Numerical Modelling of Duolam Timber Elements Strengthened with GFRP Laminates

Abstract

V rámci sanace konstrukcí jestvujících dřevěných stropů a střech je vhodné uvážit možnost aplikace tradičních ale také moderních stavebních materiálů a technologii. Primárním problémem, který ovlivňuje chování historických dřevěných konstrukcí, je degradace materiálových vlastností dřeva a jiných stavebních materiálů a také pokles ohybové a rovinné tuhostí těchto konstrukcí. V úvodu studie dřevěných prvků vyztužených polymerními vlákny, uvedené v této práci, je představena analýza experimentálních dat Basterra et al. (2012-2015) a následná kalibrace a validace numerických simulací. Jestvuje několik studií zabývajících se dřevěnými konstrukcemi z hlediska vyztužení polymerními vlákny, v současnosti je ovšem stále nedostatek dostupných dat z laboratorních zkoušek a numerických simulací zabývajících se analýzou laminátových dřevěných prvků vyztužených polymerními vlákny, co znemožňuje vyhodnocení jejich mechanické odolnost a také chování při vystavení účinkům požárního zatížení. Konstrukční prvek je zhotoven slepením dvou dřevěných prvků a tvoří tzv. "duobeam" (duolam), přičemž uprostřed je vrstva polymerních vláken. Variace rozměrů průřezu a materiálu průřezu, lněné nebo uhlíkové vlákna, byly testovány a nakonec bylo analyzováno také vyztužení sklenými vlákny. V rámci této práce byl vytvořen prostorový model na báze metody konečných prvků v programu ANSYS Workbench v.17. V modelu byly použity materiálové charakteristiky z experimentálních zkoušek a relevantní literatury. Byly analyzovány tři dřeviny, dvě z nich s uvážením anizotropního chování (topol - Poplar Populus x Euroamericana a borovice - Pine Pinaster) a jedna s uvážením izotropního chování - v tomto případě se jedná o průmyslově zhotovený materiál, deska MDF. Výsledky získané z analytické a numerické analýzy (s uvážením lineárně pružného chování) do velké míry odpovídaly výsledkům získaných experimentálně. V případě MDF desek byly rozdíly méně než 2%. V případě uvážení anizotropního chování materiálu, topol a borovice, byly rozdíly mezi numerickou simulací a experimentem v rozmezí 0.38% až 17.41%. Následně, po kalibraci výpočetních modelů, bylo navrženo několik variant rozmístění ztužující vrstvy z polymerních vláken v průřezu "duolam" prvku tak, aby se maximálně zvýšila jeho mechanická odolnost a ohybová tuhost, s ohledem na způsob aplikace, konstrukční chování a také cenu. Takzvaný "triobeam" (trilam) vyztužený skelnými vlákny vykazoval příznivé výsledky. Mechanická odolnost a ohybová tuhost prvku z průřezu po redukci rozměru vrstvy ztužujících sklených vláken na třetinu rozměru průřezu vykazuje téměř stejné výsledky jako bez redukce, přičemž se jedná výraznou redukci ceny potřebné na realizaci takového prvku. Závěrem práce byly analyzovány účinky teplotního (požárního) zatížení na vybrané konstrukční prvky. Byly porovnány výsledky výpočtu reziduálního průřezu podle Eurokodu 5 a numerických simulacích pro prvky vystavené účinkům požáru podle požární křivky ISO-834.

The rehabilitation of existing timber floors and roofs should take into account the possibility to use both traditional and more modern materials and techniques. The main problems affecting the structural behaviour of historic timber structures are due to the inadequate mechanical properties of the existing materials and to the lack of bending and in-plane stiffness. The study of timber elements strengthened with Fiber Reinforced Polymers in this thesis dissertation starts with the aim of calibrating and validating the numerical modelling with the experimental data given by Basterra et al. (2012-2015). While there are several studies related to timber structures reinforced with FRP available, experimental test and numerical analysis of duolam reinforced with FRP are not sufficiently carried out to evaluate its load bearing capacity and its behaviour under fire loading. The construction element is built with two glue timber elements as a duo beam (duolam) and a FRP in the middle of both. Different cross section dimensions and different reinforced materials, as flax or carbon, have been tested before, up to the point to do the analysis with glass FRP. The 3D finite element model is done in ANSYS Workbench v.17 and is defined with the material properties given by the experimental tests and literature. It has been carried out an analysis of three types of timber, two with anisotropic behaviour (Poplar Populous x euramericana and Pine Pinaster) and one isotropic which is an industrialized material, Medium Density Fiberboard. The numerical and analytical results obtained have been quiet accurate in comparison with the experimental data based on the linear elastic behaviour. In the case of MDF, percentages lower than 2% of difference have been achieved. On the other hand, in the anisotropic wood, poplar and pine, percentages from 0.38% to 17.41% of difference between the numerical and experimental data have been reached. Once calibration and validation of the model is reached, new designs have been proposed with the goal of improving the load bearing capacity and flexural stiffness. The system is looking for the best solution in terms of structural behaviour, way of application and cost. In this way, the trio beam (trilam) reinforced with GFRP has the better results. Furthermore, a reduction of the GFRP laminate up to the 1/3 of the cross section reduce the cost while it keeps similar mechanical properties. Finally, a study of the elements under fire conditions has been evaluated. A comparison between the reduced cross section proposed by the Eurocode 5 and the numerical modelling following the ISO-834 fire curve exposure is presented and discussed.