Wzmacnianie konstrukcji budowlanych materiałami kompozytowymi FRP

Naprawa jest tożsama z przywróceniem pierwotnych parametrów wytrzymałościowych lub użytkowych, utraconych wskutek naturalnego zużycia bądź uszkodzenia elementów konstrukcyjnych. Przeprowadzenie naprawy zwykle nie wymaga zatem wykonania szczegółowych analiz obliczeniowych, lecz jedynie właściwej oceny stopnia uszkodzenia oraz dobrej znajomości oferowanych środków i technologii napraw.

W przypadku wzmocnienia mamy do czynienia z zagadnieniem znacznie bardziej odpowiedzialnym i trudnym technicznie. Przez wzmocnienie konstrukcji rozumiemy odpowiedzialne zwiększenie jej pierwotnej nośności bądź sztywności. W związku z tym projekt wzmocnienia musi zawierać: szczegółową analizę sytuacji lub zdefiniowanie nowych założeń projektowych, obliczenia statyczno-wytrzymałościowe, z których wynika niedobór nośności, ocenę stanu technicznego konstrukcji (w przypadku istniejących obiektów) i ostatecznie dobór odpowiednich materiałów i technologii.

Za główne przyczyny wymuszające wzmocnienie konstrukcji uznaje się:

– zmianę sposobu użytkowania obiektu (zwiększenie istniejących obciążeń),

– wprowadzenie zmian w istniejącej konstrukcji (zmiana schematu statycznego, wykonanie dodatkowych otworów),

– poprawę warunków użytkowania obiektu (redukcja ugięć i zarysowań elementów),

– zagrożenie wystąpienia obciążeń wyjątkowych, nieplanowanych na etapie projektowania obiektu,

– przemieszczenia podłoża (nierównomierne osiadanie, wstrząsy parasejsmiczne),

– błędy projektowe i wykonawcze.

Fot. 1 Bierne wzmocnienie płyty żelbetowej taśmami CFRP

Dwie podstawowe metody wzmacniania polegają na zwiększeniu przekroju poprzecznego elementu poprzez dobetonowanie nowych fragmentów lub wprowadzenie dodatkowego zbrojenia w postaci stalowych elementów. Zabiegi te są jednak często pracochłonne (i na etapie przygotowania, i na etapie wbudowania), wymagają użycia ciężkiego sprzętu i wykonania zabezpieczeń antykorozyjnych (w przypadku stosowania stalowych wzmocnień). Nie zawsze jest też możliwe zwiększenie wymiarów elementów. Wszystkie te czynniki spowodowały, że zaczęto poszukiwać nowych materiałów, które pozwoliłyby na znaczne zmniejszenie nakładów i przyspieszenie czasu wykonywania wzmocnień.

Rozwój technologii materiałowej zaowocował wprowadzeniem do zastosowań przemysłowych materiałów kompozytowych (FRP – ang. Fiber Reinforced Polymers/Plastics). Bazą tych materiałów są wysokowytrzymałościowe włókna niemetaliczne zatopione w matrycy epoksydowej. Od lat 80. XX w. materiały te zaczęto stosować w budownictwie [1]. W ciągu ostatnich dwudziestu lat popularność materiałów FRP znacznie wzrosła, co pozwoliło na opracowanie i wdrożenie do praktyki inżynierskiej nowych metod wzmacniania konstrukcji.

Fot. 2 Słup żelbetowy wzmocniony matą aramidową (AFRP)

Kompozyty FRP – rodzaje i charakterystyka

Porównanie podstawowych parametrów materiałów wzmacniających, a także warunków i możliwości wykonania tego typu prac wskazało na wyższość nowoczesnych technologii kompozytowych nad dotychczas stosowanymi [2]. Za najważniejsze cechy stawiające materiały FRP ponad tradycyjne materiały (stal i beton) wykorzystywane do wzmocnień uznano:

– bardzo dobre parametry wytrzymałościowe (wysoka i bardzo wysoka wytrzymałość na rozciąganie, wysoki i ultrawysoki moduł sprężystości),

– nieznaczną masę własną od 1,6 do 2,0 g/cm³ (nie obciążają dodatkowo konstrukcji),

– niewielką grubość warstwy naprawczej (nie przekracza ona kilku milimetrów),

– dużą dowolność kształtowania (zarówno pod względem długości, jak i dopasowania do istniejącego kształtu),

– szybki czas wykonania wzmocnienia;

– łatwy i sprawny transport,

– ograniczenie do minimum prac przygotowawczych i sprzętów pomocniczych,

– bardzo wysoką odporność na korozję i zjawiska starzeniowe,

– bardzo dobrą odporność zmęczeniową.

Pomimo wielu znakomitych cech kompozyty, ze względu na obecność żywic epoksydowych, są nieodporne na wysokie temperatury.W specyficznych warunkach pracy konstrukcji (wysokie zagrożenie pożarowe) wymagane jest zatem zastosowanie dodatkowych zabezpieczeń przeciwpożarowych wzmacnianych powierzchni.

Fot. 3 Bierne wzmocnienie belek żelbetowych przy użyciu taśm CFRP zakot­wionych matą CFRP

W zastosowaniach budowlanych wyróżniamy trzy podstawowe kompozyty, różniące się rodzajem użytych włókien. Stosowane są następujące oznaczenia tych materiałów:

– CFRP – Carbon Fibre Reinforced Polymers – materiały na bazie włókien węglowych);

– GFRP – Glass Fibre Reinforced Polymers – materiały na bazie włókien szklanych);

– AFRP – Aramid Fibre Reinforced Polymers – materiały na bazie włókien aramidowych.

Parametry kompozytu zależą przede wszystkim od cech zastosowanych w nich włókien. Matryca zapewnia jedynie równomierne rozprowadzenie obciążeń, a także chroni delikatne włókna przed czynnikami zewnętrznymi. Podstawowe parametry wybranych włókien przedstawiono w tabeli.

Materiały na bazie włókien syntetycznych charakteryzują się wysoką wytrzymałością na rozciąganie przy bardzo dużej odkształcalności. Taka kombinacja cech powoduje, że stosuje się je przede wszystkim do wzmacniania skarp, nasypów, osuwisk kamieni itp.

Włókna szklane wykorzystywane są w materiałach przeznaczonych do wzmacniania konstrukcji murowych, betonowych i żelbetowych, które charakteryzują się niskimi parametrami wytrzymałościowymi.

Włókna węglowe są najczęściej stosowane. Połączenie wysokiej wytrzymałości na rozciąganie z bardzo wysokim modułem sprężystości powoduje, że materiały CFRP nadają się do wzmacniania wszystkich rodzajów konstrukcji (żelbet, stal czy drewno). Kompozyty CFRP wchodzą we współpracę ze wzmacnianą konstrukcją już przy bardzo niewielkich jej odkształceniach.

Włókna aramidowe jako jedyne charakteryzują się wysoką wytrzymałością także w kierunku poprzecznym. Cecha ta czyni je najlepszymi materiałami do wzmacniania konstrukcji narażonych na oddziaływania dynamiczne, sejsmiczne i wybuchy.

Włókna PBO (z poli(p-fenyleno-2,6-benzobisoksazolu) to nowa generacja włókien o wyjątkowych właściwościach wytrzymałościowych, przewyższających nawet włókna węglowe. Dodatkowo połączenie włókien PBO z matrycą cementową powoduje, że kompozyty te są całkowicie niepalne, a to wyróżnia je spośród innych kompozytów FRP, spajanych żywicą epoksydową.

Szczegółowe informacje na temat cech włókien zawarte są w opracowaniu [3].

Fot. 4 Wzmocnienie słupa żelbetowego taśmą CFRP (układ pionowy) i matą CFRP

Gotowe produkty FRP

Na rynku znaleźć można specjalistyczne systemy naprawcze i wzmacniające, w których skład wchodzą materiały FRP oraz przeznaczone do ich aplikacji kleje. Systemy te dopuszczone są w budownictwie na podstawie ważnych aprobat technicznych, a także na podstawie świadectw europejskich obowiązujących w krajach Unii Europejskiej. Produkty te muszą być używane wyłączenie razem i niedopuszczalne jest stosowanie materiałów FRP i klejów z różnych systemów naprawczych. 

Taśmy kompozytowe

Taśmy produkowane są z włókien węglowych zatopionych w matrycy epoksydowej. Włókna te ułożone są zawsze jednokierunkowo i prostoliniowo. Dostępne są trzy typy taśm, różniące się modułami sprężystości: niski/standardowy LH/SH (165 GPa), wysoki HM (210 GPa) i ultrawysoki UHM (250 GPa). Każdemu z nich przyporządkowana jest wytrzymałość na rozciąganie (wysoka – HS, lub ultrawysoka – UHS). Dostępne szerokości taśm mieszczą się w zakresie od 10 (taśmy wklejane) do 120 mm (taśmy naklejane), przy grubościach od 1,0 do 2,5 mm. W procesie produkcji można wykonać taśmę o niemal dowolnej długości. Szczególnym rodzajem taśm są kształtki typu „L”, wykorzystywane do wzmacniania ścinanych stref belek, jednak ze względu na ich wysoką cenę zastępuje się je często odpowiednio układanymi matami CFRP. Taśmy CFRP wykorzystywane są przede wszystkim do wzmacniania belek i płyt na zginanie (fot. 1), ścian i tarcz na siły rozciągające, a także dozbrajania krawędzi otworów. Dodatkowo taśmy CFRP można stosować w stanie wstępnego naprężenia, co znacznie zwiększa efektywność wzmocnienia.

Fot. 5 Czynne wzmocnienie żelbetowego stropu (widok biernych i czynnych zakotwień)

Maty i siatki kompozytowe

Maty węglowe tworzą tkaniny o zwartej strukturze, w których włókna węglowe (traktowane jako nośne) ułożone są jednokierunkowo lub wielokierunkowo. Stabilizację tych włókien w kierunku poprzecznym stanowią nienośne włókna szklane, aramidowe lub poliestrowe. Wyjątek stanowią dwukierunkowe maty CFRP, w których w obydwu kierunkach zastosowane są nośne włókna węglowe. Gramatura dostępnych mat węglowych, wpływająca na możliwość przenoszenia sił rozciągających, wynosi: 150, 200, 230, 300, 430, 530 i 600 g/m². W siatkach CFRP włókna węglowe ułożone są zawsze dwukierunkowo. Maty i siatki CFRP stosowane są do wzmacniania konstrukcji murowych, żelbetowych płyt, słupów (owijanie), ścian i belek w strefach ścinanych.

Maty i siatki szklane (GFRP) zawierają jedynie włókna szklane, ułożone w dwóch lub w wielu warstwach. Do obliczeń wykorzystuje się jednak tylko udział włókien w dwóch prostopadłych kierunkach. W zależności od producenta udziały te kształtują się następująco (udział procentowy): 50×50, 60×40, 70×30, 80×20 i 90×10. Taka różnorodność w ułożeniu włókien daje bardzo szerokie możliwości kształtowania układu wzmacniającego. Maty i siatki GFRP stosuje się na słabym podłożu betonowym lub żelbetowym, którego wytrzymałość na odrywanie wynosi poniżej 1,0 MPa. Produkty te mogą także służyć do zwiększenia ciągliwości konstrukcji (konstrukcja narażona na wpływy sejsmiczne, konstrukcje murowe).

Maty aramidowe (fot. 2) traktować można jako tkaniny o zwartej strukturze, z wyróżnionym głównym kierunkiem nośnym. Wyróżniają się one dużą odpornością udarową, dlatego stosuje się je głównie w miejscach narażonych na obciążenia wyjątkowe (uderzenie samochodu) i wybuchy. Duża odkształcalność mat AFRP powoduje, że wstęgi aramidowe używane są także w stanie wstępnego naprężenia (wzmocnienie czynne).

Dwukierunkowe siatki PBO układane są w jednej bądź dwóch warstwach, w zależności od żądanej efektywności wzmocnienia. Dzięki mechanicznym właściwościom włókien PBO siatki te mogą przejmować siły wywołane ponadplanowym obciążeniem (na przykład trzęsieniem ziemi). Dodatkowo zastosowanie niepalnej matrycy mineralnej (zapewniającej równocześnie świetne połączenie ze wzmocnianym elementem) powoduje, że produkt ten dobrze sprawdza się w sytuacjach wzmacniania konstrukcji narażonej na obciążenia ogniowe.

Fot. 6 Sprężanie słupa żelbetowego wstęgami aramidowymi (AFRP)

Bierne i czynne wzmacnianie konstrukcji

Ideą biernego wzmocnienia jest pasywne wbudowanie (naklejanie lub wklejanie) kompozytu FRP (taśm bądź mat) w niedozbrojone bądź nadmiernie odkształcone strefy elementu konstrukcyjnego. Współpraca pomiędzy tak wzmocnionym elementem i kompozytem rozpoczyna się jednak dopiero w momencie przyrostu odkształceń konstrukcji, np. w wyniku przyłożenia dodatkowych obciążeń użytkowych. Efektem biernego wzmocnienia zginanego elementu jest poprawa warunków stanu granicznego nośności, zarówno na zginanie, jak i na ścinanie (w belkach). Zwiększenie sztywności przekroju jest tutaj pomijalne ze względu na minimalne pole przekroju laminatu w stosunku do przekroju elementu żelbetowego.

Bardzo ważnym zagadnieniem przy analizie możliwości wykonania biernego wzmocnienia jest rozpoznanie wszystkich ograniczeń metody[4]. Z technicznego punktu widzenia istotne jest maksymalne odciążenie konstrukcji przed jej wzmocnieniem. Brak możliwości czasowego wyeliminowania części obciążeń powoduje, że wykonane wzmocnienie staje się nieefektywne. Drugą ważną kwestią jest określenie zapasu nośności ściskanej strefy betonu. Podniesienie nośności elementu na zginanie (przez doklejenie taśm CFRP) limitowane jest bowiem rzeczywistą nośnością strefy ściskanej. Bardzo ważną sprawą jest także zapewnienie odpowiedniej długości zakotwienia kompozytu, co eliminuje przedwczesną jego delaminację. W sytuacji gdy nie można zachować odpowiedniej długości laminatu (brak miejsca, słabe podłoże), należy wprowadzić dodatkowe kotwienie końców taśm. Można wówczas zastosować naklejanie mat węglowych (fot. 3) bądź mechaniczne kotwienie (stalowe płyty).

Bierne wzmocnienie kompozytami FRP stosowane jest także w słupach żelbetowych. Elementy te owijane są matami węglowymi (fot. 4), aramidowymi bądź szklanymi, w zależności od potrzeb. Ten sposób wzmocnienia powoduje zwiększenie nośności słupów lub przywrócenie ich pierwotnych parametrów, utraconych w wyniku różnego rodzaju uszkodzeń.

Bezdyskusyjną zaletą biernego wzmocnienia jest nieskomplikowana i prosta technologia aplikacji, niewymagająca uciążliwych prac przygotowawczych, a także specjalistycznego sprzętu,dlatego koszt wykonania takiego wzmocnienia jest relatywnie niski.

Czynne wzmocnienie elementu polega na zewnętrznym jego sprężeniu taśmą CFRP. Proces ten odbywa się z wykorzystaniem niezależnych urządzeń naciągowych, mocowanych bezpośrednio do wzmacnianego elementu. Wprowadzenie do zginanej konstrukcji dodatkowych sił ściskających, ze wstępnie naprężonego kompozytu, zmienia w niej rozkład sił wewnętrznych. Sytua­cja taka pozwala na pełną współpracę kompozytu i wzmacnianego elementu już w momencie wykonywania wzmocnienia, a dodatkowo powoduje znacznie lepsze wykorzystanie parametrów wytrzymałościowych taśmy.

Pożądanym efektem czynnego wzmocnienia jest znaczny wzrost nośności elementu na zginanie, znacznie większy niż w przypadku biernego wzmocnienia.Spowodowane jest to faktem, że oprócz zwiększenia nośności strefy rozciąganej przez wprowadzenie dodatkowego zbrojenia (kompozytu) uzyskiwany jest także realny wzrost nośności ściskanej strefy betonu. Najistotniejszym jednak aspektem czynnego wzmocnienia jest znacząca poprawa właściwości użytkowych konstrukcji. Poprzez zewnętrzne sprężenie uzyskujemy redukcję ugięcia elementu i zmniejszenie szerokości rozwarcia istniejących rys. W skrajnym przypadku sprężenie prowadzić może nawet do zapewnienia przekrojom zarysowanym zamknięcia powstałych rys. Na fot. 5 pokazano sprężenie żelbetowej płyty przy użyciu naprężonych taśm CFRP.

Nieodzownym elementem każdego systemu czynnego wzmocnienia są zakot­wienia końców taśm.Pełnią one ważną funkcję zarówno w trakcie sprężania (przetrzymują taśmę i przekazują siły sprężające na element), jak i w trakcie użytkowania konstrukcji (zapobiegają przedwczesnej delaminacji, zapewniają dalszą pracę wzmocnienia w sytuacji utraty przyczepności między taśmą i elementem).

Za podstawową wadę tej metody wzmocnienia ciągle jeszcze uznaje się koszt jej wykonania. Przeprowadzenie procesu sprężenia wymaga specjalistycznego sprzętu naciągowego i wyspecjalizowanej ekipy montażowej.

W stanie wstępnego naprężenia aplikowane są także wstęgi z włókien aramidowych. Ten sposób wzmocnienia, w formie obwodowego układania pojedynczych naprężonych opasek (fot. 6), stosowany jest w sytuacji, kiedy wymagamy np. znacznego zwiększenia nośności żelbetowych słupów (większego niż zapewnia wzmocnienie bierne).

Fot. 7 Przykładowy sposób wymiarowania wzmocnienia przy użyciu programu komputerowego

Ogólne zasady projektowania wzmocnień

Wszystkie parametry wytrzymałościowe taśm i mat kompozytowych, potrzebne do projektowania wzmocnienia, podawane są w kartach technicznych produktów. Przykładowe zalecenia i procedury obliczeniowe wzmocnień przy zastosowaniu materiałów FRP zawiera specjalistyczny raport [5], a także wiele opracowań wydawanych przez producentów materiałów kompozytowych.

Ogólne zasady projektowania wzmocnień z zastosowaniem dodatkowego naklejanego lub wklejanego zbrojenia kompozytowego są analogiczne do projektowania zbrojenia miękkiego w postaci prętów zbrojeniowych. W przypadku obliczania niezbędnego przekroju wzmocnienia określa się graniczne obliczeniowe odkształcenie kompozytu, które liniowo odpowiada przenoszonej przez niego sile. Analiza obliczeniowa obejmuje równania równowagi sił we wzmacnianym przekroju, w uwzględnieniem przyjętych odkształceń granicznych. Bardzo ważne jest, aby przyjmowane w obliczeniach odkształcenia taśmy odpowiadały realnym odkształceniom konstrukcji, które wystąpią po wykonaniu wzmocnienia. Tylko w takim przypadku taśma będzie efektywnie wzmacniać konstrukcję.

Obecnie projektanci mają do dyspozycji wiele programów komputerowych wyznaczających wymagane pole powierzchni materiału kompozytowego (fot. 7). Pamiętać należy jednak, że to projektant określa wszystkie sytuacje, które wpływają na spadek efektywności i skuteczności wzmocnienia.

Tab. Wybrane własności włókien polimerowych

Ogólne zasady wykonywania wzmocnień

Technologia biernej aplikacji materiałów FRP jest stosunkowo prosta i bardzo szybka.

Niezmiernie istotne jest prawidłowe przygotowanie podłoża betonowego w celu osiągnięcia zakładanych parametrów wytrzymałościowych, głównie wytrzymałości na odrywanie. Kontrolę tego parametru należy każdorazowo przeprowadzić metodą pull-off, a uzyskany wynik powinien być większy od 1,5 MPa (poza aplikacją mat szklanych). W przypadku występowania ponadnormatywnych nierówności podłoża w strefach układania taśmy wykonuje się reprofilacje powierzchni (szpachlówką żywiczną, materiałami PCC lub SPCC, betonem natryskowym). Wypełnienie ewentualnych rys i pęknięć w konstrukcji betonowej lub żelbetowej przeprowadza się żywicą epoksydową przy zastosowaniu iniekcji ciśnieniowej.

Podczas klejenia i twardnienia kleju należy kontrolować temperaturę powietrza i podłoża oraz wilgotność względną powietrza i masową podłoża. Bardzo istotne jest prawidłowe wymieszanie i naniesienie kleju na taśmę (bez pustek powietrza), a następnie poprawne jej przyklejenie do oczyszczonej powierzchni wzmacnianego elementu. Dzięki bardzo dobrej stabilności kleju nie jest konieczne stosowanie żadnych pomocniczych podpór.

Prace przygotowawcze obejmujące przygotowanie podłoża przed naklejaniem mat kompozytowych są identyczne jak przy aplikacji taśm. Różnice występują podczas klejenia. Po pierwsze, aplikacja mat wymaga zastosowania innych klejów. Po drugie, sposób klejenia jest nieco odmienny, gdyż wymagane są dwie warstwy
kleju – żywicy laminującej (na powierzchni betonu i na naklejonej macie). Większa liczba warstw mat może być nakładana metodą mokre na mokre. W celu poprawy przyczepności później układanej warstwy (np. tynku) można świeżo ułożoną matę posypać piaskiem kwarcowym.

Ewentualne nanoszenie powłok malarskich na wzmocnione powierzchnie nie wymaga dodatkowych zabiegów. Większość klejów żywicznych osiąga ok. 70–80% wytrzymałości po 24 godzinach w temperaturze ok. 23^oC, a pełną wytrzymałość – po upływie 7 dni.

Kontrolę wytwarzania materiałów kompozytowych prowadzi producent, natomiast kontrolę przydatności materiałów do zastosowania prowadzi wykonawca robót.Dodatkowo w czasie wykonywania robót powinny być prowadzone odpowiednie badania i kontrole zarówno przez nadzór własny wykonawcy, jak i nadzór zewnętrzny.

Aplikacja wstępnie naprężonych taśm CFRP wymaga większego nakładu pracy i środków, gdyż oprócz prac przygotowawczych (identycznych jak przy biernym wzmocnieniu) należy  przeprowadzić proces naciągu kompozytu (specjalny sprzęt sprężający), a następnie prawidłowo go zakotwić (zakotwienia bierne i czynne).

Szczegółowy opis prowadzenia prac wzmacniających zarówno w przypadku biernego, jak i czynnego wzmocnienia przedstawiony jest w opracowaniu [6].

Podsumowanie

Wzmacnianie konstrukcji budowlanych przy użyciu kompozytów FRP staje się coraz bardziej powszechną praktyką inżynierską. Szeroki zakres dostępnych materiałów kompozytowych pozwala na dość swobodny dobór odpowiedniego materiału, Wybór metody wzmocnienia zależy natomiast od wielu czynników. Wśród najważniejszych wymienić należy wymaganą skuteczność wzmocnienia (rozumianą jako eliminację rzeczywistego niedoboru nośności) oraz możliwości techniczne i technologiczne prowadzenia prac. Niezależnie od przyjętego materiału kompozytowego i sposobu jego aplikacji rzeczą najważniejszą pozostają jednak wiedza i doświadczenie projektanta, gwarantujące prawidłowość i skuteczność przyjętych rozwiązań.

dr inż. Marta Kałuża

Katedra Inżynierii Budowlanej
Politechnika Śląska

mgr inż. Tomasz Bartosik

Euro-Projekt, Wrocław

Literatura

1. U. Meier, Brückensanierungen mit Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen, „Material und Technik”, V. 4, 1987.

2. J. Kubica, J. Hulimka, M. Kałuża, Specyfika wzmacniania konstrukcji betonowych i murowych materiałami kompozytowymi, „Inżynieria i Budownictwo” nr 5/6/2010.

3. M. Fejdyś, M. Łandwijt, Włókna techniczne wzmacniające materiały kompozytowe, „Techniczne wyroby włókiennicze”, 2010.

4. M. Kałuża, Wybór odpowiedniej metody wzmocnienia konstrukcji żelbetowych kompozytami, „Materiały Budowlane” nr 6/2013.

5. T. Triafantafillou et al., fib Bulletin 14, Externally Bonded FRP reinforcement for RC structures, July 2001.

6. M. Kałuża, T. Bartosik, Wzmacnianie konstrukcji budowlanych taśmami i matami FRP – zagadnienia technologiczne, XXIX Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk, 26–29 marca 2014.