Gelžbetoninių sijų stiprinimas anglies pluoštu

Gelžbetoninių sijų stiprinimas

anglies pluoštu

Gelžbetoninių laikančiųjų konstrukcijų karkasas yra tarsi pastato, kaip vientiso organizmo, stuburas. Kad atlaikytų jam tenkančias apkrovas ir atšiaurias aplinkos sąlygas, jam stiprinti naudojamos įvairios priemonės. Vienas naujausių ir inovatyviausių būdų yra stiprinimas anglies pluoštu. Šios technologijos efektyvumas vertinamas ir „Vilnius Tech“ laboratorijose.

Pasikeitusių sąlygų lemiamos deformacijos

Doc. dr. Mykolas DAUGEVIČIUS,

„Vilnius Tech“ Gelžbetoninių konstrukcijų ir geotechnikos katedra

Doc. dr. Tomas SKUTURNA,

„Vilnius Tech“ Gelžbetoninių konstrukcijų ir geotechnikos katedra

Skaičiuodami gelžbetoninių sijų laikomąją galią, projektuotojai dažniausiai įvertina statmenojo ir įstrižojo pjūvio stiprumą – pagrindinius projektinius parametrus, veikiančią apkrovą, medžiagų stiprumą, konstrukcijos geometriją. Konstrukcijos eksploatavimo metu veikianti išorinė apkrova gali padidėti, pavyzdžiui, pakeitus apkraunamo ploto kategoriją. Pasikeitus aplinkos sąlygoms (ekspozicijos klasei), gali pablogėti medžiagų fizikiniai ir pakisti konstrukcijos geometriniai parametrai, pačios konstrukcijos ar dėl betono trupėjimo ar korozijos pažeistos armatūros skerspjūvis. Dėl papildomų poveikių atsiranda papildomų įrąžų, kurios galėjo būti neįvertintos projektuojant.

Kodėl gali įvykti staigus irimas stiprinant betono konstrukciją anglies pluoštu?

Norint toliau eksploatuoti konstrukciją, reikia atstatyti jos laikomąją galią, atsižvelgiant į padidėjusią apkrovą, pakitusią konstrukcijos geometriją, medžiagų mechanines savybes, esamas eksploatacines sąlygas ar atsiradusius papildomus poveikius. Projektuotojas vėl turi įvertinti statmenojo ir įstrižojo pjūvio stiprumą, tada nustatyti, kuri konstrukcijos vieta yra silpniausia, t. y. netenkina stiprumo sąlygų. Jeigu yra nepakankamas tempiamos armatūros kiekis, siją galima stiprinti tempiamojoje zonoje įrengiant papildomą anglies pluošto kompozitinį sluoksnį. Puikios anglies pluošto kompozito mechaninės savybės jau ne kartą buvo aptartos įvairioje literatūroje. Trumpai apibūdinant, anglies pluoštas yra iki 10 kartų stipresnis už paprastą plieninę armatūrą, todėl, sustiprinus sijos tempiamąją zoną, gali pasikeisti sijos irimo pobūdis (projektuojant gelžbetonines sijas numatoma, kad, pasiekus ribinį būvį, irtis vyksta plastiškai tekant tempiamai armatūrai, o gniuždomo betono maksimalus stipris pasiekiamas tik esant dideliam kreiviui). Anglies pluoštu sustiprinus tempiamąją sijos skerspjūvio zoną, atitinkamai sukuriama ir didelė atstojamoji jėga, kurios gniuždomosios zonos betonas nepajėgs atsverti, todėl irties vieta gali pakeisti savo lokaciją. Galimi nauji staigios irties variantai: tempiamo pluošto trūkimas, gniuždomosios zonos betono irtis, pluošto atplėšimas (irtis horizontaliame pjūvyje). Anglies pluoštas yra iki 10 kartų stipresnis už paprastą plieninę armatūrą.

Papildomi sprendiniai siekiant išvengti staigios gelžbetonio konstrukcijos irties

Todėl reikalingi papildomi sprendiniai konstrukcijos irties neapibrėžtumui sumažinti. Siekiant panaikinti gniuždomosios zonos betono irtį, gniuždomąją zoną galima sustiprinti įrengiant padidinto stiprumo betoninį sluoksnį. Norint išvengti pluošto atplėšimo, reikia įrengti papildomą pluošto inkaravimą. Dažniausiai pluoštas atplėšiamas vystantis įstrižiesiems plyšiams, esant silpnam betonui ties pluošto priklijavimo vieta arba nekokybiškai priklijavus pluoštą (ne pagal gamintojo reikalavimus). Vadovaujantis įvairių gamintojų pluošto klijavimo technologinėmis rekomendacijomis, galima lengvai pašalinti silpną betoną, panaudoti epoksidinius gruntus, glaistus ir atstatyti pažeisto betono mechanines savybes. Lieka suvaldyti įstrižųjų plyšių įtaką pluošto atplėšimui.

Po irties anglies pluošto sluoksnis atplėštas su betonu, pluošto stiprumas neišnaudotas.

Irties metu anglies pluošte pasiekti ribiniai įtempiai, pluošto stiprumas išnaudotas

Kadangi sustiprinta sija turės atlaikyti didesnę apkrovą, atitinkamai reikia atsižvelgti ir į įstrižojo pjūvio stiprumą. Gelžbetoninių sijų tempiamojoje zonoje sustiprintų anglies pluoštų tyrimai rodo, kad po stiprinimo įstrižieji plyšiai pakeis savo vystymosi kryptį, taps labiau pasvirę, jų kiekis padidės, atitinkamai sumažės efektyvus priklijavimo plotas, ir pluoštas atplyš nuo betono paviršiaus, nepasiekęs savo tempiamojo stiprio normaliniame pjūvyje. Apskaičiuotas stipris bus nepasiektas, ir tokios konstrukcijos eksploatavimas taps nesaugus. Esant netinkamam pluošto inkaravimui, toks suirimo pobūdis yra dažniausias, todėl pluoštui reikalingas papildomas inkaravimas. Vienas efektyviausių pluošto papildomų inkaravimo būdų yra plieninių arba anglies pluošto apkabų įrengimas. Tyrimai rodo, kad, inkaruojant apkabomis, padidėja ir įstrižojo pjūvio stiprumas. Didėjant išorinei apkrovai, apkabose didėja tempimo įtempiai, todėl apkaba dar labiau prispaudžia išorinį tempiamą anglies pluoštą prie betono paviršiaus. Geras inkaravimas leidžia tempiamame pluošte pasiekti jo ribinius tempimo įtempius, suirimas būna staigus, trapus.

Stiprinimas įtemptu pluoštu gali suteikti nuostabių galimybių kontroliuoti sijų elgseną, tačiau reikia nepamiršti apie pluošto inkaravimą.

Padidinamas sijų standumas ir laikomoji galia

Dar vienas stiprinimo anglies pluoštu privalumas yra tas, kad padidėja sijų standumas. Pats pluoštas yra plonas kaip membrana, ir jo inercijos momentas menkas, kad darytų įtaką standumo padidėjimui. Tačiau anglies pluoštas pasižymi ne tik dideliu tempiamuoju stipriu, bet ir tamprumo moduliu, palyginti su kitomis pluoštinėmis kompozitinėmis medžiagomis. Pluošto didelis tempiamasis stipris ir tamprumo modulis pusiausvyrai užtikrinti pareikalaus didesnės gniuždomosios zonos, tada inercijos momentas ir padidės. Įlinkių prieaugis mažės, bet dar reikia atsižvelgti į betono plastiškumą. Gelžbetoninių konstrukcijų eksploatavimo metu dėl ilgalaikio apkrovos poveikio betone vystosi valkšnumo deformacijos, t. y. plastinės deformacijos, kurios, panaikinus apkrovimą, neatsistato. Tempiama plieninė armatūra nepasižymi tokiu valkšnumu kaip betonas, todėl armatūroje deformacijos turi pobūdį atsistatyti. Sijų stiprinimo metu išorinė apkrova panaikinama – iki kol pradedamas pluošto klijavimo procesas, sijos skerspjūvyje įvyksta įrąžų persiskirstymas. Skerspjūvyje gniuždomosios zonos dydis pradeda keistis, jis didėja, o tai reiškia, kad formuojasi naujas, dar didesnis inercijos momentas. Tempiamojoje zonoje priklijavus anglies pluoštą, gaunamas naujas inercijos momentas. Atėjus laikui didinti išorinę apkrovą, sija dirbs su nauju, didesniu standumu, įlinkio prieaugis, palyginti su nesustiprinta sija, taps mažesnis. Todėl stiprinimas anglies pluoštu eksploatavimo metu leidžia naudoti didesnes išorines apkrovas, nes ribiniai įlinkiai bus pasiekti prie didesnių apkrovų. Sustiprintos sijos plastinis suirimas tampa neaktualus, nes laikomoji galia didesnė negu nestiprintos, plienine armatūra armuotos sijos. Didėjant išorinei apkrovai, kai tempiamoje plieninėje armatūroje bus pasiekti takumo įtempiai, toliau atsirandantį tempimo jėgos prieaugį perims anglies pluoštas, todėl, norint išnaudoti pluošto stiprumą, jį reikia patikimai inkaruoti.

Efektyviausias būdas – įtempti anglies pluoštą prieš klijuojant

Jeigu priklijuoto anglies pluošto teikiamas efektyvumas menkas, tokiu atveju pluoštas prieš klijavimą gali būti įtempiamas. Toks stiprinimo būdas, kai pluoštas prieš klijavimą įtempiamas, yra pats efektyviausias. Stiprinimo esmė – pluošto įtempimo jėgą perduoti gelžbetoninei sijai. Pluošto įtempimas ir jėgos perdavimas technologiškai yra labai sudėtingas procesas. Kaip ir paprastame įtemptame gelžbetonyje, taip ir šiuo atveju, turi būti įvertinti įtempių nuostoliai anglies pluošte. Įtempimo jėga stiprinamoje sijoje pakeičia įrąžų pusiausvyrą. Tempiamoje plieninėje armatūroje ir gniuždomame betone sumažėja įtempiai, dėl to esamų plyšių plotis ir sijos įlinkis sumažėja. Gniuždomosios zonos aukštis padidėja dar labiau, todėl suformuojamas dar didesnis inercijos momentas. Taip sustiprintą siją apkrovus pakartotinai, įlinkio prieaugis tampa dar mažesnis, laikomoji galia, palyginti su sijomis, sustiprintomis ne įtemptu pluoštu, dar didesnė. Buvo minėta, kad plieninėje armatūroje ir betone sumažėja įtempiai. Todėl sijose su įtemptu pluoštu tempiamos plieninės armatūros ir gniuždomo betono ribiniai įtempiai pasiekiami prie didesnės apkrovos. Atsiranda puiki galimybė įtemptu pluoštu kontroliuoti sijos įlinkius ir laikomąją galią. Taigi, kuo didesnis pluošto įtempimas, tuo didesnė jėga bus perduodama sijai. Atitinkamai labiau sumažėja esamos deformacijos skerspjūvyje, daugiau sumažinamas esamas įlinkis. Papildomai apkrovus, įlinkio prieaugis tampa mažesnis, laikomoji galia – didesnė. Stiprinimas įtemptu pluoštu gali suteikti nuostabių galimybių kontroliuoti sijų elgseną, tačiau reikia nepamiršti apie pluošto inkaravimą. Kuo labiau įtempiamas pluoštas, tuo labiau šliejamas betonas ties priklijuotu pluoštu. Įtempimo jėgą perduodant sijos betonui, pluoštas tiesiog gali atplyšti kartu su betonu ar nuo betono paviršiaus. Papildomas pluošto inkaravimas yra neišvengiamas, ir pluošto inkaravimo metodai, leidžiantys išnaudoti jo privalumus, turi būti tiriami.

Pažangios konstrukcijų stiprinimo sistemos

panaudojant kompozitines anglies, stiklo ir bazalto pluošto medžiagas

Prekybos paskirties pastatas Kėdainiuose. Konstrukcijų stiprinimas anglies pluošto sistemomis: CARBOPLATE tempiamojoje zonoje ir MAPEWRAP – inkaravimui.

Gamybinės paskirties pastatas Kaune. Konstrukcijų stiprinimas anglies pluošto sistemomis: CARBOPLATE tempiamojoje sijų ir perdangų zonoje

Kompozitinės medžiagos, palyginti su tradicinėmis, tampa patrauklia alternatyva stiprinant visų tipų statinių konstrukcijas. Kompozitinių medžiagų naudojimas skirtingos paskirties, t. y. pramoninių, hidrotechninių, civilinių, infrastruktūros ir kitų pastatų bei inžinerinių statinių, statybai ar jų remontui, nėra tradicinis, bet šis stiprinimo būdas atveria platesnių pasirinkimo galimybių projektuotojams ir rangovams renkantis optimalų konkrečios konstrukcijos stiprinimo būdą. Palyginti su tradicinėmis medžiagomis, tokiomis kaip gelžbetonis, plienas, medis ir aliuminis, kompozitinės turi daugybę privalumų: tai ypač didelis tempiamasis stipris, atsparumas korozijai ir aplinkos poveikiams, aukšta šiluminė ir elektrinio laidumo varža, galimybė stiprinti konstrukcijas nedidinant jų svorio ir t. t.

Vienas pasaulinių lyderių, siūlantis sprendimus konstrukcijoms stiprinti anglies (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer), stiklo (GFRP – Glass Fiber Reinforced Polymer) ir bazalto (BFRP – Basalt Fiber Reinforced Polymer) pluoštu, yra koncernas MAPEI.

MAPEI tiekia ne tik pačias kompozitines medžiagas (t. y. lameles CARBOPLATE ir laminatus (audinius) MAPEWRAP), bet ir visas reikalingas montažines medžiagas, tokias kaip epoksidiniai gruntai, konstrukcinio klijavimo ir glaistymo epoksidinės masės, kiti konstrukcijų remonto ir pagrindo paruošimo produktai. Taigi renkantis MAPEI FRP produktus siūlomi ne atskiri gaminiai, o visa sistema, pritaikyta kiekvienam konkrečiam projektavimo ar statybos atvejui. MAPEI konstrukcijų stiprinimo sistemos yra nuolat tobulinamos nuosavose MAPEI tyrimų laboratorijose. Be to, nemažai dėmesio skiriama bendradarbiavimui su universitetų mokslininkais ir projektuotojais. Koncernas aktyviai dalyvauja kuriant ir tobulinant skaičiavimo normas, apimančias kompozitinių medžiagų panaudojimą statyboje. Atskiro paminėjimo nusipelno MAPEI paveldo statinių stiprinimo sistemos – tai atskira produktų grupė, ją kuriant atsižvelgiama ne tik į konstrukcinę dalį, bet ir į suderinamumą su esamu paveldo objekto medžiagiškumu ir jo autentiškumo išlaikymu. Tarp šių sistemų paminėtinos tokios kaip MAPEGRID kompozitinių FRCM (angl. Fiber Reinforced Concrete Matrix) tinklų sistemos ir spiralinių inkarų sistemos Mapei Steel Bar. Stiprinimas anglies pluošto kompozitais skinasi kelią ir Lietuvoje. Per pastaruosius 9 metus, naudojant kompozitines MAPEI anglies pluošto lamelių ir laminatų sistemas CARBOPLATE ir MAPEWRAP, Lietuvoje atlikti dešimtys projektų. Tarp jų pasitaikė ir ypač didelės apimties projektų, tokių kaip greitkelio „VIA Baltika“ viaduko ties Mauručiais sijų, ilgiausio Lietuvoje automobilių tilto Jurbarke sijų skersinės zonos, Lietuvos Jūrų muziejaus denginio ir geležinkelio tilto Lentvaryje atramų stiprinimas. „Diegiant kompozitines sistemas būtinas artimas bendradarbiavimas tarp šių sistemų tiekėjų, projektuotojų ir rangovų. Kadangi vis dar nėra unifikuotų projektavimo normų, apimančių kompozitinių stiprinimo sistemų panaudojimą statyboje, tik bendradarbiaujant visoms paminėtoms grupėms įmanoma parinkti optimalią stiprinimo sistemą kiekvienam konkrečiam atvejui. Čia svarbų vaidmenį atlieka šių sistemų gamintojų atstovai. Būtent jie gali bet kuriame statinio projektavimo ir statybos etape kompetentingai konsultuoti šių sistemų panaudojimo galimybių klausimais, pradedant projektavimo etapu ir baigiant sistemos technologijos pateikimu, aprašymu ir praktinio diegimo apmokymais“, – teigia koncernui MAPEI Lietuvoje atstovaujančios įmonės UAB „Velve M.S.T.“ projektų vadovas inžinierius Artūras Ručinskas. UAB „Velve M.S.T.“ specialistai yra pasiruošę konsultuoti projektuotojus (dėl skaičiavimo metodikos ir normų) ir rangovus (dėl technologijos, praktinio įdiegimo ir praktinių mokymų) visais klausimais, susijusiais su MAPEI konstrukcijų stiprinimo ir betono apsaugos sistemų panaudojimo galimybėmis.

Velve mst velvemst_mapeisolutions UAB Velve M.S. T.

www.mapei.lt

ANGLIES PLUOŠTO INOVACIJOS

transformuoja šiuolaikinių pastatų konstrukcijas

Kokybiškas pastato laikančiųjų konstrukcijų stiprinimas – svarbus ir didelis iššūkis konstruktoriams ir inžinieriams. Šiuolaikinės technologijos ir jų spartus vystymasis padeda užtikrinti gyvenamųjų ir komercinių pastatų, tiltų ir kitų inžinerinių statinių eksploatavimo laiką ir atveria neregėtų galimybių pastato konstrukcijos stiprinimui. Modernioje pramonėje plačiai pritaikomos iš anglies pluošto pagamintos medžiagos leidžia kurti tvarius ir ilgaamžius statinius.

„Sika® CarboDur®“ ir „SikaWrap®“ juostos gali būti paslėptos.

Šveicarų gamintojas „SIKA“ vienas pirmųjų pasaulyje sukūrė laikančiosioms konstrukcijoms stiprinti skirtus gaminius iš anglies pluošto. Anglies pluošto sistemos skirtos sustiprinti betono, mūro, plieno pluoštu armuotoms konstrukcijoms ir sustiprinti jų laikančiajai galiai. Gamintojas siūlo du pagrindinius sprendimus: „Sika® CarboDur®“ ir „SikaWrap®“.

Anglies pluošto juostos „Sika® CarboDur®“

„Sika® CarboDur®“ yra itin efektyvi konstrukcijų stiprinimo sistema, kurią sudaro „Sika® CarboDur®“ anglies pluoštu armuoto polimerinio (CFRP) laminato juostos ir speciali epoksidinė derva „Sikadur®-30“ arba „Sikadur®-30 LP“. Armuotos polimerinio anglies pluošto juostos epoksidiniais klijais klijuojamos ant konstrukcijos kaip armatūra. Šios juostos skirtos betoninėms, mūro ir medinėms konstrukcijoms sustiprinti. Gamintojas siūlo skirtingų pločių juostas nuo 50 iki 150 mm.

Epoksidinė derva „Sikadur®-30“ naudojama polimerinio laminato juostoms klijuoti esant įprastai temperatūrai nuo +8 iki +35 °C, o „Sikadur®-30 LP“ – esant aukštai temperatūrai nuo +25 iki +55 °C. Žemesnėje ir minusinėje temperatūroje papildomai reikia naudoti specialią technologiją „CarboHeater®“. „Sika® CarboDur®“ galima naudoti keliais sluoksniais, klijuojant kompresavimo medžiagą ant pastato konstrukcijos. Šis anglies pluoštas stipresnis už plieną, išsiskiria dideliu stipriu, galia, ilgaamžiškumu ir dideliu atsparumu tempiant. Dėl itin mažo svorio anglies pluošto juostos lengvai integruojamos bet kurioje statinio laikančiosios konstrukcijos dalyje ir tam, skirtingai nei armuojant įtemptais plieno lynais, nereikia papildomų žmogiškųjų išteklių komandos, kranų ar kitų susijusių išteklių.

Anglies pluošto audinys „SikaWrap®“

„SikaWrap®“ – anglies pluošto klijuojamųjų kilimėlių (demblių) sistema, skirta statinių konstrukcijoms sustiprinti ir laikančiajai galiai padidinti. Sistemą sudaro audinio tekstūrą primenantis kilimėlis ir speciali įvairių rūšių epoksidinė derva.

Anglies pluošto kilimėlių asortimente – įvairiose konstrukcijose plačiai pritaikomi tipai. Konstrukcijoms stiprinti naudojami pluoštai yra skirtingo svorio (nuo 150 iki 430 g/m2) ir pločio (100, 300, 600 mm). „SikaWrap®“ pluoštai išsiskiria savo struktūra, forma ir ypatingu lankstumu, juos galima klijuoti tarytum audinį ant apvalios formos laikančiųjų sijų – stulpų, kolonų, mūrinių ir kitų konstrukcijų. Šį pluoštą gamintojas rekomenduoja klijuoti tose vietose, kur neįmanoma pritaikyti įtemptų „Sikadur®“ juostų.

Instaliacija žemoje temperatūroje – „CarboHeater®“

Standartiškai „CarboDur®“ konstrukcijų stiprinimo juostoms skirta epoksidinė derva skirta naudoti ne žemesnėje nei +8 °C

„SikaWrap®“ atveria plačias technologines galimybes. Anglies puošto juostos ypač lengvos ir patogiai montuojamos.

temperatūroje. Gamintojas, įvertinęs visas rizikas ir praktinę perspektyvą, sukūrė papildomą technologiją, leidžiančią klijuoti anglies pluoštą ir esant itin šaltoms klimato sąlygoms, žiemą. Sukurta speciali technologija „CarboHeater®“, veikianti tarsi šildymo elementas, ji sušildo įtemptą anglies pluoštą, todėl jį galima klijuoti prie laikančiosios konstrukcijos epoksidiniais klijais.

Patentuota technologija „CarboStress®“

Patentuotos „CarboStress®“ įtempto polimerinio laminato juostos atveria papildomų stiprinimo galimybių. Nuo šiol anglies pluoštas dar atsparesnis drėgmei, temperatūrų pokyčiams, lenkimui, smūgiams ir kitiems veiksniams, todėl leidžia kokybiškai ir tvariai sustiprinti įtrūkusias sijas ar kitus konstrukcinius elementus.

Patirtis ir profesionalumas

Aukštos klasės savybėmis išsiskiriantys anglies pluošto gaminiai – anglies pluošto klijuojamieji kilimėliai, polimerinio laminato juostos – skirti naudoti tuomet, kai pažeidžiami konstrukciniai elementai, jeigu reikia padidinti jų keliamąją galią, patikimumą ir ilgaamžiškumą ar perstatant laikančiąsias konstrukcijas renovacijos metu. Be to, anglies pluoštas kartais tampa puikia alternatyva siekiant ištaisyti įvairius statybinius defektus ir sumažinti galimus rizikos veiksnius. Paprastai transportuojamas, patogiai montuojamas, įvairios temperatūros sąlygomis lengvai naudojamas pluoštas ilgainiui tapo plačiai pripažįstamu ir populiariu pasirinkimu tarp statybų industrijos specialistų. „SIKA“ – viena seniausių Europoje, statybų pramonei skirtų medžiagų gamintojų. Itin plačiame įmonės asortimente gaminiai nuo medžiagų, naudojamų laikančiosioms konstrukcijoms stiprinti, sandarinimui, klijavimui, iki specialių komponentų pramoninėms grindims, stogams, betonui, cementui, hidroizoliacinėms sistemoms. Bendrovės tikslas yra padėti optimizuoti statinių konstrukcijas ir maksimaliai praplėsti jų galimą eksploatavimo laiką.

Lietuvoje įmonės filialas įsikūrė 1995 m. ir efektyviai prisideda prie patikimų, novatoriškų, tvarių ir ilgalaikių sprendimų šalies statybos, statybos ir gamybos pramonėje. „SIKA“ anglies pluošto tvirtinimo sistemos sustiprino laikančiąsias konstrukcijas įvairiuose kultūros paveldo objektuose: Biržų pilyje, Sapiegų rūmuose. Biržų pilyje, Sapiegų rūmuose. Taip pat anglies puoštu armuotos Vilniaus Televizijos bokšto, Visagino atominės elektrinės, prekybos ir pramogų centro „Ozas“ ir daugybės kitų pastatų konstrukcijos. Profesionalumas ir aukščiausia gaminių kokybė įmonei padėjo pelnyti statybų ir nekilnojamojo turto dalyvių pasitikėjimą.

„SIKA Baltic“ Lietuvos filialas www.sika.lt Tel. +370 610 722 92