Przykłady wzmacniania konstrukcji drewnianych

Wzmocnienie lub wzmocnienie w znaczeniu technicznym to czynność lub element zwiększający wytrzymałość struktury. Dla wielu z nas pierwsze skojarzenie obejmujące wzmacnianie konstrukcji drewnianych dotyczyć będzie naprawy stropu, więźby dachowej albo schodów. W obiektach zabytkowych głównym celem takiego zabiegu jest zazwyczaj zachowanie dotychczasowej substancji. W pozostałych konstrukcjach możemy pozwolić sobie na wymianę elementu lub wprowadzenie innych materiałów. Drewno mimo swojej stałości jako surowiec (bo przecież nie zmieniło się ono od tysięcy lat) wraz z postępem myśli technicznej pozwala konstruować wzmocnienia w nowoczesny sposób (wprowadzamy coraz nowsze łączniki, materiały drewnopochodne czy kompozyty). O naprawach i wzmocnieniach konstrukcji drewnianych przygotowano wiele opracowań. Wśród aktualnych spełniających realia obecnego rynku można wymienić [3] i [4].

Jednak rozpoczynając jakiekolwiek działania z konstrukcjami drewnianymi, a z zabytkowymi przede wszystkim, należy mieć na uwadze naturę tego materiału i w pierwszej kolejności zapoznać się z warunkami środowiskowymi, w jakich ta konstrukcja pracuje, oraz jakie działania w danej sytuacji są możliwe. Na rynku wydawniczym jest przydatna literatura poświęcona wiedzy o drewnie, np. [5], [6].

Fot. 1 Porażenie/uszkodzenie drewna przez drobnoustroje i techniczne szkodnika drewna (źródło własne)

Przyczyny stosowania wzmocnień konstrukcji drewnianych

Powodów stosowania wzmocnień podczas naprawy istniejących konstrukcji budowlanych jest stosunkowo dużo, ale dla konstrukcji drewnianych do najczęstszych można zaliczyć:

– naturalną destrukcję drewna spowodowaną rozkładem biologicznym źle lub słabo zabezpieczonej konstrukcji poddanej ekspozycji na środowisko sprzyjające rozwojowi drobnoustrojów i technicznych szkodników drewna (fot. 1),

– lokalne wady drewna lub elementu na bazie drewna w strefie zwiększonych naprężeń,

– błędy powstałe na etapie projektowania lub realizacji,

– zmiany układów statycznych wynikające z awarii współzależnych ustrojów obiektu budowlanego lub wskutek błędów wykonawczych,

– zmiany sposobów użytkowania zazwyczaj pociągające za sobą zwiększenie obciążenia,

– uszkodzenia mechaniczne powstałe w wyniku transportu lub montażu,

– potrzebę podniesienia bezpieczeństwa użytkowników,

– potrzebę redukcji ugięć wynikających z długotrwałego obciążenia konstrukcji (efekt pełzania),

– potrzebę ustabilizowania pęknięć sufitów wrażliwych na ugięcie (umożliwienie dalszych napraw estetycznych).

Cechy drewna i sytuacje, z powodu których najczęściej występuje potrzeba wzmocnienia oraz dla których dedykowane są odpowiednie zabiegi, to:

– anizotropia właściwości mechanicznych drewna,

– losowość jakościowa i ilościowa wad w budowie drewna,

– zależność właściwości mechanicznych drewna od zmieniającej się wilgotności,

– podatność na korozję biologiczną w niesprzyjającym środowisku,

– niedostosowanie istniejącej konstrukcji do planowanego użytkowania.

Fot. 2 Widoczne początkowe oznaki korozji biologicznej strefy podporowej łuku z drewna
klejonego i zniszczone biologicznie oparcie belki na murze (źródło własne)

Wszystkie czynności rozpatrywane przy wzmocnieniu wydają się na pierwszy rzut oka proste do zastosowania, jednak jak to bywa w życiu inżyniera – pojawiają się na ogół pewne przeciwności, które komplikują podejście, niekiedy eliminują dużą część metod wzmacniania. Przykładów można podać wiele, najczęściej występujące to:

– ograniczenia wynikające z przepisów (warunków technicznych), określających parametry, takie jak odporność ogniowa czy też wysokości w świetle między istotnymi
elementami, np. odległość pomiędzy posadzką a stropem,

– ograniczenia wynikające z parametrów budynku – ograniczenia wykonawcze (niskie poddasza, trudności z fizycznym wprowadzeniem i montażem),

– zachowanie sposobu użytkowania pomieszczenia, gdzie planowane jest wzmocnienie,

– znaczne ograniczenia wobec ingerencji w konstrukcje obiektów zabytkowych,

– estetyka stosowanych rozwiązań,

– budżet inwestora.

Tab. 1 Zestawienie wielkości przekrojów drewna litego i materiałów drewnopochodnych o porównywalnych właściwościach mechanicznych [1]

Materiały stosowane przy wzmacnianiu konstrukcji drewnianych

Drewno i materiały drewnopochodne

Drewno jest wspaniałym materiałem budowlanym o najbardziej zaawansowanej technologii świata. „Maszyneria”, której paliwem jest CO₂, w procesach fotosyntezy realizuje „produkt”, który kumuluje (przetwarza) ten związek, w zamian dostarczając do otoczenia życiodajny tlen. Patent do tej technologii należy do matki natury. Natura stworzyła drewno jako produkt, który ma stawiać czoło wyzwaniom przez nią generowanym, jednak człowiek, sięgając po drewno, bardzo często wykorzystuje je w odmienny sposób i niejednokrotnie na swoje potrzeby musi je udoskonalać. Wzmacniamy więc jego strukturę przez usuwanie lokalnych wad i klejenie, wprowadzając kleje, kompozyty i łączniki. Pozyskane w lesie drewno możemy wykorzystać jako lite drewno konstrukcyjne, np. klasy C24, możemy również użyć go do produkcji drewna klejonego GL, CLT, LVL itp. Można też zastosować różne gatunki drzew. W ostatnich latach podstawowym surowcem konstrukcyjnym były głównie gatunki drzew iglastych (świerk, sosna, modrzew i jodła), obecnie powracają gatunki drzew liściastych, takich jak dąb czy buk. Jak wiele można uzyskać dzięki zabiegom przetwarzania i przemyślanej selekcji, pokazuje zestawienie przygotowane przez producentów elementów klejonych z drewna bukowego – tab. 1 [1]. W zakresie wzmacniania, w zależności od charakteru obiektu, stosujemy więc drewno i materiały drewnopochodne, wykonując z nich elementy wsporcze (fot. 2) oraz nakładki i protezy (tab. 2).

Fot. 3 Użycie drewna litego do zabezpieczenia konstrukcji (źródło własne)

Stal – blachy, łączniki i kształtowniki

Tak jak współczesne konstrukcje drewniane nie obejdą się bez elementów stalowych, tak wzmocnienia również wykorzystują powszechnie stal w tym celu. Wzmacnianie za pomocą elementów stalowych można podzielić na dwie grupy. Pierwsza grupa pełni najczęściej funkcję łączników (głównie są to łączniki sworzniowe i pierścienie), druga stanowi konstrukcyjne elementy uzupełniające (czasem przejmujące całkowicie funkcję nośną) w postaci prętów stalowych i kształtowników. Stosujemy też blachy w postaci wkładek, chociaż dziś nieco rzadziej. W wielu przypadkach elementy stalowe stanowią konstrukcję wsporczą zmieniającą schemat statyczny w celu odciążenia drewnianych elementów konstrukcji.

Tab. 2 Stosowane od dawna przykładowe sposoby wzmocnienia przez materiały na bazie drewna [7]

Kleje, kompozyty i maty na bazie żywic

Wraz z rozwojem klejów i kompozytów stworzono grupę nowych rozwiązań, mniej widocznych. Jedną z popularnych technik wzmacniania elementów drewnianych przy użyciu połączeń klejowych, umożliwiającą zachowanie pierwotnych ich wymiarów i wartości historycznych, szczególnie przydatną w konserwacji, jest wklejanie w frezowane w drewnie kieszenie blach stalowych (lub taśm CFRP] (4). Analogicznego wzmocnienia można dokonać za pomocą prętów stalowych. W wielu współczesnych rozwiązaniach stosuje się też maty wzmocnione kompozytem na bazie żywic. Obszerny przegląd literatury w zakresie wzmacniania drewnianych belek zginanych wzmacnianych przy użyciu kompozycji epoksydowych, blach stalowych, prętów GR, taśm CFRP i AFRP znajduje się w [4] oraz [8].

Fot. 4 Stalowe konstrukcje wsporcze przejmujące/wspomagające pracę elementów drewnianych (źródło własne)

Beton

Drewno nie przepada za kontaktem z betonem, gdyż w strefie wzajemnego ich kontaktu dochodzi do wykraplania pary wodnej i stworzenia dobrych warunków korozji biologicznej, jednak beton stał się dziś dobrym sposobem wzmacniania tradycyjnych stropów belkowych konstrukcjami żelbetowymi w postaci płyty. Żelbetowa monolityczna płyta pracuje w strefie ściskanej, a jej zespolenie z elementami drewnianymi następuje przy współpracy ze stalowymi łącznikami zarówno przy wzmacnianiu istniejących konstrukcji prętowych, jak i we współczesnych płytach klejonych, np. CLT (Cross Laminated Timber), X-lam, KLH czy w nowym produkcie TCC.

W starych obiektach o konstrukcji mieszanej wzmocnienie stropu płytą żelbetową może być dodatkowo wykorzystane do usztywnienia ścian zazwyczaj pozbawionych wieńców.

Cechy drewna powodujące wzmocnienia

Właściwości mechaniczne

Drewno jako materiał anizotropowy charakteryzuje się właściwościami, których znaczenie „odczuwamy” w różnych okolicznościach. Analizując ustroje prętowe i płytowe, zauważamy, że wraz ze zmianą proporcji obciążenia podlegają różniącej się zakresem analizie. Dla tradycyjnych belek stropowych głównym problemem będzie zginanie. Jednak zwiększając rozpiętość, proporcje przekroju i obciążenie, poszerzamy analizę o docisk w strefie podporowej czy możliwość utraty płaskiej postaci zginania. Z tego też względu wzmocnienia konstrukcji drewnianych możemy grupować/porządkować wokół różnych rozwiązań elementu, przekraczanych stanów naprężeń i metodologii wzmocnień. Ze względu na ograniczony zakres opracowania w dalszej części zostały poruszone dwa kierunki takiej systematyki obecnej w bieżących publikacjach.

Wzmocnienie najsłabszej cechy drewna – f_t,90

Wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien (f_t,90) to najsłabsza z cech wytrzymałościowych drewna. Dla drewna litego wartość charakterystyczna tej wytrzymałości wynosi zaledwie 0,4 MPa. Nasi przodkowie cechę tę omijali dużym łukiem, wymyślając chomąto dla połączenia wieszaka z tramem. Jednak wraz z rozwojem konstrukcji klejonych dużych rozpiętości problem stał się istotny i niepomijalny. Opracowano więc dla tych belek rozwiązania newralgicznych punktów, w których istotnym powodem przekroczenia naprężeń jest niska wytrzymałość drewna na rozciąganie prostopadle do włókien, a są to:

– strefa przypodporowa belki podciętej,

– strefa kalenicowa dźwigarów dwutrapezowych i bumerang,

– strefa koncentracji naprężeń wokół otworów.

W wielu przypadkach wzmocnienie tych stref następuje już na etapie projektowania przez zastosowanie grupy łączników sworzniowych (zazwyczaj wkrętów) lub stosując maty zbrojone włóknami, np. CFRP.

Wzmocnienie strefy podparcia ze względu na f_c,90

W strefie podparcia dla konstrukcji dużych rozpiętości istnieje również prawdopodobieństwo przekroczenia naprężeń na ściskanie w poprzek włókien, dlatego przy wąskich podporach stosuje się wzmocnienie tej strefy za pomocą łączników sworzniowych. Jedno z takich rozwiązań objętych europejską aprobatą techniczną (ETA 12/0062) zostało pokazane na rysunku.

Łączniki tej grupy (SFS-WR) znajdują również zastosowanie przy wzmacnianiu strefy mocowania złączy przy krawędzi rozciąganej lub przy zwiększaniu wysokości belki pracującej na zginanie (pozostałe rozwiązania są analogiczne do omówionych).

Rys. Jedno z proponowanych wzmocnień wkrętami SFS-WR objętych europejską aprobatą ETA 12/0062 [7]

Wzmocnienia żywicami i taśmami FRP

Wzmocnienia należące do tej grupy to właściwie tworzenie w oparciu o drewno kompozytów wzmocnionych polimerami FRP (ang. Fibre Reinforced Polymers – polimery wzmocnione włóknami). Wprowadzenie w strukturę drewna masy/taśmy FRP znacznie poprawia właściwości mechaniczne takiego kompozytu, dając szansę zmniejszenia przekrojów elementów lub obniżenia kosztów, stosując drewno o niższych klasach lub innego gatunku. Główne zalety wzmocnień kompozytami FRP w elementach drewnianych to:

– zwiększenie właściwości mechanicznych,

– zmniejszenie przekrojów elementów drewnianych, a tym samym zmniejszenie ciężaru, co zapewnia łatwiejszą obsługę,

– możliwość użycia drewna niższej klasy,

– zmniejszenie całkowitego kosztu w porównaniu z tradycyjnymi materiałami,

– bardzo dobry stosunek gabarytu wzmocnienia do osiągów wytrzymałościowych,

– znaczna różnica w module Younga między kompozytem FRP a drewnem prowadzi do odprężenia zginanego przekroju drewnianego,

– zwiększona odporność na korozję biologiczną i wpływy atmosferyczne,

– dobry wypełniacz szczelin i pęknięć w elemencie poddanym wzmacnianiu.

Są jednak i wady. Do nich należą m.in.:

– szybka utrata nośności wzmocnienia w warunkach pożarowych,

– konieczność bardzo starannego przygotowania powierzchni pod naklejanie taśm (bezwzględne uzyskanie wysokiej przyczepności między taśmą/lamelą a powierzchnią elementu oraz spójność włókien),

– konieczność zapewnienia odpowiednich warunków środowiska (szczególnie wilgotności), w jakim wiąże matryca (żywica).

Na podstawie wymienionych zalet i wad można wywnioskować, że w przeciwieństwie do tradycyjnych zabiegów wzmacnianie przez FRP (CFRP, GFRP) wymaga nieco innego, bardziej starannego i pracochłonnego podejścia przy wykonywaniu wzmocnienia. Taśmy FRP bardzo dobrze wpasowują się w definicję lekkiego i wszechstronnego materiału do wzmocnień.

Przykładowe zabiegi zwiększające nośność wykonywanych i istniejących elementów to:

– f_m użycie FRP w celu zwiększenia nośności przy zginaniu,

– f_v użycie FRP w celu zwiększenia nośności na ścinanie,

– f_m f_v użycie FRP w celu zwiększenia obu charakterystyk,

– f_t,90 użycie FRP w celu zwiększenia nośności na rozwarstwienie.

Trzeba pamiętać, że każdorazowo należy sprawdzić długość odpowiedniej strefy wzmacnianej.

Podsumowanie

Omówione możliwości wzmacniania konstrukcji drewnianych są jedynie próbą pokazania tego, co dzisiaj jest możliwe w tym obszarze na rynku budowlanym, w jakim kierunku zmierzają nowe technologie i kompozyty. Należy jeszcze raz podkreślić, że każde wzmocnienie naprawcze musi być poprzedzone rozpoznaniem warunków pracy konstrukcji przede wszystkim w zakresie wilgotnościowym oraz że drewno jako materiał anizotropowy zachowuje się inaczej wraz ze zmianą obciążeń i gabarytów. Przytoczone wzmocnienia belek nie zawsze będą się sprawdzały do wzmacniania słupów czy też elementów płytowych. Za każdym razem należy skrupulatnie przyjrzeć się warunkom pracy i możliwemu wytężeniu materiału.

dr inż. Dorota Kram

Politechnika Krakowska

inż. Tomasz Kochański

dyplomant Politechniki Krakowskiej

Literatura

1.  BauBuche – Werkstoffe Vergleich, zeszyt 06, www.pollmeier.com.
2.  P. Faccio, Paola Scaramuzza – corso di restauro nr 9 Costruzioni in legno: interventi di conservazione, materiały z wykładów rok akad. 2012-2013 http://www.iuav.it/Ateneo1/docenti/architettu/docenti-st/Paolo-Facc/materiali-/Clasa-rest/09-i.pdf.
3. L. Rudziński, Konstrukcje drewniane. Naprawy, wzmocnienia, przykłady obliczeń, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2010.
4.  J. Jasieńko, Połączenia klejowe i inżynierskie w naprawie, konserwacji i wzmacnianiu zabytkowych konstrukcji drewnianych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2003.
5. R. Kozakiewicz, M. Matejak, Klimat a drewno zabytkowe. Dawna i współczesna wiedza o drewnie, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2013.
6. A. Krajewski, P. Witomski, Korozja biologiczna drewna. Materialnych dóbr kultury, Poradnik konserwatorski, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2012.
7. A. Aveta, Consolidamento e restauro dalie strutture in legno, Dario Flaccovio Editore, 2013.
8. T. Nowak, Analiza pracy statycznej zginanych belek drewnianych wzmacnianych przy użyciu CFRP, praca doktorska, Wrocław 2007.
9. M.P. Lauriola, Costruzioni in legno, 2014/2015 http://www.geometripd.it/documenti/dispense/lez.%20prat.%20 30_09_15/Corso_Costruzioni_in_legno_ Dispense_M.F?Lauriola_2014.pdf.