Nowoczesne metody wzmacniania słupów żelbetowych z zastosowaniem
materiałów CFRP
Modern Methods of strengthening of reinforced concrete coluMns with cfrP Material
Streszczenie
W pracy zaprezentowano metodę wzmacniania słupów żelbetowych z zastosowaniem nowoczesnej techniki doklejania materiałów kompozytowych FRP – taśm i mat. Omówio- no podstawowe zalety technologii, a także przedstawiono klasyfikację materiałów FRP.
Podano koncepcję wzmacniania elementów betonowych poprzez owijanie zewnętrznym płaszczem FRP. Dokonano również, przeglądu wyników badań obcych i własnych słupów żelbetowych z zastosowaniem materiałów CFRP.
Abstract
In the paper the method of strengthening of reinforced concrete columns with use of a modern methods – attaching of CFRP strips and sheets – is presented. Fundamental advan- tages of the technology are described and the classification of FRP materials is shown in the paper. The concept of strengthening of concrete elements with confining with external FRP jacket is presented. The review of the results of the experimental studies is made.
Tradycyjne metody wzmacniania słupów 1.
żelbetowych
Znane od wielu lat i powszechnie stosowane metody wzmacniania konstrukcji z betonu można podzielić na dwie podstawowe grupy – wzmacnianie poprzez zwiększanie przekro- ju poprzecznego oraz wzmacnianie poprzez zmianę schematu statycznego konstrukcji.
Dozbrajanie i obetonowanie, przyklejanie stalowych płaskowników czy też budowa- nie dodatkowych podpór odciążających charakteryzuje się dużymi kosztami robocizny i konserwacji, czasochłonnością wykonania, dużym zużyciem materiałów dużym ciężarem elementów wzmacniających. Niejednokrotnie wykonanie wzmocnienia wymaga całkowi- tego lub częściowego wyłączenia obiektu z eksploatacji, aż do czasu całkowitego zakoń- czenia prac wzmacniających. W świetle tych trudności i ograniczeń zaczęto poszukiwać nowych, innowacyjnych rozwiązań, które mogłyby być wykorzystane do wzmacniania konstrukcji z betonu. Jednym z tych rozwiązań jest wzmacnianie z zastosowaniem do- klejanych materiałów kompozytowych FRP.
Materiały kompozytowe FRP 2.
W ostatnich kilku latach, wśród inżynierów konstruktorów, obserwuje się dynamiczny wzrost zainteresowania tym, jakie możliwość dają materiały kompozytowe FRP we wzmacnianiu konstrukcji żelbetowych. Ten trend, wyraźnie widoczny na świecie, jest coraz bardziej zauważalny również w Polsce. Ze względu na liczne swoje zalety mate- riały FRP znajdują coraz szersze zastosowanie przy wzmacnianiu elementów stalowych, drewnianych, ale przede wszystkim żelbetowych. Wysoka wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość zmęczeniowa, odporność na korozję, łatwość i ekonomiczność aplikacji sprawia, że materiały te znajdują coraz szersze zastosowanie w inżynierii budowlanej, jako doklejane zewnętrzne zbrojenie kompozytowe. Materiały kompozytowe z powodzeniem stosowane są do wzmacniania elementów żelbetowych narażonych na wpływ zginania, ścinania, skręcania, a także do wzmacniania elementów ściskanych.
W pracy [7] dokonano oceny porównawczej kompozytów FRP pod względem moż- liwości zastosowania ich do wzmacniania konstrukcji żelbetowych. Jako kryteria oceny włókien zatopionych w matrycy, przyjęto między innymi: wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na ściskanie, moduł sprężystości, wytrzymałość zmęczeniową, gęstość objętościową, a także koszty aplikacji. Na podstawie przeprowadzonej analizy stworzono ranking materiałów FRP. Na pierwszym miejscu znalazły się kompozyty węglowe – CFRP, natomiast na kolejnych odpowiednio: aramidowe – AFRP i szklane – GFRP.
Na schemacie na rysunku 1 przedstawiono klasyfikację materiałów kompozytowych FRP, pozwalającą na łatwy przegląd ich zastosowania w inżynierii budowlanej.
Rys. 1. Klasyfikacja materiałów kompozytowych FRP
Wzmacnianie słupów żelbetowych 3.
Metoda wzmacniania słupów żelbetowych poprzez owijanie zewnętrznym płaszczem kompozytowym FRP, pod względem swojej podstawowej koncepcji, odpowiada sto- sowaniu w słupach krępych uzwojenia jako wewnętrznego zbrojenia poprzecznego.
Uzwojenie powoduje powstanie w przekroju poprzecznym ściskanych elementów, trójo- siowego stanu naprężeń i ograniczenie przyrostu odkształceń poprzecznych. Zasadnicza różnica pomiędzy elementami uzwojonymi wewnętrzną spiralą stalową i zewnętrznym płaszczem FRP, polega na tym, że w tym drugim przypadku wzmocnieniu podlega cały przekrój poprzeczny a materiał kompozytowy wykazuje sprężysty charakter pracy, aż do zniszczenia (fot. 2). Natomiast w przypadku uzwojenia stalowego, ograniczone jest ono do rdzenia przekroju poprzecznego a stal, po osiągnięciu granicy plastyczności wykazuje przyrost odkształceń przy stałym poziomie naprężeń.
Rezultaty dotychczasowych wyników badań pokazują, że metoda wzmacniania ściskanych elementów żelbetowych poprzez doklejanie do nich materiałów kompozy- towych wpływa na przyrost ich nośności granicznej, a także na poprawę właściwości
Fibre Reinforced Polymers (FRP) – tworzywa sztuczne wzmocnione wáóknami Niemetaliczne wáókna (szklane, wĊglowe, aramidowe)
Matryca cementowa Matryca polimerowa
(poliester, klej)
Elementy giĊtkie Elementy sztywne
TaĞmy Profile
Paski, ksztaátki,
áupiny Panele
wielowarstwowe PrĊty i kable Techniki poáączeĔ
Maty Czujniki
Wzmacnianie betonu
Naprawa i wzmacnianie
istniejących elementów
Nowe konstrukcje
hybrydowe Nowe konstrukcje kompozytowe
Krótkie wáókna Sáupy
Tkaniny
wzmacniające Belki
PrĊty i kable Páyty
SprĊĪenia
Fot. 2. Obraz zniszczenia słupów żelbetowych wzmocnionych zewnętrznym płaszczem FRP Analizując wyniki badań oraz przyglądając się zrealizowanym inwestycjom należy pamiętać, że warunkiem koniecznym, gwarantującym skuteczność metody jest prze- strzeganie reżimów technologicznych i jakościowych aplikacji systemu. W szczególności w pracach na budowie, gdzie należy zagwarantować spełnienie wszystkich wymogów dla skomplikowanych prac wzmacniających.
Wykazano, że o stopniu wzmocnienia elementów decydują przede wszystkim:
liczba warstw zbrojenia uzwajającego, kształt przekroju poprzecznego oraz rodzaj maty kompozytowej. Najkorzystniejsze rezultaty wzmocnienia obserwowano dla próbek wal- cowych owiniętych kilkukrotnie matą CFRP, spowodowane to było tym, że uzwojenie zewnętrzne powodowało powstawanie w przekroju poprzecznym próbek trójosiowego stanu naprężeń i ograniczenie przyrostu odkształceń poprzecznych. Mniejsze efekty uzyskano dla elementów o przekrojach czworokątnych – kwadratowym i prostokątnym.
Jednakże, dla tego pierwszego typu elementów wykazano, że przyrost nośności zależy od wartości promienia wyokrąglenia naroży. Wraz ze zbliżaniem się do przekroju okrągłego, korzyści ze wzmocnienia są coraz bardziej widoczne. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że w praktyce inżynierskiej, trudność polega na wykonaniu dużych promieni wyokrą- glenia naroży we wzmacnianych słupach o przekrojach czworokątnych. Niejednokrotnie, możliwe jest jedynie niewielkie sfazowanie krawędzi rzędu 10-20 mm.
Badania próbek wstępnie obciążonych i zniszczonych przed wzmocnieniem po- kazały, że jedyne efekty wstępnego obciążania są widoczne w zmniejszeniu wartości modułu sprężystości betonu w słupach po wzmocnieniu. Nie ma ono istotnego wpływu na szybkość przyrostu odkształceń, a w niewielkim stopniu powoduje przyrost nośności i odkształceń granicznych. Wynika stąd, że konieczne stało się opracowanie rozwiązania mającego na celu zwiększenia sztywności podłużnej zniszczonych elementów poddawa- nych wzmocnieniu.
Propozycją własną rozwiązania tego problemu jest zastosowanie podłużnego wzmoc- nienia kompozytowego w postaci doklejanych odcinków taśmy CFRP.
3.1. Badania własne – wprowadzenie
W roku 2001 w Instytucie Budownictwa Politechniki Wrocławskiej podjęto badania mające na celu wykazanie skuteczności wzmacniania ściskanych słupów żelbetowych podłużnym i poprzecznym zbrojeniem kompozytowym [4, 5, 6, 9, 10, 11]. Celem podjętych badań było określenie wpływu intensywności wzmocnienia podłużnego, sposobu kształtowania wzmocnienia poprzecznego (płaszcz lub opaski z maty), a także wpływu poszczególnych składników wzmocnienia (podłużnego i poprzecznego) na cechy odkształcalnościowe i nośność elementów badawczych. Oceniono również, czy podłużne wzmocnienie ze- wnętrzne współdziała z betonem i stalą w przenoszeniu naprężeń ściskających.
W planowaniu badań doświadczalnych rozważane były następujące rozwiązania wzmocnień:
poprzez przyklejanie zewnętrzne podłużnych taśm,
• poprzez przyklejanie zewnętrzne podłużnych taśm i poprzecznych obejm z maty,
•
poprzez przyklejanie zewnętrzne podłużnych taśm i owinięcie ciągłym płaszczem
• z maty,
poprzez przyklejanie poprzecznych obejm z maty,
• poprzez owinięcie ciągłym płaszczem z maty,
•
poprzez wklejanie wewnętrzne podłużnych taśm,
•
poprzez wklejanie wewnętrzne podłużnych taśm i przyklejanie zewnętrzne poprzecz-
•
nych obejm z maty,
poprzez wklejanie wewnętrzne podłużnych taśm i owinięcie ciągłym płaszczem
• z maty.
3.2. Badania własne – omówienie wyników badań
Pierwszy etap badań doświadczalnych obejmował 3 elementy i potraktowano go, jako rozpoznanie tematu. Sposób wzmocnienia elementów zaczerpnięto z rozwiązań prezen- towanych w materiałach informacyjnych systemu [1]. Doraźnemu ściskaniu osiowemu a) wzmocnienie wewnętrzne podłużnymi taśmami
b) wzmocnienie zewnętrzne podłużnymi taśmami
poddano jeden element bez wzmocnienia (kontrolny), jeden element wzmocniony poprzez wklejanie wewnętrzne podłużnych taśm (fot. 3-a) oraz jeden element wzmocniony poprzez przyklejanie zewnętrzne podłużnych taśm (fot. 3-b).
Zaproponowane w [1] wzmacnianie słupów żelbetowych w postaci wklejanych i przy- klejanych podłużnych odcinków taśm z włókien węglowych jest niedostateczne. Zastosowana intensywność wzmocnienia nie ma zasadniczego wpływu na nośność graniczną i cechy od- kształcalnościowe elementów. W związku z tym należy krytycznie ocenić niektóre aplikacje, prezentowane w materiałach informacyjnych producentów systemów wzmocnień.
W przypadku elementów o przekrojach czworokątnych należałoby poszukiwać roz- wiązań polegających na zwiększaniu intensywności podłużnego wzmocnienia (zbrojenia) CFRP. Wzmocnieniu zewnętrznemu powinno towarzyszyć zbrojenie obwodowe zapobie- gające odspajaniu się zbrojenia zewnętrznego. Zwiększanie intensywności wzmocnienia wewnętrznego pociąga za sobą decyzję o świadomym osłabianiu elementu (np. poprzez przecinanie stalowych strzemion), co należy uznać za niekorzystne i niebezpieczne.
Fot. 4. Elementy badawcze na stanowisku – etap IIa
W kolejnym etapie badań (IIa) doraźnemu ściskaniu osiowemu poddano 12 modelo- wych elementów żelbetowych w dwóch seriach. Pierwsza seria składała się z pięciu słupów o różnej intensywności wzmocnienia podłużnymi taśmami CFRP, druga seria składała się natomiast z pięciu słupów o różnej intensywności wzmocnienia podłużnymi taśmami
Fot. 5. Elementy badawcze na stanowisku – etap IIb
CFRP oraz wzmocnionych zewnętrznymi obejmami z maty CFRP (fot. 4). Dodatkowo zbadano dwa elementy bez wzmocnienia (kontrolne).
Kolejny etap (IIb) stanowił kontynuację rozpoczętych badań. Program badań do- świadczalnych objął 7 modelowych elementów żelbetowych wzmocnionych kompozytami CFRP i dwa elementy kontrolne bez wzmocnienia (fot. 5). Słupy różniły się sposobem skonstruowania wzmocnienia zewnętrznego: poprzez przyklejanie zewnętrzne podłuż- nych taśm, poprzez przyklejanie poprzecznych obejm z maty oraz poprzez przyklejanie zewnętrzne podłużnych taśm i poprzecznych obejm z maty.
Wykonane badania pokazały, że słupy wzmocnione jedynie podłużnymi odcinkami taśm CFRP niszczyły się poprzez gwałtowne odspojenie się taśmy i zmiażdżenie betonu w strefie delaminacji. Zastosowanie wzmocnienia w postaci samych podłużnych odcinków taśm CFRP powoduje, co prawda przyrost nośności granicznej, ale nie jest skuteczne, gdyż prowadzi do zbyt wczesnego odspojenia się taśmy do elementu.
Zastosowanie wzmacniania podłużnego poprzez doklejenie odcinków taśmy CFRP zwiększa sztywność podłużną słupów, co w konsekwencji powoduje zmniejszenie szyb- kości przyrostu odkształceń podłużnych w stosunku do elementów kontrolnych, przy jednakowych przyrostach siły podłużnej. Obecność podłużnego wzmocnienia CFRP prowadzi do przyrostu modułu sprężystości podłużnej w stosunku od analogicznych elementów bez wzmocnienia, na tym samym poziomie wytężenia betonu, równym około 0,3 fcm,cube.
Zwiększanie intensywności wzmocnienia podłużnego, powoduje przyrost nośności granicznej słupów pod warunkiem, że towarzyszy mu kompozytowe zbrojenie obwodo- we. Elementy bez kompozytowego zbrojenia poprzecznego wykazują mniejszy przyrost nośności w stosunku do odpowiednich elementów ze wzmocnieniem poprzecznym.
Odkształcenia podłużne: betonu, prętów zbrojenia podłużnego i taśmy oraz odkształ- cenia poprzeczne: betonu, taśmy i maty dla danego poziomu obciążenia są stałe. Świadczy to o tym, że podłużne i poprzeczne zbrojenie kompozytowe współdziała z betonem i stalą w przenoszeniu naprężeń ściskających
Fot. 6. Przygotowanie elementów badawczych – etap III
Stwierdzono, że dla czworokątnych słupów wzmacnianych podłużnymi odcinkami taśm i poprzecznymi obejmami z maty CFRP intensywność wzmocnienia podłużnego nie ma wpływu na wartość podłużnych odkształceń granicznych, ma za to wpływ na
Fot. 7. Obraz zniszczenia elementów badawczych – etap III
Uzyskane wyniki badań na elementach modelowych potwierdzono w kolejnym etapie badań (III) na elementach w skali pół-technicznej (fot. 7).
3.3. Kierunki dalszych badań własnych
Przeważająca większość badań została zrealizowana pod obciążeniem doraźnym, w sta- łych warunkach termiczno-wilgotnościowych, w typowych warunkach laboratoryjnych.
Popularyzacja systemu wzmacniania konstrukcji inżynierskich za pomocą materiałów kompozytowych CFRP oraz coraz więcej praktycznych aplikacji inżynierskich wymaga zastanowienia się na trwałością tej technologii. Niestety, nieznany jest wpływ zmiennej temperatury, parametrów reologicznych, czasu trwania obciążenia i innych parametrów środowiskowych na niezawodność systemu.
W realizowanych badaniach własnych prowadzona jest analiza wpływu intensyw- ności wzmocnienia poprzecznego i temperatury na odkształcenia reologiczne i nośność, ściskanych elementów betonowych wzmacnianych matą CFRP [2, 8].
4. Podsumowanie
Jak pokazano, materiały kompozytowe FRP znalazły doskonałe zastosowanie we współ- czesnej inżynierii budowlanej. Począwszy do pierwszych wzmocnień w elementach zgina- nych, poprzez elementy poddane działaniu sił poprzecznych i skręcaniu, a zakończywszy na elementach ściskanych. Kompozyty węglowe – CFRP, aramidowe – AFRP i szklane GFRP stosowane są z powodzeniem do wzmacniania konstrukcji z betonu, konstrukcji drewnianych, murowych i stalowych.
Metoda wzmacniania słupów żelbetowych, pomimo że znalazła już swoje zastoso- wanie w praktyce inżynierskiej, wymaga jeszcze wielu lat prac badawczych zarówno doświadczalnych, jak i teoretycznych. Każde kolejne wyniki badań i analiz powodują ulepszenie systemu oraz przybliżają nas do powstania pierwszych polskich wytycznych normowych do projektowania tego typu wzmocnień.
Literatura
Design Guide Line for S&P FRP Systems. Materiały informacyjne firmy S&P Reinforcement, 2002.
[1]
Kamiński M., Trapko T., Musiał M.: Rheological strains of the compressed concrete elements strength- [2] ened by CFRP materials.W: Fiber-reinforced polymer reinforcement for concrete structures. Proceed- ings of the 8th International Symposium on Fiber-Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures, Patras, Greece, July 16-18, 2007. Ed. by T. C. Triantafillou. Patras, University of Patras.
Referat zamieszczony na CD-ROM-ie załączonym do książki streszczeń.
Kamiński M., Trapko T., Bywalski Cz.: Weryfikacja i modyfikacja modeli teoretycznych do wymiaro- [3]
wania elementów ściskanych wzmacnianych materiałami FRP.W: Materiały kompozytowe w budow- nictwie mostowym. Referety z konferencji naukowo-technicznej. Łódź : Wydaw. PŁódz., 2006.
Kamiński M., Trapko T.: Experimental behaviour of reinforced concrete column models strengthened [4] by CFRP materials. Journal of Civil Engineering and Management. 2006 vol. 12, nr 2.
Kamiński M., Trapko T.: O efektywności zbrojenia materiałami kompozytowymi CFRP mimośrodowo [5] ściskanych słupów żelbetowych. Inżynieria i Budownictwo. 2006 R. 62, nr 1.
Kamiński M., Trapko T.: Metodyka badań ściskanych elementów żelbetowych wzmacnianych taśmami [6] i matami CFRP.W: Badania materiałów budowlanych i konstrukcji inżynierskich. Praca zbiorowa pod
red. Mieczysława Kamińskiego [i in.]. Wrocław: Dolnośl. Wydaw. Edukacyjne, 2004.
Keller T.: Use of fibre reinforced polymers in bridge construction, Structural Engineering Documents, [7]
IABSE, No. 7, Switzerland, 2003.
Trapko T.: Badanie cech reologicznych ściskanych elementów betonowych wzmacnianych materiałami [8]
kompozytowymi CFRP. W: Dni betonu. Tradycja i nowoczesność. Konferencja, Wisła, 9-11 października 2006. Kraków: Polski Cement, 2006.
Trapko T.: Modele teoretyczne do wymiarowania słupów żelbetowych wzmacnianych materiałami FRP.
[9] Zeszyty Naukowe – Politechnika Śląska. Budownictwo. 2004 z. 102. Referat z Konferencji Naukowej Doktorantów Wydziałów Budownictwa. Wisła, 18-19 listopada 2004.
Trapko T.: Badanie nośności słupów żelbetowych wzmacnianych taśmami i matami z włókien wę- [10]
glowych. Zeszyty Naukowe – Politechnika Śląska. Budownictwo. 2003 z. 101. Referat z Konferencji Naukowej Doktorantów Wydziałów Budownictwa. Wisła, 20-21 listopada 2003.
Trapko T.: Nośność żelbetowych słupów wzmacnianych taśmami i matami z włókien węglowych.
[11]
Raporty Inst. Bud. PWroc. 2004 Ser. PRE nr 22. Rozprawa doktorska Politechnika Wrocławska, Instytut Budownictwa, Wrocław. Promotor: prof. dr hab. inż. Mieczysław Kamiński.
