čanje opečnih zidanih zidova i stupova FRP ... - statika.hr HKIG Opatija 2012 - Pojačanje... · za proračun pojačanja postojećih konstrukcija FRP‐om u Italiji. • Na izradi

Dani ovlaštenih inženjera građevinarstva – Opatija 2012. HKIGIme i prezime predavača 1

Pojačanje opečnih zidanih zidova i stupova FRP trakama

Doc.dr.sc. Josip Galić, dipl.ing.građ., Arhitektonski fakultet Sveučilišta u Zagrebu,Doc.dr.sc. Tomislav Kišiček, dipl.ing.građ., Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, Branko Galić, dipl.ing.građ., Radionica statike d.o.o., Zagreb

HRVATSKA KOMORA INŽENJERA GRAĐEVINARSTVADani ovlaštenih inženjera građevinarstva Opatija, 2012.

Josip Galić, Tomislav Kišiček iBranko Galić

Dani ovlaštenih inženjera građevinarstva – Opatija 2012. HKIGDoc.dr.sc. Josip Galić, dipl.ing.građ.Doc.dr.sc. Tomislav Kišiček, dipl.ing.građ.Branko Galić, dipl.ing.građ.

2

• Danas su inženjeri sve češće suočeni s rekonstrukcijama,dogradnjama i pojačanjima postojećih građevina.

• Zidani zidovi predstavljaju najčešće korišteni tip konstrukcijskih elemenata tako da veliki dio postojećih građevina su zidane zgrade.

UVOD


3

• Zidane zgrade čine značajan dio stambenih građevina u Hrvatskoj iu svijetu → u Sloveniji je 30% stambenih zgrada od nearmiranihzidanih konstrukcija izrađenih u periodu od 1920‐1965 g.

• Razlozi za rekonstrukcijama i pojačanjima zidanih zgrada su:‐ Akumulacija negativnih utjecaja tijekom vijeka građevine uslijed:

‐ neadekvatnih konstrukcijskih rješenja‐ slijeganja temelja‐ velika opterećenja (uporabno, vjetar i dr.)

‐ Nedovoljna seizmička otpornost postojećih zidanih zgrada.‐ Prenamjena funkcija starih zgrada (stambene zone u gradovimase pretvaraju u trgovačke i poslovne centre).

UVOD


4

• Zgrada u Zürichu – Prilikom adaptacije zbog prenamjene uklonjenimnogi nosivi zidovi

• Dvorac Eltz u Vukovaru – zbog prenamjene uklonjeni nosivi zidovi

UVOD


5

• O slaboj seizmičkoj otpornosti najbolje govore podaci izposljednjih nekoliko potresa (Italija, Haiti, Turska, SAD i dr.)

UVOD


6

• U mnogim slučajevima bi bilo ekonomski isplativije srušitipostojeću zidanu građevinu i zamjeniti je novom, ali urbanističkiplanovi, kulturna baština i razni povijesni razlozi to ne dopuštaju.

• U SAD‐u se na rekonstrukcije postojećih građevina troši više od25% sredstava ua nove građevine.

• Procjenjeno je da u Kaliforniji 96% postojećih zidanih zgrada odnearmiranog ziđa treba sanirati i pojačati za što je potrebno preko4 milijarde dolara samo na nužna pojačanja.

• Danas u Hrvatskoj imamo situaciju da u svakoj rekonstrukciji iadaptaciji starih zidanih zgrada trebamo pojačavati zidaneelemente→ zidane zidove i zidane stupove.

UVOD


7

• Danas u praksi postoji čitav niz sanacija i pojačanja ziđa kao npr.:1. POPRAVAK PUKOTINA2. ZAMJENA MORTA3. INJEKTIRANJE ZIDOVA (posebno šupljih)4. POJAČAVANJE UGLOVA ZGRADE5. POVEZIVANJE ZIDOVA I POVEĆANJE NOSIVOSTI PREDNAPINJANJEM

S ČELIČNIM ŠIPKAMA6. POJAČANJE KONSTRUKCIJA USJECANJEM VERTIKALNIH SERKLAŽA ILI

IZVEDBOM OBODNIH ČELIČNIH ILI ARMIRANOBETONSKIH OKVIRA7. POJAČANJE ZIDOVA I STUPOVA ARMIRANOBETONSKOM ŽBUKOM

(torkretiranje) ILI ARMIRANOBETONSKOM OBLOGOM

TRADICIONALNI NAČINI POJAČANJA ZIĐA


8

• Slike pojedinih načina pojačanjaPOVEZIVANJE ŠIPKAMA



9

POJAČANJE UGLOVA


USJECANJE VERTIKALNIH SERKLAŽA


10

• Najčešće primjenjivani način pojačanja u pogledu povećanjaseizmičke otpornosti i otpornosti na vertikalno opterećenje jepojačanje izvedbom AB obloge ili armirane žbuke.



11

• AB obloga ili armirana žbuka daju povećanje nosivosti ali njihovaprimjena ima dosta nedostataka ako što su:‐ Povećanje težine konstrukcije (često je nužno pojačanje temelja),‐ Povećanje seizmičkih sila zbog težine betonske obloge,‐ Promjene ponašanja konstrukcije pri seizmičkom opterećenju (zidovi

pojačani AB oblogom su znatno krući od nepojačanih pa je preraspodjeluseizmičke sile teško odrediti),

‐ Dodatna debljina pojačanog zida smanjuje korisni prostor,‐ Brzina izvedbe (potreban dulji period za izvedbu),

‐ Buka koja je prisutna kod izvedbe,‐ Nužnost prekida funkcionalnosti zgrade i iseljavanje stanara zavrijeme izvođenja radova (često problem i susjednih ulaza u zgrade)



12

• Uz sve nedostatke bilo je primjera da prikazana pojačanja nisudala očekivanu kvalitetu i povećanje nosivosti.

• To su razlozi za istraživanje i primjenu novih sistema pojačanjanearmiranog ziđa, koji neće narušavati strukturu nosivosti zgrade,biti će ekonomski prihvatljiv, jednostavan za izvedbu i koji nećenarušavati estetske zahtijeve zgrade.

• Najveći broj istraživanja zadnjih 10‐tak godina vezano je za analizuučinkovitosti i primjene proizvoda od polimera armiranogvlaknima ‐ FRP (Fiber Reinforced Polymer) kod pojačavanjanosivosti zidanih zidova i zidanih stupova.



13

• FRP se proizvodi iz staklenih (G), aramidnih (A) i ugljičnih (C) vlakana visoke čvrstoće povezanih epoksidnom smolom, poliesterom ili vinilesterom (tip vlakana → GFRP, AFRP i CFRP).

• Dvije su osnovne komponente FRP proizvoda: polimerna matrica i armaturna vlakna.

• Matrice se izrađuju iz različitih polimernih smola, čiji izbor ovisi iod izbora vlakana.

• Polimerna matrica povezuje vlakna u kompozit i osigurava odgovarajući položaj i smjer vlakana, osigurava zaštitu vlakana od vanjskih utjecaja.

• Čvrstoću i deformabilnost kompozita određuje volumni udio vlakana i polimerne matrice, te kvaliteta veze matrice sa vlaknima.

Polimeri armirani vlaknima - FRP


14

• Kod polimernih kompozita treba razlikovati dvije vrste proizvoda: 1) Predgotovljeni FRP elementi u obliku šipki,kabela i lamela.2) Suha jednosmjerno ili dvosmjerno orijentirana vlakna međusobno

ispletena.


• Prva primjena u građevinarstvu je pojačanje AB elemenata s lamelama i tkaninom → najčešće je radilo o ugljičnim lamelama


15

• Puna primjena kod pojačanja AB konstrukcija nije postignuta zbog slijedećih razloga:

1. Linearno elastično ponašanje FRP‐a → duktilnost presjeka manja u odnosu na armiranje čelikom (potrebno ovijanje).

2. Za ispunjavanje GSU nužna je primjena FRP‐a s većim modulom elastičnosti → CFRP (skuplji od GFRP‐a).

3. Toplinski koeficijent rastezanja FRP‐a je manji nego betona i čelika →nije osigurana kompatibilnost pri promjeni temperat.

4. Slaba otpornost na požarna djelovanja (nužna žbuka).

• Kod zidanih konstrukcija nedostaci FRP‐a nisu presudni:‐ Ispitivanjima je pokazano da je slom uglavnom preko ziđa.‐ Modul elastičnosti ne mora biti velik pa se mogu koristiti i jeftiniji

proizvodi → GFRP.‐ Ima prirodnu zaštitu žbukom.‐ Uglavnom je opterećen samo u izvanrednim situacijama



16

• Očekuje se da će FRP proizvodi najveću primjenu u građevinarstvu imati u pojačanju zidanih konstrukcija.

• Kao najbolje rješenje je primjena tkanina od staklenih vlakana:‐ Tkanina od staklenih vlakana je bitno jeftiniji proizvod u odnosu na druge FRP proizvode;

‐ Izvedba je dosta jednostavna i brza jer se radi o površinskom ljepljenju izrazito lagane tkanine;

‐ Nisu potrebne specijalizirani izvođači – može izvesti svaki izvođač;‐ Ne zauzima prostor. Korisna površina građevine se ne mijenja;‐ Ne dolazi do povećanja težine građevine – s temeljima nema problema;

‐ Primjena rezultira povećanjem nosivosti i duktilnosti zidova.



17

• Primjer ljepljenja na zidove

Postava pojačanja


18

• Primjer ljepljenja na stupove

Postava pojačanja i dosadašnja primjena

• U Hrvatskoj je prisutna primjena FRP proizvoda kod sanacija starih građevina i to uglavnom ugljičnih lamela i užadi, rijeđe tkanina.

• Lamele i užad su zamjenjivali čelične zatege ili su postavljane u zonama vlačnih naprezanja – primjena inženjerskom logikom.

• Tkanina je do sada samo korištena kod sidrenja i prekrivanje pukotina.


19

• Primjeri sanacija u Dubrovniku

Dosadašnja primjena

• Pojačanje mosta od Pila CFRP lamelama


20

• Primjer ispitivanja nosivosti pojačanog svoda u Italiji

Dosadašnja primjena• Pojačanje svodova

Slika se trenutno ne može prikazati.


21

• Uz pojačanje opečnih svodova i lukova te zamjenom čeličnih zatega s FRP lamelama i užadima najbolju primjenu trake i tkanine od staklenih vlakana imaju kod pojačanja međuprozorkih zidova starih zgrada i zidanih stupova.

Pojačanje zidanih stupova i zidova


22

• To su elementi koje redovito treba pojačati. • Posebno je važno povećanje seizmičke otpornosti zidova.• Takvih zidova i stupova koje je potrebno pojačati ima jako puno u

praksi pa je cijena sanacije bitna.

• Problem pojačanja dolazi do izražaja jer ta pojačanja moraju biti učinkovita, ali i što jeftinija – uglavnom su privatni investitori



23

• O učinkovitosti pojačanja s trakama iz staklenih vlakana u svjetu i u Hrvatskoj su napravljena brojna isptivanja.

• National Research Council (CNR) of Italy je 2004 g. izdao smjernice za proračun pojačanja postojećih konstrukcija FRP‐om u Italiji.

• Na izradi tog dokumenta su sudjelovali gotovo svi profesori i istraživači uključeni u istraživanje FRP‐a kao i tvrtke koje se bave proizvodnjom i razvojem FRP proizvoda.

• U Dokumentu su dani standardi i zahtjevi za proizvodnju, proračun i primjenu (izvedbu) FRP pojačanja betonskih i zidanih konstrukcija.

• S obzirom na sličan zemljopisni položaj (kameni i opečni zidni elementi) i materijale za pojačanje koje koristimo preporuka je isti koristiti u primjeni pojačanja u Hrvatskoj.



24

• Često zbog povećanog opterećenja ili uklanjanja dijelova konstrukcije postojeći zidani stupovi u rekonstrukciji imaju povećano vertikalno opterećenje koje prekoračuje nosivost.

• Najčešće i najjednostavnije je bilo obući zidani zid u AB stup.

Učinkovitost pojačanja zidanih stupova

• Puno jednostavnije rješenje je ovijanje tkaninom (trakama) iz staklenih vlakana.


25

• Ovoj trakama iz staklenih vlakana sprječava bočno širenje ziđa pri tlačnom opterećenju i osigurava troosno stanje naprezanja.

• Ziđe se nalazi u troosnom tlačnom naprezanju što povećava tlačnu čvrstoću ziđa, a time i stupa.



26

• Rezultat tog utjecaja je povećana nosivost pojačanog stupa i povećana duktilnost.

• Slijedi prikaz usporedbe nosivosti nepojačanog i pojačanog stupa.


Usporedni "σ ‐ ε" dijagram

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

Vertikalna relativna deformacija ‐ εM ‐ (‰)

Tlačno

nap

rezanje ‐ σ

‐ (M

Pa)

A

B

C

D


27

• Usporedba povećanja nosivosti ‐ (Mapewrap G UNI‐AX ‐Mapei)


0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3

Dijagram: fMc ‐ broj traka ovijanja

Normalno ovijanje

Spiralno ovijanje

Spiralno ovijanje s hodom

Sred

nja vrijedn

ost tlačne

čvrstoće‐

‐fMc (N/m

m 2 )

n ‐ broj ovijanja

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 1 2 3 4

Dijagram: εMuc ‐ broj traka ovijanja

Normalno ovijanje

Spiralno ovijanje

Spiralno ovijanje s hodom

Sred

nja vrijedn

ost granične

rel. d

eformacije

‐ε

Muc

(‰)‐

n ‐ broj ovijanja


28

• Izgled zidanih stupova pri slomu


Nepojačani stup

Potpuno pojačani stup


29

• Izrazi za procjenu povećanja nosivosti:

Učinkovitost pojačanje zidanih stupova

McdRcd fAN //

MdMcd lfkff

Nosivost ovijenog stupa:

Povećana tlačna čvrstoća:

1000m /gk / Koeficijent učinkovitosti: ‐ ovisi o gustoći morta

//MdMcd lfkff Koeficijent učinkovitosti:

lll fkkfkf vHe/

Efektivni bočni pritisak:

ridfd,fyf,fxf, ;min5,0 EEflBočni pritisak pri slomu:

shbt

ffxf,

4sbbt

ffxf,

4Postotak pojačanja:


30


Proračunska granična deformacija FRP‐a:f

fkaridfd,

η

Horizontalna učinkovitost (ovisi o geometriji presjeka):

aηfkf

= grančna karakteristična vrijednost relativne deformacije FRP‐a (=0,04);

= faktor sigurnosti za materijal (=1,25)

= faktor sigurnosti vezan za okoliš

M

2/2/

H 31

Ahbk


31

Učinkovitost pojačanje zidanih stupova

2/

V ,min21

hbs- k

• Povećanje nosivosti ovijenog stupa u analizama ne bi trebalo uzeti da je veće od 1,5×nosivosti nepojačanog stupa.

• Dosta je pogodno i za lokalno ovijanje zbog povećanja duktilnosti presjeka.

Vertikalna učinkovitost (ovisi da li je ovoj potpun ili djelomičan):


32

Učinkovitost pojačanja zidanih zidova• Kod pojačanja zidanih zidova uobičajeni načini su postavljanje

traka od staklenih vlakana horizontalno i/ili dijagonalno.

Postavljanje rubnih traka koje preuzimaju savijanje (preuzimaju vlačna naprezanja nakon nastanka pukotine)


33

Učinkovitost pojačanja zidanih zidova

Postavljanje horizontalnih traka koje preuzimaju poprečnu silu (sprečavaju slom nakon nastanka dijagonalnih pukotina)


34

Učinkovitost pojačanja zidanih zidovaPostavljanje horizontalnih traka koje preuzimaju poprečnu silu

(sprečavaju slom nakon nastanka dijagonalnih pukotina)

• Bilo je primjera postavljanja tkanine preko cijelog zida. Pokazalo se učinkovit u pogledu povećanja nosivosti i duktilnosti ali je zbog velikog utroška materijala neracionalno.


35

Učinkovitost pojačanja zidanih zidova• U svijetu i Hrvatskoj su provedena brojna ispitivanja zidanih

zidova pojačanih FRP proizvodima.• Rezultat ispitivanja je povećanje duktilnosti i posmične i savojne

nosivosti zida (Triantafillou, ElGawady, Lestuzzi, Nanni i dr.).

Dani ovlaštenih inženjera građevinarstva – Opatija 2012. HKIG 36


Rezultati ispitivanja (Mapewrap G UNI‐AX ‐Mapei)

Dijagrami “H – d”

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

180,0

0,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 24,0

Relativni pomak - d (mm)

Horiz

onta

lna

sila

- H

(kN)

BZ2 BZ1 CZ1 CZ2 AZ1 AZ3

Nosivost zidova na horizontalno opterećenje

Maksimalni rel. horizontalni pomak rubova zida

Doc.dr.sc. Josip Galić, dipl.ing.građ.Doc.dr.sc. Tomislav Kišiček, dipl.ing.građ.Branko Galić, dipl.ing.građ.


Učinkovitost pojačanja zidanih zidovaUsporedba krutosti – nema promijene NUMERIČKA ANALIZA

• Numerička analiza provedena u programu MASA 3 je potvrdila ispitivanja

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0Horizontalni pomak - d - (mm)

Hor

izon

taln

a si

la -

H -

(kN

)

Neojacani zid

Horiz. ojačani zid

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0Horizontalni pomak - d - (mm)

Hor

izon

taln

a si

la -

H -

(kN

)Ef = 30 000 Mpa(slabije ojačan)Ef = 46 000 Mpa(osnovni model)




Nepojačani zid

(ε11)

(σ33)

Pojačani zid

(ε11)

(σ33)

(σ11)

Horizontalne trake

σf = 103,8 MPa - 13% vlačne čvrstoće FRP ojačanja.




• Ponašanje zida je slično armiranom ziđu što omogućuje sličan proračun.

• Faktora ponašanja se povećava q = 1,5 → 2,5 što rezul ra smanjenjem seizmičke sile na 60% seizmičke sile za nepojačani zid.

• Uz minimalnu postotak pojačanja postiže se povećanje nosivosti 40 ‐ 50%.

• Postiže se efektivno proračunsko povećanje nosivosti od 2,5 puta.• Moguće je pojedinačno povećanje nosivosti zidova koji ne prolaze kao nepojačani budući da pojačanjem zida se ne mijenja krutost zida i ne dolazi do preraspodjele seizmičke sile na postojeće zidove.

• Uz povećanje nosivosti na posmične sile i savijanje u ravnini bitno se povećava nosivost na savijanje okomito na ravninu.




• Izrazi za procjenu povećanja nosivosti:

M

kRd2

M

vkRd2RdM,Rd

3,0

tdf

Vtdf

VVV ltEV fefff

Rd27,0

MMu

feh

Mk

maxvk,

k

Sd

k

vk0

Mk

Rd 25,07,0;4,0min8,0

ff

ltfN

ff

ltfV

GPa 0,1 za )(00065,000245,0GPa 0,10 za )(0104,0)(0205,00119,0

fhfhfe

fh2

fhfhfe

EEEEE

Efektivna relativna deformacija ojačanja pri slomu zida

Prema provedenim analizama model rešetke (tlačno vlačne dijagonale) nije realan i ne preporučuje se njegova primjena.



Učinkovitost pojačanja zidanih zidovaPrimjer primjene



Cijena koštanja

STAVKA POSTUPAK POTROŠNJAPREPORUČENA CIJENA MATERIALA (bez PDV‐a)

Nanošenje epoksidnog temeljnog premaza MAPEWRAP PRIMER 1 ili

jednakovrijednog0,3 kg/m² 12,5 Kn/m´

Nanošenje epoksidnog međupremaza MAPEWRAP 11 ili


Nanošenje sloja epoksidne impregnacije MAPEWRAP 31 ili

jednakovrijednog0,15 kg/m´ 22,0 Kn/m

Utiskivanje tkanine od staklenih vlakana MAPEWRAP G UNI‐AX 300/30 ili jednakovrijedne

35,0 Kn/m´

Nanošenje sloja epoksidne impregnacije MAPEWRAP 31 ili


Posipavanje kvarcnog pijeska Mapei Quartz 0,5 ili jednakovijednog

2,0 kg/m² 2,3 Kn/m´

UKUPNO : 138,8 Kn/m

Ljepljenje tkanine



Novi materijali za pojačanje

• Uporaba mreža od ugljičnih ili staklenih vlakana kao što je MAPEGRID 220 od tvrtke Mapei.

• Prednost je nešto manja cijena, a postavlja se slično mrežici kod demit fasada.

• Učinkovitost je nešto manja ali još uvijek osigurava značajno povećanje nosivosti.





Plača Bonsignore, Trapani, Italija

Zgrada kardinala Maffei, Pisa, Italija

Primjer primjene - (Mapei)




Primjer primjene - (Mapei)

Zgrada Bertuccelli, Lucca, Italija

Kuća na Jarunu u Zagrebu


Cijena koštanja


STAVKA POSTUPAK POTROŠNJAPREPORUČENA CIJENA MATERIJALA (bez PDV‐a) po m´ za 45cm širine

Priprema podloge Podloga mora biti čista, suha i mehanički čvrsta.

Poravnavanje podloge

Nanošenje bescementnog morta sa pucolanskim djelovanjem PLANITOP HDM

RESTAURO tlačne čvrstoće 15 MPa, prionjivosti na podlogu >0,8MPa i modula elastičnosti 8000

MPa, u debljini oko 5mm.

9,5 kg/m² 28,2 Kn/m

Nanošenje prvog sloja morta sa pucolanskim djelovanjem PLANITOP HDM RESTAURO u

debljini 4mm7,6 kg/m² 22,5 Kn/m

Utiskivanje mreže od staklenih vlakana MAPEGRID G 120 (širine 45cm), vlačne čvrstoće

25 kN/m i izduženja pri slomu < 3%.55,5 Kn/m

Nanošenje prvog sloja morta sa pucolanskim djelovanjem PLANITOP HDM RESTAURO u

debljini 3mm5,7 kg/m² 17 Kn/m

UKUPNO: 123,2 kN/m

Ugradnja mreže od staklenih vlakana


Hvala


Documents

čanje opečnih zidanih zidova i stupova FRP ... - statika.hr HKIG Opatija 2012 - Pojačanje... · za proračun pojačanja postojećih konstrukcija FRP‐om u Italiji. • Na izradi