Jak badać w małej skali naprężenie marszczące płyt warstwowych

Norma europejska PN-EN 14509:2013-12 [1] daje pewne i szerokie uprawnienia, szczególnie dla producentów, którzy działają w trzecim systemie oceny zgodności i posiadają teraz większe możliwości wykonywania własnych badań typu, na podstawie których określają poziomy poszczególnych właściwości, a następnie deklarują właściwości użytkowe.

Ustawodawca, czyli Parlament Europejski poprzez rozporządzenia ustalające warunki wprowadzania wyrobów budowlanych na rynek, spowodował, iż generalnie w przemyśle wzrosła świadomość w zakresie badań i analiz, ponieważ producenci sami sporządzają dokumentację techniczną opisującą wszystkie istotne elementy związane z wymaganym systemem oceny i weryfikacji stałości właściwości użytkowych.

Obecnie producenci zbudowali i uruchomili własne laboratoria, w których zatrudnili specjalistów o wysokich umiejętnościach, a więc mogą deklarować wyrób na zgodność z normą. Ponadto mogą włączyć się w proces międzylaboratoryjnych badań porównawczych, aby potwierdzić swoją biegłość.

Chociaż Laboratoria Wydziałów Budownictwa i laboratoria przemysłowe nie są akredytowane w PCA w zakresie badania płyt warstwowych, to zachodzi potrzeba, aby obie strony stały się względem siebie równymi partnerami. Obowiązująca norma PN-EN 14509:2013-12 [1] wskazuje, że możliwe jest wystąpienie granicznego odkształcenia dla ściany wykonanej z płyt warstwowych odpowiadające wartości - [rozpiętość/100].

Europejska norma, na którą powołują się producenci przy sporządzaniu deklaracji właściwości użytkowych, pozwala na kompletne scharakteryzowanie właściwości płyt warstwowych i spełnianie wszelkich wymagań, jakie narzuca rozporządzenie Parlamentu Europejskiego nr 305/2011 [2] co do warunków, jakim powinny odpowiadać wyroby budowlane wprowadzane na rynek.

Należy przypomnieć, że płyty warstwowe samonośne to dwie okładziny metalowe, pomiędzy którymi został wklejony rdzeń termoizolacyjny, a podstawowym warunkiem dla okładziny stalowej jest jej moduł sprężystości, który powinien być nie mniejszy niż 220 MPa.

Dodatkowo norma ta zawiera komplet procedur badawczych, które określają, jakie należy wybrać próbki do badań, jakie warunki powinna spełniać aparatura badawcza, czy też, jak prowadzić wyliczenia i ocenę wyników, wykorzystując metody statystyczne zalecane do stosowania w budownictwie.

Podczas badania sztywności i ugięcia należy zawsze rozpocząć od określenia momentu zginającego płyty jednoprzęsłowej swobodnie podpartej. Procedura ta została opisana w załączniku A omawianej normy ("Metody badania właściwości materiału, A.5 Badania określające moment zginający płyty warstwowej swobodnie podpartej").

Przy określaniu wielkości momentu zginającego płyt warstwowych gr. 150 mm należy dopilnować, aby rozpiętość L była wystarczająco duża, a praktycznie większa niż 6 m, tak aby nastąpiło zniszczenie w wyniku zmarszczenia, uplastycznienia lub wyboczenia okładziny.

Zastosowany system obciążania powinien odzwierciedlać równomiernie rozłożone obciążenie na płycie warstwowej. Nie mniej ważne jest, aby przed badaniem zastosować małe obciążenie o wartości nie większej niż 10% obciążenia niszczącego, utrzymującego się nie dłużej niż przez 5 min, a następnie usunąć je celem ustabilizowania próbki przed właściwym badaniem. Należy również pamiętać o szybkości narastania obciążania, aby spowodować zniszczenie dokonujące się w przedziale czasu pomiędzy 5 min a 15 min od rozpoczęcia badania.

Moment zginający M_u powinien być wyznaczony zgodnie z równaniem M_u = F_u L/8. Następnie należy wyliczyć naprężenie krytyczne s = M/e A, gdzie F_u - obciążenie, L - rozpiętość, e - odległość pomiędzy osiami okładzin, A - powierzchnia przekroju poprzecznego okładziny.

Do określania interakcji pomiędzy momentem zginającym a reakcją podpory w stanie granicznym użytkowania należy wykorzystać procedurę opisaną w Załączniku A normy ("Metody badania właściwości materiału A.7 Oddziaływanie między momentem zginającym a reakcją podpory"). Badanie to symuluje warunki wewnętrznego podparcia płyty warstwowej, które jest ciągłe dla dwóch lub więcej przęseł. Należy najpierw określić wytrzymałość na zginanie, a następnie obliczyć odpowiadające mu naprężenie krytyczne dla płaskich lub lekko profilowanych okładzin.

Oddziaływanie pomiędzy momentem zginającym a reakcją podpory powinno być określone dla pojedynczego przęsła płyty warstwowej poddanej obciążeniu liniowemu, a nie obciążeniu równomiernie rozłożonemu na całej powierzchni. W związku z tym założeniem zestaw badawczy do określenia oddziaływania pomiędzy momentem zginającym a reakcją podpory powinien składać się z jednoprzęsłowej płyty warstwowej poddanej obciążeniu liniowemu.

Należy również pamiętać, że aby zapewnić prawidłową pracę płyt warstwowych pod działaniem obciążeń użytkowych, stan granicznego użytkowania powinien być scharakteryzowany w następujący sposób:

• płynięcie okładziny płyty warstwowej nie powinno powodować uszkodzenia czy zmarszczenia (lokalne wybrzuszenia) okładziny płyty warstwowej nie powinno powodować uszkodzenia;
• nie powinno występować uszkodzenie rdzenia w wyniku ścinania oraz uszkodzenie zespolenia pomiędzy okładziną a rdzeniem.

Wiadomym jest również, że w dobie współpracy europejskiej specjaliści od płyt warstwowych uczestniczą w sympozjach i we wspólnych programach badawczych. Przegląd takich doniesień może być inspiracją do nowych procedur badawczych w jednostkach naukowych.

Oczekuje się, że w przyszłości będzie możliwa dokładna i prosta weryfikacja parametrów wytrzymałościowych płyt warstwowych poprzez badania w małej skali, które to badanie nie będzie wprowadzać w błąd, ponieważ poddane zostanie walidacji poprzez badania międzylaboratoryjne.

Proces wywoływania zniszczenia płyt warstwowych pod obciążeniem prowadzący do powstania zmarszczenia okładziny jest typowym i bardzo ważnym badaniem zalecanym przez normę PN-EN 14509:2013-12 [1]. W obciążonej płycie warstwowej jedna okładzina jest poddana naprężeniu rozciągającemu, natomiast druga jest poddana naprężeniu ściskającemu. Okładzina ściskana traci więc stabilizację, ale nie od razu następuje zniszczenie przez wyboczenie.

W płycie warstwowej rdzeń zapewnia ciągłe podparcie dla cienkiej okładziny i zabezpiecza przed wystąpieniem wczesnych usterek spowodowanych wyboczeniem. Podpory boczne aktywują się wtedy, gdy okładzina odkształca się na kształt przypominający falę oraz równocześnie wywoływane są naprężenia w materiale rdzenia.

Utrata wytrzymałości na rozciąganie rdzenia lub spoistości płyty warstwowej prowadzi bezpośrednio do uszkodzenia, np. zmarszczenia okładziny. Zmarszczenie jest jednym z najważniejszych stanów określania stanu granicznego użytkowania przy projektowaniu przegród z płyt warstwowych, ponieważ jego wielkość bardzo często determinuje stan granicznej nośności.

Naprężenie marszczące jest definiowane jako końcowe naprężenie występujące na okładzinie, która wcześniej poddana była naprężeniu ściskającemu, zanim nastąpiło wyboczenie.

Wystąpienie naprężenia w okładzinie płyty warstwowej jest wywołane przez moment zginający, który może powstać w wyniku obciążeń wiatrem lub obciążeń temperaturowych. Określenie naprężenia marszczącego płyt warstwowych na ogół wymaga przeprowadzenia badania w pełnej skali.

Test w pełnej skali można przeprowadzić przez poddanie płyty swobodnie podpartej oddziaływaniu poprzez cztery liniowe obciążenia rozłożone na szerokości płyty warstwowej. W opisanej normowej procedurze moment zginający (M_u) i naprężenie krytyczne marszczące σ_w dla płyt z lekko profilowanymi okładzinami określane jest za pomocą odpowiednich wzorów.

Aby móc prosto i szybko ustalić naprężenie marszczące, np. po przeprowadzonym sztucznym starzeniu płyty warstwowej, konieczne jest opracowanie procedury badania zmarszczenia okładziny w małej skali, która umożliwia ustalenie obciążenia marszczącego lub bardziej dokładne określenie funkcji zmian obciążenia i ugięcia w czasie badania. Ponadto małą próbkę można łatwo zmieścić w komorze klimatycznej i w ten sposób możliwe będą testy na licznych próbkach poddanych różnorodnym warunkom starzenia.

W normie PN-EN 14509:2013-12 [1] założono, że potrzebne parametry mechaniczne konieczne do projektowania powinny być możliwe do uzyskania poprzez różne badania. Wyjątkiem zawsze były badania naprężeń marszczących. Badania trwałości płyt warstwowych stwarzały problem, ponieważ nie było łatwo określić naprężenia marszczenia się po starzeniu. Dlatego tak ważne jest, aby opracować procedurę do przeprowadzenia badania w małej skali.

Przy opracowywaniu takiego testu nie należy zakładać, iż będziemy wywoływać naprężenie ściskające bezpośrednio na okładzinie poprzez wystąpienie momentu zginającego. W celu uproszczenia należy wyciąć niewielką próbkę z panelu, a następnie poddać ją bezpośredniemu obciążeniu, osiowo wzdłuż okładziny.

Głównym problemem może być znalezienie sposobu, jak wywołać obciążenie na okładzinie bez punktowego lokalnego uszkodzenia cienkiej warstwy metalu. Problem ten nie występuje w badaniach w pełnej skali. Wyniki przedstawione w publikacjach sugerują, że aby badania miały pozytywny wynik, wszystkie lokalne deformacje powinny być brane pod uwagę.

Nowy test, na który zwrócono uwagę, łączy dwie wcześniej stosowane normowe procedury badawcze. Zamiast wywoływać naprężenie w górnej okładzinie poprzez moment zginający, w teście małej skali obciążenie przykładane jest bezpośrednio do okładziny znajdującej się w pionie w kierunku płaszczyzny okładziny. W badaniach wykorzystano próbkę w kształcie litery T w celu stopniowego przenoszenia obciążenia na próbkę bez powodowania lokalnych uszkodzeń w miejscu oddziaływania obciążenia.

Próbce nadano kształt "kości" oraz użyto dwóch elementów stalowych w kształcie litery T, które przyłożono do obu końców próbki w celu wywoływania obciążenia. Elementy aplikacyjne zostały wklejone oraz zamocowane do próbek.

Podejście badawcze należy przeprowadzić w trzech krokach:

• najpierw bada się próbki z nienaruszoną okładziną i wywołuje maksymalne naprężenie marszczące.
• w drugim kroku, przed wykonaniem testu w małej skali, należy odpowiednio zdeformować okładziny, głębokość wykonanego odkształcenia powinna mieć takie same wymiary, jak obserwuje się w badaniu pełnej skali.
• w trzecim kroku efekt naprężenia jest symulowany poprzez dwuosiowe obciążenie próbki.

Literatura

1. PN-EN 14509:2013-12, "Samonośne izolacyjno-konstrukcyjne płyty warstwowe z dwustronną okładziną metalową. Wyroby fabryczne. Specyfikacje".
2. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady 89/106/EWG (DzUrz L 88 z 4.4.2011, s. 5-43).
3. PN-84/B-03230, "Lekkie ściany osłonowe i przekrycia dachowe z płyt warstwowych i żebrowych. Obliczenia statyczne i projektowe".
4. Institute for Sandwich Technology, Mainz, Lars Pfeiffer, Small Scale Wrinkling Test.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!