Dla Izy

Autor: dr hab. inż. Tomasz Trapko, Politechnika Wrocławska

Recenzent: prof. dr hab. inż. Jan Kubica

Projekt okładki: Przemysław Spiechowski

Ilustracja na okładce: Tomasz Trapko

Wydawca: Renata Włostowska

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Mieczysława Kompanowska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty. Szanujmy cudzą własność i prawo.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024 r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

ISBN 978-83-01-23900-8

DOI: https://doi.org/10.53271/2024.087

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288; infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Podstawowe określenia i ich definicje

Delaminacja wzmocnienia | Utrata przyczepności (rozwarstwienie) pomiędzy kompozytem a betonem lub pomiędzy warstwami kompozytu. Delaminacja następuje poprzez utratę spójności pomiędzy poszczególnymi warstwami składowymi wzmocnienia.
FRCM | Fabric Reinforced Cementitious Matrix – matryca (zaprawa) cementowa (mineralna) wzmocniona włóknami w postaci siatek kompozytowych.
FRP | Fibre Reinforced Polymers – tworzywo sztuczne wykonane z polimeru wzmocnionego włóknami, m.in. węglowymi CFRP (Carbon), szklanymi GFRP (Glass), aramidowymi AFRP (Aramid) lub bazaltowymi BFRP (Basalt).

Kompozyt

Materiał utworzony z dwóch lub większej liczby różnych materiałów, w taki sposób, że ma właściwości wyjątkowe i/lub lepsze w stosunku do komponentów wziętych osobno lub wynikających z prostego sumowania ich właściwości. Komponenty są celowo połączone i możliwe do wyodrębnienia metodami mechanicznymi, rozłożone są w kontrolowany sposób w celu nadania optymalnych właściwości nowemu materiałowi. Składnikiem ciągłym kompozytu jest matryca lub osnowa, wypełniona np. włóknami.

Laminat kompozytowy | Gotowy element w postaci taśmy lub kształtki, w którym wszystkie wiązki włókien kompozytowych ułożone są jednokierunkowo, równolegle do długości elementu i zatopione w matrycy, najczęściej polimerowej.
Mata kompozytowa | Jedno- lub dwukierunkowy arkusz z włókien kompozytowych tkany na osnowie poliestrowej, w którym poszczególne wiązki włókien przylegają do siebie.
Matryca lub osnowa | Materiał wypełniający kompozyt. Może być metaliczna, cementowa lub polimerowa. Matryca spaja włókna w laminacie, przenosi obciążenia na włókna, chroni włókna przed zniszczeniem na skutek oddziaływania czynników zewnętrznych. Łączy również kompozyt ze wzmacnianym podłożem.
PBO-FRCM | System wzmocnień, w którym matryca (zaprawa) cementowa (mineralna) wzmocniona jest siatką z włókien PBO.
Siatka kompozytowa | Dwukierunkowo tkany arkusz z włókien kompozytowych, w którym poszczególne wiązki włókien nie przylegają do siebie.
Stopień uzwojenia kompozytowego | Stosunek wytrzymałości betonu w trójosiowym stanie naprężenia f ′cc do naprężeń poprzecznych powstających na styku betonu i zewnętrznego uzwojenia kompozytowego fl lub f ′l.
Stopień wzmocnienia | Stosunek nośności elementu wzmocnionego (np. za pomocą materiałów kompozytowych FRP i FRCM) do nośności elementu referencyjnego bez wzmocnienia.
Temperatura delaminacji | Temperatura, poniżej której wzmocnienie FRP jest spójne i spełnia swoje zadanie, wynikające z przyczyn jego zastosowania. Zazwyczaj jest to temperatura powyżej temperatury zeszklenia żywicy w kompozytach FRP.

Włókna PBO

p-Phenylene Benzobis Oxazole – syntetyczne włókna wytwarzane z polimeru z grupy poliamidów, a dokładniej aramidów, z którego przędzie się sztuczne włókna. Włókna PBO mają dwukrotnie większą wytrzymałość na rozciąganie i dwukrotnie większy moduł sprężystości przy rozciąganiu niż włókna Kevlar. Włókna PBO odznaczają się bardzo wysoką odpornością na działanie ognia w porównaniu do innych włókien niemetalicznych.

Zaprawa mineralna

Materiał powstający z połączenia spoiwa hydraulicznego otrzymywanego z wypalonych i zmielonych surowców mineralnych (najczęściej skał osadowych), w tym przypadku cementu i dodatków wypełniających (np. włókien). W materiałach tych, po dodaniu wody, zachodzą reakcje chemiczne, w wyniku których następuje proces wiązania i twardnienia.

Wykaz ważniejszych oznaczeń

Duże litery łacińskie:

Ac – pole powierzchni betonu,

AL – pole powierzchni wzmocnienia podłużnego,

As  – pole powierzchni zbrojenia podłużnego,

D  – średnica przekroju poprzecznego,

Ec  – moduł sprężystości betonu,

EL  – moduł sprężystości wzmocnienia podłużnego,

Fu  – maksymalna siła rozciągająca w poprzecznym płaszczu kompozytowym,

Nu  – nośność przekroju poprzecznego, krępego ściskanego słupa żelbetowego, wzmocnionego zewnętrznym zbrojeniem kompozytowym,

Tg  – temperatura zeszklenia żywicy epoksydowej.

Małe litery łacińskie:

b i h – wymiary przekroju poprzecznego elementu (h ≥ b),

e  – mimośród siły podłużnej,

ei  – mimośród siły podłużnej od imperfekcji,

f ′cc  – wytrzymałość betonu w trójosiowym stanie naprężenia,

f ′co  – wytrzymałość betonu w jednoosiowym stanie naprężenia,

fk  – naprężenia odpowiadające wartości odkształceń krytycznych na wykresie zależności σ-ε dla elementów uzwojonych kompozytami FRP i FRCM,

fl  – naprężenia poprzeczne powstające na styku betonu i zewnętrznego uzwojenia kompozytowego,

fu  – wytrzymałość kompozytu na rozciąganie,

fy  – granica plastyczności zbrojenia podłużnego,

k1  – współczynnik wzmocnienia,

ke  – współczynnik efektywności wzmocnienia płaszczem kompozytowym,

lo  – długość wyboczeniowa (obliczeniowa) słupa,

r  – promień wyokrąglenia naroży (sfazowanie naroży),

t  – nominalna grubość kompozytu.

Litery greckie:

αt  – współczynnik rozszerzalności termicznej,

εcc – maksymalne odkształcenia betonu w trójosiowym stanie naprężenia,

εco  – maksymalne odkształcenia betonu w jednoosiowym stanie naprężenia,

εcv  – odkształcenia podłużne betonu,

εch  – odkształcenia poprzeczne betonu,

εk  – odkształcenia krytyczne na wykresie zależności σ-ε dla elementów uzwojonych kompozytami FRP i FRCM,

eLv  – odkształcenia podłużne taśmy kompozytowej,

eLh  – odkształcenia poprzeczne taśmy kompozytowej,

esv  – odkształcenia zbrojenia podłużnego,

ewh  – odkształcenia poprzeczne maty kompozytowej,

ey  – odkształcenia zbrojenia podłużnego, odpowiadające granicy plastyczności,

ν  – współczynnik Poissona,

ρL  – intensywność wzmocnienia podłużnego,

σc  – naprężenia w betonie,

ϕ(t)  – końcowa wartość współczynnika pełzania.

Wprowadzenie

Niniejsza książka stanowi kompendium wiedzy, zdobytej przeze mnie, w zakresie wzmacniania ściskanych elementów z betonu, za pomocą materiałów kompozytowych. Stanowi podsumowanie prowadzonych przeze mnie, od prawie dwudziestu pięciu lat, badań doświadczalnych i analiz teoretycznych, w odniesieniu do stanu wiedzy zdobytego w Polsce i na świecie. Jest swego rodzaju state of the art w prezentowanej tematyce.

Układ i zawartość książki zostały tak pomyślane, aby w sposób przystępny zebrać, przedstawić i omówić wiedzę na temat wzmacniania betonowych i żelbetowych elementów ściskanych, w których zastosowano wzmocnienie kompozytowe na bazie żywic epoksydowych (FRP) lub wzmocnienie z włókien kompozytowych połączono z podłożem betonowym za pomocą zaprawy mineralnej (FRCM).

W moim zamyśle książka nie miała być kolejną pozycją o szeroko rozumianej diagnostyce i wzmacnianiu konstrukcji z betonu. Tej tematyce poświęconych jest wiele znakomitych opracowań wybitnych uczonych polskich i zagranicznych, którym należy się uznanie i szacunek za monografie, które weszły już na stałe do kanonu literatury z zakresu inżynierii budowlanej. W tej książce chciałem pokazać wycinek inżynierii budowlanej obejmujący wykorzystanie kompozytów do wzmacniania elementów ściskanych z betonu. Oczywiście, aby wprowadzić czytelnika w tematykę książki, w sposób bardzo syntetyczny omówiłem przyczyny wzmacniania konstrukcji inżynierskich, ich diagnostykę, a także podałem tradycyjne metody wzmacniania słupów żelbetowych. Najważniejszą częścią książki są rozdziały dotyczące pracy ściskanych elementów z betonu wzmocnionych kompozytami FRP i FRCM, projektowania wzmocnień kompozytowych ściskanych elementów z betonu, a także przykłady obliczeniowe.

Pierwszy rozdział książki poświęcony jest omówieniu, w syntetyczny sposób, przyczyn wzmacniania konstrukcji inżynierskich, z podaniem kilku przykładów z własnej praktyki inżynierskiej, ilustrujących te przyczyny.

W rozdziale drugim przedstawiłem podstawowe informacje o diagnostyce konstrukcji z betonu, z perspektywy celów, w jakich jest ona przeprowadzana. Bardziej w ujęciu akademickim, czemu ma służyć prowadzona diagnostyka, niż w ujęciu technicznym opisującym konkretne sposoby, metody i przypadki. Jak wspomniałem, temu poświęcone jest wiele znakomitych pozycji literaturowych i nie było moim zamysłem ich powielanie czy też kopiowanie.

W rozdziale trzecim omówiłem klasyfikację sposobów i metod wzmacniania konstrukcji inżynierskich, z umiejscowieniem w tej klasyfikacji wzmocnień z wykorzystaniem materiałów kompozytowych. Jest to wiedza powszechnie znana, niemniej wymaga przedstawienia w tego typu opracowaniu.

Kolejny, czwarty rozdział zawiera informacje dotyczące materiałów kompozytowych i wykorzystywania ich do wzmacniania konstrukcji inżynierskich. Przedstawiłem zalety i wady tej technologii, omówiłem wszystkie aspekty technologiczne, tak bardzo istotne ze względu na efektywność systemów wzmocnień.

W piątym rozdziale książki przedstawiłem i omówiłem szereg czynników wpływających na skuteczność i efektywność stosowania materiałów kompozytowych jako zewnętrznego wzmocnienia ściskanych osiowo elementów betonowych, a także ściskanych osiowo i mimośrodowo słupów żelbetowych. Przeanalizowałem:

1. wpływ rodzaju materiału kompozytowego i technologii wzmocnienia,

2. wpływ stopnia uzwojenia kompozytowego,

3. wpływ kształtu przekroju poprzecznego wzmacnianego elementu,

4. wpływ stopnia podłużnego wzmocnienia kompozytowego,

5. wpływ wstępnej wytrzymałości betonu na ściskanie,

6. wpływ ekstremalnych warunków eksploatacji,

7. wpływ obciążeń długotrwałych,

8. wpływ obciążeń cyklicznych,

9. wpływ mimośrodu siły podłużnej,

10. wpływ smukłości,

11. wpływ wstępnego obciążenia elementu przed wzmocnieniem na efektywność tego typu wzmocnień.

Celem, jaki przyświecał mi podczas pisania tej książki, było nadanie jej jak najbardziej utylitarnego charakteru, aby mogli z niej skorzystać zarówno inżynierowie, jak i studenci budownictwa. Stąd dwa kolejne rozdziały – szósty i siódmy – stanowią clou tej książki.

W rozdziale szóstym przedstawiłem własne modele analityczne do projektowania (obliczania) wzmocnień kompozytowych ściskanych elementów z betonu. Z kolei w rozdziale siódmym przestawiałem obliczenia i przykłady weryfikujące zaprezentowane w poprzednim rozdziale modele obliczeniowe. W rozdziale tym zamieściłem również wykresy korelacyjne pomiędzy wartościami uzyskanymi z badań doświadczalnych i modeli analitycznych, aby zweryfikować prezentowane modele obliczeniowe.

Stan wiedzy przedstawiony w niniejszej książce jest aktualny w chwili jej pisania. Każde kolejne badania, każda kolejna praca poszerzają go i w przyszłości mogą posłużyć do udoskonalenia tej książki. Dziękuję wszystkim, którzy wezmą do ręki moją książkę. Mam nadzieję, że będzie ona pomocna w pracy inżynierskiej. Owocnej lektury.

Tomasz Trapko

Rozdział 1

Przyczyny i przykłady uszkodzeń i awarii konstrukcji inżynierskich z betonu

Projektowanie konstrukcji żelbetowych – ze względu na nośność, parametry użytkowe i trwałość – wymaga przyjęcia takich założeń wstępnych, aby atrybuty stanów granicznych były zachowane przez cały czas ich eksploatacji. Przyjęcie odpowiednich założeń dotyczących schematów statycznych, obciążeń oraz czynników środowiskowych i technologicznych, przyjęcie odpowiedniej klasy konstrukcji i materiałów – betonu i stali zbrojeniowej, a następnie poprawne zaprojektowanie, wykonanie i użytkowanie, powinny gwarantować bezpieczeństwo i trwałość elementu żelbetowego w założonym okresie jego użytkowania.

Na wszystkich etapach procesu inwestycyjnego, a także później podczas użytkowania obiektu budowlanego konieczne jest przestrzeganie właściwych zapisów norm i przepisów branżowych, tak aby zapewnić odpowiednie bezpieczeństwo ludzi i mienia w obiekcie. Jednak, niejednokrotnie w trakcie użytkowania obiektu budowlanego pojawia się konieczność wykonania wzmocnień lub naprawy jego elementów konstrukcyjnych. Działania mające na celu zwiększenie nośności elementów konstrukcyjnych, tak aby mogły one przenosić obciążenia na poziome wyższym od pierwotnie przyjmowanego, nazywamy wzmacnianiem konstrukcji, a zabiegi mające na celu doprowadzenie zniszczonych lub uszkodzonych elementów konstrukcji do takiego stanu, aby mogły one przenosić obciążenia projektowe – naprawą konstrukcji. W celu usystematyzowania, przyjęło się nazywać wzmacnianiem zarówno prace związane z typowym wzmacnianiem, jak i naprawą konstrukcji.

Przyczyny działań, mających na celu wzmocnienie elementów konstrukcyjnych obiektu budowlanego, można sklasyfikować w następujący sposób:

1. elementy obiektu budowlanego znajdują się w złym stanie technicznym, co powoduje konieczność doprowadzenia ich do stanu bezpiecznej eksploatacji, bez podnoszenia klasy nośności elementów konstrukcyjnych;

2. elementy obiektu budowlanego znajdują się w dobrym stanie technicznym, ale wymagane jest ich wzmocnienie ze względu na przewidywane zwiększenie poziomu obciążeń w stosunku do założeń projektowych;

3. elementy obiektu budowlanego znajdują się w niezadowalającym lub wręcz złym stanie technicznym, więc dalsza eksploatacja wymaga zarówno przeprowadzenia zabiegów remontowych, jak i dostosowania elementów konstrukcyjnych do przenoszenia zwiększonych obciążeń;

4. wzmocnienia wynikające z wszelkiego rodzaju zmian funkcji obiektu, modyfikacji jego przeznaczenia i zwiększenia poziomu obciążeń;

5. wzmocnienia, których potrzeba wynika z różnego rodzaju przeróbek lub modernizacji istniejących budowli, polegających na zmianie schematów statycznych elementów konstrukcyjnych.

W przypadku elementów wykonanych z betonu powyższą klasyfikację można uściślić do następujących przyczyn:

1. zwiększanie obciążeń stałych i użytkowych,

2. zestarzenie się materiałów i ich korozja (np. ubytki w przekroju betonu i stali zbrojeniowej),

3. konieczność ograniczenia odkształceń oraz naprężeń w betonie i stali zbrojeniowej,

4. konieczność zmniejszenia szerokości rozwartości rys lub zahamowania ich rozwoju,

5. zmiany układu statycznego (np. usunięcie podpór, dodanie podpór, zmiany sposobu podparcia),

6. uszkodzenia mechaniczne konstrukcji,

7. błędy projektowe i wykonawcze.

Odpowiednie normy [N1, N2] mówiące o ustalaniu obciążeń podają zasady ich klasyfikowania, zasady ustalania wartości, a także kombinacji. Przedmiotowe normy [N1, N2], obowiązujące w danym okresie, mówią o wartościach obciążeń stałych, zmiennych technologicznych i montażowych, obciążeń śniegiem, wiatrem, pojazdami, suwnicami, temperaturą, gruntem itd., które należało lub należy przyjmować przy projektowaniu budowli i ich części. W okresie użytkowania obiektu budowlanego niejednokrotnie zmienia on swoje przeznaczenie czy funkcję, co pociąga za sobą konieczność weryfikacji rodzajów i wartości obciążeń przyjętych na etapie projektowania. Nie zawsze zwiększenie poziomu obciążeń stałych czy zmiennych musi spowodować konieczność przeprowadzenia prac wzmacniających. Ze względu na skomplikowane schematy statyczne, nierzadko zmniejszenie poziomu obciążeń stałych i/lub zmiennych może spowodować wzrost wartości sił wewnętrznych w elementach konstrukcyjnych.

Projektowanie elementów z betonu ze względu na trwałość konstrukcji traktowane jest często, zdaniem autora bardzo słusznie, jako trzeci stan graniczny. Co prawda norma [N1] definiuje tylko dwa podstawowe stany graniczne – stany graniczne nośności, które oznaczono jako ULS (ultimate limit states) oraz stany graniczne użytkowalności, które oznaczono skrótem SLS (serviceability limit states), ale w przypadku konstrukcji z betonu należy na równi uwzględniać też trwałość konstrukcji. Zagwarantowane to jest w normie [N3] poprzez przyjęcie odpowiednich klas ekspozycji w zależności od warunków środowiskowych, odpowiednich klas konstrukcji, a także odpowiednich klas odporności ogniowej elementów budynku, z których wynikają grubości otulin prętów zbrojeniowych. Czynnikami destrukcyjnymi, działającymi na niekorzyść elementów konstrukcyjnych z betonu, mogą być karbonatyzacja betonu, obecność chlorków pochodzących ze środowiska zewnętrznego lub z procesów technologicznych w obiekcie, obecność chlorków pochodzących z wody morskiej, zamrażanie i rozmrażanie czy agresja chemiczna (rys. 1.1). Nie wszystkich oddziaływań można się pozbyć na etapie eksploatacji, chociażby karbonatyzacji betonu, czyli korozji węglanowej, czy też zamrażania i rozmrażania w przypadku elementów zewnętrznych.

Rys. 1.1.

Przykłady korozji betonu i zbrojenia

Niespełnienie, na etapie eksploatacji, warunków stanu granicznego użytkowalności SLS, czyli przekroczenie dopuszczalnej szerokości rozwartości rys prostopadłych i ukośnych, a także przekroczenie dopuszczalnej wartości ugięcia elementów z betonu może być przyczyną konieczności wykonania prac wzmacniających w przeciążonej konstrukcji w celu ograniczenia odkształceń oraz naprężeń w betonie i stali zbrojeniowej.

Innym powodem, który determinuje konieczność przeprowadzenia prac wzmacniających, są wszelkiego typu ingerencje w strukturę konstrukcji obiektu. Może to być usunięcie lub dodanie podpór (słupów, ścian) czy też wykonywanie dodatkowych otworów w ścianach, tarczach czy płytach żelbetowych.

Przyczyną najmniej spodziewaną, ale niestety coraz częściej występującą, są wszelkiego typu błędy projektowe i wykonawcze. Jednak, pamiętając o globalnym współczynniku bezpieczeństwa budowli i jej elementów konstrukcyjnych, należy mieć na uwadze to, że błędy muszą być naprawdę rażące, aby mogły doprowadzić do poważnej awarii czy też katastrofy. Niejednokrotnie błędy projektowe i wykonawcze ujawniają się w połączeniu z przeciążeniem konstrukcji i zestarzeniem materiałów, po kilku, kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu latach.

Treść tego rozdziału została tak pomyślana, aby po raz kolejny nie powielać znanych z literatury przykładów pokazujących awarie elementów konstrukcyjnych wykonanych z betonu lub wręcz katastrof całych obiektów inżynierskich [1–4]. Przedstawiono w nim kilka przykładów uszkodzeń i awarii elementów wykonanych z betonu, wziętych z własnego doświadczenia autora. Od przykładów podstawowych, w których wyjaśnienie powodów jest wręcz oczywiste, do przykładów awarii całych elementów konstrukcyjnych, gdzie konieczna jest pogłębiona analiza przyczyn ich powstania.

Pierwszy przykład uszkodzenia żelbetowych prefabrykatów peronowych opisany w [5] jest reprezentatywny dla często spotykanych obrazów uszkodzenia betonowych elementów infrastruktury drogowej i kolejowej, takich jak: płyty chodnikowe, krawężniki, kostki brukowe czy też właśnie żelbetowe płyty peronowe itp. Wszystkie elementy nawierzchni komunikacyjnych muszą charakteryzować się odpowiednią trwałością ze względu na ciągłe, zmienne i uporczywe działanie czynników środowiskowych. Muszą one spełniać określone kryteria dotyczące m.in. dopuszczalnej nasiąkliwości i stopnia mrozoodporności, poprzez odpowiedni dobór składników betonu i jego klasy. Elementy ze zbrojeniem stalowym muszą spełniać odpowiednie, minimalne wymagania dotyczące grubości otuliny zbrojenia. Na rysunku 1.2 pokazano przykładowe uszkodzenia żelbetowych prefabrykowanych płyt peronowych. W tych płytach stwierdzono skorodowaną warstwę wierzchnią, uszkodzone krawędzie i raki, rdzawe wykwity na powierzchni od korodujących prętów zbrojeniowych, wgłębienia powierzchniowe (widoczne w postaci zastoin wody) oraz rysy i pęknięcia. Płyty różniły się kolorystyką, co może wynikać m.in. ze sposobu dozowania pigmentu do betonu. Badania betonu, z tych konkretnych płyt, pokazały przekroczenie dopuszczalnego (deklarowanego) poziomu nasiąkliwości i nieosiągnięcie założonej mrozoodporności. Uszkodzenia mają charakter zarówno technologiczny, spowodowany doborem niewłaściwego składu mieszanki betonowej (m.in. składu granulometrycznego kruszywa), jak i wykonawczy, spowodowany niewłaściwym zagęszczaniem mieszanki betonowej w formie, niewłaściwą grubością otuliny czy wreszcie deformacjami form. Dla przykładu, w płytach zastosowano kruszywo o frakcji do 16 mm, które w czasie wibrowania nie wypełniło sfazowanych naroży, stąd ich uszkodzenia.

Rys. 1.2.

Przykłady korozji i uszkodzeń płyt peronowych

Rys. 1.3.

Uszkodzenia warstwy wierzchniej posadzki betonowej

Rys. 1.4.

Grubość warstwy wierzchniej posadzki, ok. 30–40 mm