SANACIJE, REKONSTRUKCIJE I BETONSKIH KONSTRUKCIJA U VISOKOGRADNJI

Transcript

1 GRAĐEVINSKI FAKULTET UNIVERZITETA U BEOGRADU Odsek za konstrukcije Katedra za materijale i konstrukcije (MIK) Master studije (28+28) I semester (2+2) Prof. dr Dušan Najdanović SANACIJE, REKONSTRUKCIJE I ODRŽAVANJE BETONSKIH KONSTRUKCIJA U VISOKOGRADNJI Ojačanja anja AB konstrukcija primenom FRP vlakana 1

2 Ojačanje anje primenom vešta tačkih vlakana FRP (Fibre Reinforced Polymer) FRP materijal sadrži i veliki broj finih vlakana, izraženih mehaničkih karakteristika, unutar matrice od epoksi smole. U zavisnosti od vrste vlakana, postoje: AFRP (aramidna), CFRP (karbonska)) ili GFRP (staklena). Osnovne mehaničke karakteristike određuju se u zavisnosti od karakteristika sastojaka - vlakana (vl) i matrice (m) i njihovih zapreminskih zastupljenosti (V): E f = E vl V vl + E m V m f f = f vl V vl + f m V m gde je: E moduo elastičnosti, f - čvrstoća a na zatezanje. 2

3 Ojačanje anje primenom vešta tačkih vlakana - FRP Dijagram napon-dilatacija pri zatezanju za razne vrste vlakana CFRP AFRP GFRP ε 3

4 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer) KARBONSKE TRAKE se izrađuju od vlakana Proizvode se kao: prečnika 0.01 do 0.10 mm TRAKE-LAMINATI u kojima su vlakna međusobno slepljena odgovarajućim epoksidnim vezivom - matricom TRAKE-TKANINE TKANINE dobijene tkanjem "konaca" formiranih od karbonskih vlakana 4

5 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Trake-laminati mogu da prihvate samo opterećenja enja (sile) u podužnom pravcu - u pravcu svog pružanja Trake-tkanine mogu da budu nosive u više e pravaca u zavisnosti od načina tkanja vlakana : Monoaksijalne trake - tkanine - trake koje imaju vlakna" samo u jednom pravcu, Biaksijalne trake imaju vlakna" (tkanje) u dva međusobno upravna pravca, Trake sa dijagonalnim tkanjem, gde vlakna" sa osom trake zaklapaju uglove od

6 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Dijagonalno Monoaksijalno Monoaksijalno Biaksijalno Primer postupka ojačanja anja primenom monoaksijalnih, biaksijalnih i dijagonalnih karbonskih traka-tkanina tkanina 6

7 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Kriterijum Čelične lamele Karbonske trake Sopstvena težina Visoka Mala Čvrstoća a pri zatezanju Visoka Vrlo visoka Debljina Mala Vrlo mala Mogućnost korozije Postoji Ne postoji Dužina Ograničena Neograničena ena Obrada, ponašanje anje Složena, kruto Laka, fleksibilno Pravac nošenja U svim pravcima Samo u određenim pravcima Mogućnost previjanja Komplikovano Lako Otpornost prema zamoru Značajna ajna Dovoljna Cena Niska Visoka Cena ugrađivanja Visoka Niska Specifična oprema pri primeni Sredstva za pridržavanje Nije potrebna 7

8 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Karbonske trake se proizvode u praktično neograničenim enim dužinama TRAKE - LAMINATI imaju debljine do oko 2 mm i širine do 200 mm TRAKE - TKANINE imaju efektivne (neto) debljine do nekoliko desetih delova milimetra, dok su im širine najčešće e mm 8

9 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Osnovne tehničke karakteristike traka-laminata (SIKA - Švajcarska) Karakteristika Sika CarboDur S Oznaka trake Sika CarboDur M Sika CarboDur H Debljina (mm) 1.2 i Širina (mm) Modul elastičnosti (MPa) Čvrstoća a pri zatezanju (MPa) Granična na deformacija pri lomu - kidanju (%) > 1.7 > 1,2 >

10 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Dijagrami napon dilatacija različitih itih laminata: H, M, S 10

11 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Osnovne tehničke karakteristike traka - tkanina (SINIT - Italija) Karakteristika Oznaka trake S&P Sheet 240 Tip trake Monoaksijalna Monoaksijalna Masa (g/m 2 ) Modul elastičnosti (MPa) Čvrstoća a pri zatezanju (MPa) Granična na deformacija pri lomu - kidanju (%) Specifična masa (gustina) vlakana (g/cm 3 ) Efektivna (neto) debljina (mm) Širina (mm)

12 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Uzorak trake-laminata pre i nakon ispitivanja na zatezanje 12

13 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP LEPLJENJE karbonskih traka za konstrukcijske elemente od betona izvodi se primenom odgovarajućih EPOKSIDNIH LEPKOVA Ti lepkovi predstavljaju proizvode koje zajedno sa trakama isporučuje uje proizvođač određenih traka To podrazumeva da se uvek mora koristiti lepak kompatibilan sa određenom trakom,, a što se uvek definiše e i uslovljava od strane proizvođača trake 13

14 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Ojačanje greda lamelama i izvođenje 14

15 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP greda zid stub otvor Zid od opeke tavanica pod Primer mogućnosti ojačanja različitih elemenata armiranobetonske konstrukcije 15

16 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Ojačanje greda u polju i kod oslonaca 16

17 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Lepljenje traka - tkanina za prijem kosih glavnih napona zatezanja 17

18 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Lamele L oblika za prijem kosih glavnih napona zatezanja: zone ankerovanja i prevoja 18

19 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Nosač T preseka sa podužnim i poprečnim ojačanjima anjima u vidu zalepljenih traka - laminata L oblika 19

20 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Lepljenje tkanina za prijem kosih glavnih napona zatezanja 20

21 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Ojačanje ploče lepljenjem traka sa donje strane 21

22 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Izvođenje ojačanja armiranobetonske ploče primenom traka - laminata 22

23 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Ojačanje ploče lepljenjem traka iznad oslonca sa gornje strane ploče 23

24 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Lepljenje traka za površine betonskih elemenata podrazumeva prethodnu pripremu tih površina: one moraju da budu ravne ili blago talasaste - orapavljene peskarenjem ili brušenjem Površinska vlažnost betona pri lepljenju karbonskih traka može e da iznosi najviše 4% Radovi na lepljenju smeju se izvoditi samo na temperaturama > 10 0 C 24

25 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Pri primeni karbonskih traka postoji i uslov da se one mogu lepiti samo za betonske elemente dovoljno visokih mehaničkih karakteristika To znači i da se apliciranje traka može e izvoditi samo na betonskim podlogama koje će obezbediti zadovoljavajući i stepen athezije (prianjanja) između betona i lepka u toku eksploatacije posle ojačanja anja 25

26 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Ispitivanje athezije beton-lepak metodom "otkidanja" zalepljenog "pečata" 26

27 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Uslovi u pogledu podobnosti betona za lepljenje karbonskih traka: f at > 1.5 MPa kada se primenjuju trake - laminati f at > 1.0 MPa kada se primenjuju tkanine 27

28 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Osnove proračuna Dimenzionisanje se zasniva na konceptu sigurnosti u odnosu na granična na stanja Dimenzionisanje prema graničnim nim stanjima (LS) podrazumeva sledeće e kontrole: 1. graničnog nog stanja upotrebljivosti (SLS), 2. graničnog nog stanja nosivosti (ULS), 3. neočekivanih ekivanih (slu( slučajnih) ) situacija - udar, požar, vandalizam 28

29 Granično no stanje upotrebljivosti-sls Osnove proračuna proračun se sprovodi linearno - elastičnom analizom Za stanje eksploatacije (posle izvršene sanacije) zahteva se ograničenje napona u betonu, čeliku i karbonskim trakama: σ c 0.45 f ck σ c 0.6 f ck σ s 0.8 f yk σ f η f fk za kvazi stalno opterećenje enje za retke kombinacije opterećenja enja za retke kombinacije opterećenja enja za kvazi stalna opterećenje enje (η=0.8( za CFRP, η=0.5 za AFRP, η=0.3 za GFRP) 29

30 Granično no stanje upotrebljivosti Početna situacija pre ojačanja anja (moment M 0 ) Presek opterećen na savijanje neposredno pre ojačanja: geometrija i raspodela dilatacija 30

31 Granično no stanje upotrebljivosti Položaj neutralne linije preseka sa prslinom (M( 0 M cr ): 1 bx 2 ( ) ( ) ( ) 0 + αs 1A s2 x 0 d 2 =αs A s1 d x 0 2 Mx Dilatacija pritisnute ivice betona je ε 0 0 c0 = EI c c0 za M 0 M cr I c0 = I 02, pa je momenat inercije preseka sa prslinom: 3 ( ) ( ) 2 ( ) 2 I 0 02 = bx + αs 1As2 x0 d2 +αsas1 d x0 3 početna dilatacija zategnute ivice je: h x ε 0 0 =εc0 x 31 0

32 Granično no stanje upotrebljivosti Stanje eksploatacije posle ojačanja anja Presek sa prslinom opterećen na savijanje posle ojačanja: geometrija, dilatacije i unutrašnje sile 32

33 Granično no stanje upotrebljivosti Položaj neutralne linije (težišna linija aktivnog preseka) 1 bx 2 e + ( αs 1A ) s2( x e d 2) =αs A s1( d x e) + 2 ε0 +αf Af h 1+ xe, gde je: α f = E f / E c εc Napon u betonu na pritisnutoj ivici preseka M σ= k c Ecε= c 1 x bx h +α ( 1A ) h d α A h d 2 3 x x ( xe d2) ( d x ) ( ) e ( ) e e s s2 2 s s1 e e 33

34 Granično no stanje upotrebljivosti Sa uprošćenjima (A s2 0 i h/d 1.1) sledi: σ = E ε = c c c odnosno, ε ε M M x x 0 0 e c k 0 i napon u FRP: M k 1 x bx e 1.05d 2 3 e pa je napon u armaturi: d x σ= E ε e 0.80f x h x σ = ε ε η s s c yk e e f Ef c 0 ffk xe 34

35 Granično no stanje nosivosti - ULS Ojačani ani AB element mora dostići i granično no stanje loma na duktilan način, dakle, bez loma po betonu, loma po CFRP i bez loma na vezi: ograničenje visine pritisnute zone betona na: x/d 0.45 za beton kvaliteta C35/45 i nižeg x/d 0.35 za beton višeg kvaliteta od C35/45 ograničenje dilatacije pri lomu vlakana FRP: ε fu,c 5 ε fu,c 7 za beton kvaliteta C35/45 i nižeg za beton višeg kvaliteta od C35/45 35

36 Granično no stanje nosivosti Načini loma: 1. Kada postoji puno sadejstvo betona i vlakana (FRP) lom nastaje kao: simultani,, ili kao lom zatezanjem (zajedno čelik i vlakna, ili pojedinačan an lom), ili lom po pritisnutom betonu 2. Kada je gubitak sadejstva betona i vlakana lom nastaje gubitkom veze na većoj dužini elementa (peeling-off) i to: na samoj vezi betona i FRP (ali najčešće e kroz beton), kao posledica pojave prslina od savijanja ili od smicanja kao posledica neravne površine betona (valovitost površine izaziva skretne sile na vezi betona i FRP) 36

37 Granično no stanje nosivosti Načini loma ojačanog anog AB elementa (kada postoji puno sadejstvo betona i vlakana): Simultani lom Lom po čeliku (i/ili FRP) Lom po betonu 37

38 Granično no stanje nosivosti Načini loma ojačanog anog AB elementa gubitkom veze ze: Lom na mestu ankerovanja FRP Lom nastao odvajanjem FRP na mestima prslina Lom smicanjem na kraju FRP 38

39 Granično no stanje nosivosti Mehanizam loma gubitkom veze (peeling-off) između betona i FRP,, nastale usled: Neravne površine betona Pojave prsline 39

40 Granično no stanje nosivosti Simultani lom betona i zategnute armature Početna dilatacija u zategnutom betonu je ε 0 Nema kidanja vlakana FRP Oznake za vlakna FRP: b f -širina t f -debljina E f -moduo el. ε f dilatacija α f = E f / E c Presek opterećen na savijanje: geometrija, raspodela dilatacija i napona pri lomu 40

41 Granično no stanje nosivosti Proračun položaja neutralne ose 0.85ψ f bx+ A E ε = A f + A E ε cd s2 s s2 s1 yd f fu f gde se usvaja da su: ψ=0.8 i δ G =0.4 dilatacija u zategnutoj armaturi je: ε =ε s2 cu x x d dilatacija u vlaknima FRP: 2 h x ε f =εcu ε0 x 41

42 Granično no stanje nosivosti Proračunski granični moment nosivosti ojačanog anog preseka M = A f d δ x + A E ε h δ x + ( ) ( ) Rd s1 yd G f f f G + A E ε δ x d ( ) s2 s s2 G 2 Pri tome se moraju kontrolisati dilatacije u zategnutoj armaturi i u FRP vlaknima: d x ε s1 =εcu x f yd E s h x ε f =εcu ε0 εfud x 42

43 Rekapitulacija proračuna ojačanja anja Pre ojačanja anja odrediti računske momente (za ULS i SLS) Za moment M 0 (pre ojačanja) anja) odrediti početnu dilataciju ε 0 krajnjeg zategnutog betonskog vlakna, Odrediti potrebnu površinu FRP sa punim graničnim nim momentom M u posle ojačanja anja, Proveriti ugib za SLS; ; ako je prekoračen en povećati površinu FRP, Proveriti napone u pritisnutom betonu, čeliku i FRP za SLS Proveriti prsline za SLS, Proveriti atheziju FRP i betona na kraju ankerovanja, Proveriti smicanje 43

44 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Dispozicija lamela kao ojačanje anje ploče e u kojoj se izvode naknadni otvori za lift i postavljanje eskalatora 44

45 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Izvođenje ojačanja anja ploče e sa donje strane lepljenjem karbonskih lamela 45

46 Ojačanje anje primenom karbonskih vlakana CFRP Zaštita karbonskih traka i lamela od dejstva požara za različite protivpožarne otpornosti: (F 30 F 120 min) 46

47 Ojačanje anje stubova primenom karbonskih vlakana Oblaganje utezanje stubova tkaninom: Stubovi kvadratnog i kružnog poprečnog preseka 47

48 Ojačanje anje stubova primenom karbonskih vlakana Efekat ojačanja anja stubova karbonskim trakama je sličan utezanju stubova poprečnom armturom uzengijama kod armiranobetonskih stubova. Iz tog razloga ćemo se u daljem razmatranju podsetiti kakav je uticaj poprečnog utezanja na nosivost i duktilnost armiranobetonskih stubova. 48

49 Ojačanje anje stubova primenom karbonskih vlakana Utegnut beton Nearmiran beton Dijagram napon dilatacija za beton sa utezanjem poprečnom armaturom i bez armature 49

50 Ojačanje anje stubova primenom karbonskih vlakana Bez uzengija Dijagram napon dilatacija za beton u funkciji količine ine poprečne armature 50

51 Ojačanje anje stubova primenom karbonskih vlakana Efekat utezanja uzengijama kod stuba kružnog poprečnog preseka 51

52 Ojačanje anje stubova primenom karbonskih vlakana Oblik dijagrama d napon dilatacija za proračun utegnutog i neutegnutog betona prema Mander, Pristley i Park-u 52

53 Ojačanje anje stubova primenom karbonskih vlakana Dijagrami moment - krivina za pojedine elemente poprečnog preseka: 1-utegnuto 1 jezgro betona, 2-2 podužna armatura, 3-za3 zaštitni sloj, 4-ukupno4 53

54 Ojačanje anje stubova primenom karbonskih vlakana Dijagram interakcije M - N za kružni stub sa različitom itom gustinom uzengija e u (e u od 5 do 25 cm) 54

55 Ojačanje anje stubova primenom karbonskih vlakana Duktilnost krivine φ u / φ y u funkciji razmaka uzengija e u 55

56 Ojačanje anje stubova primenom karbonskih vlakana Primer ojačavanja stubova kružnog preseka karbonskim 56 trakama -tkaninama