of 54 /54
UNIVERSITATEATEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI ing. Bogdan BAHNARIU SISTEME DE CONSOLIDARE A CONSTRUCŢIILOR CU MATERIALE COMPOZITE Conducator ştiinţific Prof. Univ. Ing. Mircea IEREMIA Dr. REZUMAT – TEZA DE DOCTORAT

Consolidare Cu Materiale Compozite

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Consolidare cu materiale compozite

Citation preview

Page 1: Consolidare Cu Materiale Compozite

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTIing. Bogdan BAHNARIU

SISTEME DE CONSOLIDARE A CONSTRUCŢIILORCU MATERIALE COMPOZITE

Conducator ştiinţificProf. Univ. Ing. Mircea IEREMIADr.

REZUMAT – TEZA DE DOCTORAT

Page 2: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 2

 

Această lucrare abordează un domeniu de cercetare de interes major, de mare actualitate în contextul actual, în care se pune un accent tot mai mare pe protecţia mediului înconjurator, economia de resurse materiale şi umane prin dezvoltarea şi crearea unor noi tehnologii de fabricaţie şi execuţie, care să fie folosite atât în cadrul noilor construcţii inginereşti cât şi la reabilitarea şi reconsolidarea structurilor existente.

Necesitatea elaborării unor materiale noi şi a unor tehnologii neconvenţionale a fost determinată nu numai de motive economice şi sociale, dar şi de faptul că în condiţiile dezvoltării exponenţiale a producţiei, a apărut o criză foarte puternică de surse de materii prime şi energetice, odată cu creşterea agresiunii oamenilor faţă de mediul înconjurător.

Prezenta teză de doctorat, intitulată ,,Sisteme de consolidare a construcţiilor cu materiale compozite”, este structurată în 12 capitole, care au acoperit un numar de aproximativ 300 pagini de studii şi cercetări despre materiale compozite, fiind detaliate soluţiile de consolidare a structurilor folosindu-se compozite polimerice armate cu fibre.

Materialele compozite reprezintă un teritoriu fascinant, fiind primele materiale a căror dispunere structurală internă a putut fi controlată încă din faza de proiectarea, atât prin conceperea modului de înlănţuire moleculară, cât şi prin direcţii preferenţiale, conferindu-le în acest fel rezistenţe favorabile, net superioare celor ale componentelor lor.

În capitolul 1 intitulat ,,Introducere”au fost prezentate principalele obiective ale tezei de doctorat, prin descrierea succintă a studiilor tratate în fiecare capitol ce a urmat.

În capitolul 2 intitulat ,,Dezvoltarea materialelor compozite în domeniul ingineriei civile” se prezintă importanţa lucrărilor de reparaţie, consolidare şi adaptare seismică a clădirilor existente, prin definirea şi clasificarea materialele compozite.

Necesitatea lucrărilor de consolidare a construcţiilor existente ia o amploare foarte mare odată cu trecerea anilor, mobilizând resurse umane şi materiale comparabile cu cele folosite la investiţiile noi. Apariţia în timp a degradărilor ca urmare a îmbătrânirii materialelor, fenomenelor de oboseală, curgerea lentă, dar şi a efectelor unor acţiuni extraordinare (acţiunea seismului, acţiunea focului sau exploziilor), precum şi agresivitatea mediului au condus la numeroase cazuri de avarii în construcţii, pagube materiale şi de multe ori chiar şi umane.

Consolidările elementelor structurii pot păstra aceeaşi schemă structurală, sporind secţiunile elementelor prin adaos de beton şi armătură, bare metalice sau materiale compozite sau pot fi executate prin introducerea unor elemente noi ce descarcă parţial structura iniţială.

Astfel, printre principalele cauze care impun consolidarea construcţiilor din beton armat se pot enumera urmatoarele:

remedierea unor deteriorări (avarieri) ale structurii ca urmare a execuţiei defectuase, a greşelilor de proiectare;

exploatarea necorespunzătoare; efectele dezastruoase a unor vânturi puternice, inundaţii, explozii; sporirea capacităţii de rezistenţă a construcţiei impusă de schimbarea destinaţiei

respectivei construcţii; procesele tehnologice cu agresivitate chimică ridicată (ce se manifestă prin coroziunea

armăturii); degradarea terenurilor de fundare; upgradare seismică.

Page 3: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 3

 

În figura r.1 se pot observa efectele dezastruoase ale unor construcţii ce nu au fost consolidate şi unde cerinţele din proiect nu au fost respectate.

Datorită progresului obţinut în ceea ce priveşte fabricarea materialelor compozite,

precum şi multor dezavantaje pe care le prezintă soluţiile tradiţionale de reabilitare structurală, în prezent utilizarea compozitelor cu matrice polimerică (CMP) este tot mai des întâlnită în cadrul lucrărilor de consolidare a structurilor inginereşti.

Prin definiţie, conceptul de „compozit” este atribuit unui sistem complex, alcătuit din mai multe materiale de natură diferită. În această categorie intră o clasă foarte vastă de produşi. Acest lucru este determinat de faptul că posibilităţile de modificare a constituenţilor de bază, a tehnicilor de „asamblare” şi de fabricare, a nivelului de performanţă şi a costului sunt practic infinite.

O definiţie de uz general ar fi că un material compozit este alcătuit din mai multe componente cu proprietăţi fizice şi chimice diferite, materialul astfel obţinut având proprietăţi superioare şi îmbunătăţite faţă de cele ale materialelor individuale din componenţa sa.

O clasificare foarte importanta a materialelor compozite se face în funcţie de modul de orientare al fibrelor, materialele compozite fiind grupate în trei categorii:

a. materiale compozite durificate cu fibre; b. materiale compozite durificate cu particule (disperse); c. materiale compozite obţinute prin laminare (stratificate).

Figura r.1 Exemple de structuri avariate

Page 4: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 4

 

a. materiale compozite armate cu fibre

În figura r.2 sunt prezentate diferite moduri de orientare a acestor fibre în interiorul matricei. Se obţin astfel materiale compozite cu caracteristici foarte bune de rezistenţă, rigiditate şi raport ,,rezistenţă – densitate”.

Comportamentul mecanic al unui asemenea compozit depinde de: - proprietăţile fiecărui component; - proporţia dintre componenţi; - forma şi orientarea fibrelor în raport cu direcţia de solicitare; - rezistenţa mecanică a interfeţei matrice - fibră.

b. materiale compozite durificate cu particule (disperse)

b.1. materiale compozite durificate prin dispersie

În cazul acestor compozite, particulele de dimensiuni foarte mici (100 ÷ 2500 Å) (1 ångström = 10-7 mm ), blochează deplasarea dislocaţiilor. Astfel, deşi sunt necesare cantităţi mici de material dispers, efectul de durificare este foarte mare.

Faza dispersată este, de regulă, un oxid stabil dur (Al2O3 – alumina, ThO2 – torianit, ZrO2 – dioxid de zirconiu, BeO – oxid de beriliu, etc.). Această fază trebuie să aibă o anumită dimensiune, formă, cantitate şi distribuţie pentru obţinerea celor mai bune proprietăţi pentru materialul compozit. Totodată particulele dispersate trebuie să aibă solubilitate scăzută în materialul matricei şi să nu apară reacţii chimice între particule şi matrice.

b.2. materiale compozite armate cu macroparticule Armarea acestor compozite se face cu particule mari, care nu mai au rol de blocare a

deplasării dislocaţiilor. În funcţie de proporţia dintre cantităţile de macroparticule şi cea de liant se obţin combinaţii neobişnuite de proprietăţi.

Carburile metalice pot fi privite ca fiind astfel de materiale compozite, carbura de wolfram (CW) este înglobată într-o masă de cobalt, sculele aşchietoare rezultate având combinate avantajele date de duritatea şi rezistenţa la creşterea temperaturii de aşchiere a CW şi cele date de rezistenţa bună la impact a cobaltului.

Pietrele abrazive formate din macroparticule de carbură de siliciu (SiC), nitrură de bor sau diamant, înglobate într-o matrice de sticlă sau polimeri, pot fi considerate tot materiale compozite armate cu macroparticule.

 

Fig r.2 Materiale compozite armate cu fibre

fibre + matriţă Material compozit =

Page 5: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 5

 

Un alt exemplu, îl constituie materialul utilizat pentru contactele electrice, care este format din particule de wolfram înglobat într-o matrice de argint. În acest mod se realizează combinaţia dorită de proprietăţi, şi anume, conductibilitatea electrică bună (datorită argintului) şi rezistenţă mare la uzură (datorită particulelor de wolfram). c. materiale compozite stratificate

Sunt obţinute prin aplicarea, la suprafaţa materialului de bază, a unui strat din alt material. Aplicarea acestui strat din alt material cu proprietăţi diferite de cele ale materialului de bază se realizează cel mai des prin turnare, sudare sau laminare.

Principalul avantaj al acestor materiale, exemplificate în figura r.3, este de ordin economic şi de ordin calitativ, deoarece prin utilizarea lor se economisesc importante cantităţi de materiale scumpe sau deficitare, îmbunătăţindu-se, în acelaşi timp, calităţile produselor şi mărindu-se durata lor de funcţionare în condiţiile unor performanţe ridicate.

Exemple de asemenea materiale compozite sunt:

duraluminiul, cu rezistenţă ridicată la rupere, placat cu aluminiu pur, cu rezistenţă ridicată la coroziune;

oţeluri carbon, ieftine, placate cu oţeluri cu duritate ridicată şi rezistenţă la uzare sau cu oţeluri inoxidabile rezistente la coroziune;

plăcuţele din oxid de aluminiu placate cu nitrură de titan (utilizate pentru părţile active ale sculelor aşchietoare), etc..

În afară de materialele compozite bicomponente, prezentate mai sus, se utilizează şi compozite tricomponente (tip ,,sandwich”).

De exemplu, pentru împiedicarea difuziunii carbonului dintr-un oţel în altul, se poate interpune prin placare un strat de nichel, care nu permite difuziunea prin el a carbonului.

Figura r.3 Material compozit stratificat

 

 

Page 6: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 6

 

Tot un material tip “sandwich” este prezentat în figura r.4. Acesta este alcătuit din două plăci subţiri din metal (de exemplu aluminiu, titan sau oţel), între care se găseşte o structură tip fagure, din material mai dur (duraluminiu sau aliaj de titan), rezultând un material compozit deosebit de rezistent şi rigid.

În capitolul 3 intitulat ,,Componentele ce definesc caracteristicile fizico-mecanice ale

materialelor compozite” sunt descrise fazele materialelor compozite ca fiind matricea, armătura şi interfaţa armătură – matrice, precum şi principalele categorii de materiale compozite, armate cu particule şi armate cu fibre (figura r.5).

Materialele compozite conţin cel puţin o fază discontinuă denumită ranforsant sau armătură înglobat într-o fază continuă (această fază continuă fiind cunoscută sub denumirea de matrice), cu proprietăţi care depind de caracteristicile fizico-mecanice individuale, modul de distribuţie, precum şi interacţiunea dintre faze.

Un rol deosebit în stabilirea proprietăţilor compozitului ca sistem multifazic revine regiunii de interfaţă. Conceptul de interfaţă defineşte limita comună a două faze şi reprezintă o suprafaţă de separare a componenţilor dintr-un amestec existent ca faze distincte.

Figura r.5 Fazele sistemului compozit.

a. faza continuă (matricea), b. faza dispersă (armătura), c. interfaţa

Matricea reprezintă aşadar, o parte a materialului compozit care asigură atât transferul solicitărilor exterioare la ranforsant, cât şi protecţia elementelor de ranforsare împotriva distrugerilor mecanice şi prin eroziune.

 

Figura r.4 Material compozit tip sandwish

 

Page 7: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 7

 

Cele mai importante funcţii pe care le indeplineşte matricea în definirea materialului compozit ar fi:

stabileşte forma definitivă a produsului realizat din materialul compozit; înveleşte fibrele astfel încât să le protejeze atât în fazele de formare ale produsului

cât şi pe durata de serviciu; păstrează armăturile la distanţe corespunzătoare transmiterii eforturilor între faze

prin adeziune, frecare sau alte mecanisme de conlucrare; împiedică flambajul fibrelor deoarece fără mediul continuu de susţinere laterală

armătura nu este capabilă să preia eforturi de compresiune; asigură contribuţia principală la stabilirea rezistenţei şi rigidităţii în direcţie normală

pe fibre; matricea constituie mediul de transmitere a eforturilor prin compozit astfel că la

ruperea unei fibre reîncărcarea celorlalte se poate realiza prin contactul la interfaţă; permite redistribuirea concentrărilor de tensiuni şi deformaţii evitând propagarea

rapidă a fisurilor prin compozit; stabileşte continuitatea transversală dintre lamelele ansamblului stratificat; previne efectele corozive şi reduce efectele abraziunii fibrelor; asigură compatibilitatea termică şi chimică în raport cu materialul de armare.

Matricile organice sunt executate fie din materiale plastice fie din materiale termoplastice. Matricile organice au utilizarea cea mai largă în domeniul materialelor compozite. Dintre acestea, materialele polimerice prezintă o serie de avantaje:  

sunt uşoare; asigură transparenţă; sunt izolatoare electric şi termic; sunt impermeabile; au rezistenţă mare la coroziune; asigură autolubrifierea: se poate obţine un comportament elastic sau plastic.

Matricile din ceramică tehnică sunt tot mai frecvent utilizate pentru realizarea

compozitelor, deoarece această categorie de materiale este caracterizată prin proprietăţi intrinseci deosebite, datorate în principal legăturilor interatomice. Aceste proprietăţi sunt:

rezistenţă mecanică mare la temperaturi înalte; rezistenţă la rupere foarte mare, uneori mai mare decât rezistenţa

oţelurilor; rezistenţă la oxidare şi la agenţi chimici; modul de elasticitate mare, superior oţelurilor; duritate mare şi stabilă la creşterea temperaturii.

Matricele metalice s-au folosit din necesitatea de a obţine compozite care să poată fi utilizate la temperaturi relativ înalte, comparativ cu cele de natură organică. Metalele prezintă şi alte proprietăţi care le recomandă în calitate de matrice: proprietăţi mecanice bune, conductivitate termică şi electrică mari, rezistenţă mare la aprindere, stabilitate dimensională, capacitate bună de prelucrare, porozitate scazută. În schimb, densitatea este relativ mare (1,74 ÷ 7,0 g/cm3), iar fabricarea compozitelor este uneori mai dificilă.

Page 8: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 8

 

Pentru definirea caracteristicilor fizice şi mecanice, un rol important îl îndeplineşte armătura sau ranforsantul, prin geometria dispunerii în interiorul materialului compozit, aceasta prezentându-se sub mai multe forme (figura r.6):

Figura r.6 Structuri de armare

Ponderea fibrelor ca sisteme de armare este determinată de caracteristicile fizico-mecanice pe care le prezintă şi de caracteristicile fizico-mecanice pe care trebuie să le obţină compozitul.

Analiza comportării şi a proprietăţilor unui material compozit polimeric armat cu fibre nu se poate realiza fără cunoaşterea fenomenelor şi proceselor care au loc la regiunea de interfaţă fibră-matrice. Interfaţa fibră-matrice este o regiune de tranziţie cu o evoluţie gradată a proprietăţilor. Transferul eforturilor la interfaţă este posibil numai dacă între componenţi se realizează un contact molecular intim prin distanţe comparabile cu cele din materialul obişnuit. Legătura se poate realiza pe cale chimică sau prin acţiunea forţelor intermoleculare.

Regiunea de contact fibră-matrice poate fi tratată ca o a treia fază a compozitului, iar cedarea la interfaţă este de multe ori critică pentru caracteristicile fizico-mecanice ale sistemului multifazic.

În subcapitolul 3.5.2 intitulat ,,Compozite armate cu fibre” sunt detaliate principalele tipuri de fibre şi proprietăţile fizico-mecanice ale acestora.

Fibrele sunt materiale macroscopic omogene, cu structură filiformă, cu o lungime mare în raport cu dimensiunea transversală, care sunt menţinute laolaltă în diferite formaţiuni morfologice prin intermediul unor forţe secundare de coeziune.

Page 9: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 9

 

Fibrele constau din sute de filamente, fiecare filament având diametrul între 5÷15 micrometrii, permiţând a fi produse folosind maşini textile; de exemplu în cazul fibrelor de sticlă, sunt obţinute două semiproduse aşa cum este arătat în figura r.7.

Figura r.7 Forma fibrelor Fibrele reprezintă forma de bază sub care se poate prezenta un element chimic, compus

chimic, material celulozic, polimeric etc, fiind caracterizate de o lungime mult mai mare în raport cu diametrul. Mai multe fibre răsucite sau împletite formează un fir. Întăriturile sub formă de fibre sau fire pot fi întregi (lungime foarte mare), sau tăiate la anumite dimensiuni bine precizate. Principalele trei tipuri de fibre folosite pentru consolidarea structurilor sunt carbon, armaid şi sticlă.

Fibrele din sticlă se utilizează extensiv la armarea matricelor polimerice, având ca principale avantaje costul relativ redus şi rezistenţe mecanice convenabile (rezistenţă la şoc, rezistenţă la întindere şi compresiune, rezistenţă la foc, rezistenţă la atac biologic, calităţi electrice bune, rezistenţă la acţiunea apei şi la umiditate). De asemenea, fibrele de sticlă au o rezistenţă la impact foarte bună. Aceste tipuri de fibre au densitate mai mare decât fibrele de carbon şi cele de aramidice.

Principalele dezavantaje constau în valoarea mai redusă a modulului de elasticitate, rezistenţa nesatisfăcătoare la abraziune, precum şi aderenţa necorespunzătoare la matricea polimerică în prezenţa apei. Aderenţa redusă necesită folosirea unor agenţi de cuplare pentru tratarea suprafeţei fibrelor. Rezistenţele mecanice ale compozitelor armate cu fibre din sticlă sunt influenţate semnificativ de forma în care se foloseşte materialul de armare.

Fibrele de carbon se folosesc la armarea CPAF (compozite polimerice armate cu fibre) cu performanţe ridicate. Deşi termenii “carbon” şi “grafit” se consideră interschimbabili, există unele diferenţe notabile atât în modul de realizare a structurii fibrelor cât şi în conţinutul de carbon. Termenul “fibră din grafit” se foloseşte pentru a caracteriza fibrele cu un conţinut de carbon ce depăşeşte 99%, în timp ce “fibra din carbon” provine din material cu un conţinut de carbon cuprins între 80÷95%. Fibrele din carbon folosite la armarea CPAF sunt compatibile cu multe matrice polimerice şi au stabilitate bună la temperaturi ridicate.

Fibrele pe bază de carbon sunt mai fragile decât fibrele de sticlă sau cele aramidice. Dacă fibrele de carbon sunt folosite în apropierea metalelor sau chiar peste acestea, aceste fibre sunt supuse coroziunii galvanice. De aceea în aceste cazuri se foloseşte o barieră de interpunere cum ar fi cea din fibre de sticlă sau răşină.

Page 10: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 10

 

Fibrele aramidice au fost introduse în 1971 de Du Pont sub cunoscuta denumire de Kevlar. Acestea se clasifică în: Kevlar 29, Kevlar 49, Kevlar 69, Kevlar 100, Kevlar 129 şi Kevlar 149. Fibrele aramidice oferă proprietăţi mecanice bune, densitate mică având rezistenţă la impact superioară. Rezistenţa la întindere a acestor tipuri de fibre este mai mare decât a fibrelor de sticlă, iar modulul de elasticitate este cu peste 50 % mai mare decât la fibrele de sticlă. Totuşi rezistenţa la compresiune este inferioară celorlalte tipuri de fibre.

Fibrele aramidice sunt bune izolatoare de căldură şi electricitate. În timp ce fibrele de sticlă şi carbon nu sunt afectate de U.V., fibrele aramidice sunt atacate de radiaţiile U.V. şi de aceea trebuie protejate la expunerea directă a razelor solare. Fibrele aramidice sunt rezistente la acţiunea focului şi se comportă bine la temperaturi ridicate.

În capitolul 4 intitulat ,,Categorii de matrici folosite în fabricarea materialelor compozite armate cu fibre” sunt cuprinse principalele materiale compozite cu matrice polimerică (termorigidă şi termoplastică), metalică (fibrele de aluminiu), ceramică şi ,,carbon – carbon”.

În subcapitolul 4.2 ,,Materiale compozite cu matrice polimerică” sunt detaliaţi polimerii termoplastici, termorigizi şi elastomerii.

Un polimer se defineşte ca fiind un lanţ lung de molecule având una sau mai multe unităţi de molecule (monomeri) care se repetă, legate împreună prin puternice legături covalente. Un material plastic sau polimeric este o colecţie formată dintr-un mare număr de molecule polimer cu structură chimică similară, dar nu neapărat de aceeaşi lungime. Termenul de polimerizare se referă la o reacţie chimică sau de întărire, care conduce la formarea unui compozit în prezenţa fibrelor.

În esenţă, polimerii sunt compuşi organici formaţi din carbon şi hidrogen, care pot fi obţinuţi fiecare din natură sau prin sinteză de molecule organice în laboratoare. Sunt folosiţi mai ales în aplicaţii care implică temperaturi relativ joase de lucru (ajungând, în mod excepţional, pentru termoplastice fabricate prin injecţie, la nivelul maxim de 400 °C).

Polimerii termoreactivi reacţionează la temperaturi înalte cu compuşi numiţi agenţi de reticulare pentru a forma un aşa zis produs reticulat. Aceste matrice sunt alcătuite din polimeri cu structură reticulată, cu legături covalente între molecule, care nu se înmoaie, dar la temperaturi ridicate se pot descompune. După constituirea reţelei de legături transversale polimerii termorigizi nu-şi pot modifica forma iniţială.

Polimerii termorigizi (termoreactivi) constituie clasa de polimeri cea mai utilizată ca material de matrice pentru compozitele armate cu fibre. Ei sunt cunoscuţi ca răşini epoxidice sau, simplu, răşini, având iniţial formă lichidă (mai rar formă solidă). Materialele utilizate în polimerizarea acestor polimeri sunt chimicale cu greutate moleculară şi vâscozitate redusă, ale căror molecule se leagă împreună formând o structură de reţea tridimensională.

Polimerii termoreactivi cei mai folosiţi pentru obţinerea matricei polimerice sunt:

a) UPR – răşini poliesterice nesaturate (,,unsaturated polyester resins”); b) VER – răşini vinilesterice (,,vinyl ester resins”); c) ER – răşini epoxidice (,,epoxy resins”); d) PBR – răşini polibutadinice (,,polybutadiene resins”).

Page 11: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 11

 

a. Răşinile poliesterice sunt alcătuite din poliesteri nesaturaţi dizolvaţi într-un monomer polimerizabil. Poliesterii nesaturaţi rezultă din reacţia dintre acidul maleic şi un glicol, dizolvate într-un polimer nesaturat (de regulă stirenul). Răşinile poliesterice de uz general devin, după întărire, copolimeri ai stirenului şi ai poliesterului nesaturat.

Principalele avantaje ale răşinilor poliesterice sunt legate de costul scăzut, timp de uscare mai mare, vâscozitate scăzută. Proprietăţile mecanice ale răşinilor poliesterice sunt, de regulă, inferioare celor de la răşinile epoxidice. Dezavantajul major al răşinilor poliesterice derivă din faptul că acestea prezintă contracţii volumetrice mari.

b. Răşini vinilesterice (VER) sunt rezultatul reacţiei dintre o răşină epoxidică şi un acid carboxilic nesaturat. Datorită structurii chimice aceste răşini au mai puţine legături transversale, sunt mai flexibile şi au o tenacitate la rupere superioară valorilor similare de la răşinile poliesterice.

Matricele vinilesterice au proprietăţi excelente de umectare a fibrelor şi aderenţă foarte bună la fibrele din sticlă. Proprietăţile vinilesterilor sunt asemănătoare cu cele date de către răşinile epoxidice, în ceea ce priveşte rezistenţa la întindere şi la agenţi chimici, şi cu poliesterii din punct de vedere al vâscozităţii şi întăririi întârziate.

Anul 1960 marchează începutul fabricării industriale a răşinilor ester vinilice. În prezent aceste materiale sunt folosite la fabricarea de materiale compozite, tuburi, rezervoare, dispozitive de epurare, conducte de canalizare, materiale dentare, cerneluri fotoreticulabile etc. Reacţia de obţinere a oligomerilor ester vinilici este catalizată de obicei de amine terţiare, fosfine sau săruri cuaternare de amoniu. Cercetările au evidentiat faptul că trifenilfosfina este unul din cei mai eficienţi catalizatori ai acestei reacţii. Alţi catalizatori utilizaţi la sinteza răşinilor ester vinilice prin modificarea chimică a oligomerilor epoxidici citaţi de literatură sunt imidazolul şi piridina. Reacţia dintre componente are loc prin încălzirea acestora timp de 4-5 ore la 120 0C în prezenţa unui inhibitor de polimerizare termică (hidrochinona).

c. Răşinile epoxidice sunt lichide organice cu greutate moleculară redusă, conţinând un număr de grupări epoxi. Reacţia de formare este de polimerizare-adiţie, fără produşi secundari, însoţită de ridicarea temperaturii. Proprietăţile răşinilor epoxidice întărite depind de compoziţia chimică a prepolimerului epoxi şi de condiţiile de întărire.

Avantajele principale ale răşinilor epoxidice sunt: uşor de produs, au proprietăţi mecanice foarte bune, prezintă o bună adeziune faţă de o largă varietate de fibre, în timpul întăririi contracţiile sunt foarte mici şi au o rezistenţă bună la agenţi chimici şi solvenţi.

Răşinile epoxidice conţin şi alţi aditivi pe lângă oligomerul epoxidic şi agentul de reticulare. Astfel, vâscozitatea oligomerilor epoxidici poate fi modificată cu diluanţi reactivi sau nereactivi. În general temperaturile de tranziţie sticloasă (Tg) ale reţelelor cresc la adăugarea de diluanţi reactivi difuncţionali din cauza creşterii densităţii reţelelor. Stirenul şi poliesterii nesaturaţi cu masă moleculară mică se situează de asemenea printre aditivii folosiţi frecvent la reducerea vâscozităţii. În acest caz este necesară şi prezenţa unui iniţiator radicalic pentru întărirea diluantului şi obţinerea în final a unei reţele polimerice interpenetrate cu răşina.

d. Răşinile polibutadinice sunt folosite la fabricarea de îmbracăminţi transparente pentru radarele militare. Cauciucul sintetic, este un compus macromolecular cu proprietãţi asemănătoare celor ale cauciucului natural, care se obţine fie prin polimerizarea izoprenului fie prin polimerizarea butadienei fie prin copolimerizarea lor cu stiren sau cu nitril-acrilic etc.

Page 12: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 12

 

Polimerii termoplastici sunt compuşi organici, care apar în formă granulară şi constau din molecule liniare, care nu sunt interconectate prin legături chimice. În schimb, sunt legaţi prin valenţe secundare slabe (forţe intermoleculare) cum sunt legăturile van der Waals şi valenţe de hidrogen. Aceşti polimeri se topesc la încălzire şi iau formă de răşină.

Materialele termoplastice au o dezvoltare mai restrânsă comparativ cu materialele termorigide. Principalele materiale termoplastice sunt:

policlorura de vinil (PVC); polietilena cu densitate redusă (PE); polietilena cu densitate ridicată (PE); polipropilena (PP); polistirenul (PS); polistiren şoc (PS); acrilonitrit-stiren (PS/AN); acrilonitrit-butadien-stiren.

a.Policlorura de vinil cu numele prescurtat PVC este o substanţă din categoria

materialelor termoplastice cu o structură amorfă. Sunt două forme de PVC, „forma dură” şi „forma moale”, la care s-au adăugat stabilizatori. Forma moale este mai răspândită fiind PVC-ul, adecvată prelucrărilor tehnice, este forma care care se aplică pe duşumea sau în construcţii la conductele din material plastic.

Policlorura de vinil (PVC) este un material uşor prelucrabil, rezistent la impact, stabil la variaţii de temperatură, stabil la acţiunea razelor ultraviolete şi care face parte din categoria substanţelor toxice. Nu reprezintă un pericol mare pentru mediul înconjurător dacă se resprectă anumite reguli privind scurgerile de toxine care trebuie să fie cât mai reduse. Principalul pericol este reprezentat de scurgeri de aditivi şi clor, faţă de alţi compuşi care emit substanţe chimice în aer (ex: cortinele pentru duşuri).

b.Poliolefinele sunt polimeri termoplastici cristalini. Tipuri de poliolefine: polietilena şi polipropilena.

b.1.Polietilenele sunt polimeri termoplastici rezultaţi din polimerizarea monomerului etilena. Structura macromoleculara este liniara cu un numar mai mic sau mai mare de ramificaţii. Polietilenele fabricate prin diverse tehnologii se deosebesc prin valorile unor caracteristici ca: masă moleculară, grad de ramificare, cristalinitate, densitate, proprietăţi mecanice, proprietăţi termice, etc. Structura fizică a polietilenelor poate fi de la amorf la aproape cristalin complet.

b.2.Polipropilena este unul dintre cei mai răspândiţi şi versatili polimeri cunoscuţi, fiind folosit atât sub formă de „plastic” cât şi sub formă de fibră. Structural este un polimer vinilic, similar cu polietilena, în care fiecare un atom de carbon din etilena este substituit cu o grupare metil. Ca şi ceilalţi momoneri vinilici, polipropilena nu este sintetizată printr-o polimerizare radicalică – materialul rezultat, denumit atactic, are grupele metil aranjate aleator. Lipsa oricărei ordonări moleculare scade gradul de cristalinitate conducând la un material amorf, cu puţine aplicaţii practice.

Grupa polimerilor pe baza de stiren cuprinde homopolimeri de stiren, homopolimeri de stireni substituiţi, produse de polistiren modificate cu alţi polimeri. Polistirenul rezultă din polimizarea monomerului stiren. Din grupa polistirenului fac parte: polistirenul de uz general, polistirenul rezistent la şoc, copolimerul stiren-acrilonitril, copolimerul acrilonitril-butadien-stiren.

Page 13: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 13

 

c.Polistirenul de uz general (PS) se prezintă sub formă de granule cilindrice, transparente sau colorate şi este un material amorf şi deci transparent. De aici şi numele de polistiren cristal. Permeabilitatea este mai ridicată decât la poliolefine, din cauza structurii amorfe. Polistirenul absoarbe foarte puţină apă şi rezistă puţin la abraziune fiind dur, rigid, fragil şi casant. Acesta nu rezistă la lumina (ultraviolete) şi din acest motiv trebuie stabilizat.   Subcapitolul 4.3 denumit ,,Materiale compozite cu matrice metalică” sunt prezentate principalele fibre continue din matricele metalice.

Materialele compozite cu matrice metalică (MCMM) reprezintă o mare familie de materiale apărute în scopul de a realiza şi spori combinaţiile de proprietăţi. Deoarece matricea poate fi alcatuită din orice metal sau aliaj, s-a arătat un mare interes pentru metalele cu structuri cât mai uşoare, în majoritatea cazurilor principalul obiectiv constituindu-l îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice ale acestora.

Matricile din aluminiu sau aliaje ale acestuia constituie categoria cea mai folosită la obţinerea MCMM-urilor (materiale compozite cu matrice metalică). Această popularitate a materialelor pe bază de Al, în vederea utilizării ca matrice, este datorată, îndeosebi, costului relativ scăzut, în comparaţie cu cel al altor materiale uşoare (magneziu sau titan), folosirii cu prioritate în aplicaţiile aerospaţiale, introducerii cu succes pe piaţa producătorilor de motoare de autovehicule, posibilităţilor de îmbunătăţire a proprietăţilor generale ale compozitului rezultat şi nu în ultimul rând, uşurinţei fabricaţiei. Folosirea întăriturilor devine interesantă datorită faptului că acestea conferă proprietăţi superioare materialelor realizate pe bază de aluminiu sau aliaje ale acestuia.

Începând cu anii '60, realizarea de întărituri pe bază de fibre continue de bor pentru compozite cu matrici din aluminiu, a constituit subiectul a numeroase cercetări. Cu toate acestea, în ciuda posibilităţii creşterii considerabile a valorii caracteristicilor mecanice, rămân notabile câteva obstacole, în perspectiva utilizării pe arii extinse a MCMM (materiale compozite cu matrice metalică) obţinut din Al/B, datorită:

reacţiilor rapide ce pot apare între Al şi B; degradării severe a proprietăţilor mecanice (la temperaturi ce depăşesc 480 °C) ca

urmare a reacţiilor ce au loc; limitării posibilităţii de folosire a lor la temperaturi înalte ceea ce împiedică

încercarea de fabricare a acestora prin turnare.

Folosind tehnologii de infiltrare şi/sau de difuzie a aluminiului lichid printre întăriturile din fibre continue de carbură de siliciu, au fost realizate MCMM (materiale compozite cu matrice metalică) de tipul Al/SiC. Şi în acest caz este posibil să apară reacţii între fibrele de carbon şi Al4C3. Aceste acoperiri s-au dovedit a fi mult mai eficiente în cazul utilizării procedeelor bazate pe difuzie decât în cazul celor bazate pe infiltrarea metalului lichid.

MCMM (materiale compozite cu matrice metalică) pe bază de Al întărite cu fibre continue din Al2O3 au fost realizate prin turnare cu presare, respectiv prin infiltrare în vid. În cel de-al doilea caz, se obişnuieşte să se adauge o cantitate mică de litiu, în scopul de a asigura o umectare corespunzătoare a fibrelor cu metalul lichid al matricii.

În subcapitolul 4.4 denumit ,,Materiale compozite cu matrice ceramică” sunt prezentate principalele proprietăţi fizico-mecanice ale compozitelor ceramice.

Ceramicele sunt materiale compuse, constituite din substanţe anorganice (oxizi, carburi, siliciuri, boruri etc.) consolidate într-un ansamblu cu elemente de armare sub formă de fibre, granule sau agregate.

Page 14: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 14

 

De exemplu, compozitele ceramice pe baza de fibre sunt formate dintr-o matrice din materiale minerale (ceramică) şi fibre de armare (fibre de SiC, A1203, W, Mo, Be, oţel şi fibre de sticlă). Ceramica tehnică este utilizată ca matrice datorită proprietăţilor intrinseci deosebite, cum ar fi:

rezistenţă mecanică ridicată; rezistenţă apreciabilă la uzură şi la şoc termic; valori mari ale rezistenţei la rupere; densitate de 2-3 ori mai mică decât a oţelurilor; moduli de elasticitate superiori oţelurilor; duritate ridicată; stabilitate geometrică şi dimensională; coeficient scăzut la dilatare termică.

Compozitele cu matrice ceramică (CMC) combină armăturile ceramice cu matricea ceramică pentru a crea materiale cu proprietăţi noi, superioare. În CMC-uri, prima cerinţă pentru armăturile ceramice este aceea de a crea tenacitatea necesară matricii ceramice fragile.

În ultimul subcapitol ,,Materiale compozite carbon-carbon” sunt descrise materialele care au matrice de carbon sau de grafit şi sunt armare cu fibre sau ţesături de fibre de grafit. Aceste materiale sunt foarte scumpe, dar şi incomparabile cu alte materiale prin rezistenţa la temperaturi înalte (de până la 3000 °C), cuplată cu densitatea mică şi coeficientul mic de dilatare termică. 

Capitolul 5 intitulat ,,Procedee de obţinere a materialelor compozite” face o selecţie a procedeelor de obţinere a materialelor compozite folosite la consolidarea structurilor inginereşti. Sunt detaliate metodele de formare prin contact, prin injectarea răşinii, prin pulverizare, prin pultrudere, prin laminare continuă, prin transferul răşimii, prin centrifugare precum şi formarea plăcilor multistrat şi a profilelor. 

Dintre toate procedeele tehnologice de obţinere a materialelor compozite, procedeul de modelare prin transferul răşinii sub vid are un puternic caracterul ecologic, întrucât utilizarea unei game extrem de largi de răşini cu conţinut ridicat de substanţe organice volatile pentru fabricarea materialelor compozite fac ca aceste emisii să crească şi să aibă efecte dăunătoare atât asupra mediului, cât mai ales asupra sănătăţii oamenilor

În cadrul procesului tehnologic de formare sub vid se utilizează matriţa deschisă pe care se depun straturi de materiale: matrice şi element de întărire (ranforsare). După depunerea straturilor se aplică o folie elastică, iar în interstiţiul dintre folie şi matriţă se creează vid. Are loc compactarea piesei, eliminarea aerului, apoi ansamblul este supus polimerizării în etuva sau în autoclavă cu suprapresiune (7 bar în cazul carbon/epoxy, pentru obţinerea celei mai bune rezistenţe mecanice).

Procedeul de formarea prin injecţie a răşinii constă în depunerea pe suprafaţa deschisă a matriţei a elementelor de ranforsare (de tip fibră sau ţesătură) şi se injectează răşină (răşina poliesterică sau fenolică). Costul procedeului este unul relativ ridicat. Acest procedeu de formarea prin injecţie completă permite automatizarea ciclului de fabricaţie prin creşterea frecvenţei etapelor si procedeelor tehnologice

Page 15: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 15

 

Formarea manuală prin contact este cel mai simplu procedeu în fabricarea de componente compozite polimerice armate cu fibre. În acest procedeu ţesăturile, rovingul ţesut sau matul cu fire scurte subţiri, sunt aşezate pe matriţa care a fost tratată în prealabil cu un agent de decofrare. Straturile de matrice şi de fibre de ranforsare sunt depuse într-o matriţă care se poate realiza din metal, răşină sau sticlă, iar după fiecare depunere se asigură presarea şi aderarea stratului precedent faţă de următorul cu o rolă de contact.

În procesul de formare prin pulverizare, răşina şi materialul de armare sunt depuse simultan pe matriţă. Acest proces este caracteristic materialelor polimerice armate cu fibre de sticlă.Tehnica procesului de formare prin pulverizare necesită un operator cu înaltă calificare, sarcinile acestuia fiind de control asupra grosimii produsului compozit şi stabilirea conţinutului volumetric de fibră şi răşină conform proiectului de execuţie. Prin urmare calitatea compozitului rezultat depinde în mare măsură de calificarea şi conştiinciozitatea muncitorului care execută lucrarea.

Pultruderea este un proces continuu de fabricare automată care permite producerea elementelor lungi, cu secţiuni constante sub diverse forme din materiale compozite armate cu fibre. Materia primă constă din: răşina lichidă de amestec (care conţine răşina propriu-zisă, adaosurile şi aditivii speciali) şi ca armătură fibre textile (sticlă, carbon, kevlar). Procesul implică tragerea acestor materiale printr-o matriţă din oţel încălzită, folosind un dispozitiv de tragere continuă.

Formarea prin laminare continuă este procesul tehnologic ce constă în prima etapă în introducerea unei ţesături sau mat, protejat pe ambele feţe cu folii de celofan şi imersată pentru impregnare într-o baie de răşină. Răşinile folosite sunt speciale, acestea fiind rezistente la foc şi alţi factori agresivi.Această tehnologie permite realizarea de plăci plane, ondulate şi cutate cu diverse mărimi, forme, texturi şi grosimi.

Formarea sub presiune derivă tot din metoda de formare prin preimpregnare. O folie subţire din cauciuc este aplicată deasupra fibrelor impregnate cu răşină. Presiunea aerului de circa 0,35 MPa este aplicată prin tubul plăcii de presiune şi apoi prin sacul de cauciuc. Presiunea aplicată în această metodă poate fi mai mare decât în cazul metodei de formare prin vacuumare, fracţiunea volumetrică de fibră atingând 65%, cu proprietăţi mecanice bune.

Formarea sub vid este similară metodei de formare manuală, numai că această metodă mai utilizează în plus o folie subţire de celofan sau de acetat de polivinil care se dispune deasupra suprafeţei elementului compozit. Folia se prinde cu ajutorul unui dispozitiv de strângere, prevăzut cu garnitură de etanşare. Între folie şi matriţă, se realizează operaţiunea de vidare, astfel eliminându-se aerul dintre matriţă şi amestecul compozit, precum şi excesul de răşina epoxidică sau poliesterică

Impregnarea prin vacuumare a fibrelor este comparabilă cu metoda de formare prin preimpregnare şi este folosită la consolidarea elementelor din beton. Grinda de beton este în prealabil pregătită (suprafaţa curăţată prin sablare sau jet de nisip). Se curăţă bine suprafaţa grinzii după care se aplică un strat de grund. Dispunerea fibrelor sau ţesăturii din fibre se face în raport cu direcţia de solicitare indicaţiilor din proiect. Este important ca răşină să fie fluidă şi să impregneze toate fibrele. Un sac pentru delimitarea incintei de lucru este aşezat deasupra fibrelor astfel încât acesta să acopere zona de aplicare, după care se realizează operaţiunea de vacuumare. Sacul de vacuumare este prevăzut cu două orificii, unul prin care se injectează răşina, celălat prin care se aplică vacuumarea

Formarea în matriţă se realizează prin presarea straturilor de matrice şi de elemente de ranforsare între o matriţă şi o contra-matriţă, acesta exercitând o presiune de 1-2 bar. Pentru ca structura să devină compactă, se realizează polimerizarea la cald.

Page 16: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 16

 

Formarea prin centrifugare este utilizată pentru fabricarea tuburilor. Prin acest procedeu se permite o repartiţie omogenă a răşinii şi o calitate foarte bună a suprafeţelor interne a tuburilor. Lungimea tronsonului realizat este limitată de celula de formare. Frecvenţa depinde de diametrul şi lungimea pieselor

Formarea placilor multistrat se aplică pentru obţinerea plăcilor plane sau ondulate. Plăcile plane sunt semifabricate pentru operaţii ulterioare, cum ar fi ambutisarea la cald, şi îndoirea. Procedeul care stă la baza tehnici de formare a profilelor este pultruziunea, acest procedeu permite obţinerea profilelor continui, închise sau deschise. Proporţia de fibre de ranforsare poate fi ridicată, în vederea obţinerii unor caracteristici mecanice ridicate.

Procedeul RTM (Resin Transfer Molding), constă în formarea la cald atât a fibrelor de armare cât şi a matricii din răşină. Se obţin foi de compozit, care pot fi ulterior prelucrate prin alte procedee.

Capitolul 6 intitulat ,,Controlul calităţii materialelor compozite raportat la costurile de fabricare şi la caracteristicile de performanţă ale acestora” sunt prezentate tehnici alternative şi economice de fabricare a materialelor compozite, dar şi caracteristicile lor de performanţă. Tot în acest capitol sunt cuprinse şi metode de control a materialelor compozite.

Realizarea de materiale compozite s-a impus pe baza a numeroase considerente tehnice şi economice, între care amintim:

necesitatea realizării unor materiale cu proprietăţi deosebite, imposibil de atins de materialele tradiţionale;

necesitatea creşterii siguranţei şi a fiabilităţii în exploatare a diferitelor construcţii şi instalaţii;

necesitatea reducerii consumurilor de materiale deficitare, scumpe sau preţioase;

posibilitatea reducerii consumurilor de manoperă şi a reducerii duratelor tehnologice de fabricaţie.

Materialele compozite dispun de atuuri importante în raport cu materialele tradiţionale ca metalul şi lemnul şi aduc numeroase avantaje funcţionale: greutate scăzută, rezistenţă mecanică şi chimică, costuri de întreţinere reduse, libertatea formelor şi dinamica design-ului. Acestea prelungeasc durata de viaţă a structurilor datorită excelentelor proprietăţilor mecanice şi chimice şi contribuie la sporirea securităţii datorită rezistenţei mai bune la şocuri şi la foc.

De asemenea, materialele compozite oferă o bună izolare termică şi fonică şi măresc posibilităţile de proiectare, permiţând micşorarea greutăţii structurilor în scopul realizării formelor complexe, apte a îndeplini mai multe funcţiuni. În fiecare domeniu al pieţei aplicaţiilor sale – automobile, construcţii, electricitate, echipamente industriale – aceste performanţe remarcabile sunt la originea soluţiilor tehnologice inovante.

În subcapitolul 6.2 sunt prezentate tehnici alternative, economice, de fabricaţie a materialelor compozite.

Pentru comercializarea cu succes a compozitelor ceramice, metodele de fabricaţie şi de sinteză trebuie să fie, în primul rând, economice. Factorul care limitează utilizarea compozitelor din carbon îl constituie costul ridicat al fabricării asociat cu aceste metode convenţionale şi care au loc cu viteză foarte mică. Ca răspuns, s-au dezvoltat metode alternative, mai puţin costisitoare, pentru construirea matricilor din carbon.

Page 17: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 17

 

De exemplu, în acest sens, M. Cubed Technologies, a dezvoltat o tehnică de infiltrare de metal la presiune scăzută pentru produse de gabarit mare (0,5 x 0,6 x 0,75 m3). Componentele compozite metal-ceramice includ sisteme ca SiC/Al-Si, SiC/Si, B4C/Si, SiC/Al, grafit/Si, grafit/Al-Si şi B4C/Si/SiC. În cadrul acestei dezvoltări s-au produs mai întâi preforme din fibră, particule de ceramică cu înaltă rezistenţă care permit trasarea caracteristicilor complexe înainte de densificare. S-a dezvoltat, de asemenea, o tehnologie cu preformare care produce forme complexe cum ar fi sisteme de bare, structuri, etc. Preformele sunt infiltrate cu metal turnat, proces în care se formează noile legături. Un astfel de proces costă mai puţin decât în cazul fabricării mecanice prin turnare. Datorită contracţiei minime (mai puţin de 0,5%), la finalul pasului de infiltrare mai este necesară doar o prelucrare mecanică minoră. O alta metodă o constitue o curgere forţată raportată la un gradient termic, proces dezvoltat la Georgia Institute of Technology din Atlanta. Această metodă depozitează matricea din carbon cu până la 30% mai repede în raport cu metodele convenţionale şi permit îngroşarea fibrelor fără apariţia microfisurilor la interfaţă. Legătura carbon-propilenă, propan sau metan, este forţată să se realizeze sub presiune prin preformă, timp în care aceasta este încălzită la 1200 0C. Un gradient de temperatură în material forţează vaporii să treacă prin preformă asigurând formarea unei matrici netede. Infiltrarea de vapori şi depunerea de carbon este mai rapidă cu această metodă şi, ca urmare, 1 cm grosime de material poate fi produs în mai puţin de 8 ore. Datorită faptului că procesul, el însuşi, asigură infiltrarea uniformă cu vapori, procesul CVD (,,Chemical vapor deposition”) este, în aceste condiţii, mai puţin dependent de precizia încălzirii, presiunii şi a condiţiilor de timp. Această flexibilitate poate permite adiţionarea catalizatorilor grafitizaţi şi a antioxidanţilor în timpul procesului, prin aceasta eliminându-se tratamentul de separare. O metodă alternativă a fost dezvoltată de Across Company of Japan şi reprezintă o variaţie a pre-impregnatorilor sau materialelor pre-pregătitoare utilizate pentru a crea preforma. Grăunţii din grafit sunt acoperiţi cu pulberi precursoare din grafit fabricate din cocs sau smoală şi sunt acoperite într-o spumă termoplastică pentru a proteja acoperirea pulberii în timpul fabricării. Produsul poate fi obţinut sub formă de foiţe sau fibre scurte aplicate în amestecul de turnare. Preforma astfel obţinută este presată la cald. Firele obţinute pot fi procesate în tuburi, rondele, textile subţiri, plăci uniderecţionale, etc. O bună penetrare a matricii în fibre asigură proprietăţi uniforme în compozit şi o rezistenţă convenţională mai ridicată decât compozitele obişnuite. În afară de cele descrise, mai sunt necesari câţiva paşi pentru densificare. Ca urmare se poate constata că pe baza acestui proces de fabricare rezultă costuri mai reduse. Universitatea Erlagen-Nuremberg a utilizat, de asemenea, tehnica infiltrării la presiune scăzută în vederea obţinerii de compozite pentru aplicaţii ţintă. S-au obţinut compozite multistraturi pe bază de AlN/AlSi. Benzile din Si3N4 (nitrură de siliciu) de 100 μm grosime şi foi din Al de aceeaşi dimensiune, sunt puse sub formă de multistrat fiind încălzite în atmosferă de gaz inert la 1000 0C. În acest caz nu este necesară presinterizarea benzilor. Reacţia implică un proces de precipitare a soluţiei, în care Si3N4 se dizolvă în Al topit la 670 0C urmat de precipitarea în AlN. Excesul de Al este necesar, formându-se ulterior un strat metalic. După reacţie se obţin compozite în straturi de AlN cu o grosime de până la 300 mm conţinând precipitat de Si şi cu un strat de Al-Si intermetalic. Grosimea acestui strat poate varia prin schimbarea grosimii stratului de Si3N4/Al. Aceste compozite au rezistenţa la rupere în jur de 200 MPa. Aplicaţiile potenţiale includ substraturi, laminate, schimbătoare de căldură, etc.. Performanţa sau condiţiile funcţionale ale unui material sunt exprimate în mod obişnuit prin proprietăţile lui fizice, mecanice, termice, electrice sau chimice.

Page 18: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 18

 

Rezistenţa la frecare este dată de particularităţile procesului de frecare, dar cum se ştie

că intensitatea lui poate fi diminuată prin lubrefierea suprafeţelor cuplate sau durificarea suprafeţei s-au proiectat compozite care să reziste în ambele variante

Rezistenţa la coroziune şi oxidare sunt influenţate de natura matricei, microstructura acesteia, calitatea interfeţei, natura fibrelor şi nu în ultimul rând de caracteristicile fizico-chimice ale mediului. Coroziunea apare atunci când atmosfera sau mediul înconjurător sunt de natură corozivă, dar nu într-atât încât să apară dacă nu este însoţită şi de încărcare. Acest fenomen este de asemenea legat de timp, nivelul încărcării, mediu, lianţi şi fibre.

Trebuie avută o deosebită grijă atunci când fibrele de carbon sunt în contact cu oţelul. Fibrele de carbon reacţionează ca metalele nobile şi pot stabili celule electrice dacă nu sunt izolate electric de metale. Aşadar, aluminiul şi oţelul se vor coroda (posibilă coroziune galvanică) dacă sunt puse în contact direct cu fibrele de carbon.

Rezistenţa la oboseală depinde de natura componentelor şi forma materialului de ranforsare, de nivelul solicitarilor ciclice, cât mai ales de modul de realizare al suprafeţei de contact.Compozitele polimerice armate cu fibra de carbon prezintă o rezistenţă la oboseală mai mare decât oţelul.

Materialele polimerice sunt supuse degradării dacă sunt expuse razelor solare şi radiaţiilor ultraviolete (UV-A şi UV-B), care pot determina ruperea legăturilor chimice. Aceasta are ca rezultat o reducere în transparenţă şi schimbări ale culorilor compoziţilor. Protejarea împotriva radiaţiilor UV se face de regulă prin aplicarea unei vopsele uşor colorate pe bază acrilică sau poliuteranică. Această vopsea ar trebui aplicată până când răşina este încă „lipicioasă” la atingere. O suprafaţă tratată cu răşini ar trebui netezită înainte de aplicarea vopselei.

Compozitele polimerice armate cu fibra de carbon nu curg, iar curgerea compozitelor polimerice armate cu fibră de sticlă este neglijabilă. Cu toate acestea, curgerea compozitelor polimerice armate cu fibră de aramid nu poate fi neglijată. Deoarece compozitele aramidice curg, deformarea pe termen lung creşte considerabil în cazul elementelor consolidate cu acest tip de compozite.

Doar fibrele de aramid prezintă un comportament bun la şocuri. Materialul este utilizat pentru cămăşuiri armate ale corpurilor datorită durităţii şi energiei de rupere ridicate. Acestea pot fi folosite pentru consolidarea structurilor supuse la solicitări datorate exploziilor.

Unul dintre cei mai problematici factori de mediu pentru toate materialele de structură îl reprezintă factorul de umiditate. Fibrele de carbon şi sticlă nu sunt afectate de apă, în timp ce fibrele de aramid absorb până la 13% din greutate prin umezeală. Aceasta are un efect dăunător asupra rezistenţei la rupere şi poate afecta interfaţa răşini-fibre.

Fibrele de carbon sunt rezistente atât la medii alcaline cât şi la medii acide, pe când fibrele de sticlă şi uneori cele de aramid nu au nici o rezistenţă. Un liant din răşini corect aplicat izolează şi protejează fibrele şi prin urmare întârzie deteriorarea.

Materialele compozite cu matrice organică se vor aprinde dacă sunt încălzite suficient. Aprinderea poate avea loc de la scântei, de la o suprafaţă încălzită sau de la sudură. După aprindere, focul creşte cu o viteză mai mare sau mai mică în funcţie de felul materialului compozit, de interacţiunea cu mediul înconjurător şi de accesul la oxigen.

Page 19: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 19

 

O altă problemă a compozitelor polimerice este aceea privind ,,integritatea structurală în timpul incendiului”. Prima dată incendiul slăbeşte liantul. Lianţii termoplastici încep să curgă atunci când flăcările le ridică temperatura locală peste cea de transformare a sticlei. Lianţii se degradează sau se gazeifică. Funcţia liantului este diminuată iar compozitul îşi pierde rezistenţa.

În multe cazuri compozitele sunt armate cu fibre de sticlă, acestea sunt incombustibile. Aceste fibre de sticlă reprezintă cam 70% din greutatea compozitului, în unele cazuri. Când straturile de la exterior îşi pierd răşina ca umare a gazeificării induse de căldură, fibrele de sticlă joacă rol de strat izolator, încetinind pătrunderea căldurii şi dezvoltatea gazelor din interiorul compozitului.

Structura lor chimică intrinsecă şi complexitatea acestor materiale nu oferă posibilitatea unor prea simple predicţii analitice în ceea ce priveşte comportarea lor când sunt expuse la un flux de căldură având ca sursă un incendiu. În cazul lor avem de a face cu un transfer de căldură anisotrop. Ele ard, produc fum, degajă căldură, se degradeaza chimic, produc cenuşă sau se delaminează. Totuşi, se cunoaşte încă puţin despre proprietăţile materialului sau combinaţiile de proprietăţi care guvernează inflamabilitatea compozitelor polimerice.

Compozitele polimerice degajă fum la ardere. Fumul este definit ca fiind particule lichide şi solide din aer, cât şi gazele care iau naştere când materialul este supus arderii. Fumul afectează vizibilitatea, micşorează capacitatea ocupanţilor de a se salva şi întârzie acţiunea pompierilor de localizare şi stingere a focului.

Proprietăţile mecanice ale materialelor compozite polimerice se degradează la temperaturi înalte. Acest lucru se produce preponderent la răşină, căreia îi scade rezistenţa la compresiune şi forfecare decât la fibrele de armare, ce conferă rezistenţă la întindere.    Capitolul 7  intitulat ,,Introducere în calculul materialelor compozite cu armare unidirecţională” parcurge succesiv şi în amănunt micromecanica mediilor compozite şi caracteristicile mecanice ale materialelor compozite la solicitările uzuale ţinând seama de caracterul anizotrop al compozitelor polimerice. Modelele analitice selectate s-au aplicat ulterior în capitolele finale ale tezei unde a fost necesară determinarea numerică a acestor caracteristici pentru calculul şi compararea rezultatelor finale.

Proiectarea structurilor compozite presupune analiza simultană a microstructurii, configuraţiei şi tehnologiei astfel încât sa se realizeze o componentă optimă a produsului. Soluţiile moderne de consolidare a structurilor pentru construcţii folosind materiale compozite implică un mod special de abordare a proiectării. Pentru o proiectare adecvată trebuie evaluate caracteristicile mecanice care intervin în cadrul acestui proces.

Micromecanica, este un ansamblu de concepte, modele şi relaţii matematice utilizate pentru determinarea proprietăţilor compozitului, plecând de la caracteristicile materialelor constituente, configuraţia geometrică şi parametrii de fabricare. Prin urmare, micromecanica studiază comportarea materialelor compozite din punct de vedere al interacţiunii materialelor componente.

Analiza macromecanică a unui compozit stratificat se face utilizând teoria laminării şi comportarea materialului ca o funcţie ce depinde de proprietăţile plăcii (stratului) şi ale secvenţei stratificate. La nivelul structurii şi componentelor unei placi, metoda elementului finit împreună cu teoria laminării caracterizează comportarea structurii ca şi starea de tensiuni şi deformaţii din fiecare placă.

Analiza materialelor compozite polimerice unidirecţionale armate cu fibre (CPAF) se bazează pe studiul lamelei compozite, ea reprezentând un aranjament tipic de fibră şi matrice pe baza căruia se analizează proprietăţile necesare proiectării. Astfel se conferă posibilităţi multiple de alcătuire şi introducere corectă a caracteristicilor în calculul produsului stratificat compozit.

Page 20: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 20

 

Lamela compozită este un strat subţire de material compozit alcătuit dintr-un singur plan de armare şi matricea aferentă. Practic un compozit modern este un stratificat alcatuit din mai multe lamele, fiecare lamelă utilizând la maximum caracteristicile fazelor componente.

Lamela este : omogenă macroscopic; liniar elastică; ortotropă macroscopic; fără tensiuni iniţiale.

Stratificatele alcătuite din lamele compozite se degradează progresiv fiind evitată cedarea totală instantanee. Mecanismele de degradare şi cedare structurală ale stratificatelor din CMP (materiale compozite cu matrice polimerică) diferă substanţial faţă de cele specifice metalelor. CMP armate cu fibre au o capacitate superioară de amortizare a vibraţiilor.

Direcţiile principale ale lamelei sunt ilustrate în figura r.8 şi sunt următoarele:

direcţia paralelă cu fibrele L (1) este denumită direcţie longitudinală; cea perpendiculară pe fibre T (2) se numeşte direcţie transversală; direcţia verticală V (3), perpedinculară pe planul (1,2).

1(L)

3 (V)

2(T)

Comportarea lamelei compozite cu armare unidirecţională poate fi caracterizată complet

prin următorii parametri (caracteristicile mecanice ale lamelei compozite):

EL = E1 - modulul de elasticitate longitudinal al lamelei (în direcţie paralelă cu fibrele);

ET = E2 - modulul de elasticitate transversal al lamelei (în direcţie perpendiculară pe fibre);

GLT = G12 - modulul de elasticitate la forfecare al lamelei în planul (L,T) sau (1,2);

νLT = ν12 şi νTL = ν21 - coeficienţii Poisson major şi minor în planul (L,T) sau (1,2). Proiectantul trebuie să înţeleagă şi să cunoască cu precizie caracteristicile geometrice şi

mecanice ale amestecului „fire - matrice” care este structura de bază a părţilor compozitelor.

Figura r.8 Axele principale ale lamelei compozite cu armare unidirecţională

Direcţie transversală

Direcţie longitudinală

Page 21: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 21

 

Solicitările corespunzătoare lamelei compozite cu armare unidirecţională şi rezistenţele respective sunt:

solicitarea la tracţiune longitudinală (RtL) figura r.9 a; solicitarea la compresiune longitudinală (RcL) figura r.9 b; solicitarea la tracţiune transversală (RtT) figura r.9 c; solicitarea la compresiune transversală (RcT) figura r.9 d; solicitarea la forfecare în planul lamelei (R12) figura r.9 e.

Rezistenţele corespunzătoare fiecărui tip de solicitare sunt:

RtL - rezistenţa la tracţiune în direcţie longitudinală; RtT - rezistenţa la tracţiune în direcţie transversală; RcL - rezistenţa la compresiune în direcţie longitudinală; RcT - rezistenţa la compresiune în direcţie transversală; Rf(LT) - rezistenţa la forfecare în planul (L,T) sau (1,2).

Figura r.9 Solicitările respective lamelei compozite cu armare unidirecţională şi rezistenţele corespunzătoare:

a) solicitarea la tracţiune longitudinală (RtL); b) solicitarea la compresiune longitudinală (RcL); c) solicitarea la tracţiune transversală (RtT); d) solicitarea la compresiune transversală (RcT); e) solicitarea la forfecare în planul lamelei (RLT).

a.  b. 

σ1=σL 

σ1=σL 

σ1=σL 

σ1=σL 

c.  d.  e. 

σ2=σT 

 

σ2=σT 

σ2=σT 

τ12=τLT 

τ12=τLT 

τ 21=τ T

τ 21=τ T

Page 22: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 22

 

Compozitele prezintă două mecanisme de cedare fundamentale: rupere ductilă şi rupere casantă. Acestea sunt direct legate de proporţia de liant la fibre: materialele compozite devin mai puternice cu cât proporţia de fibre creşte, dar ele devin, de asemenea, mai fragile. Proiectarea efectivă implică o tratare adecvată pentru a se potrivi scopului aplicaţiei. Încercarea la impact este destinată să simuleze condiţiile de impact la care un material sau o structură este aşteptat să facă faţă în exploatare.

Proprietăţile fizico-mecanice ale materialelor compozite armate cu fibre sunt determinate de o serie de factori: diametrul fibrelor, lungimea fibrelor, fracţiunea volumetrică de armare precum şi orientarea fibrelor în raport cu axele produsului compozit. Un factor foarte important în stabilirea proprietăţilor materialului compozit este fracţiunea volumetrică (proporţia relativă a componentelor materialului compozit).

Fracţiunile volumetrice se utilizează la analiza şi proiectarea compozitelor, iar cele gravimetrice la fabricarea acestora. De aceea este necesară stabilirea expresiilor de conversie reciprocă, a celor două tipuri de fracţiuni.

În practică s-a constatat că densitatea teoretică a compozitului, (ρct) calculată cu ajutorul fracţiunilor gravimetrice diferă de cea stabilită experimental (ρce) datorită golurilor (porilor) din masa compozitului. În cazul în care rezistenţa compozitului unidirecţional este determinată de fibre, rezistenţele elementelor de armare variază de la punct la punct şi de la fibră la fibră.

Rezistenţa fibrelor variază de la un punct la altul. Ruperea nu se produce simultan în toate fibrele, dar izolat, dacă o fibră se rupe, apare o stare de tensiuni şi deformaţii neuniformă în jurul fibrei rupte. Tensiunea de forfecare la interfaţa dintre fibră şi matrice are un maxim în zona apariţiei ruperii şi are ca efect transmiterea efortului în zona învecinată fibrei rupte. Tensiunea transmisibilă în fibră, în zona ruperii, este zero, dar creşte pe măsură ce ne depărtăm de aceasta. Efectul unei fibre rupte asupra fibrelor adiacente este o creştere locală a tensiunii în direcţia de tracţiune şi o creştere a tensiunii de forfecare în fibra adiacentă. Ruperea fibrei va produce astfel o reducere a capacităţii de încărcare.

În raport cu proprietăţile constituenţilor, aceste ruperi în fibre produc diferite tipuri de defecte, ele fiind evidenţiate în figura 7.16.

fisurarea transversală a matricei din compozit când matricea de bază este casantă iar legătura la interfaţă este relativ puternică;

desprinderea fibrei de matrice în cazul unei legături slabe la interfaţă şi/sau deformaţie specifică liniară de rupere suficient de mare a fibrelor;

ruperea prin forfecare, după o suprafaţă conică în matrice în cazul unei matrice relativ ductile şi interfaţă puternică.

În cele mai multe cazuri deteriorarea compozitului este localizată şi blocată de către fibrele adiacente. Efectul net al acestei deteriorări localizate constă în sporirea porţiunii ineficiente a fibrelor.

În cazul în care ruperile interacţionează, se produc coalescenţe care vor determina defecte catastrofale. Cateva exemple de ruperi, în cazul întinderii sunt prezentate în figura r.10 pentru două materiale compozite .

Page 23: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 23

 

Se observă în primul caz o rupere fragilă a fibrelor şi a matricei, cu desprinderi limitate ale fibrelor de matrice. În al doilea caz, ruperea este determinată de alungirea până la maxim a fibrelor şi desprinderea acestora de matrice. Pe măsură ce încărcarea creşte ruperile singulare ale fibrelor se îndesesc şi interacţionează, eventual se unesc ajungându-se la ruperea totală.

Secvenţa evenimentelor şi modelul final de cedare variază în raport cu proprietăţile fazelor constituente şi cu fracţiunea volumetrică a fibrei. În figura r.11 se prezintă succesiunea fazelor de cedare a unui compozit cu armare unidirecţională.

În cazul compozitelor cu matrice casante deformaţia specifică liniară de rupere a masei

de bază este, de regulă, mai mică decât a fibrelor, iar deteriorarea se iniţiază prin dezvoltarea unei fisuri multiple, similare celor descrise la fibre. Aceste cedări conduc la distribuţii tipice ale tensiunilor locale cu valori ridicate ale tensiunilor tangenţiale la interfaţă şi creşteri semnificative ale tensiunilor normale în fibrele adiacente.

Figura r.11 Secvenţele succesive ale cedării unui compozit unidirecţionalσL σL σL σL

σL σL σL σL

Figura r.10 Ruperea fibrelor în două tipuri de materiale compozite

Page 24: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 24

 

Fisurile sunt însoţite sau urmate de desprinderi la interfaţa fibră-matrice şi ruperi ale fibrelor. Analiza tensiunilor şi a mecanismelor de cedare a unor compozite de acest tip asigură predicţia rezistenţei la tracţiune longitudinală în funcţie de parametrii geometrici şi de material.

Compozitele au un mecanism ineficient pentru absorbţia energiei dată de impact, când încărcarea este normală la planul fibrelor, putând determina delaminări şi fisurări ale matricei chiar la viteze mici de impact. În timp ce structurile metalice absorb energia de impact prin deformări plastice, care nu afectează de obicei capacitatea portantă a structurii, materialele compozite absorb energia printr-un mecanism complex de deteriorare şi propagare a deteriorării. Aceste deteriorări interne, chiar şi în cazul când nu se văd cu ochiul liber pot reduce semnificativ capacitatea portantă a structurii realizate din materiale compozite (cu până la 40÷50%). Deşi materialele compozite sunt folosite într-o serie largă de aplicaţii, ele sunt utilizate cu prudenţă în aplicaţii unde apar sarcini transversale, cum ar fi de exemplu, cele date de impactul transversal cu viteză mică.

În general, deteriorările şi imperfecţiunile sunt inevitabile în structurile compozite. În acest context, sunt utilizate concepte de proiectare a structurilor compozite care sa ţină cont de aceste deteriorări, cum ar fi toleranţa la deteriorare („Damage Tolerance”) şi rezistenţa la deteriorare („Damage Resistance”). Rezistenţa la deteriorare este legată de capacitatea materialului de a minimiza efectele deteriorărilor date de impact, în timp ce toleranţa la deteriorare se referă la capacitatea materialului de a-şi menţine proprietăţile şi după apariţia deteriorărilor în material, proprietăţi care de obicei se numesc reziduale.

Una din dificultăţile legate de proprietăţile şi evaluarea compozitelor este, ironic, şi un avantaj, şi anume, capacitatea de a permite utilizatorilor croirea proprietăţilor acestora pentru a se potrivi cerinţelor proiectării. Există un număr imens de tipuri de fibre şi moduri de combinaţie, răşini pentru matrice, aditivi, moduri de aşezare şi orientare a laminelor în laminat, posibilităţi de fabricaţie (tratamente termice) şi de aceea este foarte dificil de a extrapola în funcţie de aceşti parametri comportamentul compozitului pentru o anumită combinaţie a acestora.

Cedarea completă a unei structuri compozite are loc rareori, la o încărcare corespunzătoare primei cedări sau cedării iniţiale. Structura cedează complet datorită propagării şi acumulării de cedări/ruperi locale, pe măsură ce încărcarea creşte. Cedarea iniţială a unei lamine din structura compozită poate fi anticipată folosind un criteriu de rupere sau o teorie de cedare a primului strat. Deşi materialele compozite au înregistrat o creştere în utilizare, încă nu a fost pusă la punct o metodologie fiabilă pentru evaluarea completă a performanţelor structurii compozite, dincolo de prima cedare localizată.

Cea mai mare parte a compozitelor înregistrează cedări/ruperi fragile, având o margine de siguranţă redusă sau fără margine de siguranţă raportată la tensiunea de curgere, cum au majoritatea metalelor. Astfel, trebuiesc înţelese mecanismele de propagare ale ruperii fragile şi concepute metode/modele fiabile pentru evaluarea acestor fenomene. De exemplu, structurile compozite laminate pot înregistra ruperi/cedări locale sau deteriorări locale în condiţii de operare normală, cum ar fi fisurarea matricei, ruperea fibrelor, dezlipirea fibrelor din matrice şi delaminări, care contribuie la ruperea/cedarea catastrofală a acestora.

Capacitatea de a evalua iniţierea şi dezvoltarea unor asemenea degradări este esenţială pentru evaluarea performanţelor structurilor compozite şi pentru dezvoltarea unei proiectări fiabile şi sigure, exploatând astfel, la maxim avantajele oferite de materialele compozite. De aici, rezultă importanţa şi necesitatea unei metodologii fiabile pentru evaluarea iniţierii şi propagării cedării în structuri compozite laminate. Din acest motiv, în ultimii ani, dezvoltarea deteriorărilor în compozite laminate a căpătat o atenţie deosebită din partea cercetătorilor.

Page 25: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 25

 

Analiza deteriorărilor/cedărilor compozitului după ce a avut loc prima cedare se numeşte analiză progresivă a deteriorării (sau analiză de cedare după cedarea primului strat). Metodologia tipică de calcul a analizei progresive de cedare presupune existenţa a cinci elemente cheie:

existenţa unei capabilităţi de analiză neliniară de a stabili echilibrul; procedură precisă de a recalcula tensiunile, necesară pentru a reevalua starea

de tensiune locală în lamină; un criteriu de cedare capabil să determine cedările locale ale laminei şi

modurile de cedare; un model de degradare/deteriorare al materialului, necesar pentru a evalua

propagarea cedărilor şi reestimarea proprietăţilor locale ale materialului; procedură pentru a restabili echilibrul după modificarea proprietăţilor locale

ale laminei. La fiecare încărcare este realizată o analiză neliniară până când este obţinută convergenţa

soluţiei, presupunând că în modelul materialului nu au loc modificări. Utilizând starea de echilibru, se vor determina din soluţia analizei neliniare tensiunile din fiecare lamină. Aceste tensiuni vor fi comparate cu tensiunile admisibile ale materialului şi folosite ulterior pentru a determina cedarea/ruperea în concordanţă cu un anumit criteriu de rupere. Dacă este detectată ruperea/cedarea unei lamine, proprietăţile laminei sunt schimbate în conformitate cu modelul de degradare al materialului considerat.

Compozitele cu armare unidirecţională comprimate centric în lungul fibrelor pot ceda, în primul rând prin flambajul armăturilor în masa matricei. Dacă cedarea se produce prin flambajul fibrelor în matrice atunci modul de calcul ar fi cel al unei bare comprimate sprijinită lateral de un mediu elastic. În cazul unui asemenea model lungimea de undă a fibrei deformate este proporţională cu diametrul fibrei. Această ipoteză a fost confirmată experimental iar modul de cedare a fost denumit microflambaj.

Pe lângă eforturile de compresiune flambajul fibrelor poate fi cauzat de tensiunile iniţiale din contracţie la formarea compozitului. Tensiunile de contracţie rezultă din cauză că matricea are un coeficient de dilatare termică liniară mai mare decât fibrele (figura r.12).     

 

 

 

 

 

 

 

 

 Figura r.12 Flambajul fibrelor în ansamblul compozit:

a. elementul de volum reprezentativ; b. flambajul simetric, prin extensie; c. flambajul prin forfecare.

a.  b. c.

σL  σL  σL 

σL  σL  σL 

2c  d 

Page 26: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 26

 

În cadrul unui element reprezentativ de volum se pot produce două moduri de flambaj: flambajul defazat al fibrelor cu deformate simetrice în raport cu axa dintre fibre; flambajul prin forfecare, la care fibrele flambează în fază (antisimetric) iar

matricea este supusă deformaţiilor din forfecare. La valori foarte mici ale fracţiunii volumetrice de fibră Vf 0 fibrele nu mai interacţionează în procesul de flambaj, de aceea nu există diferenţe esenţiale între flambajul prin extensie şi flambajul prin forfecare. Cercetările experimentale au evidenţiat faptul că la valori mari ale lui Vf rezultatele teoretice sunt pentru lungimi mari ale semiundelor deformatelor, în timp ce rezultatele experimentale arată că microflambajul undelor se produce cu deformate având lungimi reduse ale semiundelor.

Un alt mod de cedare identificat la compozitele cu fibre unidirecţionale, având valori mari ale fracţiunii volumetrice de armătură, este cel produs prin forfecarea fibrelor (figura r.13).  

 

 

 

 

 

 

 

 

Rezistenţa la compresiune a compozitului unidirecţional, în acest caz se poate stabili cu

relaţia :

( )⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡−+=

f

mffffcL E

EVVRR 12

în care Rff este rezistenţa la forfecare a fibrelor longitudinale.

Tensiunile de compresiune şi de întindere într-o fibră conduc la formarea zonelor nodale

(figura r.14) care produc deformaţii pronunţate în fibrele ductile cum ar fi aramidul sau planuri de rupere în fibrele casante cum ar fi carbonul. Tensiunile şi deformaţiile critice apar la interfaţa dintre fibră şi matrice.

Figura r.13 Cedarea prin forfecarea fibrelor a compozitului unidirecţional solicitat la compresiune

σL 

σL 

Page 27: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 27

 

 

 

Figura r.14 Formarea zonelor nodale prin apariţia şi dezvoltarea celor trei tipuri de defecte

Stabilirea pe cale analitică a caracteristicilor mecanice în direcţie transversală pentru compozitul cu armare unidirecţională continuă se realizează adoptând modelul tensiunii constante (modelul în serie), figura r.15.  

 

 

Figura r.15 Schema teoretică pentru determinarea modulului de elasticitate transversal

Capitolul 8 intitulat ,,Soluţii de consolidare folosind materiale compozite” prezintă şi

exemplifică solutiile de consolidare folosind materialele compozite a principalelor elemente din beton armat şi din lemn (grinzi din beton armat şi lemn, stâlpi din beton armat, zidării, planşee, etc.). Sunt prezentate o serie de aspecte legate de tipurile de materiale compozite cu matrice polimerică armate cu fibre folosite la consolidarea şi reabilitarea structurilor inginereşti.

Tehnicile de placare prin lipire au fost folosite în consolidarea structurilor inginereşti încă din anii 1970. Printre sistemele tradiţionale de consolidare locală pentru stâlpi se pot enumera:

cămăşuieli din beton armat, figura r.16 a, carcase din tablă, la care se injectează cu mortar pe bază de ciment

interspaţiului dintre element şi carcasă, figura r.16 b, carcase din profile metalice figura r.16 c, fretări cu platbande figura r.16 d, fretări cu cabluri figura r.16 e, tole din tablă lipite cu răşini epoxi figura r.16 f.

Page 28: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 28

 

Materiale care pot fi folosite pentru consolidarea stâlpilor din beton armat prin lipire

exterioară sunt: • Oţel

• Beton - cămăşuieli;

iar ca materiale compozite:

• Polimeri armaţi cu fibră de carbon (CPAFC)

• Polimeri armaţi cu fibră de sticlă (CPAFS) – ţesături. Compozitele polimerice armate cu fibre sunt folosite pe o scară din ce în ce mai largă, la

reabilitarea structurilor sau elementelor structurale, mai ales în condiţiile când soluţiile tradiţionale de consolidare se dovedesc deficitare sub diferite aspecte.

Principalele argumente în folosirea materialelor compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) la consolidarea stâlpilor din beton armat sunt:

produsul compozit se poate alcătui şi optimiza în funcţie de încărcările specifice cazului concret;

posibilitatea suplimentării necesarului de armătură transversală şi longitudinală utilizând CPAF sub diferite forme (ţesături, membrane, benzi, bare);

se reduce încărcarea permanentă din structură prin creşterea rezistenţei şi ductilităţii elementelor structurii;

CA

RC

AS

E D

IN P

RO

FILE

ME

TALI

CE

CA

MAS

UIA

LA D

IN B

ETO

N A

RM

AT

FRE

TE D

IN P

LATB

AN

DE

TOLE

DIN

TA

BLA

LIP

ITE

CU

RA

SIN

I EP

OX

I

FRE

TE D

IN O

TEL

TEN

SIO

NAT

E

SI C

OR

NIE

RE

LA

CO

LTU

RI

CA

RC

AS

A D

IN T

AB

LA

a. b. c. d. e. f.

Figura r.16 Procedee utilizate la consolidarea stâlpilor din beton armat: a. cămăşuială din beton armat, b. carcase din tablă şi injectări cu mortar, c. carcase din profile metalice, d. fretări cu platbande, e. fretări cu cabluri,

f. tole din tablă lipite cu răşini epoxi.

‐ plăci; ‐ țesături; 

‐ plăci; ‐ carcase; 

Page 29: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 29

 

CPAF cresc rigiditatea şi rezistenţa stâlpilor din beton armat; din punct de vedere seismic este recomandată folosirea CPAF la repararea şi

consolidarea stâlpilor din beton armat; folosirea CPAF la consolidarea stâlpilor din beton armat menţine secţiunea aparentă

egală cu cea iniţială; • proiectarea consolidării stâlpilor din beton armat folosind CPAF este relativ simplă; • reducerea costurilor privind întreţinerea structurilor, ca motive principale fiind

imunitatea acestor materiale compozite la atacul agenţilor corozivi şi săruri; • transportul materialelor, nu implică costuri mari; • în cazul confinării pasive a stâlpilor din beton armat, costul manoperei nu este

ridicat; • pentru o instalare eficientă se poate recurge şi la varianta automată de consolidare a

elementelor; • execuţia lucrărilor de consolidare cu CPAF se realizează în timp scurt; • rezistenţă la coroziune; • densitate redusă; • modul de elasticitate ridicat; • caracteristici mecanice dirijate în raport cu cerinţele de rezistenţă şi rigiditate; • deformabilitate acceptabilă; • posibilitatea fabricării unor produse adecvate soluţiilor de consolidare, abilitatea

benzilor de a fi pretensionate; • aplicarea soluţiilor de consolidare în spaţii limitate, eliminarea structurilor

provizorii pentru sprijiniri temporare; • reducerea semnificativă a costului manoperei şi micşorarea până la anulare a

întreruperilor în funcţionarea construcţiei; • risc redus la îngheţ; • rezistenţă la foc (benzile din CPAF sunt slab conducătoare de căldură în comparaţie

cu benzile metalice). Soluţiile de consolidare bazate pe materiale compozite polimerice armate cu fibre

(CPAF) se pot realiza folosind combinaţii variate de fibre şi matrice polimerice. Cele mai utilizate constituente ale CPAF pentru consolidarea structurilor din beton armat sunt răşinile epoxidice, poliesterice şi vinilesterice ca matrice, respectiv fibrele din carbon, sticlă sau aramidice pentru armături.

Răşinile polimerice utilizate la sistemele de consolidare bazate pe materiale compozite se pot regăsi în următoarele componente (figura r.17):

i. grund, utilizat la amorsarea suprafeţei betonului pentru îmbunătăţirea aderenţei cu răşinile utilizate la impregnarea armăturii sau a stratului adeziv. Se aplică folosind procedeele de pulverizare, roluire, pensulare;

ii. chit, folosit ocazional pentru umplerea eventualelor goluri la suprafaţa betonului şi netezirea suprafeţei la care se ataşează platbanda compozită;

iii. matrice, pentru impregnarea fibrelor, având rolul de a menţine armăturile în poziţia impusă de tipul compozitului şi de a se asigura mediul de transmitere a tensiunilor prin produsul compozit;

iv. adezivi, utilizaţi pentru asigurarea conlucrării dintre platbanda compozită şi beton - stratul adeziv permite transferul tensiunilor între elementul de beton armat şi produsul compozit folosit la consolidare;

Page 30: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 30

 

v. acoperire protectoare, ce asigură protecţia exterioară a armăturii produsului compozit faţă de agenţii agresivi din mediul înconjurător;

vi. fibrele ca materiale de armare, realizate din sticlă, carbon sau aramide se utilizează sub forma unor filamente continue sau sub formă de ţesături.

Figura r.17 Componentele soluţiei de consolidare cu platbandă din CPAF a. acoperire protectoare; b. strat de răşină; c. platbandă compozită;

d . strat de răşină; e. chit; f. grund; g. beton. În subcapitolul 8.5 sunt prezentate principalele avantaje şi dezavantaje în folosirea

compozitelor polimerice armate cu fibră la reabilitarea şi consolidarea structurilor ingineresti. O comparaţie directă între soluţiile de consolidare în care se folosesc platbande din

compozite cu matrice polimerică (CMP) şi platbande din oţel conduce la următoarele observaţii:

A. Consolidarea cu platbande: A.1 Avantaje:

platbandele din CMP sunt mai puţin vulnerabile la acţiunea agresivă a agenţilor chimici, de aceea costul întreţinerii după instalare este mult mai redus;

platbandele compozite se pot proiecta şi realiza cu proprietăţi prestabilite pe baza alegerii elementelor sistemului multifazic, fracţiunilor volumetrice de fibră şi matrice, orientării fibrelor şi procedeului de fabricaţie;

CMP sunt izolatoare electrice, nemagnetice şi neconductive termic; platbandele şi membranele din CMP au greutate proprie redusă şi sunt uşor de

transportat, manipulat şi instalat, adăugând valori mici la greutatea proprie; elementele de consolidare din CMP se pot produce cu lungimi mari, fiind posibilă

livrarea şi în rulouri; reabilitarea structurală nu necesită decât rareori şi pe durate minime întreruperea

funcţionării structurii aflate în procesul de consolidare; costul total al aplicării la platbandele din oţel şi la cele compozite este aproape acelaşi,

dar dacă se consideră întreruperile în funcţionare şi costurile de întreţinere, economiile în cazul folosirii platbandelor compozite ajung până la 18-20 %;

a b c d e f g 

Page 31: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 31

 

platbandele compozite sunt recomandate în mod special în cazul clorinării betonului; în toate situaţiile în care există agenţi corozivi şi lungimile necesare ale platbandelor

depăşesc 8m soluţiile cu platbandele din compozite polimerice armate cu fibre sunt mai economice.

A.2 Dezavantaje: consolidarea cu platbande din CMP este sensibilă la schimbări bruşte ale secţiunii

elementelor consolidate - denivelările pot conduce la iniţierea unor forme de cedare cauzate de tensiunile locale de întindere normală pe platbande;

materialele se comportă liniar elastic până la rupere dar există pericolul unor cedări fragile;

fibrele, mai ales cele din carbon, sunt de 4-5 ori mai scumpe decât oţelul, dar manopera este mult mai ieftină - diferenţa dintre costuri se reduce pe măsură ce creşte volumul de activitate şi apar ofertanţi noi;

platbandele compozite sunt mai vulnerabile la deteriorări cauzate de corpuri dure, dar deteriorările sunt localizate şi se pot repara uşor.

B. Consolidarea cu ţesături:

B.1 Avantajele: proprietăţi mecanice excelente; se pot folosi ţesături armate unidirecţional, bidirecţional sau multidirecţional; eventualele distrugeri mecanice locale sunt uşor de reparat.

B.2 Dezavantaje: nu sunt compatibile cu o serie de răşini.

C. Consolidarea cu bare compozite:

C.1 Avantajele: sunt mai rezistente ca oţelul; nu sunt conductive; reprezintă 1/4 din greutatea oţelului; sunt testate experimental într-o serie de centre universitare; sunt disponibile în diverse forme şi dimensiuni; pot fi produse şi la cererea clientului (în diverse forme şi dimensiuni); există norme după care se pot proiecta şi executa construcţii inginereşti din beton cu

armături din CPAF. C.2 Dezavantaje:

cost ridicat în comparaţie cu barele de oţel; manipularea armăturilor trebuie făcută cu grija pentru a nu se distruge mecanic armătura; cârligele (sau porţiunile curbe ale cârligelor) de la capetele barelor nu se pot realiza în

situ.

În subcapitolul 8.7 este detaliată consolidarea elementelor încovoiate din beton armat folosind CPAF (compozite polimerice armate cu fibre). Astfel consolidarea grinzilor şi plăcilor din beton armat se bazează pe o soluţie relativ simplă din punct de vedere conceptual, dar eficienţa acesteia este determinată de capacitatea zonei compozit – beton de a prelua şi transmite stările de tensiuni dintre componente.

Page 32: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 32

 

Eficacitatea sistemului este influenţată de modul în care se realizează produsul compozit folosit la consolidare şi se aplică pe suprafaţa betonului. Această relaţie depinde de:

i. lipirea unor platbande din materiale compozite polimerice armate cu fibre (obţinute prin pultrudere, prin contact sau prin vacuumare) şi aplicarea acestora pe suprafaţa de beton, utilizând un adeziv cu proprietăţi fizico – mecanice adecvate;

ii. aplicarea unor membrane compozite realizate la locul de punere în operă, folosind tehnologia uzuală de formare a stratificatelor compozite prin procedeul ,,de contact” – după dispunerea unui strat de răşină se aplică succesiv straturile de armătură sub forma unor benzi din ţesătură care se presează cu rulouri, obţinând astfel simultan elementul compozit şi aderenţa cu suprafaţa de beton;

iii. dispunerea armăturii şi a răşinii într-un mediu vacuumat, constă din plasarea armăturii alcătuite din ţesătură peste zona ce trebuie consolidată şi infuzia răşinii sub vacuum – procesul se desfăşoară într-un mediu închis, infuzia de răşină umectează stratul de armătură şi umple fisurile din beton.

Proprietăţile cele mai uniforme se obţin prin utilizarea platbandelor şi membranelor compozite prefabricate lipite de beton printr-un adeziv puternic, având caracteristici fizico – mecanice compatibile atât cu stratul de beton cât şi cu produsul compozit. Procedeul prin contact este cel mai convenabil aplicării ,,în situ”, atât ca flexibilitate a procesului cât şi ca preţ de cost. Totuşi proprietăţile sistemului rezultat au o mare împrăştiere, consumul de răşină este relativ ridicat, iar membrana compozită rezultată după întărire are proprietăţi mecanice mai reduse. Infuzia de răşină în mediu vacuumat conduce la un element compact cu proprietăţi superioare la care rezultă o dispunere corectă a stratului de armare. În cazurile (ii) şi (iii) răşina polimerică îndeplineşte şi rolul de strat adeziv, format simultan cu produsul compozit. Deşi, în acest caz există mai puţine interfeţe la care se poate iniţia cedarea, se elimină stratul tenace de adeziv, favorabil comportării de ansamblu a sistemului hibrid.

La consolidarea elementelor încovoiate din beton armat cu ajutorul materialelor compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) trebuie respectat conceptul general al armării exterioare astfel încât modul de lucru al elementelor încovoiate să nu se înrăutăţească. Toate cerinţele de performanţă impuse structurilor iniţiale trebuie menţinute şi la cele consolidate. Prin soluţiile propuse trebuie evitate devierile majore de la distribuţiile tensiunilor pe secţiunea transversală a elementelor în cele două stări (consolidat şi neconsolidat). Selectarea produsului compozit pentru armarea exterioară şi a adezivului trebuie să asigure modul de lucru unitar al elementului consolidat.

Proiectarea şi realizarea consolidării elementelor din beton armat solicitate la încovoiere cuprinde următoarele faze iniţiale :

a) Alegerea unui compozit cu modulul de elasticitate suficient de mare (preferabil compozite realizate din fibre de carbon şi matrice epoxidice) pentru a folosi platbande subţiri cu proprietăţi stabile în timp.

b) Stabilirea secţiunii transversale a platbandelor compozite pentru obţinerea unei creşteri a capacităţii portante astfel încât să se realizeze un mecanism de cedare convenabil. În literatura de specialitate sunt prezentate următoarele moduri specifice de cedare:

b1. curgerea armăturii din oţel urmată de strivirea betonului în zona comprimată; b2. curgerea armăturii însoţită de ruperea la întindere a platbandei compozite şi apoi

strivirea betonului din zona comprimată; b3. desprinderea platbandei în zona fisurilor marginale; b4. cedarea la forfecare a betonului în zonele de capăt ale platbandelor;

Page 33: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 33

 

b5. desprinderea platbandei în regiunea fisurată cu momente încovoietoare mari; b6. desprinderea platbandei datorită denivelărilor betonului; b7. cedarea aderenţei ,,platbandă – adeziv”; b8. cedarea legăturii ,,platbandă – adeziv” sau ,,adeziv – beton”; b9. forfecarea interlamelară a platbandei compozite stratificate.

Se consideră convenabile mecanismele b1 şi într-o oarecare măsură b2.

c) Gradul de consolidare (raportul dintre momentul capabil al elementului consolidat şi cel dinaintea consolidării) se recomandă să nu depăşească valoarea 2.0. Astfel, în cazul extrem în care platbanda de CPAF devine neoperaţională se menţine un coeficient de siguranţă sub încărcări de exploatare de ordinul a 1.15 ÷ 1.20.

d) Verificarea posibilităţii de cedare prematură prin mecanisme de desprindere a platbandelor compozite.

e) Prevederea unor mijloace de ancorare, în special la capetele platbandelor compozite, dacă se anticipează desprinderi premature.

f) Execuţia corectă a tuturor operaţiilor, sub un control riguros.

În ultimii ani s-a încercat cu bune rezultate folosirea compozitelor armate cu fibre la consolidarea zidăriilor în care utilizarea soluţiilor convenţionale are unele dezavantaje, astfel în subcapitolul 8.8 sunt prezentate principalele soluţii de consolidare a structurilor din zidărie folosindu-se materiale compozite. De exemplu consolidarea structurilor din zidărie prin cămăşuire cu beton armat este destul de eficientă, întrucât măreşte capacitatea portantă, rigiditatea şi ductilitatea, dar această soluţie este însoţită de unele dezavantaje :

cămăşuielile grele sporesc mult greutatea proprie adăugând încărcări permanente destul de mari, uneori imposibil de transmis la terenul de fundare mai ales când la parter sunt bolţi sau arce;

încărcările suplimentare din greutatea proprie modifică răspunsul dinamic al structurii fiind posibilă suplimentarea încărcării seismice;

grosimile cămăşuielilor pot altera aspectul estetic şi reduc spaţiul util din clădiri; soluţia este mare consumatoare de manoperă şi pe durata realizării lucrărilor este

obstrucţionată utilizarea normală a clădirii. Aceste dezavantaje au stimulat căutarea unor soluţii de consolidare bazate pe

folosirea materialelor compozite armate cu fibre. O primă variantă de consolidare folosind materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) în care o ţesătură din fibre (din sticlă, carbon sau aramidice) este preimpregnată cu o răşină polimerică şi lipită pe suprafaţa zidăriei cu un strat adeziv.

Studii experimentale ulterioare au evidenţiat faptul că la consolidarea zidăriilor este mai eficientă utilizarea fâşiilor compozite înguste, figura r.18 a, orientate aproximativ după direcţiile tensiunilor normale decât acoperirea întregului perete cu membrane compozite continue.

De asemenea, din programele de cercetare – dezvoltare organizate în acest domeniu s-au formulat şi alte concluzii:

în cazul în care solicitarea predominantă este încovoierea normală pe planul peretelui, este recomandată folosirea fâşiilor compozite orizontale pentru creşterea momentului capabil;

dacă zidul de cărămidă este încovoiat în planul său este necesară distribuirea armăturilor exterioare compozite în zonele solicitate preponderent la întindere.

Page 34: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 34

 

Figura r.18 Consolidarea zidurilor din cărămidă cu fâşii din CPAF a. şi b. fâşii lipite pentru creşterea capacităţii portante la încovoiere şi forfecare,

c. fâşii (tendoane) nelipite dispuse pe contur pentru confinarea zidăriei

Eficienţa corespunzătoare a consolidării cu fâşii compozite se obţine doar dacă este asigurată ancorarea corespunzătoare a armăturii compozite la capete, prin lungimi de ancorare suficiente sau prin sisteme de strângere (fixare).

Dacă nu se asigură aceste condiţii pot apare desprinderi ale fâşiilor compozite şi moduri de cedare similare celor de la elementele din beton armat. Tiranţii realizaţi din compozite polimerice armate cu fibre se folosesc mai ales la consolidarea monumentelor istorice realizate din zidărie. Folosirea tendoanelor compozite respectă două condiţii principale:

intervenţiile structurale sunt puţin vizibile şi nu alterează “personalitatea” construcţiei;

soluţiile propuse sunt “reversibile” şi pot fi demontate dacă performanţele pe termen lung nu sunt satisfăcătoare.

Structurile din zidărie pot fi consolidate folosind tiranţi dispuşi perimetral, figura r.18 c. Tiranţii sub forma unor bare rotunde sau fâşii plate din compozite polimerice se aplică perimetral prin exteriorul zidurilor şi apoi se pretensionează pentru realizarea confinării orizontale.

Compozitele folosite ca tiranţi sunt cu armare unidirecţională având rezistenţe longitudinale foarte bune dar mult mai mici în direcţie transversală. De asemenea, compozitele cu armare unidirecţională care folosesc matrice polimerice termorigide sunt fragile şi sensibile la operaţiile de filetare sau aşchiere şi de aceea trebuiesc realizate sisteme speciale de înnădire în câmp sau de fixare la capete.

Întrucât tiranţii din materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) nu pot fi îndoiţi după raze mici de curbură este imposibilă trecerea acestor elemente după colţuri şi se impune ancorarea separată a tendoanelor. Sistemul de fixare şi ancorare la colţul unui zid este realizat dintr-un colţar din oţel şi o pereche de reazeme care permit ancorarea fâşiei compozite. Tendonul compozit se lipeşte pe o pereche de eclise metalice.

 

Page 35: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 35

 

Transferul forţelor de pretensionare din tiranţi la structură se realizează prin contactul dintre colţarul metalic şi zidărie. Cele două tendoane compozite ancorate la acelaşi colţ se pretensionează progresiv prin strângerea alternativă a piuliţelor din capătul pieselor, astfel încât să se echilibreze momentele încovoietoare. Înnădire tendoanelor compozite, dispuse perimetral, se face prin intermediul unor eclise metalice şi un manşon strângere.

Folosirea materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) la consolidarea structurilor din zidărie, deşi în stadiu iniţial, oferă rezolvări corespunzătoare în cazurile în care soluţiile tradiţionale prezintă unele dezavantaje inacceptabile datorită necesităţii dezvoltarii unor soluţii speciale de prindere şi fixare astfel încât să fie utilizat în întregime potenţialul structural al CPAF.

În ultimul subcapitol al capitolului 8 se face referire la soluţii de consolidare a elementelor din lemn, în special soluţii pentru grinzi şi stâlpi. Conceptul consolidării grinzilor şi stâlpilor din lemn folosind materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) este relativ nou. O serie de metode folosite la consolidarea grinzilor din lemn sunt asemănătoare cu metodele de consolidare aplicate grinzilor din beton armat. Prin urmare, se extinde ideea de consolidare a grinzilor din lemn cu materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) în vederea sporirii capacităţii la forfecare şi încovoiere. De asemenea stâlpii din lemn cu secţiune circulară şi rectangulară vor fi confinaţi în vederea creşterii capacităţii portante. Aceste tehnici de consolidare folosind materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) se pot aplica la construcţiile de importanţă istorică (castele, mănăstiri, muzee), poduri din lemn, grinzile cu zăbrele din lemn, arce din lemn, etc.

Consolidarea stâlpilor din lemn folosind materiale compozite polimerice armate cu fibre presupune mai întâi un studiu economic pentru a analiza dacă este rentabil ca stâlpii din lemn să fie confinaţi cu CPAF sau este mai economică înlocuirea acestora cu stâlpi noi, din lemn. În cazul secţiunilor rectangulare înlăturarea porţiunii afectate (de putrezire, insecte, etc.) se realizează folosind un fierăstrău electric, porţiunea decupată având o formă regulată pentru a uşura înlocuirea cu altă bucată de lemn “sănătoasă” (este recomandată înlocuirea porţiunii afectate cu aceeaşi esenţă de lemn sau o esenţă mai tare). Confinarea se poate realiza folosind ţesături din fibre de sticlă sau fibre de carbon preimpregnate cu răşini epoxidice sau fâşii din materiale compozite polimerice armate cu fibre de carbon.

Capitolul  9  intitulat ,,Confinarea stâlpilor din beton armat cu materiale şi produse compozite” detaliază confinarea stâlpilor din beton armat cu materiale şi produse compozite. Sunt prezentate efectele confinării la elementele comprimate, modelele Popovics, Mander, Spoelstra-Monti şi Triantafillou de analiză a betonului confinat cu CPAF şi de calculare a deformatiilor, dar şi definirea relaţiilor dintre tensiuni şi deformaţii specifice. 

Efectul de strângere laterală a betonului comprimat, exercitat de armătura transversală la valori ridicate ale eforturilor unitare, când procesul de microfisurare a structurii interioare a betonului este amorsat, manifestându-se prin tendinţa de ,,dilatare” transversală, este denumit în mod curent efect de fretă sau efect de confinare.

Obiectivele principale ale confinării sunt:

(a) să sporească rezistenţa betonului şi posibilitatea deformării, (b) să furnizeze suportul lateral pentru armătura longitudinală, (c) să împiedice exfolierea suprafeţei betonului.

Page 36: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 36

 

Împiedicarea într-o masură mai mică sau mai mare a deformaţiilor transversale prin mobilizarea unei armături transversală dispusă judicios poate îmbunătăţi sensibil comportarea betonului confinat şi sub aspectul rezistenţei, dar mai ales sub aspectul deformabilităţii. Astfel printr-o confinare eficientă, deformaţia specifică ultimă a betonului comprimat poate spori de câteva ori în raport cu valoarea corespunzătoare compresiunii monoaxiale.

Explicaţia efectului de confinare evidenţiază şi parametrii care-l influenţează: procentul de armare transversală; limita de curgere a armăturii; raportul dintre distanţa între etrieri şi dimensiunile miezului de beton, adoptarea

unei distanţe mai reduse ducând la confinarea mai eficientă; raportul dintre diametrul etrierului şi distanţa între punctele sale de prindere,

respectiv rigiditatea sa la încovoiere. Acest parametru are importanţă, evident, numai pentru etrierii ortogonali, nu şi pentru freta circulară. Pentru a spori rigiditatea la încovoiere a etrierului, atunci când se folosesc şi agrafe intermediare este recomandabil ca acestea să lege etrierii şi nu armăturile longitudinale;

procentul şi diametrul armăturii longitudinale, pentru că şi acest oţel confinează betonul. Pentru acesta fiecare bară longitudinală trebuie fixată, prin dispunerea strict în colţul unui etrier, în contact intim cu acesta.

Folosirea materialelor compozite cu matrice polimerice armate cu fibre (CPAF) în procesul de consolidare a structurilor din beton armat conduce la eliminarea unor neajunsuri ale materialelor clasice, datorită faptului că materialele compozite sunt imune la atacul agresiv al agenţilor chimici, şocuri mecanice, acţiuni ale focului sau variaţiilor mici de temperatură.

Materialele compozite cu matrice polimerice armate cu fibre (CPAF) au rezistenţe mecanice şi constante elastice cu valori foarte ridicate în direcţia fibrelor, proprietăţi mecanice dirijate în raport cu direcţiile de solicitare, precum şi posibilitatea realizării unor înfăşurări sau cămăşuieli compozite folosind personal cu o calificare medie.

Rolul CPAF este de a creşte capacitatea portantă a elementului, de a spori ductilitatea şi de a reduce sau stopa viteza mecanismelor de deteriorare posibile în exploatarea structurii. Ţesătura se consideră aplicată doar în direcţie orizontală, ceea ce asigură o confinare a betonului dar care nu acţionează ca şi o armătură suplimentară. Efectul aplicării fibrelor polimerice reprezintă o creştere a rezistenţei la compresiune şi a ductilităţii stâlpilor, dar doar o creştere uşoară a rezistenţei la încovoiere. Starea de compresiune triaxială a betonului confinat, conduce la o creştere semnificativă a rezistenţei acestuia, de circa 1,6 până la 4,0 ori mai mare decât rezistenţa la compresiune monoaxială.

Pentru a spori ductilitatea stâlpilor din beton armat, s-a considerat confinarea lor cu polimeri armaţi cu fibre de carbon. Ţesătura s-a aplicat în straturi orizontale, efectul ei fiind de confinare a betonului.

O cerinţă de ductilitate specifică stâlpilor este înnădirea corectă a armăturilor. Condiţiile tehnologice impun ca armăturile longitudinale din stâlpi să fie înnădite la partea inferioară a stâlpilor. Însă acestea sunt zonele critice, în care se pot produce deformaţii inelastice în urma unui cutremur. Strivirea betonului în zona articulaţiei plastice conduce la o degradare accentuată a condiţiilor de aderenţă şi nu mai asigură continuitatea transmiterii eforturilor din armături în zona înnădirii. De aceea, trebuie evitate înnădirile armăturilor din stâlpi în zonele plastice potenţiale, în special a înnădirilor prin suprapunere.

Page 37: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 37

 

Figura r.13 Curbe ,,tensiuni – deformaţii specifice” la materiale de armare:       CPAFC – compozit polimeric armat cu fibre de carbon;      CPAFA – compozit polimeric armat cu fibre aramidice;      CPAFS – compozit polimeric armat cu fibre de sticlă. 

Confinarea laterală se poate realiza prin folosirea : armăturii transversale (etrieri rectangulari şi circulari, spirale, agrafe, frete circulare); cămăşuiri folosind platbande metalice sudate; materiale compozite cu matrice polimerice armate cu fibre (fâşii, membrane subţiri, ţesături).

Confinarea cu oţel este diferită de confinarea cu materiale compozit cu matrice polimerică armat cu fibre (CPAF), prin faptul că fretele de oţel creează o presiune de confinare în creştere (confinare activă) până la limita de curgere după care presiunea devine constantă (confinare pasivă). Comportamentul CPAF este diferit şi anume putem vorbi de confinare activă până la rupere, figura r.19.

În subcapitolul 9.1.3 sunt detaliate modele de analiză a betonului confinat cu CPAF.

Primul model de beton confinat care ţine cont de zona efectiv confinată a miezului de beton este modelul Sheikh –Uzumeri (Sheikh & Uzmeri, 1980).

Se admite că, alura diagramelor ,,tensiune-deformaţie specifică” a betonului, depinde de o serie de parametri cum ar fi: rezistenţa betonului, vârsta betonului, durata şi repetarea încărcărilor, forma geometrică, viteza de aplicare a încărcării.

Fretele spirală au fost utilizate la început de Louis Considère între anii1897-1898, iar în 1900 acelaşi autor a elaborat primele relaţii de calcul ale betonului fretat.

Trei decenii mai târziu Richart ş.a. descoperă o expresie pe baza căreia se putea calcula rezistenţa la compresiune axială a betonului confinat, utilizând date experimentale:

confcc RR σ1,4' += unde: R’

c - rezistenţa la compresiune a betonului confinat; Rc - rezistenţa la compresiune a betonului neconfinat; σconf - presiunea de confinare exercitată de expansiunea laterală a betonului egală cu

tensiunea radială, σr.

0

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5 

0 1 2 3 4 5

Deformaţia specifică din întindere [%]

Efortul unitar d

e întin

dere [G

Pa] 

CPAFC CPAFA

CPAFS Oţel pentru pretensionare

Oţel obişnuit (OL 37)

Page 38: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 38

 

 

Figura r.14 Determinarea rezistenţei betonului confinat în funcţie de presiunea laterală de confinare

În aceeaşi perioadă s-a arătat că valoarea constantei de ,,4,1” din relaţia de mai sus variază între 2,8 până la 4,0 funcţie de proporţiile de amestec şi materialele folosite.

Mander (1988) a propus un model de confinare cu un grad mai mare de generalitate care se poate extinde şi la sectiuni rectangulare pentru care efectul de confinare este diferit pe cele două directii principale.

Suprafaţa limită de rupere a betonului în condiţii de solicitare triaxială folosită de Mander a fost cea din modelul William-Wranke cu 5 parametri care, pentru uşurintă, a fost transpusă în curbe de interactiune conform figurii r.14.

Eforturile efective de confinare se determină considerând ca etrierii ajung la curgere iar

deformaţia specifică ultimă este asociată cu ruperea primului etrier. Rezistenţa betonului confinat se obţine din figura r.14, folosind ca presiuni laterale eforturile efective de confinare .

Modelul Mander reprezentat în figura r.15, obţinut şi verificat pe cale experimentală este folosit frecvent în calculele analitice, acolo unde intervine presiunea de confinare şi se aplică atât secţiunilor circulare cât şi secţiunilor rectangulare ale stâlpilor din beton armat (cu armare transversală simetrică pe cele două direcţii).

Figura r.15 Absorbţia de energie pentru o epruvetă din beton confinată cu CPAF

Tensiuni, σb

Deformaţii specifice,

Rc’

Rc

ε0 2ε0 εc

Beton neconfinat

Beton confinat

εcu

Esec Eb

ε0’

Page 39: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 39

 

unde: ε0 - deformaţia specifică maximă la compresiune corespunzătoare rezistenţei maxime la

compresiune a betonului neconfinat Rc; εc - deformaţia specifică maximă la compresiune corespunzătoare rezistenţei maxime la

compresiune a betonului confinat Rc’;

ε0’ - deformaţia specifică a betonului când acesta este distrus complet, valoarea Rc fiind

practic nulă; εcu - deformaţia specifică ultimă a betonului confinat la compresiune;

Saadatmanesh folosind aceleaşi valori ca în formulare lui Mander, a reuşit să aproximeze mai bine valoarea energiei deformaţiei limită pe unitate de volum a betonului neconfinat în intervalul [ ]02,0 ε .

Cercetările recente au demonstrat că modelele analitice elaborate pentru betonul confinat cu oţel nu sunt aplicabile şi în cazul modelelor de beton confinat cu CPAF. Modelele de rezistenţă a stâlpilor din beton armat confinaţi cu materiale compozite armate cu fibre (CPAF) se rezumă la următoarea expresie:

c

conf

c

c

Rk

RR σ

1

'

1+=

unde: k1 - coeficient de confinare. Expresia de mai sus a fost propusă de Richart, dar adoptată de cercetători care experimental au determinat valorile coeficientului de confinare conform tabelului r.1. Model Karbhari Samaan Miyauchi Saafi Toutanji

k1

13.0

1,2−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

c

conf

3,00,6 −confσ

2,98

16,0

2,2−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

c

conf

15,0

5,3−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

c

conf

Tabel r.1 Modele cu valori ale coeficientului de confinare

Efectul de confinare a stâlpilor din beton armat cu materiale compozite armate cu fibre

(CPAF) are ca scop obţinerea unor performanţe semnificative care se referă la: creşterea rezistenţei la compresiune şi forfecare, a ductilităţii, prevenirea strivirii betonului care acoperă armătura, împiedicarea flambajului a armăturilor longitudinale de oţel, etc..

În cazul stâlpilor circulari aceste rezultate se pot obţine prin aplicarea cămăşuirilor externe cu materiale compozite armate cu fibre (CPAF), fie în mod continuu pe întreaga suprafaţă, fie intermitent, sub formă de benzi. În cazul stâlpilor dreptunghiulari confinarea se poate face cu armături de formă dreptunghiulară, cu colţurile rotunjite înaintea aplicării.

Trebuie reţinut faptul că o confinare a elementelor dreptunghiulare nu are aceeaşi eficienţă, deoarece efectele confinarii sunt mai semnificative la colţurile elementului, cămăşuirea între colţurile elementului trebuie sa creasca d.p.d.v. cantitativ, pentru prevenirea expansiunii latarale a elementului.

Page 40: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 40

 

Capitolul 10 intitulat ,,Cercetări experimentale” cuprinde cercetările experimentale privind comportarea stâlpilor confinaţi solicitaţi la compresiune, consolidarea stâlpilor din beton armat folosind material compozite prin programul de proiectare Sika, reabilitarea structurilor de beton armat prin folosirea compozitelor pe bază de fibre de carbon şi încercări experimentale la pereţi structurali din beton armat consolidaţi cu compozite polimerice din fibră de carbon.

S-au realizat mai multe programe experimentale pentru evidenţierea eficienţei folosirii materialelor compozite armate cu fibre (CPAF) atât în domeniul reabilitărilor structuratle cât şi a construcţiilor noi.

Primul experiment ,,Comportarea stâlpilor confinaţi solicitaţi la compresiune” a fost realizat în cadrul Facultăţii de Construcţii de la Universitatea Tehnica ,,Gh. Asachi” din Iaşi.

Încercările s-au efectuat pe 30 de epruvete cilindrice din beton cu dimensiunile 250 mm generatoarea şi 100 mm în diametru şi a 10 cuburi având aceeaşi clasă de beton cu latura de 100 mm, neconfinate şi confinate cu 2, 3 şi 4 straturi de fibre de sticlă şi de carbon impregnate cu răşină epoxidică.

Modurile de cedare a epruvetelor cilindrice din beton încercate la compresiune centrică întâlnite în cadrul programului experimental au fost cele din figura r.16 a, b şi e.

Starea de tensiuni şi deformaţii în cilindrul de beton este diferită, în consecinţă acesta va

fi neuniform deformată. Cauzele apariţiei deformaţiilor neuniforme sunt legate de neomogenitatea compoziţiei structurii şi proprietăţilor cilindrului din beton, prezenţa frecării la nivelul platanelor presei hidraulice, etc.

Putem vorbi despre trei zone de deformare a epruvetei cilindrice din beton supuse la compresiune, figura r.17 b:

zona I cu o deformare mai înceată (greoaie); zona II cu o deformare de nivel mediu; zona III cu deformări de nivel maxim.

O reprezentare schematică a epruvetei cilindrice supusă la compresiune centrică este dată în figura r.17 a. Apariţia tensiunilor tangenţiale τ se datorează faptului că există frecare la partea superioară cât şi partea inferioară a epruvetei cu dispozitivul de încercare (platanul presei).

    a.         b.          c.                    d.                        e. 

Figura r.16 Moduri de rupere a epruvetelor cilindrice supuse la compresiune: a. tip dublu con; b. despicare cu con la bază; c. forfecare cu con la bază; d. forfecare; e. despicare după direcţia de încărcare.

Page 41: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 41

 

τ 

σa 

σr 

σz 

σz 

σr 

Zona  de capăt 

Zona  mijloc 

Zona  de capăt 

σz 

σz 

Zona I 

Zona I 

Zona

  II 

Zona

 III 

Zona

 III 

a.              b. 

În cazul confinării cu materiale compozite armate cu fibre (CPAF) de sticlă şi de carbon

aceste zone de deformare nu vor mai corespunde ca poziţie, fisurarea şi umflarea epruvetei din beton fiind întârziată de cămaşa compozită.

Rezistenţa betonului la compresiune după 28 de zile obţinută pe epruvetele cilindrice din beton a fost de 31,64 N/mm2 (clasa C28/35), iar pe cuburi de 32,16 N/mm2. Unul dintre modurile de cedare a epruvetelor cilindrice din betonul neconfinat s-a produs prin apariţia fisurilor verticale, paralele cu direcţia de încărcare, figura r.18.

Figura r.17 a. Reprezentarea schematică a apariţiei tensiunilor în epruveta încărcată centric b. Principalele zone de deformare la epruveta cilindrică din beton neconfinat

Figura r.18 Epruvetele încercate: a. fisuri verticale din compresiunea centrică cu dizlocări mici la partea inferioară sau superioară a epruvetelor cilindrice din beton neconfinat; b. cuburi din beton.

a. b.

Page 42: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 42

 

100

250

Confinare în 2, 3 şi 4 straturi de CPAFS

Direcţia de confinare

230

10

10

Încercările pe probele confinate s-au facut pe un număr de 18 epruvete confinate cu 2, 3, respectiv 4 straturi de ţesătură cu fibre de sticlă /carbon cu orientarea fibrelor unidirecţională 00 (după circumferinţă) au fost realizate prin procedeul manual de formare prin contact, figura r.19.

Pentru realizarea experimentului s-au folosit următoarele materiale: răşina epoxidică (Sikadur-300 VP); fibră de sticlă de tip E; fibre de carbon de înaltă rezistenţă; adeziv epoxidic (Sikadur Epoxy 30).

În cazul confinării cu materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) de sticlă s-a constat creşterea semnificativă a rezistenţei şi a ductilităţii epruvetelor cilindrice confinate cu 2, 3, 4 straturi de CPAFS.

Pe parcursul încercărilor la compresiune axială modurile de cedare a probelor din beton nu au fost asemănătoare. Astfel au fost evidenţiate doua cazuri de cedare:

• cedare între straturile de CPAF manifestată parţial sau pe toată înălţimea epruvetei prin “despiralarea” înfăşurării compozite, prin urmare o cedare interlamelară la nivel de matrice combinată cu o cedare explozivă;

• cedare casantă prin ruperea casantă şi explozivă a fibrelor de sticlă pe trei nivele (inferior, de mijloc şi superior). În cazul confinării cu materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) de carbon

în urma experimentelor efectuate s-au constat creşteri mult mai mari ale rezistenţei la compresiune faţă de probele confinate cu CPAF de sticlă, datorită faptului că fibrele de carbon au modulul de elasticitate şi rezistenţa la întindere mai mare ca a fibrelor din sticlă. Curba comparativă a tensiunilor şi deformaţiilor specifice a probelor confinate cu 2, 3, 4 straturi de CPAF de carbon şi a probei neconfinate, demonstrează efectul pozitiv al creşterii numărului de straturi în vederea îmbunătăţirii rezistenţei la compresiune, a ductilităţii şi micşorarea deformaţiilor pe direcţie axială şi longitudinală, figura r.20.

Figura r.19 Epruvete din beton confinate cu CPAF de sticlă şi de carbon

Page 43: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 43

 

Atingerea rezistenţei la compresiune maxime, în cazul probelor confinate cu 2, 3 şi 4

straturi a fost urmată de ruperea explozivă a CPAF de carbon. Cedarea cămăşuielii din CPAF de carbon a fost violentă şi s-a caracterizat printr-o intensitate mult mai mare a zgomotului în urma ruperii decât în cazul CPAF de sticlă. Ductilitate şi creşterea rezistenţei este evidentă în cazul folosirii a unui număr mai mare de 3 straturi de CPAF de carbon.

Pentru a se putea exemplifica teoretic sistemul de consolidare cu CPAF a stâlpilor din beton armat, s-a folosit programul de proiectare SIKA FRP Analysis, pus la dispoziţia prezentelor studii de către compania Sika. Consolidarea cu CPAF este impusă în cazul ales de schimbarea destinaţiei structurii din care stâlpii fac parte. Secţiunea stâlpilor este rectangulară şi se urmăreşte determinarea numărului de straturi de ţesătură din fibră de sticlă sau carbon necesare pentru atingerea rezistenţei la compresiune a stâlpului confinat de fcc=59 în N/mm2, cu o deformaţie axială ultimă după consolidare de circa εcu=0.023. Se alege iniţial soluţia SIKAWRAP HEX-230 (0.12 mm) Necesarul de compozite polimerice armate cu fibre din carbon (CPAFC) este reprezentat în figura r.21:

 

20

40

 

80

100

120

140

-0.02 -0.01  0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

4 straturi CPAFC

3 straturi CPAFC

2 straturi CPAFC 

4 straturi CPAFC 

3 straturi CPAFC 

2 straturi CPAFC 

Epruveta neconfinatăEpruveta neconfinată

Deformații radiale  Deformații axiale 

Tensiuni [MPa] 

Figura r.20 Efectul confinării asupra diagramelor de ,,tensiuni-deformaţii specifice”a probelor cilindrice din beton cu 2, 3, 4

straturi de CPAF de carbon comparativ cu epruveta din beton neconfinată 

Page 44: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 44

 

Figura r.22. Cadre experimentale din beton armat Figura r.23 Cadru consolidat cu CPAFC

Figura r.21 Necesarul de compozite polimerice armate cu fibre din carbon

În urma calculelor, soluţia SIKAWRAP HEX-100 G (0.36 mm) se dovedeşte a fi raţională, fiind necesare doar 4 straturi CPAFC spre deosebire de 11 straturi în cazul utilizării SikaWrap Hex-230 C (0.12 mm). S-a analizat şi soluţia SIKAWRAP HEX-430 G (0.17 mm), rezultând un necesar de 8 straturi CPAFS.

Cel de-al doilea experiment ,,Reabilitarea structurilor de beton armat prin folosirea compozitelor pe bază de fibre de carbon” a fost realizat în cadrul Facultăţii de Construcţii de la Universitatea ,,Politehnica” din Timişoara.

Programul experimental se concentrează pe posibilitatea aplicării compozitelor pe bază de fibre de carbon la cadre de beton armat.

În acest scop s-au proiectat şi executat cadre portal dublu încastrate din beton armat. Aceste elemente experimentale s-au alcătuit conform normelor de proiectare din anii 1970 pentru a se modela comportarea unei structuri presupuse existentă. Din motive de siguranţă la transport şi montaj, cadrele din beton armat au fost realizate prefabricat în cofraj orizontal. Cadrele (figura r.22) au fost montate în poziţia pentru încercarea experimentală iar în final au fost realizate fundaţiile stâlpilor. S-a realizat consolidarea stâlpilor (figura r.23) din beton armat cu materiale compozite pe bază de fibre de carbon (CPAFC) Sika:

- lamele longitudinale Sika Carbodur ancorate în fundaţii şi nodurile superioare; - ţesături Sika Wrap pentru confinarea transversală la ambele capete ale stâlpilor.

Page 45: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 45

 

Încercarea cadrelor s-a făcut conform figurii r.24. Pe rigla cadrului s-a simulat o încărcare gravitaţională uniform distribuită. Forţa orizontală aplicată a simulat acţiunea seismică. Calculul, proiectarea şi alcătuirea cadrelor s-a realizat astfel încât să apară articulaţii plastice mai întâi în rigle şi apoi în stâlpi.

Figura r.24 Schema de încărcare experimentală Modul de cedare a cadrelor din beton armat s-a produs prin formarea articulaţiilor plastice la capete de stâlpi. Două tipuri de încercări experimentale au fost realizate:

pe cadre neconsolidate testate iniţial până la limita de curgere a armăturii, apoi consolidate cu CPFAC şi re-testate în final până la rupere;

pe cadre neconsolidate testate iniţial până în stadiul ultim, apoi consolidate cu CPAFC şi retestate în final până la rupere.

Valorile teoretice pentru analiza cadrelor din beton armat neconsolidate s-au determinat conform normativului european EUROCODE 2, iar pentru cadrele consolidate cu CPAF s-au folosit prevederile ,,FIB bulletin - Externally bonded FRP reinforcement for RC structures”.

Date obţinute din încercările experimentale asupra cadrelor din beton armat neconsolidate şi consolidate sunt prezentate în tabelul r.2.

Model

Starea structurii

Încarcare orizontală “S”

(daN)

Deplasare orizontala

maximă (mm)

Raport consolidate/neconsolidat pentru

Încarcari Deplasări Cadru 1

Neconsolidat 1600* 5.44 Consolidat cu

CPAFC 1600* 3.87 4000** 30.20

Cadru 2 Neconsolidat 1600* 4.60 3600** 15.27

Consolidat cu CPAFC

1600* 4.50 3800** 30.70

* - starea limită de curgere a armăturii ** - starea limită ultimă

Tabelul r.2 Rezultate experimentale

 

‐ 0.71*/ -

1.06 0.98*/2.00**

Page 46: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 46

 

Din datele prezentate în tabelul r.2 se pate observa că : valorile încărcărilor orizontale maxime au fost alese diferit pentru cadrele din beton armat

neconsolidate în scopul modificării stadiului de aplicare a consolidării: 1600 daN (starea limită de curgere a armăturii) pentru Cadrul 1 respectiv 3600 daN (starea limită ultimă) pentru Cadrul 2;

creşterea forţei orizontale maxime cu 6 % s-a obţinut la Cadrul 2 consolidat chiar dacă iniţial a fost încercat neconsolidat până la stadiul ultim;

creşterea de rigiditate a structurii consolidate implică deplasări orizontale mai mici la starea limită de curgere a armăturii.

Programul experimental a scos în evidenţă câteva aspecte foarte importante: desprinderea lamelelor verticale CPAF de pe plăcile metalice la nod (Cadrul 1) datorită

eforturilor de întindere (figura 10.27); desprinderea lamelelor verticale CPAF de pe faţa interioară a stâlpilor (Cadrul 2) datorită

eforturilor de compresiune (figura 10.28) ceea ce indică necesitatea prevederii unor etrieri suplimentari pentru împiedicarea flambajului;

tendinţa de smulgere a betonului din jurul mortarului epoxidic folosit pentru ancorarea lamelelor verticale CPAF în fundaţii (figura 10.29).

Ultimul experiment ,,Încercări experimentale pe pereţi structurali din beton armat consolidaţi cu compozite polimerice din fibră de carbon ” a fost realizat în cadrul Facultăţii de Construcţii Timişoara.

Obiectivele cercetării le-au constituit, în prima fază, studiul comportării pereţilor structurali cu goluri decalate dispuse ordonat pe verticală la acţiuni seismice ciclic alternante, respectiv influenţa poziţiilor acestor golurilor. După efectuarea încercărilor, pereţii structurali din beton armat au fost consolidaţi cu compozite din fibră de carbon, pe o singură faţă, şi reîncercaţi.

Pentru realizarea experimentului s-au proiectat şi executat elemente cu înălţimea de 2600 mm, lăţimea de 1250 mm şi înălţimea de etaj de 650 mm. Elementele experimentale au fost armate pe baza prescripţiilor constructive de armare cuprinse în normativul P85/96 şi nu din calcul. În scopul asigurării aderenţei dintre beton şi armatură s-au utilizat bare profilate tip PC52 cu diametrul de 6 mm, având rezistenţa caracteristică fsk=355 N/mm2.

În scopul evitării cedării modelelor datorită pierderii stabilităţii, ca urmare a absenţei planşeelor şi a bulbilor, s-a ales o grosime a peretelui de 80 mm. Golurile au avut dimensiunile de 250 x 500 mm. Modelele experimentale au fost încastrate în blocuri de fundaţii cu înălţimea de 400 mm, lăţimea de 350 mm şi lungimea de 1750 mm. Betonul din fundaţii a fost turnat simultan cu betonul din pereţi. Dimensiunile modelelor experimentale au rezultat în urma unor restricţii de gabarit.

În jurul golurilor s-au dispus carcase de armătură formate din câte patru bare cu diametrul de 6 mm, prevăzute cu etrieri de acelaşi diametru din OB37. Betonul utilizat a avut rezistenţa la compresiune fcm=50 N/mm2.

Pereţii au fost încărcaţi la partea superioară cu o forţă verticală constantă V=50 kN. Încărcarea orizontală la peretele plin (fără goluri) ,,SW1” a constat dintr-o forţă monoton crescătoare până la cedare, iar la celelalte elemente (cu goluri) din forţe ciclic alternante. Încercarea s-a efectuat în control de deplasări (deplasările orizontale de la partea superioară a elementelor experimentale).

 

 

Page 47: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 47

 

 

α

   

Figura r.25 Geometria şi armarea elementelor experimentale Peretele ,,SW1” (fără goluri) a avut o cedare ductilă din încovoiere. La peretele cu goluri

centrale ,,SW8”, cedarea s-a produs prin apariţia articulaţiilor plastice în riglele de cuplare şi apoi la baza montanţilor.

Pereţii cu goluri decalate pe verticală ,,SW23”, ,,SW45”, ,,SW67” au cedat prin zdrobirea betonului la baza montantului mic, montantul mare având apoi un comportament de tip consolă.

Concluziile finale au fost, ca pereţii structurali cu goluri dispuse decalat pe verticală în funcţie de anumite valori ale unghiului α, au un comportament apropiat de pereţii structurali plini şi deci nu sunt necesare măsuri speciale de armare şi ductilizare a zonelor plastic potenţiale.

Încercările experimentale efectuate pe pereţii din beton armat consolidaţi cu compozite au decurs în mod identic cu cele ale pereţilor neconsolidaţi.

După testarea pereţilor, fazele încercării pereţilor consolidaţi au fost următoarele: pregătirea pereţilor pentru consolidarea cu compozite, prin curăţirea

suprafeţelor de consolidat, umplerea fisurilor existente şi repararea zonelor cu betonul zdrobit sau exfoliat;

pregătirea şi executarea zonei de ancoraj pentru compozit; consolidarea cu ţesături din fibră de carbon; prelucrarea şi compararea rezultatelor obţinute înainte şi după consolidare.

Încărcarea Hmax a fost determinată ca fiind încărcarea maximă la care a rezistat un perete, iar Δmax a fost definită ca deplasarea (relativă) corespunzătoare valorii maxime. Rigiditatea elastică ke a fost definită ca rigiditatea secantă, luată la 40% din capacitate. Rezistenţa la rupere Hu a fost determinat ca fiind încărcarea cea mai mare care a fost suportată de perete înaintea scăderii semnificative a rezistenţei. Deplasarea la rupere Δu a fost definită corespunzător încărcării ultime.

Page 48: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 48

 

După fiecare încercare au fost trasate curbele înfăşurătoare maxime şi cele stabilizate. Pentru fiecare astfel de curbă de comportare a fost definită curba elasto-plastică echivalentă, utilizată cu scopul comparării rezultatelor testelor. Această curbă artificială a descris cum s-ar comporta un perete ideal, perfect elasto-plastic, disipând o cantitate de energie echivalentă ca şi peretele testat. Astfel curba elasto-plastic echivalentă a fost definită, încât aria de sub aceasta să fie egală cu aria curbei înfăşurătoare (forţă-deplasare).

Porţiunea elastică a curbei echivalente porneşte din origine cu o pantă egală cu rigiditatea elastică ke . Porţiunea plastică a curbei echivalente este o linie orizontală, poziţionată astfel încât ariile curbei echivalente şi curbei înfăşurătoare să fie egale (de exemplu A1 şi A2 să fie egale).

Definiţiile de mai sus au fost utilizate atât pentru încercările monotone, cât şi la cele ciclice şi au la bază recomandările dezvoltate de Joint Technical Coordinating Committee on Masonry Research (TCCMAR) pentru United States – Japan Coordinated Earthquake Research Program.

Consolidarea pereţilor încercaţi s-a făcut cu ţesătură unidirecţională din fibră de carbon, doar pe o singură faţă. Fibrele au avut o rezistenţă medie la întindere ffrp=3900 N/mm2, modul de elasticitate Efrp=231000 N/mm2 şi o deformaţie specifică ultimă de εfrp=1.7%.

Fazele consolidării au fost următoarele: pregătirea pereţilor pentru consolidarea cu compozite (curăţirea suprafeţelor de

consolidat, umplerea fisurilor existente şi repararea zonelor cu betonul zdrobit sau exfoliat), pregătirea şi executarea zonei de ancoraj pentru compozit (figura 10.34),

consolidarea propriu-zisă (aplicarea ţesăturii din fibră de carbon). Peretele ,,SW1” după consolidare a fost redenumit ,,RW1”, încercarea elementului

consolidat efectuându-se în aceleaşi condiţii cu cel iniţial. Deoarece iniţial nu se ştia cât va fi capacitatea elementului consolidat, consolidarea peretelui s-a realizat prin aplicarea a 4 fâşii de câte 150 mm lăţime de ţesătură din fibră de carbon unidirecţională, aşezate pe o singură faţă a elementului pe direcţie verticală.

Ulterior s-a dovedit, ca această cantitate a mărit capacitatea portantă cu cca. 35% faţă de elementul de bază. De aceea, pentru pereţii următori s-a decis utilizarea a 3 fâşii verticale de 150 mm, respectiv a 4 fâşii orizontale de asemenea de 150 mm.

Fâşiile verticale au fost dispuse la extremităţile pereţilor şi în zona centrală, iar fâşiile orizontale au fost aşezate la partea superioară a fiecărui nivel. Pentru înregistrarea comportării compozitului în timpul încercării, la toate elementele au fost dispuse timbre tensometrice pe compozit în zonele cele mai solicitate, orientate în lungul fibrelor.

Pe baza rezultatelor obţinute se pot formula următoarele concluzii: Consolidarea cu compozite a pereţilor din beton armat structurali determină creşterea

semnificativă a capacităţii portante ultime a acestora. Înregistrările deformaţiilor specifice din compozit demonstrează contribuţia acestora la

capacitatea portantă a pereţilor consolidaţi şi conlucrarea compozitului cu elementul din beton armat, valorile înregistrate fiind între 0.54 ÷ 0.84%.

Cedarea elementelor consolidate s-a produs prin deschiderea treptată a fisurilor existente, prin dezlipirea compozitului în zona comprimată, apoi în cea întinsă la baza montantului, urmată de ruperea la întindere sau câteodată la compresiune a acestuia.

Page 49: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 49

 

Deformaţiile orizontale maxime ale pereţilor consolidaţi au fost de regulă mai mari sau cel puţin identice cu cele ale pereţilor martori.

Rezultatele obţinute depind în foarte mare măsură de starea iniţială a elementului consolidat (numărul şi deschiderea fisurilor, cantitatea armăturii intrate în curgere, metoda şi materialele de reabilitare), respectiv metoda de evaluare utilizată. Cu metoda utilizată pentru evaluarea caracteristicilor mecanice s-au constatat următoarele:

- rigiditatea elementelor a scăzut în medie cu 54% ; - ductilitatea elementelor a scăzut în medie cu 61% ; - valoarea forţei la limita elastică a pereţilor a crescut în medie cu 48%; - încărcarea maximă a pereţilor a crescut în medie cu 46% ; - deformaţiile specifice din compozit au fost între valorile 0.54 – 0.84% ;

Sistemul de ancoraj s-a comportat excelent, fără degradări sau cedări locale. Pereţii din beton armat supuşi forţelor seismice au o comportare ductilă. Consolidând

astfel de elemente structurale ductile cu compozite, care sunt materiale cu comportare neductilă (fără palier de curgere), comportarea ductilă a elementelor se poate păstra, dar la încărcarea maximă cedarea este fragilă.

Metoda utilizată pentru determinarea rigidităţilor, a ductilităţilor şi a limitei elastice influenţează semnificativ rezultatele obţinute. Efectuând un calcul, în care rigiditatea se ia ca secanta curbei la 0.75Fel , conform recomandărilor date de Paulay, aceste valori se pot modifica semnificativ.

La un calcul rapid rigiditatea elementelor martori a scăzut cu 50%, astfel că diferenţele faţă de elementele consolidate s-au redus la 20%, respectiv ductilitatea elementelor martori a scăzut cu 40-50%, astfel că diferenţele faţă de elementele consolidate a scăzut la 40%.

Subcapitolul 10.5 cuprinde concluziile finale ale tuturor experimentelor. Astfel s-au constatat urmatoarele:

Ţesătura din fibre preimpregnată cu răşină se poate aplica direct pe suprafaţa de beton, sau se poate aplica pe suprafaţa de beton şi apoi impregna. Răşina folosită la confinarea cu fibre de sticlă sau de carbon aderă la suprafaţa betonului, îmbunătăţindu-i rezistenţa şi ductilitatea.

Desprinderea lamelelor se produce datorită: - eforturilor de întindere, - eforturilor de compresiune, - tendinţei de smulgere a betonului din jurul mortarului epoxidic.

Cedarea CFAFS se produce prin deschiderea treptată a fisurilor existente, prin deslipirea compozitelor în zona comprimată urmată de ruperea la întindere sau compresiune a elementului şi este influenţată de:

- caracteristicile betonului ce urmează a fi confinat, - tehnica de confinare, - matriţele de turnare, - metodele de vibrare, - procentul de armare cu fibre, - calificarea şi experienţa muncitorilor.

Page 50: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 50

 

 

Consolidarea stâlpilor prin confinare cu CPAFS sau cu CPAFC oferă o serie de avantaje : - cost redus raportat la timpul de execuţie şi manopera, - îmbunătăţirea rezistenţei, - creşterea ductilităţii, - greutatea redusă a sistemului de consolidare, - creşterea capacităţii portante, - reducerea sau stoparea vitezei mecanismelor de deteriorare.

Consolidarea cu compozite a pereţilor din beton armat determină: - creşterea capacităţii portante, - conlucrarea compozitului cu elementele din beton armat.

Nu sunt necesare măsuri speciale de armare şi ductilizare a zonelor plastic potenţiale la pereţii structurali cu goluri dispuse decalat pe verticală, ei având un comportament apropiat de pereţii structurali plini. Capitolul 11 intitulat ,,Modelări numerice pentru studiul comportării stâlpilor confinaţi”

cuprinde o serie de simulări numerice privind analiza şi modelarea elementelor comprimate centric folosind metoda elementului finit.

Metoda elementelor finite este o tehnică bazată pe analiza numerică pentru obţinerea unor soluţii aproximative care servesc la determinarea variaţiei parametrilor ce caracterizează mediile continue, cum ar fi câmpurile deplasărilor, deformaţiilor sau tensiunilor.

Ideea de bază a metodei elementelor finite porneşte de la posibilitatea descrierii câmpului real de deplasări prin intermediul unor valori ale acestora într-un număr finit de puncte. Formularea problemei este deci în deplasări. Principiul metodei constă în a studia separat elementul finit exprimându-se în mod aproximativ starea de tensiune şi de deformaţie în interiorul elementului, cu ajutorul unor aşa numite funcţii de interpolare alese în dependenţă de numărul de grade de libertate.

Conceptul de bază în procesul modelării numerice cu elemente finite îl constituie conceptual de aproximare prin discretizare. De obicei, elemetele finite se definesc în cadrul acestui proces de discretizare, unde apar ca rezultat al descompunerii unui domeniu de studiu în mai multe subdomenii compatibile şi cu interior dijunct.

Un demers prealabil procesului de discretizare este alegerea sistemului global de coordonate (reper global) la care se raportează structura. Pe o reţea de discretizare pot fi definite orice tipuri de elemente finite, cu condiţia ca ele să aproximeze cât mai corect structura reală. Se va urmări ca elementele să fie cât mai puţin distorsionate (triunghiuri echilaterale, pătrate, cuburi etc.), figura r.26.

Figura r.26 Alegerea recomandată (a) respectiv nerecomandată (b) a elementului finit

Page 51: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 51

 

Structura ,,discretă” este alcatuită din elemente de aceiaşi formă, dar de dimensiuni diferite, numite ,,elemente finite” legate între ele în puncte numite ,,noduri”. Nodurile sunt nişte articulaţii şi toate forţele se aplică în nodurile elementelor, tabel r.3. În aceste articulaţii se pot scrie doar două ecuaţii de echilibru ale vectorilor forţă.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabel r.3 Modele de discretizare a structurilor în elemente finite legate prin noduri

Page 52: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 52

 

Cu ajutorul programului de analiză a elementului finit calcularea modulilor de elasticitate (longitudinal, transversal, la forfecare), a coeficientilor lui Poisson a fost efecuată cu mare precizie, prin rezolvarea analitică şi grafică a principalelor caracteritstici mecanice al CPAF.

Proprietăţile materialului compozit au fost determinate cu ajutorul relaţiilor din micromecanica materialelor compozite armate cu fibre de sticlă şi de carbon. Astfel au fost determinate:

modulul de elasticitate longitudinal al CPAF de sticlă şi de carbon, E1; modulul de elasticitate transversal al CPAF de sticlă şi de carbon, E2;

coeficienţii Poisson major şi minor în planul (1,2) ν12 şi respectiv în planul (2,1) ν21; modulul de elasticitate la forfecare al lamelei în planul (1,2) G12; rezistenţa la tracţiune în direcţie longitudinală RtL.

Analiza datelor se efecutează prin intermediul unui aşa numit ,,solver”, care poate fi

definit prin următoarele condiţii: • numărul maxim de necunoscute sau lăţimea maximă de bandă admisă, • algoritmul şi viteza de lucru, • modul şi principiul de utilizare a resurselor hard-soft ale sistemului pe care se

face analiza. Prin prelucrarea datelor finale se obţin informaţii cu privire la studiul realizat într-un timp

foarte scurt, mai ales in condiţiile în care este folosit un procesator stabil şi de calitate. Această condiţie de folosire a unui procesor de calitate oferă capacitatea de a optimiza sau restudia modelul analizat, in eventualitatea apariţiei unor erori cum printre care se enumeră şi:

• noduri similare, • nedefinirea densităţii materialului, • rezemări necorespunzătoare, etc.

Cu ajutorul criteriului Druker-Prager s-a realizat analiza static neliniară elasto-plastică a cilindrului din beton armat confinat cu materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) de sticlă si de carbon.

Dupa finalizarea analizei cu elemente finite, se verifică valabilitatea rezultatelor din punct de vedere al condiţiilor tehnice. În cazul în care rezultatele obţinute în urma aplicării metodei elementului finit nu sunt comparabile din punct de vedere al toleranţelor acceptate cu rezultatele experimentale ale modelului analizat, analiza elementului trebuie refăcută pentru a putea depista eventualele erori.

AEF (analiza cu element finit) a confirmat faptul că între rezultatele experimentale şi cele obţinute pe cale analitică diferenţele sunt nesemnificative.

Lucrare de doctorat constituie un ansamblu de soluţii concrete în domeniul consolidării elementelor structurale pe baza compozitelor polimerice cu proprietăţi superioare. Astfel în capitolul 12 intitulat ,,Concluzii generale. Contribuţii şi elemente originale ale lucrării de doctorat” sunt cuprinse ideile esenţiale ale tezei.

Page 53: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcțiilor cu materiale compozite  \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

 

Rezumat pg. 53

 

Studiile şi cercetările din cadrul programului de doctorat sunt concretizate în următoarele contribuţii şi elemente originale:

Identificarea principalelor particularităţi ale materialelor compozite tradiţionale şi moderne utilizate în consolidarea structurilor.

Identificarea principalelor categorii de matrici folosite în fabricarea materialelor compozite armate cu fibre.

Influenţa principalelor categorii de matrici asupra caracteristicilor materialelor compozite.

Evidenţierea principalelor procedee de obţinere şi noi tehnici alternative, economice, de fabricare a materialelor compozite utilizabile la reabilitarea structurală şi metodele adecvate de aplicare a acestora.

Evaluarea rezistenţelor mecanice şi a constantelor elastice necesare proiectării soluţiilor de consolidare cu materiale compozite armate cu fibre din punct de vedere al interacţiunii materialelor componente (micromecanica materialului compozit).

Evidenţierea principalelor soluţii de consolidare folosind materialele compozite polimerice armate cu fibre aplicabile elementelor structurale din beton armat, metal, lemn si zidărie.

Identificarea produselor din materiale compozite polimerice armate cu fibre ce pot fi utilizate la reabilitarea structurilor inginereşti din materiale tradiţionale.

Explicaţia efectului de strângere laterală a betonului comprimat (confinare) şi parametrii care-l influenţează.

Stabilirea principalelor caracteristici mecanice a materialelor compozite folosite în cadrul experimentului.

Identificarea tensiunilor şi deformaţiilor specifice ale probelor de beton armat care au fost imbracate cu materiale compozite si compararea acestora cu probele de beton armat unde nu au fost folosite materialele compozite. S-a demonstrat astfel pe cale experimentală efectul pozitiv al folosirii materialelor compozite în vederea îmbunătăţirii rezistenţei la compresiune, a ductilităţii şi micşorarea deformaţiilor pe direcţie axială şi longitudinală.

Verificarea rezultatelor obţinute pe cale experimentală folosing modelarea numerică a elementelor de beton armat utilizând M.E.F. (metoda elementului finit). Prin această metodă au fost confirmate cercetarile experimentale, metoda elementului finit devenind aproape o metodă standard de analiză şi proiectare în ingineria construcţiilor şi alte domenii.

Page 54: Consolidare Cu Materiale Compozite

Sisteme de consolidare a construcţiilor cu materiale compozite \ÇzA UÉzwtÇ Ut{ÇtÜ|â 

Rezumat pg. 54

BIBLIOGRAFIE SELECTIVA

1. Alamoreanu E, Negrut C., Jiga G.( 1993). ,,Calculul structurilor din materiale compozite”, Ed. Univ. „Politehnica” Bucureşti.

2. Amer, A., Arockiasamy, M. (1996). ,,Ultimate strength of eccentrically loaded concrete column reinforced with CFRP bars”, Advanced composite materials in bridges and structures, Quebec, Ed. El-Badry.

3. Frangou, M., Pilakoutas, K., Dritsos, S. (1995). “Structural repair/strengthening of RC columns”, Construction and Building Materials.

4. Halpin, C. J. (1992). ,,Primer and composites materials analysis”, Technomic Publishing Company Inc., Lancaster.

5. Hollaway, L. C., Leeming, M. B. (1999). ,,Strengthening of reinforced concrete structures”, Woodhead Publishing Limited, Cambridge England.

6. Ieremia, M. (2004). ,,Analiza numerică neliniară a structurilor, vol. 1, Fundamente de calcul”, Ed. Conspress Bucureşti.

7. Mander, J.B., Priestley, M. J. N., Park, R. (1988b). “Observed stress-strain behavior confined concrete”, Journal of Structural Engineering, Vol.114, No.8.

8. Meier, U. (1997). ,,Repair using advanced composites”, Composite Construction – Conventional and Innovative, Conference Report, Innsbruck, September.

9. Mirmiran, A., Shahawy, M. (1997). ,,Behavior of concrete columns confined by fiber composites”, Journal of Structural Engineering.

10. Nicula, I., Oneţ, T. (1982). ,,Beton armat”, Editura Didactică şi Pedagogică Bucureşti. 11. Nagy-György, T. (2005). ,,Încercări experimentale pe pereţi structurali din beton armat

consolidaţi cu compozite polimerice din fibră de carbon”, raport de cercetare realizat la Universitatea Politehnica din Timişoara.

12. Oprişan, G. (2002). ,,Soluţii moderne de consolidare a structurilor pentru construcţii industriale” , Teză de doctorat, U.T. Iaşi.

13. Piggot, M. R. (1980). ,,Load Bearing Fiber Composites”, Pergamon Press, London. 14. Pilakoutas, K. He, J. H., Waldron P., (1997). ,,Strengthening of concrete beams with

CFRP laminates”, Leeming M, B, & Toping B. H. V. Civil-Comp Press. 15. Saafi M., Toutanji H.A., Li Z. (1999). ,,Behavior of Concrete Columns Confined with

fiber reinforced polymer tubes”, ACI Materials Journal. 16. Samaan, M., Mirmiran A., Shahawy, M. (1998). ,,Model of concrete confined by fiber

composites”, ASCE J. of Struct. Engineering 123, No5. 17. Secu, Al., Roşca, V., Ţăranu, N., Isopescu, D., Boazu, R., Groll, L. (1998). ,,Optimizarea

elementelor şi structurilor din materiale compozite armate cu fibre”, U.T. Iaşi. 18. Sonobe ,Y., Fukuzama, H., Okamoto, T., Kani, N., Kimura, Kouzou, Kobazashi , K.,

Masuda, Y., Matsuzaki, Y., Tanigaki,, M., Teshigawara, M. (1997). ,,Design guideline of FRP reinforced concrete building structures”, Journal of Composites for Construction.

19. Stefanescu, F., Neagu, G., Mihai, Al.,(1996) ,,Materiale compozite”, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucuresti.

20. Steiner, W. (1996). ,,Strengthening of structures with CFRP Strips”, Advanced composite materials in bridges and structures, Ed. El-Badry.

21. Ţăranu, N., Entuc, I., Oprişan, G., Saftiuc, C., Isopescu, D., (2001). ,,Soluţii de consolidare a elementelor structurale din beton armat folosind compozite polimerice armate cu fibre”, în vol.: Realizări şi perspective în activitatea de construcţii şi în invaţământul de specialitate, Iaşi.

22. Wang, C., Y., Yew, C., H. (1990) ,,Impact damage in composite laminates”, Computers & Structures, Vol.37.