PLAQ-FRP-DE 12 2010.indd - S&P Polska

S&P FRPsystem materiałów kompozytowychdo wzmacniania konstrukcji budowlanychTAŚMY Z WŁÓKNA WĘGLOWEGOMATY Z WŁÓKNA WĘGLOWEGO,SZKLANEGO I ARAMIDOWEGOKLEJE EPOKSYDOWETroszczymy się o jutro

Materiały kompozytowe to wyroby o strukturze niejednorodnej,złożone z dwóch lub więcej komponentów o różnych właściwościach. Właściwościkompozytów nie są sumą, czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jedenz komponentów odpowiada za jego spójność, twardość, elastyczność i odporność naściskanie, a drugi, tzw. komponent konstrukcyjny zapewnia większość pozostałychwłasności mechanicznych kompozytu. Jednymi z najczęściej stosowanychkomponentów konstrukcyjnych są wyjątkowo wytrzymałe włókna węglowe,aramidowe (kevlar) lub szklane, dające materiałowi dużą odporność na rozciąganie.Do najczęściej stosowanych spoiw zaliczają się syntetyczne żywice epoksydowe.Zatopienie komponentów konstrukcyjnych w spoiwach syntetycznych daje tzw.laminaty. W zależności od sposobu uporządkowania włókien rozróżnia się taśmykompozytowe – włókna ułożone w jednym kierunku lub maty kompozytowe –włókna ułożone w jednym lub w dwóch prostopadłych kierunkach.TAŚMY Z WŁÓKNA WĘGLOWEGO MATY Z WŁOKNA WĘGLOWEGO MATY Z WŁOKNA SZKLANEGOMATY Z WŁOKNA ARAMIDOWEGOMateriały kompozytowe wykorzystywane były początkowogłównie w przemyśle wojskowym i lotnictwie, jednak bardzoszybko wprowadzono je do zastosowań cywilnych. Pierwszebadania dotyczące możliwości zastosowania materiałów nabazie włókien kompozytowych jako zbrojenia lub wzmocnieniakonstrukcji prowadzono w ośrodkach naukowych wSzwajcarii i Niemczech, gdzie przeprowadzono także pierwszeich zastosowania w praktyce. Zalety produktów FRP (agłównie włókien węglowych) najwcześniej doceniono wbudownictwie mostowym i konstrukcjach przemysłowych,gdzie stosowano je bezpośrednio jako nowe elementy konstrukcyjne,a także wprowadzono systemy wykorzystująceje przy wzmocnieniu już istniejących konstrukcji.Pierwsze próby stosowania materiałów FRP do wzmocnieńkonstrukcji żelbetowych przypadają na lata pięćdziesiąteubiegłego wieku. Z czasem rozwój technologii oraz znacznaautomatyzacja metod produkcji doprowadziły do znaczącejpoprawy jakości produktów FRP, a coraz większe zapotrzebowanierynku i związany z tym wzrost ilości produkcji zaowocowałobniżeniem ich cen. Od lat osiemdziesiątych ubiegłegowieku coraz częściej jako wewnętrzne zbrojenie stosuje sięcięgna i liny kompozytowe, a jako dodatkowe, zewnętrznezbrojenie konstrukcji stosuje się taśmy i maty. Pierwszymiproduktami FRP stosowanymi na szerszą skalę przy wzmocnieniachkonstrukcji budowlanych były taśmy z włókien węglowychzatopionych w matrycy z żywicy epoksydowej.Głównymi zaletami materiałów FRP w zastosowaniach budowlanychsą: nieznaczny ciężar własny (nie obciążają dodatkowo konstrukcji), bardzo mała grubość warstwy naprawczej (możliwośćłatwego zamaskowania powłoką malarską lub cienkąwarstwą tynku; możliwość układania w płytkich bruzdach), dowolna długość (można uniknąć stosowania połączeń), możliwość dostosowania kształtu wzmocnienia do naprawianegoobiektu (ważne przy wzmacnianiu elementów oróżnej krzywiźnie – np. sklepień), szybki czas wykonania naprawy, wykonywanie prac bez konieczności operowania ciężkimsprzętem, możliwość stosowania do wszystkich rodzajów materiałówbudowlanych (beton, stal, kamień, cegła, drewno itp.), odporność na korozję i zjawiska starzenia, bardzo dobra wytrzymałość zmęczeniowa, możliwość doboru materiału wzmacniające w zależnościod potrzeb (zróżnicowana sprężystość oraz parametrywytrzymałościowe), możliwość aplikacji w różnych warunkach pogodowych, możliwość wstępnego naprężenia.Materiały kompozytowe posiadają liniowo-sprężystą charakterystykę,a obciążane do momentu zniszczenia nie wykazujążadnych trwałych odkształceń plastycznych.Rozróżniamy trzy główne typy kompozytów włóknistychFRP stosowanych w budownictwie do wzmocnień konstrukcjiinżynierskich: CFRP – Carbon Fibre Reinforced Plastic – kompozyty nabazie włókna węglowego, GFRP – Glass Fibre Reinforced Plastic – kompozyty nabazie włókna szklanego, CFRP – Aramid Fibre Reinforced Plastic – kompozyty nabazie włókna aramidowego.

BUDOWNICTWO MOSTOWEBUDOWNICTWO BIUROWE I MIESZKANIOWEBUDOWNICTWO PRZEMYSŁOWEBUDOWNICTWO ZABYTKOWEOBSZARYZASTOSOWAŃMATERIAŁÓW FRPW konstrukcjach inżynierskich materiały FRP znalazły zastosowanieprzy wzmacnianiu stref rozciąganych i ścinanychw elementach zginanych, przy wzmacnianiu elementówskręcanych oraz elementów poddanych działaniu sił osiowych.Wzmacnia się zarówno elementy betonowe i żelbetowejak również murowane, drewniane i metalowe.Taśmy i maty stosuje się do wzmacniania różnego rodzajuelementów konstrukcyjnych, takich jak belki, płyty, ściany,powłoki, słupy, kratownice oraz konstrukcji obiektów specjalistycznych,np. kominy, rury i zbiorniki.W przypadku bardzo słabych podłoży (wytrzymałość na odrywanieponiżej 1,0 MPa) zaleca się stosowanie mat szklanychGFRP. W niektórych sytuacjach maty szklane stosowanesą także w celu zwiększenia ciągliwości konstrukcji (np.konstrukcje narażone na wpływy sejsmiczne). Maty aramidoweznalazły swoje zastosowanie głównie przy wzmacnianiukonstrukcji narażonych na obciążenia udarowe i zagrożonychwybuchem.Od pewnego czasu matami aramidowymi wzmacniasię słupy narażone na uderzenia pojazdów oraz ścianyskarbców bankowych. W związku z podwyższonym zagrożeniematakami terrorystycznymi materiały aramidowewykorzystuje się także w inwestycjach związanychz zabezpieczeniem istniejących i nowowznoszonychobiektów o szczególnym znaczeniu strategicznym lubpolitycznym. Z uwagi dużą odkształcalność granicznąoraz małą sztywność wstęg z włókien aramidowych możliwajest ich aplikacja w stanie wstępnego naprężenia(wzmocnienia czynne) głównie na elementach nieprostoliniowych(np. słupów żelbetowych). Metoda ta jeststosowana do wykonywania wzmacniających opasekuszkodzonych przekrojów elementów. Wzmocnieniaczynne elementów żelbetowych i drewnianych wykonujesię poprzez sprężenie wzmacnianych elementów naciągniętymitaśmami z włókien węglowychSPOSOBY APLIKACJIMATERIAŁÓW FRPPrzy wzmacnianiu konstrukcji żelbetowych materiałamikompozytowymi rozróżnia się następujące sposoby aplikacjitaśm i mat FRP: naklejanie taśm CFRP na powierzchnię wzmacnianegoelementu, naklejanie wstępnie naprężonych taśm CFRP na powierzchnięwzmacnianego elementu (wzmocnienieczynne), wklejanie taśm CFRP we wzmacniany element w bruzdynacięte piłą diamentową,naklejanie mat FRP (węglowe, szklane, aramidowe) w staniesuchym na powierzchni wzmacnianego elementu –maty o masie powierzchniowej do 600 g/m 2 ,naklejanie mat CFRP metodą na mokro (wet lay up) napowierzchni wzmacnianego elementu – maty o masiepowierzchniowej 400 – 800 g/m 2 ,naklejanie wstępnie naprężonych wstęg AFRP na powierzchnięwzmacnianego elementu (wzmocnienieczynne).Taśmy, jak również maty mogą być naklejane na elementykonstrukcyjne jednokierunkowo lub krzyżowanew różnych kierunkach w zależności od potrzeb.W zależności od sposobu aplikacji taśm oraz mat o takimsamym przekroju można uzyskać znaczne różnice wstopniu wzmocnienia elementuTroszczymy się o jutro

TAŚMYKOMPOZYTOWE S&PTaśmy CFRP wytwarzane są w procesie przeciągania włókienwęglowych przez kąpiel substancji impregnującejw postaci żywicy epoksydowej pod stałym naciskiemelementów formujących. Układ włókien węglowych zatopionychw matrycy żywicznej jest zawsze jednokierunkowyi prostoliniowy. S&P produkuje taśmy o szerokościod 10 do 120 mm i grubości 1,2 oraz 1,4 mm.Taśmy dostarczane są na plac budowy w postaci rolek ośrednicy ok. 1 m. Waga rolki taśmy węglowej o długoścido 150 mb wynosi kilkanaście kilogramów, co pozwala naswobodne transportowanie jej przez jednego pracownikabudowlanegoDODATKOWEZAKOTWIENIA TAŚMCFRPKonieczność wykonania dodatkowego kotwienia końcówtaśm CFRP występuje najczęściej w następującychprzypadkach: w momencie bardzo szybkiego przyrostu wartościmomentu zginającego w pobliżu podpory, w momencie nagłego skrócenia taśmy z uwagi na kolizjęz otworem lub inną przeszkodą,w przypadku zastosowania dwóch warstw taśmy naklejanychna siebie.W każdym przypadku, w którym obliczenia wykażą niewystarczającądługość zakotwienia taśmy należy zastosowaćwiększy przekrój taśmy, większą liczbę taśm, albojedną z metod dodatkowego zakotwienia końców taśmy.Kotwienie swobodnych końcówek taśm można wykonaćnastępująco:Taśmy kompozytowe CFRP (węglowe) do wzmocnień konstrukcji inżynierskichTaśma S&P Lamelle CFK 150/2000 Taśma S&P Lamelle CFK 200/2000Moduł EWytrzymałość narozciąganieModuł EWytrzymałość narozciąganie>165 GPa 2800 N/mm 2 >210 GPa 2500 N/mm 2Szerokość /Grubośćmm/mmSiła rozciągająca przyodkształceniu0.6 / 0.8 %Szerokość /Grubośćmm/mmSiła rozciągająca przyodkształceniu0.6 / 0.8 %10/1.4 13/18 x 10 3 N50/1.2 58/77 x 10 3 N50/1.4 67/90 x 10 3 N 50/1.4 84/112 x 10 3 N60/1.4 81/108 x 10 3 N 60/1.4 101/134 x 10 3 N80/1.2 92/123 x 10 3 N80/1.4 108/143 x 10 3 N 80/1.4 134/179 x 10 3 N90/1.4 121/161 x 10 3 N 90/1.4 151/202 x 10 3 N100/1.2 115/154 x 10 3 N100/1.4 134/179 x 10 3 N 100/1.4 168/224 x 10 3 N120/1.2 138/184 x 10 3 N120/1.4 161/215 x 10 3 N 120/1.4 201/269 x 10 3 Nkotwienie przy pomocy dodatkowych nakładek z matCFRP obejmujących przekrój elementu wraz z końcówkątaśmy CFRP (stosowane wyłącznie w przypadkuwzmacniania belek lub słupów),kotwienie przy pomocy dodatkowych nakładek stalowychmocowanych za pomocą kleju i kotew mechanicznych(rozwiązanie bardzo rozpowszechnione, stosowanenajczęściej przy kotwieniu taśm na płytachstropowych),kotwienie przy pomocy specjalnych, systemowychbloków oporowych wklejanych w konstrukcję. Blokikotwiące składają się z dwóch płyt aluminiowycho specjalnym kształcie, który zapewnia optymalnezamocowanie i dociśnięcie taśm do powierzchni elementu,przez co zapobiega delaminacji taśmy nawetprzy bardzo dużych siłach wyrywających.W przypadku stosowania ostatniego rozwiązania przywymiarowaniu wzmocnienia można przyjąć wyższe dopuszczalnewydłużenia taśmy, a więc w większym stopniuwykorzystać parametry wytrzymałościowe włóknawęglowego.SPRĘŻANIEELEMENTÓW ZAPOMOCĄ TAŚM CFRPW chwili obecnej system opracowany przez S&P dajemożliwość sprężania wzmacnianych elementów za pomocąwstępnie naciąganych taśm CFRP. Poprzez zastosowanietaśm o różnych przekrojach jak również stosującróżną wielkość wstępnego wydłużenia można bardzoprecyzyjnie określić wielkość siły sprężającej. Zastosowaniewstępnego naciągu taśm pozwala:w większym stopniu wykorzystać nośność taśmograniczyć odkształcenie wzmacnianych elementówwłączyć wzmocnienie do współpracy ze wzmacnianymelementem bez konieczności dodatkowych odkształceń,już na etapie montażu wzmocnienia

MATYKOMPOZYTOWE S&PMaty węglowe (CFRP) swą budową przypominają tkaninę,w której włókna węglowe ułożone są warstwowo,prostoliniowo i jednokierunkowo. Włókna ułożone w kierunkugłównym stabilizowane są włóknami poliestrowymiułożonymi poprzecznie.W matach szklanych (GFRP) włókna szklane ułożonesą warstwowo, faliście i dwukierunkowo. Maty szklanemogą posiadać różne ilości włókien w obu kierunkach,np. 50%×50%, 60%×40%, 70%×30%, 80%×20% oraz90%×10 %. Daje to bardzo duże możliwości w kształtowaniuukładu wzmacniającego wykonanego z włókienszklanych.Maty aramidowe (AFRP) przypominają swoją budowąmaty węglowe, czyli tkaniny pracujące jednokierunkowo.Występują one także w postaci taśm (wstęg) wykorzystywanychczęsto jako czynne wzmocnienie czyli zbrojeniewstępnie sprężone, z uwagi na ich dużą odkształcalnośćgraniczną.Maty kompozytowe C, G, A – FRP (węglowe, szklane, aramidowe) do wzmocnieńkonstrukcji inżynierskichSiła niszczącaTyp matySzerokość Długość Grubość przy rozciąganiupróbki szer. 1mmm m mm kNS&P C sheet 240/200 (200g/m 2 ) 300/600 150 0,117 370,50S&P C sheet 240/300 (300g/m 2 ) 300/600 150 0,176 557,30S&P C sheet 240/400 (400g/m 2 ) 300/600 100 0,234 741,0S&P C sheet 240/600 (400g/m 2 ) 300 100 0,352 1 114,6S&P C sheet 640 300 50 0,190 419,60S&P G sheet E 50/50 670 50 0,067 114,86S&P G sheet E 90/10 A 670 50 0,154 264,00S&P G sheet E 90/10 B 670 50 0,308 528,00S&P G sheet AR 50/50 670 50 0,065 78,93S&P G sheet AR 90/10 A 670 50 0,149 180,93S&P G sheet AR 90/10 B 670 50 0,299 363,07S&P A sheet 120/290 (290 g/m 2 ) 300 150 0,200 446,20KLEJE DO APLIKACJIMATERIAŁÓW FRPKleje do aplikacji taśm i mat FRPRodzaj aplikacji Resin 220 Resin 55 ResicemKlejenie taśm CFRP na powierzchnielementuXX - -Wklejanie taśm CFRP w nacięcia welemencieXX XX XXKlejenie mat CFRP, GFRP, AFRP X XX XXXX –zastosowanie zasadniczeX –zastosowanie pomocniczeDo aplikacji materiałów FRP stosuje się kleje na bazie żywicepoksydowych. Są to substancje dwukomponentowe,składające się z żywicy epoksydowej i utwardzacza,które należy przed aplikacją połączyć w odpowiednichproporcjach. Reakcja wiązania jest reakcją egzotermiczną.Czas reakcji zależy od temperatury zewnętrznej orazobjętości rozrobionego materiału. Im wyższa temperaturatym proces wiązania składników kleju przebiega szybciej.Do aplikacji taśm węglowych stosuje się klej Resin220 o wysokiej gęstości, którego tiksotropowość pozwalana klejenie taśm w dowolnej pozycji (także pułapowej)bez stosowania jakichkolwiek podpór. Wyjątek stanowiaplikacja taśm w bruzdach, w pozycji posadzkowej.W tym przypadku do wklejania taśm stosuje się klej Resin55 o stosunkowo dużej płynności. Do aplikacji mat służąkleje Resin 55 i Resicem. W przypadku klejenia mat żywicamusi przesączyć warstwę włókien w macie tak, abynastąpiło zalaminowanie włókien w żywicy epoksydowej.Poza własnościami wytrzymałościowymi ważną cechążywic stosowanych w systemach FRP jest wpływ wilgotnościpodłoża i powietrza oraz temperatury na proces ichwiązania i twardnienia. Kleje Resin 55 oraz Resin 220 powinnybyć aplikowane na suchych podłożach (o wilgotnościmasowej poniżej 4-5%), przy wilgotności względnejpowietrza poniżej 80% oraz przy temperaturze powietrzapowyżej 50C (w zależności od systemu). Klej Resicemumożliwia aplikację materiałów FRP na wilgotnych podłożacho wilgotności masowej nie przekraczającej 12%.W przypadku wzmacniania konstrukcji inżynierskichmateriałami na bazie żywic epoksydowych nie możnazapominać o zjawiskach fizyki budowli. W przypadkustosowania wyłącznie taśm FRP, względnie mat FRP naniewielkich powierzchniach (przy suchych podłożach)w stosunku do wymiarów wzmacnianych elementów, dyfuzyjnośćklejów nie ma znaczenia. Absolutna większośćklejów epoksydowych stosowanych we współczesnychsystemach FRP charakteryzuje się współczynnikiem oporudyfuzji pary wodnej (μH2O) na poziomie zbliżonymdo 1 000 000 (wartość bezwymiarowa). Kleje te stanowiązatem warstwę zamkniętą dla dyfuzji pary wodnej,co w przypadku aplikacji całopowierzchniowych możepowodować odspajanie maty od podłoża na skutek oddziaływaniaciśnienia dyfuzji. Wyjątkiem jest klej Resicem,który po stwardnieniu jest otwarty na dyfuzję pary wodnej(μH2O=5 200).Troszczymy się o jutro

PROJEKTOWANIE WZMOCNIEŃKOMPOZYTOWYCHPrzykładowe zalecenia i procedury obliczeniowe wzmocnieńprzy zastosowaniu materiałów FRP zawiera specjalnyraport fib (fib Bulletin 14 – Externally bonded FRP reinforcementfor RC structures), a także szereg opracowańS&P Reinforcement i S&P Polska, oraz podręczników dotyczącychwymiarowania wzmocnień przy zastosowaniuprogramów obliczeniowych.Ogólne zasady projektowania wzmocnień z zastosowaniemdodatkowego naklejanego lub wklejanego zbrojeniakompozytowego są w dużej mierze analogicznedo projektowania zbrojenia w postaci prętów zbrojeniowych.W przypadku obliczania niezbędnego przekrojuwzmacniających elementów FRP niezbędne jest określeniegranicznego odkształcenia obliczeniowego taśmi mat . Stopień wykorzystania nośności elementów kompozytowychzależy od:rodzaju materiału kompozytowego,rodzaju wzmacnianego elementu i strefy wzmocnienia(wzmocnienia stref zginanych, ścinanych, skręcanych),stopnia wzmocnienia elementu,sposobu aplikacji materiału FRP (wzmocnienia biernelub czynne).Wyznaczenie przekroju materiałów FRP odbywa sięna drodze analizy równań równowagi sił we wzmacnianymprzekroju z uwzględnieniem odkształceń granicznychmateriałów.Firma S&P dostarcza nieodpłatnie profesjonalne oprogramowaniedo projektowania wzmocnień kompozytowychkonstrukcji żelbetowych (programy S&P Lamella i S&PColonna).

W W W . S P - P O L S K A . P LINOWACYJNOŚĆ / KOMPETENCJAMIĘDZYNARODOWA PRAKTYKA I DOŚWIADCZENIEPRODUKTION PORTUGALWWW.SP-POLSKA.PLWWW.SP-REINFORCEMENT.EUS&P Polska Sp. z o.o.82-200 Malborkul. Bydgoska 8Tel: +48 55 646 97 06Fax: +48 55 646 97 01E-mail : info@sp-polska.pl