Projektowanie wzmocnień konstrukcji murowych systemami FRCM w świetle badań i zaleceń normowych

Projektowanie konstrukcji budowlanych w Polsce jest możliwe w oparciu o Eurokody, gdyż zostały one wymienione w załączniku nr 1 do przywołanego rozporządzenia (zmienionego w grudniu 2017). Normą właściwą do projektowania konstrukcji murowych jest Eurokod 6 (EC-6) [1].

Wzmocnienia powierzchniowe, a w szczególności FRCM, nie mają odpowiednich wytycznych ani normy zharmonizowanej z Euro­kodami, można natomiast znaleźć wytyczne amerykańskie [2] lub włoskie [3]. W świecie prowadzi się wiele badań, lecz są one ukierunkowane głównie na amerykańskie normy materiałowe. Tymczasem projektowanie zgodnie z EC-6 wymaga określenia parametrów materiałowych według norm związanych z tym Eurokodem.

W niniejszej pracy starano się przedstawić stan wiedzy na temat wzmocnień konstrukcji murowych systemem FRCM, ze szczególnym uwzględnieniem możliwości wykorzystania wyników badań w analizach obliczeniowych zgodnych Z EC-6

Wzmocnienia powierzchniowe

Wzmocnienie powierzchniowe polega na utworzeniu konstrukcji zespolonej: muru ze wzmocnieniem, czyli z kilkucentymetrową warstwą z dodatkowym zbrojeniem, układaną przy powierzchni naprawianej ściany. Warstwą wzmacniającą może być zwykły tynk cementowy, tynk cementowo-wapienny zbrojony siatką lub zbrojony beton natryskowy (RYS. 1).

Często stosuje się laminaty FRP, czyli materiały kompozytowe z matrycy polimerowej zbrojonej włóknami (RYS. 2).

Ostatnio dużą popularność zdobywają również materiały kompozytowe na matrycy cementowej FRCM (RYS. 3).

Wzmocnienia powierzchniowe stosuje się najczęściej, gdy na ścianach występuje duża liczba rys nieregularnych i rys rozrzuconych oraz w przypadku konieczności zwiększenia nośności konstrukcji murowej [4-5]. Wzmocnienie może być wykonane jako jednostronne lub dwustronne na całej powierzchni ściany bądź tylko na jej części.

Systemy FRCM to ciekawa alternatywa dla powszechnie już stosowanych systemów wzmacniania i naprawy konstrukcji istniejących. Składają się one z dwóch zasadniczych elementów:

• siatki z włókien o dużej wytrzymałości oraz
• zaprawy mineralnej stanowiącej matrycę materiału kompozytowego.

Zaprawa odpowiada za przenoszenie naprężeń między podłożem a siatką oraz zapewnia połączenie kompozytu z konstrukcją, która podlega wzmocnieniu. Jako zbrojenie matrycy można stosować PBO (p-Phenylene Benzobis Oxazole) oraz materiały węglowe, szklane i aramidowe. Zaprawa, która powstaje z suchej mieszanki, przewożonej w workach i wymagającej dodania na budowie wody, jest fizycznie i chemicznie kompatybilna z murem, a w szczególności z murem z cegły.

Wytyczne amerykańskie [2] dopuszczają stosowanie polimerowych dodatków do zaprawy, przy czym maksymalna zawartość składników organicznych jest ograniczona do 5% wagi cementu. Warstwa zaprawy jest w stanie wyrównać nierówności ściany, nie ma więc potrzeby wstępnego wygładzania podłoża, jak ma to miejsce przy zastosowaniu wzmocnień z użyciem FRP. Nie wymaga się, aby podłoże było suche, wręcz przeciwnie, niektóre systemy zalecają jego zwilżenie przed aplikacją zaprawy.

Laminaty FRCM charakteryzują się co prawda niższymi parametrami wytrzymałościowymi niż materiały FRP, jednak w przeciwieństwie do nich wykazują szereg pozytywnych właściwości:

• cechują się dużą elastycznością, która ułatwia ich układanie na nierównych powierzchniach,
• powierzchnia elementu konstrukcyjnego, na którą aplikowany jest system wzmacniający, powinna być trwała i czysta, ale nie ma potrzeby szpachlowania jej w celu uzyskania gładkiej powierzchni, jak to ma miejsce w systemach FRP,
• laminaty FRCM są niepalne i ognioodporne - w temperaturach na poziomie 600°C zachowują one swoje właściwości wytrzymałościowe,
• nie są toksyczne,
• nie wykazują wrażliwości na promieniowanie UV.

Opracowując systemy FRCM, nie udało się niestety wyeliminować wszystkich wad, do których niewątpliwie można zaliczyć:

• niską wytrzymałość na rozciąganie,
• nieidealne pokrycie włókien.

Różnice między materiałami FRP a FRCM widoczne są również w mechanizmie zniszczenia wzmocnienia. W przypadku FRP jako typowy mechanizm zniszczenia można podać odklejenie się kompozytu od powierzchni elementu z cienką warstwą podłoża lub gwałtowne zerwanie włókien.

Dla wzmocnień systemami FRCM najczęściej obserwowany mechanizm zniszczenia to odspojenie włókien od zaprawy mineralnej. Nie występuje tutaj gwałtowny mechanizm zniszczenia, co zapewnione jest dzięki poślizgowi i tarciu na styku zaprawy oraz siatki systemu FRCM. W celu poprawy efektywności wzmocnienia, a zarazem minimalizacji efektu wcześniejszego odspojenia, należy stosować dla systemów odpowiednie zakotwienia.

Pomimo braku europejskich wytycznych systemy FRCM stosowane są w kraju coraz częściej. Ich projektowanie odbywa się jednak zazwyczaj w oparciu o wspomniane wytyczne amerykańskie [2], w których przyjęto inne założenia dotyczące niezawodności konstrukcji, a co za tym idzie inne obciążenia oraz inne kombinacje oddziaływań.

Przegląd badań

Na obecną chwilę brak jest powszechnie akceptowanych i kwalifikowanych metod projektowania wzmocnień systemami FRCM, co skutecznie utrudnia ich powszechne stosowanie w europejskiej branży budowlanej. Podobnie wygląda kwestia badań i literatury dotyczącej wzmocnień systemami FRCM. W rodzimych publikacjach, których zresztą jest znikoma liczba, omawiane są jedynie pojedyncze zagadnienia lub aspekty tego typu napraw.

W pracy [6], bazując na badaniach doświadczalnych, autorzy poddali krytycznej analizie dostępną literaturę dotyczącą przyczepności muru zewnętrznie związanego z materiałami FRCM. Analizowano stan awaryjny wzmocnień, a także maksymalne obciążenie w badaniach 509 próbek.

Wyniki badań zostały pogrupowane z uwzględnieniem trzech głównych rodzajów awarii:

• odłupywanie, które obejmuje zarówno oddzielenie na granicy zaprawy i zbrojenia, jak i na granicy podłoża i wzmocnienia,
• poślizg, który polega na przesunięciu się materiału włókienniczego w grubości zaprawy,
• uszkodzenie włókien przy rozciąganiu.

Rozkłady rodzajów uszkodzeń przedstawia RYS. 4.

W pracy [7] zostały przedstawione wyniki badań rozciągania elementów systemy FRCM. Próby rozciągania dla różnych typów tkanin osadzonych w matrycy cementowej wykazały, że zarówno matryca, jak i włókna współpracują ze sobą w przenoszeniu obciążeń aż do pęknięcia zaprawy (punkt P1 na RYS. 5). Następnie występuje usztywnienie napięcia matrycy i wydłużenie fazy przejściowej do punktu P2 na RYS. 5. W trzeciej fazie (między punktami P2 i P3 na RYS. 5) zachowanie jest regulowane tylko przez włókna i teoretycznie obciążenie może wzrosnąć aż do osiągnięcia nominalnej wytrzymałości włókien na rozciąganie.

Znaczne różnice w zachowaniu różnych systemów FRCM mogą występować głównie w drugiej i trzeciej fazie, ponieważ układy z matrycą o dużej wytrzymałości i włóknami o niskiej wytrzymałości mogą nigdy nie osiągnąć trzeciej fazy. Zachowanie przyczepności na granicy między włóknami a matrycą jest kluczowe dla określenia granic i zakresu tych dwóch faz.

Okazuje się również, że poślizg na styku matrycy i włókien zbrojenia lub obciążenie przekraczające siły kohezji może wystąpić przed awarią połączenia na styku kompozyt-konstrukcja. W analizowanych badaniach poślizg na styku tkanina-matryca wystąpił przy najniższej długości oczek siatki (50 mm), a awaria przy rozciąganiu nastąpiła dla największej długości oczek (150 mm).

Autorzy pracy [8] postanowili zweryfikować, jak wzmocnienia systemami FRCM poprawiają właściwości konstrukcji pod względem wytrzymałości na ścinanie, a także poddali weryfikacji, jakie rozbieżności uzyskuje się stosując wzmocnienia FRCM względem zastosowania wzmocnień FRP dla tego samego typu konstrukcji. W tym celu przeprowadzono badania, w których ściany z elementów murowych zostały zewnętrznie dwustronnie wzmocnione tkaniną na bazie włókien węglowych, zaś matrycę stanowiła zaprawa na bazie cementu portlandzkiego, krzemionki i popiołu lotnego.

Próbki poddawano ukośnemu ściskaniu. Sześć spośród badanych próbek zostało dwustronnie wzmocnionych jednowarstwowym systemem FRCM, a kolejnych sześć - czterowarstwowym systemem FRCM.

Zbadano ponadto trzy próbki świadki (bez wzmocnienia), w których uzyskano średnie obciążenie końcowe na poziomie 109,4 kN. W badaniach próbek wzmocnionych jednowarstwowym systemem FRCM uzyskano średnie obciążenie 212,9 kN, a przy wzmocnieniu czterema warstwami średnie obciążenie końcowe wyniosło 257,6 kN.

W pracy [9] starano się przedstawić najistotniejsze informacje potrzebne do opisu systemów FRCM. Jako najważniejsze parametry wybrano wytrzymałość na rozciąganie i właściwości wiązania na styku kompozyt-konstrukcja przy ścinaniu.

Badaniu poddano dwa typy próbek, jeden prostokątny, a drugi zbliżony do dwuteowego. W pracy poddano analizie sześć różnych systemów FRCM różniących się zarówno rodzajem tkaniny, jak i matrycą. Ponadto próbki zostały zróżnicowane ze względu na ich wiek w chwili badania.

Jedna seria próbek została dodatkowo zanurzona w wodzie na 26 dni.

Badania wykazały, że możliwe są trzy rodzaje uszkodzeń wzmocnień FRCM. Pierwsze z nich to pękanie przy zaciskach maszyny wytrzymałościowej (RYS. 6), drugie to pękanie matrycy wzdłuż długości próbki z ewentualnym zerwaniem włókien zbrojenia (RYS. 7), a trzecie to pękanie matrycy wzdłuż długości próbki wraz z poślizgiem włókien przy zaciskach (RYS. 8).

Zauważono, że jeśli pominięte zostaną warunki, w jakich przeprowadzone zostały badania laboratoryjne, to na wyniki bezpośredni wpływ mają właściwości mechaniczne tkaniny i matrycy oraz geometria układu tkaniny wzmacniającej.

Tylko w dwóch lub trzech przypadkach zachowanie się kompozytu przy rozciąganiu może być opisane za pomocą krzywej trójliniowej. W większości przypadków po przejściu kompozytu z fazy pierwszej do drugiej zachowanie się wzmocnienia jest wyraźnie nieliniowe.

Podczas badań stwierdzono również znaczne rozbieżności w uzyskanych wynikach. Przeprowadzone badania pokazują również, że na uzyskiwane wyniki i ich poprawność może mieć wpływ wiele czynników, takich jak metodologia przygotowania próbek do badań, różnorodność materiałów, matryce i różne konfiguracje połączeń matrycy z tkaniną oraz podłożem, co powoduje, że jest wiele możliwych iteracji, które utrudniają jednoznaczną identyfikację wyników.

Podsumowując opisane wyżej wyniki badań, prowadzanych w różnych ośrodkach na różnych systemach FRCM, można przyjąć, że uzyskana w badaniach rozciągania krzywa naprężenie-odkształcenie jest charakteryzowana przez trzy fazy pracy. Kiedy wytrzymałość na rozciąganie zaprawy zostaje osiągnięta, pojawiają się pierwsze pęknięcia i nachylenie krzywej naprężenie-odkształcenie znacznie się zmniejsza. W momencie wystąpienia dużej liczby pęknięć jedynym elementem przenoszącym obciążenie jest zbrojenie.

Podsumowanie

W świecie prowadzone są liczne badania dotyczące wzmocnień konstrukcji murowych systemami FRCM. Autorom artykułu nie udało się jednak dotrzeć do żadnej literatury czy wytycznych, które podawałby, jak zgodnie z europejskimi normami podchodzić do tematyki wzmocnień systemami FRCM. W związku z tym istnieje pilna potrzeba opracowania takich zaleceń.

Aby stworzyć wytyczne zgodne z eurokodami, konieczne jest przeprowadzanie badań materiałowych według norm europejskich, a następnie opracowanie na ich podstawie odpowiednich wytycznych oraz przeprowadzenie badań weryfikujących na dużych modelach, w złożonych stanach obciążania.

Literatura

1. PN-EN 1996-1-1+A1:2013-05, "Eurokod 6. Projektowanie konstrukcji murowych. Część 1-1: reguły ogólne dla zbrojonych i niezbrojonych konstrukcji murowych".
2. ACI 549.4R-13, "Guide to design and construction of externally bonded fabric-reinforced cementitious matrix (FRCM) systems for repair and strengthening concrete and masonry structures", 2013.
3. CNR-DT 200/2004, "Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione ed il controllo di interventi di consolidamento statico mediante l’utilizzo di compositi fibrorinforzati".
4. Ł. Drobiec, "Naprawa rys i wzmocnienia murowanych ścian", XXX Jubileuszowe Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 25-28 marca 2015, t. 1, s. 323-398.
5. Ł. Drobiec, "Naprawa rys i wzmocnienia murowanych ścian (cz. 4). Wzmocnienie powierzchniowe", "IZOLACJE" 4/2018, s. 44-52.
6. F. Ceroni, P. Salzano, "Design provisions for FRCM systems bonded to concrete and masonry elements", "Composites Part B: Engineering", Vol. 143, 2018, s. 230-242.
7. A. Bilotta, F. Ceroni, E. Nigro, M. Pecce, "Experimental tests on FRCM strengthening systems for tuff masonry elements", "Composits Part B: Engineering", Vol. 129, 2017, s. 251-270.
8. S. Babaeidarabad, D. Arboleda, G. Loreto, A. Nanni, "Shear strengthening of un-reinforced concrete masonry walls with fabric-reinforced-cementitious-matrix", "Construction and Building Materials", Vol. 65, 2014, s. 243-253.
9. F. Carozzi, A. Bellini, T. D’antino, G. Felice, F. Focacci, "Experimental investigation of tensile and bond properties of carbon-FRCM composites for strengthening masonry elements", "Composites Part B: Engineering", Vol. 128, 2017, s. 100-119.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!