Seria: BUDOWNICTWO z. 95 N r kol. 1559
Marcin GÓRSKI*
Politechnika Śląska
WZMACNIAJĄCE NAPRAW Y BELEK BETO NO W YCH
Streszczenie. System naprawczy wykorzystujący epoksydowy laminat na bazie mat z włókien węglowych stał się propozycją konkurującą z tradycyjnymi sposobami wzmocnień.
Trwałość i łatwość realizacji wzmocnienia nakazują szersze zainteresowanie się tym zagadnieniem. Określenie wpływu napraw na pracę i nośność elementów stanowi podstawę opracowania prostych procedur obliczeniowych do zastosowań inżynierskich. W pracy przedstawiono zestawienie wyników badań betonowych i żelbetowych wzmacnianych belek.
Badania obejmowały elementy zginane, ścinane i skręcane.
STRENGTHENING REPAIRS OF CONCRETE BEAMS
Summary. Repairing system basing on CFRP mates became a new proposal concurring with traditional methods o f structures’ strengthening. Its durability and easiness o f application forces calls for more interest. Determination o f CFRP influence on strengthened element will allow to propose simple methods o f strength analysis for that kind o f complex elements.
Paper presents the comparison o f results o f concrete, RC and CFRP reinforced beams obtained in research work. Tested elements were subjected to bending, shearing and torsional actions.
1. W prowadzenie
Trwałość budowli była zawsze jednym z podstawowych kryteriów uwzględnianych przez jej twórców. Jedną z głównych broni w służbie ochrony budynku jest naprawa i bierne wzmacnianie jego elementów konstrukcyjnych. W latach 60 we Francji i w RPA zaczęła się rozwijać teoria wzmacniania konstrukcji za pomocą zewnętrznych nakładek stalowych, początkowo kotwionych, a następnie naklejanych. Technika ta ewoluowała i wraz z rozwojem
chemii materiałowej zaczęto wykorzystywać coraz nowsze materiały i technologie. Jedną z najatrakcyjniejszych wydaje się metoda wzmacniania elementów konstrukcji za pomocą epoksydowych laminatów zbrojonych włóknami o wysokiej wytrzymałości: szklanych i
*Opiekun naukowy: Prof. dr inż. Andrzej Ajdukiewicz
aramidowych stosowanych uprzednio w przemyśle kosmicznym. Metoda ta pozwala bowiem na dokonywanie szybkich napraw zagrożonych elementów, bez ingerencji w ich strukturę oraz zmiany ich geometrii i wymiarów. Podstawy wzmacniania w ten właśnie sposób mają swój początek w Szwajcarii [1] i Niemczech [2], gdzie w roku 1987 opublikowano pierwsze rezultaty badań. Najnowsza technika wzmocnień, będąca wciąż w stadium rozwoju, wykorzystuje włókna węglowe.
Lista przyczyn zmuszających projektantów do wykorzystywania w praktyce systemów naprawczych i wzmacniających jest długa. Do podstawowych wpływów stwarzających zagrożenie awaryjne zaliczyć można:
□ błędy projektowe,
□ niedokładności i błędy wykonawcze,
□ zmianę sposobu eksploatacji obiektu, co przynosi zmianę wielkości obciążeń lub schematu ich rozłożenia,
□ zmianę schematu statycznego (usunięcie podpór, wykonanie otworów itp ),
□ procesy zmęczeniowe przy wpływach dynamicznych,
□ agresywne środowisko, na które konstrukcja jest narażona,
□ tąpnięcia i trzęsienia ziemi.
Praktyka dowodzi, iż maty węglowe, mimo ich krótkiej historii na światowym rynku, cieszą się dużym uznaniem i są chętnie stosowanym materiałem do wzmocnień. Eksperci i projektanci wzmocnień nie mają jednak procedur roboczych, które umożliwiłyby efektywne i bezpieczne wzmocnienie. Próby opracowania takich procedur zostały podjęte w wielu ośrodkach naukowych i wdrożeniowych. Procedury te rozpatrują jednak proste stany naprężeń. Zbiór najnowszych propozycji obliczeniowych zawiera specjalny raport FIB [3]
wydany w czerwcu 2001 r. Jedyna metoda uwzględniająca bardziej złożony stan powstała także w trakcie trwania referowanego projektu badawczego [4],
Obecne prace w ośrodkach polskich nie zdeterminowały do tej pory zwartego aparatu obliczeniowego wzmocnień do zastosowań technicznych, uwzględniającego współpracę betonu z wiotkimi nakładkami z włókien węglowych w złożonych stanach naprężeń. Bazę do nowoczesnego ujęcia tej problematyki kreował ośrodek łódzki z prof. M. Kamińską oraz drem R. Kotynią [5, 6], a także prof. J. Ciesielski i prof. W. Radomski.
W celu skutecznego projektowania i wykonywania wzmocnień za pomocą mat z włókien węglowych potrzebne jest rozpoznanie doświadczalne i opracowanie statystyczne skuteczności poszczególnych metod wzmacniania uszkodzonych elementów konstrukcji betonowych narażonych na złożone stany naprężeń.
2. Opis modeli badawczych i sposobu przeprowadzenia badań
Badania przeprowadzono na elementach belkowych o wymiarach przekroju 200x300 mm i rozpiętości pomiędzy podporami 2400 mm. Zrealizowano dwie główne grupy badań weryfikujące skuteczność wzmocnień laminatami CFRP elementów narażonych na:
□ ścinanie i zginanie,
□ skręcanie.
Podczas wszystkich prób rejestrowano poziom aplikowanej siły, odczyty stowarzyszonych z nią wielkości ugięć bądź kąta obrotu. Siła realizowana była przez nacisk na element podwieszonego do ramy nośnej podnośnika hydraulicznego. W badaniach belek zginanych zastosowano trawers o wysięgu 800 mm.
Poza ugięciami rejestrowano odkształcenia postaciowe na powierzchni betonu i laminatu oraz odkształcenia stali zbrojenia głównego i pomocniczego. Układ tensometrów elektrooporowych zmieniał się w zależności od typu badania.
Obydwie serie badań kalibrowano na belkach betonowych o identycznych gabarytach.
Badania zasadnicze poprzedzono pomocniczymi badaniami określającymi cechy fizyczne betonu, stali zbrojeniowej zbrojenia głównego i pomocniczego oraz laminatu.
2.1. Ścinanie i zginanie
Elementy betonowe
Próby na elementach betonowych stanowiły test kalibrujący stanowisko badawcze przed wykonaniem serii badań właściwych. W celu pełnego wykorzystania tej serii badań wykonano próby na elemencie bez wzmocnienia i ze wzmocnieniem laminatem CFRP - pozwoliło to na określenie wpływu wzmocnienia dla belek niezbrojonych.
Elementy C l i C R wykonano z betonu z tego samego zarobu, identyczność cech betonu potwierdzono w badaniach pomocniczych. Elementem różniącym próbki było założone na belkę C R wzmocnienie stref przypodporowych i strefy rozciąganej dwukierunkowym laminatem zbrojonym włóknami węglowymi.
Elementy żelbetowe
Badania zasadnicze przeprowadzono na modelach o wymiarach 200x300x2600 mm (rys. 1); elementy belkowe zbrojone były wkładkami 0 1 6 mm. Zbrojenie pomocnicze górą wykonano z prętów 0 1 0 mm, a strzemiona z prętów o średnicy 4 mm. Stanowisko do badań
elementów żelbetowych poddanych wpływowi ścinania i zginania nie różniło się zasadniczo od tego zastosowanego w serii badań elementów betonowych (rys. 1). Podstawową różnicą była ilość elektrooporowych czujników tensometrycznych. W badaniach tej grupy elementów pomiaru odkształceń dokonywano również na wkładkach zbrojenia głównego i na strzemionach. W większym stopniu interesowano się także odkształceniami betonu i laminatu w trakcie obciążania. W tym celu na powierzchni elementu, a po wzmocnieniu - na powierzchni laminatu umieszczono tensometry elektrooporowe o bazie pomiarowej 50 mm.
Sposób rozmieszczenia tensometrów ewoluował z czasem - dążono do stworzenia najpełniejszego opisu odkształceń betonu i laminatu w newralgicznych dla konstrukcji miejscach. Miało to pomóc w późniejszej kalibracji modelu numerycznego.
Elementy niszczyły się przez nagłe wyczerpanie nośności w strefie ścinanej. Tak zniszczone elementy poddawano procesowi naprawy i wzmocnienia. Jako wyjściowy schemat wzmocnienia strefy przypodporowej założono całkowite „owinięcie” laminatem belki na tym obszarze. Na oszlifowanej i wyczyszczonej pobocznicy belki, po sfazowaniu krawędzi nałożono warstwę kleju epoksydowego, a następnie matę z włókien węglowych (włókna równoległe do najdłuższego boku elementu). Spełniając wszystkie wymogi reżimu technologicznego, na kolejnej warstwie kleju nakładano następną warstwę maty. Włókna tej warstwy układano na kierunku ortogonalnym do poprzedniego.
W czasie wykonania wzmocnienia pamiętano o zachowaniu niezbędnych 100 mm zakładów pomiędzy kolejnymi pasami maty. W kolejnych schematach dążono do znalezienia najefektywniejszego sposobu wzmocnienia, redukując jednocześnie do niezbędnego minimum zużyty materiał. Realizowane były schematy wzmocnienia wyłącznie strefy ścinanej, jak również jednoczesnego wzmocnienia strefy rozciąganej i ścinanej. Badania niszczące powtarzano zazwyczaj po 2, 3 razy na każdym elemencie. Schematy wzmocnienia elementów przedstawiono wraz z wynikami badań w tabeli 1.
O s
200
Rys.l. Typowe stanowisko badawcze dla realizacji ścinania i zginania Fig. 1. Typical shearing and bcnding test stand
2.2. Skręcanie
Skręcanie zrealizowano poprzez układ mimośrodowo przyłożonej siły i niesymetrycznie ułożonej podpory. Ideogram badania przedstawia rys. 2. Podobnie ja k w przypadku elementów zginanych elementy skręcane wyposażono w czujniki tensometryczne. Badano elementy o geometrii identycznej z przedstawioną na rysunku 1. Skręcaniu poddano odcinek z zagęszczonymi strzemionami (800 mm). Rejestrowano zmianę kąta obrotu skręcanej belki.
tvwne zamocowanie
pomiar kąta obrotu
podpora na mimośrodzie
Rys.2. Ideogram badania elementów skręcanych Fig.2. Torsion research ideogram
3. Porów nanie wyników badań dla różnych sposobów wzm ocnień
Poprzez zamierzony zabieg niedozbrojenia elementu na ścinanie, zastosowanie silnego zbrojenia w strefie rozciąganej i obciążenie belki dwoma siłami przyłożonymi na szerokim trawersie uzyskano efekt nagłego zniszczenia belki przez jej ścinanie. Wszystkie elementy badawcze w tej serii zniszczono w tym samym schemacie - sposób zniszczenia był więc niemal identyczny, a więc rysa niszcząca element pojawiała się na linii punkt przyłożenia siły - podpora. W tej serii badań wykonano i zbadano 7 belek: element próbny MB, pięć elementów serii zasadniczej: B2 do B6 i element B7 określający wpływ iniekcji. Element BC1 wykonano jako pierwotnie wzmocniony bez wykonywania wstępnego zniszczenia.
Tabela 1 Zestawienie wyników badań _______ _______________
Model Zakres wzmocnienia matami CFRP
Sita niszcząca
2 F
[ k N |
Przyrost siły niszczącej
%
Ugięde odp.
1F [mml
Przyrost ugięcia
%
Sposób zniszcz.
MB
MB — 131,0 — 6,91 — ścinanie
MBC L. v ‘ * .1 f l 159,3 21,6 14,69 112,6 zginanie
B2
B2 --- 141,4 — 6,63 — ścinanie
B2C “'TTjmSgł--- i ! .i 5 ’ p i 150,7 6,6 8,90 34,2 zginanie
B2CC
Bc CTTiTPf " ' TrimTiTrj j -j1 i 166,6 17,8 9,15 38,0 zgin an ie
B3
B3 — 140,2 — 7,13 — ścinanie
B3C i°7¥T* t r r i n n n 160,5 14,5 9,09 27,5 zginanie
B4
B4 --- 149,6 — 8,04 — ścinanie
B4C
C i i
150,4 0,5 8,43 4,9 zginanie
B4CC
Cd i. Ł
161,6 8,0 8,60 7,0 zgin an ie
B5
B5 — 154,6 — 9,93 — ścinanie
B5CC ‘ I I I 198,5 28,4 17,95 80,8 zgin an ie
B6
B6 — 140,2 — 6,81 — ścinanie
B6C - t n 17,55 157,7 z g in a n ie
B6CC
& i i
n
---:
.u
180,6 28,8 17,93 163,3 zg in a n ieB7 B7 — 132,2 — 8,56
__
ścinan ieB7i in ie k c ja 150,6 13,9 15,5 8 ścinan ie
BC1 BC1 i # ... 4 i i 170,4
~ 14,55 zg in a n ie
Wielkościami pozwalającymi na ocenę wzmocnień są ugięcia (rys.3, 4), siła krytyczna 2F (tab. 1) oraz wielkości odkształceń, przełożone na wielkości naprężeń w stali zbrojenia
(rys-5)
d łu g o ś ć b elki [mm]
0 400 800 1200 1600 2000 2400
Rys.3. Linie ugięcia w ostatnim kroku obciążenia przed zniszczeniem Fig.3. Deflection lines in the last step of loading before failure
Rys.4. Wykres przyrostu ugięć dla wybranych modeli Fig.4. Diagram of deflection increment for chosen models
Wzmocnienie elementów poddanych wpływowi zginania i ścinania prowadziło do zwiększenia siły niszczącej 2F max o ok. 30%. Elementy uprzednio zniszczone wykazywały minimalnie mniejszy wzrost nośności. Kluczem do sukcesu jest tutaj prawidłowo wykonana iniekcja oraz jednoczesne wzmocnienie strefy ścinanej i rozciąganej z wykonaniem
odpowiednich zakładów laminatów (min 100 mm wg [7]). W żadnym ze wzmacnianych elementów nie zanotowano spadku nośności, pomimo uprzedniego, czasami dwukrotnego, zniszczenia elementu. Maksymalny przyrost ugięcia wynoszący ok. 260% poziomu ugięcia bazowego, niewzmocnionego elementu zaobserwowano także dla belek wzmacnianych jednocześnie w strefie przypodporowej i wzdłuż włókien rozciąganych.
Rys.5. Wykres przyrostu naprężeń w stali zbrojenia głównego dla wybranych modeli Fig.5. Diagram of stresses increment in main reinforcement for chosen models
Równie interesujące i obiecujące rezultaty dały obserwacje badań elementów skręcanych Belki pierwotnie zniszczone, zainiektowane, reprofilowane i wzmocnione przez oklejenie dwukierunkowym laminatem całej strefy skręcanej osiągały 2,5-krotny wzrost siły niszczącej. Potwierdziły się również obserwacje z pierwszej serii: epoksydowy laminat zbrojony włóknami węglowymi pozwala na sygnalizację stanu awaryjnego na długo przed zniszczeniem elementu. Finalny kąt obrotu zdeformowanej belki wzmocnionej po zniszczeniu wynosił ok. 5°, był więc widoczny gołym okiem. Beton pod laminatem uległ zmiażdżeniu, stal zbrojenia płynęła, lecz belka mimo znacznego obrotu pozostawała na stanowisku, w kształcie umożliwiającym dalsze badanie. Badanie zakończono w obawie o zniszczenie stanowiska badawczego, mimo możliwości dalszego wzrostu odkształcenia.
Rys.6. Przyrost kąta obrotu przy skręcaniu Fig.6. Rotation angle increasc at torsion
4. Wnioski
Zastosowanie napraw wzmacniających wykorzystujących epoksydowe laminaty zbrojone włóknami węglowymi pozwala na zwiększenie nośności elementu nawet o 30% pod warunkiem należytego wykonania tak samego wzmocnienia, ja k poprzedzającej ten proces iniekcji. Zaproponowana iniekcja z kompozycji epoksydowej nie może być jednak traktowana jako sposób wzmocnienia. Zabieg ten przynosi wzrost nośności, lecz schemat ponownego zniszczenia pozostaje nieokreślony. Brak tu także opisywanego wyżej sygnalizowania awarii na długo przed zniszczeniem elementu poprzez znaczny wzrost ugięcia lub obrotu elementu spowodowany zastosowaniem laminatu. Finalne ugięcie tak wzmocnionej belki osiągnęło poziom ok. 2,5-krotny w stosunku do elementu niewzmocnionego. Równie znaczący jest przyrost kąta obrotu w elementach skręcanych.
Wzmocnienie stref ścinanych elementów zmienia rozkład sił wewnętrznych. Pełniej wykorzystany zostaje przekrój środkowy elementu, prowadząc do wyczerpania nośności strefy rozciąganej bądź jak w przypadku odcinkowego wzmocnienia stref przypodporowych (element B3C) do zniszczenia strefy ściskanej betonu.
Badania dowodzą skuteczności tego sposobu wzmacniania elementów konstrukcji, szczególnie tych narażonych na wpływ złożonych stanów naprężeń.
LITERATURA
1. Meier U., Bridge Repair with High Performance Composite Materials', Material und Technic, V.4, 1987, 125-128.
2. Federal Insitute for Materials Testing, Bonding o f Steel and GFRP Plates in the Area of Coupling Joints, Talhrucke Kattenbusch, Research Report No. 3126/1429, Braunschweig
1987.
3. FIB Bulletine 14 (TRIAFANTAFELLOU T.) Extemaly bonded FRP reinforcement forRC structures, FEB, July 2001.
4. Colotti V., Spadea G., Swamy R.N., Shear an flexural behaviour o fR C beams externally reinforced with bonded laminates: a truss model approach', Composite in Constructions,
Figueiras et al (eds), Swets&Zetilinger, Lisse 2001, 517-522.
5. Kotynia R., Odksztalcalność i nośność zginanych elementów żelbetowych wzmocnionych taśmami z włókien węglowych - rozprawa doktorska, Łódź 1999.
6. Kamińska M.E., Kotynia R., Obliczanie nośności belek wzmocnionych taśmami CFRP.
XLV Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 1999, 87-94.
7. Karta techniczna systemu SikaWrap.
Recenzent: Dr hab. inż. Maria Kamińska, prof. Politechniki Łódzkiej
Abstract
Developing techniques o f strengthening concrete and RC structural elements reached for carbon fibres. Seeking for simple strength analysis methods some lab test o f such a reinforcing repairs were performed. Paper presents results o f researches concerning shearing, bending and torsional strength influences. Observations o f tests proved rightness o f CFRP use as strengthening. Bearing capacity o f tested elements raised even 30% after strengthening, despite their former total failure. Most promising factor o f strengthening with use o f CRFP is long lasting signalisation o f failure by significant increase o f deflection or rotation angle. To achieve desired effect element should be properly epoxy-injected. Simultaneous strengthening tensioned and sheared zones seems to be also the key to success.
