| Abstract | Glavni cilj doktorske disertacije je istražiti mogućnost poboljšanja mehaničkih svojstva (uglavnom nosivost i krutost) i dimenzijske stabilnosti hrastovih građevnih elemenata. Kako bi se postigla potrebna nosivost i dimenzijska stabilnost hrastovih građevnih elemenata sa što manjim poprečnim presjecima, a koji se mogu koristiti u uvjetima diferencijalne klime, planirano je istražiti mogućnost njihova pojačanja primjenom nedrvnih implantata. Hrastovina se često koristi u interijeru i eksterijeru, međutim u građevinarstu se često lamelira za potrebu izrade elemenata poput prozorskih okvirnica, nosivih elemenata, zidnih panela, okvira itd. S obzirom na veliku gustoću hrastovine pretpostavljeno je da bi uvođenje nedrvnih implantata doprinijelo smanjenju dimenzija i mase hrastovog građevnog elementa uz jednaka ili čak bolja mehanička svojstva. Kao rezultat očekuje se učinkovitije korištenje raspoloživih resursa kvalitetne sirovine, lakši građevni element uz poboljšanu stabilnost (ako se primjerice koristi za vratna krila, veće prozorske okvirnice...). Konstrukcijski hrastovi elementi izrađeni su kao dvosmjerno lamelirane grede (tri vertikalno orijentirane, međusobno zalijepljene lamele prekrivene vodoravno orijentiranim lamelama preko cijele širine). Ojačanja su ugrađena ispod vodoravno orijentiranih vanjskih lamela, a ovisno o dimenzijama nedrvnih materijala ojačanja su položena preko cijele širine gredice ili u utore sa tlačne i vlačne strane. Takva ojačanja postavljena su simetrično u uzorcima za ispitivanje čvrstoće na savijanje. Razlog simetrične ugradnje implantata (ojačanja) je ispitivanje učinkovitosti ojačanja u tlačnim i vlačnim zonama te izrada univerzalnog građevnog elementa. Kombinacija materijala drva i implantata izrađenih od npr. prednapregnutih karbonskih ili staklenih vlakana, aluminijskih profila, može značajno povećati krutost, čvrstoću na savijanje te dimenzijsku stabilnost lameliranih hrastovih elemenata. U doktorskom radu korištena su ojačanja (implantati) od aluminija, staklenih i karbonskih vlakana, pripremljenih u različitom broju slojeva i debljinama, koji su ugrađeni u hrastovu gredicu. Korištenje nedrvnih implantata zahtijeva posebnu tehniku ugradnje/lijepljenja u drvo jer je hrastovina problematičnija vrsta drva za lijepljenje od npr. jelovine i smrekovine, koje se uglavnom koriste za lameliranje. Drugi dio istraživanja odnosi se na ispitivanje različitih vrsta ljepila, kvalitetu međusobnog lijepljenja različitih materijala te tehnologiju lijepljenja drva i implantata. U ispitivanju je korištena epoksidna smola (koja je preporučena za lijepljenje raznih ojačanja), PVAc lijepilo te poliuretanska ljepila kao jeftinije i proizvodno jednostavnije prihvatljivije vrste ljepila. Nadalje u radu su obuhvaćene i različite tehnike pripreme površine prije lijepljenja (čeono glodanje, blanjanje te brušenje) kako bi se istražio utjecaj površinske obrade na čvrstoću lijepljenog spoja. Vlačno prednaprezanje korišteno prilikom lijepljenja staklenih i karbonskih vlakana tijekom uljepljivanja u element uvedeno je kao dodatna mogućnost poboljšanja mehaničkih svojstava lameliranih elemenata.
Rezultati ispitivanja pokazuju a) Ugradnja bilo koje vrste implantata u lameliranu hrastovu gredicu pridonijela je poboljšanju mehaničkih svojstava lameliranih greda. Međutim, učinkovitost pojedinih vrsta implantata se značajno razlikuje, od jedva vidljivih promjena mehaničkih svojstava lameliranih greda (npr. 1 sloj smole u 5 mm dubokom utoru) do vrlo značajnih mehaničkih poboljšanja (do 50 % bolja čvrstoća na savijanje i do 60 % poboljšana fleksibilna krutost kod 1 sloja CFRP). b) Komercijalna poliuretanska ljepila za drvo pokazala su dobra svojstva lijepljenja implantata i drva kao kvalitetna alternativa epoksidnoj smoli. c) Postupak obrade površine drva utječe na površinsku energiju površine. Brušena površina daje najbolju površinsku energiju, dok su blanjane i glodane površine pokazale nešto nižu površinsku energiju u usporedbi s brušenom površinom. d) FEM metoda modeliranja uspješno je primijenjena za modeliranje mehaničkog ponašanja ojačanih hrastovih greda. Numerički model ponašanja gredica s karbonskim i staklovlaknastim implantatima dobro korelira s rezultatima mehaničkih ispitivanja. e) Uvođenje vlakanakao implantatau drvnepanele posebno je učinkovito zaproizvode izložene različitim klimatskim uvjetima jer značajno smanjuju deformacije uzokovane različitim sadržajem vode po presjeku panela. Završni dio doktorske disertacije bavi se računalnim (numeričkim) modeliranjem mehaničkog ponašanja ojačanih greda. Na temelju dobivenih rezultata razvijen je numerički model za različite kombinacije vrsta materijala implantata, debljine, ljepila i tehnologije lijepljenja. Numerički model je uspješno testiran na modelu C3 i dokazano je da se grede većih dimenzija i oblika mogu proizvesti s pouzdano predviđenom čvrstoćom. Međutim, potrebna su daljnja istraživanja na ovom području, kako bi dodatno utvrdila rezultate i zaključke istraživanja prikazanog u ovom radu. |
| Abstract (english) | The main objective of the research presented in this thesis was to improve the mechanical properties (mainlyload-bearing capacity and stiffness) and dimensional stabilityof oak-wood building components. In order to produce bi-directionally laminated oak-wood beams that would have as small cross-sections as possible and exhibit improved stiffness when installed in different climates, these were reinforced by implants of non-wood materials. Solid oak-wood is used in numerous interior and exterior applications, but for various construction elements, oak-wood is regularly laminated (e.g., for window frames, curtain walling, external doors, structural grids, etc.). Considering the high density of oak-wood, it was postulated that introducing non-wood implants would contribute to the reduction in sizes and weight of oak-wood elements, still retaining or even improving the mechanical properties of components. The expected benefits comprise better efficacy in the utilization of high-quality oak-wood, lighter structures, better lighting properties of windows and improved stability of door leaves. The oak-wood structural elements were prepared as small-scale beams, bi-directionally laminated (with face lamellas perpendicular to the thickness-laminated core). The reinforcements were introduced below the face of 5 mm thick top wood lamella in full-width of the beam or as grooved-in implants. Such reinforcements were positioned symmetrically in the beam, in both the tension and compression zones of the samples intended for bending testing. Symmetrical installation is intended to test the efficacy of the reinforcement to counteract both the tension and the compression stresses and to produce the practically and universally applicable building components. The strength, flexural stiffness and dimensional stabilityof wood laminations for building components can be enhanced by introducing materials such as carbon fibre or glass fibre reinforced polymers (CFRP, GFRP), steel or aluminium sheets, rods or special profiles. This experiment included reinforcements of aluminium and of glass-fibre and carbon-fibre fabric, prepared with various numbers of layers and different thicknesses embedded in the adhesive material. However, a combination of such materials requires special adhesives for bonding the reinforcements to wood. Oak-wood is moreproblematicfor gluingthan species likespruce and fir, which are dominantly used for laminated elements. This initiated the other main interest of the research, namely to test various adhesives and investigate their bonding mechanisms to wood, as well as the effects of gluing technology on the successful introduction of implants. The adhesives included epoxyresin (as a standard for gluing various non-wood reinforcements to wood), polyvinyl acetate adhesives and polyurethane adhesives Summary VIII as cheaper and manufacture-friendly alternatives. Further on, different surface preparation techniques (planing, face-milling and sanding) were tested to obtain the maximum bond strength values. Finally, the tensile pre-stressing of the implants during the bond formation was introduced as another variable for possible global improvements in the mechanical properties of laminated elements. The results show that a) Installation of any reinforcement into oak-wood laminations improved the laminated beams' mechanical properties. However, the efficacy of particular types of implants was notably different, from hardly any alteration of the beam mechanical properties (e.g., with a single resin layer) to very significant mechanical improvements (up to 50 % better bending strength and up to 60 % improved flexural stiffness). b) The attempt to seek an alternative to epoxy resins in commercial polyurethane wood adhesives for gluing the reinforcements or implants into wood laminations proved successful. c) The type of machining process influenced the wetting of the oak-wood surface. The sanded surface results in the best wettability and highest surface energy, planed and faced milled surfaces showed lower wettability and surface energy as compared to sanded. d) The finite element method was successfullyapplied to predict the mechanical behaviour of reinforced oak-wood beams. The numerical models for CFRP and GFRP implanted beams correlate well with the results of mechanical testing. e) Introducing fibres into wood panels as implants is particularly effective for products exposed between different climates, for it significantly reduces deformations caused by moisture gradients. Thefinal part of the thesis dealswith the numerical modellingof the mechanical behaviour of model beams. The calculation model was developed on the basis of obtained results for various combinations of implant materials, their thicknesses, adhesives and gluing technology. The model was successfully tested on model C3 (beam reinforced with one layer of CFRP), proving that beams of larger sizes and shapes can be manufactured with reliably predicted strength. However, further research is needed in this field, to additionally support the results and conclusions of the research presented in this thesis. |
