4 Grupa Robocza Wzmacnianie doklejonymi materiaami kompozytowymi FRP

4. Grupa Robocza Wzmacnianie doklejonymi materiałami kompozytowymi FRP Marek Łagoda Tomasz Wierzbicki

Metody wzmacniania konstrukcji 1. 2. 3. 4. Zwiększanie przekrojów; Zewnętrzne doprężanie konstrukcji; Zmiana schematu statycznego; Doklejanie elementów stalowych lub kompozytowych - EBR (Externally bonded reinforcement).

• Typowy obiekt przenoszący niewielkie obciążenia zmienne Q 1 i stałe G. • Przy maksymalnie możliwym odciążeniu następuje przyklejenie dodatkowego stalowego lub kompozytowego zewnętrznego zbrojenia. • Po stwardnieniu kleju następuje włączenie przyklejonego zbrojenia do współpracy ze wzmacnianą konstrukcją, która może przenosić znacznie większe obciążenia zmienne Q. Istota wzmacniania

Stosowanie kompozytów dla EBR Najważniejsze przyczyny, dla których przyklejone zewnętrznie elementy kompozytowe są coraz częściej stosowane do wzmacniania konstrukcji betonowych: bardzo wysoka wytrzymałość na rozciąganie (zarówno statyczna jak i długotrwała, praktycznie niezmienna w czasie); • bardzo wysoka wartość odkształceń granicznych; odporność na korozję; niska waga ( gęstość kompozytów jest równa mniej więcej ¼ gęstości stali);

cd. powodów: łatwiejsze stosowania w przestrzeni z ograniczonym dostępem (materiały w miejsce aplikacji mogą być dostarczane w formie zwiniętej); eliminacja ciężkich rusztowań (przy zastosowaniu kompozytów nie ma potrzeby wywierania nacisków, wymagających siłowników i mocnych punktów podparcia); redukcja kosztów materiałów pomocniczych, sprzętu i robocizny; szeroka gama dostępnych materiałów FRP; praktycznie nieograniczone możliwości projektowych wymiarów geometrycznych elementów wzmacniających.

Wady: kompozyty charakteryzują się brakiem zakresu plastycznego ich pracy; jednostkowy koszt materiałów jest dość wysoki; współczynniki rozszerzalności cieplnej materiałów FRP są niezgodne ze współczynnikami rozszerzalności cieplnej betonu; stosunkowo niska odporność kompozytów na wysokie temperatury może powodować przedwczesną degradację lokalną i całkowite zniszczenie konstrukcji (niektóre żywice epoxydowe zaczynają się zmiękczać już w temperaturze 45 -70°C).

Matryce najczęściej - żywice epoksydowe, utwardzane aminami lub anhydrytami. Funkcja matrycy: Ochrona włókien przeciw: 1) uszkodzeniom mechanicznym (otarcie), 2) przed środowiskową korozją, Związanie włókien, Równomierny rozkład obciążenia na wszystkie włókna, 1) Matryca ma bardzo istotny wpływ na właściwości mechaniczne kompozytów, takie jak: moduł sprężystości, wytrzymałość na rozciąganie, ścinanie i ściskanie, itp.

Włókna 1) 2) 3) 4) 5) Szklane: „E”- zawierają w swoim składzie kwas borny i gliniany, „S” - wyższa wytrzymałość na rozciąganie i wyższa sztywność , „AR” - zasado-odporne. aramidowe, węglowe.

Materiały kompozytowe FRP (ang. - Fibre Reinforced Polymers) Polimery zbrojone włóknami: • węglowymi CFRP (ang. - Carbon Fibre Reinforced Polymer), • szklanymi GFRP (ang. - Glass Fibre Reinforced Polymer), • aramidowymi AFRP (ang. - Aramid Fibre Reinforced Polymer).

Właściwości różnych włókien dla FRP Moduł sprężystości [MPa] Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Odkształcenia gr. przy rozciąganiu [%] Gęstość [g/cm 3] Współcz. roz. term. [10 -6/ºK] Włókna węglowe C Wysokiej wytrzymałości 215 -235 3500 -4800 1, 4 -2, 0 Osiowo Ultra wysokiej wytrzymałości 215 -235 3500 -6000 1, 5 -2, 3 0, 1÷ 1, 3 Wysoko modułowe 350 -500 0, 5 -0, 9 Ultra wysoko modułowe 500 -700 2500 -3100 2100 -2400 70 85 -90 1900 -3000 3, 0 -4, 5 3500 -4800 4, 5 -5, 5 70 -80 3500 -4100 4, 3 -5, 0 Materiał Włókna szklane „E” „AR” „S” Włókna aramidowe A Nisko modułowe Wysoko modułowe 115 -130 3500 -4000 1, 7 -1, 9 radialnie 18 0, 2 -0, 4 2, 5 -3, 5 2, 6 5 -6 1, 4 -3, 5

Produkty FRP Taśmy Łupiny Maty

Systemy wzmacniania Oparty na taśmach, Oparty na taśmach i matach; Oparty tylko na matach.

GR 4 Wzmacnianie doklejonymi materiałami kompozytowymi (FRP) Zadanie 4. 6: Zastosowanie wstępnie sprężonych, przyklejanych taśm FRP. Rozkład naprężeń w warstwie skleiny określony na podstawie doświadczeń oraz wyznaczony metodą elementów skończonych. Zadanie 4. 7: Zastosowanie taśm FRP pod obciążeniem statycznym i dynamicznym. Określenie zmian wytrzymałości betonu we wzmocnionych słupach podpór obiektów mostowych.

Browar Tychy. Dwadzieścia dźwigarów wzmocnionych metodą doklejenia wstępnie sprężonych taśm CFRP

Zarysowanie dźwigarów

Warunki prowadzenia prac • Prace wykonywane z lekkich pomostów (rys. 1). • Wszystkie roboty prowadzono bez zatrzymywania produkcji w browarze (rys. 2). Rys. 1. Rys. 2.

Zakotwienie bloków Montaż szczęk naciągowych Montaż bloku kotwiącego i taśmy Naciąganie taśm CFRP

Blokowanie wstępnie naprężonych taśm FRP

Zabezpieczanie powierzchniowe taśm CFRP

Analiza MES wstępnie sprężonego dźwigara betonowego q = 1 k. N/cm belka skleina Taśma P = 100 k. N a/2=190, 0 cm l/2=210, 0 cm Model 1 – obciążenie równomierne, ciągłe.

Analiza MES wstępnie sprężonego dźwigara betonowego P = 100 k. N Belka Skleina aśma P = 100 k. N Model 2 – obciążenie siłą skupioną

Zadanie 4. 7. Zastosowanie taśm FRP do wzmacniania słupów Słup żelbetowy Taśma o włóknach ułożonych pionowo (wyższa odporność na zginanie) Taśma o włóknach ułożonych poziomo (wyższa odporność na ścinanie i ściskanie) Wykończenie powierzchni (dowolny kolor)

Naprężenia i odkształcenia swobodnego oraz opasanego betonu Względne naprężenia osiowe c / f‘co Odkształcenia boczne εl / ε 0 Odkształcenia osiowe εc / ε co Swobodny Naprężenie boczne 1, 5 MPa Naprężenie boczne 4 MPa Naprężenie boczne 12 MPa CFRP 1 warswa CFRP 2 warstwy

Analiza MES ściskanego słupa betonowego o przekroju kołowym Ø 6 mm fabric q = 10 k. N/m 2 Ø 32, 2 cm Nr 2 Ø 8 mm l=94 cm 94100, 0 cm Nr 1 100, 0 cm Ø 38, 4 cm Nr 1

Analiza MES ściskanego słupa betonowego o przekroju kwadratowym Nr 1 Ø 6 mm Nr 2 Ø 8 mm l=94 cm 94100, 0 cm q = 10 k. N/m 2 Nr 1 100, 0 cm 38, 4 cm

Podsumowanie 1. Wyniki badań doświadczalnych i analiz teoretycznych (prezentowane już wcześniej w Warszawie i Brukseli) pozwoliły opracować technologię wstępnego naprężania taśm CFRP. 2. Technologia wstępnego naprężania taśm CFRP została pozytywnie zweryfikowana w praktyce. 3. Obecnie przygotowano modele dla analizy MES stanu naprężeń i odkształceń w poziomie skleiny. 4. Opracowane modele analizy MES pozwolą również w sposób analityczny określić pracę betonu opasanego kompozytami.