Reabilitarea structurala a peretilor hibrizi otel-beton utilizand mortare de inalta performanta armate cu fibre

Peretii structurali hibrizi cu sectiune compusa otel-beton sunt elemente structurale foarte des intalnite in cadrul cladirilor inalte amplasate in zone seismice al caror concept de proiectare se bazeaza pe disiparea energiei seismice si care vizeaza elemente cu rigiditate semnificativa si capacitate ridicata de deformare plastica, fiind solutii alternative in alegerea celor mai bune configuratii sectionale ale elementelor structurale din cadrul unui sistem de preluare a incarcarilor laterale al unei cladiri.

Articolul de fata prezinta etapa de inceput a unui studiu experimental prin care s-a propus o abordare moderna de consolidare a unor astfel de elemente utilizand mortare de inalta performanta armate cu fibre metalice, descriind tehnologia utilizata la consolidarea elementelor, materialele folosite precum si rezultatele obtinute in urma testelor efectuate asupra unui perete structural cu sectiune compusa otel-beton.

In ultima perioada, la nivel mondial sunt studiate pe scara larga betoanele sau mortarele armate dispers cu fibre din diverse materiale, precum cele din otel, fibra de sticla sau de carbon, materiale mai putin folosite in practica curenta a betoanelor/mortarelor la executia elementelor de constructii sau pentru remedierea si consolidarea acestora.

Armarea cu fibre a materialelor are la baza considerente precum reducerea deschiderilor fisurilor, cresterea durabilitatii elementelor, cresterea rezistentelor mecanice si a rezistentei la ciclurile repetate de inghet-dezghet (conditii de durabilitate) etc., caracteristici cu care se „confrunta” mortarele si betoanele folosite in constructii in momentul de fata.

In cazurile practice de proiectare, la dimensionarea elementelor din beton armat, in general, se neglijeaza rezistenta la intindere a betonului, deoarece acesta, fisurand, nu mai asigura transmiterea eforturilor din zona intinsa, fiind necesara dispunerea unor armaturi pentru preluarea acestor eforturi. Acesta este unul dintre cele mai importante motive pentru care astfel de materiale armate cu fibre disperse au fost concepute.

Daca prin dispunerea fibrelor de diverse tipuri in masa betoanelor sau mortarelor si prin respectarea unor procente minime de fibre inglobate se reuseste ca starea de fisurare sa fie redusa ca efect, fisurile avand traiectorii multiple pe suprafata si deschideri mici, atunci un astfel de material ar putea substitui arii echivalente semnificative de otel la nivelul armarii elementelor din beton armat sau precomprimat.

Astfel de cercetari sunt realizate in momentul de fata, pentru a combate starea de fisurare a betoanelor si a mortarelor folosite la realizarea elementelor de constructii si pentru a obtine materiale definite de caracteristici mecanice ridicate ca performanta. Totodata, utilizarea unor astfel de materiale la consolidarea elementelor din beton armat (grinzi, placi, stalpi etc.) poate conduce la cresteri semnificative ale capacitatii portante – cu cel putin 25% mai mult decat in situatia initiala neconsolidata.

Este descrisa in continuare o solutie de consolidare a unor pereti cu sectiune compusa otel-beton, folosind mortare de inalta rezistenta armate cu fibre metalice. Solutia propusa pentru consolidarea peretilor structurali din beton este relativ putin studiata la nivel mondial.

Metoda a fost aplicata asupra a 3 pereti compusi testati in prima faza pana la cedare, iar apoi reparati, consolidati si reincercati pentru a observa eficienta acestei consolidari.

PROGRAMUL EXPERIMENTAL

Rezultatele obtinute prezentate in acest articol reprezinta continuarea unui program de incercari experimentale, in cadrul caruia au fost studiati o serie de pereti compusi otel-beton, cu caracteristici sectionale similare cu cele ale unor pereti din beton armat considerati ca referinta (fig. 1), conceputi in scopul incercarii de a inlocui total sau partial barele de armatura orizontale sau verticale din campul sau de la extremitatile peretilor din beton armat cu un beton armat dispers cu fibre metalice [3], sau cu profile metalice de diferite sectiuni, inglobate total sau partial in beton [4], comparand performantele acestora cu performantele peretilor din beton armat considerati ca referinta.

Peretii au fost testati in regim cvasi-static, printr-o procedura care simuleaza actiunea unui seism, in scopul determinarii comportamentului neliniar al acestora.

Trei dintre specimenele testate au fost ulterior consolidate (specimenele nr. 2, 3 si 4) prin aplicarea unei camasuiri, printr-un strat de mortar bicomponent de inalta performanta armat cu fibre (HPSFRCC – „High performance steel fibre reinforced cementitious composite”) de grosime constanta de 2,5 cm, aplicat perimetral pe toata inaltimea peretilor.

Peretii astfel conceputi au inaltimea de 3 m, latimea de 1 m, respectiv grosimea de 10 cm, scaland dimensiunile unui perete al unei cladiri cu 3 niveluri, cu structura de rezistenta compusa din pereti necuplati si plansee de tip dala. Dupa consolidare, peretii au avut aceeasi inaltime, latimea majorata la 1,05 m, respectiv grosimea de 15 cm (2,5+10+2,5 cm). Peretii lamelari cu sectiune rectangulara inglobeaza total/partial la extremitati profile metalice specifice elementelor de otel-beton.

Profilele metalice conlucreaza cu betonul prin intermediul unor gujoane de 13 mm diametru dispuse la fiecare 15 cm pe lungimea profilelor. Armaturile verticale de la extremitati prezinta carcase inchise formate din 8 bare de 10 mm diametru, confinate cu etrieri de 8 mm diametru dispusi la 7,5 cm pe inaltimea peretelui. Armaturile si profilele metalice sunt ancorate intr-un bloc de fundatie puternic armat astfel incat in timpul testelor sa fie evitata orice posibila cedare la nivelul incastrarii peretelui.

MATERIALE UTILIZATE

Otelul din care au fost confectionate profilele metalice corespunde unei clase de rezistenta S355 (f_yk = 355 MPa) iar armaturile orizontale si verticale corespund unui otel de tip S500C (f_yk = 500 MPa). Betonul armat dispers prezinta urmatoarele elemente constitutive: ciment: 320 kg; apa: 170 l/m3, nisip: 725 kg, agregate naturale: 1.087 kg, filer: 70 kg, aditivi: 3,5 l, iar pentru armarea dispersa a acestuia, fibre metalice cu ciocuri la extremitati, cu lungimea de 60 mm, 0,8 mm diametru si rezistenta la intindere de 1.100 MPa. Caracteristicile mecanice ale betonului armat dispers, in urma testelor efectuate pe cuburi si elemente prismatice, corespund unei clase de rezistenta C30/37 (f_ck = 43,06 MPa; f_ct = 4,9 Mpa). Pentru consolidarea specimenelor, s-a folosit un mortar de inalta performanta, pe baza de ciment armat cu fibre metalice. Materialul este un produs comercializat, pre-dozat, care se constituie din doua parti componente: componenta A, mortarul, care reprezinta un amestec de ciment, nisip si aditivi speciali care ofera performante ridicate din punct de vedere al rezistentelor mecanice, si componenta B, fibrele de otel, avand lungimea cuprinsa intre 13-15 mm respectiv 0,2 mm diametru, reprezentand aproximativ 6,5% din cantitatea de mortar utilizata la preparare. Caracteristicile mecanice ale mortarului au fost determinate prin teste efectuate pe cuburi si elemente prismatice.

Au fost determinate rezistente la compresiune in jurul valorii medii de 121 MPa iar la intindere din incovoiere valori cuprinse in intervalul 5,46 – 9,57 MPa.

STANDUL EXPERIMENTAL SI PROCEDURA DE TESTARE

Peretii testati experimental au fost incarcati cu forte verticale de compresiune de aproximativ 100 kN si cu forte laterale aplicate cvasi-static, stanga-dreapta, in regim de deplasare. Fortele au fost aplicate prin intermediul unor cricuri hidraulice de 400 kN capacitate. Standul experimental este compus din doua ferme cu zabrele metalice plasate in lateralele peretilor pentru a asigura transmiterea fortelor exercitate in planul peretilor. Incastrarea peretilor testati a fost posibila prin intermediul unor buloane de ancoraj si a unor piese metalice care au fost fixate in planseul de reactiune a standului experimental. Protocolul ciclic de incercare s-a stabilit in baza procedurii de testare ECCS [5] folosita la testarea elementelor metalice ductile. Minimum 4 cicluri de incercare au fost asigurate inainte ca limita elastica a specimenelor sa fie atinsa. Pentru monitorizarea de ansamblu a elementelor testate au fost utilizati captori de forta si de deplasare.

REZULTATE OBTINUTE EXPERIMENTAL

• Pereti compusi otel-beton cu profile metalice inglobate la extremitati

Testele efectuate asupra peretilor compusi otel-beton cu armaturi traditionale amplasate in campul elementelor si cu profile metalice concentrate la extremitati in scopul inlocuirii armaturilor din bulbii peretilor din beton armat au condus la obtinerea unor performante ridicate ale acestora sub efectul ciclic al incarcarilor laterale, elementele prezentand un comportament neliniar similar cu cel al peretilor din beton armat considerati ca referinta, ba mai mult, cu cresteri semnificative, de peste 25%, ale capacitatii si ductilitatii specimenelor, cu o rata crescuta a energiei disipate, modul de comportare a specimenelor fiind caracterizat de reducerea progresiva a rigiditatii pe ciclurile de incarcare efectuate pana la atingerea pragului maxim de incarcare si ulterior cedarea prin ruperea efectiva a profilelor metalice din zona intinsa si/sau zdrobirea betonului de la extremitati din zona comprimata. Specimenele testate au avut deplasari de aproximativ 150 mm comparabile cu specimenele din beton armat.

• Pereti compusi otel-beton realizati din beton armat dispers cu fibre metalice (CSFRCW) si profile metalice inglobate la extremitati

Testele experimentale efectuate asupra grupului de specimene cu sectiunea compusa din profile metalice inglobate la extremitati si beton armat dispers cu fibre metalice, constituite in scopul incercarii inlocuirii complete a barelor de armatura din campul elementelor, prin respectarea unui procent minim de fibre metalice in masa betonului [6], releva un comportament fragil al acestor specimene. Specimenele prezinta rigiditatea la forte laterale similara pe zona elastica de comportare cu celelalte specimene testate (CSRCW), insa fara distribuirea fisurilor pe suprafata elementelor caracteristica unui mod ductil de comportare, ci dezvoltarea unei fisuri diagonale cu deschidere pronuntata concentrata in zona centrala si cu o rata scazuta a energiei induse, comportament asemanator unui mod de cedare asociat cedarii din forta taietoare, in final conducand la concluzia ca o asemenea configuratie a unor pereti cu sectiune compusa nu este adecvat a fi folosita in zone cu seismicitate mare, deoarece betonul propus nu poate suplini capacitatea portanta a barelor de armatura inlocuite. Specimenele au atins pragul maxim al deplasarii de 30-40 mm, fara ruperea profilelor metalice in zona intinsa sau zdrobirea betonului in zona comprimata, nivelul de ductilitate al elementelor fiind de aproximativ 3,5 ori mai mic in comparatie cu celelalte specimene testate (CSRCW, RCW).

La sfarsitul incercarii specimenele au prezentat diverse zone cu degradari semnificative, constand in distrugeri complete ale betonului in zona centrala, si fisuri dezvoltate cu deschideri pronuntate care necesita a fi remediate pentru refacerea capacitatii portante a acestor elemente.

CONSOLIDAREA SPECIMENELOR

Consolidarea specimenelor a fost realizata in doua etape: prima etapa a constat in remedierea tuturor defectelor, a fisurilor si crapaturilor, a zonelor de beton degradat si ulterior pregatirea suprafetei peretilor in vederea aplicarii materialului pentru consolidare, iar a doua etapa a constat in camasuirea perimetrala a elementelor folosind mortarul armat cu fibre de inalta performanta structurala, aplicat intr-un strat foarte subtire de material. Repararea peretilor a constat in largirea fisurilor si crapaturilor de pe suprafata acestora, respectiv indepartarea zonelor de beton care prezentau un nivel semnificativ de degradare.

Fisurile au fost reparate cu ajutorul unor rasini epoxidice fluide, iar golurile existente in pereti dupa prelucrarea mecanica, cu un mortar pe baza de ciment armat cu fibre de polipropilena cu intarire rapida. Inainte de aplicarea acestor materiale, suprafata fisurilor si a crapaturilor a fost aspirata, curatata si prelucrata mecanic, astfel incat nivelul de incluziuni si impuritati sa fie cat mai redus, iar aderenta materialelor noi pe suprafata betonului sa fie asigurata.

Pentru asigurarea grosimii impuse a mortarului pentru consolidarea elementelor, au fost aplicati pe suprafata acestora distantieri metalici confectionati cu grosime de 2,5 cm (cca. 4 buc./mp).

Camasuirea peretilor s-a realizat prin intermediul unui cofraj clasic, mestesugaresc, aplicand mortarul armat cu fibre de inalta performanta cu grosimea de 2,5 cm pe intreg perimetrul peretilor. Modul de preparare a mortarului a constat in introducerea a 1,625 kg fibre de otel la fiecare 25 kg de mortar in combinatie cu 3-3,2 l de apa. Timpul de malaxare necesar pentru prepararea acestuia a fost intre 10-12 minute. Se recomanda amestecarea componentei A timp de 6-8 minute, dupa care introducerea progresiva a componentei B si continuarea malaxarii timp de alte 4-5 minute.

Ancorarea in blocul de fundare a camasii de mortar s-a realizat prin intermediul a 5 cupoane de armatura Φ12 mm de calitate S355 (f_yk = 355 MPa) introduse in blocul de fundare si ancorate cu rasina epoxidica. Lungimea de ancoraj in blocul de fundare a cupoanelor de armatura a fost de aproximativ Φ10. Lungimea barelor inglobate in camasa de mortar a fost de aproximativ 50 cm.

COMPORTAREA SPECIMENELOR CONSOLIDATE

Testele efectuate pe specimenele consolidate au prezentat o comportare de ansamblu imbunatatita fata de situatia initiala, cu o rata crescuta a energiei disipate, a rigiditatii si a deplasarilor laterale inregistrate. Comparativ cu situatia initiala, in care modul de cedare la forta taietoare a peretilor a fost vizibil doar dupa cateva cicluri de incarcare prin fisuri inclinate, fisurile aparute dupa consolidare au avut o traiectorie cvasi-orizontala specifica cedarii prin incovoiere, fiind prezente inca din primele cicluri de incarcare si distribuindu-se pe toata suprafata peretilor.

Au fost inregistrate si valori mai mari ale fortelor laterale, precum si deplasari mai mari cu aproximativ 50% fata de situatia initiala.

La elementele initiale neconsolidate, la atingerea unui drift de 35-40 mm s-a atins pragul de cedare, in timp ce dupa consolidare, la nivelul acestui drift, specimenele nu au atins limita elastica.

Fisurile aparute pe suprafata specimenului inainte de consolidare au fost insemnate incepand cu ciclul 3 de incarcare, la valoarea de 15 mm a driftului, fisurile dezvoltandu-se la 15 cm distanta fata de extremitatile peretilor, practic zona unde betonul armat dispers nu mai este confinat de armaturi. Dupa consolidare, specimenul a prezentat o stare de fisurare mult mai pronuntata, inca de la primele cicluri de incarcare, cu fisuri dezvoltate sub o forma ramificata, formand grupuri inclinate de fisuri, dezvoltate de la margine spre centrul peretilor, cu deschideri de 0,15-0,20 mm. Acest lucru denota faptul ca specimenul prezinta un comportament superior fata de situatia initiala, avand o rata a disiparii energiei induse si rigiditatea la forte laterale mai mare. Specimenul a prezentat un comportament aproximativ liniar dupa consolidare, fara o pierdere semnificativa a capacitatii portante, la nivelul la care specimenul in situatia initiala isi atingea capacitatea ultima. Metoda de consolidare practicata a asigurat o crestere semnificativa a capacitatatii portante a specimenului.

CONCLUZII

Materialul utilizat pentru consolidarea specimenelor, mortarul armat cu fibre metalice, prezinta un potential semnificativ in ceea ce priveste refacerea capacitatii portante a elementelor precum peretii structurali din beton armat, aflate intr-o stare de degradare pronuntata. Practic, dupa aproximativ 12 ore de la punerea in opera, materialul atinge o rezistenta la compresiune de peste 30 MPa, elementele consolidate putand fi decofrate. Totodata, solutia propusa pentru consolidare nu necesita armaturi suplimentare, la grosimi de material pana la 5,0 cm, decat cele propuse de la baza peretilor, care asigura transmiterea solicitarilor spre elementele de incastrare. Aceste aspecte prezinta practic avantaje notabile in ceea ce priveste timpul necesar pentru reasigurarea capacitatii portante a elementelor degradate si eficienta solutiilor propuse, capacitatea elementelor structurale fiind restabilita cu cresteri semnificative in termeni de rezistenta si rigiditate.

Comportamentul de ansamblu al specimenului testat este apropiat de modul de comportare a celorlalte elemente testate in cadrul programului experimental.

REFERINTE

[1] Lampropoulos, A. P., Paschalis, S. A., Tsioulou, O. T., Dritsos, S. E., 2016. Strengthening of reinforced concrete beams using ultra high fibre reinforced concrete (UHPFRC). Engineering Structures, Vol. 106, pp. 370-384;

[2] Xiuling, L., Juan, W., Yi, B., Genda, C., 2017. Cyclic behavior of damaged reinforced concrete columns repaired with high-performance fibre-reinforced cementitious composite. Engineering Structures, Vol. 136, pp. 800-813;

[3] Boita, I. E., Dan, D., Stoian, V., 2017. Seismic behaviour of composite steel fibre reinforced concrete shear walls. World Multidisciplinary Civil Engineering-Arhitecture-Urban Planning Symposium, WMCAUS 2017, Vol. 245, Prague, Czech Republic;

[4] Dan, D., Fabian, A., Stoian, V., 2011. Theoretical and experimental study on composite steel-concrete shear walls with vertical steel encased profiles. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 136, pp. 26-35;

[5] ECCS. Recommended testing procedure for assessing the behaviour of structural steel elements under cyclic loads (1999). European Convention for Constructional Steelwork;

[6] Boita, I. E., Dan, D., Stoian, V. A., Florut, S. C., Todea, V. C., 2016. Composite Steel Fibber Reinforced Concrete Shear Walls with Vertical Steel Encased Profiles. 16th National Technical-Scientific Conference on Modern Technologies for the 3rd Millennium, Oradea, Romania.

Autori:
dr. ing. Viorel Constantin TODEA, prof. univ. dr. ing. Valeriu Augustin STOIAN, ș.l. univ. dr. ing. Sorin-Codrut FLORUT, prof. univ. dr. ing. Tamás NAGY-GYÖRGY –
Departamentul de Constructii Civile si Instalatii, Facultatea de Constructii, Universitatea Politehnica Timisoara

(Din AICPS Review 1-2/2018)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 184 – septembrie 2021, pag. 44