Инж. А. Апостолова, доц. д-р инж. П. Чобанов, УАСГ Стремежът към повишаване на енергийната ефективност, опазване на околната среда и запазване на екологичното равновесие ни връща към дървесината като конструктивен материал. Това налага необходимостта от търсене на нови материали и технологии, с които да се подобрят якостните и деформационните характеристики на дървесината, респективно на конструктивни елементи, изготвени от нея. Един съвременен вариант е чрез външно прилагане на влакнесто-армирани полимерни материали (FRP). Чуждият опит от направените изследвания показва, че могат да намерят приложение както в нови елементи и при реализиране на връзките между тях в дървени конструкции, така и за възстановяване или усилване на механичните характеристики на елементи в съществуващи конструкции. Търсенето на ефективни решения за повишаването на механичните характеристики на конструктивната дървесина произлиза от факта, че съществуват множество исторически сгради и съоръжения с дървена носеща конструкция. Поради дългия период на експлоатация или увеличение на натоварването носещите елементи се нуждаят от усилване за възстановяване или увеличаване на якостните характеристики. Съвременният стремеж към екологично строителство се фокусира отново към дървесината като конструктивен материал, който притежава добри топло- и звукоизолационни характеристики, както и оптимално съотношение на якостта, отнесена към обемната плътност. Както за усилени, така и за нови дървени конструкции целта е оптимизиране на сечението за постигане на максимална носеща способност при минимален разход на материал и респективно намалено собствено тегло на елементите. Същност на влакнесто-армираните композитни материали Композитните материали са комбинация от два или повече материала, като на макрониво се различават по форма и състав и химически не си взаимодействат, но от комбинацията им се получава композит с по-добри характеристики от тези на изходните материали. Основните компоненти на полимерните композити са дисперсната среда - матрица, диспергирана фаза, или усилващият компонент - влакна (фибри) и междуфазова повърхност. Така наречените основни композити са материалите на базата на стъклени влакна или други нискомодулни влакна, тъй като са сред първите произведени композити и намират широко приложение в автомобилната индустрия поради ниската си цена. Карбоновите (въглеродни), арамидни, боронни и други високомолекулни влакна са основните състави на т. нар. усъвършенствани (advanced) композити. Те се използват предимно в космическите технологии, корабостроенето, самолетостроенето и др. Влакната са основният носещ елемент във влакнесто-армираните композити. Основните три вида влакна, използвани в строителната индустрия, са: – Стъклени - тип E, S, С и AR, като най-широко разпространение имат тип Е поради ниската си цена. Основният им недостатък е ниската алкална устойчивост. – Арамидни - тип Kevler 29 и Kevler 49. Те са с еднаква якост, но вторите имат значително по-висок модул на еластичност. – Карбонови - тип HS - високоякостни и HM - високомодулни. Основна характеристика на този вид материал са високите механични показатели, отнесени към ниската му плътност, т.нар. специфична стойност на материала. Полимерите са най-широко разпространените материали за матрица на съвременните композити и биват два вида: термореактивни и термопластични. Предимно се използва първият вид полимери, тъй като те са температуро- и химически устойчиви и са с нисък вискозитет, което е благоприятно за влакната. Най-често използвани са полиестерните (UP) и епоксидните (EP) смоли и по-рядко виниловите (VE). С най-добри механични характеристики са епоксидните смоли, но те са и най-скъпи. Прилаганите в строителството армиращи композитни материали са под формата на въжета, пръти, ленти и плат. В зависимост от това армиращите влакна могат да се разделят на няколко вида: неусукани снопове от нишки, усукани във вид на прежда, къси влакна и плетени. При прилагането им се използват предимно епоксидните лепила. Те са сложен комплекс от компоненти, като най-важният е епоксидната смола с добавка на различни втвърдители, пластификатори, антиоксиданти и други. Основните им предимства са голямото „отворено” време за работа, по-ниски стойности на съсъхване от останалите лепила, широк температурен диапазон за работа с тях от -60°С до +60°С, както и лесното им модифициране чрез промяна на съотношението смола-пълнител, добавка на други полимери, пълнители и модификатори. За недостатък се смята единствено високата им цена. Конструктивна дървесина Дървесината е естествен композитен материал от целулозни влакна, свързани с матрица от лигнин. Различният строеж на дървесинната тъкан обуславя и различните й свойства според дървесния вид. Съгласно EN 338 дървесината се разделя на две групи - иглолистна (soft wood) клас С и широколистна (hard wood) клас D. Поради анизотропната и нехомогенна структура якостта на дървесината на опън, натиск, огъване и срязване, респективно и модулът на еластичност са различни. Най-висока стойност има якостта на опън по направление на влакната, якостта на натиск е 2-2,5 пъти по-малка от тази на опън, а якостта на огъване заема междинно положение. Якостта намалява с увеличаване на ъгъла, който натоварването сключва с направлението на влакната. Основните фактори, влияещи върху механичните характеристики на дървесината, са: – Влажността - наличието й до 30% значително влияе върху якостта на натиск, срязване и огъване на дървесината, като това намаление може да достигне до 70% от якостта. – Дефекти в структурата - наличието на чепове може да намали якостта на огъване с 50%, а тази на опън с 80%. Нелинейността на влакната и тяхното усукване в структурата на дървесината също влияят неблагоприятно, като се намаляват механичните характеристики надлъжно на влакната поради промяна на ъгъла между влакната и приложеното натоварване. – Продължителност на натоварването - дървесината проявява реологични свойства и експериментално е установено намаляване на якостта с около 30-40% във функция на времето. В България е реализирано усилване с карбонов плат на дървена подова конструкция в сграда, разположена на голф игрище в близост до София. Необходимостта от усилване на носещите греди на първия етаж е породена от отклонение при изпълнението и увеличение на експлоатационния товар. Схемата на усилване е базирана на проведени предварителни изчисления, при които е постигнато увеличение на носимоспособността с 27% и намаляване на деформациите с 20%. Изводи От направените до момента изследвания по темата могат да се констатират следните изводи: – увеличение на максималния приложен товар с около 60%; – увеличение на коравината на огъване с около 30%; – наблюдава се добро сцепление между дървесината и композитния материал; – възможност за постигане на високи механични характеристики при незначително увеличаване на напречното сечение и собствено тегло на елементите; – лесно и бързо приложение; – възможно намаляване на влиянието на дефектите в структурата на дървесината.