pobierz - Koło Naukowe KONKRET

Grzegorz Górnik – IV rok
Koło Naukowe KONKRET przy Katedrze Konstrukcji Betonowych
Politechnika Wrocławska, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego
Opiekun naukowy referatu: dr inż. Tomasz Trapko
SYSTEMY FRP ORAZ FRCM WE WZMACNIANIU KONSTRUKCJI ŻELBETOWYCH
FRP AND FRCM SYSTEMS IN CONSTRUCTION REINFORCEMENT
Wprowadzenie
Główną przyczyną wzmacniania konstrukcji żelbetowych jest najczęściej zmiana jej
pierwotnego przeznaczenia lub degradacja materiałów z których jest wykonana – przeważnie
betonu. Można rozróżnić dwa rodzaje działań polepszających stan obiektów budowlanych.
Pierwszym jest wzmacnianie konstrukcji – są to zabiegi polegające na zwiększeniu nośności
elementów konstrukcji, tak aby mogła ona przenosić obciążenia większe od założonych na
etapie projektowania. Drugim jest naprawa obiektu – przez którą rozumiemy wszelkie
działania mające na celu przywrócenie zniszczonych lub uszkodzonych elementów konstrukcji
do stanu, aby mogła ona przenosić obciążenia projektowe.
Potrzebę poprawy stanu konstrukcji wywołuje zazwyczaj kilka czynników, działających
jednocześnie. Do głównych przyczyn powodujących potrzebę interwencji możemy zaliczyć [5]:
• błędy projektowe i wykonawcze,
• uszkodzenia mechaniczne konstrukcji (uderzenia pojazdów),
• konieczność ograniczenia odkształceń,
• zwiększenie obciążeń użytkowych,
• zestarzenie materiałów i ich korozja,
• konieczność zmniejszenia rozwartości rys,
• zmiany schematu statycznego (usunięcie podpór).
Przy modernizacji ważne jest również uwzględnienie przyszłych założeń eksploatacyjnych,
próba odtworzenia przebiegu eksploatacji obiektu oraz ewentualne stwierdzenie pożaru w
przeszłości [5].
Przed przystąpieniem do projektowania wzmocnienia konstrukcji powinno wykonać się:
• ocenę zużycia zmęczeniowego elementów,
• ocenę wpływu korozji materiałów konstrukcyjnych,
• ocenę przyszłego skutecznego zabezpieczenia antykorozyjnego,
• ocenę wpływu oddziaływań temperatur pochodzenia klimatycznego i technologicznego,
• badania laboratoryjne materiałów konstrukcyjnych,
• badania połączeń,
• badania stopnia zużycia korozyjnego.
Systemy FRP
Jedną z metod wzmacniania konstrukcji żelbetowych jest zastosowanie materiałów
kompozytowych. Początki użycia materiałów FRP przypadają na lata pięćdziesiąte ubiegłego
wieku. Podczas kolejnych dekad jakość materiałów, jak i automatyzacja metod ich produkcji
uległa znacznej poprawie. W zakres asortymentu wzmocnień wchodzą: maty, taśmy, cięgna
oraz liny. Wykonane są one z matrycy żywicznej wzmocnionej włóknami węglowymi,
aramidowymi lub szklanymi. Materiały te charakteryzują się dużą wytrzymałością na
rozciąganie (rys. 1), dużym współczynnikiem wytrzymałości do ciężaru objętościowego, dużą
wytrzymałością na obciążenia dynamiczne i w porównaniu do stali znaczną odpornością na
korozję. Jak widać na rysunku 1 mają one liniowo sprężystą charakterystykę, aż do
granicznego obciążenia, bez trwałych odkształceń plastycznych [1, 6].
Rys. 1. Charakterystyka wytrzymałościowa materiałów kompozytowych w porównaniu ze
stalą zbrojeniową i stalą sprężającą [1]
Materiały FRP, podobnie jak w przypadku naklejanych płyt stalowych, mocowane są za
pomocą termoutwardzalnej żywicy. Stosuje się je do zwiększenia nośności belek na ścinanie i
zginanie oraz w celu wytworzenia przestrzennego stanu naprężenia w słupach.
Podstawowymi składnikami systemu FRP są:
• wzmacniany element żelbetowy, z przygotowaną i odkurzoną powierzchnią,
• warstwa gruntująca,
• wypełniacz epoksydowy (usunięcie nierówności i wgłębień),
• pierwsza warstwa żywicy,
• włókno wzmacniające element,
• druga warstwa żywicy (w przypadku mat CFRP),
• warstwa ochronna.
W celu efektywnego przekazania sił na system FRP, podłoże powinno być
odpowiednio szorstkie. Efekt ten można uzyskać przez piaskowanie lub szorstkowanie.
Włókna materiałów kompozytowych stosowanych do zewnętrznych wzmocnień przebiegają
pionowo lub poziomo, niekiedy ukośnie. Tkanina składa się z samych szczelnie ułożonych
włókien bez matrycy. W przypadku wzmacniania belek żelbetowych wstępne sprężenie taśm,
bezpośrednio przed ich przytwierdzeniem do konstrukcji powoduje zmniejszenie naprężeń
stali zbrojeniowej, redukcję ugięcia oraz szerokości rys i pęknięć [1, 6].
Metody mocowania systemów FRP
Poszczególne elementy mocuje się do podłoża (elementu konstrukcyjnego) z
zastosowaniem matrycy z żywicy epoksydowej poddanej utwardzeniu. Stosuje się dwie
metody utwardzania matrycy: na zimno i na ciepło.
Metoda utwardzania na zimno jest stosowana przy nakładaniu arkuszy na powierzchnię
wzmacnianego elementu sposobem na sucho lub na mokro. Pierwszy sposób stosuje się przy
masie arkuszy do 400 g/m2. W podejściu tym stosuje się maty z włóknami jednokierunkowymi
jak i dwukierunkowymi. Wzmacnianie elementu przebiega w dwóch etapach: w pierwszym
następuje rozwałkowywanie utwardzanej na zimno żywicy epoksydowej na powierzchni
elementu. W drugim etapie nakłada się na tę matrycę suchy arkusz. Drugi sposób nakładania,
tzw. na mokro, stosowany jest do wstępnie sprężonej tkanej maty o masie powyżej 400 g/m2.
W tym przypadku mokry arkusz nasycony wcześniej żywicą nakładany jest na powierzchnię
elementu [1, 6].
Metoda utwardzania na ciepło matrycy żywicznej stosowana jest zarówno do arkuszy z
włóknami jednokierunkowymi jak i dwukierunkowymi. Proces utwardzania przebiega w niskiej
temperaturze. Utwardzenie na ciepło wykonuje się przez doprowadzenie ciepła do żywicy
epoksydowej naniesionej na element. Przy tym rodzaju stosuje się włókna wstępnie nasycone
żywicą, które na ogół nie są stosowane do wzmacniania konstrukcji. Wykorzystuje się je w
przemyśle lotniczym [1, 6].
Metody wzmacniania słupów
Do wzmacniania słupów stosuje się różne systemy opaskowania FRP w zależności od
rodzaju materiału, kształtu i technologii zastosowania. Opaski FRP na powierzchni słupów
żelbetowych wykonuje się za pomocą następujących metod:
• nawijania maty,
• nawijania liny (cięgna),
• zastosowania kabli,
• nawijania automatycznego,
• mocowania prefabrykowanych łupin,
• nasycanie żywicą.
Słupy mogą być nawijane matami jednowarstwowo lub wielowarstwowo bądź taśmami
układanymi spiralnie lub pierścieniowo. Taśmy można układać ręcznie lub w sposób
zautomatyzowany. Układanie ręczne jest proste i szybkie w wykonaniu, ale trudne do kontroli.
Kontrola ta dotyczy jakości mieszanki żywicznej, osiągnięcia dobrego odtłuszczenia i
równomiernego nasycenia żywicą, odpowiedniego sprasowania włókien (bez nadmiernego
marszczenia), kontroli kinetyki utwardzenia oraz aspektów dotyczących trwałości
środowiskowej przed i po utwardzeniu [1, 6].
Rys. 2. Nawijanie włókna FRP wokół słupów:
a) układanie taśm kompozytowych, b) automatyczne nawijanie taśmy [1]
Najczęściej do wzmocnienia konstrukcji stosuje się opaski poprzeczne i taśmy wzdłuż
elementów, umieszczane w obszarach potencjalnych przegubów plastycznych. Zastosowanie
opasek ulepsza charakterystykę mechaniczną słupa. Przy niskich poziomach naprężeń
podłużnych, odkształcenia poprzeczne są tak małe, że opaska FRP nie przyczynia się
wyraźnie do poprawy charakterystyki mechanicznej słupa. Jednakże gdy naprężenia podłużne
przekroczą naprężenia krytyczne, zwiększone odkształcenia poprzeczne oddziaływać będą na
osłonę FRP. Parcie rdzenia betonowego stanie się znaczne, a osiowe odkształcenia będą
zależeć od poziomu opasania słupa. Jest to tzw. działanie biernego typu, które w wyniku
napięcia opaski daje parcia skierowane do wewnątrz [1, 6].
Rys. 3. Efekt poprzecznego rozszerzania się słupa okrągłego i wytworzonego
parcia poziomego pod wpływem osiowego obciążenia rdzenia betonowego [1]
W rezultacie działania parcia poziomego w rdzeniu betonowym słupa wytwarza się
trójosiowy stan naprężenia. Słup zaś w tym stanie charakteryzuje się większą ciągliwością i
wytrzymałością. Zewnętrzne, poprzeczne wzmocnienie ma ograniczenia spowodowane tym,
że ciągłość zbrojenia nie może być zapewniona w miejscach przecięć się słupa z
fundamentem i słupa z ryglem [1, 6].
Rys. 4. Przebieg krzywych naprężenie-odkształcenie w żelbetowym cylindrycznym elemencie
ściskanym w zależności od liczby warstw nawiniętej taśmy FRP [1]
Wzmacnianie słupów można również realizować poprzez płytkie zagłębianie prętów
FRP w przekroju. Sposób ten polega na osadzeniu prętów w rowkach wykonanych w
elemencie w kierunku jego wzmocnienia. Połączenie z fundamentem otrzymać można
poprzez nawiercenie otworów w tych elementach i wypełnieniu ich do połowy żywicą
epoksydową. Następnie pręty umieszcza się w rowkach lekko je naciskając, tak że wtłaczana
żywica opływa wokół pręta. Po zakończeniu osadzania prętów wykonuje się koszulkę FRP w
celu obudowania zarówno betonowego rdzenia jak i prętów wzmacniających [1, 6].
Na rys. 5 pokazano porównanie zależności interakcyjnych siła ściskająca (P) – moment
zginający (M) dla słupa niewzmacnianego i słupów wzmacnianych koszulką i prętami FRP. Po
wbudowaniu prętów płytko zagłębionych w elemencie wzrasta nośność słupa na rozciąganie.
Przy zastosowaniu wyłącznie koszulki FRP wzrasta nośność w obszarze ściskanym.
Zastosowanie zarówno koszulki jak i prętów FRP zwiększa wytrzymałość elementu zarówno w
strefie ściskanej jak i rozciąganej [1, 6].
Rys. 5. Zależności interakcyjne siła podłużna-moment zginający dla słupa:
a) przed wzmocnieniem,
b) z prętami FRP, c) z koszulką FRP od zewnątrz, d) z prętami płytko zagłębionymi i koszulką
kompozytową [1]
Wzmacnianie belek
Do wzmocnienia belek żelbetowych, tak jak przy wzmacnianiu słupów stosuje się
opaski poprzeczne i taśmy wzdłuż elementów. Stosowane są zarówno taśmy sprężane jak i
niesprężane, mocowane do strefy rozciąganej.
Rys. 6. Kształtki L z włókien węglowych służące do wzmacniania stref ścinanych belek
żelbetowych [1]
Rys. 7. Wyniki doświadczalnych badań porównawczych żelbetowej belki teowej:
a) widok, b) przekrój poprzeczny, c) wykres zależności obciążenie-ugięcie [1]
Problemy w zastosowaniach systemów FRP
Jak już wcześniej wspomniano kompozyty FRP mocuje się do podłoża (elementu
konstrukcyjnego) z zastosowaniem matrycy z żywicy epoksydowej. Jednak właściwości
mechaniczne systemów FRP zależą od temperatury, w jakiej pracuje wzmocnienie. Graniczną
wartością jest tu temperatura zeszklenia żywic, po której przekroczeniu żywica nie jest już
dłużej w stanie pełnić swojej roli. Temperatura ta wacha się w granicach od +40° do +80° C.
Cały system staje się wtedy nieefektywny, niezależnie od zastosowanych włókien
(aramidowych czy węglowych). Następuje całkowita utrata przyczepności połączenia między
żywicą a włóknem lub pomiędzy żywicą a podłożem. Kolejnym problemem systemów FRP są
trujące związki które wydzielają się w obecności ognia [2, 3, 4].
Systemy FRCM
Naprzeciw problemom związanym z odpornością na podwyższone temperatury
wychodzi system FRCM (ang. Fibre Reinforced Cementitious Matrix), oparty na matrycy z
zaprawy mineralnej oraz włóknach poliparafenilenbenzobiso-xzolowych (PBO). Zaprawa
zapewnia połączenie siatki z podłożem betonowym, a jej wytrzymałość mechaniczna
umożliwia porównywanie kompozytów FRCM do wytrzymałości popularnych taśm z włókna
węglowego stabilizowanych do podłoża epoksydowym spoiwem [2, 3, 4].
Rys. 8. Układ włókien PBO [3]
Rys. 9. System FRCM z włóknami PBO na matrycy cementowej zastosowany na elemencie
żelbetowym [3]
Systemy FRCM nadaje się do wzmacniania elementów żelbetowych oraz wstępnie
sprężonych elementów żelbetowych. System FRCM z włóknami PBO jest stosowany w takich
obszarach jak:
•
obszary naprężeń rozciągających,
• obszary występowania naprężeń tnących,
• obszary występowania naprężeń wywołanych skręcaniem.
System jest szczególnie przydatny do wzmacniana konstrukcji w strefach sejsmicznych i
parasejsmicznych, w celu zwiększenia wytrzymałości elementów poddanych zginaniu,
ścinaniu lub skręcaniu, zwiększenia podatności na zginanie końców belek i słupów oraz
zwiększenia wytrzymałości na naprężenia rozciągające w miejscach połączeń belek i słupów
[2, 3, 4].
Odporność na ogień i wilgoć
Z uwagi na to, że system posiada spoiwo mineralne (nieorganiczne), po stwardnieniu jest on
mało wrażliwy na temperaturę w tym również ogień. Dodatkowo system nie jest wrażliwy na
wilgotność podłoża tak jak systemy FRP. Przy długotrwałym zawilgoceniu wzmocnienie
wykorzystujące żywicę ulega degradacji, w wyniku której następuje utrata przyczepności do
podłoża, a tym samym zdolność do przenoszenia przez włókna naprężeń. W warunkach
pożaru przy zastosowaniu systemu FRCM nie wydzielają się toksyczne związki dzięki
zastosowaniu zaprawy cementowej [2, 3, 4].
Właściwości mechaniczne
Na poniższym rysunku porównano wytrzymałość włókien PBO w stosunku do włókien
stosowanych w systemach FRP
Rys. 10. Badania rozciąganych włókien kompozytowych – wykres
zależności naprężenie-odkształcenie. (PBO – włókno poliparafenilenbenzobiso-xzolowe,
Carbonio – włókno węglowe, Aamidica – włókno aramidowe, Vetro – włókno szklane [4]
Badania próbek wzmocnionych systemem FRCM z włóknem PBO wykonane we
Włoszech przez producentów systemu wykazały że system nie ulega destrukcji po spękaniu
betonu i jest on w stanie przenosić działające na niego obciążenia. Badania przeprowadzono
na próbkach o wymiarach 600x150x75 (l x d x h). Mechanizm zniszczenia został pokazany na
zdjęciu poniżej.
Zdjęcie. 1. a) zniszczona próbka wzmocniona systemem CFRP, b) zniszczona próbka
wzmocniona systemem FRCM z włóknami PBO. (Badania własne wykonane w Instytucie
Budownictwa Politechniki Wrocławskiej )
Próbka na zdjęciu 1a została zniszczona w sposób nagły, bez wyraźnych oznak
poprzedzających zniszczenie. W próbce na zdjęciu 1b beton uległ destrukcji jednak postać
zniszczenia jest zupełnie inna. Zniszczenie nastąpiło powoli, matryca z włóknami PBO uległa
odkształceniu (nie przerwaniu), zatrzymując zmiażdżone części betonu wewnątrz
wzmocnienia. Taki mechanizm zniszczenia może dać czas na zauważenie potencjalnych
zagrożeń (deformacji konstrukcji) przed definitywnym zniszczeniem elementów wzmacnianych
i podjęcie ewentualnych działań naprawczych lub ewakuacyjnych [2, 3, 4].
Rys. 11. Wykresy sił niszczących próbki wzmocnione systemem FRCM w zależności od
rodzaju włókien uzytych przy wzmacnianiu ( X Mesh Gold – wzmocnienie na matrycy
cementowej z włóknami PBO, X Mesh C10 – wzmocnienie na matrycy cementowej z
włóknami węglowymi, Polipropilene - wzmocnienie na matrycy cementowej z włóknami
polipropylenowymi, Aramide - wzmocnienie na matrycy cementowej z włóknami aramidowymi,
Vetro - wzmocnienie na matrycy cementowej z włóknami szklanymi). [4]
Wnioski
Systemy wzmocnień konstrukcji żelbetowych rozwijają się w bardzo szybkim tempie.
Badania z takich dziedzin nauki jak chemia polimerów, materiałoznawstwo odkrywają nowe
możliwości także w budownictwie a ściślej we wzmacnianiu konstrukcji. Nie ograniczają nas
do stosowanych od dawna, dominujących materiałów, jakimi są stal, beton czy drewno.
Zaprezentowane systemy wzmocnień konstrukcji żelbetowych cechują się wieloma
zaletami: lekkością, łatwością stosowania, wysoką wytrzymałością, funkcjonalnością. Znajdują
szerokie zastosowanie w dziedzinie wzmacniania konstrukcji wypierając przestarzałe metody,
które są uciążliwe w wykonaniu, nieefektywne i których materiały posiadają znaczny ciężar.
Należy jednak pamiętać również o ich wadach, w szczególności przy działaniu wysokich
temperatur, czy wręcz pożarów. Technologię i sposób wzmocnienia należy zawsze dobrać do
panujących warunków otaczających, wraz z uwzględnieniem wszelkich wypadków mogących
wykluczyć dany typ rozwiązania.
Bibliografia
[1] Kobielak S.: Współczesne betonowe budowle ochronne. Wybrane zagadnienia
projektowania Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2005
[2] RUREDIL Via B. Buozzi 1 -20097 San Donato Milanese : Fiber Reinforced Cementitious
Matrix (FRCM) – New Developments
[3] Ruredil Technical Notebook, Buildings seismic retrofit with FRCM – Fiber Reinforced
[4] Ruredil Technical Notebook, Cementitious Matrix composite. Concrete and masonry
structures. July 2009
[5] Trapko T.: Nośność żelbetowych słupów wzmacnianych taśmami i matami z włókien
węglowych . Praca doktorska. Politechnika Wrocławska, 2004.
[6] Wzmacnianie konstrukcji kompozytami FRP, Inżynier Budownictwa, 11/2010.