Zastosowanie wzmocnień kompozytowych w istniejących konstrukcjach

*****
W artykule omówiono praktyczne wykorzystanie materiałów kompozytowych współcześnie stosowanych przy wzmacnianiu istniejących konstrukcji. Zaprezentowano przekrój możliwych zastosowań i objaśniono słuszność i zasady ich doboru. W publikacji można też odnaleźć informacje na temat optymalnych sposobów stosowania wzmocnień zależności od konstrukcji wymagającej wzmocnienia.

Application of composite reinforcements in existing structures

The article discusses the practical use of composite materials currently employed in strengthening existing structures. It presents an overview of possible applications and explains the rationale and principles for their selection. The publication also provides information on optimal methods for applying reinforcements, depending on the structure in need of strengthening.
*****

Wzmacnianie konstrukcji przy użyciu kompozytów jest stosunkowo nową, ale intensywnie rozwijaną technologią. Do wzmocnień wykorzystuje się liczne rodzaje i typy materiałów kompozytowych włókna węglowe (CFRP – carbon fiber reinforced polymer), szklane (GFRP – glass fiber reinforced polymer), aramidowe (AFRP – aramid fiber reinforced polymer). Najbardziej innowacyjnym typem włókien o potwierdzonych właściwościach są włókna PBO (p-Phenylene Benzobis Oxazole) [7–9].

Poznaj: Metodykę wzmacniania murowanych sklepień

Konstrukcje możemy wzmacniać na różne sposoby. Poprzez zszywanie jej (FOT. 1–2) przy użyciu zbrojenia, powierzchniowo z zastosowaniem mat kompozytowych lub przez dodanie konstrukcji wsporczej. Możliwe jest też wzmocnienie przy wykorzystaniu taśm kompozytowych wykonanych ze wspomnianych już włókien.

Kompozyt z włókien PBO

Włókna PBO (poli (p-fenyleno-2,6-benzobisoksazolu) są rodzajem włókien polimerowych. Jest to rodzaj kompozytowego materiału wzmacniającego opracowanego w Stanach Zjednoczonych w latach 80. XX wieku na potrzeby rozwoju przemysłu lotniczego. Jest jednym z najbardziej obiecujących członków rodziny poliamidów zawierających heterocykliczne grupy aromatyczne i jest znany jako superwłókno XXI wieku.

PBO ma doskonałe właściwości fizyczne, mechaniczne i chemiczne. Jego wytrzymałość i moduł są dwukrotnie większe niż włókna kevlarowe, a także są odporne na ciepło i ogień. Co więcej, swoimi właściwościami fizycznymi i chemicznymi całkowicie przewyższa włókno Kevlar, zajmując wiodącą pozycję w dziedzinie włókien o wysokiej wydajności. Filamenty PBO o średnicy 1 mm wytrzymują obciążenie do 450 kg i są 10 razy mocniejsze od drutu stalowego podobnej średnicy. Włókno to stosuje się również coraz częściej w budownictwie. Maty kompozytowe z włókien PBO wykorzystuje się w tzw. technologii FRCM.

Politechnika Śląska we współpracy z firmą Visbud-Projekt Sp. z o.o. prowadzi liczne badania nad wzmocnieniem włóknami PBO konstrukcji murowych i żelbetowych. Zarówno w konstrukcjach ściskanych, jak i zginanych zastosowane tkaniny spełniły wysokie wymagania dotyczące przyczepności do konstrukcji oraz skutecznie zwiększyły nośność elementów na ściskanie, jak i zginanie. Kolejnym etapem badań będą prace nad określeniem zdolności mat kompozytowych PBO do przenoszenia sił rozciągających działających na element.

Wzmacnianie konstrukcji przy wykorzystaniu technologii FRCM

Metoda wzmocnienia w ramach systemu FRCM (Fabric-Reinforced Cementitious Matrix) stanowi nowatorskie podejście do wzmacniania konstrukcji budowlanych. Jej istota opiera się na wykorzystaniu zbrojonych kompozytów cementowych. W systemie FRCM elementy wzmacniające są wtapiane w specjalną, zmodyfikowaną mieszankę cementową. W roli zbrojenia zazwyczaj używa się tkanin wykonanych z włókien, takich jak włókna węglowe, szklane, aramidowe, bazaltowe lub PBO.

System FRCM oferuje wiele korzyści w porównaniu z konwencjonalnymi metodami wzmocnienia. Pierwszym z tych atutów jest wszechstronność stosowania – tę technologię można skutecznie wykorzystać zarówno przy naprawie, jak i wzmocnieniu konstrukcji. Skuteczność naprawy lub wzmocnienia gwarantuje wytrzymała matryca kompozytowa, która efektywnie absorbuje naprężenia rozciągające, zmniejszając tym samym ryzyko pęknięć oraz dalszych uszkodzeń.

Kolejnym walorem FRCM jest jego odporność na czynniki zewnętrzne, takie jak promieniowanie UV, korozja oraz zmienne warunki atmosferyczne. To przekłada się na długotrwałość wzmocnionej konstrukcji.

Istotnym atrybutem metody FRCM jest elastyczność oraz zdolność do adaptacji do różnych kształtów i geometrii konstrukcji. Kompozyty FRCM mogą być dostosowane do zróżnicowanych wymiarów oraz układane warstwowo, co umożliwia precyzyjne i spersonalizowane wzmocnienie. Co więcej, system FRCM charakteryzuje się stosunkowo niską masą w porównaniu do tradycyjnych metod wzmocnienia, co ogranicza dodatkowe obciążenia konstrukcji.

Metoda wzmacniania w ramach systemu FRCM znajduje szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach budownictwa. Obejmuje to wzmocnienie ścian, stropów, słupów oraz belek. Technika ta sprawdza się zarówno w przypadku nowo wznoszonych budynków, jak i w kontekście modernizacji oraz naprawy istniejących konstrukcji, w tym tych o charakterze historycznym.

Aplikacja systemu jest znacznie bardziej intuicyjna i praktyczna w porównaniu do wzmocnień opartych na żywicach epoksydowych. Procedura naprawy obejmuje jedynie nałożenie pierwszej warstwy zaprawy, osadzenie w niej matrycy, a następnie nałożenie kolejnej warstwy zaprawy. Grubość ostatecznej warstwy wynosi od 1 do 3 cm, uzależniona jest od liczby warstw zastosowanych na etapie wzmacniania. Chociaż wytrzymałość w przypadku wzmocnienia FRCM jest niższa niż w przypadku FRP (czyli włókien zatapianych w matrycy epoksydowej), nie zawsze konieczne jest aż tak znaczne zwiększenie nośności.

Projektowanie wzmocnień z wykorzystaniem systemu FRCM można wykonać na podstawie norm zharmonizowanych z Eurokodami [10, 11].

Wzmacnianie konstrukcji przy wykorzystaniu kompozytowych taśm węglowych

Wzmacnianie obiektów budowlanych stanowi kluczowy aspekt w dziedzinie inżynierii budowlanej, mający na celu poprawę nośności istniejących konstrukcji. Jednym z innowacyjnych podejść w tym obszarze jest wykorzystanie kompozytowych taśm węglowych.

Ta zaawansowana technika polega na aplikacji taśm z włókien węglowych na powierzchnię struktury w celu zwiększenia jej nośności i odporności na obciążenia dynamiczne oraz statyczne. Kompozytowe taśmy węglowe charakteryzują się wyjątkową wytrzymałością i sztywnością przy stosunkowo niskiej masie, co umożliwia skuteczne wzmocnienie konstrukcji bez znacznego zwiększania ich obciążenia – podobnie jak w przypadku tkanin.

Proces wzmacniania za pomocą kompozytowych taśm węglowych zazwyczaj obejmuje przygotowanie powierzchni wzmacnianego elementu poprzez wyszlifowanie, oczyszczenie i zagruntowanie, co zapewnia odpowiednią adhezję pomiędzy taśmami a podłożem. Następnie taśmy węglowe są aplikowane warstwowo na krytyczne obszary konstrukcji, gdzie wzmacnianie jest niezbędne w celu zwiększenia nośności danego elementu. Po nałożeniu taśmy są nasączane żywicą epoksydową lub innym materiałem, który po utwardzeniu tworzy trwałą, wytrzymałą warstwę wzmocnienia. Efekty tego procesu są widoczne w postaci zwiększonej nośności, poprawionej sztywności i redukcji naprężeń w elemencie.

Stosowanie kompozytowych taśm węglowych do wzmacniania konstrukcji ma szerokie zastosowanie w różnych typach obiektów, takich jak mosty, budynki, elementy infrastruktury oraz konstrukcje historyczne. Technika ta pozwala na efektywne wydłużenie cyklu życia lub wprowadzenie planowanych zmian konstrukcyjnych w istniejących obiektach poprzez poprawę ich wydolności i odporności na zmienne warunki obciążenia. Jednocześnie stosowanie kompozytowych taśm węglowych otwiera nowe perspektywy w projektowaniu konstrukcji o bardziej zaawansowanych właściwościach mechanicznych, przyczyniając się do rozwoju innowacyjnych rozwiązań w dziedzinie inżynierii materiałowej i konstrukcyjnej.

Tkaniny kompozytowe czy taśmy węglowe

Rozważanie pomiędzy zastosowaniem mat kompozytowych a taśm węglowych stanowi istotny aspekt w kontekście wzmacniania obiektów budowlanych. Wybór między tymi dwoma technologiami zależy od wielu czynników, takich jak rodzaj konstrukcji, jej geometria, wymagania związane z nośnością oraz oczekiwana trwałość.

Maty kompozytowe, ze względu na swoją elastyczność i łatwość dostosowania do różnych powierzchni, są często preferowane w przypadku obszarów o złożonej geometrii, gdzie zastosowanie taśm węglowych może być trudniejsze.

Maty mogą być także bardziej efektywne w zakresie poprawy wytrzymałości na ścinanie oraz wzmocnienia obszarów narażonych na naprężenia dynamiczne.

Z drugiej strony taśmy węglowe wyróżniają się wyjątkową wytrzymałością wzdłuż włókien, co czyni je idealnym wyborem do wzmocnienia konstrukcji poddawanych obciążeniom głównie rozciągającym. Ponadto, taśmy węglowe charakteryzują się zwykle mniejszą grubością, co może być korzystne w przypadku ograniczonej przestrzeni montażowej. Taśmy węglowe mają również lepszą odporność w warunkach pożarowych.

Ostateczny wybór pomiędzy matami kompozytowymi a taśmami węglowymi powinien być podejmowany w oparciu o dokładne analizy projektowe oraz uwzględniać specyficzne wymagania każdej konkretnej konstrukcji.

Kompozyty – praktyczne zastosowanie

Wzmocnienia kompozytowe są stosowane na szeroką skalę, zarówno w starych konstrukcjach, jak i tych obecnie wznoszonych.

Podczas zmian projektowych czasami konieczne jest wykonanie np. dodatkowego otworu w konstrukcji. W takiej sytuacji może być konieczne wzmocnienie strefy przy otworach. FOT. 3–5 pokazują fazę przygotowań – wyrysowanie projektowanej lokalizacji taśm węglowych oraz wyrównanie powierzchni żelbetu poprzez szlifowanie. Kolejnym etapem jest montaż taśm oraz wycięcie pełnego otworu zgodnego z projektem.

Kiedy nie ma możliwości zastosowania taśm lub w sytuacji, gdy optymalne jest stosowanie tkanin, warto rozważyć taką możliwość. W sytuacji, gdy bryła wzmacnianego elementu konstrukcyjnego ma nieregularny kształt lub zależy nam na uzyskaniu większej wytrzymałości nie tylko w jednym kierunku, wtedy tkaniny kompozytowe są dobrym rozwiązaniem. Ich atutem jest również łatwiejsze przygotowanie podłoża do klejenia przy pomocy matrycy cementowej (FRCM).

Technologia ta nie wymaga idealnego wyszlifowania powierzchni wzmacnianego elementu tak jak w przypadku montażu wzmocnienia przy użyciu żywicy. Atutem tego rozwiązania jest też wygodniejsze stosowanie tej metody w trudno dostępnych miejscach oraz większa podatność tkanin. Sprawia to, że ich precyzyjne dopasowanie w trudnych warunkach jest łatwiejsze. To skutkuje bezpieczniejszym wzmocnieniem konstrukcji jak i dokładniejszym dopasowaniem wzmocnienia. FOT. 6 ukazuje system FRCM podczas instalacji (siatka zbrojąca PBO zatopiona w matrycy cementowej), zaś FOT. 7–8 przedstawiają realizację wzmocnienia żeber oraz sklepienia przy użyciu tkanin z włókna węglowego.

Podsumowanie

Wzmocnienie materiałami kompozytowymi stanowi alternatywę rozwiązań tradycyjnych. Projektanci i wykonawcy coraz chętniej sięgają po te rozwiązania. Optymalny system wzmocnienia należy dobierać w zależności od rodzaju uszkodzenia, typu wzmacnianej konstrukcji, jej geometrii i sił wewnętrznych.

Literatura

1. Ł. Drobiec, „Przyczyny awarii i katastrof obiektów zabytkowych”, monografia „Awarie budowlane. Zapobieganie, diagnostyka, naprawy, rekonstrukcje”, Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, s. 33–52.
2. Ł. Drobiec, „Przyczyny uszkodzeń murów”, XXII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk, 7–10 marca 2007 r., t. I, s. 105–147.
3. A. Barbieri, G. Mantegazza, A. Gatti, „Wzmacnianie ścian murowanych za pomocą laminatów z włókna węglowego z matrycą cementową FRCM”, „Materiały Budowlane” 2/2006, s. 26–28.
4. Ł. Bednarz, M. Jackiewicz, G. Wojciechowska, M. Rutkowski, „Możliwość aplikacji kompozytów FRCM w żelbetowych obiektach historycznych”, „Materiały Budowlane” 11/2016, s. 136–139.
5. Ł. Bednarz, „Praca statyczna zabytkowych, zakrzywionych konstrukcji ceglanych poddanych zabiegom naprawy i wzmacniania”, praca doktorska, Politechnika Wrocławska, 2008.
6. Ł. Drobiec, „Naprawa rys i wzmocnienia murowanych ścian”, XXX Jubileuszowe Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 25–28 marca 2015, t. I, s. 323–398.
7. Ł. Drobiec, „Metody wzmocnienia murowanych sklepień”, „Materiały Budowlane” 5/2017, s. 6–7.
8. Ł. Drobiec, J. Biernacki, „Metodyka wzmacniania murowanych sklepień”, „IZOLACJE” 3/2022, s. 36–42.
9. Ł. Drobiec, J. Biernacki „Wzmacnianie konstrukcji murowych przy pomocy siatek kompozytowych PBO”, „IZOLACJE” 5/2023, s. 16–19.
10. Ł. Drobiec, „Projektowanie wzmocnień konstrukcji murowych systemem FRCM (cz. 1)”, „IZOLACJE” 2/2023, s. 58–62.
11. Ł. Drobiec, „Projektowanie wzmocnień konstrukcji murowych systemem FRCM (cz. 2)”, „IZOLACJE” 3/2023, s. 82–87.