietylenową oraz naturalną. W pracy zaprezentowano różne rodzaje wzmocnień, których celem było uzyskanie wyższej nośności i sztywności przy zginaniu ze ścinaniem niż belek niewzmocnionych. Porównano skuteczność różnych schematów wzmocnienia dla siedemnastu belek poddanych badaniom doświadczalnym na stanowisku badawczym, opisano sposoby zniszczenia, a także właściwości mechaniczne, odkształcenia i ugięcia belek zbrojonych i niezbrojonych pod obciążeniem wielokrotnie zmiennym oraz długotrwałym. Na podstawie badań doświadczalnych potwierdzono znaczący wzrost nośności i sztywności belek wzmocnionych poddanych równoczesnemu zginaniu i ścinaniu oraz wskazano, że wzmocnienia poprzez wstępnie naprężone pręty (stalowe, ze zbrojeniem polimerowym lub włóknami naturalnymi) i maty kompozytowe niwelowały lokalne wady i nieciągłości drewna, bez wpływu na jakość i wytrzymałość połączenia FRP–drewno. Wyniki numeryczne analizy modeli belek metodą elementów skończonych wykazały zgodność z badaniami doświadczalnymi pod względem ugięć, odkształceń liniowych i kątowych dla belek wzmocnionych oraz niewzmocnionych.

EN

The paper describes a program of experimental and numerical tests aimed at determining the mechanical properties of beams made of laminated timber (BSH) and laminated veneer lumber (LVL) reinforced with pre-stressed bars made of basalt, glass, natural and steel fibers, basalt mats with roving and composite, polyethylene and natural yarn. The paper presents various types of reinforcements, the purpose of which was to obtain higher load-bearing capacity and stiffness in bending with shear than for unreinforced beams. The effectiveness of different reinforcement schemes was compared for seventeen beams subjected to experimental tests on a test stand, the modes of destruction were described, as well as mechanical properties, deformations and deflections for reinforced and unreinforced beams under multiply variable and long-term loading. Based on the experimental studies, a significant increase in the load-bearing capacity and stiffness of the reinforced beams subjected to simultaneous bending and shear was confirmed, and it was indicated that the reinforcements by pre-stressed bars (steel, with polymer reinforcement or natural fibers) and composite mats eliminated local defects and discontinuities in the wood, without affecting the quality and strength of the FRP-wood connection. The numerical results of the analysis of the beam models using the finite element method showed compliance with the experimental studies in terms of deflections, linear and angular strains for the reinforced and unreinforced beams.

• Czasopismo: Inżynieria i Budownictwo
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 80, nr 6
• Strony: 446--452
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Wdowiak-Postulak, Agnieszka

• Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury

autor

Świt, Grzegorz

• Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury

autor

Krampikowska, Aleksandra

• Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury

autor

Zapała-Sławeta, Justyna

• Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury

autor

Grzmil, Wioletta

• Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Architektury

autor

Koteš, Peter

• University of Žilina, Department of Structures and Bridges, Faculty of Civil Engineering

autor

Gocál, Jozef

• University of Žilina, Department of Structures and Bridges, Faculty of Civil Engineering

autor

Bahleda, Frantisek

• University of Žilina, Department of Structures and Bridges, Faculty of Civil Engineering

autor

Prokop, Jozef

• University of Žilina, Department of Structures and Bridges, Faculty of Civil Engineering

Bibliografia

• [1] Hosseini R., Valipour H.R.: Timber-Encased-Steel Beams Laboratory Experimentation and Analytical Modeling, Journal of Structural Engineering, Vol. 150, Issue 7, https://doi.org/10.1061/JSENDH.STENG-12898.
• [2] Mei L., et al.: Analytical model for prestressed glulam beams reinforced with unbonded steel bars, Engineering Structures Volume, 307, 15 May 2024, 117862.
• [3] J. Zhang, et al: Short-Term flexural behavior of prestressed glulam beams reinforced with curved tendons, J Struct Eng, 146 (2020), Article 04020086, 10.1061/(asce)st.1943-541x.0002625.
• [4] Dias A., Schänzlin J., Dietsch P.: 2018. Design of timber-concrete composite structures: A state-of-the-art report by COST Action FP1402/WG 4, Aachen, Germany: Shaker.
• [5] Moritani F.Y., Martins C.E.J., Dias A.M.P.G.: 2021, A literature review on cold-formed steel-timber composite structures, BioResources 16(4): 8489-8508, https://doi.org/10.15376/biores.16.4.8489-8508.
• [6] Franke S., Franke B., Harte A.M.: 2015, Failure modes and reinforcement techniques for timber beams-State of the art., Constr. Build. Mater., 97 (Oct): 2-13, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.06.021.
• [7] Wanninger F., Frangi A.: 2016, Experimental and analytical analysis of a post-tensioned timber frame under horizontal loads, Eng. Struct., 113 (Apr): 16-25, https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.01.029.
• [8] Raftery G.M., Whelan C.: 2014, Low-grade glued laminated timber beams reinforced using improved arrangements of bonded-in GFRP rods, Constr. Build. Mater., 52 (Feb), 209-220, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.11.044.
• [9] Wdowiak-Postulak A., Bahleda F., Prokop J.: An Experimental and Numerical Analysis of Glued Laminated Beams Strengthened by Pre-Stressed Basalt Fibre-Reinforced Polymer Bars, Materials, 2023, 16(7), 2776, https://doi.org/10.3390/ma16072776.
• [10] Wdowiak-Postulak A., et al.: Load and Deformation Analysis in Experimental and Numerical Studies of Full-Size Wooden Beams Reinforced with Prestressed FRP and Steel Bars, Appl. Sci. 2023, 13(24), 13178, https://doi.org/10.3390/app132413178.
• [11] Wdowiak-Postulak A., Świt G., Dziedzic-Jagocka I.: Application of Composite Bars in Wooden, Full-Scale, Innovative Engineering Products - Experimental and Numerical Study, Materials, 2024, 17(3), 730, https://doi.org/10.3390/ma17030730.
• [12] Wdowiak-Postulak A., et al.: Fibre-Reinforced Polymers and Steel for the Reinforcement of Wooden Elements - Experimental and Numerical Analysis, Polymers 2023, 15(9), 2062, 1-13, https://doi.org/10.3390/polym 15092062.
• [13] Wdowiak-Postulak A.: Basalt Fibre Reinforcement of Bent Heterogeneous Glued Laminated Beams, Materials, 14, 51, https://doi.org/10.3390/ma1401 0051.
• [14] Wdowiak-Postulak A.: Numerical, theoretical and experimental models of the static performance of timber beams reinforced with steel, basalt and glass pre-stressed bars, Composite Structures 305(2023),116479, https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116479.
• [15] Wdowiak-Postulak A., Świt G., Krampikowska A.: Prefabricated system for strengthening full-size wooden girders using pre-stressed fiber-reinforced polymers and steel - bending shear tests, Engineering Mechanics 2024.
• [16] PN-D-94021:2013-10 Tarcica konstrukcyjna iglasta sortowana metodami wytrzymałościowymi.
• [17] PN-EN 14080:2013-07 Konstrukcje drewniane - Drewno klejone warstwowo i drewno lite klejone warstwowo - Wymagania.
• [18] PN-EN 13183-1:2004 Wilgotność sztuki tarcicy - Część 1: Oznaczenie wilgotności metodą suszarkowo-wagową.
• [19] PN-EN 408+A 1:2012 Konstrukcje drewniane - Drewno konstrukcyjne lite i klejone warstwowo - Oznaczanie niektórych właściwości fizycznych i mechanicznych.

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0054.7486