14_tk_ii_2013_frp_color.pdf

1OJAANJA POLIMERIMA ARMIRANIM VLAKNIMA

TRAJNOST KONSTRUKCIJA II


POLIMERNI MATERIJALI OJAANI VLAKNIMA (FRP)

Osnovna obiljeja: Polimerni materijali ojaani vlaknima sastoje se od

matrice koja je polimerna, Materijal niskog modula elastinosti i male vrstoe

vlaknastog ojaala Vlakna posjeduju velike module elastinosti i visoke vrstoe

i prijelaznog podruja. Koje prua kemijsku i fiziku vezu izmeu vlakana i matrice, radi to

boljeg sprezanja, ime se naprezanja ravnomjerno rasporeuju po matrici i prenose do vlakana.

Usljed naprezanja matrica prenosi i raspodijeluje optereenja na vlakna, inei tako kompozit visoke vrstoe i visokog modula elastinosti.


POLIMERNI MATERIJALI OJAANI VLAKNIMA (FRP)

Specifina vrstoa/specifina krutost polimernih kompozita:


PREDNOSTI FRP Omjer vrstoe i vlastite teine je 40 do 50 puta vei nego kod elika manja

teina smanjeni troak prijevoza materijala ugradba moe biti znatno jednostavnija.

Relativno velika specifina vrstoa i modul elastinosti,

Postojanost na veinu kiselina i luina, u velikom broju sluajeva nisu podloni koroziji,

Velike mogunosti priguenja vibracija,

Lako se oblikuju,

Otporni su na zamor,

Dobra otpornost na habanje,

Relativno niska cijena proizvodnje i prerade,

Standardizirana industrijska proizvodnja te mogunost bre ugradnje na gradilitu bez potrebe za tekom mehanizacijom.

2TRAJNOST KONSTRUKCIJA II

NEDOSTACI FRP osjetljivost na raslojavanje i mrvljenje neplastinost mogunost irenja pukotina du vlakana anizotropna svojstva zaostala naprezanja u matrici visoka cijena visokovrijednih vlakana smanjuje podruje primjene.


VLAKNA Da bi postigli bolja mehanika svojstva FRP-a, vrlo bitan faktor je omjer

volumena i obodne povrine vlakna. to je vea obodna povrina moemo poveati i optereenje.

Vlakna mogu biti beskonano duga tj. kontinuirana ili kratka tj. diskontinuirana

Promjer vlakana (ice, niti, viskeri) moe se kretati od 1m do 1 mm. Danas su uobiajeni promjeri vlakanaca od 3 do 30 m.

Volumni udio vlakana moe iznositi 70% i vie

Vlakna moraju imati vei modul elastinosti i vlanu vrstou nego matrica.

Da bi poboljali svojstva i funkciju vlakana provodi se povrinska obrada zatitnim premazom, te fizikalna i kemijska naknadna obrada u cilju poboljanja adhezije tj. prianjanja izmeu vlakana i matrice.


VLAKNA Jednosmjerna kontinuirana vlakna se primjenjuju za izradu proizvoda kod kojih

se eli postii bolja mehanika svojstva u jednom smjeru imaju optimalnu vrstou i krutost kad je optereenje u jednom smjeru anizotropan kompozit

Kod ortogonalnih, viesmjernih i sluajno usmjerenih vlakana izraenija izotropna svojstva kad elimo postii jednolinija svojstva kompozita ali na taj nain smanjujemo maksimalnu vrstou.

Aramidna vlaknaUgljina vlaknaStaklena vlaknaTRAJNOST KONSTRUKCIJA II

POLIMERNA MATRICA Slui da bi povezala vlakna i vanjsko naprezanje prenila na vlakna. Materijal matrice mora bit duktilan tj. mora imati svojstvo podnijeti plastine

deformacije bez loma.

Nadalje, matrica titi vlakna od povrinskih optereenja koja mogu nastupiti radi mehanike abrazije ili kemijskih reakcija iz okoline. Ako nastupi povrinsko oteenje moe doi do odvajanja matrice od vlakana te zbog

relativne mekoe matrice omoguuje vlaknima krhki lom od vlakna do vlakna, to moe imati katastrofalne posljedice tj. rezultirati lomom.

Matrica ustvari slui kao prepreka napredovanju pukotina. ak i ako na jednom mjestu doe do pucanja okolnih vlakana ne mora doi do loma

cijelog kompozita, vano je da su adhezijske veze izmeu vlakana i matrice dostatne da umanje izvlaenje vlakana.

vrstoa povezivanja je vana pretpostavka pri odabiru vrste matrice i vlakana.

Svojom duktilnou matrica poveava ilavost kompozita. Ona zajedno s vlaknima osigurava kemijsku i termalnu postojanost.


PRIJELAZNO PODRUJE Granina povrina ima zadatak prenositi optereenja s polimerne osnove na

vlakna za ojaanje.

Za homogenizaciju nastalog kompozita vana je kompatibilnost matrice i ojaala, a vrlo esto se koristi organska matrica s anorganskim ojaalom (staklo).

U takvim sluajevima kako bi se postigla bolja prionljivost matrice i ojaala, staklena se vlakna obrauju odreenim organskim tvarima, najee silanima, to dovodi do reakcije izmeu matrice i sredstva za prionljivost i do stvaranja meusloja.

Mikroskopski prikaz meusloja u polimernom kompozitu (polipropilenska matrica i obraeno stakleno vlakno)


KARAKTERISTINI FRP MATERIJALI

polimerni materijali ojaani staklenim vlaknima Zbog svojstva negorivosti primjenjuju se tamo gdje mogu biti izloena

velikim temperaturama. Mana im je nizak modul elastinosti ime je njihova primjena ograniena.

polimerni materijali ojaani ugljinim vlaknima Otpornosti na visoke temperature je ak vea od staklenih vlakana. Pritom

ne dolazi do deformacija ili slabljenja vlane vrstoe.

Slabe karakteristike ugljinih vlakana su njihova velika gustoa i krhkost. polimerni materijali ojaani aramidnim vlaknima

U usporedbi s ostalim polimernim materijalima aramidna vlakna imaju veu vlanu vrstou ali im je loije ponaanje pri pritisku odnosno tlanim naprezanjima.

Imaju malu gustou, otporna su na rezanje, poar, kemikalije.


KARAKTERISTINI FRP MATERIJALI

Osnovna svojstva FRP materijala


FRP SUSTAVI FRP sustavi za mokro polaganje

Tkanina ili folija sa vlaknima se na mjestu ugradnje impregnira polimernom smolom

FRP sustavi za suhu montau tj. predgotovljeni FRP kompoziti Predgotovljena lamelirana folija, mreica ili ljuska za zakrivljene elemente

ipkasti FRP sustavi Predgotovljene ipke ugrauju se u izdubljene utore, koji se naknadno zapune mortom

ili epoksidnom smolom

prednapeti FRP sustavi Trake od aramidnih vlakana i laminati od karbonskih vlakana

FRP folije i trake GFRP su pogodne za sanacije povijesnih graevina i zidanih elemenata, AFRP za

ojaanja protiv udarnih optereenja


FRP SUSTAVI FRP lamele

Vlakanca postavljena u jednom uzdunom smjeru, meusobno slijepljena odgovarajuim epoksidnim sredstvom.

irine 50 150 mm, debljine 1,2 1,4 mm E = 165 000 300 000 N/mm2

Vlana vrstoa 2500 3100 N/mm2

FRP tkanine Dobivaju se tkanjem konaca formiranih od vlakanaca, mogu

biti nosive u jednom ili vie smjerova ovisno o tkanju

Puno manje debljine, npr. 0,053 0,48 mm E = 70 000 330 000 N/mm2

Vlana vrstoa 2560 4800 N/mm2

lamela s karbonskim vlakancima u jednom smjeru, impregnirana

epoksi smolom i zatiena plastinom folijom

Tkanina s karbonskim vlaknima u dva smjera


USPOREDBA FRP I ELIKA Do nedavno primjenjivale su se nalijepljene

eline lamele za poveanje nosivosti ab i pb elemenata te zbog potrebe zadovoljavanja graninog stanja uporabivosti (pukotine, progibi).

Tehnologija je vrlo brza i jednostavna, uz minimalno poveanje teine i dimenzija.

Meutim, primijeeno je da takve lamele, osobito u agresivnoj sredini, poinju nakon dueg ili kraeg vremena, ovisno o zatiti, korodirati, to se negativno reflektira na prionljivost betona i lamele, odnosno ljepila koje je obino epoksidna smola.

Najee su posljedice ove pojave odvajanje lamele od betona, ime se gubi predviena svrha ojaanja.

Ojaanje grede elinim ploama

Ojaanje grede FRP lamelama

Ojaanje grede FRP tkaninom


USPOREDBA FRP I ELIKA Osim to su teke, eline lamele se

proizvode ograniene duljine, pa se ponekad moraju nastavljati, to je takoer jedan od nedostataka zbog kojih se sve manje primjenjuju.

Usporeujui sa elikom FRP ima

malu teinu (etvrtinu elika),

visoku vrstou (do 5500 N/mm) te

odlinu otpornost na koroziju.

ilav je materijal sa boljim termikim svojstvima,

odlian priguiva

te je dobre otpornosti na umor.

Ojaanje grede elinim ploama

Ojaanje grede FRP lamelama

Ojaanje grede FRP tkaninom

USPOREDBA FRP I ELIKA

Dijagram naprezanje-deformacija kod jednoosnog vlaka za razliite materijale

od FRP-a i elinih lamela

Usporedba mehanikih svojstava FRP-a i

elika

5PODRUJE PRIMJENE FRP TRAKA I LAMELA

na stupovima poveava se duktilnost, otpornost na savijanje, izvijanje, posmik i potres,

na zidovima poveava se otpornost na savijanje u i izvan ravnine, posmik i tlak,

na gredama poveava se otpornost na savijanje, posmik, duktilnost, smanjuju se progibi i pomaci te se ograniava pucanje.

PODRUJE PRIMJENE FRP TRAKA I LAMELA vrstoa na savijanje konstruktivnih elemenata

pojaava se lijepljenjem FRP traka u vlanu zonu. Trake preuzimaju dio vlanog naprezanja kao elik pa se kod raunanja nosivosti

elementa mora uzeti u obzir doprinos elika i FRP-a. Tehnologija je vrlo brza i jednostavna, uz minimalno poveanje teine i dimenzija.

Posmina vrstoa se poveava lijepljenjem FRP lamela ili traka na stranice greda (S), u obliku slova U (U) ili omatanjem oko grede (W)

PODRUJE PRIMJENE FRP TRAKA I LAMELA Otpornost na izvijanje

se moe poboljati koritenjem FRP-a. Iako kod FRP-a dolazi do izvijanja pri relativno malim optereenjima, kad je stup

njime omotan

poveava mu se vrstoa, duktilnost te ga zbog velikog modula elastinosti ini otpornijim na potresno optereenje.

Ojaanja u zgradama Popularna zbog lagane izvedbe u ogranienim i zatvorenim

prostorijama.

Uzrokuje minimalno potrebnu okupiranost prostora i ne izaziva stres kod korisnika zgrade.

Vie kao prevencija nakon pojave inicijalnih pukotina, a manje u ojaavanju oteanih ili slabih elemenata.

Ojaanje balkonske ploe zbog nedovoljne povrine postavljene armature

Sanacija oteene ab stropne ploe

Postavljanje lamela za ojaanje zida

Ojaanje stropa bez micanja instalacija

6Ojaanja rasponskih sklopova mostova da bi se omoguilo vee prometno optereenje bez posminog probijanja da bi se poveala postojea koliina uzdune armature u ploi

1. Metoda: materijal se postavlja kontinuirano, tako da se susjedne tkanine preklapaju te da izmeu njih ne ostane nepokriveni beton.

2. Sho-Bond metoda: tkanine su postavljene tako da ine reetkasti uzorak. Na taj nain se moe promatrati eventualno budue irenje pukotina te je omogueno

otjecanje vode koja je prodrla kroz betonsku plou.

Otjecanje vode je vrlo bitno jer zadravanjem voda uzrokuje oteenje i ljutenje betona.

U ovoj metodi se koriste dvije komponente razliitih boja. Kada smola doe u kontakt sa tkaninom promjeni boju. To je indikator da je dolo do meusobnog mijeanja.

Ojaanja stupova mostova Poprena armatura stupova slui za

prihvaanje poprenih sila, pridranje glavne uzdune armature od izvijanja te za ovijanje betonske jezgre, kako bi se poboljala nosivost i

deformabilnost.

U nedostatku poprene armature za ovijanje, FRP-om se poveava duktilnost stupova u seizmikim podrujima

1. Metoda omatanja vrpci: nanoenje vrpci u jednom smjeru na stup ojaan vlaknima u

uzdunom smjeru. Sve skupa se oblae nekim materijalom otpornim na poar kao to

je cementni mort, kalcijev silikat ili neki slini polimer otporan na visoke temperature.

Vlakna u uzdunom smjeru poveavaju otpornost na savijanje, a vrpce predstavljaju armaturu za ovijanje (vilice).

2. Metoda lijepljenja tkanine nanoenje traka ili tkanina oko ili uzdu stupa u slojevima sve dok

se ne postigne dovoljna debljina

Ojaanja tunela Kod tunela problem predstavljaju oteenja i pomaci unutarnjih obloga te prodor podzemnih

vode.

Iako postoje razne metode popravaka tunela (stijenska sidra, obloge na bazi torkreta, elini okviri), razvijaju se u novije vrijeme i brze metode kao to je postavljanje FRP-a, pogotovo kod eljeznikih tunela.

Primjenjuju se trake od ugljinih vlakanaca koje se postavljaju na pripremljenu podlogu i impregniraju smolom na bazi epoksida.

Prednost primjene FRP tkanina pred drugim metodama je lakoa i brzina montae te mogunost izvoenja montae uz minimalno ometanje prometa.

Priprema povrine ispunjavanjem pukotina injektiranjem smole i

bruenjem

Postavljanje FRP plahti u transverzalnom smjeru uzdu

luka tunela

Postavljanje drugog sloja ojaanja okomito

na prvi

Ojaanja dimnjaka Dimnjaci su visoke i vitke konstrukcije. Iz tih razloga su razliiti

dijelovi odnosno razine dimnjaka izloeni raznim tetnim utjecajima: kii, vjetru, smogu, termalnim promjenama, suncu, ledu, kondenzaciji, ispunim plinovima

Najea oteenja i problemi dimnjaka su erozija cementa, penetracija vode, sulfatna korozija, pukotine zbog temperaturnih razlika te procesa smrzavanja i odmrzavanja, popustljivost povrine, gubitak alkaliniteta.

Slino kao kod stupova, nakon postavljanja u longitudinalnom smjeru tkanina se omotava CFRP vrpcama. Nakon toga se nanosi protupoarni materijal.

micanje ljestvi te popravak i priprema betona za postavljanje tkanine nanoenje smole

Postavljanje CFRP tkanine i protupoarnog materijala

Postavljanje ljestvi

7PRIMJER OJAANJA GREDE U ZGRADI POLIMEROM ARMIRANIM UGLJINIM

VLAKNIMA


DIMENZIJE GREDE I SVOJSTVA MATERIJALA


KORACI DIMENZIONIRANJA1. GRANINI PRORAUNSKI MOMENT SAVIJANJA, Msd2. OTPORNOST NA SAVIJANJE ZA RAVNOTENO

STANJE, MRd

3. USPOREDBA MOMENTA SAVIJANJA I NOSIVOSTI

4. POVRINA CFRP-A, Af5. DULJINA SIDRENJA

6. POSMINO NAPREZANJE

7. NAPREZANJA MATERIJALA PRI UPORABNIM OPTEREENJIMA


1. GRANINI PRORAUNSKI MOMENT SAVIJANJA, Msd


2. OTPORNOST NA SAVIJANJE ZA RAVNOTENO STANJE, MRd

+1

(Na mjestu lijepljenja traka na beton, na dnu betonske grede)





Modeli otkazivanja grede ojaane FRP lamelom


4. POVRINA CFRP-A, Afa) Moment tromosti postojeeg presjeka


4. POVRINA CFRP-A, Afb) Poetna deformacija u betonu


4. POVRINA CFRP-A, Afc) Granina deformacija betona

(ojaanog presjeka)

xkdz a

(manja je od proraunske deformacije CFRP)


4. POVRINA CFRP-A, Afd)Naprezanje u FRP lameli e)Sila u FRP-u f)Povrina FRP-a


5. DULJINA SIDRENJAa) Moment tromosti ojaanog presjeka

10


5. DULJINA SIDRENJAb) Maksimalna vlana sila u FRP-u


5. DULJINA SIDRENJAc) Teoretska toka odvajanja trake


5. DULJINA SIDRENJAd) Duljina sidrenja


6. POSMINO NAPREZANJEa) Na kraju trake FRP

11


6. POSMINO NAPREZANJEb)Na mjestu maks. posmine sile gdje armat. elik poputa






7. NAPREZANJA MATERIJALA PRI UPORABNIM OPTEREENJIMA

a) Prije ojaanja

b) Poslije ojaanja

c) Ukupno naprezanje u materijalima

12

- kraj -


14_tk_ii_2013_frp_color.pdf

Documents