Efekt wzmocnienia konstrukcji stalowych przy u¿yciu włókien

Efekt wzmocnienia konstrukcji stalowych przy u¿yciu włókien

475
Efekt wzmocnienia konstrukcji stalowych przy u¿yciu w³ókien wêglowych
MA¯ULIS Joanna, WRZESIÑSKI Marcin, BIEROÑSKA Karolina
Instytut Materia³oznawstwa i Mechaniki Technicznej Politechniki Wroc³awskiej
50-370 Wroc³aw, ul. M. Smoluchowskiego 25
Efekt wzmocnienia konstrukcji stalowych przy u¿yciu w³ókien wêglowych
Streszczenie. W pracy zbadano skutecznoœæ zastosowania dodatkowych zacisków przy wzmacnianiu belek stalowych komercyjnymi taœmami kompozytowymi. Próbki stalowe wzmocnione w dolnej czêœci jednokierunkowym
kompozytem wêglowym poddawano zginaniu czteropunktowemu. W celu unikniêcia przedwczesnego zniszczenia
po³¹czenia klejowego wykorzystano komplet specjalnych zacisków. Niniejsza metoda mo¿e byæ wykorzystywana
przy wzmacnianiu konstrukcji stalowych (szczególnie zabytkowych). Praca jest kontynuacj¹ badañ zaprezentowanych w [1].
REINFORCEMENT EFFECT OF USING CARBON FIBRES ON STEEL STRUCTURE
Summary. Effectiveness of applying additional clamps when reinforcing steel beams with commercial composite
tapes was examined in this paper. Steel samples reinforced at their bottom with unidirectional Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) tapes were subjected to four-point bending. In order to avoid premature destruction of the glue
bonding a set of special clamps was applied. This method may prove useful for strengthening steel structure (esp. of
historical value). This paper is a continuation of earlier research presented in [1].
1. Wprowadzenie
Elementy miejskiej infrastruktury, œciany i sklepienia
koœcio³ów i œwi¹tyñ, „pere³ki” architektury, czy te¿ zabytkowe k³adki i mosty wykorzystywane codziennie przez
mieszkañców miast, podlegaj¹ ci¹g³ym procesom degradacyjnym. Na pewnym etapie u¿ytkowania, staje siê ko-
Rys. 1. Most rzeczny w Ljubljanie na S³owenii. [3]
Rys. 2. Komin fabryki chemicznej. Przedstawiono sposób aplikacji taœm
na wzmocnionym obiekcie. [4]
niecznym podjêcie decyzji o ewentualnym zniszczeniu
i odbudowaniu danej konstrukcji lub jej remoncie.
W wiêkszoœci przypadków ze wzglêdu na koszty i zabytkowy charakter wy¿ej wymienionych struktur, podejmowane s¹ dzia³ania naprawcze. Poszukiwane s¹ metody,
które przy nieznacznym doci¹¿eniu konstrukcji nie wp³yn¹ na zmianê wygl¹du danego obiektu. Kompozyty
w³ókniste spe³niaj¹ powy¿sze wymagania (co potwierdzaj¹ przyk³ady zastosowañ na rys. 1 i 2). Dodatkowo
materia³y kompozytowe cechuje du¿a odpornoœæ chemiczna i korozyjna, ³atwoœæ formowania i monta¿u tak¿e
du¿ych elementów (w porównaniu do wzmocnieñ stalowych) oraz ma³o inwazyjne metody aplikacji (klejenie na
zewn¹trz konstrukcji).[2]
Materia³y te nie s¹ jednak wolne od wad, ograniczaj¹cych ich zastosowanie. W³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe
taœm z jednokierunkowym w³óknem wêglowym s¹ anizotropowe. Cechuje je ma³a wytrzyma³oœæ na œciskanie
(ok. 10% wytrzyma³oœci na rozci¹ganie) i jeszcze mniejsza
na œcinanie miêdzywarstwowe (tak zwany debonding)
[5]. Ta cecha wymusza dok³adnoœæ w projektowaniu
wzmocnienia i sprawia, ¿e nie ka¿dy jest w stanie skutecznie korzystaæ z tej metody. Ze wzglêdu na kruchoœæ
i wra¿liwoœæ na koncentracje naprê¿eñ kompozyty ci¹gnione (w³ókniste taœmy kompozytowe powstaj¹ w procesie ci¹gnienia [pultruzji]) nie mog¹ byæ nacinane, wiercone, przebijane, gwintowane, ani zginane. [6] Jednoczeœnie, w celu skutecznego przenoszenia obci¹¿eñ, konieczne jest w³aœciwe przyleganie taœm do wzmacnianej powierzchni, co dodatkowo zawê¿a iloœæ mo¿liwych metod
monta¿u. W zwi¹zku z tym popularn¹ metod¹ ³¹czenia
wzmocnienia z konstrukcj¹ jest klejenie. W przypadku
ciêgien kompozytowych stosowane s¹ równie¿ specjalne
zakotwienia – rys. 3.
W badaniach [1] przyczyn¹ zniszczenia próbek by³o
œcinanie po³¹czenia klejowego ³¹cz¹cego kompozyt w³óknisty z belk¹ (rys. 4). W celu zwiêkszenia przyczepnoœci
kompozytu do stali i doprowadzenia do jego zerwania,
Przetwórstwo Tworzyw 6 (listopad – grudzieñ) 2011
476
Diagnostyka Materia³ów Polimerowych 2011
a tym samym wyznaczenia granicznej noœnoœci kompozytu belka stalowa – taœma z w³óknem wêglowym, zastosowano specjalne zaciski (rys.5).
2. Przygotowanie badañ
Do badañ wykorzystano belki stalowe ze stali konstrukcyjnej ogólnego przeznaczenia St3S o wymiarach
160×80×30 mm i module sprê¿ystoœci wzd³u¿nej Younga
E=210 [GPa]. Belki wzmocniono zgodnie z tabel¹ 1.
Tab. 1. Wzmocnienie zastosowane w badaniach.
Rys. 3. Wzmocnienie przês³a mostu prêtem wêglowym – CFRP.
ród³o: [7].
Nr belki
Wzmocnienie od spodu belek stalowych
o szerokoœci 80 mm
Belka 1
w³ókno wêglowe, gruboœæ 1,2 mm, E=150 GPa
Belka 2
w³ókno wêglowe, gruboœæ 1,4 mm, E=200 GPa
Belki zosta³y przygotowane na potrzeby badañ [1],
poprzez oczyszczenie i zmatowienie powierzchni. Ci¹gnione taœmy z w³óknem wêglowym przyklejono klejem,
u¿ywanym w procesie ³¹czenia taœm kompozytowych
z betonem. Przygotowane belki obci¹¿ono i poddano tygodniowemu suszeniu w temperaturze pokojowej. Gotow¹ do badañ belkê przedstawia rys. 6.
Rys. 4. Zniszczenie po³¹czenia klejowego podczas zginania belki
wzmocnionej taœm¹ z w³óknem wêglowym
Rys. 6. Belka przygotowana do badañ
Rys. 5. Zaciski. Strza³k¹ zaznaczono gumowe podk³adki chroni¹ce
taœmê.
Na belkach zamontowano specjalne zaciski (po piêæ
z na ka¿dym koñcu belki), œruby dokrêcono kluczem dynamometrycznym o nastawie 85 Nm. W celu ochrony
kompozytu przed koncentracj¹ naprê¿eñ i dla lepszego
przylegania zacisku do belki zastosowano gumowe podk³adki gruboœci 2 mm.
W badaniach wykorzystano pulsator hydrauliczny
MTS 810, widoczny na rys.7. Zosta³ on dostosowany do
Przetwórstwo Tworzyw 6 (listopad – grudzieñ) 2011
477
Efekt wzmocnienia konstrukcji stalowych przy u¿yciu w³ókien wêglowych
Rys. 8. Podk³adka rozk³adaj¹ca równomiernie nacisk na wiêkszej powierzchni kompozytu.
sowano podk³adki gruboœci 1mm w celu unikniêcia nacisku punktowego na kompozyt wêglowy (rys. 8).
3. Badania
Rys. 7. Stanowisko badawcze wykorzystywane w próbach zginania
czteropunktowego
zginania czteropunktowego podobnie jak podczas badañ
[1], poprzez monta¿ ramienia z podporami górnymi oraz
belki z podporami dolnymi. W czasie badañ sterowano
przemieszczeniem podpór. Na podporach dolnych zasto-
Przeprowadzono dwie próby zginania czteropunktowego, belek wzmocnionych kompozytami – jednej ze
wzmocnieniem z w³ókna wêglowego w postaci taœmy
gruboœci 1,2 mm, drugiej ze wzmocnieniem gruboœci
1,4 mm. Na rys. 9 wyniki badañ zestawiono z reprezentatywnymi wynikami poprzednich badañ (bez zacisków).
W przypadku obu prób zniszczenie nast¹pi³o poprzez
œciêcie warstwy kleju ³¹cz¹cego belkê stalow¹ z taœm¹
Rys. 9. Porównanie wyników badañ z poprzedni¹ prób¹ (bez zacisków). 1 – z zaciskami, taœma CFRP 1,2 mm; 2 – z zaciskami, taœma CFRP 1,4 mm;
3 – belka bez zacisków [1], taœma CFRP 1,2 mm; 4 – belka niewzmocniona [1]; 5 – belka bez zacisków [1], taœma CFRP 1,4 mm.
Przetwórstwo Tworzyw 6 (listopad – grudzieñ) 2011
478
Diagnostyka Materia³ów Polimerowych 2011
kompozytow¹. Zniszczenie nast¹pi³o przy obci¹¿eniu
oko³o 80 kN. Wnioskowaæ mo¿na, ¿e tym samym osi¹gniêta zosta³a graniczna wartoœæ wytrzyma³oœci na œcinanie warstwy kleju o gruboœci 2,3 mm. Zastosowano tak
grub¹ warstwê kleju w celu jak najlepszego przenoszenia
obci¹¿eñ miêdzy kompozytem, a stal¹. Za obserwowano,
¿e dla grubszej taœmy (1,4) œcinanie nie mia³o gwa³townego charakteru i mimo czêœciowego odspojenia kompozytu wêglowego, przenosi³ on dalsze obci¹¿enia. Poniewa¿
osi¹gniêto koniec zakresu pomiarowego, konieczne by³o
zakoñczenie próby na zaprezentowanym etapie. Nie
wyklucza siê jednak, ¿e przeniesienie dalszych obci¹¿eñ
by³oby mo¿liwe. W porównaniu do poprzednich badañ
[1] nie odnotowano wp³ywu zacisków na znacz¹ce
zwiêkszenie noœnoœci makrokompozytu taœma – stal.
Odnosz¹c badania do rzeczywistej konstrukcji – mostu, konieczne jest zmniejszenie ugiêæ belki stalowej, poniewa¿ aktualnie s¹ one nieproporcjonalne wzglêdem
osi¹ganych w konstrukcjach wartoœci. W celu zmniejszenia ugiêæ kompozyt wêglowy nale¿a³o by poddaæ naprê¿eniu wstêpnemu.
Oprócz gruboœci warstwy, równie¿ rodzaj kleju móg³
mieæ wp³yw na wyniki badañ. Dlatego istotnym jest przeprowadzenie badañ dla innego (przeznaczonego do
³¹czenia stali z kompozytem wêglowym kleju).
zytem i stal¹, czego nie wytrzymuje po³¹czenie klejowe.
Planuje siê zwiêkszenie powierzchni klejonej przez wyd³u¿enie belki oraz u¿ycie innej konstrukcji zacisków zapewniaj¹cych zwiêkszenie przyczepnoœci kompozytu do
stali. Planuje siê tak¿e zwi¹zanie koñców kompozytu
z belk¹ stalow¹ przez zahaczenie. Trzydziestocentymetrowa d³ugoœæ zakotwieñ (wolnych nieobci¹¿onych koñców belki) jest niewystarczaj¹ca dla w³aœciwej wspó³pracy ³¹czonych elementów. W zwi¹zku z powy¿szym postuluje siê zmianê sposobu wykonania próbek. W kolejnych badaniach planuje siê:
— zwiêkszenie d³ugoœci belek z 1600 mm na 3000 mm,
— zmianê u¿ytego kleju na ¿ywicê epoksydow¹,
— wykonanie wiêkszego zmatowienia powierzchni belki, wrêcz z zarysowaniami poprzecznymi,
— zmianê technologii, z klejenia gotowej taœmy, na nawijanie przesyconego ¿ywic¹ epoksydow¹ w³ókna
wêglowego, z zastosowaniem wstêpnego naprê¿enia
przy u¿yciu mechanizmów œrubowych.
Przewiduje siê, ¿e powy¿sze zmiany pozwol¹ na zwiêkszenie noœnoœci belek i doprowadzenie do zerwania
w³ókna wêglowego. To pozwoli na wyznaczenie granicznej wytrzyma³oœci na rozci¹ganie makrokompozytu stal –
przesycone w³ókno wêglowe.
Literatura
4. Podsumowanie i wnioski
1.
Celem badañ by³o okreœlenie wp³ywu dodatkowych
zacisków, zamontowanych na wolnych koñcach belki, na
przenoszenie obci¹¿eñ przez kompozyt stal – taœma wêglowa. Zaciski nie wp³ynê³y znacz¹co na zwiêkszenie
przenoszonych obci¹¿eñ i nie zmieni³y ca³kowicie charakteru zniszczenia próbek. Odnotowano jednak ich pozytywny wp³yw na zabezpieczanie konstrukcji. W momencie odspojenia kleju, taœma wêglowa dalej przenosi³a,
nawet wiêksze ni¿ przed zniszczeniem, obci¹¿enia. Ta cecha mo¿e byæ kluczowa do zastosowañ w konstrukcjach
budowlanych tj. mostach, budynkach – w przypadku
uszkodzenia o charakterze katastrofalnym, struktura
kompozytowa bêdzie w stanie spowolniæ lub zatrzymaæ
destrukcjê obiektów budowlanych, umo¿liwiaj¹c ewakuacjê osób korzystaj¹cych. Mo¿e to pozwoliæ na unikniêcie
tragedii takiej jak katastrofa mostu I-35W nad Missisipi
z 1997 roku, w której 13 osób ponios³o œmieræ, a kolejne
144 zosta³o rannych [8].
Technologia wykonania makrokompozytu stal – element ci¹gniony z w³óknem wêglowym nie jest wolna od
wad. Zastosowanie takiego po³¹czenia jest mo¿liwe na
g³adkich powierzchniach wzmacnianych. Równie¿ stosowany w dotychczasowych badaniach klej, nie przenosi
w oczekiwany sposób obci¹¿eñ. Œcinanie kleju jest spowodowane du¿¹ ró¿nic¹ odkszta³ceñ pomiêdzy kompo-
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
B³a¿ejewski W., G¹sior P., Kaleta J., Ma¿ulis J., Rybczyñski
R., Wzmocnienie konstrukcji stalowej materia³ami kompozytowymi [w: Polimery i kompozyty konstrukcyjne, Praca zbiorowa pod redakcj¹ Gabriela Wróbla], Wydawnictwo Logos
Press, Cieszyn 2011
Ma¿ulis J., Jakoœæ technologii zwiêkszania noœnoœci belki stalowej
wzmocnionej pasem kompozytowym z w³ókna wêglowego, Praca
dyplomowa in¿ynierska, Wroc³aw 2010, opiekunowie pracy Kaleta J., Bla¿ejewski W.
Meier H., Clenin R., Basler M., Bridge strengthening with advanced composite systems, Sika Services AG, Zürich 2004.
www.sika.ca/con-bro1-shearstrengthening-ca.pdf [22.12.
2010].
Be³zowski A. Æwiczenie nr. 12: Ocena w³asnoœci mechanicznych
materia³ów kompozytowych – wstêpne ocena próby zginania
i twardoœci, Materia³y pomocnicze do laboratorium wytrzyma³oœci materia³ów, Wroc³aw 2007.
T. C. Triantafillou, Fardis M. N., Strengthening of historic masonry structures with composite materials, Materials and Structures, vol. 30, October 1997, pp 486 – 496.
Phares B. M., Wipf T. J., Klaiber F. W., Hawash A. A., Lee Y.
S., Strengthening of Steel Girder Bridges Using FRP, Proceedings of the 2003 Mid-Continent Transportation Research
Symposium, Ames, Iowa, August 2003
www.johnweeks.com/i35w/ms16.html [17.10.2011]
Przetwórstwo Tworzyw 6 (listopad – grudzieñ) 2011