rezumat teza doctorat cazacu christiana

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV FACULTATEA DE CONSTRUCłII

CATEDRA CONSTRUCłII

Ing.dipl. Christiana Emilia GHEORGHIU (căs. CAZACU)

TEZĂ DE DOCTORAT REZUMAT

CERCETĂRI CU PRIVIRE LA COMPORTAREA ŞI CALCULUL ELEMENTELOR DE BETON ARMAT CONSOLIDATE CU

MATERIALE COMPOZITE DE TIP PAFC

A STUDY ON THE BEHAVIOR OF RC BEAMS REINFORCED WITH CFRP COMPOSITE MATERIALS

Conducător ştiinŃific:

Prof. univ. dr. ing. Atanasie TALPOŞI

Braşov

România

2011

Rezumat teză doctorat ing.dipl.Gheorghiu (căs.Cazacu) Cristiana Emilia

1

MINISTERUL EDUCAłIEI, CERCETARII TINERETULUI SI SPORTULUI UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV

BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525 RECTORAT

___________________________________________________________________

Către,

……………………………………………………………………………………………………...

Vă invităm să participaŃi la susŃinerea publică a tezei de doctorat intitulată:Cercetări cu

privire la comportarea şi calculul elementelor din beton armat consolidate cu materiale compozite de tip PAFC, elaborată de ing.GHEORGHIU (căs. CAZACU) Christiana Emilia în vederea obŃinerii titlului ştiinŃific de DOCTOR, în domeniul INGINERIA CIVILĂ. SusŃinerea publică se va desfăşura în ziua de 19.09.2011.ora 12.30, în AulaUniversităŃii, sala U I 2.

COMPONENłA

COMISIEI DE DOCTORAT Numită prin ordinul rectorului UniversităŃii Transilvania din Braşov

Nr. 4669 bis din 22.07. 2011

PREŞEDINTE: Conf. dr. ing. Nicolae DĂSCĂLESCU PRODECAN - Facultatea de ConstrucŃii Universitatea Transilvania din Braşov

CONDUCĂTOR ŞTIINłIFIC: Prof. univ. dr. ing. Atanasie TALPOŞI Universitatea Transilvania din Braşov

REFERENłI: Prof. dr. ing. Radu PASCU Universitatea Tehnica de Constructii Bucureşti

Conf. dr. ing. Dan GEORGESCU Universitatea Tehnica de Constructii Bucureşti

Prof. univ. dr. ing. Ioan TUNS Universitatea Transilvania din Braşov

Eventualele aprecieri sau observaŃii asupra conŃinutului lucrării vă rugăm să le transmiteŃi pe adresa UniversităŃii “Transilvania” din Braşov.

RECTOR, Prof. univ. dr. ing. Ion VIŞA SECRETAR DEP. DOCTORAT, Maria NICOLAE


2

INTRODUCERE

Cercetările privind rezistenŃa şi durabilitatea armăturilor pe bază de fibre polimerice

plastice au început încă din anii 1970 în S.U.A., Anglia, U.R.S.S. şi Japonia. Foarte multe structuri din beton armat, afectate de ioni clorhidrici, au fost deteriorate în

mod impresionant datorită coroziunii puternice a armăturii de oŃel. Această situaŃie s-a produs la o mulŃime de construcŃii din întreaga lume.

Sarea reprezintă o mare problemă, pentru construcŃiile din beton aflate în apropierea mărilor sau chiar în apa sărată a acestora (poduri).

Pentru rezolvarea acestei mari probleme de-a lungul timpului s-au efectuat diferite încercări şi experimente de laborator. S-a încercat realizarea de învelişuri pentru protecŃia betonului de natură catodică, îmbrăcarea sau tratarea armăturilor independente cu diferite materiale epoxidice şi multe alte metode. În timpul încercărilor s-a observat că folosirea armăturilor FRP (fibre polimerice plastice) este foarte bună deoarece aceste armături nu corodează într-un astfel de mediu.

La ora actuală în lume cererea pentru consolidări şi renovări de clădiri vechi este în continuă creştere şi reprezintă pentru ingineri o mare provocare. Se poate spune acest lucru deoarece studiind cazurile de consolidări de până acum observăm uşor că după consolidare unele structuri sunt supuse la încărcări şi eforturi mult mai mari şi mai diferite decât cele pentru care au fost calculate iniŃial la vremea construirii lor.

Există foarte multe metode de realizare a consolidărilor şi renovării, structurilor de beton şi beton armat, dar cea mai des folosită metodă, din punct de vedere al fibrelor compozite, până în momentul de faŃă, este utilizarea Ńesăturilor, plăcilor sau a benzilor din materiale compozite lipite pe suprafaŃa de beton deteriorată, cu ajutorul unor adezivi foarte rezistenŃi, ce au matricea de bază realizată din diferite răşini epoxidice speciale. Pentru realizarea acestei tehnici speciale de consolidare a structurilor de beton şi beton armat, sunt necesare ample cunoştinŃe despre comportarea în exploatare a celor două materiale folosite, dar şi a întregului sistem astfel rezultat.

În lucrarea de faŃă ne propunem să realizăm un studiu asupra influenŃei pe care o au materialele compozite (lamelele şi Ńesăturile carbonice) în urma aplicării lor pe suprafeŃele din beton.

În continuare vor fi prezentate atât studii teoretice şi experimentale, ale autoarei lucrării cât şi ale altor cercetători din România şi din străinătate. Septembrie, 2011 Ing.dipl.Gheorghiu (căs. Cazacu) Christiana Emilia


3

CUPRINS

Pg. Teză/ Pg.Rezumat CAPITOLUL 1 Stadiul actual al cercetărilor teoretice şi experimentale utilizând betoane 12/9 armate cu fibre. 1.1. Introducere în domeniul cunoaşterii betoanelor armate cu fibre-scurt istoric. 12/9

1.1.1. Beton şi beton armat. 12/9 1.1.2. Beton armat cu fibre din oŃel. 14/10 1.1.3. Beton armat cu fibre obŃinute din diferite materiale. 16/10 1.1.4. Repararea şi consolidarea elementelor de construcŃii. 17/11

CAPITOLUL 2 Principalele tipuri de fibre şi materiale PAF ce pot fi folosite pentru armarea şi 22/13 consolidarea elementelor de beton armat. 2.1. Introducere. 22/13 2.2. GeneralităŃi fibre şi materiale compozite. 23/13 2.3. Utilizarea materialelor compozite obŃinute pe bază de fibre (lamele, Ńesături) în consolidarea elementelor din beton. 26/15 2.3.1. Clasificarea materialelor compozite. 27/15 2.3.2. AplicaŃii directe ale materialelor compozite folosite în consolidarea structurilor de construcŃii. 32/17 2.4. Utilizarea barelor independente obŃinute din polimeri armaŃi cu fibre pentru armarea betonului. 36/ 2.5. Cauzele deteriorării materialelor compozite şi durabilitatea betoanelor armate sau consolidate cu acestea. 38/18 2.6. Comportarea la foc şi temperaturi ridicate a betoanelor armate sau consolidate materiale pe bază de fibre. 41/19 2.7. Comportarea betoanelor consolidate cu materiale compozite în medii agresive: apă sărată, medii puternic acide, îngheŃ/dezgheŃ, raze ultraviolete. 42/19 2.7.1. AcŃiunea apei asupra elementelor consolidate cu PAF. 42/19 2.7.2. AcŃiunea îngheŃ/dezgheŃ. 43/19 2.7.3. AcŃiunea acizilor şi a alcaliilor. 43/20 2.7.4. AcŃiunea razelor ultraviolete. 43/20 2.7.5. Concluzii. 44/20 CAPITOLUL 3 Cercetări teoretice privind calculul de rezistenŃă al grinzilor din beton armat. 45/21 3.1. GeneralităŃi. 45/21 3.2. Calculul momentului încovoietor capabil conform SR EN 1992-1. 48/22 3.2.1.Calculul momentului încovoietor capabil, conform SR EN 1992-1, aplicat pentru grinda de tip G1. 49/22 3.3. Calculul în secŃiuni înclinate la acŃiunea forŃei tăietoare conform SR EN 1992-1 51/23. 3.3.1. Calculul forŃei tăietoare conform SR EN 1992-1, pentru grinda de tip G1. 54/ 3.4. Verificarea săgeŃii prin calcul conform SR EN 1992-1. 56 3.5. Calculul elementelor structurale de beton armat consolidate cu materiale PAF. 58/24

3.5.1. Calculul momentului încovoietor capabil, pentru grinda de tip G2. 64/25 3.5.2. Determinarea capacităŃii la forŃă tăietoare a elementelor consolidate cu materiale de tip PAF. 68/26


4

3.5.3. Determinarea capacităŃii la forŃă tăietoare a grinzii de tip G2 consolidată la partea inferioară cu o lamelă de tip PAFC. 69/ 3.5.4. Determinarea capacităŃii la forŃă tăietoare a grinziilor de tip G3, G3b consolidate cu Ńesături de tip PAFC. 71/ 3.5.5. Determinarea capacităŃii la forŃă tăietoare a grinzii de tip G4 consolidată cu Ńesături de tip PAFC dispuse sub formă de U la 45º. 73/ 3.5.6. Determinarea capacităŃii la forŃă tăietoare a grinzii de tip G5 consolidată cu Ńesături de tip PAFC dispuse sub formă de U la ±45º. 74/ CAPITOLUL 4 Studii şi cercetări experimentale privind comportarea în exploatare a grinzilor din beton armat consolidate cu materiale de tip PAFC. 76/27 4.1. Scopul cercetărilor de laborator. 76/27 4.2. Programul experimental. 77/27 4.3. Caracteristicile materialelor folosite în experiment. 79/28

4.3.1. Betonul. 79/28 4.3.2. Armătura. 80/28 4.3.3. Lamelele şi Ńesăturile compozite. 81/28

4.4. Caracteristicile grinzilor experimentale şi modul de aplicare al încărcărilor. 83/29 4.5. Tehnologia de execuŃie a grinzilor studiate. 89/31 4.5.1.Aplicarea lamelelor SikaCarboDur, pe suprafaŃa grinzilor din beton. 91/32

4.5.2.Aplicarea Ńesăturilor SikaWrap230C, pe suprafaŃa grinzilordin beton. 93/32 4.6. Încercarea grinzilor. 95/ 4.6.1. Calculul momentului de rupere folosind forŃa maximă de rupere rezultată în urma experimentului de laborator. 134/ 4.7. Analiza rezultatelor obŃinute. 136/33

CAPITOLUL 5 Verificarea cu ajutorul elementelor finite a rezultatelor obŃinute experimental. 151/45 5.1. Introducere în programul de calcul folosit. 151/45 5.2. Studiul cu ajutorul elementelor finite a comportării grinzilor. 152/45 5.2.1. Caracteristicile materialelor folosite în experiment. 153/45 5.2.2. Grinzile studiate şi schemele de încărcare folosite. 154/45 5.2.3. Analiza grinzilor şi rezultalele obŃinute. 155/46 5.3. Fidelitatea cu care studiile teoretice refletă compotarea reală a elementelor de beton armat consolidate cu CFRP. 171/54

CAPITOLUL 6 Analiza studiilor şi cercetărilor teoretice şi experimentale cu privire la consolidarea grinzilor din beton armat cu PAFC. 175/ CAPITOLUL 7 Concluzii şi contribuŃii personale. 184/57 CAPITOLUL 8 8.1. Bibliografie. 191/62 8.2. Anexe: Anexa 1 Exemple de consolidări folosind materiale compozite. 197/ Anexa 2


5

Calculul reŃetei de preparare a betonului. 209/ Anexa 3 Analiza granulometrică prin cernere a agregatelor, folosite pentru prepararea betonului. 211/ Anexa 4 a)Lamele Sika CarboDur, Sistem de consolidare pe bază de fibre de carbon. 217/ b)Sikadur-30, adeziv pentru lamele din fibre de carbon. 222/ Anexa 5 a)Sika Wrap -230C, pânză din fibre de carbon, Ńesută pentru consolidări. 222/ b)Sikadur-330, răşină epoxidică bicomponentă de impregnare. 225/

NOTAłII PRINCIPALE Prescurtări PAF polimeri armaŃi cu fibre PAFS polimeri armaŃi cu fibre de sticlă PAFC polimeri armaŃi cu fibre de carbon PAFA polimeri armaŃi cu fibre de aramid SLS stări limită de exploatare SLU stări limită ultime Prescurtări din limba engleză FRP fiber reinforced polymer (polimeri armaŃi cu fibre) AFRP aramid fiber reinforced polymer (polimeri armaŃi cu fibre de aramid) CFRP carbon fiber reinforced polymer (polimeri armaŃi cu fibre de carbon) GFRP glass fiber reinforced polymer (polimeri armaŃi cu fibre de sticlă)

SIMBOLURI A. Majuscule latine A aria secŃiunii transversale de beton Ac aria secŃiunii transversale de beton Af aria de armătură compozită PAF As aria secŃiunii armăturilor pentru beton armat din zona întinsă A's aria secŃiunii armăturilor pentru beton armat din zona comprimată Asw aria tuturor ramurilor de armătură dintr-un plan transversal Ecm modulul de elasticitate secant al betonului la vârsta de 28 zile Ecd valoarea de calcul a modulului de elasticitate a betonului Ed valoarea de calcul al efortului secŃional Ed,dst solicitarea de calcul din acŃiunile de destabilizare Ed,stb solicitarea de calcul din acŃiunile de stabilitate Ef modulul de elasticitate al materialelor compozite Es valoarea de calcul a modulului de elasticitate al armăturilor pentru beton armat F valoarea de calcul a unei acŃiuni Fcd valoarea de calcul a forŃei de compresiune din beton în direcŃia axei longitudinale a elementului; Ff rezultanta eforturilor unitare din armătura Af Frep valoarea reprezentativă a acŃiunii Fs rezultanta eforturilor unitare din armătura As F's rezultanta eforturilor unitare din armătura A's Ftd valoarea de calcul a forŃei de întindere din armătura longitudinală


6

Kc coeficient care Ńine cont de calitatea betonului

Kf coeficient care Ńine cont de armătura compozită utilizată

Ks coeficient care Ńine cont de aria de armătură, As, a betonului Md valoarea de calcul a momentului de rupere MEds valoarea de calcul a momentului încovoietor N valoarea de calcul a forŃei axiale NEd valoarea de calcul a forŃei axiale P valoarea forŃei concentrate aplicată Rd valoarea de calcul al capacităŃii portante S distanŃa între cămăşile de armătură polimerică, atunci când toată grinda este îmbrăcată cu astfel de materiale TEd valoarea de calcul al momentului de torsiune VEd valoarea de calcul a forŃei tăietoare aplicate Vc valoarea de calcul a forŃei tăietoare preluată de beton Vd valoarea de calcul a forŃei tăietoare totală Vf valoarea de calcul a forŃei tăietoare preluată de materialul compozit Vs valoarea de calcul a forŃei tăietoare preluată de armătura din oŃel

KX valoarea caracteristică a rezistenŃei materialului B. Litere mici latine a distanŃă ad valoarea de calcul a caracteristicilor geometrice b caracteristica (lăŃimea) secŃiunii transversale de beton bf caracterictica (lăŃimea) secŃiunii transversale a materialului compozit bw lăŃimea minimă a secŃiunii în zona întinsă d latura secŃiunii transversale a elementului ds înălŃimea utilă a secŃiunii de beton ds

’ stratul de acoperire cu beton pentru fibra comprimată fcc rezistenŃa la compresiune a betonului fcd valoarea de calcul a rezistenŃei la compresiune a betonului fcf rezistenŃa la întindere prin încovoiere; fck rezistenŃa caracteristică a betonului obişnuit

fct rezistenŃa ultimă a betonului fctd valoarea rezistenŃei de calcul fctm valoarea rezistenŃei normate; ffu valoarea rezistenŃei ultime a materialului compozit fy rezistenŃa la compresiune a armăturii comprimate fyk limita de curgere caracteristică a armaturilor pentru beton armat fywd valoarea rezistenŃei de calcul a armăturii transversale h înălŃimea totală a secŃiunii transversale de beton i raza de giraŃie k coeficient, factor l lungime, deschidere la lungimea de ancorare a armăturii

lcr ungimea critică de ancorare s distanŃa dintre etrieri

tf grosimea secŃiunii transversale a armăturii compozite v1 factorul de reducere al rezistenŃei, egal cu 0.55 x înălŃimea axei neutre z braŃul de pârghie al eforturilor interne


7

C. Litere mici greceşti α unghiul dintre armătura de forfecare şi talpa întinsă parametrul de deformare considerat αI, αI I, parametrul de deformare pentru situaŃia nefisurată sau complet fisurată αcw coeficient egal cu 1 pentru beton armat β coeficient ce Ńine seama de influenŃa duratei de încărcare

Rdγ coeficient parŃial de siguranŃă care Ńine cont de incertitudinile ce apar la modelarea

acŃiunilor şi modelelor de calcul ale solicitărilor sau ale capacităŃilor portante γR factor independent de materialul compozit, egal cu 1,05

fγ , mγ coeficienŃi paŃiali de siguranŃă care Ńin seama de posibilitatea unor abateri

nefavorabile a rezistenŃei materialului de la valoarea caracteristică γm factor parŃial legat de proprietăŃile materialului, care Ńine cont de distribuŃia întâmplătoare a elementelor din compoziŃia materialului

sdγ coeficient parŃial de siguranŃă care Ńine cont de incertitudinile ce apar la modelarea

acŃiunilor şi modelelor de calcul ale solicitărilor sau ale capacităŃilor portante ζ coeficient de reducere, coeficient de distribuire εc deformaŃia specifică la compresiune a betonului εcu deformaŃia specifică ultimă la compresiune a betonului εf deformaŃia specifică a materialului compozit εfu deformaŃia specifică ultimă a materialului compozit εs deformaŃia specifică a armăturii de otel εyd, deformaŃii specifice pentru armături εs1,εs2 deformaŃii specifice pentru armături η coeficient de reducere a rezistenŃei betonului θ unghiul dintre diagonala comprimată şi talpa întinsă λ defineşte înălŃimea efectivă de calcul Xc a zonei comprimate ξ poziŃia relativă a axei neutre ρ1 coeficientul de armare longitudinală ρw coeficientul de armare transversală σc efortul unitar de compresiune în beton σcp efortul unitar de compresiune în beton sub efectul forŃei axiale σs1, σs2 eforturile unitare pentru secŃiunile 1 şi 2 σ's efortul unitar din armătura de oŃel

ω coeficient

DEFINIłII Adeziv - material polimeric cu rolul de a menŃine lipite suprafeŃele aflate în contact a două materiale Amorsă - material de acoperire a suprafeŃei înainte de aplicarea adezivului, în vederea îmbunătăŃirii aderenŃei dintre adeziv şi suprafaŃa de beton Aplicare manuală - mod de executare a lucrărilor de consolidare în care straturile de armături sunt aplicate manual pe elementele structurale Aplicare umedă - metodă de executare a lucrărilor de consolidare care implică aplicare in situ a răşinii peste produsul uscat (pânză sau Ńesătură) Benzi / Lamele - sunt elemente stratificate compozite, alcătuite din matrice şi fibre, realizate prefabricat prin tragere Compozit - reprezintă un sistem obŃinut pe cale artificială, unind două sau mai multe materiale, diferite din punct de vedere chimic, legate între ele prin intermediul unei matrici, cu scopul de a se obŃine anumite proprietăŃi care nu pot fi obŃinute luând metrialele separate


8

Dezlipire - cedare locală în zona de aderenŃă intre beton şi armătura de tip PAF Desprindere - detaşarea pe zone extinse a materialelor de tip PAF Fibre - termen generic pentru materialele de tip filament Fibre de carbon - fibre obŃinute prin tratarea la temperature înalte a unui material organic de tip poliacrilonitril într-o atmosferă inertă Fibre de sticlă - fibre obŃinute din sticlă topită procesată prin periere Filamente - fibre individuale de lungimi diferite utilizate în mănunchiuri, fire sau cabluri Întăritor - component principal al adezivului care intră în reacŃie cu răşina pentru a asigura procesul de întărire a adezivului Matrice - faza continuă a unui material compozit, în care sunt înglobate fibrele Polimer - moleculă de dimensiuni mari format prin combinarea mai multor molecule mici sau a monomerilor într-o formă regulată Polimeri armaŃi - materiale compozite alcătuite din fibre cu rezistenŃă şi rigiditate cu fibre (PAF) ridicată, înglobate într-o matrice de răşini epoxidice Răşini - polimer cu greutate moleculară indefinită având palierul de îmuiere/topire mai mare decât cel de curgere rezultat din solicitare Strat de bază - suprafaŃa elementului consolidat pe care se va aplica materialul compozit Timp de expunere - durata de timp dintre momentul aplicării adezivului şi cel al realizării contactului dintre cele două materiale ce urmează a fi lipite Tragere - proces automat continuu pentru realizarea elementelor din materiale compozite şi a altor produse cu secŃiune transversală constantă; fibrele saturate cu răşină sunt trase printr-un dispozitiv încălzit conferindu-le forma şi asigurându-le tretementul termic necesar łesătură - reprezintă un produs alcătuit dintr-o împletitură de fibre subŃiri continue


9

CAPITOLUL 1

STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR TEORETICE ŞI EXPERIMENTALE

UTILIZÂND BETOANE ARMATE CU FIBRE 1.1. Introducere în domeniul cunoaşterii betoanelor armate. 1.1.1. Beton şi beton armat - scurt istoric. Din datele cunoscute până acum, romanii sunt consideraŃi inventatorii primului liant hidraulic, obŃinut din amestecarea varului gras cu cenuşă vulcanică de la poalele Vezuviului sau prin arderea şi apoi măcinarea marnelor naturale. În trecut romanii au folosit betonul pentru a construii structuri monumentale, bolŃi, planşee şi pereŃi, pile de poduri. Putem da astfel exemplu podul lui Apollodor din Damasc, ale cărui pile sunt vizibile la Drobeta-Turnu Severin sau amfiteatrele din Pozzuoli (lângă Neapole) şi din Verona. [37] După anul 1840 cimentul a fost obŃinut în Anglia de către J. Apsdin, dar acest lucru se întâmpla în acelaşi timp şi în Rusia, de aici putem spune că nu se ştie exact Ńara de origine a cimentului. Din cauza asemănării cu piatra din Portland liantul hidraulic a fost numit ciment portland. [21] Inventatorul betonului armat este considerat un grădinar francez pe nume Joseph Monier, care a realizat elemente alcătuite dintr-un schelet de sârmă îmbrăcate ulterior cu un mortar de ciment. Aceste elemente (ghivece) erau folosite pentru a creşte flori. În perioada anilor 1867-1875, Monier a obŃinut mai multe brevete pentru plăci, grinzi, bolŃi, rezervoare de apă, podeŃe, planşee şi conducte. De asemenea, el a realizat şi unele lucrări de anvergură, cum ar fi rezervoarele de apă de 2000 m3 la Sevres (în anul 1873), dar şi o pasarelă de l6m deschidere şi 4m lăŃime [21]. Elemente metalice s-au folosit încă din antichitate pentru obŃinerea legăturilor între elementele construite. Astfel se realizau centrarea coloanelor, ancorarea arcelor şi bolŃilor, dar nu se poate vorbi de "armături". Date concrete cu privire la realizarea aderenŃei dintre beton şi armătură, despre fixarea traseului armăturii în funcŃie de solicitări (dispunerea armăturilor în zonele întinse ale elementelor) a fost rezultatul cercetărilor întreprinse de inginerii germani Wayss, Koenen şi Bauschinger. În Ńara noastră pentru prima dată inginerul român Angel Saligny introduce betonul armat în construcŃia silozurilor de cereale din porturile Brăila şi GalaŃi. În prezent tehnologia betonului armat a evoluat considerabil, astfel încât la ora actuală în întreaga lume sunt realizate:

• construcŃii pentru căi de comunicaŃii (drumuri, autostrăzi, piste de aeroport, poduri, canale, viaducturi, tuneluri);

• construcŃii industriale şi agricole (hale, buncăre, silozuri); • construcŃii speciale înalte (coşuri de fum, turnuri de răcire); • construcŃii hidrotehnice (baraje, platforme marine); • construcŃii civile foarte înalte (social culturale, administrative, comerciale dar şi pentru

locuinŃe). [37] Printre realizările cele mai importante ale ultimelor decenii putem aminti Opera din Sydney (Australia), tunelul de la San Gottardo- ElveŃia (57 km lungime), noua Bibliotecă şi Palatul CNIT din Paris, La Grande Arche din Paris (Franta), Stadionul Olimpic din Montreal (Canada), Stadionul din Bari, Gara TGV Satolas (Lyon), Platforma maritimă TROLL.[47]


10

1.1.2. Beton armat cu fibre din oŃel. Armarea cu fibre a materialelor casante are o vechime milenară. Prima încercare de a obŃine beton armat cu fibre, datează din anul 1874, când americanul A.Berard (California) a combinat betonul simplu cu resturi inegale de oŃel obŃinând astfel o sporire a rezistenŃei acestuia. În 1918, în FranŃa, H. Alfsen a anticipat o îmbunătăŃire a rezistenŃei betonului la întindere, prin adăugarea de fibre mai lungi din oŃel, lemn şi alte materiale în compoziŃia acestuia. [31] În 1927 în California, C.G.Martin brevetează realizarea de conducte din beton armat dispers cu fibre de oŃel. În figura următoare sunt prezentate câteva imagini cu aceste conducte realizate din beton armat cu fibre de oŃel (fig.1.1).

Fig.1.1.Conducte realizate din beton armat cu fibre de oŃel. [30] Betonul armat cu fibre de oŃel a fost folosit pentru prima dată la realizarea cupolei Palatului Sporturilor de la Roma, de către inginerul italian Luigi Nervi. Din punctul de vedere al cercetătorilor români, pentru prima oară, un astfel de material apare în lucrările inginerului Gogu Constantinescu, din 1943 în Anglia iar după doi ani (1945) în SUA este prezentat mai pe larg noul material şi anume betonul armat cu fibre de oŃel.

Studiile inginerului român conŃin informaŃii asupra modului de distribuŃie a fisurilor şi mărirea capacităŃii de preluare a eforturilor. Noi studii au apărut în anii urmatori în Statele Unite ale Americii, FranŃa şi Germania. Totuşi în acea perioadă utilizarea pe scară largă a acestui material a fost limitată de costurile ridicate, iar până la începutul anilor 1960 nu s-au obŃinut progrese importante. La începutul anilor 1970 s-a extins cercetarea şi pe plan internaŃional. Un bun exemplu sunt cercetările din Germania de la Universitatea Ruhr din Bochum, pentru realizarea betonului armat cu fibre de otel, utilizat la pereŃii interiori ai metroului din localitate. S-au studiat proprietăŃile mecanice, tehnologice ale materialului şi diferite tehnologii de fabricaŃie ale betonului torcretat. [21] În perioada 1974-1976 s-au efectuat cercetări sistematice în Germania, la Institutul pentru ConstrucŃii Inginereşti de la Universtatea Ruhr din Bochum, cu privire la utilizarea betonului torcretat cu fibre de oŃel, la construcŃiile miniere din munŃii Alpi. În 1989 se utilizează cu succes acest material la construcŃia unui tunel de metrou (de 1001metri) în Bielefeld - Germania. [21] 1.1.3. Beton armat cu fibre obŃinute din diferite materiale. Betoanele armate cu fibre, numite şi betoane cu armare dispersă, rezultă prin înglobarea în masa betonului a unei anumite cantităŃi de fibre discontinue care pot fi obŃinute din oŃel, sticlă, polimeri sau alte materiale. La obŃinerea betonului se utilizează lianŃi hidraulici (în special cimentul portland), agregate grele sau uşoare având diametrul maxim de 7(10) mm, apă şi eventuali aditivi.[21] În trecut paiele tocate s-au utilizat la armarea cărămiziilor nearse şi a pereŃilor, iar părul de cal şi fibrele de sisal erau folosite pentru obŃinerea de ipsos armat.


11

În vremurile noastre, cu o utilizare pe o scară foarte largă în domeniul construcŃiilor şi al instalaŃiilor în construcŃii este azbocimentul, un material obŃinut dintr-un amestec de ciment, apă şi fibre de azbest. Acest material s-a produs şi s-a utilizat în proporŃii foarte mari pe plan mondial în ultimele decenii. Recent s-a constatat că azbestul prezintă un risc considerabil pentru sănătatea persoanelor care lucrează în fabricile de defibrare sau de prelucrare a produselor de azbociment, s-a pus problema găsirii altor fibre pentru armarea dispersă a betonului sau a folosirii unor măsuri eficiente de protecŃia muncii.[21] Astfel la începutul deceniului al şaselea al acestui secol, în S.U.A., Anglia, U.R.S.S.şi Japonia a început să fie experimentată folosirea fibrelor de sticlă ca material de armare dispersă. [21] În U.R.S.S. dezvoltarea procedeelor de utilizare a fibrelor de sticlă drept armătură pentru beton a început din anul 1941, studiile fiind bazate, în special, pe cimenturi aluminoase şi nu pe cimenturi portland, care crează un mediu bazic la hidratare. Problema care s-a pus de la început a fost aceea a stabilităŃii fibrelor de sticlă în mediul bazic (alcalin), creat prin hidratarea cimentului portland.

Pasta de ciment armată cu fibre de sticlă s-a produs pentru aplicare industrială, pentru prima dată în Anglia în anul 1970. [21]

Mai recent au început să fie cercetate, pentru armarea dispersă a betonului, fibre din polimeri, singure sau în combinaŃie cu fibre de oŃel. Dintre acestea, cele mai indicate sunt fibrele din polipropilenă, cercetările în acest sens fiind efectuate în Anglia începând cu anul 1965. [21] La noi în Ńară studiile şi cercetările în acest domeniu au început din anul 1972 la Catedra de beton armat şi clădiri a Institutului Politehnic "Traian Vuia" din Timişoara, fiind luate în studiu betoanele armate cu fibre de oŃel şi fibre de sticlă. Betonul armat cu fibre de oŃel nu poate înlocui betonul armat obişnuit. Există însa domenii de utilizare, în care betonul armat cu fibre de oŃel poate fi folosit alternativ sau în completare la cel cu armatură din oŃel-beton, oferind avantaje constructive dar şi economice.[21] Fibrele de oŃel îmbunătăŃesc proprietăŃile betonului simplu. Studiind literatura de specialitate, putem spune că, domeniile de utilizare a betonului armat cu fibre din oŃel au o arie extinsă, din care menŃionăm:conducte din beton, ziduri de sprijin, elemente de faŃadă, piste pentru aeroporturi, cofraje pierdute, lucrări de consolidare, etc. Utilizatorii pe scară largă a acestui material sunt SUA, Japonia, Norvegia, Suedia, Germania la care se adaugă Ńările din Europa de Est. [21] 1.1.4. Repararea şi consolidarea elementelor de construcŃie. Repararea şi consolidarea elementelor de construcŃii din beton armat supuse uzurii de natură mecanică sau datorită exploatării îndelungate a clădirii, constituie un domeniu foarte important în care se pot folosi cu succes fibrele, atât cele din oŃel căt şi din alte materiale cum ar fi fibrele de sticlă, carbon, aramid, diferiŃi polimeri.

Deteriorările betonului din construcŃii sunt influenŃate foarte mult de condiŃiile de mediu în care se află. Când se doreşte consolidarea sau refacerea unei construcŃii din beton, luarea în considerare a uzurii şi a suprasolicitării, constituie un element necesar, pentru a putea readuce construcŃia în starea de exploatare normală. [21]

Primele încercări de consolidare s-au realizat cu ajutorul betonului torcretat cu fibre, care s-a dovedit a fi o soluŃie eficientă pentru consolidarea şi întreŃinerea în stare bună a construcŃiilor din beton. Din punct de vedere al consolidărilor, aplicarea acestui nou material, datează din anul 1971, când în Statele Unite ale Americii s-au realizat primele tronsoane experimentale în domeniul reparării şi ranforsării îmbrăcăminŃilor rutiere rigide. [21] Betonul torcretat cu fibre din diferite materiale are un domeniu de aplicare foarte vast. Iată în continuare câteva domenii de aplicare: [21]


12

1. construcŃia, ranforsarea şi repararea îmbrăcăminŃilor rutiere rigide, piste de aerodromuri; 2. lucrări în mine şi tuneluri, pentru consolidarea pereŃilor şi acoperişurilor împotriva sfărâmării rocilor, elemente de etanşare, staŃii pentru transformatoare şi pompe; 3. stabilizarea taluzelor, ca de exemplu: 4. repararea deversoarelor la baraje; 5. elemente prefabricate, tuburi de beton simplu sau armat, dale pentru parcări, cadre şi fundaŃii din beton pentru susŃinerea maşinilor şi utilajelor de construcŃii. Betonul armat cu fibre polimerice se poate folosi cu succes şi la întreŃinerea şi consolidarea construcŃiilor hidrotehnice, supuse eroziunii apei sarate şi a vântului puternic. Betonul armat cu fibre oferă o alternativă la armătura convenŃională, având ca avantaj important timpul şi costurile reduse de execuŃie a lucrărilor.

Un alt mod de utilizare al betoanelor armate dispers cu fibre, este drept mortare pentru tencuieli exterioare. Avantajul constă în reducerea timpului de execuŃie, obŃinerea unei impermeabilităti mai mari, dar şi reducerea apariŃiei şi propagării fisurilor datorate diferitelor solicitări. Astfel de betoane se pot folosi cu succes la refacerea şi reabilitarea faŃadelor construcŃiilor vechi care nu pot suporta o încărcare foarte mare în urma renovării lor. Conceptul de material compozit este folosit de foarte multă vreme dar numai în ultimele patru decenii aceste materiale au început să fie folosite şi în afara laboratorului. Cercetările efectuate până acum au evidenŃiat faptul că aceste materiale au un viitor asigurat în domeniul construcŃiilor datorită faptului că îmbină cu succes proprietăŃile tuturor componentelor şi permit controlul acestui proces în funcŃie de necesităŃi. Interesul pentru armăturile nonmetalice a fost sporit şi de problema coroziunii în timp a armăturilor din oŃel, dar şi de faptul că astfel de fibre obŃinute pe bază de diferiŃi polimeri au fost folosite cu succes în industria aerospaŃială. În anii 1980, a început să crească interesul pentru armăturile din fibre plastice. Tot în această perioadă, s-a demonstrat că armăturile polimerice au o comportare, mult mai bună la atacul mediului chimic decât betonul şi armatura din oŃel, dar sunt şi mai durabile şi mai eficiente pentru armarea sau consolidarea betonului. [40] Aceste armături pot lua diferite forme şi dimensiuni: bare rotunde, pătrate, plate, împletite ( toroane), sub formă de plase, dar şi tridimensionale. În lume cererea pentru consolidări şi renovări de clădiri vechi este în continuă creştere. Există foarte multe metode de realizare a consolidărilor şi renovărilor, structurilor din beton şi beton armat, dar metoda cea mai des folosită, până în momentul de faŃă, este utilizarea Ńesăturilor sau a lamelelor din materiale compozite lipite pe suprafaŃa de beton deteriorată, cu ajutorul unor adezivi foarte rezistenŃi, având matricea de bază realizată din diferite răşini epoxidice speciale. [40]

La ora actuală Ńesăturile şi lamelele obŃinute din materiale de tip PAF (polimeri armaŃi cu fibre) sunt des folosite pentru consolidarea elementelor de beton afectate de mediul înconjurător. În construcŃii se folosesc cu succes de câŃiva ani pentru consolidarea elementelor structurale de beton armat. Avantajele lor principale în lupta cu elementele din oŃel sunt:

• rezistenŃa ridicată şi greutatea redusă; • reabilitarea structurilor nu necesită întreruperea funcŃionării acestora pe timpul lucrărilor; • aplicarea lor este economică, rapidă fără a fi nevoie de utilaje speciale; • prezintă lungimi variate astfel încât nu este necesară îmbinarea materialelor; • în cazul suprapunerii acestor materiale(armare după două direcŃii) nu apar probleme de

execuŃie, pentru că materialele de tip PAF sunt foarte subŃiri; • pot fi aplicate pe orice formă geometrică ale elementelor din beton [1] ;


13

CAPITOLUL 2

PRINCIPALELE TIPURI DE FIBRE ŞI MATERIALE PAF

CE POT FI FOLOSITE PENTRU ARMAREA ŞI CONSOLIDAREA ELEMENTELOR DIN BETON

2.1. Introducere. Cercetările cu privire la armăturile din fibre polimerice, prevăzute ca armături pentru structurile de beton, au apărut pe la începutul anilor 1960 şi încă de atunci au pus probleme ce trebuiau rezolvate. Progrese importante în acest domeniu s-au realizat odată cu folosirea fibrelor nonmetalice (fibre de sticlă) pentru armarea structurilor de beton, cămăşuirea tunelelor şi ancorarea cu tiranŃi.[47] Aceste elemente, la vremea aceea, au fost acceptate doar datorită proprietăŃilor nonmagnetice şi greutăŃii reduse. Abia după 1970 ele au reuşit să treacă din laborator spre practica construcŃiilor şi astfel în 1986 s-a realizat în Germania primul pod de autostradă construit din beton armat cu fibre polimerice. [40]. În laboratoarele din Tokyo, la ora actuală, se efectuează multe cercetări şi lucrări ce susŃin dezvoltarea şi aplicarea armăturilor polimerice în structurile din beton armat, realizate de cercetători şi profesori ai Centrului Universitar, dar şi ale instituŃiilor publice sau ale unor firme private cu capital mare. În anul 1993 s-a înfinŃat şi a debutat seria Simpozioanelor FRPRCS, având ca temă materialele de tip PAF, folosite pentru armarea şi consolidarea structurilor de beton şi de atunci acest simpozion se Ńine la fiecare doi ani prin rotaŃie în America, Europa sau Asia. [40] 2.2. GeneralităŃi. Fibre şi materiale compozite. La ora actuală fibrele pot fi folosite direct pentru armarea dispersă a betonului, sau sub formă de materialele compozite obŃinute pe bază de fibre pentru armarea şi consolidarea elementelor din beton. În funcŃie de locul şi scopul în care urmează să fie utilizate, fibrele au diferite compoziŃii chimice. Astfel tipurile de fibre folosibile, pentru armarea betonului se pot clasifica după schema de mai jos. [30]

1. Fibre anorganice - Naturale : azbest; - Artificiale : oŃel, vată minerală, sticlă, carbon;

2. Fibre organice - Naturale : bumbac, in, sisal, fibre din nuci de cocos, lemn; - Artificiale : polietilenă, polipropilenă, poliesteri, răşini poliamide.

Materialul compozit reprezintă un sistem obŃinut pe cale artificială, unind două sau mai multe materiale, diferite din punct de vedere chimic, legate între ele prin intermediul unei matrici, cu scopul de a se obŃine anumite proprietăŃi care nu pot fi obŃinute luând metrialele separat.[38] Componentele de bază ale acestor materiale compozite sunt:

• fibrele, care reprezintă faza discontinuă având un rol de ranforsant sau material de armare ce conferă rezistenŃă produsului final;

• matricea, care formează faza continuă cu rolul de a îngloba şi lega fibrele.Aceasta protejează fibrele şi contribuie la transferul încărcărilor către acestea; [38]

A. Fibrele

Sunt foarte subŃiri şi nu pot fi folosite direct în aplicaŃiile din construcŃii, de aceea ele sunt înglobate în matrice pentru a obŃine astfel un material armat, rezistent.


14

Principalele caracteristici şi proprietăŃi fizico-mecanice ale fibrelor

folosite pentru obŃinerea materialelor compozite. În tabelul 2.1 sunt prezentate câteva dintre principalele caracteristici fizico-mecanice ale diferitelor fibre (carbon, oŃel, sticlă, aramidă, azbest, alumină policristalină, bumbac, poliesteri), folosite în construcŃii, pentru armarea sau consolidarea elementelor din beton. Din tabel observăm că fibrele anorganice prezintă valori mai ridicate din punctul de vedere al rezistenŃei la întindere, în rest valorile sunt aproximativ aceleaşi, excepŃie facând vata minerală. Modulul de elasticitate al fibrelor de natură anorganică este mai mare, în schimb cel al fibrelor organice este foarte scăzut, ceea ce duce la dezvoltarea unor deformaŃii mari. Tot din tabel se pot observa şi valori mari ale alungirii la rupere în cazul fibrelor organice.[21] O caracteristică tehnică importantă a fibrelor folosite la armarea betoanelor o reprezintă natura suprafeŃei. În cazul fibrelor de carbon şi sticlă se realizează o bună aderenŃă între fibră şi matrice, rezultînd o rezistenŃă la lunecare mare. ProprietăŃile mecanice ale fibrelor. Tabelul 2.1

RezistenŃa Modulul de Densitate RezistenŃă Modulul Diametrul

Fibre la tracŃiune elasticitate ρ specifică specific fibrei

σu (GPa) E (GPa) (kg/m3 ) kσ (103 m) kE (103 m) d(µm)

OŃel 0.77 - 2.2 180 - 210 7800 -7850 28.8 2750 5 - 800

0.34 - 2.1 210 7800 27.5 2745 -

Vată minerală 0.5 - 0.8 70 - 120 2700 - - 10

Bumbac 0.4 - 0.7 5 1500 - -

Sisal 0.8 - 1500 - - 10.0-50.0

Azbest 0.5 - 3.0 80 - 150 3200 54 3593 0.02 -20

Sticlă 3.1 - 5.0 72 - 95 2400 -2600 200 3960 3.0 - 19.0

Sticlă-E 3.5 72.4 2540 140.5 2907

Carbon de 7 300 1750 400 17100 5.0 - 11.0

înaltă rezistenŃă 2.5 240 1900 134.1 12881 5.0 - 11.0

Silicon 2.7 185 2400 -2700 110 7700 10.0 -15.0

Aramid 3.5 - 5.5 140 - 180 1400 -1470 390 12800 12.0 -15.0

Polietilena 2.6 - 3.3 120 - 170 970 310 17500 20 - 40

Polipropilenă 0.5 - 0.8 3.5 - 5.0 900 72 - 20 - 200

Alumină 2.4 – 4.1 470 - 530 3960 100 13300 20 - 500

B. Matricea Reprezintă faza continuă a unui material compozit, în care sunt înglobate fibrele. Aceasta

acŃionează asemeni unui liant care leagă fibrele, dând integritate structurală materialului compozit. Cele mai utilizate materiale pentru obŃinerea matricilor sunt:

• polimeri termoplastici; • polimeri termorigizi (poliesteri, răşini epoxidice, răşini fenolice); • ceramică, sticlă şi carbon. [38]

Polimerii sunt produşi organici formaŃi în general din carbon şi hidrogen, care se pot obŃine fie din natură fie printr-o sinteză de molecule organice în laboratoare. Polimerul se poate afla în stare solidă sau lichidă, iar matricea reprezintă polimerul întărit. Trebuie menŃionat că matricile nu


15

contribuie la rezistenŃa materialului compozit, ele participând doar la transferul forŃelor spre fibre şi la protecŃia acestora de mediul înconjurător. [38] 2.3. Utilizarea materialelor compozite obŃinute pe bază de fibre ( lamele, Ńesături ) în consolidarea elementelor din beton. Durabilitatea unei construcŃii reprezintă capacitatea ei de a-şi menŃine, pe toată durata de viaŃă, caracteristicile de rezistenŃă pentru care a fost proiectată şi executată, fără să necesite cheltuieli suplimentare de întreŃinere altele decât cele uzuale. Structurile din beton armat, din toata lumea, în timpul anilor au fost sever deteriorate, din cauza contactului direct cu diferite medii agresive, care pot produce în interiorul structurilor coroziunea armăturii şi odată cu aceasta şi distrugerea elementului structural. [40] Pentru a rezolva această problemă, s-au încercat diferite soluŃii, cum ar fi folosirea barelor din oŃel galvanizat, protejarea acestora cu soluŃii epoxi. Dintre toate aceste încercări, una dintre metodele cele mai promiŃătoare este reprezentată de folosirea materialelor compozite. Până acum cele mai multe încercări în acest domeniu s-au realizat în laboratoarele din Japonia, Statele Unite ale Americii dar şi în Europa. La ora actuală în lume există o gamă foarte largă de materiale compozite dar în această lucrare ne vom limita la prezentarea materialelor compozite cunoscute în România prin acronimul PAF (polimeri armaŃi cu fibre) sau în engleză FRP (fibre reinforced polymers). [40] 2.3.1. Clasificarea materialelor compozite

După cu am mai spus şi în capitolul 2.2 materielele compozite cuprind una sau mai multe faze discontinue, de regulă mai rigide şi rezistente numită armătură, înglobată într-o fază continuă, care se numeşte matrice. [38] 1. După tipul matricei pot fi: • Materialele compozite cu matrice metalice sunt foarte rezistente la acŃiunea temperaturilor foarte ridicate şi prezintă următoarele proprietăŃi: rezistenŃă ridicată la fluaj, comportare bună la îngheŃ-dezgheŃ, rezistenŃă mecanică ridicată, rezistenŃă la şoc ridicată.

• Materialele compozite cu matrice ceramice sunt în continuă dezvoltare, datorită avantajelor pe care le au: comportare mecanică superioară la temperaturi ridicate, prezinŃă o rezistenŃă la rupere sub sarcină în mediul ambiant bună. Unul dintre marile dezavantaje al acestor materiale îl reprezintă fragilitatea ridicată.[38] • Materialele compozite cu matrice polimerice, sunt obŃinute în urma asocierii materialelor polimerice cu alte materiale, mai rezistente obŃinându-se astfel mase plastice armate, care pot avea diferite forme şi dimensiuni. 2. După forma şi natura armăturii. • Materiale obŃinute cu fibre discontinue; • Materiale obŃinute cu fibre continue.

Fibrele în materiale pot fi dispuse după una sau mai multe direcŃii şi din diferite materiale

(sticlă, carbon, aramid, etc). Armătura fibroasă în general se orientează astfel încât să asigure rezistenŃa sau rigiditatea pe direcŃia pe care acestea sunt necesare. În general materialele compozite obŃinute din materiale anorganice, care la rândul lor nu prezintă defecte importante, au rezistenŃele în lungul armăturilor mult mai ridicate, iar în cazul materialelor organice sporirea rezistenŃelor şi rigidităŃilor se datorează orientării structurii moleculare. De exemplu rezistenŃele fibrelor de sticlă mai ridicate se datorează eliminării defectelor de suprafaŃă, în timp ce fibrele de carbon sau aramid au rezistenŃele ridicate datorită orientării structurii atomice sau moleculare. [38] Materialele compozite armate cu fibre se pot împărŃii în două grupe:

• compozite monostrat, alcătuite din lamele, de proprietăŃi şi caracteristici identice,


16

orientate spre aceeaşi direcŃie; • compozite multistrat, alcătuite dintr-o succesiune de straturi (0,1mm), orientate în

funcŃie de cerinŃele de rezistenŃă şi rigiditate cerute de produsul final. Dintre materialele compozite armate cu fibre, la ora actuală cele mai utilizate sunt lamelele

(benzile) şi Ńesăturile. 1. Lamela este un element stratificat compozit, alcătuit din matrice şi fibre care pot fi aranjate astfel: a) aranjate continuu după o singură direcŃie, fig.2.1.a; b) aranjate discontinuu, (fibre scurte), aleatoriu, fig.2.1.b;

a b c d Fig.2.1 -Fibre aranjate continuu după o direcŃie, aleatoriu, ortogonal şi tridimensional [38] c) aranjate după o reŃea ortogonală de fibre continue, fig.2.1.c; d) aranjate tridirecŃional, după mai multe straturi, fig.2.1.d. Materialele ce compun lamela sunt matricea şi armătura (fibrele), iar acestea au următoarele roluri. Matricea [38]

• înveleşte fibrele şi le protejează de mediul înconjurător; • păstrează distanŃa între acestea; • împiedică flambajul fibrelor, în cazul preluării eforturilor de compresiune; • constituie un mediu ideal de transmitere al eforturilor; • asigură o compatibilitate chimică cu materialul armat.

Armătura [38]

• contribuie la creşterea rezistenŃei şi rigidităŃii materialului compozit; • creşte rezistenŃa şi rigiditatea fiind direct proporŃională cu volumul de fibre dispus paralel cu

direcŃia de orientare a eforturilor; • variaŃia rezistenŃelor individuale trebuie să fie redusă, caracteristicile geometrice şi fizice

trebuie să fie uniforme şi să nu se schimbe odată cu manipularea sau punerea lor în operă. 2. łesătura, reprezintă un material compozit alcătuit dintr-o împletitură de fibre subŃiri continue. InterfaŃa dintre fibre şi matrice reprezintă o zonă foarte importantă, deoarece transferul eforturilor este posibil numai dacă între aceste două elemente se realizează un contact foarte strâns. Această lagătură se poate realiza fie pe cale chimică fie prin acŃiunea forŃelor intermoleculare. [38] Elementele pentru construcŃii realizate din materiale compozite, obŃinute din amestecarea fibrelor cu diferiŃi polimeri, pot înlocui în foarte multe cazuri materialele de construcŃii tradiŃionale. Este foarte important însă şi modul de realizare al acestor materiale, doarece există o strânsă legătură între tehnologia de formare şi tipul componentelor utilizate care împreună au o influenŃă majoră asupra proprietăŃilor elementului final. Procedeele de realizare a acestor materiale sunt numeroase şi se aleg în funcŃie de scopul în care materialul va fi folosit ulterior. Procedeele cele mai folosite la ora actuală sunt [39]:

• manual prin contact, aplicabil atât pentru armătura continuă cât şi dispersă; • prin pulverizare, aplicabil doar pentru armătura dispersă; • prin înfăşurare, aplicabil doar pentru armătura continuă; • prin pultrudere, aplicabil doar pentru armătura continuă;


17

• prin pultrudere/ înfăşurare, aplicabil atât pentru armătura continuă cât şi dispersă; • prin laminare continuă, aplicabil doar pentru armătura continuă.

2.3.2. AplicaŃii directe ale materialelor compozite folosite în consolidarea structurilor de construcŃii. Scopul tehnicilor de consolidare cu materiale compozite obŃinute pe bază de fibre de carbon este de a spori rezistenŃa şi de a obŃine o bună comportare a elementelor din beton armat. În continuare prezentăm tehnologia de aplicare a Ńesăturilor şi lamelelor PAFC, deoarece acestea sunt cele mai folosite la ora actuală în lume, pentru lucrări de consolidare sau de protejare a elementelor de construcŃii. Au proprietăŃi cu mult superioare materialelor folosite în mod tradiŃional care îmbină betonul cu oŃelul. Se pot folosi cu succes pentru consolidarea sructurilor avariate din diferite cauze: acŃiunea agenŃilor chimici, mediul climatic şi variaŃii de temperatură, seism, creşterea încărcărilor datorate schimbării modului de exploatare a construcŃiei faŃă de cel prevăzut în proiect,...etc. Modalitatea de dispunere a Ńesăturilor polimerice, pe elementele de beton ce trebuie consolidate poate fi diferită în funcŃie de tipul solicitării elementului.

Prezentăm câteva modalităŃi de aplicare şi de combinare a Ńesăturilor şi lamelelor de tip PAF pe grinzile de beton: a) placarea grinzilor la partea inferioară, cu lamele simple, (fig 2.2, a); b) placarea grinzilor la partea inferioară, cu lamele simple şi înfăşurarea lor înformă de L cu Ńesătură, (fig 2.2, b) ;

Fig.2.2. Modalitati de aplicare a tesaturilor pe grinzi. c) placarea grinzilor la partea inferioară, cu lamele simple şi înfăşurarea în formăde U, cu Ńesătură, (fig 2.2, c); d) placarea grinzilor la partea inferioară, cu o lamelă simplă şi înfăşurarea lor în formă de X, cu Ńesătură, (fig 2.2, d). łesăturile PAFC se pot aplica atât la cald cât şi la rece. Temperatura este foarte importantă pentru că poate influenŃa timpul de întărire. Astfel avem:

• aplicarea la cald care duce la o întărire rapidă şi un timp redus de execuŃie; • aplicarea la rece care duce la o întărire lentă şi un timp mai mare de execuŃie.[39]

La început se recomandă curaŃarea foarte bine a viitoarei suprafeŃe pe care urmează să se aplice cămăşuirea. Acest lucru se poate face prin sablare, dar rezultate bune se obŃin şi folosind aerul sau apa sub presiune. CurăŃarea suprafeŃei se va face până când aceasta devine rugoasă, eliminându-se în acest mod un strat foarte subŃire din beton, vezi figura 2.3. [10]

Fig.2.3. Aspectul suprafetei de beton după curăŃare [10].


18

Este foarte important ca suprafaŃa pe care urmează să se aplice cămăşile, să fie foarte bine curăŃată de elemente care pot ataca şi coroda betonul sau cămaşa. [10] În cazul Ńesăturilor PAFC, primul strat aplicat peste adeziv este o parte din cămaşă, adică un strat simplu de material compozit, vezi figura 2.4,b. Urmează să se aplice în acest mod, atâtea straturi de material compozit câte sunt necesare consolidării elementului. În cazul lamelelor(benzilor), PAFC, figura 2.4a, înainte de aplicare, acestea se curăŃă foarte bine cu un solvent uşor şi o cârpă moale. Lamelele sunt uşor de manipulat, ele putând fi tăiate chiar pe şantier cu ajutorul unui bomfaier sau al unui disc cu diamant.[10]

a b Fig.2.4. Plăci SikaCarboDur şi Ńesături din fibre de carbon şi fibre de sticlă[10] Pe suprafaŃa de beton curăŃată se aplică adezivul, stratul are maxim 1mm grosime şi trebuie realizat cu mare atenŃie. În acelaşi timp se aplică răşină epoxi şi pe benzile polimerice, cu un dispozitiv care controlează grosimea stratului de adeziv şi asigură un contact deplin între cele două materiale. Aplicarea propriu-zisă a benzilor se face manual, de la un capăt la altul al secŃiunii prin simpla presare a zonei cu un cilindru din cauciuc. La final se înlătură răşina epoxi în exces.[10] Se pot folosii tipuri de adezivi diverşi, rezistenŃi la medii şi temperaturi diferite. Temperatura recomandată de specialişti, la care se pot folosi adezivii pentru aplicarea cămăşilor este de +10°C, iar sub 3°C nu se recomandă executarea lucrărilor. Executarea lucrărilor trebuie realizată cu oameni specializaŃi şi calificaŃi pentru astfel de lucrări.[10] RezistenŃa la smulgere a stratului de beton, pe care urmează să se aplice Ńesăturile trebuie să fie de minim 1.0 N/ mm 2 şi cu o vechime de la turnare mai mare de 28 de zile. InterfaŃa dintre cămaşa PAFC şi suprafaŃa de beton joacă un rol critic în menŃinerea performanŃelor mecanice şi a durabilităŃii structurilor din beton armat astfel consolidate. Există la ora actuală foarte multe cercetări privind materialele de legătură dintre beton şi elementele compozite, dar puŃine rezultate sunt cu adevărat bune, nefiind afectate de deformarea betonului, de zona de aplicare sau de mediul înconjurător (îngheŃ-dezgheŃ, căldură excesivă sau ultraviolete). 2.4. Cauzele deteriorării materialelor compozite şi durabilitatea betoanelor armate sau consolidate cu acestea. Cauzele deteriorării elementelor din beton şi a materialelor compozite sunt legate strict de condiŃiile de exploatare şi de proprietăŃile materialelor componente. Aceste cauze pot fi:

• cauze ce pornesc din interiorul elementului, interne, reprezentate de procese fizice sau chimice din interiorul masei betonului ;[40]

• cauze externe, produse de mediul înconjurator de natură fizică, chimică, mecanică, atacul unor substanŃe solide agresive, temperaturi extreme.[40]

Principalul factor care afectează durabilitatea este reprezentat de acŃiunea apei şi a substanŃelor agresive în soluŃie, asupra elementelor din beton aflate în medii agresive. Astfel pentru a proteja betonul au apărut Ńesăturile din fibre (de sticlă, carbon, aramid sau diferiŃi polimeri), care


19

au o rezistenŃă sporită la aceste medii. łinând cont de proprietăŃile dar şi de modul în care sunt utilizate, cauzele ce duc la distrugerea fibrelor polimerice se pot clasifica astfel [40]:

a)pentru bare independente obŃinute pe bază de fibre: • încărcări statice, ce pot duce la ruperea secŃiunii de beton; • încărcări ciclice de scurtă durată ce duc la oboseală. b)pentru Ńesăturile din fibre polimerice, folosite la cămăşuirea elementelor: • mediile alcaline; • mediile puternic acide; • contactul direct cu razele ultraviolete; • cicluri de de îngheŃ-dezgheŃ.

În normative structurile din beton armate cu bare de otel, se estimează să atingă cel puŃin urmatoarele durate de viaŃă:

• 10-15 ani, pentru construcŃii de importanŃă redusă; • 50-100 de ani, pentru constructiile obişnuite; • peste 100 de ani, pentru construcŃii importante (spitale, clădiri publice); • 100 ... 120 de ani, pentru poduri.

Elementele din beton, armate sau consolidate cu materiale obŃinute pe bază de fibre sunt estimate ca şi durată de viaŃă cu 50 de ani mai mult decât cele armate cu bare de oŃel. Acest lucru datorându-se rezistenŃei mai mari în exploatare a armăturilor PAF.

2.5. Comportarea la foc şi temperaturi ridicate a betoanelor armate sau consolidate cu materiale PAF. Există studii care au realizat evaluări în legătură cu comportamentul la temperaturi ridicate şi sub foc direct sau comportarea după expunerea la foc a elementelor din beton armat consolidate cu materiale PAF. Criteriile care determină comportarea la foc se referă la evoluŃia rezistenŃelor mecanice sub efectul temperaturii ridicate (pericol de colaps), la izolarea termică şi la etanşeitate (compromiterea integrităŃii). Se poate garanta că la temperaturi cu 20-30°C sub temperatura de topire a sticlei, aceste materiale se comportă foarte bine şi la capacitate maximă. Armăturile pe bază de fibre de sticlă sau alte aliaje asemănătoare au o bună comportare la foc. În cazul lor o problemă ar fi punctul de intrare în curgere al sticlei temperatură la care şi aceste armături ar ceda.

O problemă mai delicată ar fi la fibrele realizate pe baza de răşini epoxi care la temperaturi între 60-90°C, încep să se deterioreze, mai mult sau mai puŃin în funcŃie de modul de realizare.[41]

Precizăm însă că armătura de oŃel tradidiŃională prezintă o comportare mai bună la foc direct şi temperaturi ridicate decat armăturile din fibre polimerice. Din acest punct de vedere informarea şi cercetarea este foarte importantă pentru ca aceste materiale să poata fi folosite cu succes şi siguranŃă fără nici un fel de dubii cu privire la comportarea lor de lungă durată în exploatare şi în aceleaşi condiŃii în care sunt folosite cu succes armăturile de oŃel la ora actuală. 2.6. Comportarea betoanelor consolidate cu materiale compozite în medii agresive: apă sărată, îngheŃ/dezgheŃ, medii puternic acide, raze ultraviolete. Unul dintre cele mai de succes moduri de folosire a materialelor compozite, în ingineria civilă, este reprezentat de confinarea betonului, cămăşuirea coloanelor, stâlpilor sau a grinzilor, cu scopul de a le spori capacitatea portantă şi ductilitatea. Studiind literatura de specialitate putem spune că materialele compozite pe bază de fibre nu prezintă un risc de coroziune atât de ridicat ca armătura din oŃel traditională, dar au şi ele probleme cu mediile puternic agresive, chimice, care le pot deteriora grav structura. [59] 2.6.1. AcŃiunea apei asupra elementelor consolidate cu PAF.


20

Apa poate pătrunde în interiorul sistemului de consolidare prin intermediul matricei care reprezintă elementul ce absoarbe cea mai mare cantitate de apă, iar acest lucru depinde de tipul răşinii şi de temperatura apei. [3] În cazul materialelor compozite cu fibre de sticlă (PAFS), pătrunderea apei la interfaŃa dintre răşină şi matrice poate duce la distrugerea agenŃilor de legătură sau poate provoca scăderea rezistenŃei fibrelor. [3] Fibrele de carbon nu sunt afectate de acŃiunea apei. În cazul materialelor compozite obŃinute pe bază de fibre de carbon (PAFC) aflate în contact cu apa, aceasta poate afecta doar matricea în care sunt înglobate fibrele carbonice. [3] Fibrele de aramid absorb apă din umiditate până la 13% (raportat la greutate) iar acest fenomen are efecte defavorabile asupra legăturii dintre răşină şi fibre, dar şi asupra rezistenŃelor la întindere a materialelor de tip PAFA. [3] 2.6.2. AcŃiunea îngheŃ/dezgheŃ.

łesăturile de tip PAF prezintă o comportare foarte bună şi sub acŃiunea de durată a unor condiŃii de mediu cum ar fi îngheŃ/dezgheŃ. Apa patrunsă în aceste fisuri odată cu îngheŃarea duce la expansiunea betonului şi poate produce delaminarea materialului PAF la interfaŃa dintre beton şi PAF. Efectul ciclurilor de îngheŃ/dezgheŃ asupra elementelor de beton armat este uneori devastator şi trebuie luat în considerare întotdeauna. [3] Fibrele de carbon prezintă o bună comportare la cicluri de îngheŃ/dezgheŃ şi se recomandă utilizarea materialelor de tip PAFC în astfel de cazuri. 2.6.3. AcŃiunea acizilor şi a alcaliilor. Sistemele de consolidare folosind materiale compozite de tip PAF atunci când sunt expuse în medii acide sau alcaline depind atât de comportarea fibrelor cât şi a matricei în care sunt înglobate fibrele. Spre deosebire de fibrele de sticlă care se pot degrada în aceste medii, fibrele de carbon şi materialele PAFC sunt rezistente la alcalii şi acizi. Aceste armături se comportă foarte bine în aproape orice medii. [3] 2.6.4. AcŃiunea razelor ultraviolete.

În general fibrele de sticlă şi de carbon nu sunt puternic afectate de razele ultraviolete. Razele utraviolete pot duce la o reducere a transmisibilităŃii luminii la schimbarea culorii compozitului şi la reducerea proprietăŃilor mecanice: fibrele de aramid îşi schimbă culoarea sub acŃiunea razelor ultraviolete şi rezistenŃa acestora poate fi afectată. [1], [3] Razele ultraviolete pot deteriora însă raşinile din compozitia materialelor de tip PAF şi odată cu asta materialul PAF şi elementul structural din beton protejat cu aceste de materiale.

În general proprietăŃile macanice ale compozitelor sunt puŃin influenŃate de expunerea la raze ultraviolete, gradul de deteriorare depinzând de tipul răşinii, fibrelor precum şi de orientarea acestora. [3] 2.6.5. Concluzii. În concluzie, cămăşuirea betonului cu PAFC, poate fi o soluŃie foarte bună şi durabilă, pentru protejarea dar şi consolidarea structurilor şi elementelor de beton, supuse la agenŃi de mediu chimici care în mod normal sunt foarte agresivi cu armătura tradiŃională din oŃel. [45] Studiind literatura de specialitate putem spune că fibrele de sticlă în comparaŃie cu cele carbonice, prezintă o rezistenŃă mai mică la medii acide dar şi la cicluri de îngheŃ-dezgheŃ. Din acest motiv armăturile obŃinute pe bază de fibră de sticlă (PAFS), nu sunt recomandate să se foloseasca sub forma de bare independente. [40, pag.26] Degradarea cămăşilor din fibră de sticlă în medii agresive influenŃează comportarea grinzilor astfel consolidate, sub încărcări de lungă durată, dar pe termen lung acestea se comportă mult mai bine decât alte grinzi similare neprotejate de materiale compozite PAF. Materialele obŃinute pe bază de fibre de aramid (PAFA), prezinză o foarte bună comportare în exploatare, dar au şi câteva probleme cum ar fi rezistenŃă slabă la oboseală statică, expunerea la razele soarelui (utraviolete), dar şi în medii puternic acide.


21

CAPITOLUL 3

CERCETĂRI TEORETICE PRIVIND CALCULUL DE REZISTENłĂ AL ELEMENTELOR DIN BETON ARMAT CONSOLIDATE

CU CĂMĂŞI DIN FIBRE CARBONICE

3.1. GeneralităŃi. Determinarea momentului încovoietor şi a forŃei tăietoare capabilă se bazează pe metoda coeficienŃilor parŃiali de siguranŃă cunoscută şi sub denumirea de metoda stărilor limită.

Stările limită ale elementelor din beton armat sunt grupate în două categorii: • stări limită ultime, ce corespund epuizării capacităŃii portante sau a unei alte pierderi

ireversibile a calităŃilor necesare exploatării construcŃiei; • stări limită de exploatare, ce corespund întreruperii capacităŃii de asigurare a unei exploatări

normale a construcŃiei. Metoda stărilor limită se poate considera ca o metodă semiprobabilistică, în cadrul căreia coeficienŃii parŃiali de siguranŃă utilizaŃi sunt determinaŃi pe de-o parte pe baza riscului acceptabil, iar pe de altă parte pe baza experienŃelor acumulate. Principiul metodei constă în a demostra că starea limită ultimă nu va fi depăşită în cazul utilizării valorilor de calcul, atât la acŃiuni, la rezistenŃele materialelor cât şi la caracteristicile geometrice ale acestora. Calculul la starea limită de rezistenŃă în secŃiuni înclinate se face la acŃiunea forŃei tăietoare şi a momentului încovoietor care pot acŃiona cu sau fără forŃă axială sau moment de torsiune. În cazul grinzilor calculul în secŃiuni înclinate se face atât la moment încovoietor cât şi la forŃă tăietoare. [46] AcŃiunea momentului încovoietor şi a forŃei tăietoare asupra grinzilor de beton armat creează o stare complexă de solicitări în interiorul acestora. Sub acŃiunea acestora se produce ruperea elementelor, iar acest lucru este condiŃionat de mărimea şi relaŃia dintre ele, natura, calitatea şi cantitatea materialelor folosite. Ruperea elementelor de acest gen mai poate fi influenŃată de poziŃia forŃei sau a forŃelor în cazul în care încercarea se realizează cu două forŃe concentrate. DistanŃa de la punctul de aplicaŃie al forŃei până la reazem este importantă, deoarece acest lucru poate influenŃa comportarea elementului. Un alt factor care poate influenŃa comportarea grinzilor sub acŃiunea momentului încovoietor şi a forŃei tăietoare este reprezentat de raportul dintre înălŃimea grinzii notată cu h şi lăŃimea acesteia notată cu b. Ipotezele de calcul la încovoiere fără forŃă axială sunt următoarele[42]:

• secŃiunile rămân plane şi după deformare; • deformaŃia specifică a armăturii aderente, la întindere sau la compresiune este aceeaşi, cu a

betonului înconjurător; • rezistenŃa la întindere a betonului se neglijează; • eforturile din betonul comprimat se deduc cu diagrama de efort deformaŃie cunoscută, σ-ε; • deformaŃia specifică a betonului supus la eforturi de compresiune centrică se limiteză la 2‰

pentru betoane cu rezistenŃa mai mică de 50 2/ mmN DistribuŃia eforturilor unitare pe înălŃimea zonei comprimate rezultă de formă parabolică dreptunghiulară utilizând diagrama de efort deformaŃie σ-ε, dar din cauza mecanismului laborios de calcul se va admite aproximarea acesteia cu una dreptunghiulară, pentru distribuŃia eforturilor unitare de compresiune, conform figurii 3.1. Factorul λ defineşte înălŃimea efectivă de calcul Xc a zonei comprimate de beton iar coeficientul η de reducere a rezistenŃei betonului ce Ńine cont de efectele de lungă durată rezultat din modul de aplicare a încărcărilor[12]:


22

3.2. Calculul momentului încovoietor capabil conform SR EN 1992-1. 3.2.1. Calculul momentului încovoietor capabil conform SR EN 1992-1 aplicat pentru grinda de tip G1 (detalii despre tipurile de grinzi se află in cap.4.4)

Diagrama de eforturi şi deformaŃii, după care vom scrie ecuaŃiile, este prezentată în continuare, figura 3.2:

Fig.3.1.Diagrama de eforturi şi deformaŃii pentru grinda din beton armat simplă, G1.

Unde: h = 200 mm; b = 150 mm; d = 175 mm; d2 = 25mm.

• Caracteristicile armăturii OB 37: As1 = 101 mm 2; As2 = 57 mm 2 ;

f t = 355 N/ mm 2 (rezintenŃa normată, la întindere); Es = 20 · 10 4 N/ mm 2. Deoarece experimentele pe grinzi au fost realizate într-un laborator cu personal calificat,

pentru a obŃine rezultate cât mai apropiate cu cele din laborator nu vom folosi coeficienŃi de siguranŃă pentru reducerea valorilor normate.

• Caracteristicile Betonului C16/20:

fcd = 16 N/ mm 2 (rezintenŃa normată); Ecm = 29 GPa = 2.9 · 10 4 N/ mm 2

• Calculul rezultantelor Fs1, Fs2 şi Fc : Fs1= As1 · f t = 101 · 355 = 3.58 · 10 4 N (3.1)

Fs2=As2 · Es · εs2 = 57 · 20 · 10 4 · 0,0035 ·x

x 25− N (3.2)

Fc= Ac · ηf cd = λx · b · ηf cd = 0.8 x · 150 · 1· 16 = 1920 x N/mm (3.3)

Scriem suma rezultantelor pe direcŃia orizontală şi obŃinem: ∑x=0 => Fs2+Fc =Fs1 (3.4)

57 · 20 · 104 · 0,0035 · x

x 25− + 0.8 x · 150 · 16 = 3.58 · 10 4 (3.5)

Xc = 21,76 mm (3.6)

- deoarece λx ≤ d2 vom calcula momentul capabil în centrul de greutate al armăturii comprimate pentru a evita calculul efortului unitar în aceasta armătură.

• Calculul momentului capabil în punctul As2 :

Mcap=Fs1·hs1–Fc·hc → Mcap=6.12·106Nmm. (3.7)


23

3.3. Calculul în secŃiuni înclinate la acŃiunea forŃei tăietoare conform SR EN 1992-1. ForŃa tăietoare de calcul VEd se determină din încărcările exterioare aplicate asupra elementului de beton. Ca şi la calculul momentului încovoietor verificările se fac la valoarea maximă a forŃei tăietoare iar în urma calculelor statice efectuate forŃa tăietoare se va obŃine în axul reazemului.

În calcule pentru determinarea mai rapidă a stării interne de solicitare din grinzi, acestea se vor înlocui cu un model fictiv simplificat care asigură echilibrarea încărcărilor exterioare şi a eforturilor interioare. Etapele de calcul sunt următoarele:

• stabilirea diagramei forŃei tăietoare de calcul VEd ; • corectarea diagramei cu toate reducerile posibile ; • calculul capacităŃii portante a secŃiunii de beton ; • verificarea relaŃiei VEd,red ≤ VRd,c. [42]

Dacă VEd ≤ VRd,c atunci elementul de beton nu necesită armare pentru forŃă tăietoare, iar dacă condiŃia nu este satisfăcută atunci se va dispune armătură transversală astfel încât condiŃia VEd

≤ VRd,c să fie îndeplinită. În orice secŃiune forŃa tăietoare de calcul nu poate depăşi însă valoarea VRd,max, deci trebuie

satisfăcută relaŃia următoare : VEd ≤ VRd,max , astfel se urmăreşte evitarea ruperilor casante ale elementului încercat.

În urma calculelor efectuate pentru grinda G1 şi comparând cele două valori obŃinute pentru VRd,max si VRd,s a rezultat că forŃa tăietoare capabilă a elementelor de tip G1 calculată în funcŃie de forŃa tăietoare corespunzătoare încărcării care a produs cedarea la moment este egală cu:

VRd,s = 39.00kN. 3.5. Calculul elementelor structurale de beton armat consolidate cu materiale de tip PAF. La ora actuală în lume cererea pentru consolidări şi renovări de clădiri vechi este în continuă creştere şi totodată, reprezintă pentru ingineri şi o mare provocare. Există foarte multe metode de realizare a consolidărilor, iar cea mai des folosită metodă este utilizarea lamelelor sau a Ńesăturilor PAF lipite pe suprafaŃa de beton, cu ajutorul unor adezivi foarte rezistenŃi. [40]

Pentru a reuşi să consolidăm şi să reabilităm sructurile de beton avariate, într-un mod cât mai optim, dar să folosim totodată şi aceste noi materiale realizate din fibre polimerice cât mai eficient, sunt necesare ghiduri de proiectare speciale.

ApariŃia acestor ghiduri a dus la micşorarea riscurilor de a folosi materialele polimerice incorect, fără înŃelegerea comportării lor în structuri, deoarece o dată aplicate acestea vor lucra împreună cu structura de beton.

Iată câteva exemple prezente în literatura de specialitate internaŃională: • Concrete Society Technical Report No. 50- Guide to surface treatments for protection and

enhancement of concrete, 1997; [1] • Concrete Bridge Development Group Technical Guide 4- The use of fibre composites in

concrete bridges, july 2000; [1] • Concrete Society Technical Report No. 55- Design guidance for strengthening concrete

structures using fibre composite materials, 2000; [1] ApariŃia la noi în Ńară, în anul 2007, a unui normativ privind consolidarea cu fibre a

elementelor structurale din beton a reprezentat un mare avantaj în utilizarea acestei categorii de produse moderne: Normativ privind consolidarea cu fibre a elementelor srtucturale de beton[3], apărut în anul 2007, elaborat de INSTITUTUL NAłIONAL DE CERCETARE– DEZVOLTARE ÎN CONSTRUCłII ( INCERC)- BUCUREŞTI.

Acest normativ stabileşte principiile şi regulile de proiectare şi executare a lucrărilor de consolidare cu materiale compozite de tip PAF, a elementelor din beton. [3]


24

3.4.1.Calculul momentului încovoietor capabil, aplicat pentru grinda G2. (detaliile despre grinzile încercate în laborator se găsesc în capitolul 4.4)

Prezint în continuare calculul momentului capabil, pentru grinda G2, încercată şi în laborator, vezi capitolul 4.4. Grinda de tip G2 s-a obŃinut aplicând la partea inferioară a grinzii de tip G1 o lamelă de tip PAFC. Calculele urmăresc mersul calculului prezentat pentru grinda de tip G1, tinând cont de influenŃa pe care o are lamela aplicată la partea inferioară. Dimensiunile secŃinii transversale ale grinzii G2 precum şi caracteristicile materialelor sunt aceleaşi cu cele prezentate pentru grinda G1, singura diferenŃă între grinda G1 şi G2 fiind prezenŃa lamelei de tip PAFC la partea inferioară.

• Caracteristicile lamelelor polimerice PAFC, folosite în calcul sunt: Lamele Sika CarboDur, de tip S512, [12] cu o lăŃime de 50 mm şi grosime de 1.20 mm, aria

sectiunii transversale 60 mm 2. f f ≥ 3100 N/ mm 2 , (rezintenŃa normată); Ef = 16.5· 10 4 N/ mm 2 ;

εf = εcu · −−

x

xh ε0 = 0.0035 · −

−

x

x2000.00025

ε0 = deformaŃia iniŃială a betonului de clasă C16/20 egală cu 0,00025. εf = 1.70 % (deformaŃia la rupere, valoarea minimă); εf = 0.85 % (deformaŃia la rupere, valoare recomandată de calcul); densitatea lamelei carbonice fiind egală cu 1.60 g/ cm 3 .

Diagrama de eforturi şi deformaŃii este prezentată în figura 3.6:

Fig.3.6. Diagrama de eforturi şi deformaŃii pentru grindaG2 consolidată la partea inferioară cu lamele PAF.

Calculul rezultantelor Fs1, Fs2, Fc şi Ff Fs1= As1 · f t = 101 · 355 = 3.58 · 10 4 N (3.18)

Fs2=As2 · Es · εs2 = 57 · 20 · 10 4 · 0,0035 ·x

x 25− N (3.19)

Fc= Ac · ηf cd = λx · b · ηf cd = 0.8 x · 150 · 1· 16 = 1920 x N/mm (3.20)

Ff= Af · Ef · εf = (50·1.2) · 16.5 · 104 · 0,0035 · −−

x

x2000.00025 N (3.21)

Scriem suma rezultantelor pe direcŃia orizontală şi obŃinem: Fs2 + F c = Fs1 + Ff (3.22) SoluŃia ecuaŃiei de mai sus este Xc = 44.42 mm

Calculul momentului capabil în punctul As2: Mcap = As1 · ft (d – d2) + Af · Ef · εf (h – d2) + Ac · ηf cd (0.4x – d2) (3.23) Mcap=20.8 · 10 6 Nmm. (3.24)


25

Analizând rezultatul obŃinut anterior pentru grinda G2 şi comparându-l cu cel obŃinut pentru grinda de tip G1, fără lamelă observăm cu uşurinŃă o diferenŃă mare între cele două valori. McapG1 = 6.12 · 10 6 Nmm (teoretic) McapG2 = 20.80 · 10 6 Nmm (teoretic) Această diferenŃă demonstrează influenŃa pe care o au lamelele carbonice PAFC asupra rezistenŃei la încovoiere a elementelor pe care sunt aplicate. Valorile de mai sus au fost confirmate şi în laborator, ele fiind asemănătoare de cele obŃinute în urma încercărilor experimentale. DiferenŃele dintre valorile obŃinute în experimental din laborator şi cele teoretice se datorează faptului că în timpul încercărilor lamela PAFC s-a desprins brusc dar şi faptului că nu se cunosc valorile reale ale rezistenŃelor betonului şi armăturii. McapG1 = 8.77 · 10 6 Nmm (în laborator) McapG2 = 12.26 · 10 6 Nmm (în laborator)

În urma experimentelor din laborator am constatat că materialul compozit nu se deteriorează, nu se rupe, în aproape toate cazurile a cedat adezivul sau stratul de acoperire cu beton. Am reluat calculele şi am încercat să Ńinem cont şi de faptul că rezistenŃa la smulgere a adezivului sau a stratului de acoperire cu beton sunt mult mai mici decât rezistenŃa la întindere a lamelei carbonice. Astfel valoarea obŃinută, în urma calculelor Ńinând cont de rezistenŃa adezivului şi de rezistenŃa la smulgere a stratului de beton sunt mult mai apropiate de cea determinată în urma încercărilor de laborator când lamela carbonică s-a desprins brusc în timpul solicitării.

3.5.2. Determinarea capacităŃii la forŃă tăietoare a elementelor consolidate cu materiale de tip PAF. Calculul capacităŃii la forŃă tăietoare a structurilor de beton, consolidate cu materiale de tip PAF, este bazat pe modelul clasic de armare, cu bare independente dispuse superior şi inferior şi etrieri pentru preluarea eforturilor transversale, Ńinând cont şi de contribuŃia armăturilor transversale PAF la preluarea forŃei tăietoare. Se Ńine cont şi de comportarea ortropică a cămaşii din material compozit (PAFC), proprietatea materialului de a avea elasticităŃi diferite în planuri diferite. Consolidarea la forŃă tăietoare se poate face cu Ńesături sau cu lamele înfăşurate complet în jurul secŃiunii de beton armat sau lipite pe diferite feŃe ale elementului structural consolidat. [3] ForŃa tăietoare totală a elementului consolidat va fi suma dintre contribuŃia betonului, a etrierilor şi a armăturilor înclinate la preluarea forŃei tăietoare şi contribuŃia armăturilor transversale PAFC. Formula de bază este: VRd = Vcd + Vwd,s + Vwd,f (3.25)

• unde : VRd forŃa tăietoare totală a elementului consolidat; Vcd contribuŃia betonului la preluarea forŃei tăietoare;

Vwd,s contribuŃia etrierilor şi a armăturilor înclinate la preluarea forŃei tăietoare; Vwd,f contribuŃia armăturilor transversale PAFC la preluarea forŃei tăietoare; Ipotezele de calcul sunt următoarele şi Ńin cont de :

• ipoteza secŃiunilor plane (ipoteza lui Bernoulli) care admite că secŃiunile plane şi normale pe axa barei înainte de deformare, rămân plane şi normale pe axa barei şi după deformare;

• se consideră că materialele, betonul şi armătura (PAFC), se comportă asemeni unui tot unitar;

• betonul prezintă fisuri puternice înainte de cedare, care apar după direcŃia de orientare a eforturilor iar armătura prezintă o comportare liniar elastică până în momentul cedării.

EcuaŃia recomandată pentru calcul Vwd,f este următoarea:

Vwd,f = εfd,e · Efu · ρf · bw · sinα· si,cr (3.26) • unde :


26

εfd,e valoarea de calcul a deformaŃiei specifică pentru materialul PAFC; Efu modulul de elasticitate al materialului PAFC ; ρf coeficientul volumetric de armare cu PAF ;

- pentru Ńesături ρf= w

f

b

t αsin2 ⋅⋅, pentru lamele ρf =

fw

ff

sb

bt

⋅

⋅⋅2 (3.27)

bf lăŃimea lamelei PAF folosită la consolidare; sf distanŃa între lamelele de tip PAF ; bw lăŃimea minimă a secŃiunii de beton; α unghiul de înclinare al fibrelor faŃă de axa elementului consolidat; si,cr lungimea proiecŃiei fisurii înclinate. Centralizarea rezultatelor obŃinute teoretic pentru forŃa tăietoare în funcŃie

de forŃa care a dus la cedarea elementului la moment încovoietor. Grinzi nesolicitate anterior Tabelul 3.1 Nr. crt.

Tip grindă

Beton clasă

Lamelă

łesătură în U la 90º


łesătură în

X la ± 45º VRd (kN)

1 G1 C 16/20 39.00

2 G2 C 16/20 x 39.00

3 G3 C 16/20 x 39.29

4 G3b C 16/20 x x 92.80

5 G4 C 16/20 x 39.20

6 G5 C 16/20 x 68.15

notă:în căsuŃele tabelelor sunt marcate cu x, lamelele şi Ńesăturile aplicate pe grinzi. În urma unei analize a rezultatelor obŃinute putem spune:

• cu cât creşte coeficientul volumetric de armare cu PAF (ρf), creşte şi valoarea forŃei tăietoare VRd preluate de elementul astfel consolidat; - de exemplu: grinzile G3b şi G5

• Ńesăturile dispuse la partea inferioară, transversal pe elementul de beton şi orientate în lungul fibrelor carbonice, teoretic contribuie în mică parte la preluarea forŃei tăietoare şi a eforturilor date de momentul încovoietor, grinzile G3 şi G4; Dar în urma experimentului de laborator am constatat că forŃa P care a dus la cedarea elementului a fost mult mai mare decât cea rezultată din calculele teoretice.

• aplicarea materialelor PAFC pe suprafaŃa elementelor de beton a dus, teoretic, la o sporire a capacităŃii acestora de preluare a forŃei tăietoare cu 35% în cazul grinzilor consolidate cu lamele (G2), 60% pentru grinzile consolidate cu Ńesături dispuse pe toată suprafaŃa grinzii la ±45º (G5) şi chiar cu peste 100% în cazul grinzilor consolidate atât cu Ńesături cât şi cu lamele.


27

CAPITOLUL 4

STUDII ŞI CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND COMPORTAREA ÎN EXPLOATARE A STRUCTURILOR DIN BETON ARMAT

CONSOLIDATE CU CFRP CARE FAC OBIECTUL TEZEI DE DOCTORAT

4.1. Scopul cercetărilor de laborator. Experimentele şi cercetările privind comportarea materialelor compozite tip PAFC (lamele

şi Ńesături obŃinute din fibre de carbon), au o mare importanŃă pentru stabilirea potenŃialului lor, dar şi a modului de utilizare în lucrările de construcŃii.

Modul în care se comportă grinzile din beton cămăşuite cu CFRP, la acŃiunea predominantă a forŃei tăietoare, cu trei sau patru puncte de sprijn, depinde de foarte mulŃi factori şi poate fi evaluat doar printr-o serie de încercări experimentale.

Am dorit să aflu ce influenŃă au Ńesăturile şi lamelele carbonice, aplicate pe suprafaŃa grinzilor de beton armat, asupra comportării acestora la solicitări generate de acŃiunea unei forŃe concentrate aplicate central la partea superioară.

Încercările de laborator au fost efectuate la S.C. COBCO S.R.L.-Brasov, unde împreună cu personalul laboratorului am încercat să evidenŃiez modul în care se comportă elementele din beton armat consolidate cu Ńesături şi lamele carbonice supuse la eforturi de încovoiere.

Scopul experimentului a cuprins următoarele puncte: • relizarea unei diagrame caracteristice efort unitar-deformaŃie specifică, pentru fiecare tip

de grindă încercată şi compararea acesteia cu cea generală a betonului armat dată în normativul SR EN 1992-1;

• urmărirea variaŃiei valorii săgeŃii finale în funcŃie de modul de aplicare al lamelelor şi Ńesăturilor PAFC pe grinzi;

• apariŃia deformaŃiilor elastice şi plastice odată cu deschiderea fisurilor; • urmărirea influenŃei pe care o au Ńesăturile şi lamelele carbonice asupra elementelor din

beton armat fisurate înaintea consolidării; • restabilirea capacităŃilor portante a grinzilor avariate cu ajutorul Ńesăturilor şi lamelelor

din fibre carbonice.

4.2. Programul experimental. Programul experimental constă din relizarea a 10 grinzi din beton armat, consolidate cu

Ńesături şi lamele din fibre de carbon şi testarea lor în laborator la eforturi de încovoiere, cu o singură forŃă concentrată aplicată la partea superioară a elementului, la mijlocul deschiderii.

Încercarea s-a realizat conform Standardului Românesc SR EN 12390-5, din 2002, Încercare pe beton întărit, Partea 5-RezistenŃa la întindere prin încovoiere a epruvetelor.

Principiul încercării- grinzile vor fi supuse la un efort de încovoiere cu ajutorul rolelor superioare şi inferioare ale aparatului. Se va înregistra încărcarea maximă şi se va determina rezistenŃa la întindere prin încovoiere.

Aparatura-încercarea se va realiza în laborator specializat cu o maşină de încercare conform prEN 12390-4

Aplicarea forŃei-dispozitivul de aplicare a sarcinii este alcătuit din (figura.4.1): • două role de reazem; • o rolă superioară susŃinută de un braŃ transversal articulat.[16]

Rolele sunt fabricate din otel şi au secŃiunea transversală circulară egală iar echipamentul de realizare a încercării este prezentat în figura de mai jos 4.1 [16]


28

Încărcarea va fi aplicată fără şoc şi va creşte continu pănă când grinda nu va mai putea susŃine o încărcare mai mare.

Fig.4.1. Aparatura de încărcare a grinzii în punct central. 4.3. Caracteristicile materialelor folosite în experiment. 4.3.1. Betonul.

Betonul utilizat pentru executarea grinzilor a fost un beton de tip greu, de clasă obişnuită, C16/20, conform CP 012-2008 iar calculul reŃetei după care s-a preparat betonul respectă prevederile SR EN 206-1:2000.

4.3.2. Armătura.

Carcasele de armătură de rezistenŃă au fost confecŃionate manual la o firmă specializată în fasonarea armăturilor pentru elementele din beton.

Prin diametrele de bare folosite, am încercat respectarea unor proporŃii de armare cu cea a unor grinzi reale, realizându-se următoarea schemă de armare:

• la partea inferioară 2 bare de oŃel calitate OB 37, cu diametru 8 mm; • la partea superioară 2 bare de oŃel calitate OB 37, cu diametru 6 mm; • transversal etrieri OB37-de diametru 4 cm la distanŃă de 4 cm pe toată lungimea grinzii.

În figura 4.2 este prezentată o fotografie a acestor carcase, înainte de a fi introduse în cofrajele de lemn.

Fig.4.2. Foto -carcasele de armătură.

4.3.3. Lamelele şi Ńesăturile compozite. Pentru a obŃine rezultate optime, vom folosi lamele şi Ńesături din fibră carbonică, notate

prescurtat CFRP, aplicate cu ajutorul unor adezivi speciali, produse şi comercializate de SikaRomânia sub următoarele denumiri: 1) SikaCarboDur lamele împreună cu adezivul SikaDur -30; 2) SikaWrap Ńesături, împreună cu răşinile epoxidice SikaDur-330.


29

• În tabelele următoare (4.1-4.4) sunt prezentate caracteristicile acestor materiale A.SikaWrap Ńesături[10]. Tabelul 4.1 łesătura RezistenŃa Modulul Grosimea ElongaŃia la întindere de elasticitate MPa MPa mm (%) SikaWrap-230C 3 500 230 000 0.13 1.5 B .Lamele SikaCarboDur[10]. Tabelul 4.2 Tip Lamele RezistenŃa Modulul Grosimea ElongaŃia la întindere de elasticitate MPa MPa mm (%) SikaCarboDur S 3100 165 000 1.2-1.4 1.70 C . SikaDur-30, adeziv pentru lamele din fibre de carbon[10]. Tabelul 4.3

RezistenŃa la compresiune, pentru o grosime maximă a stratului de 30mm. Ore de întărire grade celsius

+10 +35 168ore (7zile) 70-80 N/ mm 2 85-95 N/ mm 2

RezistenŃa la forŃă tăietoare, cu menŃiunea că betonul cedează la -15 N/ mm 2

Timp de la întărire grade celsius +15 +35

7 zile 14-17 N/ mm 2 16-19 N/ mm 2

RezistenŃa la tracŃiune Timp de la întărire grade celsius

+15 +35 7 zile 24-27 N/ mm 2 26-31 N/ mm 2

Pe o suprafaŃă de beton corect pregătită forŃa de adeziune este mai mare decât cea de cedare

a betonului, 4 N/ mm 2 Modulul de elasticitate este de 12.800 N/ mm 2

Tabelul 4.4. D . SikaDur-330, răşină epoxidică bicomponentă de impregnare[10].

• rezistenŃa la compresiune, la 7 zile de la întărire, 30 N/ mm 2 . • alungirea la rupere 0.9 (%), la 7 zile de la întărire . • modulul de elasticitate, la 7 zile de la întărire şi la +23C :

1.de încovoiere 3800 N/ mm 2 2.de tracŃiune 4500 N/ mm 2

Pe o suprafaŃă de beton corect pregătită forŃa de aderenŃă este mai mare decât cea a betonului, 4 N/ mm 2, deci se va produce cedare a betonului .

4.4. Caracteristicile grinzilor experimentale şi modul de aplicare al încărcărilor. Cele 10 grinzi de secŃiune 15x20 cm şi 100 cm lungime au fost împărŃite în trei categorii:

• prima categorie cuprinde o grindă din beton armat (etalon), notată cu G1, ce va fi încercată la întindere din încovoiere cu o forŃă concentrată, iar rezultatele obŃinute se vor compara cu toate rezultatele obŃinute la celelalte încercări, respectiv încercările grinzior G2, G3, G4, G5;


30

Fig.4.3. Grinda de beton tip-G1

• a doua categorie cuprinde 4 grinzi de beton armat consolidate cu Ńesături sau lamele carbonice, notate cu G2, G3, G4 şi G5 obŃinute prin aplicarea de materiale de tip PAFC pe grinzi de beton armat asemănătoare cu grinda etalon. După consolidate vor fi încercate la încovoiere cu o forŃă aplicată în punct central, pentru a determina influenŃa pe care o poate avea modul de aplicare (dispunere) a materialelor PAFC asupra comportării grinzilor.


Fig.4.5. Grinda de beton tip-G3 Fig.4.6. Grinda de beton tip-G4


• a treia categorie notate cu G2a, G3a, G3b, G4a, G4b, cuprinde 5 grinzi solicitate iniŃial până la

limita apariŃiei primelor fisuri, apoi consolidate cu materiale compozite PAFC, cu scopul de a le restabili capacitatea portantă iniŃială. După aplicarea materialelor PAFC (lamele şi/sau Ńesături) grinzile au fost supuse iar la solicitări de încovoiere.


31

Fig.4.8. Grinda de beton tip-G2a

Fig.4.9.Grinda de beton tip-G3a, G3b

Fig.4.10. Grindă de beton tip-G4a, G4b 4.5. Tehnologia de execuŃie a grinzilor studiate.

Cofrajele în care s-au turnat cele 10 grinzi, au fost confecŃionate manual din material OSB de grosime 15 mm, sub forma unor cutii în care s-au turnat 5 grinzi odată, (vezi fig.4.12). Materialul a fost special ales pentru a se obŃine o faŃă cât mai curată şi fină pentru elementele de beton. Înainte de turnarea betonului cofrajul a fost uns cu un ulei, pentru ca acesta să nu absoarbă din apa betonului, dar şi pentru o decofrare mai uşoară, (figura 4.12). [25]

Fig.4.12. Cofrajele de OSB.Fixarea carcaselor şi turnarea betonului în cofraje.

Carcasele de oŃel, au fost aşezate în cofraje şi fixate cu ajutorul unor purici, (fig.4.12), pentru a nu se deplasa în timpul turnării betonului. Stratul de acoperire cu beton fiind la finalul turnării de 2,5 cm.


32

Betonul preparat pe loc, în staŃia de betoane, respectând reŃeta de beton dată de laboratorul în care urmau să fie încercate grinzile, s-a turnat manual peste carcasele de oŃel, bătând continu cu un ciocan în cofraj, aşa cum se prezintă în figurile 4.12 pentru o aşezare a agregatelor cât mai corectă.

La final grinzile au fost acoperite cu folie pentru construcŃii, (figura 4.13), pentru menŃinerea umidităŃii şi protejarea lor de mediul înconjurator. La 24 de ore de la turnare grinzile au fost decofrate şi menŃinute într-un mediu umed timp de 28 de zile calculate de la data turnării lor. În lipsa unor bazine mari cu apă, elementele din beton au fost îmbrăcate în cârpe îmbibate cu apă şi învelite apoi, iar în folie de plastic, ca în figurile 4.13. După 28 de zile grinzile au fost desfăcute şi transportate în laboratorul în care urma să se desfăşoare experimentul.

Fig.4.13.Îmbrăcarea şi depozitarea grinzilor după decofrare.

În laborator grinzile au fost depozitate şi pregătite pentru experiment conform instrucŃiunilor din fişele tehnice furnizate de producătorul materialelor compozite folosite. Pentru a nu tăia materialul în momentul încercării dar şi pentru o mai bună aderenŃă cu adezivul, grinzile care urmau să fie consolidate cu Ńesături carbonice, au fost rotunjite la muchii şi colŃuri iar zonele pe care s-au aplicat lamele carbonice au fost bine şlefuite, cu ajutorul unui disc abraziv.

4.5.1. Aplicarea lamelelor şi Ńesăturilor pe suprafaŃa grinzilor din beton.

Aplicarea matrialelor de tip PAFC pe suprafaŃa grinzilor din beton s-a realizat urmărind fişele tehnice ale acestor materiale şi recomadările producătorului. - grinzile şi materialele de tip PAFC au fost curăŃate cu un solvent nitro - am nivelat colŃurile şi suprafaŃa de beton prin şlefuire cu un disc şi perie de sârme - am aplicat adezivul cu ajutorul unei spatule pe lamele şi cu o pensulă pe Ńesături după care materialele PAFC au fost aplicate pe suprafaŃa betonului. - adezivul este format din două componente care trebuie amestecate iar din punct de vedere al lucrabilităŃii este valabil doar 30 minute, astfel se recomandă să nu se prepare decât atâta cât se poate folosi în acest timp.

Fig.4.14.Aplicarea materialelor de tip PAFC pe grinzi.


33

4.7. Analiza rezultatelor. Încercările de laborator au cuprins următoarele etape: 1. Prima etapă în care am încercat până la rupere grinda etalon G1 şi până la limita apariŃiei primelor fisuri grinzile din a treia categorie G2a, G3a, G3b, G4a şi G4b.

2. A doua etapă a cuprins aplicarea materialelor compozite, lamele şi Ńesături, pe grinzi şi depozitarea lor timp de 7 zile într-un mediu ambiant de 15 grade.

3. Etapa a treia în care am solicitat toate grinzile atât cele din categoria a doua cât şi cele din categoria a treia deja fisurate din prima etapă.

Comportarea sub sarcină şi modul de cedare al grinzilor testate. Comportarea sub sarcină a grinzii etalon G1 a fost cea aşteptată. Cedarea s-a produs cu avertizare la moment încovoietor prin apariŃia de fisuri puternice la partea inferioară în mijlocul deschiderii.Fig.4.15.

Fig.4.15. Modul de cedare al grinzii etalon G1.

Toate grinzile consolidate cu lamele(G2) sau lamele şi Ńesături (G3b, G4b) au prezentat un comportament diferit faŃă de celelalte grinzi prin faptul că cedarea s-a produs brusc şi fără avertizare. Cedarea grinziilor s-a produs rapid odată cu desprinderea bruscă a lamelei carbonice. Până în momentul desprinderii lamelei pe grinzi nu au apărut fisuri puternice care să prevină cedarea elementului consolidat.

Fig.4.16. Modul de cedare al grinzilor G2 şi G4b.


34

Fig.4.17.Desprinderea materialelor PAFC de pe suprafaŃa grinzilor G3b şi G4b.

Comportarea grinzilor consolidate doar cu Ńesături (G3, G4 şi G5) a fost asemănătoarea cu cea a grinzii etalon G1, fisurile crescând proporŃional cu încărcarea iar cedarea grinzilor s-a produs cu avertizare prin desprinderea Ńesăturilor de pe suprafaŃa grinzilor şi apariŃia de fisuri puternice la partea inferioară.

Fig.4.18.Încercarea şi modul de cedare al grinzilor G3 şi G4.

Fig.4.19. Modul de cedare şi aspectul final al grinzii G5.

Grinzile din categoria III (G2a, G3a, G3b, G4a şi G4b) fiind fisurate îninte de consolidare, comportarea lor sub sarcină a fost uşor diferită faŃă de toate celelalte grinzi. Cedarea lor s-a produs cu avertizare prin apariŃia unor fisuri puternice la partea inferoiară în general altele decât cele deja existente şi dispuse pe zonele fără Ńesături. Fiind acoperite de Ńesături fisurile din prima solicitare s-au deschis târziu spre finalul încărcării când s-a produs cedarea elementului.

Fig.4.20. Modul de cedare şi aspectul final al grinzilor G2a şi G3a.


35

Centralizarea rezultatelor pentru grinzile din prima şi a doua categorie. Tabelul 4.5. Grinda P(kN) P (kN) Sageata Mod de Procentul de

crestere Materiale PAFC

primele fisuri val.max. (mm) cedare

al valorii .Pmax. aplicate

G1 23.5 39 10 cu avertizare - -

G2 28.5 54.5 5 fara avertizare 40% lamela

G3 40 51 5 cu avertizare 30% tesaturi U + 90º

G4 31 48.5 8 cu avertizare 24% tesaturi U + 45º

G5 31 48 2.5 cu avertizare 24% tesaturi U ± 45º

- grinzile consolidate cu Ńesături au prezentat o creştere a capacităŃii portante cu 20-30% - grinzile consolidate cu lamele au prezentat o creştere a capacităŃii portante cu 40% - odată cu aplicarea materialelor compozite scade valoarea săgeŃii maxime

- prin aplicarea materialelor compozite se întârzie momentul de apariŃie al primelor fisuri Centralizarea rezultatelor pentru grinzile din a treia categorie. Tabelul 4.6. Grinda inainte/ P(kN) P (kN) Sageata Mod de Procent de Materiale

dupa

consolidare Primele fisuri val.max. (mm)

cedare

crestere al valorii Pmax. aplicate

G2a inainte 18.5 - 0 - - - dupa 41.5 41.5 3 fara avertizare 6.40% L

G3a inainte 28 - 0 - - - dupa 28 35 12 cu avertizare 0 T + 90º

G3b inainte 30 - 0 - - - dupa 43.5 70 6 fara avertizare 79.40% T + 90º şi L

G4a inainte 28 - 0 - - - dupa 45.5 52 6 cu avertizare 33.30% T+ 45º

G4b inainte 32 - 0.2 - - -

dupa 41 58.5 7 aproape cu avertizare 50% T + 45º şi L

Centralizarea rezultatelor pentru grinzile din a treia categorie - odată cu aplicarea materialelor PAFC grinzile fisurate şi-au recăpătat capacitatea portantă - grinda G3b a prezentat o capacitate portantă mai mare cu 79% decât cea a grinzii G1 Analiza rezultatelor obŃinute în urma încercării grinzilor.

Rezultatele analizate se referă la: • relizarea diagramei caracteristice efort unitar - deformaŃie specifică, pentru fiecare tip de

grindă încercată şi compararea acesteia cu cea generală, a betonului armat dată în normativul SR EN 1992-1;

• variaŃia valorii forŃei concentrate P, din punct de vedere al apariŃiei primelor fisuri; • variaŃia rezistenŃei la întindere din încovoiere pentru grinzile încercate în funcŃie de

materialele compozite aplicate; • variaŃia săgeŃii grinzilor pentru forŃa de încarcăre P, la limita rupere; • optimizarea poziŃionării Ńesăturilor folosite pentru consolidarea grinzilor de beton armat.


36

Aspectul diagramei caracteristice efort unitar - deformaŃie specifică.

Fig.4.21. Diagramele caracteristice efort-deformaŃie(săgeată) pentru G1, G2, G2a G3, G3a,G3b.


37

Fig.4.22. Diagramele caracteristice efort-deformaŃie(săgeată)

pentru G4, G4a, G4b, G5.

Studiind diagramele caracteristice obŃinute putem concluziona următoarele aspecte: • diagramele caracteristice efort-deformaŃie, obŃinute în urma încercărilor sunt

triliniare şi evidenŃiază cele trei stadii de lucru ale elementelor din beton armat, vezi figurile 4.21, 4.22 ;

• limita stadiului I corespunde situaŃiei în care încărcările sunt mici, întreaga secŃiune de beton armat este activă şi se comportă asemenea unui material perfect elastic.

• diagrama grinzii de tip G2a reflectă faptul că comportarea acesteia nu respectă cele trei stadii de lucru, fapt datorat desprinderii bruşte a lamelei de carbon de pe suprafaŃa grinzii, fapt care a dus la instaurarea bruscă a stadiului III de lucru şi distrugerea foarte rapidă a acesteia;

• după apariŃia fisurilor continuând încărcarea, eforturile unitare din betonul comprimat şi armătura întinsă cresc brusc;

• din diagramele de mai sus, figurile 4.22 şi 4.23 se poate observa că în acest stadiu diagrama eforturilor unitare are o variaŃie liniară semn că betonul zonei comprimate se comportă elastic;

• starea limită de rezistenŃă în secŃiuni normale, corespunde limitei stadiului II şi se situează la aproximativ 80% din valoarea momentului de rupere;

• sporirea încărcărilor duce la creşterea deformaŃiilor specifice şi a eforturilor unitare în final ajungându-se la limita stadiului II când unul din cele trei materiale, (armătura de oŃel, betonul, materialele carbonice), ating deformaŃiile specifice ultime, declanşând procesul de rupere şi trecerea în stadiul III de lucru;

• în stadiul III de lucru, se produce cedarea grinzilor prin strivirea betonului comprimat şi deschiderea ireversibilă a fisurilor de la partea inferioară.


38

VariaŃia valorii forŃei concentrate P în momentul deschiderii primelor fisuri. În tabelele următoare am realizat o centralizare a rezultatelor obŃinute în urma încercării grinzilor, ce reflectă la valoarea forŃei P în momentul apariŃiei primelor fisuri.

Urmărind tabelele 4.7 şi 4.8 observăm cu uşurinŃă cum dispunerea materialelor carbonice pe suprafaŃa grinzilor influenŃează comportarea acestora. Tabelul 4.7

Nr. crt.

Tip grindă

Beton clasă

Lamelă

łesătură

în

U la 90º

łesătură în

U la 45º

łesătură în

X la ± 45º

ForŃa P înainte de consolidare

ForŃa P după consolidare

1 G1 C 16/20 23500 N -

2 G2 C 16/20 x 23500 N 28500 N

3 G3 C 16/20 x 23500 N 40000 N

4 G4 C 16/20 x 23500 N 31000 N

5 G5 C 16/20 x 23500 N 31000 N Tabelul 4.8

Nr. crt.

Tip grindă

Beton clasă

Lamelă

łesătură în

U la 90º


łesătură în

X la ± 45º

ForŃa P înainte de

consolidare

ForŃa P după

consolidare

1 G2a C 16/20 x 23000 N 40000 N

2 G3a C 16/20 x 28000 N 34000 N

3 G3b C 16/20 x x 30000 N 43500 N

4 G4a C 16/20 x 35000 N 45500 N

5 G4b C 16/20 x x 32000 N 41000 N notă:- în căsuŃele tabelelor sunt marcate cu x, lamelele şi Ńesăturile aplicate pe grinzi.

În urma încercărilor efectuate pot spune că Ńesăturile şi lamelele carbonice aplicate pe

elementele de beton armat au o influenŃă considerabilă asupra comportării acestora la eforturi de încovoiere. Din punct de vedere al apariŃiei primelor fisuri, (limita dintre Stadiul I şi Stadiul II de lucru), influenŃa lor se poate observa cel mai bine urmărind tabelul 4.7 unde sunt prezentate rezultatele grinzilor G1, G2, G3, G4 şi G5. Astfel cinci grinzi identice din punct de vedere al secŃiunii transversale şi al armării, au fost consolidate cu două tipuri de materiale compozite pe bază de carbon (lamele şi Ńesături) dispuse în diferite moduri şi încercate după aceeaşi schemă prezentată în capitolul 4.3. Valorile din tabel reflectă cel mai bine influenŃa materialelor asupra grinzilor. Dacă în cazul lamelelor, de exemplu grinda de tip G2, am obŃinut o creştere a încărcării de 21% faŃa de grinda etalon, G1, în cazul Ńesăturilor combinate cu lamele, grinda de tip G3b, am înregistrat o valoare a forŃei P cu 90% mai mare.

Rezultate bune am înregistrat şi pentru grinzile solicitate anterior consolidării şi anume:

• aplicarea materialelor pe suprafaŃa acestora, a dus la o comportare mult mai bună sub sarcină, deoarece la aceeaşi valoare a forŃei aplicate la care neconsolidate prezentau fisuri, o dată cu consolidarea acestora, fisurile nu mai erau vizibile, iar grinda nu prezenta săgeată.

Modul de cedare al grinzilor şi forŃa concentrată (P) maximă aplicată. În timpul experimentului am urmărit şi modul de cedare a grinzilor, deoarece am observat că materialele carbonice au o influenŃă şi din acest punct de vedere. Am centralizat astfel rezultatele obŃinute în tabelul 4.9.


39

Tabelul 4.9 Materialul compozit aplicat pe grinda

Nr. crt.

Tip grindă

Lamelă

łesătură în

U la 90º

łesătură în

U la 45º łesătură în

X la ± 45º ForŃa P

măsurată Modalitate de cedare

1 G1 39.000 N

cu avertizare

2 G2 x 54.500 N

fără avertizare

3 G2a x 41.500 N

fără avertizare

4 G3 x 51.000 N

cu avertizare

5

G3a x 34.000 N cu avertizare

6

G3b x x 70.000 N fără avertizare

7 G4 x 48.500 N

cu avertizare

8 G4a x 52.000 N cu avertizare

9 G4b x x 58.500 N fără avertizare

10 G5 x 48.500 N

cu avertizare

Modul de cedare prin ruperea sau desprinderea lamelelor carbonice este unic şi caracteristic elementelor din beton armate sau consolidate cu astfel de materiale. Acest lucru se datorează apariŃiei unor planuri de fisurare în interiorul elementului din beton, rezistenŃei transversale slabe, dar şi a comportamentului casant. Ruperea elementului se produce brusc, aproape fără avertizare (Grinda de tip G3b) iar din momentul ruperii sau desprinderii lamelei elementul de beton se deformează foarte repede fisurile apar şi progresează rapid iar întreg elementul cedează.

VariaŃia săgeŃii grinzilor pentru forŃa de încarcăre maximă P.

A. Grinzi nesolicitate anterior Tabelul 4.10 Nr. crt.

Tip grindă

Beton clasă

Lamelă



łesătură în

X la ± 45º Încărcare P

Săgeată finală f

1 G1 C 16/20 39.000 N 10 mm

2 G2 C 16/20 x 54.500 N 5 mm

3 G3 C 16/20 x 51.000 N 5 mm

4 G4 C 16/20 x 48.500 N 8 mm

5 G5 C 16/20 x 48.500 N 2.5 mm B. Grinzi solicitate înaintea aplicării materialelor carbonice. Tabelul 4.11 Nr. crt.

Tip grindă

Beton clasă

Lamelă


łesătură în

U la 45º

łesătură în

X la ± 45º

Încărcare P

Săgeată finală f

1 G2a C 16/20 x 41.500 N 3 mm

2 G3a C 16/20 x 34.000 N 12 mm

3 G3b C 16/20 x x 70.000 N 6 mm

4 G4a C 16/20 x 52.000 N 6 mm

5 G4b C 16/20 x x 58.500 N 7 mm


40

În diagramele următoare am centralizat şi analizat rezultatele obŃinute pentru cele 10 grinzi încercate, grupate astfel:

• G1 + G2 + G2a – elemente consolidate cu lamele carbonice, fig.4.24 • G1 + G3 + G3a + G3b – elemente consolidate cu Ńesături la 90°, fig. 4.25 • G1 + G4 + G4a + G4b – elemente consolidate cu Ńesături la 45°, fig.4.25 • G1 + G5 – elemente consolidate cu Ńesături la ± 45° fig.4.26

În figura 4.24 sunt reprezentate grinda etalon G1 şi grinzile consolidate la partea inferioară cu o lamelă carboică aplicată la partea inferioară pe toată lungimea acesteia.

Fig.4.24. VariaŃia săgeŃii pentru grinzile G1, G2, G2a.

Diagrama reflectă comportarea reală a grinzilor, aplicarea lamelei pe elementul din beton

nefisurat (G2-albastru), a dus la sporirea rezistenŃei şi acelaşi lucru întâlnindu-se în cazul grinzii fisurate înaintea aplicării lamelei carbonice. Tragem astfel concluzia că odată cu aplicarea lamelelor am reuşit să obŃinem atât sporirea rezistenŃei elementului, G2, dar şi consolidarea unei grinzi deja fisurate, G2a.

Diagramele următoare prezintă o analiză asemănătoare pentru grinzile pe care am aplicat Ńesături carbonice sub formă de U, la 90°, fig.4.25.A şi la 45°, fig.4.25.B:

A B

Fig.4.25. VariaŃia săgeŃii pentru grinzile G1, G3, G3a, G3b, G4, G4a, G4b


41

Urmărind diagramele se observă cu uşurintă că nu sunt diferenŃe foarte mari între cele două sisteme de consolidare, sub formă de U la 90° sau la 45°, diagramele pentru grinzile G3, G3b şi G4, G4b fiind asemănătoare. Aplicarea materialelor compozite pe grinzi este evidenŃiată de valorile superioare ale diagramelor de culoare verde, albastră şi magentă faŃă de diagrama grinzii etalon G1- roşu.

Din punct de vedere al grinzilor deja fisurate, G3a şi G4a rezultate mai bune am înregistrat pentru sistemul de consolidare sub formă de U aplicat sub un unghi de 45°, respective grinda de tip G4a - verde.

Fig.4.26. VariaŃia săgeŃii pentru grinzile G1, G5.

Analizând toate diagramele prezentate mai sus concluzionăm că aplicarea unor materiale

compozite sub formă de lamele sau Ńesături carbonice pe suprafaŃa de beton, duce la sporirea capacităŃii portante a elementului, acest lucru fiind evidenŃiat de comportarea grinzilor în timpul încercărilor şi redat în diagramele de mai sus unde culorile albastru, verde şi magenta, reprezentând grinzile consolidate, sunt în toate cazurile poziŃionate superior celei roşii care reprezintă grinda etalon. Acest lucru fiind valabil chiar şi în cazul grinzilor fisurate înaintea aplicării materialelor compozite.

În diagrama 4.27 am realizat o centralizare a rezultatelor pentru cele trei tipuri de sisteme de consolidare folosite în laborator:

• Placarea cu lamele carbonice la partea inferioară a elementului, G2; • Aplicarea de materiale (Ńesături) carbonice în formă de U pe toată lungimea

elementului, G3; • Aplicarea atât a Ńesăturilor carbonice sub formă de U cât şi a lamelelor carbonice la

partea inferioară, G3b;

Fig.4.27. VariaŃia săgeŃii finale în funcŃie de sistemul de consolidare ales

pentru grinzile G1, G2, G3, G3b.


42

Punctele A1, A2, A3, A3b reprezintă momentul apariŃiei primelor fisuri în grindă iar B1,

B2, B3, B3b punctul final al încercării peste care elementele au fost considerate distruse, deformaŃiile (săgeata şi deschiderea fisurilor) crescând proporŃional cu încărcarea.

Urmărind diagrama 4.27 se observă cu usurinŃă creşterea rezistenŃei sub sarcină a grinzilor consolidate faŃă de grinda etalon. Valorile înregistrate pentru grinzile G2 şi G3 sunt surprinzătoare, fiind asemănătoare, aproape egale. În mod normal studiind caracteristicile celor două materiale (Ńesături şi lamele) am fi tentaŃi să afirmăm că se poate obŃine o mai bună rezistenŃă aplicând pe suprafaŃa elementelor din beton lamele carbonice, dar experimentul efectuat demonstrează că din punct de vedere al săgeŃii şi a forŃei maxime aplicate, se obŃin rezultate asemănătoare atât pentru lamele cât şi pentru Ńesături. Ceea ce poate face diferenŃa dintre cele două materiale este comportarea şi modul de cedare al elementului astfel consolidat. Grinda de tip G2 a cedat brusc şi fără avertizare în urma dezlipirii lamelei, pe când grinda de tip G3 a avut o comportare normală deformatiile fiind proporŃionale cu încărcarea, punctul final fiind previzibil.

În momentul în care am aplicat ambele materiale pe o grindă se observă pe diagramă, cu culoarea magenta, o mult mai bună comportare, o încărcare finală mai mare cu 80% decât cea înregistrată pentru grinda etalon, G1.

Concluziile finale ale experimentului de laborator Studiind rezultatele obŃinute pe grinzile încercate în laborator putem spune că se poate

consolida şi restabilii capacitatea portantă a unei grinzi avariate cu ajutorul materialelor compozite. Pentru grinzile nesolicitate anterior cămăşuirii s-au obŃinut valori ale săgeŃi finale de aproximativ 60-80% mai mici decât cele ale grinzii etalon.

Comportarea elastică a materialelor carbonice aplicate pe grinzi şi conlucrarea bună cu betonul au condus la un grad ridicat de comportare elastică a grinzilor în stadiul II de lucru. Am observat că în unele cazuri chiar şi în stadiul III de lucru se manifestă un anumit grad de comportare elastică, deoarece deformaŃiile remarente au avut valori cuprinse între: fr = l/600......l/750.

Atunci când nu pot fi aplicate Ńesături se pot dispune şi lamele carbonice dar cu condiŃia să fie foarte bine ancorate sau prinse cu şuruburi la capete pentru a se evita desprinderea bruscă a acestora. În cadrul acestui experiment se puteau obŃine valori mult mai bune pentru grinzile consolidate cu lamele carbonice dacă desprinderea lor de pe suprafaŃa de beton ar fi fost evitată, ancorând lamelele la capetele grinzii.

În toate cazurile lamelele s-au desprins de suprafaŃa de beton înainte de atingerea capacităŃii portante maxime ducând la distrugerea bruscă a întregului element. Cu toate acestea, pentru grinzile consolidate doar cu lamele, (G2, G2a) valorile înregistrate pentru forŃa maximă de rupere, P şi a săgeŃi grinzilor în momentul cedării erau cu 20-25% mai mari decât ale grinzii etalon G1.

Am constatat astfel că: • odată cu aplicarea materialelor compozite obŃinem o reducere a săgeŃii sub sarcină, dar şi

a deformaŃiilor specifice barelor de oŃel; • comportarea grinzilor sub solicitare a fost influenŃată de orientarea Ńesăturilor, acestea

având cea mai bună comportare atunci când au fost aplicate paralel cu forŃa de încărcare, orientate în lungul fibrei.( ex.Grinda de tip G3, G3a şi G3b);

Valoarea finală a forŃei concentrate a crescut şi ea, iar un rol important l-a avut şi modul de

dispunere al materialelor compozite: • urmărind valoarea forŃei concentrate aplicate se observă o creştere a punctului de apariŃie

a primelor fisuri cu 21% pentru grinzile consolidate doar cu lamele şi cu până la 70% în cazul grinzilor consolidate cu Ńesături şi lamele.

• dacă neconsolidată grinda G1 a cedat sub o forŃă egală cu 39.000N, odată cu aplicarea lamelelor am înregistrat o creştere a valorii forŃei de rupere cu 35%, a Ńesăturilor orientate la 45º, 22%,orientate paralel cu forŃa, 30% şi în cazul aplicării atât a lamelelor cât şi a


43

Ńesăturilor, creşterea a ajuns până la aproximativ 60%. Experimental am constatat că :

• stratul de răşină epoxidică (adezivul) poate ceda, chiar dacă rezistenŃa la întindere a acestuia este mai mare decât a betonului, acest caz fiind prezent în laborator pentru:

- grinda de tip G2 unde lamela s-a desprins fără beton, cedând adezivul; - grinda de tip G4a unde lamela şi Ńesătura s-au desprins cu tot cu beton;

• prin adaugarea materialelor compozite, suplimentare, în cazul grinzilor armate cu armătură din oŃel, se poate sporii şi îmbunătăŃii, rezistenŃa la forŃă tăietoare dar şi comportarea întregului element.

• cedarea tuturor grinzilor s-a produs atingându-se valoarea maximă a momentului încovoietor. AparŃia fisurilor de la partea inferioară a grinzilor la mijlocul deschiderii demonstrează faptul că cedarea nu a fost produsă de atingerea unei forŃe tăietoare maxime.

În cazul grinzilor solicitate anterior consolidării cu lamele sau Ńesături, până la limita

apariŃiei primelor fisuri, cămăşuirea s-a realizat diferit Ńinând cont şi de existenŃa fisurilor apărute odată cu prima solicitare. Astfel în momentul poziŃionării Ńesăturilor am Ńinut cont de:

• modul de dispunere al Ńesăturilor, în X, în L sau în U; • existenŃa fisurilor rezultate din prima solicitare.

În acest fel am dorit să urmăresc comportarea fisurilor deja existente odată cu aplicarea materialului compozit şi influenŃa pe care o are poziŃionarea acestuia faŃă de fisuri.

Principial se pune problema: dacă avem un element structural fisurat este mai bine să aplicăm Ńesăturile peste fisuri, lăngă fisuri sau nu contează ?

În urma încercărilor pe grinzi fisurate anterior am observat că poziŃionarea Ńesăturilor are un rol important pentru comportarea ulterioară a fisurilor deja existente şi că atât poziŃia cât şi orientarea fibrelor pot influenŃa comportarea fisurilor şi a întregului sistem:

• Ńesătura aplicată peste fisuri a împiedicat deschiderea acestora, adezivul având atât rolul de a lipi Ńesătura cât şi de a păstra constantă deschiderea fisurilor. Acestea nu s-au mai deschis, în prima fază a încărcării, iar pe feŃele laterale ale grinzilor au apărut alte fisuri fine, toate poziŃionate în zonele fără Ńesătură. Spre finalul încercării când în grindă au început să apară deformaŃii plastice s-au deschis şi aceste fisuri, care spre final au tăiat Ńesătura. De exemplu: grinzile de tip G4a şi G5;

• în cazurile în care fisurile nu au fost acoperite de Ńesături, acestea au continuat să se deschidă, Ńesătura având un rol important deoarece, la aceeaşi forŃă pentru care înainte de cămăşuire fisurile prezentau o deschidere de 0.5-1 mm, acum acestea nici nu erau vizibile. Dar odată cu creşterea încărcării, acestea s-au deschis progresiv iar alte fisuri la nivelul grinzilor nu au mai apărut. De exemplu: grinzile de tip G4b şi G3b;

Pentru a putea urmării mai bine deschiderea fisurilor care erau acoperite cu Ńesături am

realizat mai multe încercări pe etape şi de fiecare dată când am oprit încărcarea am desprins manual o parte din Ńesătură, în locurile marcate anterior şi am măsurat cu o lupă specială deschiderea acestora. O problemă au pus fisurile foarte fine deoarece Ńesătura se desprindea cu tot cu beton şi nu am putut aprecia exact evoluŃia acestora. Am observat şi faptul că fisurile înclinate apărute în zona centrală a grinzilor pe măsură ce forŃa creştea, tindeau să se apropie de reazeme.

În concluzie se poate spune că grinzile, în cazul cărora, fisurile au fost acoperite au avut o comportare mai bună, în special în prima parte a încărcării. Fisurile existente nu s-au deschis uşor iar pentru apariŃia altora noi a necesitat o sporire a forŃei de încărcare.

Pentru grinzile consolidate doar cu lamele, comportarea acestora a fost bună până în momentul cedării adezivului şi a desprinderii lamelei de suprafaŃa de beton, deoarece după acest punct grinda s-a deteriorat foarte repede semn că în acel moment lucra doar lamela la preluarea forŃelor, nepermiŃând încovoierea grinzii.


44

InvestigaŃiile efectuate în laborator au arătat faptul că modurile posibile de cedare a grinzilor din beton armat consolidate cu materiale compozite (în special cu lamele carbonice) se datorează strivirii betonului în zona comprimată, desprinderii lamelei carbonice împreună cu stratul de acoperire cu beton sau cedării adezivului şi desprinderii materialului compozit.

În general soluŃia de placare cu platbande din oŃel sau cu lamele din materiale compozite, prin intermediul răşinilor epoxidice, se recomandă atunci când capacitatea de rezistenŃă a betonului din zona comprimată nu este afectată iar armătura din zona întinsă poate ajunge la palierul de curgere. Se are în vedere astfel creşterea capacităŃii portante la moment încovoietor.

Putem spune că un sistem optim de consolidare al unei grinzi din beton armat avariată, ar putea fi aplicarea pe suprafaŃa acesteia de Ńesături din fibre carbonice, sub forma unor fâşii, asemenea unor etrieri exteriori, în formă de U. Dacă grinda prezintă fisuri atunci este bine ca aceste Ńesături să acopere fisurile. În cazuri mai grave se pot folosi şi lamele carbonice aplicate odată cu Ńesăturile, ca în cazul grinzilor de tip G3b şi G4b, dar acestea trebuie foarte bine ancorate de grindă.

Pentru o folosire cât mai bună a materialelor compozite, pentru consolidarea grinzilor supuse la solicitări de încovoiere, trebuie Ńinut cont de câteva aspecte foarte importante:

• alegerea materialului trebuie realizată în funcŃie de modul în care va fi folosit; • secŃiunea transversală a materialului compozit trebuie dimensionată astfel încât să se

realizeze sporirea capacităŃii portante a elementului structural, dar tot odată gradul de consolidare nu trebuie să depăşească o valoare de 2; [38]

Mcap(consolidat)/Mcap(neconsolidat) ≤ 2 • este importantă o verificare în prealabil a posibilităŃii de cedare prematură din cauza

desprinderii materialului compozit, (Grinda de tip G2, G2a); • prevederea unor mijloace de ancorare a elementelor compozite care prezintă riscul de

desprindere prematură; • toate lucrările trebuie executate sub un control riguros şi cu personal calificat; • fisurile deja existente să fie intersectate sau acoprite de material compozit.


45

CAPITOLUL 5

VERIFICAREA CU AJUTORUL ELEMENTELOR FINITE A REZULTATELOR OBłINUTE EXPERIMENTAL

5.1. Introducere în programul de calcul folosit.

Modelarea comportării elementelor din beton armat consolidate cu materiale compozite, cu ajutorul elementelor finite, reprezintă un pas important şi inovator pentru calculul structurilor de construcŃii. Acest tip de analiză a structurilor, cu ajutorul programelor de element finit, a început să prindă contur prin anii 1997 când cercetătorul Arduini a reuşit să simuleze comportarea şi mecanismul de rupere al unor grinzi din beton armat consolidate cu lamele carbonice.

Pentru analiza cu ajutorul elementelor finite a grinzilor testate cadrul experimentului din laborator, am folosit un program destinat studenŃilor de la facultăŃile de inginerie mecanică şi inginerilor proiectanŃi, care oferă metode diverse de modelare tridimensională a pieselor, mecanismelor, ansamblurilor mecanice, posibilităŃi de simulare cinematică şi analiză cu elemente finite (FEM): CATIA (Computer Aided Three Dimensional InteractiveApplication).

5.2.Studiul cu ajutorul elementelor finite a comportării grinzilor.

În continuare prezint rezultatele obŃinute în urma modelării prin intermediul acestui program, a grinzilor de beton armat consolidate cu materiale PAFC (lamele şi Ńesături) studiate în experimentul de laborator. Grinzile au fost modelate întocmai cu cele din laborator, urmărind comportarea acestora sub eforturi datorate unor forŃe concentrate aplicate la mijlocul deschiderii.

ForŃele aplicate au avut valori diferite, pentru fiecare tip de grindă folosind valoarea P a forŃei concentrate măsurată în timpul experimentului la diferite trepte de încărcare:

• forŃa P de încărcare ce a dus la apariŃia primelor fisuri; • forŃa P de încărcare ce a determinat cedarea elementului de beton.

În cadrul experimentului din laborator cele 10 grinzi studiate au fost împărŃite în trei grupe: grinda etalon, grinzi consolidate cu materiale PAFC şi grinzi fisurate şi apoi reconsolidate cu PAFC. Pentru studiul cu ajutorul elementelor finite am ales câte o grindă din fiecare grupă, grinda etalon G1, din grupa II grinzile G2, G3, şi din grupa III grinda G3b. Am studiat cu ajutorul programului eforturile şi deplasările atât din elementul de beton cât şi din materialul PAFC şi le-am compart cu cele obŃinute în experimentul din laborator.

5.2.1. Caracteristicile materialelor folosite în experiment şi introduse în program.

Pentru obŃinerea de rezultate cât mai apropiate cu cele din laborator datele introduse în programul de calcul care se referă la caracteristicile şi dimensiunile grinzilor beton, materialele PAFC şi schemele de încărcare sunt identice cu cele folosite în laborator pentru realizarea grinzilor şi testarea grinzilor. 5.2.2. Grinzile studiate şi schemele de încărcare utilizate.

Schemele de încărcare au fost aceleaşi cu cele din laborator pentru toate grinzile iar valoarile forŃei concertrate (P) pentru care am realizat verificarea în element finit, au fost reprezentate de valorile măsurate pentru:

• punctele de apariŃie a primelor fisuri ; • punctele ce au determinat ruperea elementului de beton.

Am realizat modelarea a patru tipuri de grindă, grinda neconsolidată tip G1, grindă tip G2 consolidată cu o lamelă carbonică, grindă de tip G3 consolidată cu Ńesături carbonice dispuse sub formă de U şi grindă consolidată atât cu lamele cât şi cu Ńesături de tip G3b, prezentând imaginile şi rezultatele redate de calculator cu privire la valoarea deplasărilor şi eforturile din beton, armătură şi lamelele carbonice. Pentru o citire cât mai rapidă a rezultatelor obŃinute valorile eforturilor sunt


46

reprezentate prin intermediul unei palete de culori, iar în partea dreaptă sus sunt prezentate şi valorile caracteristice pentru fiecare culoare reprezentată.

Pentru fiecare grindă în parte vom realiza o paralelă între valorile reale (din laborator) şi cele teoretice (calculul clasic şi cu ajutorul elementelor finite).Vom încerca să accentuăm atât diferenŃele cât şi asemănările între rezultatele obŃinute. 5.2.3. Analiza grinzilor şi rezultalele obŃinute. • Grinda de tip G1 – caracteristici şi schema de modelare în program, fig.5.1.


În urma experimentului de laborator pentru acest tip de grindă am obŃinut următoarele

rezultate : 1. punctul de apariŃie al primelor fisuri s-a înregistrat pentru o valoare a forŃei aplicate de P = 23.500 N; 2. pentru această valoare a forŃei P, am notat fisuri a ce prezentau o deschidere de aroximativ

0.1- 0.2 mm, care porneau de la partea inferioară pe o înălŃime de 2/3 din înălŃimea grinzii, vezi figura 5.2.

3. valoarea săgeŃii măsurată în acest moment fiind de 0.25 mm

Fig.5.2. Solicitarea grinzii G1_ primele fisuri măsurate în laborator.

În figura de mai jos 5.3 sunt prezentate rezultatele oferite de calculator, cu privire la

eforturile din grindă şi valoarea deplasărilor acesteia, obŃinute în urma modelării grinzii pentru o valoare a forŃei de încărcare egală cu P = 23.500 N, valoare pentru care în timpul încercării de laborator am înregistrat apariŃia primelor fisuri în grindă.


47

EFORTURI G1- P = 23.500 N DEPLASĂRI- P = 23.500 N

Fig.5.3. Solicitarea grinzii G1_ reprezentarea eforturilor şi deplasărilor.

Din figura, figura 5.3, observăm modul de distribuŃie al eforturilor din beton dar şi armătura de rezistenŃă de la parte inferioară.

Valorile eforturilor sunt reprezentate prin intermediul unei palete de culori, pe care urmărind-o aflăm că în acest moment eforturile din beton sunt cu 4-5 ori mai mari decât cele din armătura de rezistenŃă, betonul preluând cea mai mare parte a eforturilor:

- valoare eforturilor din beton 5.28 N/ mm 2 ; - valoarea eforturilor din armătură 1.05-1.56 N/ mm 2; Din punct de vedere al deplasărilor valorile sunt apropiate, în laborator valoarea săgeŃii înregistrate a fost de 0.25 mm, iar urmărind diagrama observăm că la partea inferioară calculatorul prevede o deplasare de 0.16 mm.

4. momentul de rupere şi punctul final de încărcare al grinzii a fost reprezentat de o valoare a forŃei aplicate egală cu 39.000 N.

În timpul experimentului din laborator pentru această valoare a forŃei P, am înregistrat fisuri a ce prezentau o deschidere maximă de 5.5 mm şi porneau de la partea inferioară pe o înălŃime de 2/3 din înălŃimea grinzii. Figura 5.4 prezintă pe scurt o reprezentare a grinzii în acest punct de încărcare, când valoarea săgeŃii măsurată a fost de 10 mm.

Fig.5.4 . Deschiderea fisurilor înregistrate în laborator pentru P = 39.000 N

În figura 5.5 sunt prezentate rezultatele oferite de calculator în urma modelării grinzii pentru

valoarea P = 39.000 N. Rezultatele se referă la eforturile din grindăşi valoarea deplasărilor.


48

EFORTURI - P = 39.000 N DEPLASĂRI- P = 39.000 N

Fig.5.5. Reprezentarea eforturilor din grinda G1.

Urmărind diagama de mai sus observăm că valoarea eforturilor diferă de cele înregistrate anterior, crescând eforturile din armătură şi scăzând uşor cele din beton. • valoare eforturilor din beton 4.28 N/ mm 2; • valoarea eforturilor din armătură 4.02-5.64 N/ mm 2;

Valorea deplasărilor înregistrate în laborator în acest caz diferă de cele redate de calculator în sensul că, calculatorul a dat o săgeată egală cu 0.3 cm, iar în realitate s-a înregistat o valoare de 1 cm. Acest lucru nu este îngrijorător deoarece, programul prevede anumiŃi coeficienŃi de siguranŃă iar comportarea grinzii a fost una bună.

• Grinda de tip G2 – caracteristici şi schema de modelare în program, fig. 5.6.


În urma experimentului de laborator pentru acest tip de grindă s-au obŃinut următoarele

rezultate : 1. punctul de apariŃie al primelor fisuri s-a înregistrat pentru P = 28.500 N; Pentru această valoare a forŃei P, am observat apariŃia a 3 fisuri la partea inferioară a grinzii, una

centrală cu o deschidere de 0.1-0.2 mm şi două în lateralele axului la 3 cm respectiv 5.2cm, cu o deschidere mai mică de 0.1 mm.

Fig.5.7. Solicitarea grinzii G2 în laborator_ primele fisuri.


49

În figura 5.8 sunt prezentate rezultatele oferite de calculator în urma modelării grinzii pentru valoarea P = 28.500 N. Rezultatele se referă la eforturile din grindă şi din lamela carbonică, iar în figura 5.9 valoarea deplasărilor din grindă.

EFORTURI - P = 28.500 N EFORTURI LAMELĂ CARBONICĂ- P = 28.500 N

Fig.5.8. Solicitarea grinzii G2_ reprezentarea eforturilor din grindă şi lamelă.

Analizând diagrama de mai sus putem spune că aplicarea lamelei carbonice la partea inferioară a avut efectul dorit deoarece la o valoare a forŃei de încărcare mai mare cu 20% decât cea a din cazul grinzii G1, efortul din beton este 1.06 N/ mm 2 iar cel din armătură 2.5 N/ mm 2 valori aproape egale cu cele obŃinute pentru grinda de tip G1.

DEPLASĂRI ÎN GRINDĂ- P = 28.500 N

Fig.5.9. Solicitarea grinzii G2_ reprezentarea deplasărilor din grindă.

Valorile rezultate din analiza diagramei de mai sus, figura 5.9, ne prezintă o deplasare a grinzii la partea inferioară egală cu 0.005 mm, insesizabilă cu ochiul liber, lucru confirmat şi de măsurătorile din laborator unde am înregistrat o săgeată egală cu 0.25mm.

2. momentul de rupere şi punctul final de încărcare al grinzii a fost reprezentat de o valoare a forŃei aplicate egală cu 54.500 N. Pentru această valoare a forŃei P, fisura principală prezenta o deschidere de 4.5 mm iar cele secundare din lateralele ei ajung la 2 mm respectiv 1.8 mm, aspectul general al grinzii fiind asemănător cu cel al grinzii de tip G1 după solicitare.Săgeata măsurată la partea inferioară a elementului a atins valoarea de 5mm, detalii ale grinzii se pot observa din figura 5.10.


50

Fig.5.10. Schema fisurilor la finalul încercări din laborator-grinda G.

În figurile, 5.11 şi 5.12 sunt prezentate rezultatele oferite de calculator în urma modelării grinzii pentru valoarea P = 54.500 N. EFORTURI -P = 54.500 N. EFORTURI DIN LAMELA CARBONICĂ

Fig.5.11. Reprezentarea eforturilor din grinda G2.

Urmărind diagamele de mai sus, fig.5.11, observăm că valoarea eforturilor înregistrate se modifică faŃă de cele obŃinute pentru grinda etalon G1, astfel:

- valoare eforturilor din beton 1.08 N/ mm 2; - valoarea eforturilor din armătură 4.19-6.78 N/ mm 2; Se observă clar contribuŃia lamelei care preia o mare parte din eforturi, efortul maxim

înregistrat pentru lamelă fiind de 6.02 N/ mm 2, ducând astfel la eforturi mai mici în beton şi armătură, chiar dacă forŃa a crescut cu 90%.

Valoarile săgeŃilor înregistrate în acest punct atât în laborator cât şi cu ajutorul programului de calcul sunt asemănătoare, diferenŃa între ele fiind de 15%, 0.5 cm (în laborator) şi 0.366 cm pe diagramă, figura 5.12.

DEPLASĂRI- P = 54.500 N.

Fig.5.12 .Reprezentarea deplasărilor din grinda G2 pentru P = 54.500 N.


51

• Grinda de tip G3 – caracteristici şi schema de modelare în program, fig.5.13.



rezultate: 1. punctul de apariŃie al primelor fisuri s-a înregistrat pentru o valoare a forŃei aplicate de P = 45.000 N; Pentru această valoare a forŃei P, am observat apariŃia a unei fisuri la partea inferioară a grinzii, poziŃionată central cu o deschidere de 1 mm şi două în lateral cu o deschidere de 0.3 şi 0.4 mm. Valoarea săgeŃii măsurată în acest moment fiind de 0.25 mm.

Fig.5.14. Solicitarea grinzii G3 în laborator_ primele fisuri.

În figura 5.15 sunt prezentate rezultatele oferite de calculator în urma modelării grinzii

pentru valoarea P = 45.000 N. Rezultatele se referă la eforturile şi valoarea deplasărilor din grindă. Urmărind rezultatele din figura 5.15 observăm o uşoară concentrare de eforturi la marginea inferioară a materialelor PAFC reprezentată prin culoarea roşie fapt reflectat şi în laborator prin apariŃia unei fisuri exact în acelaşi loc.

EFORTURI - P = 45.000 N DEPLASĂRI- P = 45.000 N

Fig.5.15. Solicitarea grinzii G3_ reprezentarea eforturilor şi deplasărilor din grindă.

Din imaginea de mai sus, figura 5.15, se observă cu uşurinŃă diminuarea eforturilor din zonele pe care au fost aplicate Ńesăturile din fibre carbonice.


52

Eforturile din grindă sunt mult reduse, lucru care se poate observa şi comparând diagrama cu cea obŃinută pentru grinda de tip G1, unde nuanŃele de portocaliu şi roşu erau mult mai intense. Valorile eforturilor înregistrate la partea inferioară a grinzii fiind de 1.70 N/ mm 2.

Valoarea săgeŃii măsurate în laborator pentru această treaptă de încărcare a fost de 0.25 mm, iar urmărind diagrama deplasărilor din figura 5.15 observăm o valoare a săgeŃii apropiată cu cea măsurată în laborator 0.253 mm.

2. momentul de rupere şi punctul final de încărcare al grinzii a fost reprezentat de o valoare a forŃei aplicate egală cu 51.000 N. Pentru această valoare a forŃei P, fisura principală, localizată la mijlocul deschiderii pe partea inferioară, prezenta o deschidere de 5.3mm. Săgeata măsurată la partea inferioară a elementului a atins valoarea de 5 mm, detalii ale grinzii se pot observa din figura 5.16.

Fig.5.16. Schema fisurilor la finalul încercări din laborator-grinda G3.

Figura 5.17 prezintă rezultatele oferite de calculator în urma modelării grinzii pentru

valoarea P = 51.000 N. Rezultatele se referă la eforturile din grindă şi valoarea deplasărilor.

EFORTURI- P = 51.000 N DEPLASĂRI- P = 51.000 N

Fig.5.17. Reprezentarea eforturilor şi deplasărilor din grinda G3. Pentru acest tip de grindă, am înregistrat o comportare favorabilă, atât în laborator cât şi pe calculator, în sensul că aplicarea Ńesăturilor a dus la o creştere a capacităŃii portante, valoarea forŃei maxime aplicată a crescut faŃă de cea măsurată pentru grinda etalon G1 cu 25-30%. Valoarea săgeŃii şi a eforturilor a crescut proporŃional cu valoarea încărcărilor.

Valoarea săgeŃii măsurate în laborator la finalul încercării a fost de 0.5 cm, iar urmărind diagrama deplasărilor din figura 5.17, observăm o valoare a săgeŃii egală 0.323cm. Constatăm astfel o diferenŃă mică între cele două valori (1.6mm) şi putem spune că rezultatele obŃinute prin intermediul calculatorului refelectă comportarea reală a grinzii din laborator.

Lipsa eforturilor din dreptul Ńesăturilor, reprezentată în diagramele de mai sus, figura 5.17, a fost observată şi în laborator prin faptul că toate grinzile consolidate în acest mod au fisurat doar în zonele pe care nu au fost aplicate Ńesături.


53

• Grinda de tip G3b – caracteristici şi schema de modelare în program, fig.5.18

Fig.5.18. Grinda de beton tip-G3b.


rezultate: 1. punctul de apariŃie al primelor fisuri s-a înregistrat pentru P = 43.500 N; Pentru această valoare a forŃei P, am observat apariŃia a unei fisuri la partea inferioară a grinzii, poziŃionată central cu o deschidere de 0.1 mm, aşa cum se poate observa şi din figura alăturată 5.19. Valoarea săgeŃii măsurată în acest moment fiind de 0.45 mm.

Fig.5.19. Solicitarea grinzii G3b în laborator_ primele fisuri.

În figura 5.20 sunt date rezultatele obŃinute pentru pentru valoarea P = 43.500 N.

EFORTURI- P = 43.500 N DEPLASĂRI- P = 43.500 N

Fig.5.20. Solicitarea grinzii G3b_ reprezentarea eforturilor şi deplasărilor din grindă.

Analizând diagrama prezentată în figura 5.20, observăm contribuŃia lamelei şi a Ńesăturilor la

preluarea eforturilor din grindă. Culoarea verde în care este colorată grinda reflectă contribuŃia materialelor PAFC la preluarea eforturilor. Comportarea grinzii în laborator a fost asemănătoare, deoareace la această valoare a încărcării grinda nu prezenta nici o modificare, doar o fisură minoră de suprafaŃă. Eforturile în acest moment sunt mari, pentru această valoare grinda etalon G1 atinsese deja starea limită ultimă iar grinda de tip G3 înregistra primele fisuri.


54

Valoarea săgeŃii măsurate în laborator pentru această treaptă de încărcare a fost de 4.5mm, iar urmărind diagrama deplasărilor din figura 5.20, observăm o valoare apropiată egală 3.9mm.

2. momentul de rupere şi punctul final de încărcare al grinzii a fost reprezentat de o valoare a forŃei aplicate egală cu 70.000 N. Pentru această valoare a forŃei P, am notat la partea inferioară a grinzii, două fisuri ce prezentau deschideri de 0.1 respectiv 0.2 cm.

Fig.5.21. Schema fisurilor la finalul încercări din laborator-grinda G3b.

Rezultatele ce se referă la eforturile din grindă şi valoarea deplasărilor sunt prezentate în figura 5.22. La fel ca în laborator unde chiar şi sub o încăcare de 70.000 N grinda nu părea solicitată la întraga capacitate, diagramele de eforturi reflectă faptul că materialele PAFC aplicate preiau o mare parte din încărcări. DiferenŃa între culorile diagramelor obŃinute pentru celelalte grinzi şi cele de faŃă este evidentă. Valorile eforturilor rezultate în urma analizei de calculator sunt prezentate în diagrama de mai jos, figura 5.22.

EFORTURI- P = 70.000 N DEPLASĂRI - P = 70.000 N

Fig.5.22. Reprezentarea eforturilor din grinda G3b.

Valoarea săgeŃii măsurate în laborator pentru această treaptă de încărcare 6 mm, este cu 15%

mai mare decât cea redată de calculator, 4.4mm, prezentată în figura 5.22. În urma analizei cu ajutorul elementelor finite am obŃinut rezultate satisfăcătoare, conforme

cu cele înregistrate în timpul experimentului de laborator. Valorile obŃinute, în cele mai multe cazuri, s-au apropiat foarte mult de cele măsurate în experimentul, în special cele care se refereau la valoarea deplasărilor. Putem spune că şi imaginea grinzilor deformate cu ajutorul diagramelor colorate pentru fiecare treaptă de încărcare, prezentată de calculator, s-a apropiat mult de imaginea acestora din laborator. Diagramele au reflectat punctele slabe ale sectiunilor, punctele unde au fisurat grinzile sau unde au cedat Ńesăturile PAFC. 5.3. Fidelitatea cu care studiile teoretice reflectă comportarea reală a elementelor din beton armat, consolidate cu materiale de tip PAFC.

În tabelele prezentate mai jos am înscris rezultatele cu privire la valoarea momentului încovoietor capabil calculat înainte de experiment, (capitolul 3) şi a momentului capabil de rupere calculat ulterior experimentului de laborator, pe baza forŃei maxime de rupere P am realizat o analiză comparativă a momentului capabil stabilit experimental, Mr şi prin calcul teoretic, Mcap.


55

A. Grinzi nesolicitate anterior Tabelul 5.1 Tip grindă

Lamelă

łesătură în

U la 90º łesătură în U la 45º

łesătură în

X la ± 45º

Moment capabil teoretic Mcap (Nmm)

Moment de rupere experim. Mr (Nmm)

6.12·10 6 8.77·10 6

G2 x 20.80·10 6 12.26·10 6

G3 x 6.12·10 6 11.47·10 6

G4 x 6.12·10 6 10.91·10 6

G5 x 6.12·10 6 10.91·10 6

B. Grinzi solicitate înaintea aplicării materialelor carbonice. Tabelul 5.2 Tip grindă

Lamelă



łesătură în

X la ± 45º

Moment încov. capabil teoretic Mcap (Nmm)

Moment încov.de rupere experim. Mr (Nmm)

G2a x 20.80·10 6 9.33·10 6

G3a x 6.12·10 6 7.65·10 6

G3b x x 20.80·10 6 15.75·10 6

G4a x 6.12·10 6 11.70·10 6

G4b x x 20.80·10 6 13.16·10 6 Rezultatele obŃinute pentru grinda G1, grinda etalon sunt destul de apropiate. Între valoarea momentului obŃinut prin calcul teoretic şi cel calculat cu valorile înregistrate

în laborator este o diferentă de 1.7 Nmm. Urmărind şi celelalte valori din tabel, observăm că rezultate apropiate de cele reale am obŃinut şi pentru grinda de tip G3a unde valoarea momentului de rupere este mai mare decât momentul capabil calculat cu aproximativ 10%.

În cazul celorlalte tipuri de grinzi G3, G4, G5 unde teoretic Ńesăturile carbonice din cauza modului de dispunere, nu sunt luate în calcul, vezi capitolul 3, deoarece prin modul în care sunt dispuse nu pot participa la preluarea eforturilor, analizând rezultatele constatăm că acestea au avut o inluenŃă asupra comportării grinzilor, crescând capacitatea portantă cu până la 70% .

Valoarea momentului de rupere pentru grinzile consolidate cu Ńesături carbonice aplicate în formă de U, dispuse la 90° în raport cu axa grinzii, este mai mare cu 80% decât valoarea înregistrată pentru grinda de tip G1 şi cu 60% pentru grinzile pe care Ńesăturile au fost orientate la 45°.Constatăm astfel că : • deşi teoretic aceste Ńesături nu ar trebui să influenŃeze momentul de rupere, ele lucrează în

favoarea elementului de beton, ajutând la preluarea eforturilor, crescând capacitatea elementului cu până la 20 %. Concluzia de mai sus este valabilă şi în cazul grinzilor din grupa III solicitate şi apoi

cămăşuite cu Ńesături PAFC, G3a, G4a pentru care după consolidare am obŃinut refacerea capacităŃii portante şi chiar creşterea ei faŃă de grinda etalon. Pentru G1 .............. Mr = 8.77 · 106 N·mm - grinda etalon; Pentru G3a..............Mr = 7.65 · 106 N·mm - grinzi consolidate cu Ńesături; Pentru G2a............ .Mr = 9.33 · 106 N·mm - grindă consolidate cu lamele; • Ńesăturile PAFC aplicate sub forma unor etrieri exteriori sub diferite unghiuri 45º sau 90º pe

supra faŃa unor grinzi solicitate, fisurate ajută la refacerea capacităŃii portante şi la preluarea eforturilor date de solicitări de încovoiere. łesăturile au o influenŃă mare, în cazul eforturilor date de forŃa tăietoare, când datorită

modului de dispunere, participă la preluarea eforturilor din secŃiunile înclinate. Din punct de vedere al lamelelor carbonice, acestea teoretic influenŃează foarte mult

comportarea grinzilor deoarece în urma calculelor efectuate momentul capabil pentru grinzile


56

consolidate cu lamele carbonice dispuse la partea inferioară, în cazul nostru grinzile de tip G2, G2a, G3b, G4b a rezultat de aproximativ 3 ori mai mare decât al grinzii etalon de tip G1. Pentru exemplificare se pot observa valorile de mai jos ale momentelor obŃinute în urma carculelor teoretice pentru grinda etalon dar şi pentru grinzile consolidate: Pentru G1 ............................ Mcap = 6.12 · 106 N·mm - grinda etalon; Pentru G2, G2a, G3b, G4b....Mcap = 20.80 · 106 N·mm - grinzi consolidate cu lamele;

Comparând valorile obŃinute în urma experimentului din laborator şi cele obŃinute din calcule, observăm mici diferenŃe între valorile reale şi cele teoretice ale momentelor capabile.

De exemplu pentru grinda de tip G2, grindă consolidată cu o lamelă carbonică la partea inferioară, în urma efectuării calculelor, respectând cerinŃele normativului, am obŃinut pentru momentul capabil următoarea valoare: Mcap = 20.80 · 106 N·mm, iar în urma experimentului din laborator a rezultat un moment de rupere egal cu : Mr = 12.30 · 106 N·mm.

Avem în realitate o valoare mai mică, a momentului de rupere, faŃă de cea rezultată din calcule. Iar analizând şi celelalte valori obŃinute pentru celelalte grinzi studiate observăm aceeaşi diferenŃă între cele două valori, teoretică şi experimentală.

Analizând rezultatele din laborator, comportarea grinzilor şi modul de cedare al acestora sub încărcare, am reuşit să aflăm dece valorile din laborator sunt mai mici decât cele rezultate în urma calculelor teoretice. Acest lucru s-a datorat faptului că nu se cunosc valorile reale ale rezistenŃelor betonului şi armăturii dar şi desprinderii lamelei de carbon, de suprafaŃa grinzii, datorită cedării fie a stratului de acoperire cu beton fie a adezivului. Aproape în toate cazurile, lamela de carbon s-a desprins cu tot cu un strat de beton, (de grosime 1-1.5cm), provocând astfel o cedare bruscă şi prematură a elementului. Astfel, putem concluziona următoarele: • în calculul teoretic se recomandă să se Ńină cont de valorile rezistenŃei la smulgere sau la

întindere ale adezivului sau ale betonului, deoarece acestea pot ceda înaintea lamelei PAFC. • este foarte importantă o verificare în prealabil a posibilităŃii de cedare prematură din cauza

desprinderii materialului compozit, iar prevederea unor mijloace de ancorare a elementelor compozite care prezintă riscul de desprindere prematură obligatorie.

În literatura de specialitate se precizează că o supra-armare sau o supra -consolidare a elementelor din beton poate duce la o cedare bruscă, casantă şi fără avertizare. Am observat că acest tip de compotare a fost înregistrat pentru toate grinzile pe care s-au aplicat lamele carbonice, acestea în timpul încărcării elementului s-au desprins brusc la o anumită valoare a forŃei şi au dus la cedarea grinzii de beton. Cu cât gradul de consolidare a fost mai mare, depăşind valoarea 2, grinzile au avut o comportare nefavorabilă. Acestea au rezistat sub încărcări mari, de două chiar trei ori mai mari decât ale grinzii etalon, dar au cedat brusc fără avertizare, materialul cedând foate repede sub încărcare. Recomandăm astfel:

• ca raportul dintre momentul capabil al elementului consolidat şi momentul capabil al elementului în stare neconsolidată să nu depăşească valoarea 2.

Analizâd rezultatele obŃinute în urma analizei cu ajutorul elementelor finite a grinzilor, putem spune că acest tip de studiu, nou pentru construcŃiile civile, chiar dacă este un studiu teoretic, reflectă comportarea reală a grinzilor, cu o precizie mult mai mare decât cea rezultată în urma calculelor.

• rezultatele obŃinute au fost bine apreciate atât din punct de vedere al deplasărilor cât şi din punct de vedere al eforturilor motiv pentru care se recomandă ca atunci când se impun sau se cer anumite clarificări să se realizeze şi o verificare în prealabil cu ajutorul elementelor finite a tuturor structurilor de beton armat consolidate cu materiale compozite.

În concluzie se poate spune că aplicarea materialelor copozite pe elementele de beton duc la sporirea capacităŃii portante şi îmbunătăŃesc considerabil comportarea elementelor, dar trebuie avut grijă la modul de aplicare, la cantitatea de material compozit folosită dar şi la prevederea unor mijloace de prevenire a desprinderii materialului de elementele de beton.


57

CAPITOLUL 7 CONCLUZII ŞI CONTRIBUłII PERSONALE

În urma studiilor efectuate în acest domeniu se poate spune că dintre obiectivele cele mai frecvente propuse de cercetători, dar care se doresc şi obŃinute prin intermediul cercetării stiinŃifice şi de proiectare fac parte:

• realizarea unor materiale noi mult mai rezistente, mai durabile, uşor de aplicat şi folosit, dar tot odată cu costuri cât mai reduse;

• realizarea de noi materiale şi elemente de construcŃii care să conducă la reducerea folosirii de materiale deficitare, de slabă calitate, dar şi la reducerea greutăŃii construcŃiilor;

• economisirea oŃelului şi realizarea de noi materiale pentru înlocuirea lui.

Până în prezent, din studiile efectuate urmărind literatura de specialitate disponibilă, am constatat că aceste obiective sunt foarte aproape de a fi îndeplinite, deoarece pe plan mondial există o preocupare intensă în acest domeniu.

Din momentul apariŃiei, normativului ACI 440.1R-01 pe plan mondial a crescut mult şi numărul aplicaŃiilor lor în domeniul betonului armat.[40, pag.25] S-a realizat un progres considerabil pentru dezvoltarea folosirii materialelor compozite (în special cele din fibre de sticlă şi de carbon), având în vedere că până în anii 1980 nu a existat nici o astfel de armătură viabilă.

Am constatat totodată şi faptul că, progrese mai puŃine s-au reazlizat în cazul grinzilor de rezistenŃă din beton armat, din cauza forŃei tăietoare şi a transmiterii de eforturi dar şi pentru elemente solicitate axial.

Analizând o serie de studii de caz, din literatura de specialitate, unde erau prezentate astfel de materiale drept soluŃii de consolidare, se poate constata că în prezent utilizarea acestor materiale a fost limitată pentru cazuri speciale, particulare, cum ar fi cele unde greutatea specifică trebuie să fie scazută, cu medii corozive şi non magnetice. Până în prezent progresul în acest domeniu este substanŃial, dar inovaŃia cere timp. În ultimele decenii au existat numeroase aplicări nepotrivite ale acestor materiale, exemplele sunt multe, iar acest lucru a dus la reŃineri în folosirea lor ca materiale de construcŃii.

Experimentul de laborator care s-a realizat şi dezvoltat în această lucrare, pe lângă avantaje, evidenŃiază şi o serie de dezavantaje ale acestor materiale, prezente şi în literatura de specialitate (bibliografie [40],[41]), care pot provoca cu uşurinŃă aceste reŃineri în folosirea lor pe o scară mai largă. De exemplu:

• o problemă a acestor materiale ar fi modul de aplicare al Ńesăturilor deoarece la prima vedere, metodologia de realizare al adezivului şi modul de aplicare pare foarte simplu, dar în esenŃă are câteva puncte care dacă nu sunt îndeplinite cu rigurozitate întreg sistemul cedează. Acest lucru referindu-se la prepararea adezivului şi timpul de punere în operă, orientarea Ńesăturilor, curăŃarea prealabilă atât a materialului compozit cât şi a suprafeŃei pe care urmează a fi aplicat;

• necesită o prelucrare specială a suprafeŃei de beton pe care urmează să fie aplicate; • trebuie evitate neregularităŃile din lungul materialului compozit, acestea sunt foarte

sensibile la schimbările bruşte de secŃiune care pot deteriora sever materialul; • necesită personal calificat, cu experienŃă şi foarte atent la respectarea cu stricteŃe a tuturor

detaliilor de punere în operă a acestor materiale; • costul ridicat şi dificultatea de procurare a acestor materiale, constituie un dezavantaj

major;


58

Putem spune chiar că ne aflăm într-un fel în impas deoarece având până acum atâtea cercetări şi aplicaŃii ale acestor materiale din întreaga lume, nu s-au realizat până acum proiecte şi planuri pentru aplicarea lor reală în structuri de mare amploare, la o scară mai largă. Comparând cu modul de dezvoltare al armăturilor din oŃel de la începutul folosirii lor, până în prezent, în cazul acestor materiale dezvoltarea este mult mai lentă. Cu toate acestea s-au realizat şi foarte multe aplicaŃii care dovedesc ca aceste materiale au o comportare bună şi trebuie acceptate pentru aplicaŃiile viitoare. Prinderea unor materiale compozite de elementele din beton simplu sau armat, prin intermediul adezivilor epoxidici a apărut ca o metodă nouă pentru consolidarea şi repararea structurilor de beton avariate. Datorită proprietăŃilor fizico-mecanice excelente, rezistenŃei foarte mare la acŃiunea agenŃilor corozivi, folosirea acestor elemente a devenit foarte atractivă pentru constructori, fiind studiate de cercetători din toată lumea. DorinŃa de a realiza structuri cât mai rezistente şi cu o comportare în exploatare mai bună, dar tot odată cu o greutate redusă şi uşor de executat m-au împins către acest domeniu nou. Realizând un studiu al literaturii de specialitate din Ńară şi străinătate, analizând atent toate informaŃiile oferite de specialişti în domeniu, am dorit să studiez şi în laborator astfel de elemente din beton armat cărora fie le-am sporit capacitatea, fie le-am consolidat în urma unor avarii existente, folosind materiale obŃinute pe bază de fibre carbonice. Rezultatele şi concluziile obŃinute au fost bune, multe dintre acestea confirmând şi întărind totodată, studii şi rezultate anterioare, prezente şi în literatura de specialitate. MenŃionez în continuare câteva dintre cele mai importante concluzii obŃinute în urma studiilor efectuate şi prezentate pe larg în cadrul capitolelor 4 şi 5: • aplicarea unor materiale compozite pe suprafaŃa elementelor de beton simplu sau armat, prin

intermediul adezivilor epoxidici duce la sporirea capacităŃii portante a elementului;

• raportul dintre momentul capabil al elementului consolidat şi momentul capabil al elementului în stare neconsolidată să nu depăşească valoarea 2; [38]

• aplicarea lamelelor PAFC, bine lipite şi ancorate pe grinzi, eleminând posibilitatea desprinderii, poate reprezenta o soluŃie cu rezultate mult mai bune decât aplicarea Ńesăturilor PAFC (vezi capitolul 4 în care sunt prezentate rezultatele testelor de laborator ce confirmă aceste date);

• verificarea posibilităŃii de cedare prematură din cauza desprinderii materialului compozit şi prevederea unor mijloace de ancorare a elementelor compozite care prezintă riscul de desprindere prematură obligatorie;

• modurile posibile de cedare a grinzilor din beton armat consolidate cu materiale compozite (în special cu lamele carbonice) se datorează strivirii betonului în zona comprimată, desprinderii lamelei carbonice împreună cu stratul de acoperire cu beton sau cedării adezivului şi desprinderii materialului compozit;

• rezultatele obŃinute în urma testării celor 10 grinzi, atât în laborator cât şi teoretic, au evidenŃiat faptul că toŃi parametri consideraŃi în cadrul acestor teste contribuie la obŃinerea rezultatelor şi comportării dorite, confirmându-se totodată şi faptul că această tehnică duce la sporirea considerabilă a capacităŃii portante dar depinde mult de toate elementele sistemului aplicat;

• comparând rezultatele obŃinute în laborator cu cele teoretice putem afirma că expresiile matematice folosite în calculele teroretice efectuate sunt corecte şi duc la obŃinerea de rezultate apropiate de comportarea reală a grinzilor;

Odată cu studiile şi experimentele efectuate am încercat să aducem şi elemente noi mai

puŃin studiate în literatura de specialitate. Aceste noutăŃi se referă la aplicarea Ńesăturilor pe grinzi solicitate, fisurate. Am putut urmării astfel influenŃa pe care o au lamelele şi Ńesăturile carbonice asupra comportării grinzilor, dar şi asupra fisurilor deja existente pe grinzi de la prima


59

solicitare. Prezint în continuare câteva concluzii şi contribuŃii personale, obŃinute în urma experimentelor de laborator:

• aplicarea materialelor din fibre carbonice pe grinzi avariate a dus la refacerea capacităŃii portante a acestora, iar în unele cazuri chiar la mărinea capacităŃii portante iniŃiale cu 15% - 20 %;

• deoarece cedarea grinzilor a fost mult influenŃată de poziŃia Ńesăturilor faŃă de fisurile existete, pot afirma că acest lucru are un rol important pentru comportarea ulterioară a grinzilor astfel consolidate. Recomand un studiu în amănunt a grinzilor avariate înaintea aplicării materialelor compozite;

• poziŃia şi orientarea fibrelor din Ńesăturile folosite pot influenŃa comportarea fisurilor şi a întregului sistem;

• în cazul aplicării Ńesăturilor carbonice sub un unghí de 45° urmărind fisurile deja existente nu se obŃin rezultate mai bune decât în cazul aplicării acestor Ńesături după un unghí de 90°, în formă de U;

• Ńesătura aplicată peste fisuri poate încetini şi limita deschiderea acestora;

• considerând cele trei moduri de aplicare a Ńesăturilor pe suprafaŃa grinzilor (U, L, X ), studiate în această lucrare, pot afirma că cele mai bune rezultate se obŃin aplicând Ńesăturile după un unghi de 90° faŃă de axul grinzii, cu fibrele orientate perpendicular pe grindă;

• consider că parametrii cheie în folosirea corectă a acestor materiale sunt numărul de straturi folosite, distanŃa dintre materiale sau zona suprapunerii acestora;

• experimentul efectuat în laborator demonstrează că din punct de vedere al săgeŃii şi a forŃei maxime aplicate pe grinzi rezultatele sunt asemănătoare, aproape egale atât pentru cele consolidate cu lamele la partea inferioară, G2, cât şi pentru cele consolidate cu Ńesături, G3, figura 7.1;

În figura 7.1 am realizat o diagramă efort-deformaŃii(săgeată) în care am reprezentat

comportarea a 4 tipuri de grinzi (G1-etalon, G2-consolidată cu lamelă, G3-consolidată cu Ńesături, G3b-consolidată cu Ńesături şi lamelă). ÎnfluenŃa materialelor este dovedită de aliura diagramelor care reflectă comportarea grinzilor sub sarcină. Din diagramă se poate observa un comportament asemănător între grinzile de tip G2 şi G3 dar şi valorile mult mai mari înregistrate pentru grinda de tip G3b consolidată atât cu lamele cât şi cu Ńesături.

• cu cât creşte gradul de consolidare creşte capacitatea portantă a elementului de beton

consolidat.

Fig.7.1. VariaŃia săgeŃii finale în funcŃie de sistemul de consolidare ales.

pentru grinzile G1, G2, G3, G3b.


60

• o diferenŃă între cele două materiale, lamele şi Ńesături, stă în comportarea sub sarcină şi modul de cedare al elementului astfel consolidat. Grinda de tip G2 a cedat brusc, fără avertizare prin dezlipirea lamelei, pe când grinda de tip G3 a avut o comportare normală deformatiile fiind proporŃionale cu încărcarea, punctul final fiind previzibil;

• pentru a se obŃine de sisteme de consolidare mai eficiente, materialele compozite pot fi combinate cu succes, suprapuse sau unul lângă altul, în cadrul aceluiaşi element structural. Acest lucru fiind demonstrat în laborator de toate grinzile pe care am aplicat atât lamele cât şi Ńesătui, G3a, G3b, G4a, G4b şi se poate observa şi din diagrama 6.1 unde grinda de tip G3b (magenta) prezintă o rezistenŃă sub sarcină mai mare, săgeata şi fisuri cu deschideri mai mici .

Printre contribuŃiile personale consider şi rezultatele şi concluziile obŃinute în urma

modelării cu ajutorul elementelor finite a grinzilor studiate în laborator, prezentată în capitolul 5, care întăresc şi susŃin rezultatele din laborator.

Aşa cum am precizat la finalul analizei efectuate în cadrul capitolului 5, rezultatele au fost foarte bune, respectând comportarea reală a grinzilor atât din punct de vedere al deplasărilor cât şi din punct de vedere al eforturilor, valorile fiind apropiate cu cele obŃinute în laborator:

• Ńesăturile au o influenŃă mare, în cazul eforturilor de încovoiere, când datorită modului de dispunere, participă la preluarea eforturilor din secŃiunile înclinate; • în urma analizei cu ajutorul elementelor finite am obŃinut rezultate satisfăcătoare, conforme cu relitatea. Imaginea grinzilor deformate s-a apropiat mult de imaginea acestora din laborator, pentru fiecare treaptă de încărcare; • recomand să se realizeze astfel de verificări cu ajutorul programelor de element finit, a tuturor structurilor ce urmează a fi consolidate cu materiale compozite, deoarece astfel se pot prevenii mult mai uşor eventualele probleme ce pot să apară ulterior.

Sistemele pentru consolidarea structurilor cu lamele şi Ńesături din fibră de carbon reprezintă

o bună alternativă pentru consolidarea structurilor din beton simplu sau armat. Urmărind literatura de specialitate, exemplele din întreaga lume, diferite studii de caz şi cercetările personale pot spune că domeniul lor de utilizare este foarte larg şi confirmă folosirea cu succes pentru:

• remedierea suprafeŃelor suprasolicitate ale construcŃiilor;

• consolidarea podurilor cu trafic mare;

• consolidarea unor părŃi de construcŃii expuse la vibraŃii şi deteriorate de acestea;

• realizarea pereŃilor pentru tuneluri, pereŃi montaŃi cu ajutorul sistemelor mecanice, deoarece sunt mult mai uşori de manevrat; [40, pag 25]

• consolidarea structurilor la clădiri în cazul modificării domeniului de exploatare pentru care au fost proiectate;

• remedierea defectelor suprafeŃelor părŃilor portante;

• reabilitarea structurilor afectate de îmbătrânirea materialelor de construcŃii;

• protejarea elementelor de beton armat expuse la medii ce pot determina coroziunea armăturilor din oŃel;[40, pag 25]

• consolidarea şi optimizarea structurilor, obŃinându-se astfel o reducere a pereŃilor suplimentari [40, pag 25].

Posibilitatea folosirii lor în diferite moduri constituie un avantaj major faŃă de materialele

utilizate pănă în prezent. Avantajele acestor materiale le-am descoperit împreună cu colaboratorii mei pe parcursul studiilor şi cercetărilor efectuate, atât la birou cât şi în laborator. Voi enumera în continuare câteva dintre avantajele acestor materiale, avantaje care ne-au convins că pot fi folosite


61

cu succes, cu condiŃia unei verificări foarte atente în prealabil pentru eleminarea tuturor factorilor ce pot afecta comportatrea sistemului astfel rezultat:

• greutatea materialului este mică; • au lungimi variate astfel încât nu este necesară îmbinarea materialelor, evitând astfel apariŃia

eventualelor puncte slabe în structură; • comportare deosebit de bună la oboseală; • o rezistenŃă şi un modul de elasticitate mari; • sistemul astfel obŃinut nu este afectat de coroziune; • se obŃine o rezistenŃă mare dar şi o durabilitate ridicată în timp; • sunt mai puŃin vulnerabile la acŃiunea agresivă a agenŃilor chimici, de aceea costul întreŃinerii după instalare este mai redus; • tratarea lamelelor cu substanŃe speciale înainte de folosire nu este necesară; • lamelele se transportă uşor, în role, iar Ńesăturile în pachete sau suluri; • aplicarea lor este economică fără a fi nevoie de utilaje speciale; • reabilitarea structurilor nu necesită întreruperea funcŃionării acestora pe timpul lucrărilor; • Ńesătura poate fi acoperită la finalul operaŃiunii cu diferite tencuieli cimentoase sau

peliculizări pentru scopuri estetice sau de protecŃie.

Consider că domeniul de cercetare abordat prin teza de doctorat prezintă interes ridicat dar şi perspectivă de viitor. Astfel apreciez că este necesară continuarea cercetărilor experimentale şi teoretice şi doresc să continui activitatea şi să aduc contribuŃii pentru următoarele direcŃii:

• realizarea unor lucrări de consolidare cu asftel de materiale şi urmărirea comportării lor în timp în diferite condiŃii de solicitare şi exploatare;

• elaborarea unor instrucŃiuni tehnice, standarde sau normative, pentru calculul şi alcătuirea elementelor de construcŃii din beton armat consolidate cu materiale composite;

• să-mi aduc contrbuŃia la înfinŃarea şi dezvoltarea unui laborator de cercetare a materialelor compozite din cadrul FacultăŃii de ConstrucŃii din Braşov.

Acum la final doresc să mulŃumesc tuturor celor care m-au ajutat, într-un mod sau în altul, la

elaborarea şi finalizarea tezei de doctorat. Cu acest prilej doresc sa-mi exprim respectul şi mulŃumirile mele domnului prof.univ.dr.ing. Atanasie Talpoşi, conducătorul ştiinŃific al acestei teze de doctorat, care mi-a coordonat întreaga activitate desfăşurată în perioada elaborării tezei precum şi pentru suportul stiinŃific, material şi moral acordat.

MulŃumesc distinşilor membrii ai Comisiei de evaluare şi susŃinere a tezei de doctorat, referenŃi oficiali, prof.dr.ing. Ioan Tuns (BRASOV), prof.univ.dr.ing. Radu Pascu (BUCURESTI), prof.univ.dr.ing.Dan Georgescu (BUCURESTI).

MulŃumesc, totodată, întregului colectiv de cadre didactice de la Facultatea de ConstrucŃii şi în special domnilor prof.univ. dr.ing. Ciofoaia, conf.dr.ing.Gavrilă Muntean, s.l.dr.ing. Adam Doşa, s.l.dr.ing.Valentin Ungureanu, drd.ing.Mihai Dobrovolschi pentru sfaturile competente şi sprijinul acordat la elaborarea şi finalizarea tezei.

Doresc să mulŃumesc în mod special şi colegului drd. Dan Ioan pentru sprijinul acordat în ceea ce priveşte utilizarea metodei elementelor finite în simularea numerică a experimentului de laborator, personalului de la laboratorul COBCO din Braşov, doamnei Irina Puşcaş care m-au ajutat să realizez întreg experimentul de laborator, dar şi domnului drd.Radu Sava (Sika.România) care m-a ajutat să procur cele mai bune materiale în domeniul studiat. În final, dar nu în ultimul rând, doresc să-mi exprim toată recunoştinŃa familiei mele, prietenilor şi doamnei dr.ing.ConstanŃa Herea pentru susŃinerea oferită şi sprijinul acordat de-a lungul întregii perioade de elaborare a tezei de doctorat.


62

CAPITOLUL 8

BIBLIOGRAFIE [1] Concrete Society Technical Report No. 55- Design guidance for strengthening concrete

structures using fibre composite materials, edited by The Concrete Society, 2000. [2] GP 033-1998, Ghid de proiectare şi execuŃie pentru realizarea intervenŃiilor cu betoane

polimerice armate la elemente din beton armat degradate prin coroziune. [3] INCERC, Normativ privind consolidarea cu fibre a elementelor srtucturale de beton,

2007. [4] INCERC, ST.050-2006, SpecificaŃie tehnică privind utilizarea adezivilor polimerici în

construcŃii. [5] INCERC, Elaborarea de soluŃii tehnice noi şi evaluări privind siguranŃa, pentru

anvelopă - reabilitarea pereŃilor cu polimeri armaŃi cu fibră de carbon. Etapa 3 din 2009. [6] “Making Better Use of the Strenght of Advanced Materials in Structural Engineering ”

(ImbunătăŃirii cu privire la folosirea noilor materiale pentru consolidări, în ingineria structurală), ConferinŃa internaŃională a Fibrelor Polimerice Compozite, Hong Kong, Decembrie 2001.

[7] “ NE 012-1:2007, Normativ pentru producerea betonului şi executarea lucrărilor din beton, beton armat şi beton precomprimat” -Partea I, Producerea betonului.

[8] “Procedings of the Fifth International Symposium on Fibre Reinforced Plastics for Reinforced Concrete Structures” (Cercetări, din cadrul celui de alV-lea Simpozion InternaŃional al folosirii fibrelor plastice pentru structurile de beton), Cambridge, U.K, iulie 2001.

[9] “Progrese şi perspective în domeniul betoanelor”, Raport general al conferinŃei a VIII-a de betoane, octombrie 1976.

[10] Sika Romania SRL – Construction, (studii de caz, design, exemple, teorii, sistem de informaŃii).

[11] Standard Român SR EN 1990:2004, Bazele proiectării structurilor. [12] Standard Român SR EN 1992:2004, Proiectarea structurilor din beton. [13] Standard Român SR EN 12390-1:2002, Încercare pe beton întărit ,

Partea 1, formă, dimensiuni şi alte condiŃii pentru epruvete şi tipare. [14] Standard Român SR EN 12390-2:2002, Încercare pe beton întărit ,

Partea 2, Pregătirea şi conservarea epruvetelor pentru încercări de rezistenŃă. [15]

Standard Român SR EN 12390-3:2002, Încercare pe beton întărit , Partea 3, RezistenŃa la compresiune a epruvetelor.

[16] Standard Român SR EN 12390-5:2002, Încercare pe beton întărit , Partea 5, RezistenŃa la întindere prin încovoiere a epruvetelor.

[17] Standard Român SR EN 12390-7:2002, Densitatea betonului întărit. [18] Standard Român SR EN ISO 15630-1, OŃel pentru armarea şi precomprimarea

betonului. Partea I-bare, sârme laminate şi sârme pentru armarea betonului.

[19] Verification Test for RC Beams Repaired by CFRP Compozite Materials, Department of Civil Engineering National Taipei, edited by University of Technology, Taipei, Taiwan, 2002.

[20] Amer M. Ibrahim, Mohammed Sh. Mahmood,”Finite Element Modeling of Reinforced Concrete Beams”- Strengthened with FRP Laminates, Universitatea Diyala, Iraq.- 2003, (articol internet).

[21] Avram Constantin, Bob Corneliu,“Noi tipuri de betoane speciale” – Facultatea de ConstrucŃii Timişoara, Ed. Tehnică Buc. 1980.

[22] Cadar Ioan, Clipii Tudor, Tudor Ageta,”Beton armat”, EdiŃia I, Editura Orizontul Universitar, Timişoara, 1999.

[23] Cazacu Christiana, Referat doctorat-”Cercetări teoretice privind calculul de rezistenŃă al elementelor din beton armat consolidate cu cămăşi din fibre carbonice”,Universitatea Transilvania Braşov, Facultatea de ConstrucŃii -2005.

[24] Cazacu Christiana, Referat doctorat-“Stadiul actual al cercetărilor teoretice şi


63

experimentale utilizând betoane armate cu fibre polimerice”,Universitatea Transilvania Braşov, Facultatea de ConstrucŃii -2006.

[25] Cazacu Christiana, Referat doctorat - “Studii şi cercetări experimentale privind comportarea în exploatare a structurilor din beton armat consolidate cu CFRP”, Universitatea Transilvania Braşov, Facultatea de ConstrucŃii -2006.

[26] Cazacu Christiana, articol-“Stadiul actual al cunoaşterii betoanelor armate cu fibre polimerice cu avantajele şi dezavantajele folosirii lor”- Sesiunea stiinŃifică CIBv 21-22 noiembrie 2008, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2008.

[27] Cazacu Christiana, articol-“Sinteză a cunoaşterii cercetărilor în domeniul betoanelor armate cu fibre polimerice cu exemple de folosire la diferite obiective ”- Sesiunea stiinŃifică CIBv 21-22 noiembrie 2008, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2008.

[28] Cazacu Christiana, articol- „The effect of wrapping with CFRP technique on concrete re-enforced beams”- Sesiunea stiinŃifică CIBv 12-13 noiembrie 2010, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2010.

[29]

Cazacu Christiana, articol- „A study on the implementation of composite materials on concrete surfaces.”- Sesiunea stiinŃifică CIBv 12-13 noiembrie 2010, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2010.

[30] Ciornei Al., Gherman Liviu,“Betonul armat cu fibre “- Facultatea de ConstrucŃii Iaşi-2005.(articol internet)

[31] Dan Sorin, ”Reabilitarea structurilor de beton armat prin folosirea compozitelor pe bază de fibre de carbon”-Revista de Politica Stiintei şi Scientometrie, 2005- ISSN-1582-1218

[32] Dawood Mina, Summer Emmett, Rizkalla Sami,” Fundamental characteristics of new high modulus CFRP materials for strengthening bridges and structures”, Department of civil constructions and Enviromental Engineering, Nord Carolina State University, 2000

[33] Dobrovolschi Mihai, Cazacu Christiana, articol-“Metodă productivă de executare a piloŃilor”- Sesiunea stiinŃifică CIBv 21-22 noiembrie 2008, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2008.

[34] Dobrovolschi Mihai, Cazacu Christiana, articol-“Importance of execution technologies in tunnels construction”- Sesiunea stiinŃifică CIBv 12-13 noiembrie 2010, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2010.

[35] Elgwady Mohamed A., Rabie Mohamed, Mostafa Mohamed,„Strengthening of corbels using CFRP an experimental program”,Universitatea din Cairo, Egipt, 2005.

[36] Hegheş Bogdan, Chiorean Adela, LeŃia Catinca, Moldovan Dumitru , Corbu Ofelia, NegruŃiu Camelia, Măgureanu Cornelia ,”Beton armat Îndrumător de laborator”- U.T.Press, Cluj Napoca, 2007.

[37] Ionescu Ion, Ispas Traian, Popăescu Augustin,“Betoane de înaltă performanŃă “, Facultatea de ConstrucŃii Bucureşti, Editura Tehnică, 1999.

[38] Isopescu Dorina, Oprişan Gabriel,łăranu Nicolae, Drăghici Gabriela „Materiale compozite”, Universitatea Tehnică Iaşi, Facultatea de ConstrucŃii şi Arhitectură, 2000.

[39] Isopescu Dorina, łăranu Nicolae, Oprişan Gabriel,“ Procedee de fabricare a elementelor din materiale compozite polimerice armate cu fibre “, Proceedings of the International Conference of Modern Techniqes in Constructions -2000 Chisinău, 129-133.

[40] FRPRCS-6, Fibre-Reinforced Polymer - Reinforcement for Concrete Structures, (“Polimeri armaŃi cu fibre -Armarea structurilor din beton”), din cadrul celui de al VI-lea simpozion cu privire la armarea structurilor de beton din Singapore, edited by Kiang Hwee Tan, Singapore, 2003, volumul I.

[41] FRPRCS-6, Fibre-Reinforced Polymer - Reinforcement for Concrete Structures, (“Polimeri armaŃi cu fibre -Armarea structurilor din beton”), din cadrul celui de al VI-lea simpozion cu privire la armarea structurilor de beton din Singapore, edited by Kiang Hwee Tan, Singapore, 2003, volumul II.

[42] Kiss Zoltan, OneŃ Traian,”Proiectarea structurilor de beton după SREN 1992-1”, Editura Abel, 2008.

[43] Keller T.,“Strengthening of concrete bridges with carbon cables and strips”


64

(Consolidarea podurilor cu ajutorul cablurilor şi lamelelor PAFC), FRPRCS-6 (pag.1331- 1340), edited by Kiang Hwee Tan, 2003.

[44] L.de Lorenzis, F.Micelli, A.la Tegola,“ Strengthening of steel silos with post-tensioned CFRP laminates”,(Consolidarea unor silozuri metalice cu ajutorul bandelor CFRP post-tensionate), FRPRCS-6(pag.1351- 1360), edited by Kiang Hwee Tan, 2003.

[45] L.de Lorenzis, F.Micelli, A. la Tegola ,“Effects of Wet Environment on CFRP- Confined Concrete Cylinders”,(Efectele condiŃiilor de mediu umede, asupra cilindrilor de beton, armati cu PAFC), FRPRCS-6 (pag.795), edited by Kiang Hwee Tan, 2003.

[46] Mizgan Paraschiva, Teză de doctorat-„Comportarea şi calculul elementelor din beton uşor la forŃă tăietoare”, Institutul Politehnic Cluj-Napoca-Facultatea de ConstrucŃii- 2006

[47] Nawy Edward G. “ Fundamentals of High-Performance Concrete”, (Beton de înaltă performanŃă), P.E.,C.Eng.-Universitatea de Stat din New Jersey, ediŃia II, 2001.

[48] Nguyen Viet Hung, Thai The Hung,”Concrete beam reinforced by CFRP strips: numerical simulation and experimental validation” – articol intrenet, Hanoi University of Technology, Vietnam, 2003

[49] OneŃ Traian, Mizgan Paraschiva, Iulian H.,”Comportarea grinzilor din beton uşor armat la forŃă tăietoare”- Sesiunea stiinŃifică CIBv, Editura Univ.Transilvania Brasov, Braşov, 2004.

[50] OneŃ T., Kiss Z., Munteanu G., Îndrumător pentru proiectarea betonului armat, U.T.Press, Cluj Napoca, 2004.

[51] Pelella T., Mannara G., Cosenza E., Iervolino I., Lecce L.,“Seismic performance improvement of the bell tower in Serra S. Quirico by composites”(ÎmbunătăŃirea comportării la acŃiuni seismice a structurii turnului bisericii S.Lucia's din Serra S. Quirico folosind materiale PAF), FRPRCS-6(pag.1361- 1370), vol.II, edited by Kiang Hwee Tan, Singapore 2003.

[52] Takahashi Y., Sato Y., “Flexural Behaviour of RC Beams Externally Reinforced with Carbon Fiber Sheets” (Comportarea la forŃă tăietoare a grinzilor de beton armat cămăşuite cu Ńesături PAFC), FRPRCS-6(pag.237),vol.I, edited by Kiang Hwee Tan, Singapore 2003.

[53] TerŃea I, OneŃ Traian,” Ruperea elementelor încovoiate din beton uşor armat cu bare netede (OB 37) şi cu profil periodic (PC2), Studii şi cercetări”.

[54] Toutanji H., Zhang Y., Balaguru P.,“Crack Widths in RC Beams Externally Bonded with CFRP Sheets”, FRPRCS-6(pag.367), vol.I, edited by Kiang Hwee Tan, Singapore 2003.

[55] Tribuna Constructorilor, sectia Normative, articol “Consolidarea cu fibre a elementelor structurale din beton“, editia din 28.05.2004.

[56] łăranu Nicolae, Isopescu Dorina,“Structures made of composites materials“, Universitatea Tehnică Iaşi, Facultatea de ConstrucŃii şi Arhitectură, 2000.

[57] Umoto T.,”Durability Design of GFRP rods for concrete reinforcement„ – Singapore FRPRCS-6 (pag.37), vol.I., edited by Kiang Hwee Tan, 2003.

[58] Viorel G., Kiss Traian, Măgureanu C., Socaciu N,”Beton armat şi precomprimat”- Îndrumător de Laborator Atelierul de multiplicare al Înstitutului Politehnic Cluj Napoca, 1983.

[59] Zhenyu Ouyang, Baolin Wan „Numerical simulation of bond deterioration between CFRP plate and concrete in moisture environment” - articol internet; Marquette Universit, Milwaukee, WI, USA-2003

[60] Wang Z., Joh O., Ibe H., T.,”Reinforcing Effects of CFRP and AFRP Sheets with Respect to Flexural Behaviour of RC Beams„ – Singapore FRPRCS-6 (pag.227), vol.I, edited by Kiang Hwee Tan, 2003.


65

Abstract

Consolidarea grinzilor din beton armat cu materiale compozite aplicate pe suprafaŃa acestora

prin intermediul unor adezivi speciali, reprezintă o tehnică inovatoare a ultimilor decenii. Materialele compozite de rezistenŃă înaltă obŃinute pe bază de fibre de carbon, sticlă, aramid

sunt în prezent promovate ca fiind o foarte bună alternativă a platbandelor metalice. Avantajul major pe care îl au aceste materiale este reprezentat de greutatea redusă, rezistenŃă ridicată la solicitări mecanice, rezistenŃa la medii exterioare corozive şi modul uşor de aplicare pe elementele de beton.

DorinŃa de a realiza structuri cât mai rezistente şi cu o comportare în exploatare mai bună, dar tot odată cu o greutate redusă şi uşor de executat m-au împins către acest domeniu nou. În această lucrare am elaborat o sinteză documentară cu privire la: stadiul actual al cercetărilor teoretice şi experimentale utilizând betoane armate cu PAFC (capitolul 1 şi 3), principalele tipuri de fibre folosite pentru armarea şi consolidarea elementelor de beton simplu sau armat (capitolul 2) dar şi un experiment de laborator(capitolul 4) şi un studiu cu ajutorul elementelor finite (capitolul 5) efectuate cu scopul de a determina modul în care aplicarea materialelor compozite influenŃează comportarea grinzilor de beton armat solicitate cu o forŃă concentrată dispusă la mijlocul deschiderii. Rezultatele şi concluziile obŃinute au fost bune, multe dintre acestea confirmând şi întărind totodată, studii şi rezultate anterioare, prezente şi în literatura de specialitate şi pot spune că sistemele pentru consolidarea structurilor cu materiale de tip PAFC reprezintă o bună alternativă pentru consolidarea structurilor din beton simplu sau armat iar posibilitatea folosirii lor în diferite moduri constituie un avantaj major faŃă de materialele utilizate pănă în prezent.

Abstract

Strengthening RC beams with externally bonded fiber reinforced polymer (FRP) composite,

is one of the techniques developed in recent years. High strength carbon, glass and aramid composites are being promoted as an alternative to steel plates. The major advantages in using fiber reinforced polymer composites are: lightweight, high strength, corrosion resistance and the ease of application.

The desire to obtain structures more resistant and with better behavior, but still lightweight and easy to make, pushed me to this new field. In this paper I developed a documentary overview of: a current state of theoretical and experimental research using reinforced concrete composite materials (Chapter 1 and 3), the main types of fibers used for reinforcement and strengthening of RC elements (Chapter 2), and a laboratory research (Chapter 4) and a study using finite element (Chapter 5) conducted in order to determine how the application of composite materials affect the behavior of reinforced concrete beams required to a concentrated force aplied in the middle span.

The results and conclusions we obtained were good, many of them also confirming and strengthening, studies and previous results from international literature, and I can say that the reinforced systems for building structures using CFRP materials is a good alternative for strengthening concrete structures and the possibility to use them in different ways is a major advantage over the materials used so far.

The six and seven chapters are dedicated to Conclusions, research directions, manner of valorising the results , but also to detailing the personal contributions, emphasizing the complexity of researches carried out on the behavior of RC beams srengthened with externally bonded with fiber reinforced polymer (FRP) composite.


66

Curriculum vitae INFORMAłII PERSONALE 1. Nume: GHEORGHIU (cas. CAZACU) 2. Prenume: Christiana Emilia 3. Data naşterii: 25.05.1979, Brasov, România 4.Stare civilă: căsătorită, doi copii 5. Studii: 1998-2003, Universitatea Transilvania din Braşov, LicenŃiată în construcŃii civile 2003 – 2007, Universitatea Transilvania din Braşov, Doctorand cu frecvenŃă 2009 – 2011, Universitatea Transilvania din Braşov, Doctorand fără frecvenŃă 6. Studii şi cursuri de specialitate. 1. Mechanics of Composite Materials, at Technical University of Kosice, Faculty of Civil Engineering, Kosice, july 2011. 7. Limbi străine: engleză, germană 8. Lucrări publicate/prezentate în volumele conferinŃelor internaŃionale de specialitate. „The effect of wrapping with CFRP technique on concrete re-enforced beams”- Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 12-13 noiembrie 2010, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2010. „A study on the implementation of composite materials on concrete surfaces.”- Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 12-13 noiembrie 2010, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2010. “Importance of execution technologies in tunnels construction”- Dobrovolschi Mihai, Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 12-13 noiembrie 2010, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2010.

9. Lucrări prezentate în cadrul conferinŃelor naŃionale. “Metodă productivă de executare a piloŃilor”- Dobrovolschi Mihai, Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 21-22 noiembrie 2008, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2008. “Stadiul actual al cunoaşterii betoanelor armate cu fibre polimerice cu avantajele şi dezavantajele folosirii lor”- Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 21-22 noiembrie 2008, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2008. “Sinteză a cunoaşterii cercetărilor în domeniul betoanelor armate cu fibre polimerice cu exemple de folosire la diferite obiective ”- Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 21-22 noiembrie 2008, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2008.

10. Lucrări şi proiecte. În perioada 2006-2010, ca angajată a firmei de proiectare SC.Gekoglu Construct SRL- Germania am participat la realizarea proiectelor de rezistenŃă pentru următoarele lucrări: 1. PANDION ISOLDEN GmbH & Co.KG- München-www.pandion-prime.de Rümannstraße NR. 1913 WA1 2. Bahnstadt, Wohnen an der Promenade, W6 Bluntschlistraße 14, Heidelberg 3. SKYGARDEN München-www.skygarden.de Tölzer Straße 12 4. Lindenallee Köln Neubau Wohnanlage Lindenallee 11-17, Köln 5. Catharina Müller-Straße / Steinfurter Straße 40284 Münster 11. Aptitudini şi calităŃi: operare PC, dinamism, abilitatea de comunicare cu oamenii, capacitate de muncă 12. Aptitudini şi competenŃe tehnice: proiectare asistată de calculator( IsbCad, Axis, AutoCad), metode numerice de programare şi calculul structurilor.


67

Curriculum vitae 1. Name: GHEORGHIU (cas. CAZACU) 2. First name: Christiana Emilia 3. Birth date: 25.05.1979 4. Education: 1998-2003, Transilvania University of Braşov, Civil Construction 2003 – 2007, Transilvania University of Braşov, PhD Student 2009 – 2011, , Transilvania University of Braşov, PhD Student 5. Foreign language: English, germain 6. Papers presented/published in Proceedings of International Conferences „The effect of wrapping with CFRP technique on concrete re-enforced beams”- Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 12-13 noiembrie 2010, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2010. „A study on the implementation of composite materials on concrete surfaces.”- Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 12-13 noiembrie 2010, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2010. “Importance of execution technologies in tunnels construction”- Dobrovolschi Mihai, Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 12-13 noiembrie 2010, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2010.

7. Papers presented/published in national Conferences “Metodă productivă de executare a piloŃilor”- Dobrovolschi Mihai, Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 21-22 noiembrie 2008, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2008. “Stadiul actual al cunoaşterii betoanelor armate cu fibre polimerice cu avantajele şi dezavantajele folosirii lor”- Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 21-22 noiembrie 2008, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2008. “Sinteză a cunoaşterii cercetărilor în domeniul betoanelor armate cu fibre polimerice cu exemple de folosire la diferite obiective ”- Cazacu Christiana, Sesiunea stiinŃifică CIBv 21-22 noiembrie 2008, Editura Univ.Transilvania Brasov, 2008.

8. Professional experience. Projects. 1. PANDION ISOLDEN GmbH & Co.KG- München-www.pandion-prime.de Rümannstraße NR. 1913 WA1, 2009 2. Bahnstadt, Wohnen an der Promenade, W6, 2009 Bluntschlistraße 14, Heidelberg 3. SKYGARDEN München-www.skygarden.de Tölzer Straße 12 4. Lindenallee Köln, 2010 Neubau Wohnanlage Lindenallee 11-17, Köln 5. Catharina Müller-Straße / Steinfurter Straße 40284 Münster, 2010 9. Skills and abilities: operare PC, dinamism, abilitatea de comunicare cu oamenii, capacitate de muncă 10. Technical skills and competences: proiectare asistată de calculator( IsbCad, Axis, AutoCad), metode numerice de programare şi calculul structurilor.

rezumat teza doctorat cazacu christiana

Documents

n apa srat a acestora

v invitm s participai

coninutului lucrrii

sarea reprezint o mare

n continu cretere i

ora actual n lume cererea

n domeniul ingineria

va desfura n ziua