Reabilitarea componentelor structurale ale podurilor metalice cu materiale compozite PAF (Polimeri Armati cu Fibre)

X. Liu masterand, Universitatea din Missouri-Rolla P. F. Silva asist. prof. univ., Universitatea din Missouri-Rolla A. Nanni prof. univ., Universitatea din Missouri-Rolla In Statele Unite ale Americii exista mii de poduri metalice aflate in stare avansata de deteriorare din cauza uzurii si expunerii in aer liber pentru multi ani. In anumite cazuri inlocuirea completa a elementului degradat nu este posibila iar metodele traditionale de reabilitare pot fi indelungate si scumpe. In aceste cazuri o solutie alternativa si avantajoasa este folosirea materialelor compozite PAF (in engleza FRP - fiber reinforced polymer), o solutie care poate prelungi viata acestor poduri metalice. In aceasta lucrare este prezentata o metoda de consolidare a elementelor metalice corodate cu polimeri armati cu fibre (PAF). 1. INTRODUCERE Metoda traditionala de reabilitare a elementelor din otel corodate utilizeaza placute metalice care sunt atasate de respectivul element prin bulonare sau sudura. Aceasta metoda are totusi cateva dezavantaje, precum:

1) Lucrarile necesita mult timp si o cantitate de munca substantiala 2) Manopera fina pentru pregatirea, prelucrarea si imbinarea pieselor (sfredelire, sudura) 3) Inchiderea traficului pe pod pentru o perioada nedeterminata de timp 4) Pot aparea fisuri in cordoanele de sudura din cauza solicitarii la oboseala 5) Cresterea in greutate a elementului, care poate accentua deviatiile (sageata) si reduce raportul

rezistenta/greutate

In esenta, metoda de consolidare cu PAF a elementelor metalice corodate utilizeaza laminate (fasii si placi) care sunt lipite direct pe suprafata elementului de otel cu ajutorul rasinilor epoxidice. Metoda are numeroase avantaje:

1) Aplicare usoara si simpla 2) Durata redusa de intrerupere a traficului

3) Solutia este durabila (Nouredine, 1996) 4) Restabilirea in totalitate a rigiditatii si capacitatii portante a elementului fara cresteri

semnificative in greutate (Nouredine, 1996)

Aceste avantaje compenseaza costul initial ridicat al materialelor utilizate pentru consolidarea cu PAF.

2. PREGATIREA EXPERIMENTULUI Scopul principal al acestui program de cercetare este dezvoltarea de metode avantajoase de consolidare a elemente metalice corodate, astfel incat ele sa isi recapete rezistenta initiala la moment incovoietor. Pentru elaborarea acestei lucrari s-au facut incercari pe 4 grinzi metalice. Scopul acestor teste a fost gasirea unei solutii simple/econimice de consolidare cu PAF. Pentru prima serie de teste am ales 4 grinzi W12x14 (profile ”I” cu flansa lata) si fasii laminate S&P CFK 200/2000 obtinute de la firma „Structural Composites Inc.” Tabel 1. Proprietati laminate S&P CFK 200/2000

Sistem metric Sistem International Modul de elasticitate >29MSI >200GPa Rezistenta la tractiune >360ksi >2300N/mmp Latime/grosime 3,94in./0,055in. 100mm/1,4mm Alungire maxima la 0.6-0.8% 37,1/49,5k-lb 168/224x10^3 N

Testele au fost efectuate in Laboratoarele de Cercetare ale Universitatii din Missouri-Rolla (UMR). Incarcarea concentrata a fost aplicata la mijlocul grinzii cu ajutorul unei masini universale de incercat. Lungimea acestor grinzi este 108in.(274.32cm), iar distanta intre reazemele masinii este 96in.(243.74cm) – conf. Figura 1.

� Testul 1 - efectuat pe o grinda neconsolidata intacta pentru a avea un termen de comparatie cu rezultatele consolidate.

� Testul 2 - efectuat pe o grinda neconsolidata avand talpa inferioara/intinsa decupata pe o lungime de 4in.(10.16cm) pentru a simula pierderile severe datorate coroziunii

� Testul 3 - efectuat pe o grinda asemanatoare cu cea din Testul 2, dar care a fost consolidata cu cu fasii de PAFC late de 3.94in.(100mm), lipite pe toata lungimea talpii inferioare a grinzii

� Testul 4 - efectuat pe o grinda asemanatoare cu cea din Testul 2, dar care a fost consolidata cu cu fasii de PAFC late de 3.94in.(100mm), lipite pe ¼ din lungimea talpii inferioare a grinzii

Tabel 2. Matrice pentru teste

Testul nr. Consolidare folosita Talpa decupata Testul 1 - - Testul 2 - c Testul 3 a c Testul 4 b c

a. consolidare cu cu fasii de PAFC late de 3.94in.(100mm) pe toata lungimea talpii inferioare b. consolidare cu cu fasii de PAFC late de 3.94in.(100mm) pe ¼ din lungimea talpii inferioare c. talpa inferioara/intinsa decupata pe o lungime de 4in.(10.16cm) la mijlocul grinzii

In mod uzual, in cazul podurilor, talpa superioara/comprimata a grinzilor este sprijinita sub placa sau de elemente imobilizate pe laterala. Aceasta conditie ne complica configuratia pentru test asa ca a fost dispus un sistem simplificat format din 4 perechi de sprijiniri laterale – conf. Figura 2. Dimensionarea sprijinirilor laterale a fost facuta in asa fel incat sa previna aparitia prematura a flambajului lateral prin torsiune(rasucire).

Figura 1. Configuratia pentru test Figura 2. Configuratia suporturilor laterale

Sprijinirile laterale au fost dispuse in felul urmator: 2 perechi in dreptul reazemelor si 2 perechi la ¼ din deschiderea grinzii (24”) fata de reazeme. Au fost prevazute si nervuri de rigidizare transversale scurte la mijlocul grinzii unde este aplicata incarcarea si in dreptul reazemelor. Dispozitive cu senzori pentru masurarea alungirii (e) numite „tensometre” au fost instalate in 4 sectiuni distincte de pe grinda:

1) pe talpa inferioara a grinzii la mijlocul deschiderii 2) pe talpa inferioara a grinzii la 1.5in.(38.10mm) de mijlocul grinzii 3) pe talpa inferioara a grinzii la 7in.(177.8mm) de mijlocul grinzii 4) pe talpa inferioara a grinzii la 24in.(609.6mm) de mijlocul grinzii

Tensometrele au fost amplasate pe diferite pozitii in aceste 4 sectiuni – conf. Figura 3. Figura 3. Pozitia tensometrelor

Sageala laterala si verticala a grinzii la ¼ si ½ din deschidere a fost masurata folosind transformatorul diferential liniar variabil (LVDT – Linear variable differential transformer) – conf. Figura 4.

Figura 4. Distributia LVDT

3. SCHEMA DE CONSOLIDARE Ideile de consolidare studiate in aceasta lucrare pot fi explicate in felul urmator:

i. Grinda necorodata – lungirea specifica din talpa comprimata este egala cu lungirea specifica din talpa intinsa:

ec=et atat la limita de curgere cat si la limita de plasticitate (1) ii. Grinda cu talpa inferioara corodata - aria sectiunii transversale este redusa si in talpa intinsa

avem o crestere considerabila a alungirii:

e1t=1.69 ec la limita de curgere (2)

e1t=2.11 ec la limita de plasticitate (3)

iii. Grinda necorodata consolidata cu PAF

e2t=0.91 ec la limita de curgere (4)

e2t =0.48 ec la ePAF=0.8% (5)

iv. Grinda cu talpa inferioara corodata consolidata cu PAF

e3t=1.45 ec la limita de curgere (6)

e3t =1.05 ec la ePAF=0.8% (7)

Figura 5. Ideile de consolidare – i, ii , iii, iv

Aceste rezultate ne arata ca datorita pierderilor suferite de sectiuni (corodarea talpii intinse) axa neutra se deplaseaza spre talpa comprimata si ca apar alungiri suplimentare in fasiile de PAF – conf. Figura 5. Observatiile acestea demonstreaza necesitatea decuparii unei bucati din talpa intinsa a grinzii pentru a simula pierderile de sectiune cauzate de coroziune si pentru putea studia in mod corespunzator metoda de consolidare cu PAF.

4. REZULTATE OBTINUTE Am efectuat si o analiza a grinzilor folosind metoda elementului finit. Programul de calcul folosit pentru aceasta analiza: „COSMOS/M” produs de firma „Structural Research and Analysis Corporation” (SRAC, 1994). In acest stadiu al lucrarilor de cercetare am efectuat analiza MEF a grinzilor de proba 1 si 2. In Figura 6. puteti vedea diagrama efort-sageata la mijlocul deschiderii grinzii (inclusiv rezultatele analizei MEF). In Figura 7-9. puteti vedea diagramele efor-sageata la ½ si ¼ din deschiderea grinzii precum si diagrama efort-sageata laterala. Figura 6. Diagrama efort-sageata Figura 7. Diagrama efort-sageata la ½ din deschiderea grinzii la ½ din deschiderea grinzii

Modurile de cedare al grinzilor au fost urmatoarele:

� Testul 1 – flambaj lateral prin rasucire/torsiune � Testul 2 – flambaj lateral prin rasucire/torsiune � Testul 3 – dezlipirea fasiile de PAF � Testul 4 – dezlipirea fasiile de PAF

Grinzile folosite in Testele 3 si 4 au continuat sa fie incarcate, dupa dezlipirea fasiilor de PAF, pana la cedare pentru a putea compara rezultatele cu grinda din Testul 2 (corodata dar neconsolidata). Grinzile 3 si 4 au avut o rigiditate sporita fata de grinda 2 – conf. Figura 7. Figura 8. Diagrama efort-sageata Figura 9. Diagrama efort-sageata laterala la ¼ din deschiderea grinzii

In cazul grinzii consolidate cu PAF pe toata lungimea ei, dezlipirea a inceput la mijloc (in dreptul decupajului) si a inaintat spre margini pe masura ce incarcarea a crescut. Cauza acestui fenomen a fost concentrarea de eforturi unitare tangentiale in dreptul decupajului. In cazul grinzii consolidate partial cu PAF pe 14in. (355.6mm), intreaga fasie s-a dezlipit brusc. Puteti vedea in Figura 10-12. felul in care au cedat grinzile de proba. Incarcarea maxima la care a rezistat grinda 3 inainte de cedare a fost 37.2kips(165.5kN) iar grinda 4 a cedat la 33.6kips(149.5kN). Rezultatele arata ca grinda consolidata pe toata lungimea a rezistat la o incarcare mai mare decat grinda consolidata partial deoarece fasia de PAF s-a dezlipit treptat. Rezultatele teoretice si experimentale sunt prezentate in Tabelul 3. Tabel 3. Rezultate teoretice si experimentale

Grinda Rezultate teoretice Rezultate experimentale Incarcare cand L/D=360 [nr.] [kips] [kN] [kips] [kN] [kips] [kN]

1 43,5 193,5 22,1 98,3 22,1 98,3 2 30,5 135,7 23,9 106,3 23,9 106,3 3 N/A N/A 37,2 165,3 25,7 114,3 4 N/A N/A 33,6 149,5 30,6 136,0

L = deschiderea grinzii intre reazeme D = sageata la mijlocul grinzii Figura 10. Vedere laterala a grinzii cedate Figura 11. Detaliu grinda cedata

Figura 12. Dezlipirea fasiei de PAF

In Figura 13. si Figura 14. Se poate observa progresul procesului de dezlipire al fasiilor de PAF pe masura ce incarcarea aplicata grinzii creste.

Figura 13. Alungirea talpii inferioare Figura 14. Alungirea talpii inferioare Grinda 3 Grinda 4

5. CONCLUZII Rezultatele experimentale obtinute in cadrul acestui program de cercetare indica o crestere substantiala a rigidititatii si a capacitatii portante a grinzilor corodate care au fost consolidate cu PAFC(polimeri armati cu fibra de carbon) pe talpa intinsa. In plus experimentele au demonstrat ca decuparea unei bucati din talpa intinsa pentru a simula pierderile de arie ale sectiunii corodate este o solutie viabila pentru studierea elementelor corodate, reabilitate cu PAF. Modul principal de cedare al grinzilor consolidate a fost dezlipirea fasiilor de PAF, fapt datorat acumularii de tensiuni unitare tangentiale in zona decupata de talpa. Pentru a evita acest fenomen neplacut, in testele viitoare vom folosi o alta metoda de consolidare. In urmatoarele teste vom folosi placi de PAFS (polimeri armati cu fibra de sticla) prinse perpendicular pe fasii longitudinale PAF, pe care apoi le vom infasura in jurul talpii intinse si a inimii grinzii. Placile de PAFS se vor aplica in zona adiacenta decupajului si de-a-lungul grinzii pentru a preveni dezlipirea fasiilor longitudinale de PAF. Cercetarile viitoare vor fi axate pe:

1) Consolidarea elementelor metalice corodate in solutie mixta PAF(fasii PAFC combinate cu placi PAFS). Placile PAFS vor fi introduse intre fasiile PAFC si talpa de otel, pentru a preveni coroziunea electrochimica cauzata de contactul direct dintre cele doua materiale.

2) Utilizarea unor metode diferite de pregatire a suprafetei metalice pentru lipirea fasiilor PAF astfel incat, dupa lipire, sa rezulte o legatura mai puternica intre cele doua materiale.

3) Invelirea cu placi PAFS pentru a imbunatati conlucrarea materialelor

6. BIBLIOGRAFIE

Nouredine, Ammar “Rehabilitation of Steel Bridge Girders with Graphite Pultrusion” - 1996 Lucrare dizertatie, Catedra de Inginerie Civila, Universitatea din Delaware, 115 p. Structural Research and Analysis Corporation“COSMOS/M: Finite Element Analysis System – User Guide” – 1994, California. Salmon, Charles G. si Johnson, John E. “Steel Structures: Design and Behavior” – 1995, New York, HarperCollins College Publishers Inc.

7. MULTUMIRI Aceasta lucrare de cercetare a fost sponsorizata de Administratia Feroviara Federala (Federal Railway Administrationand) si Centrul Universitar de Transport (University Transportation Center). Le suntem recunoscatori pentru ajutorul financiar oferit. Orice opinii, descoperiri, concluzii si recomandari prezentate in aceasta lucrare apartin autorilor si nu reflecta in nici un fel parerile Administratiei Feroviare Federale. Titlul lucrarii in varianta originala: „Rehabilitation of Steel Bridge Members with FRP Composite Materials” Traducator: Orza-Suciu Mihnea-Alexandru Masterand, Patologia si Reabiliarea Constructiilor, Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca