Tests of polymeric adhesive joints in aspect of their application in prefabricated timber structures

Type: paper published in a journal

Author

Śliwa-Wieczorek, K.

Zając, B.

Kozik, T.

Title variant

Polish

Badania polimerowych złączy podatnych w aspekcie ich stosowania w prefabrykowanych konstrukcjach drewnianych

Publication date

2020

Published in

Archives of Civil Engineering

Vol.

Number

Abstract

English
Polish

The article concerns modern, flexible adhesive joints, which might be used in timber construction. The article discusses the test results carried out for timber elements joints using polymeric adhesives produced by Sika®. The scope of the tests includes the analysis of strength criteria, tests of polymer adhesion to the timber with a pull-off method, tests of polymer layer shearing between timber elements as well as examination of bending of timber elements joined with polymer. The conclusions indicate the types of these polymers which are recommended for the creation of polymeric joints of timber-polymeric type in timber constructions.

Dynamiczny rozwój połączeń klejowych, umożliwia ich zastosowanie już nie tylko w naprawach, czy wzmocnieniach głównie konstrukcji żelbetowych oraz murowych. Coraz częściej mówi się o zastąpieniu tradycyjnych łączników przez połączenia klejowe. Szczególnie interesujący jest rozwój połączeń na bazie polimerów w zastosowaniu w konstrukcjach drewnianych, który umożliwia eliminację lub znaczne ograniczenie występowania zjawiska koncentracji naprężeń, jak ma to miejsce w przypadku najbardziej powszechnych połączeń trzpieniowych. Szczególne znaczenie ma eliminacja tego zjawiska w obiektach drewnianych, poddanych oddziaływaniu silnych wiatrów, trzęsień ziemi, czy też dużych gradientów temperaturowych oraz wilgotności. Głównym celem artykułu jest omówienie wyników badań przeprowadzonych dla połączeń elementów drewnianych przy wykorzystaniu podatnych klejów polimerowych produkcji Sika®. Zakres badań obejmuje analizę kryteriów wytrzymałościowych, badania przyczepności polimeru do drewna metodą pull-off (na odrywanie), badania ścinania warstwy polimeru pomiędzy elementami drewnianymi oraz badania zginania elementów drewnianych zespolonych polimerem. W badaniach wykorzystano kleje wyprodukowane na bazie poliuretanu przez Sika® Poland. Badano dwuskładnikowe poliuretanowe kleje Sika®: PMM, PM, PSM oraz drewno świerkowe klasy C24, klasyfikowane zgodnie z normą PNEN 338:2016-06 ”Drewno konstrukcyjne - Klasy wytrzymałości”. Przy doborze klejów do wykonywania połączeń konstrukcyjnych w elementach prefabrykowanych z drewna, przyjęto następujące kryteria wytrzymałościowe dla: • badania przyczepności warstw metoda pull-off: osiągnięcie wielkości co najmniej 1,0 MPa naprężenia nominalnego rozciągającego przy dopuszczalnej postaci zniszczenia typu: kohezyjne w drewnie (kd), kohezyjne w polimerze (kp) lub adhezyjne w styku drewno-polimer (ad-p), przy czym w badaniach przyjmowano najmniejszą z wartości naprężeń odnotowanych przy danej postaci zniszczenia, • badania ścinania warstwy kleju w próbie rozciągania: osiągnięcie wielkości co najmniej 0,5 MPa naprężenia nominalnego ścinającego, co zgodnie z teorią hipersprężystości Hencky’ego odpowiadać będzie spełnieniu warunku w odniesieniu do naprężeń rozciągających w osiach głównych przy ścinaniu, • badania zginanych elementów drewnianych zespolonych polimerem: przyrost ugięcia o 1 mm następuje przy wzroście siły o 10 N, co odpowiada sztywności przy zginaniu nie mniejszej niż 2,88 Nm2, przy czym założono, że połączenie w próbie zginania nie powinno ulec zjawisku delaminacji w styku drewno-polimer. Wyniki przeprowadzonych prób przyczepności pull-off przedstawiono w Tabeli 1, w której zawarto między innymi informacje o rodzaju postaci zniszczenia połączenia drewno-polimer dla każdej zarejestrowanej próby, przy czym zastosowano następujące oznaczenia dla postaci zniszczeń: kohezyjne w drewnie (kd), kohezyjne w polimerze (kp), adhezyjne w styku drewno-polimer (ad-p) oraz adhezyjne w styku polimer-aluminiowy krążek (ap-ak). Jak wynika z Tabeli 1, średnia wielkość granicznych naprężeń nominalnych przekracza 1,0 MPa dla każdego polimeru. [TABELA 1] Badanie ścinania przeprowadzono dla wszystkich 3 polimerów w liczbie po 5 próbek dla każdej przyjętej długości spoiny (10, 20, 40, 80, 160 i 320 mm). Łącznie zarejestrowano 90 pomiarów. Najmniejszą zmiennością wielkości nominalnych naprężeń wykazał się polimer PMM (V pomiędzy 4,46% i 15,83%). Największe zróżnicowanie wyników zaobserwowano dla polimerów PM i PSM. W próbie zginania, obserwacji poddano zależność przyrostu siły do przemieszczenia dla przedziału od 0 mm do 10 mm. Na podstawie zależności wielkości siły i ugięcia obliczono sztywność przy zginaniu (EI), która wynosiła odpowiednio dla polimeru PMM 3,92 Nm2, PM 5,82 Nm2 oraz dla PSM 6,66 Nm2. Wyniki przeprowadzonych prób przyczepności pull-off (przedstawione w Tabeli 1) wskazują, że wszystkie polimery PMM, PM i PSM spełniły założenie o minimalnej wytrzymałości na odrywanie wynoszącej 1,0 MPa. Najwyższą średnią wartość nominalnego naprężenia granicznego przy próbie odrywania pull-off osiągnął polimer PSM (1,13 MPa). Z uwagi na zaobserwowaną postać zniszczenia, tj. kohezja w drewnie (kd), polimer PSM wskazano jako rekomendowany w przeprowadzonej próbie. W przypadku badań na ścinanie warstwy polimeru pomiędzy elementami drewnianymi, założony poziom 0,5 MPa nominalnej wytrzymałości na ścinanie we wszystkich próbach ścinania, osiągnęły polimery PM i PSM. Najwyższą, średnią wartość nominalnego naprężenia (1,59 MPa przy długości spoiny 10 mm), osiągnął polimer PSM. Spełnienie przyjętego kryterium dla wytrzymałości na ścinanie, zapewnia również przekroczenie tej samej wartości 0,5 MPa naprężeń rozciągających w osiach głównych przy ścinaniu, co odpowiada teorii hipersprężystości Hencky’ego. Powyższe kryterium wyklucza użycie polimeru PMM. Badanie zespolenia drewno-polimer przy zginaniu wykazało, że wszystkie badane kleje wykazują bardzo dobrą przyczepność do drewna przy dużych przemieszczeniach. Wszystkie próbki z warstwami polimerów z grupy Sika® przeniosły bez ulegania zniszczeniu ugięcia większe od 10 mm. Największą wartość siły odnotowano w przypadku polimeru PSM (231,25 N). Ponadto zaobserwowano, że żadna z próbek nie uległa zjawisku delaminacji w styku drewno-polimer. Zniszczenie elementu następowało przez przekroczenie naprężeń rozciągających w dolnej warstwie drewna bez zniszczenia polimeru. Biorąc pod uwagę wszystkie uzyskane wyniki, stwierdzono zasadność prowadzenia dalszych badań ukierunkowanych na tworzenie polimerowych złączy w konstrukcjach drewnianych z wykorzystaniem kleju PSM.

Keywords