Pojačanje opečnih zidanih zidova i stupova FRP trakama

Transcript

1 HRVATSKA KOMORA INŽENJERA GRAĐEVINARSTVA Dani ovlaštenih inženjera građevinarstva Opatija, Pojačanje opečnih zidanih zidova i stupova FRP trakama Josip Galić, Tomislav Kišiček i Branko Galić, Arhitektonski akultet Sveučilišta u Zagrebu,, Građevinski akultet Sveučilišta u Zagrebu,, Radionica statike d.o.o., Zagreb Ime i prezime predavača 1

2 UVOD Danas su inženjeri sve češće suočeni s rekonstrukcijama, dogradnjamaipojačanjimapostojećih građevina. Zidani zidovi predstavljaju najčešće korišteni tip konstrukcijskih elemenata tako da veliki dio postojećih građevina su zidane zgrade. 2

3 UVOD Zidane zgrade čine značajan dio stambenih građevina u Hrvatskoj i usvijetu u Sloveniji je 30% stambenih zgrada od nearmiranih zidanih konstrukcija izrađenih u periodu od g. Razlozi za rekonstrukcijama i pojačanjima zidanih zgrada su: Akumulacija negativnih utjecaja tijekom vijeka građevine uslijed: neadekvatnih konstrukcijskih rješenja slijeganja temelja velika opterećenja (uporabno, vjetar i dr.) Nedovoljna seizmička otpornost postojećih zidanih zgrada. Prenamjena unkcija starih zgrada (stambene zone u gradovima se pretvaraju u trgovačke i poslovne centre). 3

4 UVOD Zgrada u Zürichu Prilikom adaptacije zbog prenamjene uklonjeni mnogi nosivi zidovi Dvorac Eltz u Vukovaru zbog prenamjene uklonjeni nosivi zidovi 4

5 UVOD O slaboj seizmičkoj otpornosti najbolje govore podaci iz posljednjih nekoliko potresa (Italija, Haiti, Turska, SAD i dr.) 5

6 UVOD U mnogim slučajevima bi bilo ekonomski isplativije srušiti postojeću zidanu građevinu i zamjeniti je novom, ali urbanistički planovi, kulturna baština i razni povijesni razlozi to ne dopuštaju. U SAD u se na rekonstrukcije postojećih građevina troši više od 25% sredstava ua nove građevine. Procjenjeno je da u Kaliorniji 96% postojećih zidanih zgrada od nearmiranog ziđa treba sanirati i pojačati za što je potrebno preko 4 milijarde dolara samo na nužna pojačanja. Danas u Hrvatskoj imamo situaciju da u svakoj rekonstrukciji i adaptaciji starih zidanih zgrada trebamo pojačavati zidane elemente zidane zidove i zidane stupove. 6

7 TRADICIONALNI NAČINI POJAČANJA ZIĐA Danas u praksi postoji čitav niz sanacija i pojačanja ziđa kao npr.: 1. POPRAVAK PUKOTINA 2. ZAMJENA MORTA 3. INJEKTIRANJE ZIDOVA (posebno šupljih) 4. POJAČAVANJE UGLOVA ZGRADE 5. POVEZIVANJE ZIDOVA I POVEĆANJE NOSIVOSTI PREDNAPINJANJEM S ČELIČNIM ŠIPKAMA 6. POJAČANJE KONSTRUKCIJA USJECANJEM VERTIKALNIH SERKLAŽA ILI IZVEDBOM OBODNIH ČELIČNIH ILI ARMIRANOBETONSKIH OKVIRA 7. POJAČANJE ZIDOVA I STUPOVA ARMIRANOBETONSKOM ŽBUKOM (torkretiranje) ILI ARMIRANOBETONSKOM OBLOGOM 7

8 TRADICIONALNI NAČINI POJAČANJA ZIĐA Slike pojedinih načina pojačanja POVEZIVANJE ŠIPKAMA 8

9 TRADICIONALNI NAČINI POJAČANJA ZIĐA POJAČANJE UGLOVA USJECANJE VERTIKALNIH SERKLAŽA 9

10 TRADICIONALNI NAČINI POJAČANJA ZIĐA Najčešće primjenjivani način pojačanja u pogledu povećanja seizmičke otpornosti i otpornosti na vertikalno opterećenje je pojačanje izvedbom AB obloge ili armirane žbuke. 10

11 TRADICIONALNI NAČINI POJAČANJA ZIĐA AB obloga ili armirana žbuka daju povećanje nosivosti ali njihova primjena ima dosta nedostataka ako što su: Povećanje težine konstrukcije (često je nužnopojačanje temelja), Povećanje seizmičkihsilazbog težine betonske obloge, Promjene ponašanja konstrukcije pri seizmičkom opterećenju (zidovi pojačani AB oblogom su znatno krući odnepojačanih pa je preraspodjelu seizmičke sile teško odrediti), Dodatna debljina pojačanog zida smanjuje korisni prostor, Brzina izvedbe (potreban dulji period za izvedbu), Buka koja je prisutna kod izvedbe, Nužnost prekida unkcionalnosti zgrade i iseljavanje stanara za vrijeme izvođenja radova (često problem i susjednih ulaza u zgrade) 11

12 TRADICIONALNI NAČINI POJAČANJA ZIĐA Uz sve nedostatke bilo je primjera da prikazana pojačanja nisu dala očekivanu kvalitetu i povećanje nosivosti. To su razlozi za istraživanje i primjenu novih sistema pojačanja nearmiranog ziđa, koji neće narušavati strukturu nosivosti zgrade, biti će ekonomski prihvatljiv, jednostavan za izvedbu i koji neće narušavati estetske zahtijeve zgrade. Najveći broj istraživanja zadnjih 10 tak godina vezano je za analizu učinkovitosti i primjene proizvoda od polimera armiranog vlaknima FRP (Fiber Reinorced Polymer) kod pojačavanja nosivosti zidanih zidova i zidanih stupova. 12

13 Polimeri armirani vlaknima - FRP FRP se proizvodi iz staklenih (G), aramidnih (A) i ugljičnih (C) vlakana visoke čvrstoće povezanih epoksidnom smolom, poliesterom ili vinilesterom (tip vlakana GFRP, AFRP i CFRP). Dvije su osnovne komponente FRP proizvoda: polimerna matrica i armaturna vlakna. Matrice se izrađuju iz različitih polimernih smola, čiji izbor ovisi i od izbora vlakana. Polimerna matrica povezuje vlakna u kompozit i osigurava odgovarajući položaj i smjer vlakana, osigurava zaštitu vlakana od vanjskih utjecaja. Čvrstoću i deormabilnost kompozita određuje volumni udio vlakana i polimerne matrice, te kvaliteta veze matrice sa vlaknima. 13

14 Polimeri armirani vlaknima - FRP Kod polimernih kompozita treba razlikovati dvije vrste proizvoda: 1) Predgotovljeni FRP elementi u obliku šipki,kabela i lamela. 2) Suha jednosmjerno ili dvosmjerno orijentirana vlakna međusobno ispletena. Prva primjena u građevinarstvu je pojačanje AB elemenata s lamelama i tkaninom najčešće je radilo o ugljičnim lamelama 14

15 Polimeri armirani vlaknima - FRP Puna primjena kod pojačanja AB konstrukcija nije postignuta zbog slijedećih razloga: 1. Linearno elastično ponašanje FRP a duktilnost presjeka manja u odnosu na armiranje čelikom (potrebno ovijanje). 2. Za ispunjavanje GSU nužna je primjena FRP a s većim modulom elastičnosti CFRP (skuplji od GFRP a). 3. Toplinski koeicijent rastezanja FRP a je manji nego betona i čelika nije osigurana kompatibilnost pri promjeni temperat. 4. Slaba otpornost na požarna djelovanja (nužna žbuka). Kod zidanih konstrukcija nedostaci FRP a nisu presudni: Ispitivanjima je pokazano da je slom uglavnom preko ziđa. Modul elastičnosti ne mora biti velik pa se mogu koristiti i jetiniji proizvodi GFRP. Ima prirodnu zaštitu žbukom. Uglavnom je opterećen samo u izvanrednim situacijama 15

16 Polimeri armirani vlaknima - FRP Očekuje se da će FRP proizvodi najveću primjenu u građevinarstvu imati u pojačanju zidanih konstrukcija. Kao najbolje rješenje je primjena tkanina od staklenih vlakana: Tkanina od staklenih vlakana je bitno jetiniji proizvod u odnosu na druge FRP proizvode; Izvedba je dosta jednostavna i brza jer se radi o površinskom ljepljenju izrazito lagane tkanine; Nisu potrebne specijalizirani izvođači može izvesti svaki izvođač; Ne zauzima prostor. Korisna površina građevine se ne mijenja; Ne dolazi do povećanja težine građevine s temeljima nema problema; Primjena rezultira povećanjem nosivosti i duktilnosti zidova. 16

17 Primjer ljepljenja na zidove Postava pojačanja 17

18 Postava pojačanja i dosadašnja primjena Primjer ljepljenja na stupove U Hrvatskoj je prisutna primjena FRP proizvoda kod sanacija starih građevina i to uglavnom ugljičnih lamela i užadi, rijeđe tkanina. Lamele i užad su zamjenjivali čelične zatege ili su postavljane u zonama vlačnih naprezanja primjena inženjerskom logikom. Tkanina je do sada samo korištena kod sidrenja i prekrivanje pukotina. 18

19 Pojačanje mosta od Pila CFRP lamelama Dosadašnja primjena Primjeri sanacija u Dubrovniku 19

20 Slika se trenutno ne može prikazati. Pojačanje svodova Dosadašnja primjena Primjer ispitivanja nosivosti pojačanog svoda u Italiji 20

21 Pojačanje zidanih stupova i zidova Uz pojačanje opečnih svodova i lukova te zamjenom čeličnih zatega s FRP lamelama i užadima najbolju primjenu trake i tkanine od staklenih vlakana imaju kod pojačanja međuprozorkih zidova starih zgrada i zidanih stupova. 21

22 Pojačanje zidanih stupova i zidova To su elementi koje redovito treba pojačati. Posebno je važno povećanje seizmičke otpornosti zidova. Takvih zidova i stupova koje je potrebno pojačati ima jako puno u praksi pa je cijena sanacije bitna. Problem pojačanja dolazi do izražaja jer ta pojačanja moraju biti učinkovita, ali i što jetinija uglavnom su privatni investitori 22

23 Pojačanje zidanih stupova i zidova O učinkovitosti pojačanja s trakama iz staklenih vlakana u svjetu i u Hrvatskoj su napravljena brojna isptivanja. National Research Council (CNR) o Italy je 2004 g. izdao smjernice za proračun pojačanja postojećih konstrukcija FRP om u Italiji. Na izradi tog dokumenta su sudjelovali gotovo svi proesori i istraživači uključeni u istraživanje FRP a kao i tvrtke koje se bave proizvodnjom i razvojem FRP proizvoda. U Dokumentu su dani standardi i zahtjevi za proizvodnju, proračun i primjenu (izvedbu) FRP pojačanja betonskih i zidanih konstrukcija. S obzirom na sličan zemljopisni položaj (kameni i opečni zidni elementi) i materijale za pojačanje koje koristimo preporuka je isti koristiti u primjeni pojačanja u Hrvatskoj. 23

24 Učinkovitost pojačanja zidanih stupova Često zbog povećanog opterećenja ili uklanjanja dijelova konstrukcije postojeći zidani stupovi u rekonstrukciji imaju povećano vertikalno opterećenje koje prekoračuje nosivost. Najčešće i najjednostavnije je bilo obući zidani zid u AB stup. Puno jednostavnije rješenje je ovijanje tkaninom (trakama) iz staklenih vlakana. 24

25 Učinkovitost pojačanja zidanih stupova Ovoj trakama iz staklenih vlakana sprječava bočno širenje ziđa pri tlačnom opterećenju i osigurava troosno stanje naprezanja. Ziđe se nalazi u troosnom tlačnom naprezanju što povećava tlačnu čvrstoću ziđa, a time i stupa. 25

26 Učinkovitost pojačanja zidanih stupova Rezultat tog utjecaja je povećana nosivost pojačanog stupa i povećana duktilnost. Slijedi prikaz usporedbe nosivosti nepojačanog i pojačanog stupa. Tlačno naprezanje σ (MPa) Usporedni "σ ε" dijagram A B C D Vertikalna relativna deormacija ε M ( ) 26

27 Učinkovitost pojačanja zidanih stupova Usporedba povećanja nosivosti (Mapewrap G UNI AX Mapei) Srednja vrijednost tlačne čvrstoće Mc (N/mm 2 ) Dijagram: Mc broj traka ovijanja n broj ovijanja Normalno ovijanje Spiralno ovijanje Spiralno ovijanje s hodom Srednja vrijednost granične rel. deormacije εmuc ( ) Dijagram: ε Muc broj traka ovijanja Normalno ovijanje Spiralno ovijanje Spiralno ovijanje s hodom n broj ovijanja 27

28 Učinkovitost pojačanja zidanih stupova Izgled zidanih stupova pri slomu Potpuno pojačani stup Nepojačani stup 28

29 Učinkovitost pojačanje zidanih stupova Izrazi za procjenu povećanja nosivosti: Nosivost ovijenog stupa: Povećana tlačna čvrstoća: N A Rcd Mcd Mcd Md k / / l Koeicijent učinkovitosti: k / g m /1000 ovisi o gustoći morta Koeicijent učinkovitosti: Mcd Md k / / l Eektivni bočni pritisak: / l k e l k H k v l Bočni pritisak pri slomu: l, xe ;,ye d, rid 0,5 min Postotak pojačanja:,x 4t b h s,x 4t b b s 29

30 Učinkovitost pojačanja zidanih stupova Proračunska granična deormacija FRP a: η a k = aktor sigurnosti vezan za okoliš d, rid η = grančna karakteristična vrijednost relativne deormacije FRP a (=0,04); = aktor sigurnosti za materijal (=1,25) a k Horizontalna učinkovitost (ovisi o geometriji presjeka): k H 1 b h 3A / 2 M / 2 30

31 Učinkovitost pojačanje zidanih stupova Vertikalna učinkovitost (ovisi da li je ovoj potpun ili djelomičan): k V - s 1 2minb, h / 2 Povećanje nosivosti ovijenog stupa u analizama ne bi trebalo uzeti da je veće od 1,5 nosivosti nepojačanog stupa. Dosta je pogodno i za lokalno ovijanje zbog povećanja duktilnosti presjeka. 31

32 Učinkovitost pojačanja zidanih zidova Kod pojačanja zidanih zidova uobičajeni načini su postavljanje traka od staklenih vlakana horizontalno i/ili dijagonalno. Postavljanje rubnih traka koje preuzimaju savijanje (preuzimaju vlačna naprezanja nakon nastanka pukotine) 32

33 Učinkovitost pojačanja zidanih zidova Postavljanje horizontalnih traka koje preuzimaju poprečnu silu (sprečavaju slom nakon nastanka dijagonalnih pukotina) 33

34 Učinkovitost pojačanja zidanih zidova Postavljanje horizontalnih traka koje preuzimaju poprečnu silu (sprečavaju slom nakon nastanka dijagonalnih pukotina) Bilo je primjera postavljanja tkanine preko cijelog zida. Pokazalo se učinkovit u pogledu povećanja nosivosti i duktilnosti ali je zbog velikog utroška materijala neracionalno. 34

35 Učinkovitost pojačanja zidanih zidova U svijetu i Hrvatskoj su provedena brojna ispitivanja zidanih zidova pojačanih FRP proizvodima. Rezultat ispitivanja je povećanje duktilnosti i posmične i savojne nosivosti zida (Triantaillou, ElGawady, Lestuzzi, Nanni i dr.). 35

36 Učinkovitost pojačanja zidanih zidova Rezultati ispitivanja (Mapewrap G UNI AX Mapei) Dijagrami H d Nosivost zidova na horizontalno opterećenje 180,0 160,0 140,0 Horizontalna sila - H (kn) 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 Maksimalni rel. horizontalni pomak rubova zida 20,0 0,0 0,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 24,0 Relativni pomak - d (mm) BZ2 BZ1 CZ1 CZ2 AZ1 AZ3 36

37 Učinkovitost pojačanja zidanih zidova Usporedba krutosti nema promijene NUMERIČKA ANALIZA Numerička analiza provedena u programu MASA 3 je potvrdila ispitivanja Horizontalna sila - H - (kn) Neojacani zid Horiz. ojačani zid 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Horizontalni pomak - d - (mm) Horizontalna sila - H - (kn) E = Mpa (slabije ojačan) E = Mpa (osnovni model) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Horizontalni pomak - d - (mm) 37

38 Učinkovitost pojačanja zidanih zidova Nepojačani zid Pojačani zid Horizontalne trake (ε 11 ) (ε 11 ) (σ 11 ) σ = 103,8 MPa - 13% vlačne čvrstoće FRP ojačanja. (σ 33 ) (σ 33 ) 38

39 Učinkovitost pojačanja zidanih zidova Ponašanje zida je slično armiranom ziđu što omogućuje sličan proračun. Faktora ponašanja se povećava q = 1,5 2,5 što rezulra smanjenjem seizmičke sile na 60% seizmičke sile za nepojačani zid. Uz minimalnu postotak pojačanja postiže se povećanje nosivosti 40 50%. Postiže se eektivno proračunsko povećanje nosivosti od 2,5 puta. Moguće je pojedinačno povećanje nosivosti zidova koji ne prolaze kao nepojačani budući da pojačanjem zida se ne mijenja krutost zida i ne dolazi do preraspodjele seizmičke sile na postojeće zidove. Uz povećanje nosivosti na posmične sile i savijanje u ravnini bitno se povećava nosivost na savijanje okomito na ravninu. 39

40 Učinkovitost pojačanja zidanih zidova Izrazi za procjenu povećanja nosivosti: V Rd V M,Rd V Rd2 vk td M V Rd2 0,3 k M td V Rd2 0,7 E lt e V Rd 0,8 vk0 Sd vk,max 0,7 e 0, 25 min 0,4 ; h k lt M k klt k M Mu M N Eektivna relativna deormacija ojačanja pri slomu zida e e 0,0119 0,0205( E 0, ,00065( E h h ) 0,0104( E ) za h h E ) 2 za 0 E 1,0 GPa h 1,0 GPa Prema provedenim analizama model rešetke (tlačno vlačne dijagonale) nije realan i ne preporučuje se njegova primjena. 40

41 Primjer primjene Učinkovitost pojačanja zidanih zidova 41

42 Cijena koštanja STAVKA POSTUPAK POTROŠNJA Ljepljenje tkanine Nanošenje epoksidnog temeljnog premaza MAPEWRAP PRIMER 1 ili jednakovrijednog Nanošenje epoksidnog međupremaza MAPEWRAP 11 ili jednakovrijednog Nanošenje sloja epoksidne impregnacije MAPEWRAP 31 ili jednakovrijednog Utiskivanje tkanine od staklenih vlakana MAPEWRAP G UNI AX 300/30 ili jednakovrijedne Nanošenje sloja epoksidne impregnacije MAPEWRAP 31 ili jednakovrijednog Posipavanje kvarcnog pijeska Mapei Quartz 0,5 ili jednakovijednog PREPORUČENA CIJENA MATERIALA (bez PDV a) 0,3 kg/m² 12,5 Kn/m 2,0 kg/m² 45,0 Kn/m 0,15 kg/m 22,0 Kn/m 35,0 Kn/m 0,15 kg/m² 22,0 Kn/m 2,0 kg/m² 2,3 Kn/m UKUPNO : 138,8 Kn/m 42

43 Novi materijali za pojačanje Uporaba mreža od ugljičnih ili staklenih vlakana kao što je MAPEGRID 220 od tvrtke Mapei. Prednost je nešto manja cijena, a postavlja se slično mrežici kod demit asada. Učinkovitost je nešto manja ali još uvijek osigurava značajno povećanje nosivosti. 43

44 Primjer primjene - (Mapei) Novi materijali za pojačanje Plača Bonsignore, Trapani, Italija Zgrada kardinala Maei, Pisa, Italija 44

45 Primjer primjene - (Mapei) Novi materijali za pojačanje Zgrada Bertuccelli, Lucca, Italija Kuća na Jarunu u Zagrebu 45

46 Cijena koštanja STAVKA POSTUPAK POTROŠNJA PREPORUČENA CIJENA MATERIJALA (bez PDV a) po m za 45cm širine Priprema podloge Poravnavanje podloge Ugradnja mreže od staklenih vlakana Podloga mora biti čista, suha i mehanički čvrsta. Nanošenje bescementnog morta sa pucolanskim djelovanjem PLANITOP HDM RESTAURO tlačne čvrstoće 15 MPa, prionjivosti na podlogu >0,8MPa i modula elastičnosti 8000 MPa, u debljini oko 5mm. Nanošenje prvog sloja morta sa pucolanskim djelovanjem PLANITOP HDM RESTAURO u debljini 4mm Utiskivanje mreže od staklenih vlakana MAPEGRID G 120 (širine 45cm), vlačne čvrstoće 25 kn/m i izduženja pri slomu < 3%. Nanošenje prvog sloja morta sa pucolanskim djelovanjem PLANITOP HDM RESTAURO u debljini 3mm 9,5 kg/m² 28,2 Kn/m 7,6 kg/m² 22,5 Kn/m 55,5 Kn/m 5,7 kg/m² 17 Kn/m UKUPNO: 123,2 kn/m 46

47 Hvala 47