ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Σ. Η. ΔΡΙΤΣΟΣ

Transcript

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 1

2 Σύνθετα Υλικά Ορισµός Σ = Α + Β Σ = Ίνες + Ρητίνη Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από ίνες υψηλής εφελκυστικής αντοχής εµποτισµένες µε θερµοσκληρυνόµενη ρητίνη Οι συνήθεις τύποι ινών που χρησιµοποιούνται είναι από γυαλί ή αραµίδιο ήάνθρακα.νέοιτύποιινώνείναιυπόδιερεύνηση (π.χ. βασάλτης). 2

3 Υλικά Ίνες Άνθρακα Ίνες Γυαλιού Ίνες Αραµιδίου Ρητίνες Φίλερ 3

4 Εφαρµογές Ράβδοι ή πλέγµατα ως οπλισµός Τένοντες προέντασης Υφάσµατα ή ελάσµατα για ενίσχυση στοιχείων Ειδικές ολόσωµες κατασκευές 4

5 Γιατίτα τασύνθεταυλικά; Υψηλή εφελκυστική αντοχή Μικρό βάρος Υψηλή αντοχή σε διάβρωση Ουδέτερα σε ηλεκτροµαγνητικά πεδία 5

6 Τυπικές Ιδιότητες Ινών Σύνθετων Υλικών Ίνες Πυκνότητα (kgr/m 3 x 10 3 ) Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Εφελκ.Αντοχή (MPa) Παραµόρφ.Αστοχίας (%) Άνθρακα Υψηλής αντοχής Πολύ υψηλής αντοχής Υψηλού µέτρου ελαστικότητας Πολύ υψηλού µέτρου ελαστικότητας Γυαλιού Τύπου Ε Τύπου S Αραµιδίου Χαµηλού µέτρου ελαστικότητας Υψηλού µέτρου ελαστικότητας Χάλυβας E E V + E FRP f f r = V r f f V + f r V FRP f f r 6

7 Αδυναµίες Σύνθετων Υλικών Παντελής έλλειψη ολκιµότητας Χαµηλή αντίσταση σε µέτριες και υψηλές θερµοκρασίες Θερµοκρασίαµετάπτωσηςυάλου (60 ο C) Ηρητίνηκαίγεται ( ) ο C Ηεφελκυστικήαντοχήτωνυλικώνµειώνεταισηµαντικά, όταν βρίσκονται σε µόνιµη τάση Ανθεκτικότητασεδιάρκεια; Υπεριώδης ακτινοβολία Αυξοµειώσεις της θερµοκρασίας ράση χηµικών 7

8 Ποιοτική Αξιολόγηση Ινοπλισµένων Πολυµερών Χαρακτηριστικό ΙΟΠ-Άνθρακας ΙΟΠ-Αραµιδίου ΙΟΠ-Γυαλιού Ανθεκτικότητα σε διάρκεια πολύ καλή καλή οριακή Αντοχή σε κόπωση πολύ καλή καλή οριακή Ανθεκτικότητα σε αλκαλικό περιβάλλον πολύ καλή καλή ακατάλληλο υλικό Αντοχή σε κρούση µικρή πολύ καλή καλή Αντοχή σε φθορά λόγω τριβής µέτρια πολύ καλή καλή Γαλβανικό φαινόµενο ναι όχι όχι Αντοχή σε υπεριώδεις ακτινοβολίες καλή µικρή καλή Πυκνότητα (kgr/m 3 x10 3 ) ~1.80 ~2.50 ~1.50 Κόστος (συγκριτικά µεταξύ τους) υψηλό µέτριο χαµηλό Αντοχήσευψηλέςθερµοκρασίες ( ) ο C 200 ο C ( ) ο C 8

9 Υλικό Συντελεστής Θερµικής ιαστολής x 10-6 ιαµήκη Εγκάρσια Ίνες-Άνθρακα -0.9 έως έως 18 Ίνες-Αραµιδίου -6.0 έως έως 60 Ίνες-Γυαλιού 5 έως 15 5 έως 15 Ρητίνες 60 έως 140 ΙΟΠ-Άνθρακας -0.9 έως 0 74 έως 104 ΙΟΠ-Αραµιδίου -6.0 έως έως 80 ΙΟΠ-Γυαλιού 6 έως έως 23 Σκυρόδεµα 6 έως 13 Χάλυβας 12x10-6 fib Bulletin 35, (2006) και ACI 440.1R (2002) Τ= + 25 ο C ενεπηρεάζειτηνσυνάφεια ACI 440.2R-02) 9

10 Παραγωγή για Χρήση στις Κατασκευές Χάλυβας εκατοµµύρια τόνοι Χιλιάδες τόνοι Σύνθετα Υλικά ~ 33% Συνολικής Παραγωγής ~ 21% Συνολικής Παραγωγής

11 ΓιατίΤελικά ΤελικάΈχουνΠεριορισµένη Εφαρµογήστη στηπράξη; Υψηλό κόστος Υψηλής Κλάσης αντίπαλος ο χάλυβας Έλλειψη εγκεκριµένων προδιαγραφών & προτύπων (κώδικας για το σχεδιασµό) 11

12 JSCE Committe on CFRM CSCE technical Committee CSCE State-of-the-Art Report ACI 440 (Αµερικανική Επιτροπή) JSCE State-of-the-Art Report JSCE Design Recommendations fib TG 9.3 (Ευρωπαϊκή Επιτροπή) CSCE Design Recommendations (Συγκρότηση Ιαπωνικής Επιτροπής) (Καναδική Επιτροπή) ACI 440 Design Recommendations draft Canadian network ISIS Design Manual, fib Bul.14, ΟΑΣΠΕπιτροπήΚΑΝ.ΕΠΕ. ACI 440 Design Recommendations draft ΚΑΝ.ΕΠΕ. Σχέδιο 2

13 Εφαρµογές µικρό βάρος Pedestrian bridge, Kolding (DK)

14 Εφαρµογές 14

15 Εφαρµογές Αντοχή σε διάβρωση 15

16 Εφαρµογές 16 Αντοχή σε διάβρωση

17 Εφαρµογές Αντοχή σε διάβρωση 17

18 Απαιτήσεις Απουσίας Μαγνητικών Υλικών Magnetic Levitation Railways (Japan) 18

19 19

20 Οπλισµοί NEFMAC (FRP Grid) Nefcom CO., Ltd. C-Bar Reinforcing Rods Marshall Industries Composites Inc. CFRP Rod LEADLINE Mitsubishi Kasei Corporation Τένοντες TECHNORA ROD Teijin Ltd. 20

21 Τα Σύνθετα ως Οπλισµός σε Νέες Κατασκευές IOWA USA 21

22 Τα Σύνθετα ως Οπλισµός σε Νέες Κατασκευές 53 rd AVENUE BRIDGE 22

23 Τα Σύνθετα ως Οπλισµός σε Νέες Κατασκευές 23

24 24

25 Τα Σύνθετα ως Οπλισµός σε Νέες Κατασκευές 25

26 Τα Σύνθετα ως Οπλισµός σε Νέες Κατασκευές Birdie Bridge - Ibaragi Prefecture, Japan 26

27 Γέφυρες µε Οπλισµό από Σύνθετα Worldwide Growth 27

28 Σχεδιασµός µε Οπλισµό από Σύνθετα Υλικά τάση (MPa) 5000 Carbon FRP 4000 Aramid FRP 3000 Glass FRP Χάλυβας S παραµόρφωση (%) *Παρατήρηση: όχι για ανάληψη θλιπτικών δυνάµεων 28

29 Μείωση Αντοχής Μειωτικόςσυντελεστής C Ε γιαδιάφορεςσυνθήκεςπεριβάλλοντος (ACI- 440) Συνθήκες Περιβάλλοντος Εσωτερικοί χώροι Εξωτερικοί χώροι Ιδιαίτερα διαβρωτικό περιβάλλον ΙΟΠ Άνθρακας ΙΟΠ - Αραµίδιο ΙΟΠ - Γυαλί Εσ. οπλισµός ενίσχυση Εσ. οπλισµός ενίσχυση Εσ. οπλισµός ενίσχυση n/s 0.85 n/s 0.70 n/s 0.50 f fk = C Ε f fk Επιρροή µόνιµης σταθερής τάσης (ερπυσµός) Στατικήκόπωση - Creep Rapture Stress (ACI- 440) ΙΟΠ Άνθρακας ΙΟΠ - Αραµίδιο ΙΟΠ - Γυαλί όριοαντοχής 0.55 f fκ 0.3 f fκ 0.20 f fκ προβληµατική η ανάληψη µονίµων φορτίων 29

30 Σχεδιασµός µε Οπλισµό από Σύνθετα Υλικά συντελεστές ασφαλείας γ Rd = 2.0 Για αστοχία οπλισµού στην εφ. ζώνη γ Rd = 1.4 Για αστοχία σκυροδέµατος στην θλιβ. ζώνη µ θ ~ 1.0, q =

31 ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 31

32 ΕΠΙΣΚΕΥΕΣΜΕ ΜΕΣΥΝΘΕΤΑΥΛΙΚΑΥΛΙΚΑ Επικουρικός ρόλος παρουσία υφιστάµενου οπλισµού Προϋπόθεση (ACI R): Ανάληψη φορτίων από την υπάρχουσα κατασκευή: 1.2G Q Υφάσµατα Ελάσµατα Φύλλα Λωρίδες Πλέγµατα Μεγιστοποίηση ταχύτητας εκτέλεσης εργασίας Ελαχιστοποίηση αναστάτωσης Όχι για καµπτική ενίσχυση υποστυλωµάτων 32