Solutii de ancorare a compozitelor polimerice utilizate la consolidarea grinzilor din beton armat

Lucrarea de fata prezinta rezultatele incercarilor experimentale efectuate pe grinzi din beton armat consolidate cu materiale compozite polimerice. Deoarece aderenta intre stratul suport si rasina folosita la lipirea compozitelor este punctul slab al solutiei de consolidare, cedarea are loc prin dezlipirea acestora, cu mult inaintea consumarii capacitatii materialului compozit. Acest fenomen apare din cauza tratarii superficiale in faza de pregatire a stratului suport. Pentru a rezolva o asemenea problema de aderenta s-au propus si testat diferite solutii de ancorare. Toate testele au fost facute in laboratorul departamentului de constructii civile al Universitatii “Politehnica” din Timisoara, in cadrul unui program de studiu doctoral.

In Romania multe constructii, fie ele industriale, agricole sau civile, si-au atins sau chiar depasit durata de viata. Altele nu mai corespund din punct de vedere al cerintelor actuale. Astfel ca acestea necesita unele interventii structurale de reabilitare si/sau consolidare, avan­du-se in vedere unele considerente cum ar fi: eficienta, usurinta aplicarii, sustenabilitatea, influenta asupra mediului inconjurator a cladirii si a oamenilor ce o deservesc.

Una dintre solutii ar fi utilizarea materialelor compozite polimerice, accentul punan­du-se, in lucrare, pe consolidarea la moment incovoietor a grinzilor din beton armat si in mod special, pe diferite sisteme de ancorare a materialelor compozite folo­site la consolidare.

PRINCIPIUL DE INCERCARE

Principiul de incercare a elementelor experimentale este cel prezentat in figura 1. Acest mod de incercare a grinzilor este utilizat pe scara larga. Este un principiu de incercare in patru puncte la care incarcarea elementului se face prin aplicarea unei forte verticale, mono­ton crescatoare. Aceasta descarca pe grinda in doua puncte, la o distanta de 140 cm intre ele, situate centrat fata de cele doua reazeme, aflate la 400 cm unul de celalalt. Distanta de la reazem la punctul de descarcare din imediata vecinatate a lui este de 130 cm.

Elementele experimentale incercate in cadrul programului de cer­cetare au aceleasi dimensiuni geometrice: lungimea L = 420 cm, grosimea D = 20 cm, inaltimea H = 40 cm.

De asemenea, elementele sunt similare din punct de vedere al materialelor utilizate (beton si armatura) si anume: beton de clasa C32/40, armatura f_t,med = 781 N/mm2, toate grinzile avand acelasi sistem de armare (armatura longitudinala 3Ø16, bare de montaj 2Ø8, etrieri Ø8/15).

Pentru a simula o eventuala deteriorare a armaturii longitudinale, s-a redus aria de armare prin taierea barei mediane in trei puncte (in dreptul zonelor de transmitere a incarcarii pe grinda si in mijloc – figura 2). Raman, astfel, active doar doua bare din trei. Aceasta s-a rea­lizat pentru grinda martor RB2 si pentru restul grinzilor care au fost consolidate prin diverse sisteme.

PROGRAMUL EXPERIMENTAL

Programul experimental consta din testarea a 13 elemente dintre care:

• doua grinzi martor (RB si RB2);

• doua grinzi consolidate cu mate­riale compozite (R-2W, R-1S-0) – care vor fi elemente martor in analiza sistemelor de ancorare propuse;

• noua grinzi consolidate si ancorate folosind materiale compozite (R-2W-A, R-2W-MA, RL-2W-A, R-2S-W, R-2NSMS, R-1S, R-1S-AS, R-1S-SP, R-1S-CA).

Cele doua grinzi martor, RB si RB2, au avut un comportament ca­racteristic solicitarii din incovoiere, astfel:

• elementul RB a cedat prin zdrobirea betonului in zona comprimata, respectiv deschiderea fisurilor si curgerea armaturilor in zona intinsa, la o valoare a fortei verticale F_max = 196 kN; deplasarea maxima pe verticala a atins valoarea de 120,94 mm;

• elementul RB2 a cedat prin zdrobirea betonului in zona comprimata, respectiv deschiderea fisurilor si curgerea armaturilor in zona intinsa, la o valoare a fortei verticale F_max = 134 kN; deplasarea maxima pe verticala a atins valoarea de 99,72 mm.

Pentru a avea un reper de comparatie, toate grinzile s-au consolidat impunand o capacitate maxima de 160 kN. Compozitul utilizat s-a calculat pentru a asigura suplimentarea capacitatii portante maxime a elementelor de la 134 kN (cat a rezistat grinda martor RB2) la cel putin va­loarea impusa.

Caracteristicile materialelor compozite utilizate la consolidarea elemen­telor sunt prezentate in tabelul 1.

SOLUTII DE CONSOLIDARE

1. Cu tesatura din fibre de carbon

1.a) Elementul R-2W

Din calcul a rezultat ca necesarul de material compozit pentru R-2W este format din doua fasii de tesatura din fibre de carbon cu gro­simea de 0,12 mm, latimea de 180 mm si lungimea de 3.700 mm, suprapuse si lipite pe fata inferioara a grinzii cu rasina epoxi­dica.

Elementul R-2W a cedat prin dezlipirea tesaturii de pe suprafata suport, la o valoare a fortei verticale F_max = 166 kN. Deplasarea maxima pe verticala a atins valoarea de 49,09 mm.

1.b) Elementul R-2W-A

Necesarul de material compozit pentru R-2W-A a rezultat din calcul ca fiind: doua fasii de tesatura din fibre de carbon cu grosimea de 0,12 mm, latimea de 180 mm si lungimea de 3.700 mm, suprapuse si lipite pe fata inferioara a grinzii cu rasina epoxi­dica. Pe langa aceasta mai este nevoie de 6 fasii de tesatura (100×360 mm), pentru confectio­narea amcorajelor de tip tija compozita cu capat floare (Anchor Spike) si de 18 fasii de tesatura (100×180 mm), care vor fi lipite perpendicular pe directia fibrelor din tesatura longitudinala.

Elementul R-2W-A a cedat prin dezlipirea tesaturii de pe suprafata suport si ruperea ei in imediata vecinatate a ancorajului, la o valoare a fortei verticale F_max = 191 kN. Depla­sarea maxima pe verticala a atins valoarea de 69,32 mm.

1.c) Elementul R-2W-MA

Necesarul de material compozit pentru R-2W-MA este similar cu cel pentru R-2W. Pe langa aceasta, mai este nevoie de 4 conexspanuri cu diametrul de 8 mm si 4 discuri diamantate de taiat beton, uzate, cu diametrul de 112 mm, reciclate cu scopul de a le folosi pe post de ancoraje metalice. Mai sunt necesare 18 fasii de tesatura (100 x 180 mm) care vor fi lipite perpendicular pe directia fibrelor din tesatura longitudinala, la fel ca la elementul R-2W-A.

Elementul R-2W-MA a cedat prin dezlipirea tesaturii de pe suprafata suport si ruperea ei intre cele doua ancoraje de capat, la o valoare a fortei verticale F_max = 176 kN, concomitent cu distrugerea betonului in zona comprimata. Deplasarea maxima pe verticala a atins valoarea de 71,42 mm.

1.d) Elementul RL-2W-A

Necesarul de material compozit pentru RL-2W-A a rezultat din calcul ca fiind de: cate doua fasii de tesatura din fibre de carbon, pe fiecare fata laterala a grinzii, fasii cu latimea de 90 mm si lungimea de 3.700 mm, suprapuse si lipite la partea inferioara a fetelor laterale ale grinzii cu rasina epoxi­dica. Pe langa aceasta, mai este nevoie de 12 fasii de tesatura din fibre de sticla (100 x 360 mm) pentru confectionarea ancorajelor de tip tija compozita cu capat floare (Anchor Spikes).

Elementul RL-2W-A a cedat prin dezlipirea tesaturii, planul de alune­care fiind in interiorul compozitului, la o valoare a fortei verticale F_max = 161 kN. S-a ajuns, astfel, la concluzia ca ancorajul are eficinta maxima atunci cand tija acestuia strapunge toate straturile de tesatura si capul tip floare ramane impregnat peste ultimul strat. Deplasarea maxima pe verticala a atins valoarea de 52,99 mm.

2. Cu lamele pultrudate din fibre de carbon

2.a) Elementul R-1S-0

Necesarul de material compozit pentru R-1S-0 rezultat din calcul este mult sub ceea ce ofera o lamela din fibre de carbon cu sectiunea de 1,2 mm x 50 mm. Deoarece producatorul nu avea lamele pultrudate cu sectiune mai mica, s-a folosit cea cu grosimea de 1,2 mm, latimea de 50 mm si lungimea de 3.700 mm, care a fost aplicata pe fata inferioara a grinzii cu rasina epoxidica.

Elementul R-1S-0 a cedat prin dezlipirea lamelei de pe suprafata suport, la o valoare a fortei verticale F_max = 155 kN. Deplasarea maxima, pe verticala, a atins valoarea de 23,67 mm.

2.b) Elementul R-2S-W

Necesarul de material compozit pentru R-2S-W este similar cu cel pentru R-1S-0 (pentru zona intinsa). Pe langa aceasta, mai este nevoie de 4 fasii din tesatura de carbon avand dimensiunile 600 mm x 1.400 mm, infasurate pe directie transversala, cate doua la fiecare capat al grinzii, asemanator confinarii.

Elementul R-2S-W a cedat prin alunecarea partiala a lamelei, concomitent cu forfecarea fibrelor din tesatura de-a lungul lamelei. Alune­carea brusca a lamelei a condus la flambarea acesteia urmata de rupe­rea casanta in partea opusa, la o va­loare a fortei verticale F_max = 291 kN; deplasarea maxima pe verticala a atins valoarea de 93,87 mm.

2.c) Elementul R-2NSMS

Necesarul de material compozit pentru R-2NSMS a rezultat din calcul ca fiind format din: doua lamele din fibre de carbon, cu grosimea de 1,2 mm si latimea de 20 mm, obtinute dintr-o lamela cu latimea de 50 mm, asezate in slituri taiate in beton, pe fata inferioara a grinzii, pe o lungime de 3.700 mm. Lipirea lamelelor se face prin inglobarea lor in rasina epoxi­dica bicomponenta introdusa, in prealabil, in sliturile taiate.

Elementul R-2NSMS a cedat prin ruperea lamelelor si distrugerea betonului in zona comprimata, la o valoare a fortei verticale F_max = 201 kN. Deplasarea maxima pe verticala a atins valoarea de 89,89 mm.

2.d) Elementul R-1S

Necesarul de material compozit pentru R-1S este similar cu cel pentru R-1S-0. Lamela este ancorata la capete cu placute metalice fixate in beton, cu 6 buloane cu diametrul de 10 mm pentru fiecare placuta. In urma testelor la smulgere, s-a ales rasina pentru ancorarea chimica a buloanelor.

Elementul R-1S a cedat prin dez­lipirea lamelei in ancoraje, urmata de distrugerea betonului in zona comprimata si in ultima instanta, smulgerea compozitului din ancoraj, simultan cu ruperea lamelei, la o va­loare a fortei verticale F_max = 224 kN. Deplasarea maxima pe verticala a atins valoarea de 87,11 mm.

2.e) Elementul R-1S-AS

Necesarul de material compozit pentru R-1S-AS este similar cu cel pentru R-1S-0. Lamela este ancorata la capete cu cate doua tije compozite cu capat floare. Pentru a creste randamentul ancorajului, s-a taiat in beton la capetele lamelelor un sant cu latimea de 70 mm si lung de 150 mm, inclinat la 90 fata de planul de aplicare a lamelei.

Elementul R-1S-AS a cedat prin dezlipirea lamelei in ancoraje, urmata de alunecarea si smulgerea compozitului din ancoraje, la o valoa­re a fortei verticale F_max = 181 kN. Deplasarea maxima pe verticala a atins valoarea de 47,44 mm.

2.f) Elementul R-1S-SP

Necesarul de material compozit pentru R-1S-SP este similar cu cel pentru R-1S-0. Lamela este ancorata la capete cu cate trei placute meta­lice (h=10 mm, b=40 mm, l=70 mm) prinse in beton cu conexpanduri M8 (cate doua de fiecare placuta). Distanta dintre placutele metalice este de 150 mm interax. Pentru a creste randamentul ancorajului, s-a taiat in beton la capetele lamelelor un sant cu latimea de 70 mm si lung de 150 mm, inclinat la 90 fata de planul de aplicare a lame­lei (la fel ca la elementul R-1S-AS).

Elementul R-1S-SP a cedat prin dezlipirea lamelei in ancoraj urmata de alunecarea si smulgerea compozitului din ancoraj producand flambarea si ruperea casanta a lamelei in partea opusa, la o valoare a fortei verticale F_max = 177 kN. Deplasarea maxima pe verticala a atins valoarea de 66,06 mm.

2.g) Elementul R-1S-CA

Necesarul de material compozit pentru R-1S-CA este similar cu cel pentru R-1S-0. Lamela este aplicata pe fata inferioara a grinzii cu buloane ancorate chimic in beton si distribuite pe toata lungimea lamelei. Diametrul buloanelor este de 8 mm iar distanta dintre ele este de 85 mm, rezultand un numar de 38 de buloane pe toata lungimea lamelei. Intrucat lamela se comporta foarte bine doar la eforturi de intindere in lungul fibrelor, a fost necesara consolidarea acesteia la presiune pe gaura. In urma testelor facute s-a ales ca metoda de consolidare a lamelei infasurarea cu tesatura din fibre de sticla in dublu strat, astfel incat directia fibrelor de sticla din tesatura sa fie perpendiculara pe directia fibrelor de carbon din lamela.

Elementul R-1S-CA a cedat prin distrugerea betonului in zona comprimata, urmata de distrugerea lamelei in zona de mijloc, la o valoa­re a fortei verticale F_max = 213 kN; deplasarea maxima pe verticala a atins valoarea de 66,27 mm.

CONCLUZII

Diagramele forta-deformatie pentru elementele grupate pe cele doua grupe principale de consolidari (cu tesatura din fibre de carbon respectiv cu lamele pultrudate) sunt pre­zentate in figurile 22 si 23. Astfel, in urma analizarii rezultatelor obtinute se observa ca utilizarea materialelor compozite la consolidarea grinzilor din beton armat a condus la o cres­tere semnificativa a capacitatii portante ultime fata de valoarea impusa de 160 kN, pentru majoritatea solu­tiilor de consolidare adoptate.

Pentru o vizualizare mai buna, s-a calculat randamentul acestor sisteme de consolidare propuse, in raport cu valoarea capacitatii ultime impuse de 160 kN.

Dupa cum se vede, majoritatea sistemelor de consolidare au inde­plinit obiectivul impus al capacitatii maxime de 160 kN. Un singur element, R-1S-0 a avut un randament negativ, atingand doar 97,18% din capacitatea maxima impusa. Acest lucru s-a datorat dezlipirii compozitului de pe suprafata betonului si nu cedarii acestuia. Prin urmare, aplicarea diferitelor tipuri de ancoraje a condus la cresterea randamenului solutiei de consolidare si implicit, a compozitului pana la 87% (figura 24). Acest lucru subliniaza rolul important pe care il au ancorajele in comportamentul elementelor consolidate cu materiale compozite, carora li s-a aplicat o incarcare verticala mono­ton crescatoare.

S-a calculat randamentul sistemelor de ancorare pentru cele doua clase principale de consolidari ale grinzilor la efort din incovoiere: cu tesatura din fibre de carbon si cu lamele pultrudate din fibre de carbon (figura 25). Pentru prima categorie, toate elementele, la consolidarea carora tesatura a fost ancorata folosind diferite solutii, s-au raportat la grinda R-2W (la care nu au fost utilizate ancoraje). Pentru a doua categorie, toate elementele, la consolidarea carora lamela pultrudata a fost ancorata folosind diferite so­lutii, s-au raportat la grinda R-1S-0 (la care nu au fost utilizate ancoraje).

Se observa ca deficitar a fost ancorajul elementului RL-2W-A care, nefiind aplicat prin strapungerea tuturor straturilor de tesatura longitudinala, a permis dezlipirea prematura a tesaturii si implicit, cedarea grinzii inaintea consumarii rezistentei compozitului.

In concluzie, se recomanda utilizarea ancorajelor la consolida­rile cu materiale compozite polimerice.

REFERINTE

[1] D. DIACONU, Consolidarea la incovoiere a grinzilor din beton armat utilizand materiale compozite polimerice si diferite sisteme de ancorare – TEZA DE DOCTORAT, Ed. Politehnica, Timisoara, Romania, 2011;

[2] D. DIACONU, V. STOIAN, S. C. FLORUT, Anchoring Influence in RC Beams Flexural Strengthening Using CFRP Lamellas, Latest Trends on Engineering Mechanics, Structures, Engineering Geology – Corfu Island, Greece, pp. 261 – 265, July 2010;

[3] D. DIACONU, V. STOIAN, S. C. FLORUT, Anchoring Solutions for CFRP Lamellas Used in Flexural Strengthening of RC Beams, Tehnologii Moderne Pentru Mileniul III, Oradea, Romania, vol. XII, pp. 89 – 96, ISSN 1454-4067, Noiembrie 2009;

[4] D. DIACONU, T. NAGY-GYÖRGY, C. DAESCU, V. STOIAN, S. C. FLORUT – RC Elements Strengthened With FRP Composite – Economical Study, Proceedings of the 9th International Symposium on Fiber-Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures, Sydney, Australia, 4 pg. (abstract 1 pag. – 63), ISBN 978-0-9806755-0-4, July 2009;

[5] STOIAN V., NAGY-GYÖRGY T., DAN D., GERGELY J., DAESCU C., Composite Materials for Constructions, Ed. Politehnica, Timisoara, Romania (in Romanian), 2004;

[6] AICI 440-2R-08;

[7] CNR DT200-2004;

[8] GRANT CEEX ET, NR1436/2008, Sisteme avansate pentru consolidarea elementelor structurale din beton armat de tip grinzi, stalpi, pereti si plansee folosind materiale compozite polimerice armate cu fibre Composite Materials for Constructions.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 97 – octombrie 2013, pag. 48

Autori:
as. dr. ing. Dan DIACONU,
prof. dr. ing. Valeriu STOIAN,
s. l. dr. ing. Tamás NAGY-GYÖRGY,
as. dr. ing. Sorin-Codrut FLORUT,
as. drd. Simon PESCARI – Universitatea Politehnica din Timisoara, Departmentul de Constructii Civile si Instalatii