mat comp

MATERIALE COMPOZITE UTILIZATE LA REPARAREA SI

REABILITAREA STRUCTURILOR 38

1. NOTIUNI INTRODUCTIVE

In timp, structurile suferă o serie de degradări a căror cauze pot fi : îmbătrânirea

materialelor, fenomenele de oboseală, curgere lentă, a efectelor unor acţiuni extraordinare

(acţiunea seismului, a exploziilor sau a focului), agresivitatea mediului. Modificările

structurale la care se recomandă utilizarea acestor consolidări sunt : deteriorări structurale

determinate de acţiunea mediului (coroziunea) ; suprasolicitări ; înnoirea normelor de

proiectare, creşterea cerinţelor de siguranţă ; modificarea sarcinilor sau a

încărcărilor ;capacitate inadecvată la deformaţii.

Cercetătorii din domeniul construcţiilor au acceptat ideea reabilitării şi consolidării

structurilor cu materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) doar la începutul

anilor ’80.

Cele mai recomandate fibre (datorită caracteristicilor fizico-mecanice) sunt fibrele de

sticlă, de carbon şi cele aramidice. Pe plan mondial, refacerea capacităţii portante a

elementelor structurale a început în Japonia (fâşiile de CPAF) şi apoi a apărut şi în Europa

(placări cu platbande din CPAF).

Soluţiile de consolidare cu materiale compozite cu matrice polimerică, armate cu fibre

(CPAF) suplimentează soliţiile tradiţionale care folosesc betonul şi oţelul, având următoarele

avantaje :

- reducerea încărcării permanente din structură prin creşterea rezistenţei şi ductilităţii

elementelor structurii ;

- reducerea costurilor legate de întreţinere, având o bună comportare la acţiunea agenţilor

corozivi şi a sărurilor ;

- posibilităţi de alcătuire şi optimizare în funcţie de fiecare caz particular ;

- reducerea timpului de instalare, manipulare şi transport ;

- insensibilitate la umezeală ;

- rezistenţă la foc ;

- modul de elasticitate mare ; raportul dintre greutate şi rezistenţa materialului este mult

mai mare decât în cazul materialelor clasice ;

Materiale de constructii

2. METODE DE REABILITARE

Reabilitarea se realizează prin două metode :

1. armare exterioară - la consolidarea grinzilor din beton armat şi din lemn prin lipirea cu

platbande compozite sau cămăşuirea inimii, consolidarea stâlpilor sau confinarea acestora

cu fâşii, membrane sau ţesături compozite şi consolidarea zidăriilor şi a planşeelor

folosind platbande cu grosime şi lăţime variabilă ;

2. armături înglobate în beton, armături simple, pre şi post întinse.

Din categoria materialelor compozite existente pe plan mondial şi folosite pentru repararea şi

consoliderea structurilor degradate se pot aminti :

- forme structurale cu aplicaţii la grinzi, stâlpi şi tablierele unor poduri ;

- bare şi toroane din materiale compozite cu matrice polimerice armate cu fibre de înaltă

rezistenţă pentru armarea betonului ;

- sisteme compozite compuse, benzi, ţesături, membrane subţiri folosite la repararea şi

consolidarea elementelor de tip grinzi, stâlpi, planşee şi pereţi.

Produsele din materiale compozite utilizate la consolidarea structurală a elementelor de

construcţie se pot grupa în « prefabricate » şi « prin formare manuală la faţa locului ».

a) Elementele prefabricate pot fi :

- prefabricate sub formă de fâşii sau benzi, obţinute prin pultrudere, formare manuală sau

laminare continuă, lipite cu adezivi de elementele care urmează a fi consolidate ;

- profile prefabricate tip L cu aripi egale, cu secţiune U, membrane sau cămăşueli

prefabricate, având forma curbă sau spaţială (în funcţie de dimensiunile şi forma

elementului care urmează a fi consolidat), montate cu ajutorul adezivilor,

b) Sisteme de formare manuală la faţa locului

- fascicule de fibre preimpregnate amplasate manual sau mecanic pe suprafaţa elementelor

care urmează a fi consolidate ; instalarea se poate face prin preimpregnarea suprafeţei ;

- fascicule din fibre uscate care se aplică manual sau mecanic pe suprafaţa care urmează a fi

consolidată; răşina polimerică se introduce în timpul procesului de confinare, umectînd

fascicolele ;

- fâşii din fibre aranjate unidirecţional şi ţesături semiunidirecţionale ; elementele

structurale pot fi parţial sau total acoperite ; suprafaţa betonului se pregăteşte în prealabil

aplicând un chit pentru a realiza planeitatea şi aderenţa stratului de adeziv la suprafaţa de

beton. Tesătura din fibre preimpregnată cu răşină se poate aplica direct pe suprafaţa de

beton, sau aplicată pe suprafaţa de beton şi apoi impregnată cu răşină ;

- ţesături multidirecţionale, cu fibrele dispuse pe mai multe direcţii, iar răşina se aplică în

abundenţă ;

330

Materiale compozite utilizate la reabilitari

- fâşii sau ţesături unidirecţionale preimpregnate cu răşină, în care fibrele au o singură

direcţie ; sistemele se pot aplica cu sau fără răşină adiţională.

3. AVANTAJELE SI DEZAVANTAJELE CONSOLIDARILOR CU MATERIALE COMPOZITE

Principalele avantaje ale compozitelor care le fac a fi utilizate la consolidări sunt :

- rezistenţa ultimă la rupere ridicată (de cel puţin trei ori mai mare decât cea a oţelului)

- greutate mică (20 din cea a oţelului), reducând cheltuielile de transport, instalare ;

- varietate mare de soluţii, dimensiuni foarte diferite, aplicarea în straturi ;

- întreţinere simplă ;

- posibilitate de precomprimare ;

- durabilitate (posibilitatea utilizării în medii agresive).

Dezavantajele posibile ale consolidărilor cu materiale compozite sunt :

- preţul încă relativ ridicat ;

- măsuri suplimentare de protecţie împotriva şocului ;

- sensibilitate la radiaţii ultraviolete ;

- sensibilitate mare a răşinii la umiditate;

- la temperaturi care depăşesc temperatura de tranziţie sticloasă a răşinii sunt necesare

măsuri de protecţie ;

Comparând soluţia consolidării cu platbande din CMP cu soluţia platbandelor din oţel, se

constată următoarele avantaje :

- platbandele din CMP sunt mai rezistente la acţiunie agenţilor chimici, deci costul

intreţinerii după instalare este mai redus ;

- în situaţia existenţei agenţilor corozivi, când lungimea platbandelor este mai mare de 8m,

soluţia CMP –urilor nu mai este economică ;

- materialele compozite polimerice sunt bune izolatoare electrice, nemagnetice,

neconductive termic ;

- platbandele compozite se pot proiecta şi realiza cu proprietăţi iniţial stabilite pe baza

alegerii elementelor sistemului multifazic, fracţiunilor volumetrice de fibră şi matrice,

orientării fibrelor şi procedeului de fabricaţie ;

- platbandele din CMP având greutate redusă sunt uşor de manipulat, instalat ;

- elementele din CMP se pot realiza în lungimi mari, fiind posibilă livrarea şi în rulouri ;

- consolidarea nu presune întreruperea funcţionării structurii, motiv pentru care, în

ansamblu se realizează o economie de (18-20) ;

Consolidarea cu platbande din CMP are însă şi o serie de dezavantaje :

331


- schimbările bruşte de secţiune pot determina cedări datorită

tensiunilor locale de întindere normală pe platbandă ;

- deşi materialele se comportă liniar elastic, există pericolul cedării fragile ;

- fibrele (mai ales cele din carbon) sunt de 4-5 ori mai scumpe decât oţelul, dar manopera

este mult mai ieftină; diferenţa dintre costuri se reduce pe măsură ce creşte volumul de

activitate ;

- platbandele compozite sunt mai sensibile la acţiuni determinate de corpuri dure, doar că

deteriorările sunt localizate şi se pot remedia simplu şi uşor ;

4. SOLUTII DE CONSOLIDARE A ELEMENTELOR STRUCTURALE FOLOSIND MATERIALE COMPOZITE

Pentru reabilitarea structurilor sau elementelor la care soluţiile tradiţionale nu sunt

eficiente, se recomandă utilizarea compozitelor polimerice armate cu fibre. S-au realizat

consolidări de grinzi, plăci degradate din forfecare, stâlpi, structuri din zidărie, din lemn,

coşuri industriale.

Pentru structurile din beton armat, matricea este realizată din răşini epoxidice,

poliesterice şi vinilesterice, iar fibrele din carbon, sticlă sau aramidice.

Consolidări cu lamele 42

Se utilizează lamele fabricate prin pultrudere, cu un conţinut de fibre de 60-70%,

orientate după o direcţie, lamele ce se fixează cu un adeziv pe suprafaţa elementelor

deteriorate, obţinând o majorare a capacităţii portante a elementului, la încovoiere şi tăiere.

Lamelele au diferite lăţimi şi grosimi, fiind disponibile în orice lungime, dar datorită

flexibilităţii mai reduse, lamelele se folosesc la suprafeţe plane : planşee, pereţi, grinzi. Pentru

elementele solicitate la încovoiere, lamelele se pot lipi simplu sau se aplică varianta prin

precomprimare. Grinzile din beton armat consolidate la tăiere pot fi rigidizate prin lamele în

formă de L, care ulterior vor funcţiona ca şi etrieri.

Consolidări cu ţesături

Consolidările cu ţesături se utilizează în scopul majorării rezistenţei elementelor la încovoiere,

tăiere, impact şi explozii, la elemente circulare, rectangulare sau cuburi (datorită flexibilităţii

ridicate). Ţesăturile se aplică manual, folosind fibre lipite pe suprafaţa pregătită a elementului

de consolidat cu ajutorul unor răşini. Ţesăturile se realizează din fibre de carbon, de sticlă, de

aramidă sau din fibre hibride, orientate după o direcţie, după două, sau după mai multe

direcţii.

332


Dacă ţesăturile sunt impregnate cu răşină (într-o maşină de saturare) şi apoi aplicate

umed pe elementul pregătit, procedeul se numeşte cu « ţesături umede ». Procedeul cu

« ţesături uscate » presupune ca instalarea să se facă direct în răşina care a fost uniform

aplicată pe suprafaţa de consolidat.

In fig.1 sunt prezentate cateva scheme de înfăşurare pentru consolidarea prin tăiere.

Cea mai eficientă este înfăşurarea completă, care se foloseşte de obicei la stâlpi. La grinzi

(cand înfăşurarea completă este imposibilă datorită planşeului) se practică înfăşurarea în U,

adică pe trei feţe sau prin lipirea pe două feţe a elementului.

Fig. 1

Consolidări automatizate prin înfăşurarea filamentului

Consolidarea automatizată prin înfăşurarea filamentului este o metodă care se aplică la

consolidarea stâlpilor din beton armat, cu ajutorul unor echipamente automatizate de

înfăşurare a fibrelor, care îmbracă elementul. Echipamentul poate modifica conţinutul de

fibre, unghiul de înfăşurare şi numărul de straturi aplicate. Pentru polimerizarea răşinii,

suprafaţa este supusă unui tratament termic de încălzire. In urma acestui procedeu, suprafaţa

devine un strat rezistent şi puternic, cu o grosime de cinci ori mai mică şi de 12ori mai uşor

decât o cămăşuire cu oţel. Se utilizează preponderent fibrele de carbon.

Consolidări cu armături compozite

Armăturile compozite se utilizează în construcţii atat la armarea betonului, cât şi la

consolidări exterioare, datorită avantajelor pe care le au : rezistenţă mare la coroziune,

rezistenţă mare la întindere, greutate mică (cu 25% mai mică decât a oţelului).

In funcţie de aceste avantaje, domeniile de utilizare sunt : poduri, infrastructura

drumurilor, construcţii maritime (solicitate puternic la coroziune) ; medicină, telecomunicaţii,

încăperi cu aparatură, structuri ale căilor ferate cu pernă magnetică (nemagnetizabilitate) ;

333


cablurile podurilor suspendate, elemente precomprimate (eforturi mari) ; consolidarea

structurilor existente (aplicare simplă).

Etapele unei consolidări presupun tăierea unui şliţ pe suprafaţa elementului de

consolidat, umplerea acestuia cu răşină, aşezarea armăturii în acesta, îndepărtarea surplusului

şi nivelarea.

Consolidarea cu armături compozite se poate aplica la elementele încovoiate, tăiate, la

elemente din beton, lemn, zidărie şi cărămidă.

Consolidarea elementelor încovoiate din beton armat trebuie să respecte conceptul

general al armării exterioare ; se realizează prin lipirea unor platbande din CPAF pe suprafaţa

de beton în zonele în care se doreşte o creştere a capacităţii portante astfel încât să se obţină

un mecanism de cedare convenabil.

Consolidarea unei grinzi din beton armat solicitată la încovoiere cuprinde următoarele

etape 41 :

- alegerea unui compozit cu modul de elasticitate suficient de mare astfel încât să se poată

folosi platbande subţiri cu proprietăţi stabile în timp ;

- pentru a ajunge la un spor de capacitate portantă dorit, se determină grosimea secţiunii

transversale a platbandelor ;

- gradul de consolidare, egal cu raportul dintre momentul capabil al elementului consolidat

şi cel alterior consolidării, trebuie să fie de maxim 2,0 ;

- verificarea posibilităţii de cedare prematură prin mecanisme de desprindere a platbandelor

compozite ;

- prevederea unor mijloace de ancorare pentru eventualele desprinderi premature, ancorare

aplicate la capetele platbandelor ;

- respectare cu stricteţe a tuturor operaţiilor .

In fig.11.2 este prezentată consolidarea grinzilor din beton armat cu platbande compozite.

a) grindă din beton armat

b) platbanda compozită

c) şurub de ancoraj

d) jug metalic de strângere

e) traversă de strângere

f) adeziv

g) cupon compozit

334


Fig.11.2

Consolidarea pentru majorarea capacităţii portante la forfecare este determinată de

următorii factori :

- rigiditatea starificatului compozit ;

- calitatea adezivului sau a răşinii utilizate ;

- rezistenţele mecanice ale betonului ;

- modul de dispunere a materialelor compozite şi orientarea fibrelor.

Experimental, s-a ajuns la concluzia potrivit căreia, mecanismul de cedare se poate realiza

prin rupere la tracţiune a elementului compozit (datorită concentrării tensiunilor) sau

desprinderea compozitului de pe suprafaţa betonului.

In fig.3 sunt prezentate soluţii de consolidare a grinzilor la forţă tăietoare, folosind CPAF :

a) membrana continuă cu fibre normale pe axa grinzii

b) armare cu fâşii verticale

c) armare cu fâşii înclinate

335


d),e), f) armare cu membrane cu fibrele în diverse direcţii

g),h),i),j) – conlucrarea beton-compozit pe secţiunea transversală

Fig. 11.3

1 – beton armat

2 – CPAF

3 – bolţ

Consolidarea stâlpilor din beton armat utilizând CPAF se poate face la partea

superioară, inferioară sau pe toată înălţimea acestora. Aderenţa dintre stâlp şi materialul de

consolidare se face cu o răşină epoxidică. Utilizând CPAF la consolidarea stâlpilor se

suplimentează armătura transversală şi longitudinală, se majorează rigiditatea şi rezistenţa

acestora, fără a necesita costuri mari de transport şi manoperă, iar execuţia se realizează în

timp scurt.

In tabelul 1 sunt prezentate soluţii de consolidare a stâlpilor .

Fretele circulare sau etrierii din oţel determină o stare de tensiuni triaxială care

majorează rezistenţa betonului de aproximativ 1,6 până la 4,0 ori faţă de rezistenţa la

compresiune monoaxială.

336


Tabelul 1Soluţia de consolidare Realizarea consolidării

Confinarea stâlpilor din beton armat

folosind ţesături din fibre de carbon

Consolidarea stâlpilor din beton

armat folosind benzi din CPAF de

carbon sau kevlar (lipite cu adezivi,

la distanţe calculate în prealabil)


folosind membrane din CPAF


folosind fascicule din CPAF

(toroane sau fascicule de carbon sau

kevlar pretensionate)


folosind met.aut.(fibr. de sticlă,

carbon sau kevlar sunt impreg. sau

nu cu răşină epoxidică şi bobinate

sub un anumit unghi în jurul

stâlpului)

Consolidarea pe toată înălţimea

stâlpului cu un număr variabil de

straturi de CPAF

337


Confinarea laterală se realizează cu armături longitudinale (etrieri rectangulari şi

circulari, spirale, agrafe, frete circulare), cu cămăşuiri folosind platbande metalice sudate,

materiale compozite cu matrice polimerice armate cu fibre (fâşii, membrane subţiri, ţesături).

Confinarea laterală are rolul de a majora rezistenţa şi ductilitatea betonului la compresiune,

dar şi de a împiedica flambajul armăturii longitudinale.

Consolidarea structurilor din zidărie este mai eficientă prin utilizarea fâşiilor

compozite înguste, orientate după direcţia tensiunilor normale. In fig.4 sunt prezentate câteva

soluţii de consolidare a zidurilor din cărămidă.

Fig. 4

a), b) fâşii lipite pentru creşterea capacităţii portante la încovoiere şi forfecarec) fâşii (tendoane) nelipite dispuse pe contur pentru confinarea zidăriei

O atenţie sporită trebuie asigurată ancorării armăturii compozite la capete, prin lungimi de

ancorare suficient de mari. Tiranţii din materiale compozite polimerice armate cu fibre se

folosesc la consolidarea monumentelor istorice din zidărie.

Consolidarea elementelor din lemn folosind CPAF este o idee de ultimă oră.

Consolidarea grinzilor de lemn se bazează pe acelaş principiu ca şi la grinzile din beton armat.

Consolidarea stâlpilor presupune o primă evaluare din punct de vedere economic ; este

mai eficient a consolida elementul cu CPAF sau a-l înlocui cu altul tot din lemn.

In cazul secţiunilor rectangulare, înlăturarea regiunilor afectate se face cu un fierăstrău

electric (fig.5a), acestea înlocuindu-se cu o bucată de lemn (fig.5b) sănătoasă din aceeaşi

esenţă sau de esenţă mai tare. Pentru confinare se pot folosi ţesături din fibre de sticlă sau

fibre de carbon preimpregnate cu răşini epoxidice (fig.5c) sau fâşii din CPAFC (fig.5d).

a) stâlp afectat de putrezire

b) decuparea zonei afectate şi înlocuirea acesteia

338


c) confinarea stâlpului cu ţesături din fibre de carbon (I), fibre de sticlă (II) impregnate cu

răşini epoxidice

d) fâşii din CPAFC lipite cu adezivi epoxidici

Fig. 5

339

mat comp

Documents

Transcript of mat comp