ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ

Transcript

1 ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ Σ. Η. Δρίτσος Αν. Καθηγητής, Πανεπιστημίου Πατρών Ορισμός Σύνθετα Υλικά Σ = Α + Β Σ = Ίνες + Ρητίνη Σ. Δ Ρ Ι Τ Τα σύνθετα Σ υλικά αποτελούνται Ο από Σίνες υψηλής εφελκυστικής αντοχής εμποτισμένες με θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη Οι συνήθεις τύποι ινών που χρησιμοποιούνται είναι από γυαλί ή αραμίδιο ή άνθρακα. Νέοι τύποι ινών είναι υπό διερεύνηση (π.χ. βασάλτης). 1 2 Υλικά Εφαρμογές Ίνες Άνθρακα Τένοντες προέντασης Ίνες Αραμιδίου Ίνες Γυαλιού Ράβδοι ή πλέγματα ως οπλισμός Υφάσματα ή ελάσματα για ενίσχυση στοιχείων Ειδικές ολόσωμες κατασκευές Ρητίνες Φίλερ 3 4

2 Γιατί τα Σύνθετα Υλικά; Υψηλή εφελκυστική αντοχή Μικρό βάρος Γυαλιού Σ. Δ Ρ Ι Τ Σ 2.55 Ο Σ Τύπου Ε Τύπου S Υψηλή αντοχή σε διάβρωση Αραμιδίου Χαμηλού μέτρου ελαστικότητας Υψηλού μέτρου Ουδέτερα σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία ελαστικότητας 5 Ίνες Τυπικές Ιδιότητες Ινών Σύνθετων Υλικών Άνθρακα Υψηλής αντοχής Πολύ υψηλής αντοχής Υψηλού μέτρου ελαστικότητας Πολύ υψηλού μέτρου ελαστικότητας Χάλυβας Πυκνότητα (kgr/m 3 x 10 3 ) Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Εφελκ.Αντοχή (MPa) E = E V + E r V FRP f f r f f V + f r V FRP f f r Παραμόρφ.Αστοχίας (%) Αδυναμίες Σύνθετων Υλικών Ποιοτική Αξιολόγηση Ινοπλισμένων Πολυμερών Παντελής έλλειψη ολκιμότητας Χαρακτηριστικό ΙΟΠ-Άνθρακας Χαμηλή αντίσταση σε Σ. μέτριες και υψηλές Δ θερμοκρασίες Ρ Ι Τ Σ Ο Σ Ανθεκτικότητα σε διάρκεια πολύ καλή Θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (60 ο C) Αντοχή σε κόπωση πολύ καλή Ηρητίνηκαίγεται( ) ο Ανθεκτικότητα σε αλκαλικό πολύ καλή C περιβάλλον Αντοχή σε κρούση μικρή Η εφελκυστική αντοχή των υλικών μειώνεται σημαντικά, Αντοχή σε φθορά λόγω τριβής μέτρια όταν βρίσκονται σε μόνιμη τάση Γαλβανικό φαινόμενο ναι ΙΟΠ-Αραμιδίου καλή καλή καλή πολύ καλή πολύ καλή όχι ΙΟΠ-Γυαλιού οριακή οριακή ακατάλληλο υλικό καλή καλή όχι Ανθεκτικότητα σε διάρκεια; Υπεριώδης ακτινοβολία Αυξομειώσεις της θερμοκρασίας Δράση χημικών 7 Αντοχή σε υπεριώδεις ακτινοβολίες Πυκνότητα (kgr/m 3 x10 3 ) Κόστος (συγκριτικά μεταξύ τους) Αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες καλή ~1.80 υψηλό ( ) ο C μικρή ~2.50 μέτριο 200 ο C καλή ~1.50 χαμηλό ( ) ο C 8

3 Παραγωγή για Χρήση στις Κατασκευές Συντελεστής Θερμικής Διαστολής x 10-6 Εγκάρσια -0.9 έως έως 18 Ίνες-Αραμιδίου -6.0 έως έως 60 5 έως 15 5 έως 15 Ίνες-Γυαλιού Ρητίνες Χιλιάδες τόνοι Διαμήκη Ίνες-Άνθρακα Σύνθετα Υλικά έως 140 Χάλυβας εκατομμύρια τόνοι Υλικό ΙΟΠ-Άνθρακας ΙΟΠ-Αραμιδίου ΙΟΠ-Γυαλιού -0.9 έως 0 74 έως έως έως 80 6 έως 10 Σκυρόδεμα έως έως 13 Χάλυβας x10-6 fib Bulletin 35, (2006) και ACI 440.1R (2002) 0 ΔΤ= + 25 οc Δεν επηρεάζει την συνάφεια 1962 ACI 440.2R-02) 9 Γιατί Τελικά Έχουν Περιορισμένη Εφαρμογή στη Πράξη; ¾ Υψηλό κόστος ~ 21% Συνολικής Παραγωγής ~ 33% Συνολικής Παραγωγής JSCE Committe on CFRM (Συγκρότηση Ιαπωνικής Επιτροπής) CSCE technical Committee (Καναδική Επιτροπή) ¾ Υψηλής Κλάσης αντίπαλος ο χάλυβας ¾ Έλλειψη εγκεκριμένων προδιαγραφών & προτύπων (κώδικας για το σχεδιασμό) 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 ACI 440 Design Recommendations draft Canadian network ISIS Design Manual, fib Bul.14, ΟΑΣΠ Επιτροπή ΚΑΝ.ΕΠΕ. ACI 440 Design Recommendations draft ΚΑΝ.ΕΠΕ. Σχέδιο 2 12

4 Εφαρμογές Pedestrian bridge, Kolding (DK) μικρό βάρος Εφαρμογές Εφαρμογές Εφαρμογές Αντοχή σε διάβρωση 15 Αντοχή σε διάβρωση 16

5 Εφαρμογές Απαιτήσεις Απουσίας Μαγνητικών Υλικών Αντοχή σε διάβρωση 17 Magnetic Levitation Railways (Japan) 18 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

6 Τα Σύνθετα ως Οπλισμός σε Νέες Κατασκευές Τα Σύνθετα ως Οπλισμός σε Νέες Κατασκευές IOWA USA rd AVENUE BRIDGE 22 Τα Σύνθετα ως Οπλισμός σε Νέες Κατασκευές 23 24

7 Τα Σύνθετα ως Οπλισμός σε Νέες Κατασκευές Τα Σύνθετα ως Οπλισμός σε Νέες Κατασκευές Birdie Bridge - Ibaragi Prefecture, Japan 25 Γέφυρες με Οπλισμό από Σύνθετα 26 Σχεδιασμός με Οπλισμό από Σύνθετα Υλικά Worldwide Growth τάση (MPa) 5000 Carbon FRP 4000 Aramid FRP 3000 Glass FRP 2000 Χάλυβας S παραμόρφωση (%) *Παρατήρηση: όχι για ανάληψη θλιπτικών δυνάμεων 27 28

8 Μείωση Αντοχής Μειωτικός συντελεστής C Ε για διάφορες συνθήκες περιβάλλοντος (ACI- 440) Σχεδιασμός με Οπλισμό από Σύνθετα Υλικά Συνθήκες Περιβάλλοντος Εσωτερικοί χώροι Εξωτερικοί χώροι ΙΟΠ Άνθρακας Εσ. οπλισμός ενίσχυση ΙΟΠ - Αραμίδιο Εσ. οπλισμός ενίσχυση ΙΟΠ - Γυαλί Εσ. οπλισμός ενίσχυση γ Rd = 2.0 συντελεστές ασφαλείας Για αστοχία οπλισμού στην εφ. ζώνη Ιδιαίτερα n/s 0.85 n/s 0.70 n/s 0.50 διαβρωτικό περιβάλλον γ Rd = 1.4 Σ. f fk =C Ε Δ Ρ Ι Τ Σ Ο Σ ffk Επιρροή μόνιμης σταθερής τάσης (ερπυσμός) Στατική κόπωση - Creep Rapture Stress (ACI- 440) μ θ ~ 1.0, q = ΙΟΠ Άνθρακας ΙΟΠ - Αραμίδιο ΙΟΠ - Γυαλί Για αστοχία σκυροδέματος στην θλιβ. ζώνη q = 1.0 όριο αντοχής 0.55 f fκ 0.3 f fκ προβληματική η ανάληψη μονίμων φορτίων 0.20 f fκ ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Επικουρικός ρόλος παρουσία υφιστάμενου οπλισμού Προϋπόθεση (ACI R): Σ. Δ Ρ Ι Τ Ανάληψη Σ φορτίων από Ο την υπάρχουσα Σκατασκευή: 1.2G Q Υφάσματα Ελάσματα Φύλλα Λωρίδες Πλέγματα Μεγιστοποίηση ταχύτητας εκτέλεσης εργασίας Ελαχιστοποίηση αναστάτωσης 31 Όχι για καμπτική ενίσχυση υποστυλωμάτων 32

9 Καμπτική Ενίσχυση Μικρό βάρος Building Klinkerstr, Amsterdam Teng et al, 2002 Teng et al, Αναλαμβανόμενη δύναμη επικολλητών φύλλων συναρτήσει του μήκους αγκύρωσης Απόσχιση επικάλυψης σκυροδέματος στο πέρας του σύνθετου υλικού 36

10 Teng et al, Χρήση στοιχείων αγκύρωσης στα άκρα 38 V sd, απολ. Vcd, απολ M sd, απολ M Rd, απολ V sdj = Έλεγχος Απόσχισης Άκρου A so f A j ydo σ + jd A j σ jd V sd, απόλ. Rostasy, Έλεγχος Αποκόλλησης Σ. Δ Ρ Ι Τ Σ Ο L b Σ P/2 L e L b P P max Ας θεωρηθεί η περίπτωση μίας δοκού από σκυρόδεμα C16/20 που ενισχύεται στο εφελκυόμενο πέλμα με ένα έλασμα ΙΟΠ-Άνθρακα, πάχους t j=1mm και πλάτους b j=1/2b w. Εξετάζοντας την 2η μορφή αστοχίας λαμβάνεται: 2/3 2/3 fctm 0.3 fck = = 1.92 MPa σ j, crit = 0.4 = 175 MPa Χρήσιμη τεχνική για ενισχύσεις γύρω από νέα ανοίγματα σε πλάκες, τοιχώματα P/2 σ L e και = E j 2 f t j ctm P = kf b L max ctm j e j,crit. = Pmax b t 0.4 Ef j j j j 2t ctm

11 Καμπτική Ενίσχυση με Οπλισμούς εντός Αυλακιών Διατμητική Ενίσχυση CFRP strip Οπλισμός ΙΟΠ Πλευρικός μανδύας Ανοικτός μανδύας concrete σκυρόδεμα bonding Ρητίνη agent Κλειστός μανδύας Διατμητική Ενίσχυση 43 44

12 Γιατί Περίσφιγξη; Αύξηση της πλαστιμότητας του υποστυλώματος Αύξηση της θλιπτικής αντοχής του υποστυλώματος Αποφυγή αστοχίας συνάφειας των κατακόρυφων ράβδων Σ. Δ Ρ Ι Τ του υποστυλώματος, Σ Ο στην περιοχή Στης υπερκάλυψής τους Αύξηση της διατμητικής αντοχής του υποστυλώματος Ικανοποίηση απαιτήσεων ικανοτικού σχεδιασμού Δύναμη (kn) μανδύες από Ο.Σ. 4 φύλλα 2 φύλλα μανδύες από σύνθετο υλικό Οριζόντια μετακίνηση(mm) Διαγράμματα φορτίου-οριζόντιας μετακίνησης υποστυλωμάτων ενισχυμένων με μανδύες από σύνθετα υλικά και Ο.Σ

13 Αποκατάσταση περιοχών με ανεπαρκή μήκη μάτισης περισφιγμένο με ΙΟΠ απερίσφικτο περισφιγμένο με χαλύβδινα στοιχεία Γενικώς (1- λ t j = γrd β s ) 1 f μ σ yk jd A l s b γ Rd =1.5 3 f Σ. Δ Ρ Ι Τ 7 (α) για κυκλικές διατομές t Σ 3 yk j [(1 Ο λs )ds/ ] Σ s b(c + d ) 5/3 2 s * 1 f c = ( aωw ) f γ 1.4 c Rd,1 = * 1 δ E 2 j fck εcu = [0.003 ( aωw ) ] γrd,1 γrd,2 (ΚΑΝ.ΕΠΕ., 2005) (β) για ορθογωνικές διατομές * 1 f c = ( aωw ) f γ 1.7 c Rd,3 = γ ε Rd,3 1 2 = [0.003(1 1.4 aωw ) ] γ Rd,4 = 3.1 γ * cu + Rd,4 Για γωνιακές ράβδους (N,mm) Ecoleader Project Πειράματα στην Σεισμική Τράπεζα σε Διώροφο Κτίριο Beams 0.26x m 4.26 m 3.74 m Slab thickness 0.12 m Oy Ox 0.26 m CEA Laboratories, Sacley, France 51 CEA, Sacley 52

14 CEA, Sacley CEA, Sacley Επισκευή με ρητινενέσεις Ενίσχυση κόμβων CEA, Sacley CEA, Sacley Sacley 55 56

15 CEA, Sacley CEA, Sacley Sacley Πειράματα στο Εργαστήριο Κατασκευών του Πανεπιστημίου Πατρών CEA, Sacley 59 Fardis and Bousias 60

16 Συνήθη Προβλήματα Εφαρμογής Δεν ελέγχεται η κατάσταση και η αντοχή των επιφανειακών στιβάδων σκυροδέματος Δεν προετοιμάζεται επιμελώς η επιφάνεια βάσης Μερικά Ερωτήματα από την Πράξη Προστασία από φωτιά? Όταν έχουν χρησιμοποιηθεί φαλτσογωνιές, χρειάζεται στρογγύλευση στις ακμές? Δεν γίνονται κατάλληλες στρογγυλεύσεις των ακμών του στοιχείου Δεν χρησιμοποιούνται οι κατάλληλες κόλλες για το συγκεκριμένο Σ. Δ Ρ Ι Τ Σ Αρχική Ο κατάσταση Απότμηση γωνιών ΣΠροσθήκη Προσθήκη επισκευαστικού υλικού υλικού υπόβαθρο Επιτρέπεται να τρυπηθεί το ύφασμα ή το έλασμα? Χρήση ρητινών πέραν των αποδεκτών χρονικών ορίων χρήσης τους Επιτρέπεται να υπάρχει επαφή του σύνθετου υλικού με στοιχεία χάλυβα? Συνεργεία με μικρή εμπειρία: Εσφαλμένη ή πρόχειρη διαδικασία εφαρμογής Η πλήρης κάλυψη στοιχείων βοηθά την προστασία σε διάβρωση? Έλλειψη κατάλληλων βοηθητικών μέσων Σε στοιχεία από σκυρόδεμα? Εγκλωβισμός αέρα 61 Σε στοιχεία τοιχοποιίας? 62 Τι Καινούριο Έρχεται? Οπλισμοί σε Νέες Κατασκευές Από νέα μητρικά υλικά (π.χ. βασάλτης-ρωσία και Ουκρανία) Μανδύες νέου τύπου: Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ) [ Textile-Reinforced Mortars TRM (fib Bul.35, Triantafillou et al. 2006)] Ενισχύσεις Αντικατάσταση συνδετικού μέσου ρητίνης με κονίαμα Πλέγματα με βροχίδες από δέσμες συνήθων ινών (γιαστοιχείααπόο.σ. και για τοιχοποιία Πανεπιστήμιο Πατρών, Εργαστήριο Μηχανικής) Πλέγματα με βροχίδες από δέσμες χαλύβδινων συρμάτων (ψαθυρών) (μανδύες σε στοιχεία Ο.Σ. Πανεπιστήμιο Θεσ/κης, Δ.Π.Θ.) Κατάργηση συνδετικού μέσου (Πανεπιστήμιο Πατρών, Εργαστήριο Μηχανικής) Χρήση σύνθετων ελασμάτων σε επιφανειακές εγκοπές Αγκύρια από θύσσανο ινών Χρήση για αναβάθμιση διαβρωμένων στοιχείων 63 64

17 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σε ενισχύσεις κατασκευών κυρίως για μεμονωμένα μέλη προϋπόθεση: ικανοποιητική αντοχή σκυροδέματος Ως εσωτερικός οπλισμός σε νέες κατασκευές: Δεν ενδιαφέρει για κτιριακά έργα Ενδιαφέρειγιαέργαυποδομής π.χ. σε έντονο διαβρωτικό περιβάλλον (π.χ. λιμενικά έργα) Ναι για εξειδικευμένες απαιτήσεις π.χ. Σ. Δ Ρ Ι Τ Ενδιαφέρουσα Σ εφαρμογή Ο για ενισχύσεις Σκόμβων - κατασκευές που απαιτούν χαμηλή ηλεκτρική ή θερμική αγωγιμότητα Χρήσιμη εφαρμογή ως εγκάρσιος οπλισμός - κατασκευές για τις οποίες δεν είναι αποδεκτή η χρήση μαγνητικών σε υποστυλώματα (κυρίως) και τοιχώματα υλικών (π.χ. ιατρικός εξοπλισμός) Πλαστιμότητα Διατμητική αντοχή Ως τένοντες προέντασης: Αισιόδοξες προοπτικές 65 Ελάχιστη η προσφορά ανοικτών ενισχύσεων Μικρή βελτιώση καμπτικής ικανότητας πλακών και δοκών Υποσχόμενη τεχνική η τοποθέτηση ράβδων ή ελασμάτων εντός αυλακιών (υπό έρευνα) Μικρή βελτιώση διατμητικής αντοχής δοκών Κοντές αναμονές Χρήσιμη εφαρμογή για ειδικές απαιτήσεις Π.χ. ελαχιστοποίηση χρόνου επέμβασης, ενίσχυση καμινάδων 66