1

Principalele avantaje si dezavantaje in folosirea compozitelor polimerice armate cu fibra la reabilitarea i consolidarea structurilor ingineresti

2

Consolidarea elementelor incovoiate din beton armat si zidarie folosind CPAF (compozite polimerice armate cu fibre)

O comparatie directa intre solutiile de consolidare in care se folosesc platbande din compozite cu matrice polimerica (CMP) si platbande din otel conduce la urmatoarele observatii:

A. Consolidarea cu platbande: A.1 Avantaje: platbandele din CMP sunt mai putin vulnerabile la actiunea agresiva a agentilor chimici, de aceea costul intretinerii dupa instalare este mult mai redus; platbandele compozite se pot proiecta si realiza cu proprietati prestabilite pe baza alegerii elementelor sistemului multifazic, fractiunilor volumetrice de fibra si matrice, orient arii fibrelor si procedeului de fabricatie; CMP sunt izolatoare electrice, nemagnetice si neconductive termic; platbandele si membranele din CMP au greutate proprie redusa si sunt usor de transportat, manipulat si instalat, adaugand valori mici la greutatea proprie; elementele de consolidare din CMP se pot produce cu lungimi mari, fiind posibila livrarea si in rulouri; reabilitarea structurala nu necesita decat rareori si pe durate minime intreruperea functionarii structurii aflate in procesul de consolidare; costul total al aplicarii la platbandele din otel si la cele compozite este aproape acelasi, dar daca se considera intreruperile in functionare si costurile de intretinere, economiile in cazul folosirii platbandelor compozite ajung pana la 18-20 %; platbandele compozite sunt recomandate in mod special in cazul clorinarii betonului; in toate situatiile in care exista agenti corozivi si lungimile necesare ale platbandelor depasesc 8m solutiile cu platbandele din compozite polimerice armate cu fibre sunt mai economice.

A. Consolidarea cu platbande: A.2 Dezavantaje: consolidarea cu platbande din CMP este sensibila la schimbari bruste ale sectiunii elementelor consolidate denivelarile pot conduce la initierea unor forme de cedare cauzate de tensiunile locale de Intindere normala pe platbande; materialele se comporta liniar elastic pana la rupere dar exista pericolul unor cedari fragile; fibrele, mai ales cele din carbon, sunt de 4-5 ori mai scumpe decat otelul, dar manopera este mult mai ieftina - diferenta dintre costuri se reduce pe masura ce creste volumul de activitate si apar ofertanti noi; platbandele compozite sunt mai vulnerabile la deteriorari cauzate de corpuri dure, dar deteriorarile sunt localizate si se pot repara usor. B. Consolidarea cu tesaturi: B.1 Avantajele: proprietati mecanice excelente; se pot folosi tesaturi armate unidirectional, bidirectional sau multidirectional; eventualele distrugeri mecanice locale sunt usor de reparat. B.2 Dezavantaje: nu sunt compatibile cu o serie de rasini.

C. Consolidarea cu bare compozite: C.1 Avantajele: sunt mai rezistente ca otelul; nu sunt conductive; reprezinta 1/4 din greutatea otelului; sunt testate experimental intr-o serie de centre universitare; sunt disponibile in diverse forme si dimensiuni; pot fi produse si la cererea clientului (in diverse forme si dimensiuni); exista norme dupa care se pot proiecta si executa constructii ingineresti din beton cu armaturi din CPAF. C.2 Dezavantaje: cost ridicat in comparatie cu barele de otel; manipularea armaturilor trebuie facuta cu grija pentru a nu se distruge mecanic armatura; carligele (sau portiunile curbe ale carligelor) de la capetele barelor nu se pot realiza in situ.

Consolidarea grinzilor si placilor din beton armat se bazeaza pe o solutie relativ simpla din punct de vedere conceptual, dar eficienta acesteia este determinata de capacitatea zonei compozit - beton de a prelua si transmite starile de tensiuni dintre componente. Eficacitatea sistemului este influentata de modul in care se realizeaza produsul compozit folosit la consolidare si se aplica pe suprafata betonului. Aceasta relatie depinde de: *lipirea unor platbande din materiale compozite polimerice armate cu fibre (obtinute prin pultrudere, prin contact sau prin vacuumare) si aplicarea acestora pe suprafata de beton, utilizand un adeziv cu proprietati fizico mecanice adecvate; *aplicarea unor membrane composite realizate la locul de punere in opera, folosind tehnologia uzuala de formare a stratificatelor compozite prin procedeul ,,de contact" - dupa dispunerea unui strat de raina se aplica succesiv straturile de armatura sub forma unor benzi din tesatura care se preseaza cu rulouri, obtinand astfel simultan elementul compozit i aderenta cu suprafata de beton; *idispunerea armaturii si a rasinii intr-un mediu vacuumat, consta din plasarea armaturii alcatuite din tesatura peste zona ce trebuie consolidata si infuzia rasinii sub vacuum procesul se desfasoara intr-un mediu inchis, infuzia de rasina umecteaza stratul de armatura si umple fisurile din beton.

Proprietatile cele mai uniforme se obtin prin utilizarea platbandelor si membranelor compozite prefabricate lipite de beton printr-un adeziv puternic, avand caracteristici fizico - mecanice compatibile atat cu stratul de beton cat si cu produsul compozit. Procedeul prin contact este cel mai convenabil aplicarii ,,in situ", atat ca flexibilitate a procesului cat si ca pret de cost. Totusi proprietatile sistemului rezultat au o mare imprastriere, consumul de rasina este relativ ridicat, iar membrana compozita rezultata dupa intarire are proprietati mecanice mai reduse. Infuzia de rasina in mediu vacuumat conduce la un element compact cu proprietati superioare la care rezulta o dispunere corecta a stratului de armare. In cazurile (ii) si (iii) rasina polimerica indeplineste si rolul de strat adeziv, format simultan cu produsul compozit. Desi, in acest caz exista mai putine interfete la care se poate initia cedarea, se elimina stratul tenace de adeziv, favorabil comportarii de ansamblu a sistemului hibrid.

La consolidarea elementelor incovoiate din beton armat cu ajutorul materialelor compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) trebuie respectat conceptul general al armarii exterioare astfel incat modul de lucru al elementelor incovoiate sa nu se inrautateasca. Toate cerintele de performanta impuse structurilor initiale trebuie mentinute si la cele consolidate. Prin solutiile propuse trebuie evitate devierile majore de la distributiile tensiunilor pe sectiunea transversala a elementelor in cele doua stari (consolidat si neconsolidat). Selectarea produsului compozit pentru armarea exterioara si a adezivului trebuie sa asigure modul de lucru unitar al elementului consolidat. Proiectarea si realizarea consolidarii elementelor din beton armat solicitate la incovoiere cuprinde urmatoarele faze initiale : a)Alegerea unui compozit cu modulul de elasticitate suficient de mare (preferabil compozite realizate din fibre de carbon si matrice epoxidice) pentru a folosi platbande subtiri cu proprietati stabile in timp.

b) Stabilirea sectiunii transversale a platbandelor compozite pentru obtinerea unei cresteri a capacitatii portante astfel incat sa se realizeze un mecanism de cedare convenabil. In literatura de specialitate sunt prezentate urmatoarele moduri specifice de cedare: *b1. curgerea armaturii din otel urmata de strivirea betonului in zona comprimata; *b2. curgerea armaturii insotita de ruperea la intindere a platbandei compozite si apoi strivirea betonului din zona comprimata; *b3. desprinderea platbandei in zona fisurilor marginale; *b4. cedarea la forfecare a betonului in zonele de capat ale platbandelor; *b5. desprinderea platbandei in regiunea fisurata cu momente incovoietoare mari; *b6. desprinderea platbandei datorita denivelarilor betonului; *b7. cedarea aderentei ,,platbanda - adeziv"; *b8. cedarea legaturii ,,platbanda - adeziv" sau ,,adeziv - beton"; *b9. forfecarea interlamelara a platbandei compozite stratificate. Se considera convenabile mecanismele bl si intr-o oarecare masura b2.

c)Gradul de consolidare (raportul dintre momentul capabil al elementului consolidat si cel dinaintea consolidarii) se recomanda sa nu depaseasca valoarea 2.0. Astfel, in cazul extrem in care platbanda de CPAF devine neoperationala se mentine un coeficient de siguranta sub incarcari de exploatare de ordinul a 1.15 + 1.20. d)Verificarea posibilitatii de cedare prematura prin mecanisme de desprindere a platbandelor compozite. e)Prevederea unor mijloace de ancorare, in special la capetele platbandelor compozite, daca se anticipeaza desprinderi premature. f)Executia corecta a tuturor operatiilor, sub un control riguros.

In ultimii ani s-a incercat cu bune rezultate folosirea compozitelor armate cu fibre la consolidarea zidariilor in care utilizarea solutiilor conventionale are unele dezavantaje, astfel sunt prezentate principalele solutii de consolidare a structurilor din zidarie folosindu-se materiale compozite. De exemplu consolidarea structurilor din zidarie prin camasuire cu beton armat este destul de eficienta, intrucat mareste capacitatea portanta, rigiditatea si ductilitatea, dar aceasta solutie este insotita de unele dezavantaje : *camasuielile grele sporesc mult greutatea proprie adaugand incarcari permanente destul de mari, uneori imposibil de transmis la terenul de fundare mai ales cand la parter sunt bolti sau arce; *incarcarile suplimentare din greutatea proprie modifica raspunsul dinamic al structurii fiind posibila suplimentarea incarcarii seismice; *grosimile camasuielilor pot altera aspectul estetic si reduc spatiul util din cladiri; *solutia este mare consumatoare de manopera si pe durata realizarii lucrarilor este obstructionata utilizarea normala a cladirii.

Aceste dezavantaje au stimulat cautarea unor solutii de consolidare bazate pe folosirea materialelor compozite armate cu fibre. O prima varianta de consolidare folosind materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) in care o tesatura din fibre (din sticla, carbon sau aramidice) este preimpregnata cu o rasina polimerica si lipita pe suprafata zidariei cu un strat adeziv. Studii experimentale ulterioare au evidentiat faptul ca la consolidarea zidariilor este mai eficienta utilizarea fasiilor compozite inguste, figura r.18 a, orientate aproximativ dupa directiile tensiunilor normale decat acoperirea intregului perete cu membrane compozite continue. De asemenea, din programele de cercetare - dezvoltare organizate in acest domeniu s-au formulat si alte concluzii:

in cazul in care solicitarea predominanta este incovoierea normala pe planul peretelui, este recomandata folosirea fasiilor compozite orizontale pentru cresterea momentului capabil; daca zidul de caramida este incovoiat in planul sau este necesara distribuirea armaturilor exterioare compozite in zonele solicitate preponderent la intindere.

Figura r.18 Consolidarea zidurilor din caramida cu fasii din CPAF a. si b. fasii lipite pentru cresterea capacitatii portante la incovoiere si forfecare, c. fasii (tendoane) nelipite dispuse pe contur pentru confinarea zidariei

Eficienta corespunzatoare a consolidarii cu fasii compozite se obtine doar daca este asigurata ancorarea corespunzatoare a armaturii compozite la capete, prin lungimi de ancorare suficiente sau prin sisteme de strangere (fixare). Daca nu se asigura aceste conditii pot aparea desprinderi ale fasiilor compozite si moduri de cedare similare celor de la elementele din beton armat. Tirantii realizati din compozite polimerice armate cu fibre se folosesc mai ales la consolidarea monumentelor istorice realizate din zidarie. Folosirea tendoanelor compozite respecta doua conditii principale: *interventiile structurale sunt putin vizibile si nu altereaza "personalitatea" constructiei; *solutiile propuse sunt "reversibile" si pot fi demontate daca performantele pe termen lung nu sunt satisfacatoare. Structurile din zidarie pot fi consolidate folosind tiranti dispusi perimetral, figura r.18 c. Tirantii sub forma unor bare rotunde sau fasii plate din compozite polimerice se aplica perimetral prin exteriorul zidurilor si apoi se pretensioneaza pentru realizarea confinarii orizontale.

Compozitele folosite ca tiranti sunt cu armare unidirectionala avand rezistente longitudinale foarte bune dar mult mai mici in directie transversala. De asemenea, compozitele cu armare unidirectionala care folosesc matrice polimerice termorigide sunt fragile si sensibile la operatiile de filetare sau aschiere si de aceea trebuiesc realizate sisteme speciale de innadire in camp sau de fixare la capete. Intrucat tirantii din materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) nu pot fi indoiti dupa raze mici de curbura este imposibila trecerea acestor elemente dupa colturi si se impune ancorarea separata a tendoanelor. Sistemul de fixare si ancorare la coltul unui zid este realizat dintr-un coltar din otel si o pereche de reazeme care permit ancorarea fasiei compozite. Tendonul compozit se lipeste pe o pereche de eclise metalice. Transferul fortelor de pretensionare din tiranti la structura se realizeaza prin contactul dintre coltarul metalic si zidarie. Cele doua tendoane compozite ancorate la acelasi colt se pretensioneaza progresiv prin strangerea alternativa a piulitelor din capatul pieselor, astfel incat sa se echilibreze momentele incovoietoare. Innadire tendoanelor compozite, dispuse perimetral, se face prin intermediul unor eclise metalice si un manson strangere.

Folosirea materialelor compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) la consolidarea structurilor din zidarie, desi in stadiul initial, ofera rezolvari corespunzatoare in cazurile in care solutiile traditionale prezinta unele dezavantaje inacceptabile datorita necesitatii dezvoltarii unor solutii speciale de prindere si fixare astfel incat sa fie utilizat in intregime potentialul structural al CPAF.