SANACIJE, REKONSTRUKCIJE I ODRŽAVANJE BETONSKIH KONSTRUKCIJA U VISOKOGRADNJI

Transcript

1 GRAĐEVINSKI FAKULTET UNIVERZITETA U BEOGRADU Odsek za konstrukcije Katedra za materijale i konstrukcije (MIK) IV godina studija (28+14) VIII semester (2+1) SANACIJE, REKONSTRUKCIJE I ODRŽAVANJE BETONSKIH KONSTRUKCIJA U VISOKOGRADNJI Ojačanje AB konstrukcija primenom FRP vlakana 1 Ojačanje primenom veštačkih vlakana FRP (Fibre Reinforced Polymer) FRP materijal sadrži 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 na zatezanje. 2 1

2 Ojačanje primenom veštačkih vlakana - FRP Dijagram napon-dilatacija pri zatezanju za razne vrste vlakana CFRP AFRP GFRP ε 3 Ojačanje 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 dobijene tkanjem "konaca" formiranih od karbonskih vlakana 4 2

3 Trake-laminati mogu da prihvate samo opterećenja (sile) u podužnom pravcu - u pravcu svog pružanja Trake-tkanine mogu da budu nosive u više 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 Dijagonalno Monoaksijalno Monoaksijalno Biaksijalno Primer postupka ojačanja primenom monoaksijalnih, biaksijalnih i dijagonalnih karbonskih traka-tkanina 6 3

4 Kriterijum Sopstvena težina Čvrstoća pri zatezanju Debljina Mogućnost korozije Dužina Obrada, ponašanje Pravac nošenja Mogućnost previjanja Otpornost prema zamoru Cena Cena ugrađivanja Specifična oprema pri primeni Čelične lamele Visoka Visoka Mala Postoji Ograničena Složena, kruto U svim pravcima Komplikovano Značajna Niska Visoka Sredstva za pridržavanje Karbonske trake Mala Vrlo visoka Vrlo mala Ne postoji Neograničena Laka, fleksibilno Samo u određenim pravcima Lako Dovoljna Visoka Niska Nije potrebna 7 Karbonske trake se proizvode u praktično neograničenim 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 mm 8 4

5 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 pri zatezanju (MPa) Granična deformacija pri lomu - kidanju (%) > 1.7 > 1,2 > Dijagrami napon dilatacija različitih laminata: H, M, S 10 5

6 Osnovne tehničke karakteristike traka - tkanina (SINIT - Italija) Karakteristika Tip trake Masa (g/m 2 ) Modul elastičnosti (MPa) Čvrstoća pri zatezanju (MPa) Granična deformacija pri lomu - kidanju (%) Specifična masa (gustina) vlakana (g/cm 3 ) Efektivna (neto) debljina (mm) Širina (mm) Oznaka trake S&P Sheet 240 Monoaksijalna Monoaksijalna Uzorak trake-laminata pre i nakon ispitivanja na zatezanje 12 6

7 LEPLJENJE karbonskih traka za konstrukcijske elemente od betona izvodi se primenom odgovarajućih EPOKSIDNIH LEPKOVA Ti lepkovi predstavljaju proizvode koje zajedno sa trakama isporučuje proizvođač određenih traka To podrazumeva da se uvek mora koristiti lepak kompatibilan sa određenom trakom, a što se uvek definiše i uslovljava od strane proizvođača trake 13 Ojačanje greda lamelama i izvođenje 14 7

8 greda zid stub otvor Zid od opeke tavanica pod Primer mogućnosti ojačanja različitih elemenata armiranobetonske konstrukcije 15 Ojačanje greda u polju i kod oslonaca 16 8

9 Lepljenje traka - tkanina za prijem kosih glavnih napona zatezanja 17 Lamele L oblika za prijem kosih glavnih napona zatezanja: zone ankerovanja i prevoja 18 9

10 Nosač T preseka sa podužnim i poprečnim ojačanjima u vidu zalepljenih traka -laminata L oblika 19 Lepljenje traka za prijem kosih glavnih napona zatezanja 20 10

11 Ojačanje ploče lepljenjem traka sa donje strane 21 Izvođenje ojačanja armiranobetonske ploče primenom traka - laminata 22 11

12 Ojačanje ploče lepljenjem traka iznad oslonca sa gornje strane ploče 23 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 da iznosi najviše 4% Radovi na lepljenju smeju se izvoditi samo na temperaturama > 10 0 C 24 12

13 Pri primeni karbonskih traka postoji i uslov da se one mogu lepiti samo za betonske elemente dovoljno visokih mehaničkih karakteristika To znači da se apliciranje traka može izvoditi samo na betonskim podlogama koje će obezbediti zadovoljavajući stepen athezije (prianjanja) između betona i lepka u toku eksploatacije posle ojačanja 25 Ispitivanje athezije beton-lepak metodom "otkidanja" zalepljenog "pečata" 26 13

14 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 Osnove proračuna Dimenzionisanje se zasniva na konceptu sigurnosti u odnosu na granična stanja Dimenzionisanje prema graničnim stanjima (LS) podrazumeva sledeće kontrole: 1. graničnog stanja upotrebljivosti (SLS), 2. graničnog stanja nosivosti (ULS), 3. neočekivanih (slučajnih) situacija - udar, požar, vandalizam 28 14

15 Granično 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 zakvazi stalno opterećenje σ c 0.6 f ck zaretke kombinacije opterećenja σ s 0.8 f yk zaretke kombinacije opterećenja σ f η f fk zakvazi stalna opterećenje (η=0.8 za CFRP, η=0.5 za AFRP, η=0.3 za GFRP) 29 Granično stanje upotrebljivosti Početna situacija pre ojačanja (moment M 0 ) Presek opterećen na savijanje neposredno pre ojačanja: geometrija i raspodela dilatacija 30 15

16 Granično stanje upotrebljivosti Položaj neutralne linije preseka sa prslinom (M 0 M cr ): 1 bx ( 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: I 0 02 = bx + ( αs 1A ) s2( x0 d2) +αsas1( d x0) 3 početnadilatacija zategnute ivice je: h x ε 0 0 =εc0 x 31 0 Granično stanje upotrebljivosti Stanje eksploatacije posle ojačanja Presek sa prslinom opterećen na savijanje posle ojačanja: geometrija, dilatacije i unutrašnje sile 32 16

17 Granično 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 Granično 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: Mk 1 x bx e 1.05d 2 3 e pa je napon u armaturi: d x σ= E ε e 0.80f x σ = h x ε ε η s s c yk e e f Ef c 0 ffk x e 34 17

18 Granično stanje nosivosti - ULS Ojačani AB element mora dostići granično 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 za beton kvaliteta C35/45 i nižeg ε fu,c 7 za beton višeg kvaliteta od C35/45 35 Granično 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 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 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 18

19 Granično stanje nosivosti Načini loma ojačanog AB elementa (kada postoji puno sadejstvo betona i vlakana): Simultani lom Lom po čeliku (i/ili FRP) Lom po betonu 37 Granično stanje nosivosti Načini loma ojačanog AB elementa (nastavak): Lom na mestu ankerovanja FRP Lom nastao odvajanjem FRP na mestima prslina Lom smicanjem na kraju FRP 38 19

20 Granično stanje nosivosti Mehanizam loma gubitkom veze (peeling-off) između betona i FRP, nastale usled: Neravne površine betona Pojave prsline 39 Granično stanje nosivosti Simultani lom betona i zategnute armature Početna dilatacija u zat. 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 20

21 Granično stanje nosivosti Proračun položaja neutralne ose 0.85ψ fcdbx+ As2Esε s2 = As1fyd + Af Efuεf gde se usvaja da su: ψ=0.8 i δ G =0.4 dilatacija u zategnutoj armaturi je: ε =ε s2 cu x d x dilatacija u vlaknima FRP: 2 ε =ε h x ε x f cu 0 41 Granično stanje nosivosti Proračunski granični moment nosivosti ojačanog 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 f ε s1 =εcu x E yd s ε =ε h x ε ε x f cu 0 fud 42 21

22 Rekapitulacija proračuna ojačanja Pre ojačanja odrediti računske momente (za ULS i SLS) Za moment M 0 (pre ojačanja) odrediti početnu dilataciju ε 0 krajnjeg zategnutog betonskog vlakna, Odrediti potrebnu površinu FRP sa punim graničnim momentom M u posle ojačanja, Proveriti ugib za SLS; ako je prekoračen 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 Dispozicija lamela kao ojačanje ploče u kojoj se izvode naknadni otvori za lift i postavljanje eskalatora 44 22

23 Izvođenje ojačanja ploče sa donje strane lepljenjem karbonskih lamela 45 Zaštita karbonskih traka i lamela od dejstva požara za različite protivpožarne otpornosti: (F 30 F 120 min) 46 23

24 Oblaganje utezanje stubova tkaninom: kvadratnog i kružnog preseka 47 Ojačavanje stubova kružnog preseka karbonskim trakama - tkaninama 48 24