Activitate de cercetare TEMA Materiale compozite pentru reabilitarea construcțiilor

Masteranzi: Chis Alexandru Magurean Bogdan-Alexandru

Master ITS, an II

an universitar 2013-2014

CUPRINS Cap.1 Generalități

1.1 Definirea conceptului de material compozit

1.2 Clasificarea materialelor compozite

Cap.2 Diagnosticarea structurilor

2.1 Necesitatea reabilitărilor construcțiilor

2.2. Aparatura pentru diagnosticarea structurilor

2.2.1 Diagnosticarea cu ultrasunete

2.2.2 Determinarea rezistenței betonului prin metode mecanice

2.2.2.1 Metoda amprentei

2.2.2.2 Metoda reculului

2.2.3 Determinarea rezistenței betonului prin încercări distructive pe carote

Cap.3 Materiale compozite pentru reabilitarea structurală

3.1 Metode de reabilitate

3. 2 Produse compozite pentru reabilitarea structurală

3.2.1 Compozitele polimerice armate cu fibre de sticlă

3.2.2 Compozitele polimerice armate cu fibre de carbon

3.2.3. Compozite polimerice armate cu fibre aramidice

3.3 Particularitãţi ale reabilitãrii structurale cu materiale compozite

3.4 Avantajele și dezavantajele consolidărilor cu materiale compozite

3.5 Variante de consolidare a elementelor structurale utilizând materiale compozite

3.5.1 Consolidări cu lamele

3.5.2 Consolidări cu țesături

3.5.3 Consolidãri automate prin înfãşurarea filamentului

3.5.4 Consolidãri cu armãturi compozite

3.5.5 Consolidarea elementelor din beton armat

3.5.6 Consolidarea structurilor din zidãrie

3.5.7 Consolidarea elementelor din lemn

Cap.4 Studii de caz

4.1 Utilizarea materialelor compozite moderne la construcții industriale

4.2 Reabilitarea pereților de zidărie nearmată folosind materiale compozite

4.3 Reabilitarea infrastructurii folosind materiale compozite: Prezentare generalã si Aplicaţii

4.4 Reabilitarea seismicã a pereţilor din beton armat folosind fibre compozite

Concluzii

Bibliografie

Cap.1 Generalități 1.1 Definirea conceptului de material compozit Materialul compozit este un ansamblu de materiale distincte, care are caracteristici pe care nu le au

materialele constituente în parte.

Conform lui P. Mallick, ”un material compozit este o combinaţie între două sau mai multe materiale diferite

din punct de vedere chimic, cu o interfaţă între ele. Materialele constituente îşi menţin identitatea separată

(cel puţin la nivel macroscopic) în compozit, totuşi combinarea lor generează ansamblului proprietăţi şi

caracteristici diferite de cele ale materialelor componente în parte. Unul din materiale se numeşte matrice şi

este definit ca formând faza continuă. Celălalt element principal poartă numele de ranforsare (armatura) şi

se adaugă matricei pentru a-i îmbunătăţi sau modifica proprietăţile. Ranforsarea reprezintă faza discontinuă,

distribuită uniform în întregul volum al matricei.”

Rolul fibrelor este de a conferi ansamblului caracteristicile de rezistenţă la solicitări. În comparaţie cu

matricea, efortul care poate fi preluat este net superior, în timp ce alungirea corespunzătoare este redusă.

Matricea prezintă o alungire şi o rezilienţă la rupere mult mai mari, care asigură că fibrele se rup înainte ca

matricea să cedeze. Trebuie insa subliniat faptul cămaterialul compozit este un ansamblu unitar, în care

cele două faze acţionează împreună, aşa cum sugerează curba efort – alungire pentru compozit.

Sistemele de ranforsare pentru materiale compozite pot fi obţinute utilizând toate tehnologiile textile:

ţesere, tricotare, braiding, procese pentru materiale neţesute, asamblare prin coasere. La acestea se pot

adăuga şi procesele caracterizate de producerea ranforsării şi a materialului compozit în aceeaşi etapă,

cum sunt înfăşurarea filamentelor şi poltruderea. Criteriile utilizate în alegerea procesului tehnologic pentru

fabricarea ranforsării se referă la stabilitatea dimensională, la proprietăţile mecanice impuse, precum şi la

proprietăţile de drapaj / formabilitate ale sistemului de ranforsare.

Prin urmare, un material compozit este alcătuit din 3 elemente cheie : matricea (masa de bază) ,

ranforsantul (materialul de armare) și adaosuri tehnologice.

Fig 1. Fazele sistemului compozit

a.faza continuă (matricea) b.faza dispersă (armatura) c.interfața

Materialele compozite se pot clasifica în trei generații, în funcție de evoluția lor de-a lungul timpului, după

cum urmează:

prima generație include materiale care se foloseau până și în Antichitate – cărămizi armate cu paie,

săbii din straturi metalice, zidăria din piatră și mortar din var hidraulic, zidăria din cărămidă arsă și

mortar etc.

a doua generație se referă la betoanele armate dispers, materiale plastice armate cu fibre de sticlă,

bazându-se pe conceptele de matrice și ranforsant

pentru a treia generațiematricea si/sau ranforsantul sunt produse ale generației a doua.

1.2 Clasificarea materialelor compozite

Materialele compozite pot fi :

-armate cu fibre lungi – unidirecționale

- bidirecționale

- orientate aleator

scurte (whiskers)

-armate cu particule

-armate cu solzi (fulgi)

-stratificate (asociate) – de tip sandwich

- bimetale

- metale placate

- sticlă stratificată

-compozite umplute cu material secundar (spumate )

Principalele categorii de compozite armate cu fibre sunt următoarele :

1. Compozite cu matrice polimerică – de obicei sunt rășini termorigide (epoxidice, poliimide sau

poliesterice) sau termoplastice, armate cu fibre de sticlă, de carbon, de bor sau aramidice (Kevlar), cu

monocristale ceramice sau, mai recent, cu fibre metalice. Sunt folosite mai ales în aplicații care implică

temperaturi relativ joase de lucru (ajungând, în mod excepțional, pentru termoplastice fabricate prin injecție,

la nivelul maxim de 400 °C).

Dezavantajele ar fi rezistența mică la șoc mecanic, rezistență mecanică redusă la temperaturi înalte,

conductivitate termică redusă, coeficient mare de dilatare termică.Pentru a îmbunătăți rezistența la

temperaturi înalte se folosesc fenolii, pentru a mări tenacitatea de adaugă particule de cauciuc sau uretan,

pentru a obține o structură dură se amestecă cu amine aromatice și acizi anhidri.Pentru a crește rezistența

la șoc mecanic, încovoiere și la rupere se utilizează fibrele de carbon.

2. Compozite cu matrice metalică – cel mai frecvent se bazează pe aliaje de aluminiu, magneziu, titan sau

cupru, în care se introduc fibre de bor, de carbon (grafit) sau ceramice (de obicei de alumină sau carbură de

siliciu). Temperatura de lucru (uzual de cel mult 800 °C) a unui astfel de compozit este limitată de nivelul

punctului de înmuiere sau de topire care caracterizează materialul matricei. Dacă aplicația avută în vedere

implică temperaturi mari, atunci se recomandă folosirea ca matrice a unor aliaje pe bază de nichel sau a

unor superaliaje. Dezavantajul acestora este că au greutăți specifice mari, ducând la creșterea masivității

structurii finale.

3. Compozite cu matrice ceramică – au fost dezvoltate în mod special pentru aplicațiile cu temperaturi

foarte ridicate de lucru (peste 1000 °C); cele mai utilizate materiale de bază sunt carbura de siliciu (SiC),

alumina (Al2O3) și sticla, iar fibrele de armare uzuale sunt tot de natură ceramică (de obicei sub formă de

fibre discontinue, foarte scurte).

4. Compozite “carbon-carbon” – cu matrice de carbon sau de grafit și armare cu fibre sau țesături de fibre

de grafit; sunt foarte scumpe, dar și incomparabile cu alte materiale prin rezistența la temperaturi înalte (de

până la 3000 °C), cuplată cu densitatea mică și coeficient mic de dilatere termica. Cele mai răspândite sunt

compozitele armate cu fibre sunt fibra de carbon, fibra de sticla si Kevlar-ul.

Un alt criteriu este în funcție de tipul, geometria și orientarea fazei de ranforsare, conform figurii următoare:

Fig 2 – Clasificarea materialelor compozite

Cap.2 Diagnosticarea structurilor

2.1 Necesitatea reabilitărilor construcțiilor

Reabilitarea unei construcții se referă la readucerea în stare activă, prin refacerea anumitor funcțiuni ale

acesteia care au fost deteriorate în procesul de exploatare din diverse cauze.

Degradările care pot apărea în timp, ca urmare a fenomenului de îmbătrânire a materialelor, cât și de

efectele unor acțiuni extraordinare.Deci seismul, vântul, alunecările de teren, incendiile, inundațiile,

exploziile, agenții chimici și procesele tehnologice sunt numai o parte din factorii care pot produce avarii. O

altă cauză se referă la dinamica modificărilor funcționale.

În mod curent se întâlnesc degradări ale construcțiilor cauzate de apariția îmbătrânirii materialului prin

depășirea duratei de viață, apariția fenomenului de oboseală, curgere lentă, fluaj, încărcări alternante sau

din acțiunea unor agenți chimici.

Sunt numeroase cazurile când avariile construcțiilor sunt datorate degradării terenului de fundare prin

creșterea nivelului pânzelor freatice, infiltrația apelor pluviale și tehnologice sau infiltrația apelor ca urmare a

întreținerii defectuoase a instalațiilor de alimentare cu apă, de canalizare și de încălzire.

Nu sunt de neglijat nici greșelile de proiectare care pot impune procesul de reabilitare, cum ar fi situațiile

când inginerul proiectant acceptă sisteme structurale improprii, sau cazul în care beneficiarul schimbă

ulterior destinația construcției.

Foarte frecvente sunt și greșelile de execuție, când sunt utilizate materialele de calitate inferioară, nu se

respectă proiectul sau tehnologiile de punere în operă. Pot apărea deficiențe prin solicitarea elementelor

structurale înaintea atingerii parametrilor de rezistență ai materialelor sau prin efectuarea lucrărilor pe timp

friguros fără măsuri adecvate.

Indirect, construcțiile pot fi avariate și de o serie de factori externi cum ar fi : creșterea traficului din zonă,

realizarea unor construcții noi sau degradarea sistemelor de infrastructură, cum sunt canalizările .

În industrie sunt numeroase procese tehnologice cu degajări de substanțe chimice agresive care pot

accelera procesul de degradare, mai ales dacă umiditatea este excesivă și lipsesc sistemele de ventilare.

Uneori modificările tehnologice pot conduce la creșterea nivelului de agresivitate chimică sau la creșterea

nivelului vibrațiilor.Totodată sunt cunoscute numeroase cazuri de degradări provocate de avarierea utilajelor

și instalațiilor industriale.

Acțiunea seismică rămâne una dintre cele mai importante cauze generatoare de degradări ale construcțiilor,

cele mai vulnerabile fiind clădirile vechi, la care nu au fost luate măsuri specifice de protecție. Uneori

numărul mare de seisme înregistrate pe durata vieții uneo construcții duc la pierderea capacității portante ca

urmare a oboselii materialului.Dar cel mai grav este atunci când apar acțiuni seismice extraordinare,

nespecifice amplasamentului, care pot cauza distrugeri în masă ale fondului construit.

Reabilitarea structurală poate fi realizată prin :

-schimbarea destinației clădirii

-înlocuirea sau modificarea parțială a construcției

-refacerea structurală locală

-modificare structurală.

Reabilitarea structurală trebuie să parcurgă o serie de etape :

1.Expertizarea clădirii care constă în:

-relevarea stării sistemului structural

-diagnosticarea stării materialelor utilizate

-diagnosticarea experimentală

-diagnosticarea analitică a structurii

2.Stabilirea măsurilor de intervenție și proiectarea lor

3.Execuția reabilitării structurale (consolidării)

4.Diagnosticarea experimentală a sistemului reabilitat.

2.2. Aparatura pentru diagnosticarea structurilor

Stabilirea stării construcțiilor implică efectuarea unor determinări experimentale la trei niveluri, și anume:

-materialul de construcție

-elementul structural

-ansamblul construit

În construcții se utilizează două metode pentru determinarea caracteristicilor materialelor : metode

nedisctructive și metode distructive.In general, încercările experimentale pentru determinarea conportării

elementelor structurale și a ansamblului construit se realizează in situ.

2.2.1 Diagnosticarea cu ultrasunete

In interiorul unui solit, viteza de propagare a ultrasunetelor depinde de compactitate.Cu cât compactitatea

este mai mare, viteza medie de propagare se va apropia de valoarea corespunzătoare unui corp perfect

compact, iar cu cât volumul de goluri este mai mare, viteza scade.

Viteza de propagare a ultrasunetelor într-un solid perfect compact (fără goluri sau pori) este de aproximativ

5000 m/s.

Într-un element din beton, viteza de propagare longitudinală a ultrasunetelor se determină prin măsurarea

timpului parcurs de impulsul ultrasonic pe lungimea de propagare :

LdV

t

Având în vedere ca rezistența betonului este legată de compactitatea sa, viteza de propagare a

ultrasunetelor prin beton dă măsura rezistenței acestuia la compresiune.

Totodată, cu ajutorul ultrasunetelor se pot detecta și localiza unele defecte interne ale betonului-zone de

segregare, goluri etc.

Aparatele pentru determinarea vitezei de propagare a ultrasunetelor în beton sunt de mai multe tipuri, dar

principiul de funcționare este același.Un semnal ultrasonic cu frecvențe de 40-100 kHz este produs de un

generator de impulsuri.Semnalul este transmis unui emițător pus în contact cu elementul de

încercat.Emițătorul se pune în contact cu piesa din beton prin intermediul unui material de contact.Semnalul

ultrasonic este recepționat de un receptor și apoi vizualizat analogic sau numeric.

Fig 3 - Măsurarea rezistenței betonului pe baza metodei nedistructive cu ultrasunete

Viteza de propagare a undelor ultrasonice este influențată de mai mulți factori, și anume:

-dimensiunile elementrului de construcșie

-armarea elementului de construcție

-temperatura mediului înconjurător.

Considerând acești posibili factori pentru erori , pentru a determina rezistența betonului dintr-o construcție la

care viteza de propagare se măsoară în alte condiții decât cele ale unui element etalon, trebuie făcute

anumite corecții.

2.2.2 Determinarea rezistenței betonului prin metode mecanice

2.2.2.1Metoda amprentei

Metoda amprentei constă în lovirea cu o terminație sferică din oțel a suprafeței betonului și măsurarea

diametrului amprentei obținute.Rezistența betonului se stabileste pe baza unei legături empirice care există

intre diametrul amprentei și caracteristica mecanică.

2.2.2.2 Metoda reculului

Metoda reculului se bazează pe energia restituită în momentul impactului dintre două corpuri.Astfel se poate

aprecia rezistența betonului prin măsurarea reculului unui sistem mobil la impactul cu o suprafață de beton.

Aparatul cu care se efectuază această încercare se numește sclerometru.

Determinarea rezistenței betonului cu sclerometrul se bazează pe legătura care există între duritatea

superficială a betonului exprimată cu ajutorul indicelui de recul și rezistența sa la compresiune.

Exista o serie de zone în care se efectuează determinarea rezistențelor prin sclerometrare, zone ce vor

respecta următoarele condiții:

-suprafața de încercare să nu coincidă cu direcția de turnare a betonului sau cu fața opusă acesteia

-betonul din zona de încercare să fie cât mai reprezentati pentru întregul element, în ceea ce privește

omogenitatea și calitatea

-să cuprindă regiunile puternic solicitate precum porțiunile bănuite a fi cu rezistențe scăzute

-suprafețele betonului să fie perfect plane și netede

-suprafața unei zone de incercare să fie de maxim 400 cm2 și de minim 100 cm

2 -numărul punctelor de încercare necesar pentru stabilirea rezistențelor betonului într-o singură zonă trebuie

să corespună la cel puțin 5 măsurători corecte

-punctele de încercare se vor alege astfel încât să se evite suprafețele cu agregate mari, peste 7 mm și

găurile vizibile la suprafață

-sclerometrul trebuie sa fie menținut perfect perpendicular pe suprafața de încercat

-suprafața nu trebuie să fie umedă.

Fig. 4 – Sclerometrul cu recul

2.2.3 Determinarea rezistenței betonului prin încercări distructive pe carote

Locul extragerii carotelor din elementele de construcție se stabilește în funcție de gradul de avariere al

construcției și importanța ei, având în vedere :

- să nu intersecteye armături

-zonele de extracţie să fie reprezentative pentru elementul examinat

-extragerea carotelor din zona cu defecte locale poate fi utilizată numai la preciyarea caracteristicilor

defectului examinat

Diametrul d al carotei se apreciază considerând următoarea relaţie

dcarotă≥(3..4)dmaxim al agregatului

Înălţimea carotei va fi cuprinsă între următoarele limite

dcarotă≤hcarotă≤2 dcarotă

Golul produs prin forare se va umple cu un material adecvat pentru a reface capacitatea portantă a secţiunii

slăbite.

Se recomandă păstrarea epruvetelor de la tăiere până la încercare în apă la temperatura de 20-25oC , iar cu

cel puţin 24 de ore înainte de încercare carotele trebuie scoase din apă şi păstrate în aer la aceeaşi

temperatură, pentru condiţionare.

Rezistenţa obţinută la presă prin încercarea directă a unei carote nu reprezintă rezistenţa betonului la

compresiune , şi aceasta trebuie corectată ţinând seama de :

-diametrul carotei

-subţirimea carotei măsurată prin raportul hcarotă/ dcarotă

-straturile degradate de la extremităţi

-procedeul utilizat la realizarea planeităţii suprafeţelor.

Încercarea nedistructivă a carotelor este necesară pentru determinarea constantelor elastice ale betonului şi

verificarea sau determinarea corelaţiei între parametrii utilizaţi la încercările nedistructive.

Dimensiunile epruvetelor utiliyate pentru determianrea constrantelor elastodinamice prin metoda

nedistructivă a rezonanţei trebuie să îndeplinească condiţia

hcarotă≥4 dcarotă.

În cazul metodelor de rezonanţă longitudinală epruveta se fixează la mijlocul lungimii iar în cele două

extremităţi se dispune emiţătorul şi receptorul.

Modulul de elasticitate dinamic Ed al betonului se determină cu relaţia

2 24 ad L LE L f C

g

Unde

L lungimea epruvetei

Lf frecvenţa fundamentală longitudinală

a greutatea specifică a betonului

g acceleraţia gravitaţională

LC factorul de corecţie a lui Bancoft egal cu aproximativ 1 pentru dcarotă<0.4 hcarotă

Cap.3 Materiale compozite pentru reabilitarea structurală

3.1 Metode de reabilitate Există două metode de realizare a reabilitării :

armare exterioară : constă în lipirea la suprafaţa grinzilor din beton armat sau lemn a platbandelor

compozite, consolidarea stâlpilor sau confinarea acestora cu fâşii, consolidarea zidăriilor şi

planşeelor utilizând platbande

armare interioara : face referire la armăturile înglobate în beton, simple, pre şi post întinse

Pentru repararea şi respective consolidarea structurilor degradate se utilizează :

- forme structurale cu aplicaţii la grinzi şi stâlpi

- bare şi toroane din materiale compozite cu matrice polimerice armate cu fibre de înaltă rezistenţă

pentru armarea betonului

- sisteme compozite compuse, ţesături, benzi, membrane subţiri

3.2 Produse compozite pentru reabilitarea structurală La consolidarea structurilor ingineresti se folosesc în general platbande si membrane din CMP armate

unidirectional sau bidirectional.

Elementele se obtin prin procedeele specifice fabricarii produselor din materiale compozite cu materiale

polimerice: pultrudere, procesare cu vacuumare si prin contact.

Produsele din materialele compozite se pot grupa în :

prefabricate : sub formă de fâşii sau benzi, obţinute prin pultrudere, formare manual, laminare

continuă, lipite cu adezivi de elementele ce urmează a fi consolidate, profile prefabricate tip L cu

aripi egale, cu secţiune U, membrane sau cămăşuieli prefabricate

sisteme de formare manual la faţa locului :

o fascicule de fibre impregnate amplasate ori manual fie mecanic pe suprafaţa elementelor

care urmează a fi consolidate

o fascicule din fibre uscate care se aplică manual sau mecanic pe suprafaţa care urmează a fi

consolidată

o fâşii din fibre aranjate unidirecţional şi ţesături semiunidirecţionale; elementele structurale

pot fi parţial sau total acoperite; suprafaţa betonului se pregăteşte în prealabil aplicând un

chit pentru asigurarea planeităţii şi aderenţei stratului de adeziv la suprafaţa de beton.

Ţesătura din fibre preimpregnată cu răşină se aplică direct pe suprafaţa betonului şi apoi

impregnată cu răşină

o ţesături multidirecţionale, cu fibre dispuse pe mai multe direcţii, iar răşina se aplică în

abundenţă

o fâşii sau ţesături unidirecţionale preimpregnate cu răşină, în care fibrele au o singură direcţie

iar sistemele se pot aplica fără sau cu răşină adiţională.

3.2.1 Compozitele polimerice armate cu fibre de sticlă

Fibrele de sticlă sunt alcătuite în principiu amestecând nisip silicos, calcar, acid folic si alte ingrediente

minore.Amestecul este încălzit până se topeşte la aproximativ 1260°C. Sticla topită curge apoi prin nişte

găuri fine dintr-o plăcuţă de platină.Fâşiile de sticlă sunt apoi răcite şi adunate.Apoi sun t trase pentru a

creşte rezistenţa direcţională.Fibrele urmează a fi ţesute în diverse forme pentru a fi folosite în compozite.

(CPAFS) au proprietãţi mecanice moderate. In cazul armãrii cu fibre unidirectionale şi fracţiunea volumetricã

de fibrã Vf=0,65 , compozitele au modulul de elasticitate El= 45 Gpa şi rezistenţa la întindere longitudinalã

Rtl=1300 Mpa. In direcţia normalã pe fibre, adicã în direcţie transversalã modulul de elasticitate este Et= 4

Gpa iar rezistenţa la întindere Rtl= 50-100 Mpa. Compozitele armate cu ţesãturã din fibrã de sticlã au

fracţiunea volumetricã de fibrã aproximativ Vf=0,40, iar modulul de elasticitate la întindere corespunzãtor

acestui procent de armare, este El=Et=14 Gpa.

Fig. 5 Polimer armat cu fibre de sticlă

3.2.2 Compozitele polimerice armate cu fibre de carbon

(CPAFC) unidirecţionale cu matricea epoxidicã sau vinilestrica şi cu fracţiunea volumetricã Vf= 0,65-0,70 au

modulul de elasticitate la întindere Et=155-165 Gpa, rezistenţa la întindere în direcţia longitudinală Rtl=2500-

3000 Mpa şi alungirea specificã la rupere Eul=1,2-1,3 %. Prin pultrudere se obţin în prezent platbande şi

membrane cu caracteristici geometrice şi mecanice unifome.

Fig. 6 Polimer armat cu fibre de carbon

3.2.3. Compozite polimerice armate cu fibre aramidice

(CPAFA) unidirecţionale au densitate micã şi rezistenţã la întindere cuprinsã între 1200-1400 Mpa.

Rezistenţa la compresiune mult mai redusã ( 230 Mpa ) nu recomanda folosirea CPAFA la elementele

supuse la compresiune sau în zona comprimatã a elemnetelor încovoiate. Modulul de elasticitate al acestor

compozite în direcţie longitudinalã este El=75 Gpa iar în direcţie transversalã Et= 5 Gpa. Se apreciazã cã

proprietaţile mecanice ale CPAFA sunt cuprinse în intervalul limitat inferior de CPAFS şi superior de CPAFC.

Fibrele de înaltă rezistenţă şi polimer lipite pereţilor pot să îi întărească împotriva vântului şi încărcărilor

seismic.Sistemul utilizează ţesături din fibre de aramidă ca material de rezistenţă.Fibrele sunt aranjate pe

direcţie axială şi sunt caracterizate de rezistenţă ridicată, greutate mică, nu corodează şi sunt

neconductoare.

Fig. 7 Folie de polimer armat cu fibre de aramidă

3.3 Particularitãţi ale reabilitãrii structurale cu materiale compozite O comparaţie directã între soluţiile de consolidare în care se folosesc platbande din CMP şi platbande din

oţel conduce la urmatoarele observaţii:

A. Consolidarea cu platbande are avantajele:

1. Platbandele din CMP sunt mai puţin vulnerabile la acţiunea agresivã a agenţilor chimici, de

aceea costul întreţinerii dupã instalare este mult mai redus;

2. Platbandele compozite se pot proiecta şi realiza cu proprietãţi prestabilite pe baza alegerii

elemetelor sistemului multifazic, fracţiunilor volumetrice de fibrã şi matrice, orientãrii fibrelor şi

procedeului de fabricaţie

3. CMP sunt izolatoare electrice, nemagnetice şi neconductive termic

4. Platbandele şi membranele din CMP au greutate proprie redusã şi sunt uşor de transportat,

manipulat şi instalat, adãugând valori mici la greutatea proprie;

Elementele de consolidare din CMP se pot produce cu lungimi mari, fiind posibilã livrarea şi în

rulouri

5. Reabilitarea structuralã nu necesitã decât rareori şi pe durate minime întreruperea funcţionãrii

structurii aflate în procesul de consolidare

6. Costul total al aplicãrii la platbandele din oţel şi la cele compozite este aproape acelaşi, dar dacã

se considera întreruperile în funcţionare şi costurile de întreţinere, economiile în cazul folosirii

platbandelor compozite ajung pânã la 18-20%

7. Platbandele compozite sunt recomandate în mod special în cazul clorinãrii betonului

8. In toate situaţiile în care existã agenţi corozivi şi lungimile necesare ale platbandelor depãşesc

8m soluţiile cu platbande din compozite polimerice armate cu fibre sunt mai economice

B. Dezavantajele consolidãrii cu platbande din CMP:

Din experienţa existentã pânã în prezent la soluţiile de consolidare realizate se pot identifica urmatoarele

dezavantaje:

1. Consolidarea cu platbande din CMP este sensibilã la schimbãri bruşte ale secţiunii elementelor

consolidate- denivelãrile pot conduce la iniţierea unor forme de cedare cauzate de tensiunile

locale de întindere normalã pe platbande

2. Materialele se comportã liniar elastic pânã la rupere dar existã pericolul unor cedãri fragile

3. Fibrele, mai ales cele din carbon, sunt de 4-5 ori mai scumpe decat oţelul, dar manopera este

mult mai ieftina- diferenţa dintre costuri se reduce pe mãsurã ce creşte volumul de activitate şi

apar ofertanţi noi

4. Platbandele compozite sunt mai vulnerabile la deteriorari cauzate de corpuri dure, dar

deteriorãrile sunt localizate şi se pot repara uşor

3.4 Avantajele și dezavantajele consolidărilor cu materiale compozite Utilizarea materialelor compozite în efectuarea consolidărilor structurilor prezintă o serie de avantaje, și

anume :

- greutate mică (de până la 20 de ori mai mică decât a oțelului), scăzând cheltuielile de transport și instalare

- vin într-o gamă largă de soluții, dimensiuni

- au o rezistență ultimă la rupere ridicată ( peste de trei ori decât a oțelului

- rezistenţă mare la tracţiune (compozitul denumit Kevlar, polimer organic cu fibre de aramide, are o

rezistenţă la tracţiune de două ori mai mare decât a sticlei)

- coeficient de dilatare foarte mic în raport cu metalele

- rezistenţă la şoc ridicată

- durabilitate ridicată

- capacitate mare de amortizare a vibraţiilor

- beneficiază de o întreținere simplă

- posibilitate de precomprimare

- rezistenţă chimică şi rezistenţă mare la temperaturi ridicate (fibrele de Kevlar, teflon şi hyfil până la 500oC,

iar fibrele ceramice de tip SiC, Si3N4, şi Al2O3 între 1400oC şi 2000

oC).

Înainte de a opta pentru folosirea materialelor compozite trebuie să luăm în considerare dezavantajele lor :

- prețul este încă relativ ridicat

- trebuie luate măsuri supimentare de protecție împotriva șocului

- sensibilitate la radiații ultraviolete

- sensibilitatea rășinii la umiditate

- o durată scurtă de menţinere în stare lichidă după preparare

- conductivitate termică redusă,

- un coeficient mare de dilatare termică şi rezistenţă relativ mică la şoc mecanic.

3.5 Variante de consolidare a elementelor structurale utilizând materiale compozite În continuare vom prezenta o serie de metode uzuale de consolidare a grinzilor, stâlpilor, plăcilor degradate din forfecare, structurilor din zidărie, din lemn și coșuri industriale, utilizând materiale compozite. Pentru structurile din beton armat se folosesc materiale ce au matricea realizată din rășini epoxidice , poliesterice și vinilesterice în combinație cu fibre de carbon, sticlă și aramidice.

3.5.1 Consolidări cu lamele Lamelele utilizate sunt fabricate prin pultrudere, având un conținut de fibre de 60-70% și orientate după o

direcție, se fixează cu un adeziv pe suprafața elementelor deteriorate pentru a crește capacitatea portantă a

acestora la încovoiere și tăiere.

Lamelele se folosesc la suprafețe plane ca planșeele, grinzile și pereții.Acestea pot avea diferite lățimi,

lungimi, grosimi și dispun de o flexibilitate redusă.Pentru elementele solicitate la încovoiere, lamelele se pot

lipi simplu sau prin precomprimare.Grinzile din beton armat solicitate la forfecare se rigidizează prin lamele

în formă de L care vor avea ulterior rolul de etrieri.

Fig. 8 Consolidări cu lamele

3.5.2 Consolidări cu țesături

Acest tip de consolidare se utilizează pentru creșterea rezistenței elementelor la încovoiere, forță tăietoare,

impact și explozii, la elemente circulare, rectangulare sau cuburi.Țesăturile se aplică manual, folosind fibre

lipite pe suprafața pregătită a elementului consolidat cu ajutorul unor rășini. Țesăturile se realizează din fibre

de carbon, de sticlă, de aramidă ori din fibre hibride, orientate dupa o direcție, două sau mai multe.

Există două tipuri de țesături : uscate și umede.Procedeul cu țesături uscate presupune ca instalarea să se

facă direct în rășina care a fost aplicată uniform pe suprafața de consolidat. Țesăturile umede presupun

impregnarea țesăturilor cu rășină și aplicarea lor pe elementul pregătit în prealabil.

Există o serie de scheme de înfășurare pentru consolidarea prin tăiere: înfășurare completă (imposibil de

realizat la grinzi datorită planșeelor) și folosită de regulă la stâlpi,înfășurarea pe 3 fețe (sau în U) sau lipirea

pe două fețe a elementului.

Fig. 9 Consolidări cu țesături

3.5.3 Consolidãri automate prin înfãşurarea filamentului

Consolidarea automatã prin înfãşurarea filamentului este o metodã care se aplicã la consolidarea

stâlpilor din beton armat, cu ajutorul unor echipamente automatizate de înfãşurare a fibrelor, care îmbracã

elementul. Echipamentul poate modifica conţinutul de fibre, unghiul de înfãşurare şi numãrul de straturi

aplicate. Pentru polimerizarea rãşinii, suprafata este supusã unui tratament termic de încãlzire. In urma

acestui procedeu, suprafaţa devine un strat rezistent şi puternic, cu o grosime de 5 ori mai micã şi de 12 ori

mai uşor decât o cãmãşuire de oţel. Se utilizeazã preponderent fibrele de carbon.

3.5.4 Consolidãri cu armãturi compozite

Armãturile compozite se utilizeazã în construcţii, atât la armarea betonului, cât şi la consolidãri

exterioare, datoritã avantajelor pe care le au: rezistenţã mare la coroziune, rezistenţã mare la întindere,

greutate micã ( cu 25% mai micã decât a oţelului).

In funcţie de aceste avantaje, domeniile de utilizare sunt: poduri, infrastructura drumurilor,

construcţii maritime (solicitate puternic la coroziune); medicinã, telecomunicaţii, încãperi cu aparaturã,

structuri ale cãilor ferate cu pernã magneticã ( nemagnetazibilitate); cablurile podurilor suspendate, elemente

precomprimate ( eforturi mari); consolidarea structurilor existente.

Etapele unei consolidãri presupun tãierea unui şliţ pe suprafaţa elementului de consolidat, umplerea

acestuia cu raşinã, aşezarea armãturii în acesta, îndepãrtarea surplusului şi nivelarea.

Consolidarea cu armãturi compozite se poate aplica la elemetele încovoiate, tãiate, la elemente din

beton, lemn, zidãrie şi cãrãmidã.

3.5.5 Consolidarea elementelor din beton armat

Consolidarea elementelor din beton armat trebuie sã respecte conceptul general al armãrii exterioare; se

realizeazã prin lipirea de platbande din CPAF pe suprafaţa de beton în zonele în care se doreşte o creştere

a capacitaţii portante astfel încât sã se obţinã un mecanism de cedare convenabil.

Consolidarea unei grinzi din beton armat solicitatã la încovoiere cuprinde urmãtoarele etape:

- alegerea unui compozit cu modul de elasticitate suficient de mare astfel încât sã se poatã folosi platbande

subţiri cu proprietãţi stabile în timp;

- pentru a ajunge la un spor de capacitate portantã dorit, se determinã grosimea secţiunii transversale a

platbandelor;

- gradul de consolidare, egal cu raportul dintre momentul capabil al elementului consolidat si cel ulterior

consolidãrii, trebuie sã fie de maxim 2,0;

- verificarea posibilitãţilor de cedare prematurã prin mecanisme de desprindere a platbandelor;

- respectarea cu stricteţe a tuturor operaţiilor;

In figura 10 este prezentatã consolidarea grinzilor din beton armat cu platbande compozite:

a) Grindã din beton armat

b) Platbandã compozitã

c) Şurub de ancoraj

d) Jug metalic de strângere

e) Traversã de strângere

f) Adeziv

g) Cupon încălzit

Fig 10. Consolidarea grinzilor din beton armat cu platbande compozite

Consolidarea pentru majorarea capacitãţii portante la forfecare este determinatã de urmãtorii factori:

- rigiditatea stratificatului compozit

- modul de dispunere a materialelor compozite şi orientarea fibrelor

- rezistenţele mecanice ale betonului

- calitatea adezivului sau a rãşinii utilizate

S-a ajuns la concluzia potrivit cãreia mecanismul de cedare se poate realiza prin rupere la tracţiune a

elementului compozit ( datoritã concentrãrii tensiunilor) sau desprinderea compozitului de pe suprafaţa

betonului.

Figura 11 prezintă soluţii de consolidare a grinzilor la forţa tãietoare, folosind CPAF:

a) Membranã continuã cu fibre normale pe axa grinzii

b) Armare cu fâşii verticale

c) Armare cu fâşii înclinate

d) e) f) armare cu membrane cu fibrele în diverse direcţii

h) h,i,j – conlucrarea beton compozit pe secţiunea transversalã

1- beton armat

2- CPAF

3- Bolţ

Figura 11 Soluţii de consolidare a grinzilor la forţa tãietoare

Consolidarea stâlpilor din beton armat utilizand CPAF se poate face la partea superioarã, inferioarã

sau pe toatã înãlţimea acestora. Aderenţa dintre stâlp şi materialul de consolidare se face cu o rãşina

epoxidică. Utilizând CPAF la consolidarea stâlpilor se suplimenteazã armãtura transversalã şi longitudinalã

se majoreazã rezistenţa şi rigiditatea acestora, fãrã a necesita costuri mari de manoperă şi transport, iar

execuţia se realizeazã în timp scurt.

Soluţii de consolidare a stâlpilor

- confinarea stâlpilor din beton armat folosind ţesãturi din fibre de carbon

- consolidarea stâlpilor din beton armat folosind benzi din CPAF de carbon sau kevlar ( lipite cu adezivi, la

distanţe calculate în prealabil)

- Confinarea stâlpilor din beton armat folosind membrane din CPAF

- Confinarea stâlpilor din beton armat folosind fascicule din CPAF (toroane sau fascicule de carbon sau

kevlar pretensionate)

- Confinarea stâlpilor din beton armat folosind met. aut. (, fibrã de sticlã, carbon sau kevlar sunt impregnate

sau nu cu rãşina epoxidicã şi bobinate sub un anumit unghi în jurul stâlpului)

- consolidarea pe toata înãlţimea stâlpului cu un anumit numãr variabil de straturi de CPAF

Fretele circulare sau etrierii din oţel determinã o stare de tensiune triaxiala care majoreazã rezistenţa

betonului de aproximativ1,6 pana la 4,0 ori faţã de rezistenţa la compresiune monoaxială. Confinarea

lateralã se realizeazã cu armãturi longitudinale ( etrieri rectangulari şi circulari, spirale, agrafe, frete

circulare), cu cãmãşuiri folosind platbande metalice sudate, materiale compozite cu matrice polimerice

armate cu fibre( faşii, membrane subţiri, ţesãturi). Confinarea laterala are rolul de a majora rezistenţa şi

ductilitatea betonului la compresiune, dar şi de a împiedica flambajul armãturii longitudinale.

3.5.6 Consolidarea structurilor din zidãrie

Consolidarea structurilor din zidãrie este mai eficienta prin utilizarea fâşiilor compozite înguste, orientate

dupa direcţia tensiunilor normale. In figura FIG 12 sunt prezentate câteva soluţii de consolidare a zidurilor

de cãrãmidã.

Zona A,B - fâşii lipite pentru creşterea capacitãţii portante la încovoiere şi forfecare

Zona C - fâşii (tendoane) nelipite, dispuse pe contur pentru confinarea zidãriei.

Fig 12. Consolidarea structurilor de zidărie

O atenţie mãritã trebuie asiguratã ancorãrii armãturii compozite la capete, prin lungimi de ancorare suficient

de mari. Tiranţii din materiale compozite polimerice armate cu fibre se folosesc la consolidarea

monumentelor istorice de zidãrie.

3.5.7 Consolidarea elementelor din lemn

Consolidarea elementelor din lemn folosind CPAF este o idee nouã adusã în domeniul construcţiilor.

Consolidarea grinzilor de lemn se bazeazã pe acelaşi principiu precum grinzile de beton armat. Pentru a

consolida stâlpii se presupune o prima evaluare din punct de vedere economic deoarece este mai eficient a

consolida elementul cu CPAF sau a îl înlocui cu altul tot din lemn. In cazul secţiunilor rectangulare,

înlãturarea regiunilor afectate se face cu un fierastrãu electric , acestea înlocuindu-se cu o bucata de lemn

sãnãtoasã din aceeaşi esenţã sau de esenţã mai tare. Pentru confinare se pot folosi ţesãturi din fibrã de

sticlã sau fibre de carbon preimpregnate cu rãşini epoxidice sau fâşii din CPAFC.

Cap.4 Studii de caz

4.1 Utilizarea materialelor compozite moderne la construcții industriale

(Studiu realizat la Facultatea de Construcții Civile, Universitatea Tehnică Gh. Asachi, Iași) Compozitele polimerice armate cu fibre sunt recomandate pentru reabilitarea structurală pentru că dispun de o greutate specifică mică, sunt rezistente la coroziune și pot fi croite sub diverse forme.Prin urmare, acestea se pot dispune ușor pe suprafața elementelor din materiale tradiționale, necesitând mai puțină forță de muncă și nu modifică încărcările elementelor structurale. Caracteristicile de rezistență ale acestor materiale au fost testate la Iași, în cadrul unul program experimental, unde toate elementele de rezistență ale unei hale industriale au fost analizate și supuse soluțiilor de consolidare.

Fig 13. Hală industrială supusă soluțiilor de reabilitare folosind compozite polimerice armate cu fibre 1.fâșii bidirecționale 7.fâșii continue 2. fâșii unirecționale 8. fâșii înclinate 3.benzi 9.înveliri în formă de U 4.confinare cu țesături 10.soluție pentru grinda principală transversală 5.confinare combinata de benzi și țesături 11.confinarea plăcii 6.soluții pentru grinzi si membrane de beton armat 12.compozite pentru elementele de acoperiș

Procedeu de fabricație Zone de utilizare în c-ții industriale Profile pultruse structurale din polimer armat cu

fibre Sisteme structurale: cadre, grinzi, armări interioare

pentru elemente de beton și lemn,elemente

pretensionate de beton, creșterea rezistenței

elementelor din materiale tradiționale (beton, zidărie,

lemn, metal)

Profile pultruse nestructurale din polimer armat

cu fibre Uși și ferestre industriale, sisteme de ventilare

Filament Rezervoare, țevi, stâlpi cu secțiune circulară

Așezare manuală prin spray-iere Forme complexe de acoperiș, podele industriale

Laminate continue Anvelopa clădirii-acoperiș și pereți

Prin injectare Medii supuse agenților chimici

Tehnologia de spray-ere Podele industriale(stratul de uzură), unde se

folosesc fibre scurte ca cele de carbon și sticlă

Tab.1 Domenii de utilizare a compozitelor polimerice

4.2 Reabilitarea pereților de zidărie nearmată folosind materiale

compozite (Studiu realizat la Swiss Federal Institute of Technology at Lausanne,Elveția) Clădirile din zidărie nearmată sunt foarte comune în rândul construcțiilor.Majoritatea dintre acestea nu au fost proiectate să îndeplinească cerințe seismice.Totuși, cutremurele ne-au demonstrat ca acest gen de structuri sunt vulnerabile și deci este necesară o strategie de reabilitare. Aproximativ 96% din clădirile din zidărie nearmată din California necesită reabilitare, ducând la o cheltuială de peste 4 miliarde de dolari.Un studiu recent în zona Basel,Elveția arată că intre 45 și 80% dintre clădirile ZNA ar suporta degradări severe ori distrugere în timpul unui cutremur moderat. Colegii din Elveția au întreprins un program care să surprindă eficacitatea materialelor compozite aplicate pereților de zidările nearmată, scara 1:2. Specimenele testate au avut geometrii diferite : pereti zvelți si pereți cu înălțimi mici.S-au folosit 2 tipuri de mortar, mortar slab (M2.5) și mortar rezistent (M9).Pentru upgradarea sistemelor se utilizează diverse tipuri de polimeri armați cu fibre în mai multe configurații.

Fig 14. Geometria probelor

Denumire comercială

Tip fbră Greutate (g/m2) ft [MPa] E [GPa] ε [%]

Sika Warp-400A 0/90

aramidă 205 2880 100 2.8

Sika Warp-300G 0/90

sticlă 145 2400 70 3.0

MeC Grid G4000 sticlă 139 3450 72 4.0 Sika CarboDur

S512 carbon 93 2800 165 1.7

Sika CarboDur T1.214

carbon 26 2400 135 1.6

Tab 2. Caracteristicile compozitelor utilizate

Probele au fost testate cu un simulator uni-axial de seism la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie la

Zurich.O probă de test a fost construită pe o fundație de beton.După 7 zile s-a fixat o grindă la partea

superioară a peretelui, utilizând mortar puternic (M20). Pentru a simula încărcarea gravitațională de

aproximativ 30kN s-au folosit 2 bare pretensionate externe, încărcare ce se adaugă celor 12kN din greutate

proprie a elementelor de metal, grinzii armate de beton și panoului de zidărie.

Fig 15.Probele zvelte

Deplasările impuse s-au bazat pe accelerația sintetică prevăzută de Eurocod 8 pentru sol de tip A și

accelerație de vârf de 1.6m/s2.Probele au fost supuse unei accelerații de intensitate crescătoare (10%) până

la cedare.

Fig. 16 Pereți de înălțime mică

Rezultate experimentale

Toate materialele adăugate au mărit rezistența laterală de până la 1.5..2.9 ori.

Au fost observate diferite moduri de cedare.Probele zvelte întărite pe toată fața au dezvoltat un mod de

rupere în partea de jos a zidăriei și fibrelor.Pentru probele de înălțime mică, rezistența laterală când au fst

consolidate pe toata fața, a fost mai mare decât capacitatea mașinii de testare, prin urmare la sfârșitul

testării nu erau semne importante de cedare.

Probele consolidate în diagonală (X) nu au avut succesul predecesoarelor lor, prezentând fisuri în rosturi de

mortar datorită forței tăietoare.

Fig 17. Moduri de cedare (a)L2-GRID-G-F, (b)L1-WRAP-G-F, (c)L1-WRAP-G-X, (d)S1-WRAP-G-F,

(e)S2-WRAP-A-F, (f)S1-LAMI-C-X

În condițiile de testare, consolidarea pe o pare a dat rezultate bune.Mici asimetrii s-au înregistrat în cazul

pereților de înălțime mică.

La unele specimene s-a observat desprinderea fibrelor/rețelor sub forma unor pete albe.Această desprindere

a apărut pentri diferite nivele de încărcare laterală, între 50% și 80% din rezistența ultimă.

Țesătura a oprit molozul să cadă de pe perete după cedare, prevenind astfel posibila rănire a ocupanților

vecinătății peretelui în ipostaza unui cutremur real.

4.3 Reabilitarea infrastructurii folosind materiale compozite: Prezentare

generalã si Aplicaţii

(Yousef A. Al-Salloum si Tarek H. Almusallam

Conferenţiari profesori, Departamentul Inginerie Civilã, Universitatea King Saud,

P.O. Box 800, Riyafh 11421, Arabia Sauditã)

Volumul de infrastructurã care trebuie modernizat, consolidat sau/şi reparat creşte în întreaga lume.

Metodele de reabilitare au de-a face cu provocãri din partea materialelor noi şi metode care oferã

comoditate în aplicaţii şi mai puţine grade în constrângerile financiare ale beneficiarul. Noile progrese ale

fibrei de polimer armat compozit (FPA), aduce atât de multe avantaje peste oţel şi alte materiale

convenţionale şi au furnizat inginerilor constructori stimuli de ocolire a dificultaţilor care se întâmpinau în

folosirea materialelor tradiţionale din cadrul procesului de reabilitare. Deşi aplicabilitatea acestor materiale şi

metode noi sunt verificate de mai bine de 10 ani în aplicaţii pe şantier şi foarte multe probe şi verificãri în

laboratoare, mulţi ingineri, beneficiari, arhitecţi şi contractori au încã ezitãri în a se folosi în totalitate de

avantajele acestor materiale compozite. Multe din aceste ezitãri sunt datorate lipsei de informare şi

îndrumare de cãtre specialişti pe parcursul unei reabilitãri, lipsei de înţelegere deplinã a performanţei

structurale a structurii compozite sub acţiunea încãrcãrilor de lungã şi scurtã duratã. De asemenea existã

contraargumentul cã aceste materiale costã de 5-10 ori mai mult decât oţelul. Costul total real cu materiale

compozite în general este mult mai mic deci mai economic decât oţelul. Acest argument din urmã se

datoreazã faptului cã în procesul de reabilitare a unei construcţii, materialele costã doar o fracţiune din costul

total, restul însemnând manoperã, transport şi mentenanţã. Acest articol ne furnizeaza o prezentare

generalã despre proprietãţile inginereşti al FPA-ului, material compozit pentru reabilitãri. De asemenea

prezintã informaţii de cercetare şi dezvoltare folosite în zona Arabiei Saudite despre folosirea materialelor

compozite moderne pentru reabilitãri de componente structurale.

Articolul ne explicã necesitatea reabilitãrii structurilor, din ce în ce mai mult; urmând apoi

prezentarea de proceduri convenţionale precum cãmãşuirea unui element structural vechi, injectarea cu

beton, curãţarea şi adãugarea de beton nou etc.; reabilitarea folosind plãci de oţel, pe o faţã sau pe mai

multe feţe ale stâlpului sau a grinzii. In cele ce urmeaza ne sunt prezentate caracteristicile fibrei de polimer

armat (FPA) urmând apoi exemple de reabilitãri cu FPA. Câteva nume care îşi prezintã aplicaţiile şi

cercetãrile cu aceste materiale sunt: Meier, Saadatmanesh, Triantafillou si Pelvris, Spadea, Berset, Al-

Sulaimani, Sharif, Sato, Bazaa, Nanni, Alsayed. Avem prezentat în continuare reabilitarea cu FPA a stâlpilor

şi grinzilor din beton armat cât şi a pereţilor din zidãrie cu FPA laminate care transforma ansamblul de

cãrãmizi din perete într-un tot unitar iar rezultatele dupã reabilitare fiind consistent semnificative.

Compozitele din FPA laminat mai au aplicaţii şi în instalaţii cum de altfel ne este prezentat în finalul

articolului.

Concluzii:

Compozitele din FPA au fost introduse recent în comunitatea ingineriei civile. Existã trei tipuri

generale de materiale compozite care sunt comercializate: Fibrele de sticlã, fibrele de carbon şi compozitele

din aramidã. Aceste materiale sunt durabile, au viaţã lungã şi o rezistenţã superioarã anti-coroziune şi anti

atacurilor chimice. Raportul rezistenţã-greutate este unul foarte ridicat. Compozitele sunt uşor de manevrat

pe şantiere şi suficient de pliabile pentru a configura orice forma de element reabilitat. Sunt adaptabile la

aproape orice formã geometricã din construcţii. In plus, luând în considerare faptul cãmanopera consolidarii

infrastructurilor, costa cu mult mai mult decât materialele obişnuite, cam cu 80% mai mult; la materialele

compozite manopera se reduce substanţial. Pentru acestea se crede cu tãrie ca pot fi obţinute economii

importante prin utilizarea cu succes a noilor metode de reabilitare şi consolidare.

4.4 Reabilitarea seismicã a pereţilor din beton armat folosind fibre

compozite (A. Ghobarah si A.A. Khalil)

Pereţii structurali din beton armat sunt un sistem eficient de rezistenţã la încãrcãri laterale. Sub

acţiunea seismicã, este de aşteptat ca peretele sã prezinte un comportament ductil şi sã disipe energia din

încovoiere prin intermediul unor balamale de plastic poziţionate în partea de jos a peretelui. Cedarea

prematurã a pereţilor proiectaţi conform normativelor a fost observatã în urma recentelor seisme produse.

Astfel în acest articol se va prezenta efectuarea unui experiment pentru a investiga scheme potenţiale de

reabilitare pentru rezistenţã mãritã şi ductilitatea pereţilor. Inovaţia realizãrii unui astfel de test/experiment

este acela ca avem posibilitatea sã controlam raportul dintre încarcarea axialã, momentul încovoietor şi forţa

tãietoare. S-a efectuat acest test conform unei acţiuni seismice care s-ar transmite asupra acestuia. S-a

fãcut testul pe 3 pereţi. Unul normal iar celelalte doua modele folosind scheme cu foi din fibre armate

bidirecţional respectiv ancorate. Rezultatele au arãtat cã în primul caz acesta a cedat rapid dar celelalte

douã cazuri, rebilitate cu materiale compozite, au avut rezultate foarte bune, perete nefiind afectat şi

deteriorat.

Crearea unor teste în laboratoare specializate pentru încercarea pereţilor sub diferite forme de

reabilitare cu materiale compozite permite observarea şi controlarea acţiunilor asupra acestuia în timpul unui

cutremur. Cele douã cazuri reabilitate ale pereţilor cu încarcari laterale folosind foi din fibre de carbon

armate şi ancoraje metalice sau au dovedit eficacitatea acestora în cazul unui acţiunii seismice. Cedarea

sau fisurarea peretelui nu mai are loc datoritã faptului cã fibrele de carbon au fost poziţionate la un unghi de

45 grade astfel contracarând fisurile din diagonale. Aceasta protejare a peretelui a împiedicat şi întârziat ca

betonul sã fisureze chiar şi la valori de încãrcare foarte ridicate şi a permis astfel betonului sã aiba

propritãţile dorite.

Concluzii

Materialele compozite au devenit în ultimii ani din ce in ce mai populare , producția mondială

dublându-se la fiecare 5 ani.

Lucrarea de față a avut ca scop familiarizarea cititorului cu conceptul de material compozit și

modalitățile de utilizare a acestuia în momentul de față.

Caracteristicile mecanice , chimice și fizice fac din materialele compozite o soluție viabilă pentru a fi

utilizate în reabilitare construcțiilor.

În urma studiului se pot trage următoarele concluzii :

O mare parte din clădirile existente necesită întrețineri suplimentare și reabilitări, fiind în pericol de

cedare în ipoteza unui viitor cutremur (spre exemplu multe clădiri din București, peste 90% din

cladirile din zidărie nearmată din California și peste 60% din clădirile zonei Basel-Elveția)

Materialele compozite vin într-o gamă largă de soluții și dimensiuni : compozite polimerice armate cu

fibră de sticlă, armate cu fibre aramidice, armate cu fibre de carbon, prefabricate ori sisteme formate

la fața locului

Au o durabilitate ridicată

Au o rezistență ultimă la rupere ridicată (până de 3 ori rezistența oțelului)

Rezistență la șoc ridicată

Oferă o siguranță mai mare în exploatare ( pe lângă creșterea capacității portante a elementului pe

care se aplică, țesăturile pot opri molozul să cadă de pe perete în cazul cedării, prevenind posibila

rănire a ocupanților)

Rezistență la agenți agresivi de orice tip și capacitate ridicată de amortizare a vibrațiilor , rezistență

mare la temperaturi ridicate (de aceea sunt utilizați în mediile chimice industriale, la coșurile de fum ,

pardoseli indistriale , rezervoare și țevi)

Desigur, toate aceste avantaje trebuie cântărite având în vedere că momentan, prețul pentru

materialele compozite este destul de ridicat (de 5-10 ori mai scump decât oțelul)

Bibliografie

1. Banu M. - Tehnologia Materialelor Compozite – Curs Anul IV MF 2007-2008

2. Budescu M, Ciongradi P, Taranu N, Gavrilas I, Ciupala M, Lungu I – Reabilitarea Constructiilor –

Editura Vesper, 2001

3. ElGawady M.A., Lestuzzi P, Badoux M – Rehabilitation of Unreinforced Brick Masonry Walls Using

Composites – Swiss Federal Institute of Technology of Lausanne EPFL, Switzerland

4. Lupescu M - Fibre de Armare pentru Materialele Compozite, Editura Tehnica, 2004

5. Ghobarah A., Khalil A.A. - Seismic Rehabilitation Of Reinforced Concrete Walls Using Fibre

Composites, 13th World Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.C., CanadaAugust

1-6, 2004Paper No. 3316

6. Manea Daniela –Materiale compozite-Editura U.T. PRES, 2003

7. Oprisan G, Taranu N, Munteanu V, Entuc I – Application of modern polymeric composite material in

industrial construction – Buletinul Institutului Politehnic din Iasi publicat de Universitatea Tehnica

“Gheorghe Asachi” din Iasi, Tomul LVI (LX), Fasc 3, 2010 Sectia Constructii, Arhitectura

8. Yousef A. Al-Salloum, Tarek H. Almusallam - Rehabilitation of the Infrastructure Using

Composite Materials: Overview and Applications, J. King Saud Univ., Vol. 0, Eng. Sci (2),

pp. 000-000, (A.H. 1423/2002)