su: sanacija ć građevina s polimerima ... - statika.hr su zagreb 2013 - proračun... · su:...

SU: Sanacija postojećih građevina s polimerima armiranim vlaknima (FRP‐om)

PRORAČUN POJAČANJA BETONSKIH KONSTRUKCIJA FRP‐om POMOĆU PROGRAMSKOG PAKETA MAPEI

Zagreb, 05. prosinca 2013.

Doc.dr.sc. JOSIP GALIĆ, dipl.ing.građ.

1. Općenito o FRP‐u

• FRP – Fibre‐Reinforced Polymer (Plastic) je kompozitni materijal koji se radi od polimerne matrice koja je pojačana (armirana) vlaknima.

• Danas za vlakna se koriste uglavnom: ugljik, staklo, aramid i bazalt, premda se mogu koristiti i druge vrste vlakana.

• Za polimernu matricu se koriste uglavnom: epoxy, vinylester, polyester i dr.

• Primjena FRP‐a u građevini se intenzivno istražuje i primjenjuje zadnjih 20‐tak godina.

• Važno je napomenuti da FRP nije novi materijal premda se u građevini koristi relativno kratak period i za sada u ograničenom području primjene.

05.12.2013. 2Proračun pojačanja betonskih konstrukcija FRP‐om pomoću programskog paketa MAPEI


• Razvoj plastike je počeo još sredinom 19 stoljeća s prvotnim ciljem da se pronađe materijal koji bi zamijenio slonovaču.

• Tek 20‐tih godina prošlog stoljeća počinje intenzivni razvoj gume i plastike (polimera) te primjena različitih vlakna, budući da zbog kolonija i ratova se težilo zamjeni prirodnih materijala i sirovina.

• U tom periodu su razvijeni i prvi komercijalni FRP proizvodi na bazi tkanina od staklenih vlakana i polyester smole.

• Prvi proizvod je bio trup broda proizveden sredine 30‐tih, a 40‐tih je počela intenzivna primjena u proizvodnji zrakoplova, brodova (jahti) i automobila zbog osnovnih prednosti a to je: ‐mala težina s obzirom na vlačnu čvrstoću‐ otpornost na koroziju (pogotovo u morskim uvjetima)

• Od 50 tih godina počinje i razvoj ugljičnih vlakana i pravi razvoj FRP proizvoda.



• Primjer – Plastični bombarder „TRABANT” – 1957 (DDR)


• Kompozit od recikliranog materijala: Fenolna smola armirana pamučnim vlaknima


• Danas je FRP materijal ušao u svakodnevnu uporabu da nismo ni svjesni.

• Dovoljno je pogledati samo brodove, zrakoplove, automobile i sportsku opremu i vidjeti ćete da je većina toga od FRP‐a.




Boing 787 Proizvodnja polimera u svijetu(235.000.000 tona godišnje)

• 2000 g. u Švicarskoj je proizvedeno 700.000 tona u 800 tvrtki gdje je zaposleno 23 000 zaposlenih i ostvarile 10 milijardi Eura prihoda.

• 2000 g. u svijetu je upotrijebljeno‐ Čelika 795.000.000 tona‐ Polimera 120.000.000 tona ‐ Staklenih vlakana 2.200.000 tona‐ Ugljičnih vlakana 17.000 tona

2. FRP u građevinarstvu


• FRP trenutno prolazi put koji je prolazio svaki novi materijal, a to je pokušaj zamjene nekog postojećeg materijala i kopiranje postojećih statičkih sustava, načine primijene i modela proračuna.

• Prisjetiti se pojave lijevanog željeza i čelika i njihove prve primijene:

1779 g. most od lijevanog željeza. Svi detalji oblikovani po uzoru na drvene konstrukcije , a oblik slijedi oblik kamenih lučnih mostova.

1820‐tih most Menai Straits. Lančasti most raspona L = 152 m.



• Slična situacija je bila i u visokogradnji i arhitekturi: Home Insurance Building

Zgrada sagrađena 1885 g. u Chicagu.

Zgrada je sagrađena od kovanog željeza.

Fasada, raspored prostorija i sve je davalo izgled masivne građevine koje su bile uobičajene za to vrijeme.

Čelik u to vrijeme je glumio samo varijantu postojećeg materijala s poboljšanim svojstvima.

Trebalo je vremena da se u cijelosti otkriju sve njegove prednosti i odgovarajući statički sustavi kao i način izvedbe.



• Trenutno glavno područje primjene FRP‐a u građevinarstvu je zamjena čelika i čelične armature.

• Najvažnija svojstva FRP u usporedbi s čelikom‐ neosjetljivi na koroziju‐ velika vlačna čvrstoća u smjeru vlakana‐mala zapreminska težina (oko 6 puta manja)‐ dobro ponašanje pod dinamičkim opterećenjem (70% vrijednosti početne čvrstoće nakon 2 milijuna ciklusa)‐ ne provodi struju‐ linearno – elastično ponašanje do sloma (neduktilnost)‐ koeficijent toplinskog širenja je znatno manji od betona (osim GFRP)‐ neotpornost na visoku temperaturu‐ tlačna čvrstoća je iznosi oko 50% vlačne čvrstoće.

• Da je duktilan materijal i da je koeficijent toplinskog širenja jednak ovaj materijal bi u potpunosti zamijenio čelik, ali ovako baš i ne ide



• Usporedba svojstava:

• Umjesto potpune zamjene čelika ta zamjena je trenutno ograničena u slijedećim područjima:1.) Armiranje betonskih elemenata kod kojih nije nužna duktilnost, a

koji su izloženi negativnim utjecajima koji rezultiraju korozijom‐ Kolničke ploče i grede kod mostova i garaža (najčešće se koriste šipke od GFRP zbog toplinskog istezanja i šipke od CFRP‐a)

‐ AB stupovi i drugi konstrukcijski elementi izloženi nepovoljnim utjecajima kao što su stupovi rasvjete i konstrukcija uz more



• Primjeri armiranja ploče i stupova.

• Moramo imati na umu da svaki AB element ne mora biti duktilan.

• FRP materijal je najsličniji drvu koji je kompozit celuloze i lignina.• Ponašanje FRP‐a i drva je gotovo identično samo je razlika u čvrstoći i

krutosti i činjenici da FRP možemo sami kreirati svojstva.



• Na Građevinskom fakultetu je ispitano ponašanje armiranih ploča i greda armiranih GFRP i CFRP šipkama.

2.) Zatege, kabeli i lamele za vanjsko prednapinjanje ‐ CFRP‐ nije nužno da je materijal duktilan, samo da je otporan na zamor i koroziju.



• Kod prednapinjanja se često osim kabela koriste i lamele jer se mogu dodatno zalijepiti za AB površinu i lakše zaštiti. Bitno sidrenje lamele.

3.) Sanacija i pojačanje AB konstrukcija zamjenjujući čelične šipke, lamele i omče s istim FRP proizvodima

• Trenutno ovo je najveće područje primjene FRP proizvoda i program koji je izradio Mapei pokriva ovo područje.

• Do sada je bilo čitav niz uspješne primjene pojačanja AB konstrukcija lijepljenjem čeličnih elemenata ili ovijanjem čelikom.

• Osnovni problem kod čelika je težina (pogotovo kod postavljanja iznad glave), korozija (radi se o vanjskom lijepljenju) i jednostavnost ovijanja.



• Lamele i šipke koje se postavljaju za povećanje nosivosti greda, ploča a i stupova na savijanje. Uglavnom se koriste CFRP proizvodi jer je bitna krutost elementa koji se lijepi.

• Lijepljenje čeličnih lamela je dosta učinkovito u pogledu povećanja nosivosti

• Međutim ako je izloženo vanjskim utjecajima može dovesti do korozije, oštećenja i smanjenja učinkovitosti pojačanja.



• Primjeri pojačanja konstrukcije na savijanje lijepljenjem lamela i šipki.(primjena tkanine je manje preporučljiva kod povećanja nosivosti na savijanje)

• Lamele, tkanina i užad se postavljaju za povećanje posmične nosivosti greda, zidova i stupova. Uglavnom se koriste CFRP proizvodi kao vanjske vilice.



• Za posmično pojačanje su se najbolje pokazale trake i tkanina sama ili u kombinaciji s užadi za dodatno sidrenje.



• Seizmičko pojačanje konstrukcije ‐ uglavnom se koristi tkanina‐ ovijanje stupova radi povećanja duktilnosti, sprečavanje klizanja armature na mjestu preklopa ili osiguranje šipki protiv izvijanja.

‐ ovijanje čvorova radi povećanja duktilnosti okvirnih konstrukcija.‐ povećanje posmične otpornosti stupova, zidova i rubova zidova.

Shear Resistance ConcreteStrength / Strain

ReinforcementBuckling

ReinforcementLap Splice



• Izgledi pojedinih pojačanja



4.) Sanacija i pojačanje zidanih i nešto manje drvenih konstrukcija uglavnom primjenom šipki, tkanine, užadi i mreža

• Najčešće se koriste vlakna od stakla i bazalt radi cijene.• Dominantna uloga je kod seizmičkog pojačanja i popravka pukotina

uslijed diferencijalnih slijeganja temelja.



5.) Instalacijske cijevi i tankovi – oprema u graditeljstvu • Uglavnom su to elementi od staklenih vlakana.



• Vrste materijala koja je na tržištu za pojačanja i sanacije

• S primjenom i razvojem FRP‐a na tržištu se pojavljuju novi proizvodi.• Tako sada imamo čitav niz profila analognih čeličnim profilima ili

drvenim sendvič panelima i sl.



• Primjeri raznih profila od FRP‐a

• Pultrusion proces – Faza 1: Impregnacija; Faza 2: Stvrdnjavanje/skrućivanje

• Hand layup

Ćelijaste ploče



• Primjena profila je sve izraženija tako da danas imamo čitav niz stambenih građevina i mostova izvedenih u cijelosti od FRP‐aEyecatcher (5 etaža), Basel, Switzerland

Kolding BridgeDanska

Friedberg Bridge kod FranfurtaNjemačka (L = 22m, b = 5,0 m)

Pješački most od FRP‐a u Moskvi (L = 21 m) – 2010 g.



• Trenutno je 55 mostova izvedeno u cijelosti od FRP‐a, a 355 mostova ima korištene elemente od FRP‐a od glavnih rasponskih sklopova, kolničkih ploča to zatega.

Lučni pješački most u Moskvi, L = 22,6 m, 2008 g) – most je težak svega 4,5 tone (ApATeCh)

Zaštita od buke Heliodrom Stupovi za rasvjetu



• Primjeri Pet foam core panela i sendvič panela za stropne ploče, krovove i fasade.

• Vanjska obloga je od FRP‐a, a ispuna je kruta pjena, drvena ispuna i sl.

HHR Station Roof u Saudijskoj ArabijiProjektant: Foster & Patners



• FRP materijal će se u budućnosti sve više primjenjivati i tek se očekuju odgovarajući statički sustavi i područja primjene.

Most raspona 3.300 m (Messina) Dock Tower (prof. Keller EPFL)

36 etaža, promjer zgrade je 27 m

Lagani jarboli Plimne i vjetroelektrane

CFRP 1997 11,640 t 6,467 m3

CFRP 200217,000 t 9,444 m3

U 5 godina 46%.

3. Pojačanje i armiranje betonskih konstrukcija FRP‐om


• Ne postoje službene norme za proračun betonskih konstrukcija armiranih FRP armaturom kao niti za proračun pojačanja AB konstrukcija lijepljenjem FRP‐a.

• Jedino gdje se spominje FRP i daje mogućnost proračuna pojačanja konstrukcije FRP‐om je: HRN EN 1998‐3:2011 (EN 1998‐3:2005+AC:2010)

• Norma dopušta pa čak i daje izraze za proračun seizmičkog pojačanja postojećih AB elemenata vanjskim lijepljenjem FRP proizvoda:‐ Povećanje posmične nosivosti stupova, zidova i greda lijepljenjem FRP s vlaknima u smjeru postojećih vilica.

‐ Povećanje duktilnosti krajeva elemenata ovijanjem.‐ Sprečavanje loma na mjestu preklopa ovijanjem.



• Budući da nema službenih normi proračun se provodi prema smjernicama i preporukama pojedinih država i društava.

• Najčešće primjenjivane smjernice za FRP pojačanja u Europi su:



• Smjernice za armiranje betonskih konstrukcija FRP‐om:

• Za primjenu FRP profila ne postoje službene smjernice nego je proračun baziran na priručnicima proizvođača i proračunskim tablicama.

• EN 13706 (2002), “Reinforced plastics composites – Specifications for pultruded profiles” ‐ 2 material classes, specifications for minimum material properties and tests

4. MAPEI program za proračun pojačanja FRP‐om


• Kako bi se olakšao proračun pojačanja betonskih konstrukcija lijepljenjem FRP lamela i tkanine MAPEI je razvio program za proračun.

• Program je u Excel formatu što omogućuje lakše formatiranje i insertiranje proračuna, ali i dogradnju programa.

• Moduli programa su:‐ SAVIJANJE_PRAVOKUTNI PRESJEK‐ SAVIJANJE_T PRESJEK‐ POSMIK_PRAVOKUTNI PRESJEK‐ POSMIK_T PRESJEK‐ PROVJERA NAPREZANJA‐ OVIJANJE

• Ovi moduli programa su sadržani na CD‐u koji vam je podijeljen kod prijave.• Proračun u programu je baziran na talijanskim smjernicama CNR‐DT (2004).

Povećanje nosivosti AB elementa na savijanje ‐ ULS

Povećanje nosivosti AB elementa na poprečnu silu ‐ ULS

Kontrola naprezanja uslijed pojačanja ‐ SLSPovećanje nosivosti i granične deformacije betona uslijed ovijanja



• Program je preveden na Hrvatski, a na CD‐u se nalazi norma CNR DT, Getting Started, Opis proračuna i primjeri i te materijali tvrtke Mapei.

• Korištenje programa je dosta jednostavno međutim da bi se proračun razumio potrebno je pročitati normu CNR DT – ne učiti se kroz program.

• VAŽNO: Doprinos FRP pojačanja kod povećanja nosivosti ne smije iznositi više od 60% nosivosti nepojačanog elementa, osim u slučaju izvanrednog i seizmičkog opterećenja.



• FRP materijal je osjetljiv na visoke temperature i samim tim na izloženost djelovanju požara.

• Stoga u takvim uvjetima je nužno izvesti odgovarajuću zaštitu koja će osigurati temperaturu kompozita ispod 80 °C. Koriste se zaštitne žbuke ili bubreće ploče. Kod montaže ploča treba paziti da se ne ošteti FRP (ne bušiti i tiplatikroz njega).

• FRP sustav se postavlja u području gdje je potrebno preuzeti vlačna naprezanja. FRP se ne smije postavljati sa svrhom da nosi tlačno naprezanje.

• FRP pojačanje tvrtke Mapei je certificirani sustav pojačanja koji uključuje i FRP materijal, ali i epoxy ljepila koja se lijepe, primer‐e i sve ostalo što je potrebno kod primijene.

• Certificiran je svaki materijal, ali i kao sustav (Type A) što omogućuje manje koeficijente sigurnosti.

• Također to treba imati u vidu u slučaju da se koristi više materijala različitih proizvođača.

• Treba se pridržavati zahtjeva iz norme i od samog proizvođača glede pripreme površine, ravnosti podloge i ostalog (tehnički uvjeti izvođenja).



• Proračun elementa na savijanje.

Faktor sigurnosti koji odgovara nivo poznavanja svojstava materijala.Za in situ vrijedi proračun parametara:fck = fcm ‐ 8fcd = fck / FCfyd = fym / FC



• Uz proračun na savijanje potrebno je provesti i kontrolu naprezanja



• Proračun elementa na poprečne sile (T ‐ presjek).



50 mm ≤ wf ≤ 250mm, wf ≤ pf ≤ min{0.5⋅d, 3⋅wf, wf+200mm}.



• Ovijanje presjeka – povećanje tlačne čvrstoće kratkih elemenata i povećanje duktilnosti



Učinkovito je za f1,eff fcd > 0.05

p’f ≤ dmin/2

HVALANA

POZORNOSTI


su: sanacija ć građevina s polimerima ... - statika.hr su zagreb 2013 - proračun... · su:...

Documents