ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ

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

Γιατί τα Σύνθετα Υλικά; Υψηλή εφελκυστική αντοχή Μικρό βάρος Γυαλιού Σ. Δ Ρ Ι Τ Σ 2.55 Ο 70-75 Σ Τύπου Ε Τύπου S 2.45 85-90 Υψηλή αντοχή σε διάβρωση Αραμιδίου Χαμηλού μέτρου 1.45 70-80 ελαστικότητας Υψηλού μέτρου 1.45 115-130 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 ) 1.80 1.80 1.90 1.90 7.86 Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) 215-235 215-235 350-500 500-700 200 Εφελκ.Αντοχή (MPa) 3500-4800 3500-6000 2500-3100 2100-2400 1900-3000 3500-4800 3500-4100 3500-4000 400-1700 E = E V + E r V FRP f f r f f V + f r V FRP f f r Παραμόρφ.Αστοχίας (%) 1.40-2.00 1.50-2.30 0.50-0.90 0.20-0.40 3.00-4.50 4.50-5.50 4.30-5.00 2.50-3.50 12.0-25.0 6 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(200-250) 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 (800-1600) ο C μικρή ~2.50 μέτριο 200 ο C καλή ~1.50 χαμηλό (300-1000) ο C 8

Παραγωγή για Χρήση στις Κατασκευές Συντελεστής Θερμικής Διαστολής x 10-6 Εγκάρσια -0.9 έως +0.7 8 έως 18 Ίνες-Αραμιδίου -6.0 έως -2.0 55 έως 60 5 έως 15 5 έως 15 Ίνες-Γυαλιού Ρητίνες Χιλιάδες τόνοι Διαμήκη Ίνες-Άνθρακα Σύνθετα Υλικά 400 60 έως 140 Χάλυβας 400 300 300 εκατομμύρια τόνοι Υλικό ΙΟΠ-Άνθρακας ΙΟΠ-Αραμιδίου ΙΟΠ-Γυαλιού -0.9 έως 0 74 έως 104-6.0 έως -2.0 60 έως 80 6 έως 10 Σκυρόδεμα 200 21 έως 23 100 100 6 έως 13 Χάλυβας 200 12x10-6 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 1968 1974 1980 1986 1992 1998 2004 0 1950 ~ 21% Συνολικής Παραγωγής 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1960 1970 1980 2000 1990 10 ~ 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) 11 1997 1998 1999 2000 2001 2003 2005 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

Εφαρμογές Pedestrian bridge, Kolding (DK) - 1997 μικρό βάρος Εφαρμογές 13 14 Εφαρμογές Εφαρμογές Αντοχή σε διάβρωση 15 Αντοχή σε διάβρωση 16

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. 19 20

Τα Σύνθετα ως Οπλισμός σε Νέες Κατασκευές Τα Σύνθετα ως Οπλισμός σε Νέες Κατασκευές IOWA USA 21 53 rd AVENUE BRIDGE 22 Τα Σύνθετα ως Οπλισμός σε Νέες Κατασκευές 23 24

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 S500 1000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 παραμόρφωση (%) *Παρατήρηση: όχι για ανάληψη θλιπτικών δυνάμεων 27 28

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 1.0 0.9 0.95 0.85 ΙΟΠ - Αραμίδιο Εσ. οπλισμός ενίσχυση 0.9 0.8 0.85 0.75 ΙΟΠ - Γυαλί Εσ. οπλισμός ενίσχυση 0.8 0.7 0.75 0.65 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 29 30 ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Επικουρικός ρόλος παρουσία υφιστάμενου οπλισμού Προϋπόθεση (ACI. 440-2R): Σ. Δ Ρ Ι Τ Ανάληψη Σ φορτίων από Ο την υπάρχουσα Σκατασκευή: 1.2G + 0.85Q Υφάσματα Ελάσματα Φύλλα Λωρίδες Πλέγματα Μεγιστοποίηση ταχύτητας εκτέλεσης εργασίας Ελαχιστοποίηση αναστάτωσης 31 Όχι για καμπτική ενίσχυση υποστυλωμάτων 32

Καμπτική Ενίσχυση Μικρό βάρος Building Klinkerstr, Amsterdam 33 34 Teng et al, 2002 Teng et al, 2002 35 Αναλαμβανόμενη δύναμη επικολλητών φύλλων συναρτήσει του μήκους αγκύρωσης Απόσχιση επικάλυψης σκυροδέματος στο πέρας του σύνθετου υλικού 36

Teng et al, 2002 37 Χρήση στοιχείων αγκύρωσης στα άκρα 38 V sd, απολ. Vcd, απολ M sd, απολ. 0.67 M Rd, απολ V sdj = Έλεγχος Απόσχισης Άκρου A so f A j ydo σ + jd A j σ jd V sd, απόλ. Rostasy, 1997 39 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 = 0.316 = 1.92 MPa 200 1.92 10 σ j, crit = 0.4 = 175 MPa 2 3 40 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

Καμπτική Ενίσχυση με Οπλισμούς εντός Αυλακιών Διατμητική Ενίσχυση CFRP strip Οπλισμός ΙΟΠ Πλευρικός μανδύας Ανοικτός μανδύας concrete σκυρόδεμα bonding Ρητίνη agent Κλειστός μανδύας 41 42 Διατμητική Ενίσχυση 43 44

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 45 46 Δύναμη (kn) 200 150 100 50 0-50 -100-150 μανδύες από Ο.Σ. 4 φύλλα 2 φύλλα μανδύες από σύνθετο υλικό -200-150 -100-50 0 50 100 150 Οριζόντια μετακίνηση(mm) Διαγράμματα φορτίου-οριζόντιας μετακίνησης υποστυλωμάτων ενισχυμένων με μανδύες από σύνθετα υλικά και Ο.Σ. 47 48

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 = (1+ 1.4 aωw ) f γ 1.4 c Rd,1 = * 1 δ E 2 j fck εcu = [0.003 (1+ 1.4 aωw ) ] γrd,1 γrd,2 (ΚΑΝ.ΕΠΕ., 2005) (β) για ορθογωνικές διατομές * 1 f c = (1+ 1.4 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) 49 50 Ecoleader Project Πειράματα στην Σεισμική Τράπεζα σε Διώροφο Κτίριο Beams 0.26x0.40 6.60 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

CEA, Sacley CEA, Sacley 53 54 Επισκευή με ρητινενέσεις Ενίσχυση κόμβων CEA, Sacley CEA, Sacley Sacley 55 56

CEA, Sacley CEA, Sacley 57 58 Sacley Πειράματα στο Εργαστήριο Κατασκευών του Πανεπιστημίου Πατρών CEA, Sacley 59 Fardis and Bousias 60

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

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