Embed Size (px)
Citation preview
1
A lektorálást végezte: Balázs L. György
CNR (Olasz Nemzeti Kutatási Tanács) – Építőipari Műszaki Ajánlások Tanácsadó Testület
__________________________________________________________________________________
OLASZ NEMZETI KUTATÁSI TANÁCS
ÉPÍTŐIPARI MŰSZAKI AJÁNLÁSOK TANÁCSADÓ TESTÜLET
Tervezési és kivitelezési útmutató a külső kötésű szálerősítéses műanyag (FRP) rendszereknek a
meglévő szerkezetek megerősítésére való alkalmazásához.
Anyagok, vasbeton és feszített vasbeton szerkezetek, falazatok
CNR-DT 200/2004
__________________________________________________________________________________
CNR – RÓMA, 2004. július 13.
2
Ezt a dokumentumot a szerzői jog védi.
A kiadvány egyetlen része sem tárolható vagy terjeszthető semmilyen formában
– elektronikus, mechanikus, adatrögzítő vagy más – eszközzel az Olasz Nemzeti
Kutatási Tanács (CNR) előzetes írásbeli engedélye nélkül. A dokumentum másolása
személyes, nem kereskedelmi célra engedélyezett.
3
TARTALOM
1 ELŐSZÓ .......................................................................................................................................... 8 1.1 NYILVÁNOS BEMUTATÁS .............................................................................................. 12 1.2 A FELHASZNÁLT JELÖLÉSEK ......................................................................................... 13
2 ANYAGOK ................................................................................................................................... 18 2.1 BEVEZETÉS ......................................................................................................................... 18 2.2 A KOMPOZITOK TULAJDONSÁGAI ÉS ALKOTÓELEMEI .......................................... 18
2.2.1.1 A kereskedelmi forgalomban elérhető szálak, és osztályozásuk .................................. 21 2.2.1.2 Üvegszálak ................................................................................................................... 23 2.2.1.3 Karbonszálak ................................................................................................................ 24 2.2.1.4 Aramidszálak ................................................................................................................ 25 2.2.1.5 Egyéb száltípusok ......................................................................................................... 26 2.2.1.6 A fonal műszaki tulajdonságai ..................................................................................... 26 2.2.2 Nem impregnált szövetek ................................................................................................ 28 2.2.2.1 Nem impregnált szövetek műszaki jellemzői ............................................................... 28 2.2.3 Mátrixok .......................................................................................................................... 30 2.2.3.1 Epoxi gyanták ............................................................................................................... 30 2.2.3.2 Poliészter gyanták ........................................................................................................ 31 2.2.3.3 Egyéb gyantatípusok .................................................................................................... 31 2.2.3.4 A gyanta műszaki adatlapja .......................................................................................... 32 2.2.4 Kötőanyagok és kötési ismeretek .................................................................................... 33 2.2.4.1 A kötőanyag műszaki adatlapja .................................................................................... 36
2.3 FRP ERŐSÍTÉSŰ RENDSZEREK ....................................................................................... 38 2.3.1 Az FRP-erősítési rendszerek mechanikai tulajdonságai ................................................. 38 2.3.2 Előkeményített rendszerek .............................................................................................. 40 2.3.2.1 Mechanikai jellemzők .................................................................................................. 40 2.3.2.2 Előkeményített rendszerek műszaki adatlapjai ............................................................ 40 2.3.3 Nedves sodrott rendszerek............................................................................................... 42 2.3.3.1 A laminátum keresztmetszetének meghatározása ........................................................ 42 2.3.3.2 Mechanikai jellemzők .................................................................................................. 44 2.3.3.3 Nedves sodrott rendszerek műszaki adatlapjai ............................................................. 44 2.3.4 Előre impregnált rendszerek ............................................................................................ 45
2.4 MINŐSÉGELLENŐRZÉS .................................................................................................... 45 2.4.1 Első szint: Fizikai-mechanikai jellemzők ....................................................................... 45 2.4.2 Második szint: Hosszú távon mutatott tulajdonságok ..................................................... 47
2.5 MEGFELELŐSÉGI KRITÉRIUMOK .................................................................................. 47 2.5.1 A szakemberek feladatai az anyagok kiválasztásával és vizsgálatával kapcsolatban .... 47
2.6 SZÁLLÍTÁS, TÁROLÁS ÉS KEZELÉS .............................................................................. 49 3 AZ FRP MEGERŐSÍTÉS TERVEZÉSÉNEK ALAPJAI ............................................................ 50
3.1 ALAPKÖVETELMÉNYEK .................................................................................................. 50 3.2 TARTÓSSÁGI KÖVETELMÉNYEK .................................................................................. 51 3.3 A MEGERŐSÍTÉS TERVEZÉSÉNEK ÁLTALÁNOS ELVEI ........................................... 51
3.3.1 Általános .......................................................................................................................... 51 3.3.2 Parciális faktorok és tervezésnél figyelembe vett terhelés. ............................................. 52 3.3.3 Az FRP anyagok tulajdonságai ....................................................................................... 52 3.3.4 Tervezési kapacitás ........................................................................................................ 54
3.4 PARCIÁLIS FAKTOROK .................................................................................................... 54
3.4.1 Parciális faktorok: mint FRP anyagok .................................................................... 54
4
3.4.2 Parciális faktorok. – rezisztencia modellek ........................................................... 55 3.5 SPECIÁLIS TERVEZÉSI NEHÉZSÉGEK ÉS RELEVÁNS KONVERZIÓS FAKTOROK ...................................................................................................................................................... 55
3.5.1 az környezeti konverziós faktor ................................................................................ 55
3.5.2 A hosszútávú hatások konverziós faktora ................................................................. 56 3.5.3 Ütésállóság, robbanásszerű terhelés ................................................................................ 57 3.5.4 Vandalizmus .................................................................................................................... 57
3.6 A MEGERŐSÍTÉS KORLÁTAI TŰZ ESETÉN .................................................................. 57 4. VASBETON ÉS FESZÍTETTBETON SZERKEZETEK MEGERŐSÍTÉSE ............................ 59
4.1 LEVÁLÁSI MECHANIZMUSOK ........................................................................................ 59 4.1.1 Leválásnak köszönhető tönkremenetel ............................................................................ 59 4.1.2 Törési energia .................................................................................................................. 60 4.1.3 Tervezésnél figyelembe veendő végső szilárdság a laminát végleválásnál (1-es mód) .. 61 4.1.4 végső szilárdság intermedier leválásnál (2-es mód) ........................................................ 63 4.1.5 SLS az érintkező felület terhelésére ................................................................................ 63
4.2 FLEXIÓS MEGERŐSÍTÉS ................................................................................................... 66 4.2.1 Bevezetés ......................................................................................................................... 66 4.2.2 A tönkremeneteli határállapot (ULS) elemzése .............................................................. 66 4.2.2.1 Bevezetés ...................................................................................................................... 66 4.2.2.2 Nyúlás az FRP megerősítés előtt .................................................................................. 67 4.2.2.3 Az FRP erősítéses épületrész hajlóképessége .............................................................. 67 4.2.2.4 A hajlítónyomatéknak és tengelyirányú erőnek kitett FRP-vel megerősített elem flexiós kapacitása ..................................................................................................................... 70 4.2.2.5 Tönkremenetel laminát/ lemez oldali leválás miatt ...................................................... 70 4.2.3 A használhatósági határállapot (SLS) elemzése .............................................................. 71 4.2.3.1 A tervezésnél figyelembe vett előfeltevések ................................................................ 71 4.2.3.2. Feszültség korlátozás ................................................................................................... 72 4.2.3.3. Meghajlás szabályzás .................................................................................................. 73 4.2.3.4. Repedés szabályzás ..................................................................................................... 74 4.2.4 Nyúlás mértéke ................................................................................................................ 74
4.3 NYÍRÓ MEGERŐSÍTÉS ....................................................................................................... 74 4.3.1 Bevezetés ......................................................................................................................... 74 4.3.2 Megerősítő konfigurációk ............................................................................................... 75 4.3.3 Az FRP erősítéses elem nyírókapacitása ......................................................................... 76 4.3.3.1 Nyírókapacitás .............................................................................................................. 76 4.3.3.2 Az FRP tervezéskor figyelembe vett tényleges szilárdsága ......................................... 77 4.3.3.3 Korlátozások és részletes konstrukciós ajánlás ............................................................ 79
4.4 TORZIÓS MEGERŐSÍTÉS .................................................................................................. 79 4.4.1 Bevezetés ......................................................................................................................... 79 4.4.2 Megerősítő konfigurációk ............................................................................................... 79 4.4.3 Az FRP megerősítéses elem torziós kapacitása .............................................................. 80 4.4.3.1 Torziós kapacitás .......................................................................................................... 80 4.4.3.2 Korlátozások és részletes konstrukciós ajánlás ............................................................ 81
4.5 HATÁROLÁS ........................................................................................................................ 81 4.5.1 Bevezetés ......................................................................................................................... 81 4.5.2 A koncentrikus és enyhén excentrikus terhelés alatt álló FRP-vel határolt elemek axiális kapacitása. ................................................................................................................................ 82 4.5.2.1 A határolásra ható oldalirányú nyomás ........................................................................ 83 4.5.2.1.1 Kör keresztmetszetű elemek ...................................................................................... 85
5
4.5.2.1.2 Négyzet és téglalap alakú keresztmetszetek .............................................................. 86 4.5.3 Az FRP-vel határolt elem nyújthatósága együttes hajlító és axiális terhelés mellett ...... 88
4.6 FESZÍTETTBETON ELEMEK FLEXIÓS MEGERŐSÍTÉSE ............................................ 88 4.6.1 Az FRP alkalmazása feszítettbeton (FB) elemeknél ....................................................... 88 4.6.1.1 A végső határállapot (ULS) tervezése .......................................................................... 88 4.6.1.1 A használhatósági határállapot (SLS) tervezése .......................................................... 90
4.7 FÖLDRENGÉSBIZTOS ALKALMAZÁSOK TERVEZÉSE .............................................. 90 4.7.1 Bevezetés ......................................................................................................................... 90 4.7.1.1 Tervezési célok ............................................................................................................. 90 4.7.1.2 Az FRP megerősítés kiválasztásának szempontjai ....................................................... 91 4.7.2 Az FRP megerősítési stratégiák ...................................................................................... 91 4.7.2.1 A törékenység miatti összeomlási mechanizmusok kiküszöbölése ............................. 92 4.7.2.2 A storey collapse összeomlási mechanizmusok kiküszöbölése ................................... 92 4.7.2.3 A szerkezet általános deformációs kapacitásának fokozása/elősegítése ...................... 92 4.7.2.3.1 A FB elemek helyi elfordulási kapacitásának növelése ............................................ 92 4.7.2.3.2 Kapacitás tervezési kritérium .................................................................................... 93 4.7.3 Biztonsági követelmények .............................................................................................. 93 4.7.3.1 Nyújtható elemek és mechanizmusok .......................................................................... 93 4.7.3.1.1 Együttes hajlító és axiális terhelés ............................................................................ 93 4.7.3.1.2 Chord rotation ........................................................................................................... 93 4.7.3.2 Törékeny elemek és mechanizmusok ........................................................................... 94 4.7.3.2.1. Nyírás ....................................................................................................................... 94 4.7.3.2.2 Lap splices ................................................................................................................. 94 4.7.3.2.3 A hosszanti rudak meghajlása / görbülése ................................................................ 95 4.7.3.2.4. Kapcsolódási pontok ................................................................................................ 96
4.8 FELSZERELÉS, MEGFIGYELÉS ÉS MINŐSÉG-ELLENŐRZÉS .................................... 96 4.8.1 Minőség-ellenőrzés és az alapréteg előkészítése ............................................................ 96 4.8.1.1 Az alapréteg (alréteg) leromlásának felmérése ............................................................ 97 4.8.1.2 A nem megfelelő minőségű beton eltávolítása, a beton alapréteg helyreállítása és a meglévő vasalat védelme. ........................................................................................................ 97 4.8.1.3 Az alapréteg előkészítése ............................................................................................. 97 4.8.2 Ajánlások a felszereléshez............................................................................................... 97 4.8.2.1 A környezet és az alapréteg nedvességtartalma és hőmérséklete................................. 98 4.8.2.2 Konstrukciós részletek ................................................................................................. 98 4.8.2.3 Az FRP rendszer védelme ............................................................................................ 98 4.8.3 Minőség-ellenőrzés az installálás közben ....................................................................... 99 4.8.3.1 Részben romboló vizsgálatok ....................................................................................... 99 4.8.3.2 Nem romboló vizsgálatok ............................................................................................ 99 4.8.4 Személyi képesítési követelmények .............................................................................. 100 4.8.5 A megerősítő rendszer figyelemmel kísérése ................................................................ 101
4.9 SZÁMSZERŰSÍTETT PÉLDÁK ........................................................................................ 101 5 FALAZATOK MEGERŐSÍTÉSE .............................................................................................. 102
5.1 BEVEZETÉS ....................................................................................................................... 102 5.1.1 Érvényesség ................................................................................................................... 102 5.1.2 Történelmi és műemléki épületek megerősítése ........................................................... 102 5.1.3 Az FRP megerősítés tervezési kritériumai .................................................................... 102 5.1.4 A megerősítés racionáléja ............................................................................................. 103
5.2 BIZTONSÁGI ÉRTÉKELÉS .............................................................................................. 103 5.2.1 Szerkezeti modellezés ................................................................................................... 103 5.2.2 Verifikációs kritériumok ............................................................................................... 104
6
5.2.3 Biztonsági verifikációk ................................................................................................. 104 5.3 A LEVÁLÁSI SZILÁRDSÁG FELMÉRÉSE ................................................................. 105 5.3.1 Általános megfontolások és tönkremeneteli módok ..................................................... 106 5.3.2 Kötéserősség a végső határállapotnál (ULS) ................................................................ 107 5.3.3 Kötéserősség s kötés felületére merőleges erők mellett ................................................ 108
5.4 BIZTONSÁGI KÖVETELMÉNYEK ................................................................................. 109 5.4.1 Falazat panelek megerősítése ........................................................................................ 109 5.4.1.1 A síkon kívül eső terheléssel szembeni megerősítés .................................................. 109 5.4.1.1.1 Egyszerű kiborulás .................................................................................................. 109 5.4.1.1.2 Függőleges flexiós törés .......................................................................................... 112 5.4.1.1.3 Vízszintes flexiós törés. ........................................................................................... 113 5.4.1.2 A síkon belüli terheléssel szembeni megerősítés ....................................................... 114 5.4.1.2.1 Síkon belüli kombinált hajlítás és axiális (tengelyirányú) terhelés. ........................ 114 5.4.1.2.2 Nyírószilárdság ........................................................................................................ 115 5.4.2 Áthidalók és kötési területek ......................................................................................... 116 5.4.2.1 Áthidalók tervezése .................................................................................................... 117 5.4.2.2 Kötési területek tervezése ........................................................................................... 118
5.5 EGYES VAGY KETTŐS GÖRBÜLETŰ SZERKEZETI ELEMEK MEGERŐSÍTÉSE .. 118 5.5.1 Boltívek ......................................................................................................................... 118 5.5.1.1 Boltív séma ................................................................................................................. 119 5.5.1.2 Boltív-pillér séma ....................................................................................................... 120 5.5.2 Egyetlen hajlatú boltozatok: dongaboltozatok .............................................................. 120 5.5.2 Kettős hajlatú boltozatok: fedőkupolák ......................................................................... 120 5.5.3.1 Membrán típusú feszültségek ..................................................................................... 120 5.5.3.2 Flexiós típusú feszültségek ......................................................................................... 121 5.5.4 Kettős görbületű boltozatok négyzetes síkon ................................................................ 121
5.6 FALAZOTT OSZLOPOK MEGERŐSÍTÉSE HATÁROLÁSSAL .................................... 121 5.6.1 Axiális terhelést hordozó határolt elemek tervezése ..................................................... 123 5.6.2 Kör alakú oszlopok határolása ...................................................................................... 125 5.6.3 Hasáb alakú oszlopok határolása ................................................................................... 126
5.7 FÖLDRENGÉSBIZTOS ALKALMAZÁSOK TERVEZÉSE ............................................ 129 5.7.1. Tervezési célok ............................................................................................................. 129 5.7.2 Az FRP megerősítés kiválasztásának szempontjai ........................................................ 129
5.8 FELSZERELÉS MEGFIGYELÉS ÉS MINŐSÉGELLENŐRZÉS .................................... 131 5.8.1 Minőség-ellenőrzés és az alapréteg előkészítése .......................................................... 131 5.8.1.1 Az alapréteg leromlásának felmérése ......................................................................... 131 5.8.1.2 A hibás falazati alap eltávolítása és javítása .............................................................. 132 5.8.2 Ajánlások a felszereléshez............................................................................................. 133 5.8.2.1 A környezet és az alapréteg nedvességtartalma és hőmérséklete............................... 133 5.8.2.2 Konstrukciós részletek ............................................................................................... 133 5.8.2.3 Az FRP rendszerek védelme ...................................................................................... 134 5.8.3 Minőség-ellenőrzés az installálás közben ..................................................................... 134 5.8.3.1 Részben romboló vizsgálatok ..................................................................................... 134 5.8.3.2 Nem romboló vizsgálatok .......................................................................................... 135 5.8.4 Személyi képesítési követelmények .............................................................................. 135 5.8.5 A megerősítő rendszer figyelemmel kísérése ................................................................ 136
6. „A” MELLÉKLET ............................................................................................................. 137 (ORTOTRÓP LINEÁRIS RUGALMAS ANYAGOK GYÁRTÁSI TECHNOLÓGIÁI ÉS FESZÜLTSÉG-ALAKVÁLTOZÁSI KAPCSOLATA) ................................................................ 137
6.1 GYÁRTÁSI TECHNOLÓGIÁK ......................................................................................... 137
7
6.1.1 Pultrúzió ........................................................................................................................ 137 6.1.2 Laminálás ...................................................................................................................... 138
6.2 A KOMPOZIT ANYAGOK MECHANIKAI VISELKEDÉSE .......................................... 139 6.2.1 Az anyag szimmetriatengelyétől eltérő irányba fellépő erők hatása ............................. 142 6.2.2 Tönkremeneteli kritériumok .......................................................................................... 145
6.3 A SZÁLERŐSÍTÉSŰ ANYAGOK MECHANIKAI JELLEMZŐINEK MEGHATÁROZÁSÁRA SZOLGÁLÓ VIZSGÁLATOK ....................................................... 146
7. „B” MELLÉKLET (LEVÁLÁS) .......................................................................................... 150 7.1 TÖRÉS / TÖNKREMENETEL LEVÁLÁS MIATT .......................................................... 150 7.2 AZ FRP ÉS A BETON KÖZÖTTI KÖTÉS ........................................................................ 153
7.2.1 Specifikus törési energia ............................................................................................... 153 7.2.2 Kötés megcsúszás törvénye ........................................................................................... 154
7.3 EGYSZERŰSÍTETT MÓDSZER A HAJLÁSI/FLEXIÓS REPEDÉSEK ÁLTALI LEVÁLÁS (2-ES MÓD) SZÁMÍTÁSÁRA A VÉGSŐ HATÁRÁLLAPOTBAN ................... 155
8. „C” MELLÉKLET (VASBETON ELEMEK EGYÜTTES HAJLÍTÓ ÉS AXIÁLIS TERHELÉSE) ................................................................................................................................ 156
8.1 AZ EGYÜTTES HAJLÍTÓ ÉS AXIÁLIS TERHELÉSNEK KITETT FRP-VEL MEGERŐSÍTETT ELEMEK FLEXIÓS KAPACITÁSA ......................................................... 156
9. „D” MELLÉKLET (HATÁROLT BETON) ........................................................................ 159 9.1 A HATÁROLT BETON ÖSSZETÉTELI ALAPTÖRVÉNYE .......................................... 159
10 „E” MELLÉKLET (PÉLDÁK AZ FRP-MEGERŐSÍTÉS TERVEZÉSÉRE) ......................... 161 10.1 GEOMETRIAI, MECHANIKAI, ÉS TERHELÉSI ADATOK ........................................ 161 10.2 AZ ALKALMAZOTT TERHELÉS NÖVELÉSE ............................................................. 162 10.3 FLEXIÓS MEGERŐSÍTÉS TERVEZÉSE ....................................................................... 163 10.4 A NYÍRÓ MEGERŐSÍTÉS TERVEZÉSE ....................................................................... 166 10.5 AZ EGYÜTTES HAJLÍTÓ ÉS ENYHÉN EXCENTRIKUS TENGELYIRÁNYÚ TERHELÉSNEK KITETT OSZLOPOK HATÁROLÁSA ....................................................... 169 10.6 AZ EGYÜTTES HAJLÍTÓ ÉS ERŐSEN EXCENTRIKUS TENGELYIRÁNYÚ TERHELÉSNEK KITETT OSZLOPOK HATÁROLÁSA ....................................................... 172
11. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS ........................................................................................... 174
8
1 ELŐSZÓ
Az anyagok erősítésére használt szálerősítésű anyagok kutatásával és tervezésével foglalkozó szakemberek
egyetértenek abban, hogy Olaszország világszerte elismerést vívott ki ezen a területen mind tudományos
eredményeivel (a tudományos ismeretek bővítésével), mind pedig sajátos és fontos építészeti öröksége
révén. Ez utóbbiak közé tartoznak történelmi és építészeti jelentőségű épületek éppúgy, mint viszonylag új
falazatok, vasbeton, feszített vasbeton és acélszerkezetek. Ez utóbbiak legtöbbje mára elmúlt 30 éves, és
sürgős szerkezeti javításra szorul.
Jól ismertek a fő nemzetközi kezdeményezések azoknak a tervezési útmutatásoknak a létrehozására,
melyekkel ezeket a szükségleteket kívánják kielégíteni. Említést érdemelnek a japán (JSCE – 1997), az
amerikai (ACI 440 – 2000) és az európai útmutatók (FIP-CEB – 2001). A teljesség kedvéért ide kívánkozik
még az Olasz Nemzeti Kutatási Tanács (CNR) által 1999. januárjában jóváhagyott jelentés a ” Nemfémes
betétek betonszerkezetekhez” címmel. Valamennyi fönt említett dokumentum vasbeton szerkezetekkel
foglalkozott.
Ennek az útmutatónak az a célja, hogy az olasz szabályozás keretein belül tájékoztatást nyújtson a meglévő
szerkezeteknek külsőleg fölragasztott szálerősítéses műanyag (FRP) rendszerekkel való megerősítésének
tervezéséhez és kivitelezéséhez. Jelen útmutató természeténél fogva nem kötelező érvényű szabályozás,
mindössze egy segédeszköz a kompozitok iránt érdeklődő, gyakorlati szakemberek számára. Ugyanakkor a
ténylegesen választott megoldásokért a tervező viseli a felelősséget.
Jelen dokumentum a következő témákkal foglalkozik:
- anyagok
- a szálerősítésű műanyag megerősítések alapfogalmai
- vasbeton és feszített vasbeton szerkezetek megerősítése
- falazatok megerősítése.
Jelen dokumentumot a legfrissebb nemzeti és nemzetközi tervezési előírások alapján készítettük el, és
speciális útmutatást nyújt a földrengésnek kitett vasbeton, feszített vasbeton szerkezetek és falazatok
megerősítéséhez is.
Az első témakör a szálerősítésű műanyagok számos előnyét és néhány hátrányát ismerteti. Tartozik hozzá
ezen kívül egy függelék (A függelék), amelyben a kompozit anyagok mechanikai jellemzésére szolgáló
9
fogalmakat mutatjuk be. A szálerősítésű műanyagok és a hagyományos anyagok közötti jellegzetes
különbségek (például anizotróp viselkedésük) mellett kiemeljük a rájuk vonatkozó alapvető
törvényszerűségeket.
A fennmaradó témaköröket a CNR által készített műszaki dokumentumok szokásos stílusában készítettük
el. Munkánk során az Eurocode-ok megközelítését alkalmaztuk: állításainkat két részre osztottuk Elméleti
Megállapítások és Alkalmazási Szabályok címmel. Minden megállapítást növekvő sorszámmal jelöltünk
meg, az elveket pedig egy-egy betűjellel láttuk el (P). Az elméleti megállapítások közé tartoznak a
következők:
- általános érvényű mechanikai-szerkezeti megállapítások és meghatározások,
- a lehetséges alternatívák esetén alkalmazandó, tudományosan elfogadott követelmények és
analitikai modellek (hacsak azt másként nem jelöljük).
Az Alkalmazási szabályok az Elméleti megállapításoknak megfelelő és azok követelményeit kielégítő, széles
körben elismert eljárások.
1
10
Jelen dokumentum négy további függeléket tartalmaz:
- a B függelék egyik részében a tapadás megszűnéséből eredő szerkezetromlást tárgyaljuk,
másik részében a szálerősítésű műanyag és a beton alapréteg közötti kötésre vonatkozó
alaptörvényekre térünk ki.
- a C függelék a hajlító és axiális erőknek kitett szálerősítésű műanyagokkal megerősített
vasbeton oszlopok tervezéséről szól,
- a D függelékben a feszített betonnal foglalkozunk,
- az E függelék számszerűsített példákat hoz a szálerősítésű műanyaggal megerősített vasbeton
elemekről.
Ezt a műszaki dokumentációt egy munkacsoport készítette, amelynek tagjai:
Prof. AIELLO, Maria Antonietta - Leccei Egyetem
Prof. ASCIONE, Luigi - Salernói Egyetem
Prof. BARATTA, Alessandro - II. Frigyes Egyetem, Nápoly
Dr. BASTIANINI, Filippo - Bolognai Egyetem
Prof. BENEDETTI, Andrea - Bolognai Egyetem
Dr. BERARDI, Valentino Paolo - Salernói Egyetem
Prof. BORRI, Antonio - Perugiai Egyetem
Prof. BRICCOLI BATI, Silvia - Firenzei Egyetem
Dr. CERONI, Francesca - Sannio - Beneventói Egyetem
Dr. CERSOSIMO, Giuseppe - Interbau S.r.l.-Miláno
Prof. COSENZA, Edoardo - II. Frigyes Egyetem, Nápoly
Dr. CREDALI, Lino - Ardea S.r.l. - Casalecchio (BO)
Dr. DE LORENZIS, Laura - Leccei Egyetem
Prof. FAELLA, Ciro - Salernói Egyetem
Dr. FANESI, Elisabetta - Milánói Műszaki Egyetem
Prof. FEO, Luciano - Salernói Egyetem
Prof. FORABOSCHI, Paolo - IUAV - Velence
Prof. FRASSINE, Roberto - Milánói Műszaki Egyetem
Dr. GIACOMIN, Giorgio - Maxfor - Quarto d’Altino (VE)
11
Dr. GRANDI, Alberto - Leccei Egyetem
Prof. LAGOMARSINO, Sergio - Genovai Egyetem
Prof. LUCIANO, Raimondo - Cassinói Egyetem
Prof. MACERI, Franco - “Tor Vergata” Egyetem, Róma
Prof. MAGENES, Guido - Paviai Egyetem
Prof. MANFREDI, Gaetano - II. Frigyes Egyetem, Nápoly
Dr. MANTEGAZZA, Giovanni - Ruredil S.p.a. - Milánó
Dr. MARTINELLI, Enzo - Salernói Egyetem
Prof. MODENA, Claudio - Padovai Egyetem
Prof. MONTI, Giorgio - “La Sapienza” Egyetem, Róma
Dr. MORANDINI, Giulio - Mapei S.p.a. - Milánó
Prof. NANNI, Antonio - II. Frigyes Egyetem, Nápoly
Prof. NIGRO, Emidio - II. Frigyes Egyetem, Nápoly
Prof. OLIVITO, Renato Sante - Calabriai Egyetem, Cosenza
Prof. PASCALE, Giovanni - Bolognai Egyetem
Prof. PECCE, Maria Rosaria - Sannio - Beneventói Egyetem
Prof. PISANI, Marco Andrea - Milánói Műszaki Egyetem
Prof. POGGI, Carlo - Milánói Műszaki Egyetem
Dr. PROTA, Andrea - II. Frigyes Egyetem, Nápoly
Prof. REALFONZO, Roberto - Salernói Egyetem
Prof. ROSATI, Luciano - II. Frigyes Egyetem, Nápoly
Prof. SACCO, Elio - Cassinói Egyetem
Prof. SAVOIA, Marco - Bolognai Egyetem
Prof. SPACONE, Enrico - Chieti Egyetem
Koordinátorok:
- ’Anyagok’ fejezet: Prof. FRASSINE, Roberto, Prof. POGGI, Carlo
- ’A megerősítés-tervezés alapfogalmai és speciális kérdések’ fejezet: Prof. MONTI, Giorgio
Prof. NANNI, Antonio
- ’Vasbeton és feszített vasbeton szerkezetek’ fejezet: Prof. ASCIONE, Luigi; Prof. MANFREDI, Gaetano;
Prof. MONTI, Giorgio
- „Falazatok” c. fejezet: Prof. BENEDETTI, Andrea; Prof. SACCO Elio.
Általános koordinátor:
Prof. ASCIONE, Luigi
12
Műszaki titkárság:
Prof. FEO, Luciano; Prof. ROSATI, Luciano.
1.1 NYILVÁNOS BEMUTATÁS
Közzététele után a 200/2004. számú dokumentumot nyilvános vitára bocsátották 2004. novembere és 2005.
januárja között. A nyilvános vitát követően a dokumentumot néhány helyen módosították és/vagy
kiegészítették, többek között a nyomdahibákat javították, az eredeti változatban nem tárgyalt témákkal
bővítették, míg az irrelevánsnak ítélt témákat törölték.
A javított és frissített dokumentumot a szerzők a 2005. márciusában, a CNR római központjában tartott
értekezletükön megvitatták, és elfogadták.
Ezt a műszaki dokumentumot az „Építőipari Műszaki Ajánlások Tanácsadó Testülete” tervezet formájában
2004. 07. 13-án, majd végleges formájában 2005. 05. 13-án elfogadta.
Ez utóbbi változat tartalmazza a nyilvános vita eredményeként született módosításokat. Az Építőipari
Műszaki Ajánlások Tanácsadó Testület tagjai:
Prof. ANGOTTI, Franco - Firenzei Egyetem
Prof. ASCIONE, Luigi - Salernói Egyetem
Prof. BARATTA, Alessandro - II. Frigyes Egyetem, Nápoly
Prof. CECCOLI, Claudio - Bolognai Egyetem
Prof. COSENZA, Edoardo - II. Frigyes Egyetem, Nápoly
Prof. GIANGRECO, Elio - II. Frigyes Egyetem, Nápoly
Prof. JAPPELLI, Ruggiero - “Tor Vergata” Egyetem, Róma
Prof. MACERI, Franco - “Tor Vergata” Egyetem, Róma
Prof. MAZZOLANI, Federico Massimo - II. Frigyes Egyetem, Nápoly
Prof. PINTO, Paolo Emilio - “La Sapienza” Egyetem, Róma
Prof. POZZATI, Piero - Bolognai Egyetem
Prof. SOLARI, Giovanni - Genovai Egyetem
Prof. URBANO, Carlo - Milánói Műszaki Egyetem
Prof. ZANON, Paolo - Trentói Egyetem
___________________________________________________________________________
3
13
1.2 A FELHASZNÁLT JELÖLÉSEK Általános jelölések (.)c betonra vonatkozó érték (.)cc keresztirányú alakváltozással gátolt betonra vonatkozó érték (.)d tervezés során figyelembe vett érték (.)f a szálerősítésű kompozitokra vonatkozó érték (.)k jellemző érték (.)mc keresztirányú alakváltozással gátolt falazatra vonatkozó érték (.)R ellenállásra vonatkozó érték (.)s acélvasalás mennyisége (.)S követelményre vonatkozó érték Latin nagybetűk Ac beton keresztmetszete acélbetétek nélkül A f az FRP betétek keresztmetszeti területe A fw az FRP nyírási betétek keresztmetszeti területe A l a hosszanti acélbetétek összes területe Asw egy kengyelszár területe As1 a húzott acélbetétek keresztmetszeti területe As2 a nyomott acélbetétek keresztmetszeti területe Ec a beton Young-féle rugalmassági modulusa Ef az FRP megerősítő Young-féle rugalmassági modulusa Efib a megerősítő szál Young-féle rugalmassági modulusa Em az ágyazóanyag Young-féle rugalmassági modulusa Es az acélbetétek Young-féle rugalmassági modulusa Fmax,d az FRP megerősítéssel a betonra átadott maximális húzóerő tervezési értéke Fpd a falazatra ragasztott FRP megerősítés által átadott maximális lehorganyzóerő tervezési értéke a
felületre merőleges irányban ható erő jelenlétében. Ga a ragasztóanyag nyírási modulusa Gc a beton nyírási modulusa Io a berepedt és meg nem erősített vasbeton keresztmetszet tehetetlenségi nyomatéka
14
I1 a berepedt és FRP-vel megerősített vasbeton keresztmetszet tehetetlenségi nyomatéka Ic az idealizált keresztmetszet tehetetlenségi nyomatéka If az FRP megerősítés tehetetlenségi nyomatéka a saját súlyvonalára vonatkoztatva a gerenda
semleges tengeléyvel párhuzamosan. MRd az FRP-vel megerősített elem nyomatéki ellenállása MSd a terhekből számított nyomaték tervezési értéke Mo az FRP megerősítés alkalmazása előtt ható hajlító nyomaték M1 a vasbeton keresztmetszetre ható hajlító nyomaték az FRP-megerősítés alkalmazása után NRcc,d az FRP által keresztirányú alakváltozás korlátozására megerősített beton elem tengelyirányú
teherbírása NRmc,d az FRP által keresztirányú alakváltozás korlátozására megerősített falazat tengelyirányú teherbírása NSd faktorált axiális erő Pfib a szálak súlyaránya Pm az ágyazóanyag súlyaránya Tg a műgyanta üvegesedési hőmérséklete Tm a műgyanta olvadáspontja TRd az FRP-vel körülvett betonelem csavarónyomatéki teherbírása TRd,f az FRP részesedése a csavarónyomatéki teherbírásból TRd,max a nyomott beton rácsrúd csavarónyomatéki teherbírása TRd,s a vasalás részesedése a csavarónyomatéki teherbírásból TSd a terhekből számított csavarónyomaték a biztonsági tényezők figyelembevételével Tx szálszám x irányban V fib a szálak térfogataránya VRd az FRP-vel megerősített elem nyírási teherbírása VRd,ct a beton részesedése a nyírási teherbírásból VRd,max a beton maximális részesedése a nyírási teherbírásból VRd,s a vasalás részesedése a nyírási teherbírásból VRd,f az FRP részesedése a nyírási teherbírásból VRd,m a falazat részesedése a nyírási teherbírásból
15
VSd a terhéből számított nyíróerő a biztonsági tényezők figyelembevételével Latin kisbetűk bf az FRP megerősítés szélessége d a nyomott szélső szál és a húzott acélbetétek súlypontjának távolsága fbd a tapadószilárdság tervezési értéke fbk a tapadószilárdság karakterisztikus értéke fc a beton nyomószilárdsága a hengeren mérve fccd a kereszirányú acélvasalással szemben gátolt beton nyomószilárdság tervezési értéke fcd beton nyomószilárdság tervezési értéke fck a beton nyomószilárdság karakterisztikus értéke fctm a beton húzószilárdság átlagértéke ffd az FRP megerősítés szilárdságának tervezési értéke ffdd az FRP megerősítés leválási szilárdságának tervezési értéke (1-es mód) ffdd,2 az FRP megerősítés leválási szilárdságának tervezési értéke (2-es mód) ffed az FRP nyírási megerősítés hatékony szilárdságának tervezési értéke ffk az FRP megerősítés szilárdságának karakterisztikus értéke ffpd az FRP megerősítés tervezés során figyelembe vett leválási szilárdsága fmk a falazat nyomószilárdságának karakterisztikus értéke fhmk a falazatok nyomószilárdságának karakterisztikus értéke vízszintes irányban fmcd az FRP-vel körbevett falazat nyomószilárdságának karakterisztikus értéke fmd a falazat nyomószilárdságának tervezési értéke fhmd a falazat nyomószilárdságának tervezési értéke vízszintes irányban fmtd a falazat húzószilárdságának tervezési értéke fmtk a falazat húzószilárdságának karakterisztikus értéke fmtm falazat húzószilárdságának átlagértéke fvd a falazat nyírószilárdságának tervezési értéke fvk a falazat nyírószilárdságának karakterisztikus értéke fy a hosszanti vasalás folyáshatára fyd a hosszanti vasalás folyáshatárának tervezési értéke fywd a keresztirányú vasalás folyáshatárának tervezési értéke f1 keresztirányú alakváltozást gáltó hatásból származó oldalnyomás f1,eff keresztirányú alakváltozást gátló hatásból származó oldalnyomás hatékony értéke keff keresztmetszet magassága kH keresztirányú alakváltozást gátló hatás hatékonyságának együtthatója kV függőleges irányú hatékonysági együttható kα hatékonysági együttható a szálaknak a határolt elem hosszanti tengelyével bezárt szögére
vonatkozóan lb tapadási hossz le optimális tapadási hossz pb a betétek rétegei közötti távolság a falazat oszlopainak megerősítésében pf az FRP szalagok vagy a nem folytonos FRP U-szövetek közötti távolság s relatív elmozdulás sf teljes leváláskor relatív elmozdulás tf az FRP szalag vastagsága wf az FRP szalag szélessége x a nyomott szélső szál távolsága a semleges tengelytől Görög nagybetűk
a fajlagos törési energia jellemző értéke
16
a fajlagos törési energia tervezési értéke
Görög kisbetűk αfE a szövetmerevség biztonsági tényezője αff a szövetszilárdság biztonsági tényezője γm anyagok parciális biztonsági tényezője γRd az ellenállási modellekben biztonsági tényező εo a húzott beton szélső szál alakváltozása FRP megerősítés alkalmazása előtt εc a nyomott beton szélső szál alakváltozása εfccd a keresztirányú alakváltozásban gátolt beton alakváltozó képességének tervezési értéke εco a nyomott beton szélső szál alakváltozása FRP megerősítés alkalmazása előtt εcu a beton törési összenyomódása εf az FRP megerősítés alakváltozása εfd az FRP megerősítés alakváltozásának tervezési értéke εfd,rid az FRP megerősítés tervezés során figyelembe vett csökkentett nyúlása keresztirányú
alakváltozásban gátolt elemek esetén εfk az FRP megerősítés alakváltozás képességének jellemző értéke εfdd az FRP megerősítés maximális nyúlása leválás előtt εmcu a keresztirányú alakváltozásban gátolt falazat törési összenyomódása εmu a falazat törési összenyomódása εs1 a húzott acélbetétek alakváltozása εs2 a nyomott acélbetétek alakváltozása εyd az acélbetétek folyási határának tervezési értéke η konverziós tényező νfib a szálak Poisson-tényezője νm az ágyazóanyag Poisson-tényezője ρfib a szálak sűrűsége ρm az ágyazóanyag sűrűsűge σc feszültség a betonban
17
σf feszültség az FRP megerősítésben σs feszültség a húzott acélbetétekben σSd a falazatra merőleges feszültség, ami a falazat és az FRP megerősítés közötti felületre hat τb,e ekvivalens nyírófeszültség a ragasztó és a beton érintkező felületén φu görbület a töréskor φy görbület a megfolyáskor
18
2 ANYAGOK
2.1 BEVEZETÉS A polimer ágyazóanyagú folytonos kialakítású szálerősítésű anyagok (FRP) kompozit, heterogén és anizotróp jellegű anyagoknak tekinthetők, uralkodóan lineárisan rugalmas viselkedéssel egészen a szakadásig. Széles körben alkalmazzák ezeket az anyagokat építmények megerősítésére. Az FRP anyagok alkalmazásának számos előnye van: könnyűek, jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, korrózióállóak stb. A szerkezeti megerősítésre szolgáló kompozitok többféle alakban állnak rendelkezésre a szabályos felületű elemek megerősítésére szolgáló szalagoktól a kétirányú szövetekig, amelyek könnyen igazodnak a megerősítendő elem alakjához. A kompozitok olyan alkalmazásokban is megfelelőek, ahol meg kell őrizni az eredeti (pl. történeti vagy művészettörténeti jelentőségű épületek esetében), vagy ahol a hagyományos szerkezeti megerősítési módot nem lehet hatékonyan alkalmazni. Találni példákat a polimer ágyazóanyagú nem folytonos szálakat tartalmazó kompozitokkal, illetve inorganikus ágyazóanyagú, folytonos szálakkal való megerősítésekre is, melyek közül ez utóbbi bizonyult különösen figyelemre méltónak. Ebben a dokumentumban azonban ezekkel a megerősítési módszerekkel nem foglalkozunk, mert a rendelkezésre álló irodalom nem elegendő a megbízható szerkezeti alkalmazások biztosításához. Ez a fejezet a kompozitokkal, alkotóelemeikkel (szál, ágyazóanyag, kötőanyag) valamint fizikai és mechanikai tulajdonságaikkal kapcsolatos alapvető ismereteket foglalja össze. Mindez az információ szükséges ahhoz, hogy meg tudjuk ítélni, mi szól a szálerősítésű kompozitok mellett és ellen, hogy kihasználhassuk előnyeiket, és lehetőség szerint enyhítsük a hátrányos tulajdonságaik hatását. Ennek különös jelentősége van az olyan FRP megerősített szerkezetek tartósságának biztosításában, ahol hagyományos anyagokat pl. betont vagy falazatot kapcsolunk össze csúcstechnológiájú anyagokkal. A szálerősítésű kompozitok technológiai és mechanikai tulajdonságait jól ismerő olvasók akár át is ugorhatják a 2.2 és 2.3 fejezetet, és tovább léphetnek a 2.4. fejezethez.
2.2 A KOMPOZITOK TULAJDONSÁGAI ÉS ALKOTÓELEMEI A kompozit anyagok tulajdonságai a következők:
• Két vagy több különböző természetű anyagból (fázisból) állnak, amelyek makroszkopikusan megkülönböztethetők egymástól.
• Legalább két fázis fizikai és mechanikai tulajdonságai olyan jelentősen különböznek egymástól, hogy a keletkező FRP anyag tulajdonságai is különböznek alkotórészeinek tulajdonságaitól.
A polimer ágyazóanyagú szálerősítésű kompozitok mindkét, fent leírt jellemzővel rendelkeznek. Tulajdonképpen egyrészt organikus (szerves) polimer mátrixból, másrészt erősítő szálakból állnak, amelyek tulajdonságait a 2-1. táblázatban foglaltuk össze. Mint látható, a szénszálak rugalmassági modulusa jóval magasabb a tipikus építőanyagokénál, emiatt a szénszálak szerkezeti szempontból sokkal hatékonyabbak. Az erősítésre használt egyéb anyagokkal szembeni potenciális problémákat a tervezőknek és kivitelezőknek gondosan mérlegelniük kell. Az ágyazóanyag izotróp anyagnak tekinthető, míg a megerősítő fázis, az üvegszál kivételével, anizotróp (különböző tulajdonságok különböző irányokban). Az FRP anyagok meghatározó jellemzői a következők: Geometria: Alak és méret.
19
Szál irányultság (orientáció): a szálak irányultsága az anyag szimmetria tengelyeire vonatkoztatva; amennyiben véletlenszerű, a kompozit tulajdonságai az izotróp anyagokéhoz hasonló („kvázi izotróp”). Minden más esetben a kompozit anizotróp anyagnak tekinthető. Szál koncentráció: térfogat arány, eloszlás (megoszlás). Következésképpen a kompozitok a legtöbb esetben inhomogén és anizotróp anyagok. 2-1 táblázat – A szálak, a gyanták és az acél tulajdonságainak összehasonlítása (tipikus értékek). Young-
féle rugalmassági modulus Ε
Szakító-szilárdság σr
Szakadási nyúlás εr
Hőtágulási együttható α
Sűrűség ρ
[GPa] [MPa] [%] [10 -6 °C-1 ] g/ cm3
E-üveg 70 80 2000 3500 3,5 – 4,5 5 – 5.4 2,5 – 2,6 S-üveg 85 90 3500 4800 4,5 – 5,5 1,6 – 2,9 2,46 – 2,49 Szén (nagy rug. modulussal)
390 - 760 2400 3400 0,5 – 0,8 -1,45 1,85 – 1,9
Szén (nagy szakítószilárdságú)
240 280 4100 5100 1,6 – 1,73 -0,6 -0,9 1,75
aramid 62 -180 3600 3800 1,9 – 5,5 -2 1,44 – 1,47 polimer ágyazóanyag 2,7 – 3,6 40 – 82 1,4 – 5,2 30 – 54 1,10 – 1,25 acél 206 250 – 400
(megfolyás) 350 – 600 (szakadás)
20 – 30 10,4 7,8
Az FRP tulajdonságainak összegzése érdekében tanácsos két, gyártási technológiától független kategóriába sorolni a szálerősítésű kompozitokat: • egyrétegű • többrétegű A többrétegű kompozitok egymásra pakolt rétegekből készült anyagok, amelyeknek vastagsága általában néhány tized milliméter. A legegyszerűbb esetben a szálak csak a réteg síkjában ágyazódnak be (nincsenek erre a síkra ortogonálisan rendezett szálak). A többretegű kompozitok mérete egy köztes érték a szálak és a mérnöki szerkezetek mérete között (2-2 táblázat). Van a többrétegű kompozitoknak egy speciális kategóriája, az úgynevezett hibrid kompozitok, ahol minden egyes réteg különböző szálak (pl. epoxi ágyazóanyagú kompozitok szén és aramid szálakkal merev és szívós kompozitot ad) vagy különböző anyagok (pl. epoxigyanta és aramid és alumínium szálak) váltakozó rétegeiből álló kompozitot eredményez. A többrétegű kompozitok fő előnye a szálak elrendezésének nagyobb szabadságfokában rejlik.
20
2-2 táblázat – A polimer ágyazóanyagú szálas kompozitok méretei reprezentatív méretek
Atomok Polimer molekulák Biológiai polimerek Kristályok /kristályos anyagok Mikroszemcsék Szálak átmérője FRP szövetek vastagsága Többrétegú FRP kompozitok vastagsága laminátok hosszúsága Építmények
___________________________________________________________________________
8
Az FRP anyag mechanikai tulajdonságai – anizotróp jellemzőinek köszönhetően – a vonatkoztatási rendszer megválasztásától függenek. A fő tengelyeket általában az anyag szimmetriatengelyével párhuzamosan választják meg (természetes tengelyek). A 2-1-es ábra az egyirányú FRP anyag esetét szemlélteti.
2-1 ábra – Az egyirányú FRP anyag tengelyei. A kompozitok különböző irányokban mutatott tulajdonság-értékeinek aránya az anizotrop arány. A 2-3-as táblázatban bemutatjuk néhány egyirányú kompozitnak a fő jellemzőkre vonatkozó anizotrópia arány-értékét (E1 Young rugalmassági modulus; Gij : nyíró modulus, σri szakadási nyúlás, α1 hőtágulási együttható) 2-3 táblázat – A szálerősítésű, egyirányú kompozitok anizotropia arányszámai (szokványos értékek).
E1 /E2 E1 / G12 . σr1/. σr2 α1/α2 Szilícium karbid/kerámia 1,09 2,35 17,8 0,93 Bór/alumínium 1,71 5,01 11,6 0,30 Szilícium karbid/alumínium 1,73 5,02 17,0 0,52 S-üveg/epoxi 2,44 5,06 28,0 0,23 E-üveg/epoxi 4,42 8,76 17,7 0,13 Bór/epoxi 9,27 37,40 24,6 0,20 Szén/epoxi 13,60 19,10 41,4 -0,07 Aramid/epoxi 15,30 27,80 26,0 -0,07 A kompozit anyagok erősebbek és merevebbek lehetnek (szénszálas polimer), mint a hagyományos építőanyagok. Következésképpen a kompozitok különösen előnyösek azokban az esetekben, amikor a szerkezet súlyát is számításba kell venni. Az FRP szakítószilárdsága és rugalmassági modulusa négyszerese, illetve kétszerese lehet a hagyományos anyagok mutatóinak. Ez azt jelenti, hogy a kompozit anyagból
21
készült épület/elem/struktúra súlya alig fele az azonos merevségű hagyományos anyagokból készült szerkezetének. A kompozit fázisainak természete határozza meg az FRP anyagok végleges tulajdonságait. A nagy mechanikai szilárdsággal rendelkező kompozitok létrehozásához nem elegendő az „erős” szálak használata. Feltétlenül szükséges az ágyazóanyag és a teherviselő szálak közötti jó tapadás is. A megfelelő tapadást általában egy harmadik komponens segítségével érik el, amelyet nagyon vékony rétegben visznek föl a szálak felületére, és amely biztosítja a szálak és a szerves ágyazóanyag kompatibilitását. Ez a felületkezelés egy közbenső fázis jelenlétét követeli meg a mátrix és a szálak között, amelyet közbenső fázisnak (interface vagy interphase) neveznek (2-2 ábra). Az intermedier fázis jellemzően nagyon vékony (gyakran mindössze egy atom vastagságú) réteg, amely közvetlenül a szál felületén helyezkedik el, és alapvető fontosságú az anyag végső tulajdonságainak szempontjából.
2-2 ábra – Az FRP kompozit fázisainak megjelenítése. Az FRP kompozitok szerkezeti hibáit gyakran az ágyazóanyag és a szálak közötti tapadás hiánya okozza, ezért az FRP anyagok gyártóinak különös gondot kell fordítaniuk a leginkább megfelelő összetevők kiválasztására, hogy a tapadás minél erősebb legyen. 2.2.1 A kompozit anyagokban használt szálak A kompozitokban leggyakrabban üveg-, szén- és aramidszálakat használnak. Ez az egydimenziós geometria kifejezetten alkalmas a kompozitok gyártására, és a háromdimenziós FRP-knél merevebb és szilárdabb FRP-kompozitokat eredményeznek. Ez annak köszönhető, hogy az egydimenziós konfigurációkban kisebb a hibák sűrűsége, mint a háromdimenziós elemekben.
2.2.1.1 A kereskedelmi forgalomban elérhető szálak, és osztályozásuk
A szálak rendkívül vékony, folytonos rostokból állnak, ezért elég nehéz a tulajdonságukat egyenként módosítani. Emiatt különböző alakban érhetők el a piacon (lásd: 2-3 ábra). Az alábbiakban rövid ismertetést adunk a leggyakoribb száltípusokról:
• Szál: egyedi szál, kb. 10 µm-es átmérővel • Párhuzamos szálköteg: sodrás nélküli folytonos szálakból álló köteg • Sodort szálköteg: szálakból sodort folytonos szálköteg, ami textilanyagok szövésére alkalmas • Roving: párhuzamos vagy sodort szálköteg egymással párhuzamos, alig vagy egyáltalán nem
sodrott kötege
22
2.3 Ábra – Száltípusok
Több párhuzamos vagy sodort szálköteg kombinálásával szalagot kapunk, amelyben a szálkötegek elrendezhetők egymás mellett, illetve rávarrhatók vagy ráerősíthetők egy hordozóanyagra. A szálak osztályozását a textilszálak hagyományos osztályozása alapján végezzük. A szálkötegek gyártásához alkalmazott szálakat elsősorban vegyi összetételük vagy egységnyi hosszra eső tömegük alapján lehet jellemezni. A fonalfinomság (egységnyi hosszra eső tömeg) mértékegysége az ISO 2974:2000(E) alapján a TEX, ami egy kilométernyi szál 1 grammos tömegének felel meg. A fonalfinomság másik – immár nem használatos - mértékegysége a denier, ami 0,11·TEX-szel egyenlő. Az üvegszál műszaki jelölése megfelel az ISO 1139:1973(E) és ISO 2078:1993(E) szabványoknak, és az alábbi tagokból áll: Első betű: a felhasznált üveg típusát jelzi
• Második betű: a felhasznált szál típusát jelzi - C (Folytonos szálak esetén) - D (Vágott szálak esetén)
• Az első szám a szál névleges átmérőjét jelzi µm-ben • A második szám a szál fonalfinomságát jelzi TEX-ben • A torzió (csavarodás) iránya és értéke, rpm-ben (opcionális) / lásd: 2-4 ábra • A sodrott szál elkészítéséhez felhasznált szálak száma (opcionális) • A gyártó címkéje, amin szerepel a termék összes olyan információja, amit a kód nem tartalmaz
(opcionális)
SZÁL
PÁRHUZAMOS SZÁLKÖTEG
SODORT SZÁLKÖTEG
ROVING
23
2-4 ábra - A két lehetséges sodrási irány meghatározása
Példák a címkézésre:
• EC10 40: folytonos szál, E-üvegből, 10 µm-es átmérővel, és 40 TEX-es fonalfinomsággal • EC9 34 Z 40: folytonos szál, E-üvegből, 9 mm-es átmérővel, 34 TEX-es fonalfinomsággal, 40 rpm-
es sodrással. A Z betű azt jelenti, hogy a sodrás iránya az ISO 1139:1973(E) szabvány szerint pozitív (a negatív sodrást az S betű jelöli).
• EC9 34 Z 160 x 4 S 150: az "x” előtti kód arra utal, hogy egy több azonos szálból álló kötegről van szó. A következő szám (4) a szálak számát mutatja, míg az S betű a 150 rpm-es negatív sodrást jelöli.
• EC9 x 4 S 150: az előző szál egyszerűsített jelölése. A szerkezeti kompozitokhoz használt sodort szálkötegek általában EC5 10 x 2 vagy SC5 4 x 2 jelölésűek, attól függően, hogy az E-, illetve S-üvegből készültek-e. A szénszálas fonalakat általában „k” betűvel jelölik, ami „ezer” mértékegységet jelent (vagyis: 1k szálköteghez 1000 szálra volt szükség (66,6 TEX), míg egy 3k-s szálköteghez 3000 szálra (200 TEX) stb.). Jellemző k-értékek: 0,5k, 1k, 3k, 6k, 12k, 18k, 24k és 48k. A fonalakon és előfonatokon kívül a szálakat szövet formájában is meg lehet vásárolni. Ebben az esetben a szálak elosztása kváziizotróp tulajdonságokat kölcsönöz a szövetnek. Az ilyen anyagokban a főirányt láncnak (warp), míg a merőleges irányt vetüléknek (weft) nevezik.
2.2.1.2 Üvegszálak
Üvegszálakból elsősorban közepes ill. nagy teljesítőképességű kompozitokat állítanak elő a hajózás és az ipar számára. Az üvegszálak jellemző tulajdonsága a nagy szilárdság. Az üveg elsősorban szilícium-dioxidból (SiO2) áll, annak tetraéderes (SiO4) változatában. Ehhez alumínium-oxidot és egyéb fémes ionokat adnak különböző arányban (2-4 táblázat), amellyel megkönnyítik az anyag alakíthatóságát, illetve módosítják bizonyos tulajdonságait (pl. az S-üvegből készült szálak nagyobb szakítószilárdsággal rendelkeznek, mint az E-üvegszálak). 2-4 táblázat – Az üvegszálak jellemző összetétele (tömeg %-ban) E-üveg S-üveg Szilícium-dioxid 54,3 64,20 Alumínium-oxid 15,2 24,80 Vas-oxid - 0,21 Kalcium-oxid 17,2 0,01 Magnézium-oxid 4,7 10,27 Nátrium-oxid 0,6 0,27 Bór-oxid 8,0 0,01 Bárium-oxid - 0,20 Egyéb - 0,03
Az üvegszálat szálhúzással készítik homok, timföld és mészkő keverékéből. Az összetevőket egy tartályban szárazon összekeverik, majd olvadáspontra (1260 °C-ra) hevítik. A olvadt üveget közvetlenül platinaperselyekre öntik, ahonnan gravitációs úton átfolyik a perselyek alján lévő lyukakon keresztül. A szálakat ezután 204 szálból álló pászmákba rendezik. Egy-egy szál átlagos átmérője 10 µm. A szálakat általában valamilyen bevonat fedi. A fonalakat kötegekbe rendezik, a legtöbbször sodrás nélküli rovingot készítenek belőlük. Az építőiparban alkalmazott előfonat fonalfinomságának értéke általában meghaladja a 2000 TEX-et.
24
Az üvegszálak vékony lemezek, úgynevezett fonatok formájában is kaphatók. Egy fonat állhat hosszú, folytonos, vagy rövid szálakból (pl. általában 25-50 mm hosszú, vágott szálból), vagy lehet véletlenszerű elrendezésű (2-5 ábra), és kémiai kötőanyag tartja össze. A fonatok szélessége változó: 5 cm-től 2 m-ig terjedhed, sűrűségük pedig kb. 0,5 kg/m2. Az üvegszálak rugalmassági modulusa rendszerint (az E-üvegszál esetén 70 GPa) kisebb, mint a szén, vagy aramidszálaké, kopásállóságuk pedig viszonylag rossz, emiatt alakkításuk során különös óvatossággal kell eljárni. Az üvegszálak hajlamosak a kúszásra, és alacsony a fáradási szilárdságuk. A szálak és a mátrix közötti tapadás fokozása, valamint a szálak alkáli anyagoktól és nedvességtől való védelme érdekében a szálakat bevonattal látják el, ami összetartó erőként hat a szálak között. A bevonatolás javítja a kompozit anyagok tartósságát, valamint statikus és dinamikus fáradási tulajdonságaikat. Az üvegszál-alapú FRP kompozitokat általában GFRP-nek nevezzük.
2-5 ábra – Üvegszál fonat
2.2.1.3 Szénnszálak
A nagy szilárdságú és nagy rugalmassági modulussal rendelkező szénszálakat elsősorban a nagy teherbíró képességük miatt alkalmazzák. A szénszálak ridegtörésra hajlamosak, és viszonylag rossz az energiaelnyelő képességük, bár szakítási szilárdságuk az üveg- és aramidszálakhoz képest kedvezőbb. A szénszálak kevésbé hajlamosak a kúszásra és a fáradásra, szakítószilárdságuk pedig hosszú idő után is csak kevéssé csökken. A grafit hexagonális kristályszerkezettel rendelkezik, ahol a síkbeli elrendezésű szénatomokat keresztirányban Van der Waals kötések tartják össze. Ezek a keresztirányú kötések sokkal gyengébbek, mint a hosszirányban lévő szénatomok közötti (kovalens) kötések. Emiatt a karbonszálak rugalmassági modulusa és szilárdsága szálirányban rendkívül nagy, míg keresztirányban sokkal kisebb (ezt nevezzük anizotróp viselkedésnek). Noha a szénszálak szerkezete nem annyira kristályos, mint a grafité, a köznyelvben mégis a „grafitszál” kifejezést használják a 99%-nál nagyobb karbontartalmú szálak megnevezésére. A „szénszál” kifejezést inkább a 80-95% közötti széntartalmú szálakra használják. A párhuzamos szálkötegekben lévő szálak száma 400 és 160000 között változik. A szénszálak korszerű gyártási eljárása alapvetően a pirolízisre (vagyis a szerves anyagok oxigénhiányos közegben történő hőbomlására) épül. Ezeket a szerves anyagokat elővegyületeknek (prekurzoroknak) hívjuk. A leggyakoribb elővegyület a poliakrilnitril (PAN) és a műselyem szál. A PAN szálakat először 200-240 °C-os, 24 órán át tartó hőkezeléssel „stabilizálják”, melynek során molekulaszerkezetük az alkalmazott terhelés irányába orientálódik. A második lépésben semleges atmoszférában, 1500 °C-on elszenesítik, melynek során eltávolítják a szénen kívül az összes kémiai alkotóelemet. Az elszenesített szálakon szoktak még végezni egy grafitosító kezelést 3000 °C-os, semleges atmoszférában, amellyel a
25
grafithoz hasonló, teljesen kristályos szerkezetet állítanak elő. A szén-alapú FRP kompozitokat általában CFRP-nek nevezzük.
2.2.1.4 Aramidszálak
Az 1971-ben kifejlesztett aramidszálak rendkívül orientált elrendezésű aromás poliamidból készült szerves szálak. Fő jellegzetességük a nagy szívósság. Rugalmassági modulusok és szakítószilárdságuk az üvegszálak és a szénszálak között van (2-6 és 2-7 ábrák). Nyomószilárdságuk általában a szakítószilárdságuk 1/8-a. Szálszerkezetük anizotrópiájából adódóan a nyomóterhelések elősegítik a szálak lokális folyását, ami a szálak instabilitását és helyi kihajlásokat eredményez. Az aramidszálak erős napsütés hatására bomlásnak indulhatnak, és elveszíthetik a szakítószilárdságuk 50%-át, ezen kívül a nedvességre is érzékenyek. Kúszási viselkedésük az üvegszálakéhoz hasonló, bár kifáradási határuk és kifáradási viselkedésük erősebb, mint a GFRP-é.
2-6 Ábra – A különböző erősítőszálak feszültség-alakváltozási diagramja Az aramidszálakat polimerek nagy hőmérsékletű és nagy sebességű extrudálásával gyártják. Az oldaltban végzett extrudálást gyors hűtés és szárítás követi. Az így készített szálakon forró orientációs kezelést is végezhetnek, amelynek során a szálat feltekercselik gyorsan forgó tekercsekre (ezt utófonásnak nevezzük). Az orientációs kezelés javítja a szálak mechanikai tulajdonságait. Az aramidszálakat sodort szálköteg, roving, vagy szövet formájában lehet kapni. Az aramidszál-alapú FRP-ket általában AFRP-nek nevezzük.
Szén
Szén
26
2-7 Ábra – Az FRP-k és az acél összehasonlítása
2.2.1.5 Egyéb száltípusok
Az építőiparban felhasznált kompozit anyagok gyártásához leggyakrabban a fentiekben leírt szálakat alkalmazzák. Léteznek más szálak is (pl. a bórszálak), amelyek nagy rugalmassági modulusuk mellett nagy szilárdsággal is rendelkeznek. A magas hőmérsékleten alkalmazott száltípusok közé tartoznak pl. a kerámiaszálak (alumínium-oxid és szilícium-karbid szálak), amelyek mechanikai tulajdonságait (a bórszállal együtt) a 2-5 táblázatban foglaltuk össze. 2-5 táblázat – A bór- és kerámiaszálak tulajdonságai Bórszálak Kerámiaszálak Alumínium-oxid
(CFP)* SiC (CVD)**
SiC (pirolízis)
Átmérő (mm) 16,5 20±5 140 10-20 Sűrűség (g/cm3) 2,63 3,95 3,3 2,6 Szakítófeszültség (MPa)
2800 1380 3500 2000
Young-féle rugalmassági modulus (GPa)
385 379 430 180
* kémiai folyamatok ** kémiai képződéssel
2.2.1.6 A fonal műszaki tulajdonságai
A sodort szálkötegek nem szilárdságnövelő anyagként kaphatók, hanem a szövetek nyersanyagaként. Az alábbiakban egy sodort szálköteg jellemző adatlapját fogjuk közölni. Az ide vonatkozó nemzetközi szabvány az ISO 2113:1996(E).
Szén
Szén
27
A fonalfinomság (fonalszám) meghatározását az ISO 1889:1997(E) szabvány szerint végezzük. A szövetből ki kell venni egy tetszőleges hosszúságú mintát, és le kell mérni a tömegét. A fonalszámot a következő képlettel kapjuk meg:
L
PTx
1000⋅=
ahol Tx a fonalszám TEX-ben (g/km), P a minta tömege (gramm), L pedig a minta hossza (méter). Egy szál vagy szálköteg (párhuzamos szálköteg, sodort szálköteg, roving) keresztmetszetének területét (A, mm2) a következő képlettel lehet kiszámítani:
1000⋅=
ρxT
A
ahol ρ a fonal sűrűsége (g/cm3) Tx a fonalszám (TEX-ben). Ezeknek a paramétereknek a kiértékelése a gyártás minőségellenőrzésében nyújt segítséget. MŰSZAKI ADATLAP: fonál A GYÁRTÓ KÖTELES FELTÜNTETNI A SZILÁRDSÁGI JELLEMZŐK MEGHATÁROZÁSÁHOZ SZÜKSÉGES STATISZTIKAI ADATOKAT (PL. MINTA KÖZÉPÉRTÉKE, MINTA SZÓRÁSA, EGYEDSZÁM, SZÁZALÉKOSZTÁLY, KONFIDENCIA-INTERVALLUM). A szálköteg ismertetése: Kereskedelmi név, szálköteg típusa, sodrás, bevonat és egyéb, szükséges információk. A szálköteg jellemző tulajdonságai
Tulajdonság Mértékegység Vizsgálati módszer Referencia szabvány
Szálátmérő Mm Szálsűrűség g/cm3 Szálak száma Fonalszám TEX ISO 1889:1997(E) Bevonat típusa (mérete) Bevonat tartalma % ISO 1887:1995(E)
ISO 10548:2002(E) Young-féle rugalmassági modulus GPa ISO 10618:1999(E) Szakítószilárdság (átlagos és karakterisztikus érték) MPa ISO 10618:1999(E) Szakadási nyúlás % ISO 10618:1999(E) Nedvességtartalom % ISO 3344:1997(E)
Tárolási feltételek Ismertetés Biztonság és kezelés Ismertetés
28
2.2.2 Nem impregnált szövetek
A gyantaimpregnálás nélküli szövetet „száraznak” nevezzük. A legegyszerűbb szövetet előfonással nyerjük, ezt „szőtt előfonatnak” hívjuk. Mivel az előfonás során nem végzünk semmilyen sodrást, a szálat átlós irányban összenyomjuk, melynek során a lánc és a vetülék keresztezik egymást. Az eredményül kapott szövet nagy méretű és vastagságú termékek gyártására alkalmas. A fonalak közvetlen szövésével nyert szövet könnyebb és tömörebb, ezért olyan speciális alkalmazásokban használható, ahol a szerkezeti tömeg optimalizálására törekednek. A szövetekből nyert kompozit rétegekben kisebb a szálak térfogataránya, mint az egyirányú szálakból készült rétegekben. Ennek oka a szövés során végbemenő hullámosítás. A leggyakrabban használt szövettípusok a vászonkötésű, a sávoly és a selyemszövet. A vászonkötésű szálak adják a legmerevebb és legstabilabb szerkezetet. A fő hátrányai közé tartozik, hogy nehezen impregnálható gyantával, és elég nagy a lánc és a vetülék hullámossága. Ez utóbbi tulajdonság arra utal, hogy a réteg síkjának szilárdsága kevésbé növelhető. Az ilyen szövetek hullámossága 10% körül van. A sávoly és selyemszálak rugalmasabbak, de alakítás közben eléggé hajlamosak a sérülésre. A selyemszálakból készült laminátumok síkja merevebb, mivel ezeknek a szálaknak a legkisebb a hullámossága. A 2-8 ábrán a leggyakrabban használt szövetek geometriai elrendezése látható. Az ábrán a következő jelöléseket alkalmaztuk:
• Fekete vagy sötét négyzet: láncfonal felett lévő vetülékfonal • Fehér négyzet: láncfonal alatt lévő vetülékfonal
2-8 ábra – szövetminták Léteznek többtengelyű szövetek is, amelyekben a szálak kettőnél több irányban állnak. Ezeket a szöveteket szőtt fonálból vagy egyszerűen varrt fonalakból lehet elkészíteni. Végül vannak a háromdimenziós szövetek, ahol a síkra merőleges irányban található egy második vetülékfonal, melynek köszönhetően a termék nagyobb szilárdságú lesz, és különleges tulajdonságokkal fog rendelkezni (pl. gyantával bevont anyag felfújható lesz).
2.2.2.1 Nem impregnált szövetek műszaki jellemzői
A szerkezeti megerősítéshez használt szöveteket általában száraz termékként árusítják, amelyeket az adott munka helyszínen kell bevonni speciális gyantával. A szövetek lehetnek egyirányúak, ahol az összes szál hosszirányú elrendezésű, és egy könnyű, nem szerkezeti célú vetülék tartja össze; léteznek kétirányú szövetek, amelyek egymásra merőleges, általában kiegyenlített arányú lánc-vetülék szövésével készülnek (mindkét irányban ugyannyi szál található); végül vannak többtengelyű szövetek, amelyekben a szálak különböző irányban állnak. A száraz szövetek gyártóinak mellékelniük kell a termékhez a szövet műszaki adatlapját. Az alábbiakban bemutatjuk az egy- és kétirányú szövetek műszaki adatlapjának felépítését. A
29
kereskedelmi forgalomban kapható szövetek adatlapján további információk is szerepelhetnek. Az itt feltüntetett minta tartalmazza az összes lehetséges adatot és azok típusát. MŰSZAKI ADATLAP: nem impregnált szövet A GYÁRTÓ KÖTELES FELTÜNTETNI A SZILÁRDSÁGI JELLEMZŐK MEGHATÁROZÁSÁHOZ SZÜKSÉGES STATISZTIKAI ADATOKAT (PL. MINTA KÖZÉPÉRTÉKE, MINTA SZÓRÁSA, EGYEDSZÁM, SZÁZALÉKOSZTÁLY, KONFIDENCIA-INTERVALLUM). A szövet ismertetése: Szövet típusa (vászon, sávoly, selyemkötésű), fonál típusa (lánc és vetülék), láncon és vetüléken kívüli egyéb jellemzők (bevonat, fátyol, kiszerelés) és egyéb, szükséges információk. A szövet jellemző tulajdonságai
Tulajdonság
Fonálirány Mértékegység Vizsgálati módszer Referencia szabvány
Fonalszám Lánc TEX ISO 1889:1997(E) Vetülék TEX
Fonálsűrűség g/cm3 Fonalak száma / cm Lánc db/cm ISO 4602:1997(E)
Vetülék db/cm
Tömeg (súly) Összesen g/m2 ISO 3374:2000(E) Lánc g/m2 Vetülék g/m2
Young-féle rugalmassági modulus
Lánc MPa
Vetülék MPa
Szakítószilárdság (átlagos és karakterisztikus érték)
Lánc N ISO 4606:1995(E) (üvegszövet) ISO 13934-1:1999(E) Vetülék N
Szakadási nyúlás Lánc % ISO 4606:1995(E) (üvegszövet) ISO 13934-1:1999(E)
Vetülék %
A fonál jellemzői Lásd: a fonál műszaki adatlapját Tárolási feltételek Ismertetés Biztonság és kezelés Ismertetés Megjelölések a szilárdságnövelő rendszerben történő használathoz Megerősítéshez való felhasználás esetén a gyártó megjelölhet egyéb termékeket, amelyeket társítani kell a szövethez (pl. impregnáló gyanták, védőbevonatok, primer anyag, mázanyag stb.). Ezekhez az információkhoz mellékelni kell a teljes rendszeren elvégzett kompatibilitási (társíthatósági) vizsgálatok eredményeit is. (lásd: 2.5 fejezet)
30
Az általános hivatkozási szabvány az ISO 8099:1980. A többtengelyű szöveteknél a fonál típusán és egyéb tulajdonságain kívül a szálak egyes rétegeinek orientációját is fel kell tüntetni. Az alábbiakban közöljük a szerkezetek megerősítéséhez használt szövetek néhány jellemző paraméterének meghatározási módját. Abban az esetben, ha csak a fonalszám és a geometria ismert, az egységnyi területen lévő, adott irányú szálak tömege az alábbi képlettel határozható meg:
10fx
x
NTp
⋅=
ahol px a szövet tömege az adott irányban (g/m2), Tx a fonalszám az adott irányban (TEX, g/km), Nf pedig az egységnyi szélességben lévő fonalak száma (fonál/cm). Például: adott egy egyirányú szövet, amelyben 3,8 fonál van centiméterenként, és fonalszáma 800 TEX. Ebben az esetben a szövet egységnyi területre vetített tömege:
2/30410
)/(8,3)(800mg
cmfonálTEXpx =⋅=
Ha meg szeretnénk határozni az egységnyi hosszra eső fonalak számát a merőleges (ortogonális) irányban, akkor az ISO 4602:1997(E) szabványt kell alkalmazni: meg kell számolnunk egy adott szövetcsíkon (pl. 10 cm szélességben) a merőleges irányba rendezett fonalak számát, majd a kapott számot arányosítani kell a kiválasztott egységnyi hosszúsághoz.
2.2.3 Ágyazóanyagok
Az FRP anyagokhoz leggyakrabban hőre keményedő gyantát használnak ágyazóanyagként. Ezek a gyanták általában részlegesen polimerizált állapotban kaphatók, és szobahőmérsékleten folyékonyak vagy pépesek. A megfelelő reagenssel összekeverve polimerizálódnak és szilárd, üvegszerű anyaggá válnak. Ez a reakció a hőmérséklet növelésével gyorsítható. A hőre keményedő gyantának több előnyös tulajdonsága is van: pl. alacsony a viszkozitása, ami megkönnyíti a szálak impregnálását, jó tapadással rendelkezik, kedvezőek a szobahőmérsékleti polimerizációs jellemzői, jól tűri a vegyszereket, nincs olvadáspontja, stb. A hátrányai közé sorolható a korlátozott üzemi hőmérséklet (melynek felső határát az üvegesedési hőmérséklet szabja meg), az alacsony szívósság, a repedési hajlam („rideg” viselkedés), valamint a nedvességre való érzékenység kültéri alkalmazások esetén. Az építőiparban leggyakrabban alkalmazott, hőre keményedő gyanta az epoxi, de szokták még használni a poliészter vagy vinilészter gyantákat is. Mivel az anyagot mindig közvetlenül a kivitelezés helyszínén kell összekeverni, és végső szerkezetét vegyi reakció útján nyeri el, a gyantát kizárólag megfelelő szakképzettségű dolgozók kezelhetik. A szálerősítéses kompozitok léteznek hőre lágyuló polimer ágyazóanyaggal, de ezek más alkalmazási technológiákat igényelnek, mint a hőre keményedő gyanták. Jelenleg is folynak a vizsgálatok olyan, hőre lágyuló mátrixú kompozit rudak kifejlesztésére, amelyek speciális hőkezeléssel bármikor meghajlíthatók.
2.2.3.1 Epoxi gyanták
Az epoxi gyanták jellemzői a jó nedvesség- és vegyszerállóság, valamint a kitűnő tapadási tulajdonságok. Ezek a gyanták kifejezetten alkalmasak az építőiparban alkalmazott kompozit anyagok előállítására. A maximális üzemi hőmérséklet a keverési és térhálósodási hőmérséklet függvényei. 60 °C-nál nagyobb üzemi hőmérséklet esetén a gyanta kiválasztásánál ügyelni kell a mechanikai tulajdonságok változására. A minimális üzemi hőmérsékletre általában nincs komolyabb kikötés. A fő reagens kis molekulasúlyú szerves folyadékokból áll, amely számos epoxicsoportot, valamint egy oxigénatomból és két szénatomból álló gyűrűt tartalmaz.
31
2-9 ábra – Epoxi csoport
Ezeket az anyagokat az epiklórhidrin és az A-difenilol-propán amino összetevőinek vagy savas összetevőinek reakciójával lehet előállítani. Az epoxi előpolimer általában sűrű folyadék, amelynek viszkozitása a polimerizáció mértékétől függ. A térhálós gyanta megfelelő szerkezetének és tulajdonságainak biztosítása érdekében a keverékhez hozzá kell adni egy pontosan kimért mennyiségű hálóképző adalékot (általában alifás amint). A végbemenő reakció exoterm, melynek során nem keletkezik szekunder termék. A gyanta kívánt végső tulajdonságaitól függően a reakció végbemehet szobahőmérsékleten, vagy magasabb hőmérsékleten is. A gyanta kémiai szerkezetét az epoxi előpolimer vegyi összetételével lehet módosítani. Az építőipari kompozit anyagokban leggyakrabban használt epoxi gyanta az A-difenilol-propán (biszfenol) diglicidil-étere (DGEBA).
2.2.3.2 Poliészter gyanták
Az epoxi gyantánál kisebb viszkozitású poliészter gyanták rendkívül sokoldalúak és erősen reakcióképesek. Mechanikai szilárdságuk és tapadási jellemzőik általában az epoxi gyantáénál rosszabbak. A telítetlen poliészterek nagy molekulasúlyú lineáris polimerek, amelyekben kémiai reakcióra képes kettős C=C kötések vannak. A polimerizáció mértéke és ezáltal a molekula hossza befolyásolható; szobahőmérsékleten a gyanta mindig szilárd halmazállapotú. A poliészter gyantát oldószerben (általában reakcióképes monomerben) fel kell oldani, ami csökkenti a gyanta viszkozitását, ezáltal elősegíti a szálak impregnálási folyamatát. A monomernek (ami általában sztirol) szintén tartalmaznia kell kettős C=C kötéseket, ami lehetővé teszi a létrejövő poliészter molekulák közötti keresztkötések kialakulását. A végbemenő reakció exoterm, melynek során nem keletkezik szekunder termék. A technológiai előírásoknak és a kívánt végső tulajdonságoknak megfelelően a reakció általában szobahőmérsékleten megy végbe. A poliészter gyanták kémiai szerkezetét a polimer-szintézis során használt sav vagy glikol módosításával, illetve másfajta reakcióképes monomer alkalmazásával lehet változtatni. A kompozit anyagokhoz felhasznált poliészter gyanták családja általában izoftál, ortoftál és biszfenolos gyantákat tartalmaz. Magas hőmérsékleten és vegyileg agresszív közegű alkalmazásokban gyakran használnak vinilészter gyantákat is, amelyek középutat jelentenek a hagyományos poliészter és epoxi gyanták között.
2.2.3.3 Egyéb gyantatípusok
A hőre keményedő gyanták korlátozott tulajdonságai (elsősorban az alacsony szívósságuk, a viszonylag alacsony üzemi hőmérsékletük, és a nedvességfelszívó képességük) miatt az utóbbi időben megindult a hőre lágyuló ágyazóanyagra épített kompozit anyagok fejlesztése. Ezek a gyanták elegendően magas hőmérsékletre hevítve folyásra képesek. Ez a hőmérséklet az amorf anyagoknál Tg (az üvegesedési hőmérséklet), félkristályos anyagoknál pedig Tm (olvadáspont). Az összetevők alakját az anyag egyszerű hevítésével (melegalakítással) lehet módosítani. Ezeket a gyantákat egyelőre csak korlátozott mértékben lehet használni az építőiparban, ám jelenleg is folynak a fejlesztések a nagyobb jelentőségű alkalmazási területek (pl. betétek beton elemkhez) irányába. A hőre lágyuló gyanták általában szívósabbak, mint a hőre keményedő gyanták, és bizonyos esetben magasabb üzemi hőmérsékletet garantálnak. Ezen kívül a poliészter gyanták nagyobb mértékben képesek ellenállni a környezeti hatásoknak. Fő hátrányuk a magas viszkozitás, ami megnehezíti a szálak impregnálását, és bonyolult, költséges feldolgozó berendezéseket igényelnek. Ráadásul az építőipari kompozit anyagok előállításában folyamatosan nő a szervetlen ágyazóanyagok (cement, fémes, kerámia, stb.) szerepe. Bár ezeket az ágyazóanyagokat jelen dokumentumban nem ismertettük, a megfelelő műszaki dokumentáció és kísérleti adatok birtokában alkalmasak lehetnek az építőipari alkalmazásra.
32
2.2.3.4 A gyanta műszaki adatlapja
Az alábbiakban bemutatjuk egy tipikus gyanta műszaki adatlapjának felépítését. Előfordulhat, hogy a kereskedelmi forgalomban kapható gyanták adatlapján további információk is szerepelnek, vagy az itt feltüntetett adatoknak csak egy része szerepel. Az itt feltüntetett minta tartalmazza az összes lehetséges adatot és azok típusát. MŰSZAKI ADATLAP: gyanta A gyanta ismertetése: Kereskedelmi megnevezés, egy- vagy kétkomponensű, pépes vagy folyadék halmazállapotú, felhasználás, és egyéb szükséges információk. Az elegyítetlen gyanta tulajdonságai
Tulajdonság
Mértékegység „A” össze-tevő
„B” össze-tevő
Ke-ve-rék
Vizsgálati módszer Referencia szabvány
Megj.
Szín Viszkozitás 25 °C-on Pa⋅s ISO
2555:1989(E) ISO 3219:1993(E)
(1)
Tixotróp index ASTM D2196-99
(1)
Sűrűség g/cm3 ISO 1675:1985(E)
Keverési arány
térfogat %
tömeg
Tárolási feltételek
idő hónap
hőmérséklet °C
(1) Nem tixotróp gyantáknál a Garner viszkozitásmérőt lehet használni. Tixotróp gyantáknál a Brookfield viszkozitásmérőt kell használni. A kevert gyanta tulajdonságai Keverési feltételek: Ismertetés Alkalmazási feltételek: ismertetés Tulajdonság
Mértékegység Vizsgálati módszer Referencia szabvány
Megj.
Felhasználhatósági idő (35°C-on)
Felhasználhatósági idő (35°C-on)
ISO 10364:1993(E) (2)
Zselésedési idő
5 °C-on perc ISO 9396:1997(E) ISO 2535:2001(E) ISO 15040:1999(E)
(3)
33
20 °C-on
35 °C-on
Minimális alkalmazási °C Exoterm csúcs Idő perc ISO 12114:1997(E) hőmérséklet °C Teljes kikekeményedési idő
5 °C-on perc ISO 12114:1997(E)
20 °C-on
35 °C-on
(2) Felhasználhatósági idő = maximális felhasználási idő az összes összetevő bekeverése után (3) Zselésedési idő = a folyadékból zselévé váláshoz szükséges idő adott hőmérsékleten Tulajdonság
Mértékegység Vizsgálati hőmérséklet
Érték Vizsgálati módszer Referencia szabvány
5 napos kikeményedés, 22 °C-on
1 órás kikeményedés, 70 °C-on
Zsugorodás -- ISO 12114:1997(E)
Hőtágulási együttható
10-6 °C-1 -- ISO 11359-2:1999(E)
Üvegesedési hőmérséklet
°C -- ISO 11357-2:1999(E) (DSC) ISO 11359-2:1999(E) (TMA) ASTM E1640 (DMA)
Young-féle rugalmassági modulus húzó feszültséghez
GPa ISO 527:1993(E)
Szakítószilárdság MPa ISO 527:1993(E)
Szakadási nyúlás % ISO 527:1993(E)
Tárolási feltételek Ismertetés Biztonság és kezelés Ismertetés
2.2.4 Kötőanyagok és tapadási alapelvek
Az FRP-alapú szerkezeti megerősítések (pl. pultrudált szalagok) alkalmazásához ragasztóanyagokra van szükség. A leginkább megfelelő ragasztóanyagot és felületkezelés típusát a rendelkezésre álló anyagok és a kiválaszott FRP-rendszer tulajdonságai alapján kell meghatározni. Az FRP-anyag műszaki adatlapján általában megtaláljuk, hogy a megerősítendő felület függvényében milyen kötőanyagot kell használni. Még a helyszínen impregnált száraz szövetek alkalmazása is kötőanyaggal történő összeszerelésnek minősül. A kötőanyagok megfelelő használatának egyik fontos eleme az FRP-alkalmazás előtti felületkezelés típusának
34
megválasztása, ezért az alábbiakban ismertetjük a megfelelő felületelőkészítés alapelveit, melynek során kitérünk a kötés fizikai, kémiai és mechanikai folyamataira. Ha az olvasó szeretne még több információt megtudni erről a területről, ajánljuk a megfelelő szakirodalom tanulmányozását. A ragasztóanyag olyan - gyakran polimer természetű - anyag, ami képes kapcsolatot teremteni legalább két felület között, és képes a terhelés megosztására. Sokféle természetes és mesterséges kötőanyag létezik (elasztomerek, hőre lágyuló műanyagok, egy- és kétkomponensű hőre keményedő gyanták). A kompozit anyagokhoz leginkább alkalmas kötőanyagok az epoxi gyanták. Az epoxi kötőanyagok általában kétkomponensű, sűrű anyagok, amelyek keményedés (és a megfelelő térhálósodási reakció) után alkalmasak a szerkezeti megerősítésre. A ragasztásnak számos előnye van a mechanikai megerősítéssel szemben. Ilyen például, hogy ragasztással különféle anyagok kapcsolhatók össze, valamint a ragasztás nagyobb merevséget és egyenlő terheléselosztást biztosít, továbbá elkerülhetők vele a feszültséggyűjtő helyként funkcionáló lyukak. Másrészről viszont a kötőanyagok érzékenyek a környezeti feltételekre (pl. a nedvességre), és túlságosan magas hőmérsékleten nem alkalmazhatók (tűzállóságuk nem jó). Ragasztásos kötésnél az alábbi három törési felületet különböztethetjük meg (2-10 ábra):
• Kohéziós törés: az összekapcsolt anyagok belsejében történik a törés, ezért a törési felület (ami lehet sima vagy egyenetlen) mindkét oldalán ugyanaz az anyag található. A ragasztás szempontjából ez az ideális törési felület.
• Adhéziós törés: a törés a kötőanyag és a hordozófelület kapcsolódásánál történik, ha a tapadási
szilárdság kisebb mint a hordozófelület szilárdsága. A törési felület jellemzően sima. Ez a fajta törés hibás alkalmazás esetén következik be.
• Vegyes törés: kohéziós és adhéziós törés egyidejűleg. A törési felület nagyon egyenetlen és mindkét
anyagot tartalmazza. Gyenge és nem kellően megszilárdult ragasztás (pl. meggyengült falazat, beton), vagy hibás alkalmazás esetén következik be.
2-10 ábra – A különböző törési felületek összehasonlítása A ragasztás hatékonysága nagyon sok tényezőtől függ: ide tartozik pl. a felületkezelés, a ragasztóanyag kémiai összetétele és viszkozitása, a felhordás technológiája, valamint a kötőanyag térhálósodási és tapadási folyamata. A kötési mechanizmus során a ragasztóanyag tulajdonképpen összekapcsolódik a hordozófelülettel, melynek során kémiai kötések jönnek létre a polimer és a hordozófelület között. A tapadási szilárdságot tehát fokozni lehet olyan felületkezelési módszerekkel, amelyek érdesebbé teszik a tapadási felületet, vagyis javítják a kapcsolódó anyagok határfelületi tulajdonságait. A szakirodalomban számos tapadási mechanizmus leírása megtalálható. Az alábbiakban ezekről adunk egy rövid összegzést. Fizikai kötés: a kötőanyag és a hordozófelület molekulái között szekunder kötések is léteznek (pl. Van der Waals-erők, ionos kötések és hidrogénkötések). A fizikai kötés elektrosztatikus és abszorpciós elveken nyugszik, melyek szerint akkor jó a tapadás, ha a kötőanyag képes benedvesíteni a hordozófelületet. Ezért a hordozófelület felületi energiája (ΓSV), egységnyi terület energiája) nagyobb kell, hogy legyen, mint a kötőanyag felületi energiája (ΓLV) (lásd: 2-11 ábra). Például: az epoxigyanták nedvesítési tulajdonságai acélfelülethez történő ragasztás esetén kitűnőek, míg más anyagok (pl. polietilén) esetén eléggé rosszak.
35
θ�= érintkezési szög θ�= 0° : teljes nedvesítés 0°< θ < 180° : részleges nedvesítés θ = 180° : nincs nedvesítés
2-11 ábra – Adszorpció és érintkezési szög
Kémiai-kovalens kötés: a kötőanyag és a hordozófelület molekulái között primer (kovalens) kötések léteznek (2-12 ábra). A törés során ezek a kötések szakadnak szét, ezért – különösen az üvegszál esetén – kötéssegítő adalékokat szoktak használni. Ezek az adalékok összekapcsolódnak a hordozófelület oxidjaival, és a térhálósodás során reakcióba lépnek a kötőanyaggal, vagy diffúziós jelenséget okoznak (lásd: a következő pontot). Diffúziós vagy interdiffúziós jelenség: a határfelület atomjainak vagy molekuláinak diffúziója, illetve kölcsönös diffúziója (interdiffúziója) után két felület jön létre (2-12 ábra). Ez a mechanizmus elsősorban a polimer ágyazóanyagú kompozit anyagokra jellemző, ahol a polimerláncok mobilitása lehetővé teszi a kapcsolódást. Ebben az esetben fontos, hogy hagyjunk elegendő időt a ragasztóanyagnak arra, hogy elérje a megfelelő szilárdságot. Mechanikai összekapcsolódás: az együttdolgozás kihasználja a helyileg átitatott felületek kölcsönös kúszási ellenállását, ezért fontos a szabálytalan felület biztosítása, hogy a kötőanyag a megszilárdulás előtt el tudjon terjedni, és ki tudja tölteni a hordozófelületen lévő lyukakat és repedéseket (2-12 ábra)
2-12 Ábra – Kötési mechanizmusok A felületkezelés fő célja a felület „tisztítása”, vagyis az összes lehetséges felületi szennyeződés (pl. oxidok, idegen részecskék, olaj, cementhabarcs, por, nedvesség, stb.) eltávolítása. A felületkezelés rendszerint módosítja a felület vegyi tulajdonságait, és elősegíti, hogy erősebb tapadás alakuljon ki a ragasztóval úgy, hogy a tapadás ellenálljon az agresszív környezeti hatásoknak, amelyek idővel rontanák a tapadás erejét. A felületkezelésekkel ráadásul gondoskodhatunk a megfelelő felületi érdességről.
36
Hatékonyan alkalmazhatók egyéb módszerek, pl. az oldószerek és a homokszórás is. Bizonyos esetekben a kötőanyag felhordása előtt felvisznek egy kötéssegítő primer réteget is a felületre. Az FRP laminátumok esetén a laminátum felületét a ragasztás előtt még egyszer meg kell tisztítani. Előfordul, hogy a laminátum felületén egy védőfilm-réteg található, ami megakadályozza a külső szennyeződés bejutását. A laminátum használata előtt ezt a filmet el kell távolítani. A felület újraszennyeződésének elkerülése érdekében a felületkezelést közvetlenül az FRP alkalmazása előtt kell elvégezni. Kerülni kell a nedvesség megjelenését a hordozófelületen. A hordozófelületeknek tökéletesen száraznak kell lenniük a ragasztóanyag felhordása előtt. A dokumentum további részében különböző tanácsokat adunk a ragasztás során előforduló hibák kockázatának csökkentésére.
2.2.4.1 A kötőanyag műszaki adatlapja
A kompozit anyagok legjobb ragasztóanyagra a kétkomponensű epoxi gyanta. Ebből adódóan az adatlapon szerepelnie kell mindkét komponens kémiai-fizikai tulajdonságainak és ragasztási tulajdonságainak. Mivel az előbbieket már a 2.2.3.4 fejezetben bemutattuk, az alábbi adatlapon csak a ragasztási tulajdonságokat tárgyaljuk. MŰSZAKI ADATLAP: köt őanyag A GYÁRTÓ KÖTELES FELTÜNTETNI A SZILÁRDSÁGI JELLEMZŐK MEGHATÁROZÁSÁHOZ SZÜKSÉGES STATISZTIKAI ADATOKAT (PL. MINTA KÖZÉPÉRTÉKE, MINTA SZÓRÁSA, EGYEDSZÁM, SZÁZALÉKOSZTÁLY, KONFIDENCIA-INTERVALLUM). A kötőanyag ismertetése: Kereskedelmi megnevezés, egy- vagy kétkomponensű, pépes vagy folyadék halmazállapot, felhasználás, és egyéb szükséges információk. A gyanta ragasztási tulajdonságai Tulajdonság
Mérték-egység
Vizsgálati hőmérséklet
Érték Vizsgálati módszer Referencia szabvány
5 napos kikeményedés, 22 °C-on
1 órás kikeményedés, 70 °C-on
Nyírószilárdság (átlagos és karakterisztikus érték)
MPa átlapolásos nyírás ISO 4587:2003(E)
Hántolási szilárdság (átlagos és karakterisztikus érték)
kN / m lebegő hengeres módszer ISO 4578:1997(E)
Megjegyzés: Az FRP-laminátummal történő külső erősítésre vonatkozóan előkészítés alatt áll az ISO TC71/SC6N szabvány, melynek címe: „Újfajta módszerek a beton erősítésére – Vizsgálati módszerek – 2.rész: Szálerősítésű polimer (FRP) lapok”. Ez a szabvány két új vizsgálati módszert ismertet a betonnal létesített tapadás erősségének mérésére: „Vizsgálati módszer a betonba kötött FRP lemezek közvetlen kihúzási szilárdságának mérésére” és „Vizsgálati módszer az FRP és a beton közötti tapadás erősségének mérésére”. Az Amerikai Betonintézet által kiadott ACI 440.3R-04 számú, „Útmutató a betonszerkezetek megerősítésére használt szálerősítésű polimerek vizsgálati módszereihez” című dokumentumban szerepel egy hasonló kihúzásos teszt „Közvetlen kihúzásos vizsgálati módszer” (Test method for
37
direct tension pull-off test) név alatt. Ezek a szabványok nem tartalmaznak külön vizsgálati módszereket az acéllal történő kötés erősségének vizsgálatához. Van azonban egy hasonló japán szabvány (JSCO-E544-2000: „Vizsgálati módszerek folytonos szálból készült lapok vizsgálatához”), amelyben szerepel egy hasonló átlapolásos nyírással végzett szilárdságellenőrző teszt az FRP és acél közötti tapadás ellenőrzésére. A hivatkozott dokumentumok tartalmaznak továbbá egy átlapolásos nyírási tesztet, amellyel ellenőrizhető a ragasztóanyag nyírószilárdsága. Tárolási feltételek Ismertetés Biztonság és kezelés Ismertetés
38
2.3 FRP ERŐSÍTÉSŰ RENDSZEREK A szerkezetek külső erősítésére alkalmas FRP rendszerek a következőképpen osztályozhatók: Előkeményített rendszerek (2.3.2) A különböző alakú, pultrúzióval vagy laminálással készített előkeményített rendszerek közvetlenül az erősítendő szerkezethez kapcsolódnak. Nedves felhordott rendszerek (2.3.3) Egy- vagy többirányú szálakból készült FRP-lapok, vagy szövetek. A kivitelezés helyszínen impregnálják őket gyantával. Prepreg-rendszerek (2.3.4) Egyirányú, vagy többirányú szálakból készült lemezek vagy szövetek, amelyeket már a gyártóüzemben részlegesen polimerizált gyantával előre impregnáltak. Az erősítendő szerkezethez további gyanta hozzáadásával vagy anélkül kapcsolódnak.
2.3.1 Az FRP-erősítési rendszerek mechanikai tulajdonságai
Az FRP-anyagokban a szálak gondoskodnak a kompozit anyag teherbíró képességéről és merevségéről, az ágyazóanyag pedig elosztja a terhelést a szálak között és védi a szálakat a külső környezeti hatásoktól. A legtöbb FRP-anyag nagy szilárdságú és merevségű szálakból áll, melyek szakadási nyúlása kisebb, mint az ágyazóanyagé. A 2-13 ábrán a szálak, a mátrix és az eredményül kapott FRP-anyag feszültség-alakváltozási diagramja
látható. Az eredményül kapott FRP-anyag merevsége kisebb, mint a szálaké, és ugyanannál az εf,max nyúlásnál szakad, mint maguk a szálak. Tulajdonképpen e felett a szakadási nyúlási érték felett a szálakról nem jut több terhelés az ágyazóanyagra.
2-13 Ábra – A szálak, az ágyazóanyag és az FRP feszültség-alakváltozási diagramjai A 2-6 táblázat az előkeményített laminátum mechanikai tulajdonságait hasonlítja össze a megfelelő szálak átlagos értékeivel. A laminátum Young-féle rugalmassági modulusa (Ef) és szilárdsága (ff) alacsonyabb, mint a szálaké, míg a szakadó nyúlás mindkét anyagnál hasonló nagyságrendű.
39
2-6 táblázat – Az előkeményített laminátum és a szálak mechanikai tulajdonságainak összehasonlítása Előkeményített rendszerek
Rugalmassági modulus (GPa)
Szakítószilárdság (MPa)
Szakadási nyúlás (%)
FRP Ef szál Efib FRP ff szál ffib FRP εfu szál εfib,u CFRP (kis modulus)
160 210-230 2800 3500-4800 1,6 1,4-2,0
CFRP (nagy modulus)
300 350-500 1500 2500-3100 0,5 0,4-0,9
Az egyirányú szálakból készült FRP anyagok mechanikai viselkedése mikromechamikai modellekkel (pl. keverési szabályokkal, lásd: 6.5 egyenlet az A mellékletben) leírható;
mfibfibfibf EVEVE ⋅−+⋅= )1( (2.4)
mfibfibfibf fVfVf ⋅−+⋅= )1( (2.5)
ahol Vfib a szálak térfogathányada (a szálak térfogatának aránya a kompozit teljes térfogatához képest), Efib és Em pedig a szálak illetve a mátrix Young-féle rugalmassági modulusa. A keverési szabály arra a feltevésre alapul, hogy a szálak és a mátrix között tökéletes tapadás alakult ki. Egyirányú kompozitok esetén ezzel a képlettel pontosan kiszámítható a rugalmassági modulus, de a szakítószilárdság már nem határozható meg ilyen pontosan. Tervezési célból minden esetben célszerű a fenti értékeket (Ef és ff) tapasztalati úton meghatározni. Ennek lépéseit az alábbiakban ismertetjük. A kivitelezés helyszínén impregnált FRP kompozitok merevségi és szilárdsági jellemzőinek meghatározásához ismerni kell az egyes komponensek geometriai és mechanikai tulajdonságait. Vegyünk például egy változó mennyiségű gyantával impregnált, egyirányú, 100 mm széles szövetet (szálterület: A fib=70 mm2). Ha elosztjuk az impregnált szövet teljes területét (Af, a gyanta és a szálak területének összege) a szövet szélességével, megkapjuk a kompozit vastagságát. Az egyes komponensek tulajdonságai a 2-7 táblázatban láthatók. A gyantatartalom mechanikai tulajdonságokra gyakorolt hatását (a 2.4 és a 2.5 egyenletek alapján) a 2-8 táblázat foglalja össze. 2-7 táblázat – A komponensek tulajdonságai
Szálak Mátrix Efib = 220 GPa Em = 3 GPa f fib = 4000 MPa fm = 80 MPa
2-8 táblázat – A szálak térfogathányadának hatása az FRP mechanikai tulajdonságaira
A fib Am Af Vfib Ef ff εfu Ffu Ef⋅A f (mm2) (mm2) (mm2) (%) (GPa) (MPa) (%) (kN) (kN) 70 0 70 100 220 4000 1,81 280 15400 70 30 100 70 154,9 2824 1,82 282,4 15490 70 70 140 50 111,5 2040 1,83 285,6 15610 70 163,3 233,3 30 68,1 1256 1,84 293 15890 A 2-8 táblázat és a 2-14 táblázat a szálak térfogathányadát mutatja 30 és 100% között. A szálak merevsége és szilárdsága jóval nagyobb, mint a mátrix hasonló értékei (lásd: 2-7 táblázat). A FRP kompozit anyagok mechanikai tulajdonságait (Ef és ff) tehát elsősorban a szálak befolyásolják, az ágyazóanyag hatása elhanyagolható.
40
2-14 ábra - A feszültség-alakváltozás diagram a térfogathányad függvényében Ha a fent említett tulajdonságokat a teljes kompozitra nézzük, a gyantatartalom növekedésével mind a Young-féle rugalmassági modulus, mind a szakítószilárdság csökken. Ugyanez nem vonatkozik a szakítási erőre (Ffu) és a tengelyirányú merevségre (Ef ⋅ Af), amelyek csak elhanyagolható mértékben (3-4%-kal) változnak. Az Ef és ff csökkenését a teljes keresztmetszeti terület szálak területéhez mért növekedése kompenzálja. A példa jól mutatja, hogy az FRP mechanikai tulajdonságainak tervezési célból történő meghatározása során ismerni kell a gyanta térfogathányadát, hogy meg tudjuk határozni a kompozit merevségét és szakítószilárdságát. Ha ez nem ismert, akkor az FRP tengelyirányú merevségére és szakítószilárdságára (Ffu, a mátrix elhagyásával kiszámított értékére) van szükség. Ezek az értékek nem vesznek figyelembe egyéb olyan, a kompozit gyártásával kapcsolatos paramétereket, amelyek jelentős mértékben befolyásolják a törési mechanizmust.
2.3.2 Előkeményített rendszerek
2.3.2.1 Mechanikai jellemzők
Az előkeményített kompozitokat a szálak egyirányú eloszlása jellemzi, ami lehetővé teszi a keverési szabály alkalmazását a kompozit merevségének és szilárdságának meghatározására, mivel a térfogathányad általában 50 és 70% között változik. Ezek azonban csak becsült (általában túlbecsült) értékek, ugyanis a szabály nem vesz figyelembe egyéb lényeges paramétereket (pl. szálak és ágyazóanyag közötti tapadás, gyártási hibák, üregek, szálegyenetlenség, stb.). Az FRP mechanikai jellemzőinek megbízható értékeit tapasztalati próbával lehet meghatározni, mely lehetővé teszi az alkalmazott gyártási eljárásra vonatkozó statisztikai paraméterek is meghatározását is. Az FRP gyártóknak a 2.4 fejezetben tárgyalt kritériumokhoz hasonló követelmények alapján kell megadniuk az adatokat. Előkeményített rendszereknél a gyártók általában a laminátum egy meghatározott méretű keresztmetszetére adják meg a mechanikai jellemzőket.
2.3.2.2 Előkeményített rendszerek műszaki adatlapjai
Az alábbiakban bemutatjuk egy tipikus előkeményített kompozit (laminátum, rúd, rács, stb.) műszaki adatlapjának felépítését. Ahogy korábban is láttuk, előfordulhat, hogy a kereskedelmi forgalomban kapható anyagok adatlapján további információk is szerepelnek, vagy az itt feltüntetett adatoknak csak egy része szerepel. Az itt feltüntetett minta tartalmazza az összes lehetséges adatot és azok típusát.
41
MŰSZAKI ADATLAP: el őkeményített kompozitok A GYÁRTÓ KÖTELES FELTÜNTETNI A SZILÁRDSÁGI JELLEMZŐK MEGHATÁROZÁSÁHOZ SZÜKSÉGES STATISZTIKAI ADATOKAT (PL. MINTA KÖZÉPÉRTÉKE, MINTA SZÓRÁSA, EGYEDSZÁM, SZÁZALÉKOSZTÁLY, KONFIDENCIA-INTERVALLUM). Ismertetés Kereskedelmi megnevezés, szál típusa, gyanta típusa, gyártási technológia (pultrúzió, laminálás, stb.), és egyéb szükséges információk. Geometriai és fizikai tulajdonságok
Tulajdonság
Mértékegység Vizsgálati módszer Referencia szabvány
Megj.
Vastsagság (laminátum) mm Szélesség mm Hosszúság mm Keresztmetszet geometriája (rúd, rács)
Névleges terület (rúd, rács) mm2 Névleges kerület (rúd, rács) mm (1) Szín Sűrűség Szál g/cm3 ISO 1183-1:2004(E) (2)
Mátrix g/cm3
Száltartalom tömeg % ISO 11667:1997(E)
térfogat °%
a gyanta üvegesedési hőmérséklete (Tg)
°C ISO 11357-2:1999(E) (DSC) ISO 11359-2:1999(E) (TMA) ASTM E1640 (DMA)
Max. üzemi hőmérséklet
°C
Elektromos vezetőképesség
S/m
(1) Nem kör-keresztmetszetű rudak és rácsok esetén használatos érték, a kötés hosszúságának kiszámítására. (2) A szál súlyhányadának kiszámítására szolgáló érték (ha a térfogathányad ismert; és ugyanez visszafelé) Tulajdonságok
Tulajdonság
Mértékegység Vizsgálati módszer Referencia szabvány
Megj.
Young-féle rugalmassági modulus, szakító irányban
GPa ISO 527-4,5:1997(E)
Szakítószilárdság (átlagos és jellemző érték)
MPa ISO 527-4,5:1997(E)
Szakadási nyúlás % ISO 527-4,5:1997(E) Young-féle rugalmassági modulus, nyomó
GPa ISO 14126:1999(E)
42
igénybevétel esetén (rudak) Nyomószilárdság (rudak) (átlagos és jellemző érték)
MPa ISO 14126:1999(E)
Szakadási nyúlás nyomás esetén (rudak)
% ISO 14126:1999(E)
Kúszás ISO 899-1:2003(E) (3) Relaxáció (rudak, rácsok) (4) Kötés: nyírófeszültség (rudak, rácsok)
(4)
(3) Az FRP-anyagok kúszási viselkedésére az ISO 899-1:2003(E) szabványt alkalmazzák. Előkészítés alatt áll az erősítésre használt FRP-rudakra és előfeszített rácsokra vonatkozó ISO-szabvány (TC71/SC6N: „Újfajta módszerek a beton erősítésére – Vizsgálati módszerek – 1. rész: Szálerősítésű polimer (FRP) rudak és rácsok”), amely tartalmaz egy speciális vizsgálati módszert az FRP rudakra vonatkozóan („A kúszási szakadás vizsgálatának módszere”). Az ACI 440.3R-04 számú, „Útmutató a betonszerkezetek erősítésére használt szálerősítésű polimerek vizsgálati módszereihez” című dokumentumban szerepel egy hasonló vizsgálat „Az FRP-rudak kúszási repedésének vizsgálati módszere” (Test method for creep rupture of FRP bars) név alatt. (4) Az FRP rudakra és rácsokra vonatkozó ISO-szabványban (TC71/SC6N) az alábbi két vizsgálati eljárás szerepel: a tapadásra vonatkozóan a „Tapadási szilárdság vizsgálata kihúzó kísérlet segítségével”, a lazulásra vonatkozóan pedig a „Hosszú távú kilazulás vizsgálatának módszere”. Az ACI 440.3R dokumentumban hasonló vizsgálatok leírása található. Tárolási feltételek Ismertetés Biztonság és kezelés Ismertetés Megjelölések a szilárdságnövelő rendszerben történő használathoz A szilárdságnövelő rendszerekben történő használat céljára a gyártó megjelölhet egyéb termékeket, amelyeket társítani kell az előkeményített kompozithoz (pl. kötőanyagok, védőbevonatok, primer anyag, mázanyag, stb.). Ezekhez az információkhoz mellékelni kell a javasolt rendszeren elvégzett kompatibilitási (társíthatósági) vizsgálatok eredményeit is.
2.3.3 Nedves alkalmazású rendszerek
Nedves alkalmazású rendszerek esetén az FRP laminátum végleges vastagságát nem lehet determinisztikus úton meghatározni, ezért célszerű az FRP gyártója által biztosított adatlapon megnézni a száraz szövet mechanikai és geometriai tulajdonságait.
2.3.3.1 A laminátum keresztmetszetének meghatározása
A laminátum keresztmetszetének (Art) meghatározásához szükség van az FRP gyártója által biztosított műszaki adatlapra. A laminátum egységnyi szélességre eső keresztmetszetét az alábbi képlettel lehet kifejezni:
fib
fxrt
NTA
ρ⋅⋅
=10
(2.6)
ahol Art mértékegysége mm2/m, Tx a főirányra vonatkozó fonalszám TEX-ben (g/kg), Nf az egységnyi szélességre eső fonalak száma (fonal/cm-ben), ρfib pedig a szálsűrűség (g/cm3-ben).
43
Az ugyanennyi szálat két merőleges irányban tartalmazó szövetek esetén a laminátum keresztmetszete (Art) a következő képlettel is meghatározható:
fib
trt
pA
ρ⋅=
2
(2.7)
ahol pt a szövet egységnyi területre eső tömege g/m2-ben. Egyirányú szövetek esetén az Art értéke a következőképpen becsülhető:
fib
trt
pA
ρ=
(2.8)
Art értékét gyakran egy kizárólag szálakból álló, egyenértékű lap vastagsága alapján fejezik ki. Az egyenértékű vastagság (teq, mm) a következőképpen fejezhető ki:
1000rt
eq
At =
(2.9)
Ennek a módszernek a hátránya, hogy ugyanazon asszimmetrikus (vagyis a két merőleges irányban különböző mennyiségű szállal rendelkező) szövethez az egyenértékű lap különböző vastagsági értékei tartoznak. A 2-9 táblázat a laminátum keresztmetszetéhez szükséges paramétereket foglalja össze, három különféle szövetre vonatkozóan: 1) aszimmetrikus szőtt szövet („A” szövet), 2) szimmetrikus szőtt szövet („B” szövet) és 3) egyirányú szövet („C” szövet). 2-9 Táblázat Tulajdonság Mérték-
egység „A” szövet „B” szövet „C” szövet
Szövet tömege g/m2 187 286 304 Szálsűrűség g/cm3 1,76 1,76 1,8 Fonalak / cm Vetülék Db/cm 4 6 -
Láncirány Db/cm 8 6 3,8 Fonalszám Vetülék TEX 67 200 -
Láncirány TEX 200 200 800 Az aszimmetrikus szövet („A”) adatait a 2.6 egyenletbe behelyettesítve a következőket kapjuk:
m
mm
cmg
cmfonálTEXAvetülék
rt
2
32,15
)/(76,110
)/(4)(67 =⋅
⋅= Keresztmetszet vetülék irányban
m
mm
cmg
cmfonálTEXAlánc
rt
2
39,90
)/(76,110
)/(8)(200 =⋅
⋅= Keresztmetszet láncirányban
„B” szövet esetén a keresztmetszet kiszámítása az alábbi eredményt hozza (mindkét irányban):
44
m
mm
cmg
cmszálTEXArt
2
32,68
)/(76,110
)/(6)(200 =⋅
⋅=
Ugyanezt az eredményt kapjuk a 2.7 egyenlet felhasználásával is:
m
mm
m
mm
cmg
mgpA
fib
trt
22
3
2
2,6876,12
240
)/(2
)/(=
⋅=
⋅=
ρ
Végül, a „C” szövet esetén a 2.8 egyenlet a következő eredményt adja:
m
mm
m
mm
cmg
mgpA
fib
trt
22
3
2
9,16880,1
304
)/(
)/(===
ρ
2.3.3.2 Mechanikai jellemzők
A nedves alkalmazású rendszerek mechanikai jellemzőit nem lehet a 2.6 egyenletből kiszámított keresztmetszet (Art) és a Young-féle rugalassági modulus vagy a szövetszilárdság összeszorzásával meghatározni. Tulajdonképpen a szálakra vonatkozó értékek nem befolyásolják a mechanikai tulajdonságokat érdemben meghatározó geometriát (szövés, vetülék-lánc). Ugyanez érvényes a száraz szövet merevségi és szilárdsági értékeire is, amelyeket szintén nem lehet közvetlenül felhasználni a végleges kompozit hasonló értékeinek közvetlen meghatározásához. A nedves sodrott rendszerek mechanikai tulajdonságainak meghatározására ezért kétféle módszert fejlesztettek ki; mindkét módszernél szükség van az FRP gyártója/szállítója által közölt információkra. 1. módszer Bevezetjük a merevség (αfE) és a szilárdság (αff) biztonsági tényezőit:
fibfibfEff EAEA ⋅⋅=⋅ α
ahol Afib = Art (számítását lásd: a 2.3.3.1 pontban), Efib pedig a szál (és csak a szál) Young-féle rugalmassági modulusa, míg az Af⋅Ef szorzat az FRP-kompozit impregnálás utáni tengelyirányú merevségét mutatja. Az αfE biztonsági tényezőt az FRP gyártója/szállítója adja meg, ismert térfogathányadú kompozit-mintákon végzett kísérletek tapasztalati eredményei alapján. A biztonsági tényezők figyelembe vehetik a gyanta típusát és a merevítés geometriáját, de αfE kalibrációjában nem szerepel az alkalmazás módja és az alapfelület típusa. A másik biztonsági tényezőre igaz a következő egyenlet:
fibfibffff fAfA ⋅⋅=⋅ α .
2. módszer Az FRP gyártója/szállítója megadhatja az adott szerkezet megerősítéséhez javasolt FRP rendszer mechanikai jellemzőinek tapasztalati úton meghatározott értékeit. Ebben az esetben figyelembe vehető a végleges rendszer viselkedését befolyásoló összes paraméter, beleértve az alapfelület típusát és geometriáját is.
2.3.3.3 Nedves alkalmazású rendszerek műszaki adatlapjai
Mivel a nedves sodrott rendszerekre nem lehet külön adatlapot készíteni, a tervezés során a száraz szálak tulajdonságait kell figyelembe venni. A gyártók/szállítók tehát kötelesek megadni az αfE és αff biztonsági tényezőket, és a kísérleti vizsgálatok részletes adatait.
45
2.3.4 Előre impregnált rendszerek
Az előre impregnált (prepreg) rendszereket a gyártócég a gyártóüzemben impregnálja, és tekercsekben szállítja a vevők részére. A gyantán előpolimerizációs kezelés végezhető. Az előre impregnált megerősítő rendszerek vékony (általában 0,15 mm-es), rugalmas, és enyhén ragadós lapok formájában érhetők el. A lapok felületén levehető filmréteg (szilíciumpapír, vagy hasonló anyag) található, ami védi a rendszert a külső szennyeződéstől. A lapokat szabályozott nedvességtartalmú és hőmérsékletű helyen kell tárolni. A rendszer térhálósodása az alkalmazás helyén, hőkezelés hatására történik. Az előre impregnált rendszerek mechanikai jellemzői és műszaki adatlapjai a nedves alkalmazású rendszerekéhez hasonlóak (lásd 2.3.3).
2.4 MINŐSÉGELLENŐRZÉS Az FRP rendszerek minőségellenőrzésének és kísérleti vizsgálatainak célja a következő:
• A termékek minőségének vizsgálata és az előírt paraméterek betartásának ellenőrzése • Statisztikailag szignifikáns mennyiségű tapasztalati adat biztosítása az anyag fizikai és mechanikai
jellemzőiről, tervezési célra • Az FRP rendszerek hosszú távú viselkedésével kapcsolatos tapasztalati adatok biztosítása
(amennyiben lehetséges). A minőségellenőrzési vizsgálatok a kompozit anyagok fizikai és mechanikai jellemzőire (merevségére és szilárdságára) terjednek ki. Az alkalmazás módját és az FRP hosszú távú viselkedését máshol vizsgáljuk. Az FRP-rendszereknek két minőségellenőrzési szintjét különböztetjük meg:
• 1. szint: kiterjedt vizsgálati adatsorok statisztikai elemzésével meghatározzuk a kompozit anyag fizikai és mechanikai jellemzőit
• 2. szint: meghatározzuk a kompozit anyag hosszú távú fizikai és mechanikai tulajdonságait A fizikai és a mechanikai minőségellenőrzési kísérleteket olyan tanúsított laboratóriumban kell elvégezni, ahol rendelkezésre áll a kompozit anyagok vizsgálatához szükséges szakértelem és berendezések. Minden gyártó köteles megadni a statisztikai elemzéssel kapott mechanikai tulajdonságokat, beleértve a jellemző értékeket, a százalékosztályt, a minta középértékét, a minta szórását, a konfidencia intervallumokat és a vizsgált minták számát. Az alkalmazott gyártási technológia figyelembe vételével alkalmazni kell a megfelelő biztonsági tényezőket is.
2.4.1 Első szint: Fizikai-mechanikai jellemzők
A 2-10 táblázat áttekintést nyújt a kompozit anyagokon leggyakrabban elvégzett vizsgálatokról és a vonatkozó műszaki (ISO és ASTM) szabványokról. 2-10 táblázat – A kompozit anyagok mechanikai és fizikai jellemzői Tulajdonság Referencia szabvány ISO ASTM Mechanikai tulajdonságok Young-féle rugalmassági modulus húzási irányban
527-4,5:1993(E) D3039-00, D5083-02, D3916-02
Szakítószilárdság 527-1,4,5:1993(E) D3039-00, D5083-02, D3916-02
Szakadási nyúlás 527-1,4,5:1993(E) D3039-00, D5083-02, D3916-02
Young-féle rugalmassági modulus nyomó igénybevétel esetén
14126:1999(E) D3410
Nyomószilárdság 14126:1999(E) D3410 Szakadási összenyomódás 14126:1999(E) D3410
46
Kúszás 899-1:2003(E) D2990-01
Fizikai tulajdonságok Sűrűség 1183-4:2004(E) D792-00 Hőtágulási együttható 11359-2:1999(E) E831, D696 Üvegesedési hőmérséklet (mátrix) 11357-2:1999(E)
(DSC) 11359-2:1999(E) (TMA)
E1356, E1640
Száltartalom 1167:1997(E) D3171, D2584 A mintákat a gyártóüzemből kell beszerezni, vagy a kivitelezés során alkalmazott technológiával azonos módon kell előállítani a laboratóriumban. A kísérletek során minimum 5 mintát kell vizsgálni. Az FRP egyes komponenseit a 2-11 táblázat (szövetek) és a 2-12 táblázat (gyanták) alapján kell minősíteni. 2-11 táblázat – A szövetek mechanikai jellemzői Tulajdonság ISO referencia szabvány Termék típusa Mechanikai tulajdonságok Young-féle rugalmassági modulus húzási igénybevétel esetén
4606:1995(E), 13934-1:1999(E) szövet
Szakítószilárdság 4606:1995(E), 13934-1:1999(E) szövet Szakadási nyúlás 4606:1995(E), 13934-1:1999(E) szövet 2-12 Táblázat - A gyanták (mátrixok és kötőanyagok) mechanikai és fizikai jellemzői Tulajdonság Referencia szabvány Termék típusa
ISO ASTM Mechanikai tulajdonságok gyanta Young-féle rugalmassági modulus húzási igénybevétel esetén
527-1:1993(E) D638-02 gyanta
Szakítószilárdság 527-1:1993(E) D638-02 gyanta Szakadási nyúlás 527-1:1993(E) D638-02 gyanta Young-féle rugalmassági modulus igénybevétel esetén
604:2002(E) D695 gyanta
Nyomószilárdság 604:2002(E) D695 gyanta Törési összenyomódás 604:2002(E) D695 gyanta Nyírószilárdság 4587:2003(E) D3163-01 kötőanyag Leválási szilárdság 4578:1997(E) D3167-03 kötőanyag
Fizikai tulajdonságok Viszkozitás 2555:1989(E),
3219:1993(E) D2196-99 gyanta
Tixotróp index D2196-99 gyanta Sűrűség 1675:1985(E) D1217-93 gyanta Zselésedési idő 9396:1997(E),
2535:2001(E) 15040:1999(E)
D2471-99 gyanta
Felhasználhatósági idő 10364:1993(E) D1338-99 gyanta, kötőanyag
Exoterm csúcs 12114:1997(E) D2471-99 gyanta A teljes térhálósodásig eltelt idő 12114:1997(E) D4473-03 gyanta Zsugorodás 12114:1997(E) D6289-03 gyanta Hőtágulási együttható 11359-2:1999(E) E831, D696 gyanta
47
Üvegesedési hőmérséklet 11357-2:1999(E) (DSC) 11359-2:1999(E) (TMA)
E1356, E1640 gyanta
2.4.2 Második szint: Hosszú távú tulajdonságok
A hosszú távú viselkedést az alábbi három kategóriába lehet sorolni:
• kémiai lebomlás • környezeti tényezők (fagyás-olvadás) • terhelés: konstans (kúszás) vagy változó (fáradás).
A vizsgálatokat az adott vizsgálatnak megfelelő geometriájú mintákon kell elvégezni. A kémiai lebomlás és a környezeti tényezők vizsgálatát a megfelelő hőkezeléssel ellátott és/vagy környezeti hatásoknak kitett mintákon kell végezni. A minta előkészítése után a mechanikai és/vagy fizikai tulajdonságokat a megfelelő ISO (illetve ASTM) szabványok szerint kell megvizsgálni (lásd: 2-8, 2-9, 2-10 táblázat). Ha egy adott jellemző értéke az idő során a kémiai lebomlás miatt változik, akkor a paraméter értékét bármely időpillanatra meg lehet határozni az Arrhenius-eljárás segítségével (melynek során extrapoláljuk a rövid idő alatt magas hőmérsékleten elvégzett vizsgálatok eredményeit). Megjegyezzük azonban, hogy az ilyen módon kapott eredményekbe nem számítanak bele a terhelés, illetve a környezeti tényezők által okozott hatások (pl. UV-fény, savak, alkáli sók, stb.). Az FRP rendszerek adott környezeti hatások mellett mutatott szilárdságát megfelelő módszerekkel lehet meghatározni. Bizonyos esetekben használhatók a másfajta anyagokhoz kifejlesztett vizsgálati eljárások is (pl. fagyasztási-olvadási ciklus, ahol a betonhoz alkalmazott vizsgálati feltételeket használhatjuk a kompozit anyagokra is). A minta vizsgálata után a kívánt jellemző értékét a referencia szabványokból (2-8, 2-9, 2-10 táblázat) kaphatjuk meg. Érdemes megjegyezni, hogy az ISO EN 13687-(1÷5) szabvány kifejezetten jól használható a kötőanyagok anyagkifáradásának és hosszú távú teljesítményének vizsgálatára. Az FRP anyagok konstans terhelés mellett mutatott hosszú távú viselkedésének vizsgálatára az ISO 899-1:2003(E) illetve ASTM D2990-01 szabványban leírt kúszási tesztek használhatók. A sokszor ismételt terhelés okozta kifáradás vizsgálatát az ISO 13003-2003(E) illetve ASTM D3479-02 szabvány tartalmazza.
2.5 MEGFELELŐSÉGI KRITÉRIUMOK A szerkezeti megerősítéshez használt FRP anyagok mechanikai és fizikai tulajdonságainak megfelelőségét egy sor vizsgálattal kell ellenőrizni. Az építőipari anyagok fizikai és mechanikai jellemzőinek minimum értékét, vizsgálati eljárásait és megfelelőségi kritériumait a megfelelő szabványok tartalmazzák (6.3). Az alábbiakban röviden összefoglaljuk a gyártók, tervezők, kivitelezők, stb. ezzel kapcsolatos feladatait.
2.5.1 A szakemberek feladatai az anyagok kiválasztásával és vizsgálatával kapcsolatban
Gyártók/szállítók: • Az FRP anyagok (szálak, mátrixok, kötőanyagok, előkeményített kompozitok, stb.) gyártása során
be kell tartani a minőségellenőrzési program lépéseit. • A gyártók minden leszállított tételhez mellékelik a saját előírásaik szerinti vizsgálati
tanúsítványokat. • A nyomon követhetőség érdekében lehetőleg minden legyártott tételt meg kell jelölni. Ha ez nem
lehetséges, mindegyik gyártási tételhez mellékelni kell egy címkét, amelyen megtalálható minden olyan információ, ami az adott tétel nyomon követéséhez szükséges.
• A komplett megerősítő rendszereket (szálakat, gyantákat, előkeményített vagy prepreg rendszereket, kötőanyagokat és egyéb komponenseket) gyártó / szállító vállalatok az egyes komponensek mechanikai és fizikai jellemzőin kívül közölhetik a teljes rendszer mechanikai jellemzőit és a felhasznált alapanyagok típusát. A teljes rendszerre vonatkozó adatokat tapasztalati értékek, laboratóriumi vizsgálatok, vagy a helyszínen végzett vizsgálatok alapján kell megadni.
48
CNR-DT 200/2004 _______________________________________________________________________________________________________________
Az előző pontnak megfelelően tanúsított komplett megerősítő rendszereket „A-típusú alkalmazás”-ként, míg a többi rendszert „B-típusú alkalmazásként” kell megjelölni: A-típusú alkalmazás Megrősítő rendszer, amelyben az egyes komponenseken kívül az adott
célra alkalmazott végtermék is rendelkezik tanúsítvánnyal B-típusú alkalmazás Megrősítő rendszer, amelynek csak a komponensei rendelkeznek
tanúsítvánnyal Tervezők:
• A tervezőknek pontosan meg kell határozniuk a kiválasztott megerősítési rendszer komponenseinek minőségét és tulajdonságait (geometriai, mechanikai és fizikai jellemzőit), továbbá (szükség esetén) a paraméterek minimálisan előírt értékeit.
• A tervezőknek meg kell adniuk a kiválasztott megerősítő rendszerekre és a helyszíni alkalmazásra vonatkozó megfelelőségi kritériumokat. Az első esetben a tervező meghatározza, hogy milyen mintákat kell venni a kivitelezés helyszínén, és azokon milyen vizsgálatokat kell elvégezni. A második esetben a tervező meghatározza az FRP alkalmazása során elvégzendő minőségellenőrzéseket (a vasbetonra és a falazatra vonatkozó eljárásoknak megfelelően. Lásd: a 4.8.3 illetve 5.8.3 fejezetben)
Kivitelező/alvállalkozók:
• Beszerzik a tervező által előírt anyagokat olyan gyártóktól/szállítóktól, akik garantálják a leszállított termékek minőségét.
• Gondoskodnak a termékekhez mellékelt műszaki adatlapok beszerzéséről. Az adatlapokon szerepelnie kell az anyag mechanikai és fizikai jellemzőinek, illetve a laboratóriumi vizsgálatok tanúsítványainak (ha lehetséges).
• Ellenőrzik, hogy a termékek megfelelnek-e a tervező által megadott előírásoknak; ha az előírt feltételeket teljesítő anyag nem beszerezhető, egyeztetnek a tervezővel az alternatív anyag alkalmazásáról.
Építésvezető:
• Dönt arról, hogy a termékek megfelelnek-e a kritériumoknak. • Ellenőrzi, hogy az anyag teljesíti-e a tervező előírásait. • Ellenőrzi a beszerzett anyag eredetét. A pultrúzióval gyártott anyagokat a gyártó általában
megjelöli, a többi anyagot a nyomon követhetőség érdekében el kell látni a megfelelő címkékkel. • A gyártó által biztosított vizsgálati tanúsítványok alapján ellenőrzi a termékek mechanikai és fizikai
jellemzőit. • Előfordulhat, hogy az alkalmazás fontossága miatt további vizsgálatokat kell végezni az anyagok
minősége és a gyártó által közölt adatok pontosságának ellenőrzése érdekében. Ezeket a vizsgálatokat csak az FRP anyagok tesztelésében kellő jártassággal és a megfelelő berendezésekkel rendelkező laboratóriumok végezhetik el. A megfelelőségi kritériumok a gyártás során kapott értékektől való megengedett legnagyobb eltérés alapján számíthatók ki. A tesztek során a gyártással azonos vizsgálati eljárásokat és a gyártási technológiával azonos módon készített mintákat kell használni. Bizonyos esetekben figyelembe kell venni a hőmérséklet és a páratartalom változását is. Ilyenkor a mechanikai és fizikai jellemzőket normál és öregített mintákon is meg kell vizsgálni.
• „A-típusú alkalmazásoknál” az építésvezető dönt arról, hogy szükség van-e az összeszerelt rendszer vizsgálatára. „B-típusú alkalmazások” esetén az építésvezető köteles elrendelni az összeszerelt rendszer és a szerelési technológia minőségének felülvizsgálatát (a vasbetonra és a falazatra vonatkozó eljárásoknak megfelelően. Lásd: a 4.8.3 illetve 5.8.3 fejezetben).
Vizsgálati laboratóriumok:
• Megfelelő jártassággal rendelkeznek az FRP-anyagok vizsgálatában
49
• Rendelkeznek a szükséges mérő- és ellenőrző berendezésekkel • A vizsgálatokat az FRP-anyagokra vonatkozó szabványoknak megfelelően végzik el • Részletes jelentést adnak a vizsgálat körülményeiről és eredményeiről. • CNR-DT 200/2004
___________________________________________________________________________
• Rendelkeznek minőségügyi kézikönyvvel, és vizsgálati tevékenységeiket az EN-ISO 17025 számú, „A vizsgálati és kalibrációs laboratóriumokra vonatkozó általános előírások” című szabvány előírásai szerint végzik el.
Műszaki ellenőr: Ha az FRP-megerősítésű szerkezetet meg kell vizsgálni, a műszaki ellenőr feladatai a következők:
• Ellenőrzi, hogy az anyagok minősége megfelel-e a gyártói specifikációknak • Ellenőrzi, hogy a felhasznált anyagokat jóváhagyta-e az építésvezető • Ellenőrzi az építésvezető által előírt vizsgálatok eredményeit (ha vannak ilyenek).
2.6 SZÁLLÍTÁS, TÁROLÁS ÉS KEZELÉS Az FRP-anyagok megfelelő szállításával, tárolásával és kezelésével biztosítható, hogy a komponensek jellemzői nem változnak, és továbbra is teljesítik a biztonsági előírásokat. Szállítás: A kiválasztott FRP rendszer minden egyes komponensét megfelelő csomagolásban, a biztonsági előírások betartása mellett kell szállítani. Tárolás: Az FRP-anyagok tulajdonságainak megőrzése, valamint a biztonsági előírások teljesítése érdekében az FRP-anyagokat a gyártó/szállító előírásainak megfelelően kell tárolni. A szálakat és gyantákat 10-24°C közötti száraz, 20%-nál alacsonyabb páratartalmú helyiségben kell tárolni, kivéve ha a gyártó erről másképpen rendelkezik. A helytelen tárolás következtében a laminátumok és az előre formált anyagok meghajolhatnak vagy megsérülhetnek. Bizonyos anyagok (hálóképző adalékok, katalizátorok, tisztító oldatok, stb.) esetén biztonsági megfontolásokból be kell tartani a gyártó tárolásra vonatkozó előírásait. A katalizátorokat és indítóanyagokat (általában peroxidokat) egyéb reagensektől elkülönítve kell tárolni, amellyel megelőzhető az anyagok véletlen érintkezéséből adódó térhálósodás. A polimerizálatlan gyanták paraméterei az idő során bizonyos körülmények (páratartalom, hőmérséklet) hatására változnak. A hőmérséklet befolyásolja a keverék reakciókészségét és a polimerizált gyanta tulajdonságait is. A gyártók által előírt eltarthatósági (tárolási) idő betartásával biztosítható a hőre keményedő gyanták tulajdonságainak megőrzése. A túltárolt, vagy szennyezet komponenseket nem szabad felhasználni! A használhatatlan komponensek ártalmatlanítása és hulladékkezelése során be kell tartani a gyártó előírásait és a hatályos biztonsági szabályokat. Kezelés: A gyártó köteles mellékelni az FRP-anyag komponenseinek biztonsági adatlapjait (MSDS). A hőre keményedő gyantákhoz általában keményítőanyagot, térhálósítót, indítóanyagot (peroxidokat) és szűrőanyagokat szoktak hozzáadni. A hőre keményedő gyanták kezelése során az alábbi veszélyforrásokra kell ügyelni:
• Bőrirritáció, érzékenység • Oldószerek, hígítók és monomerek belégzése • Gyúlékony anyagok nagy koncentrációja, illetve nyílt lánggal (pl. égő cigarettával) történő
érintkezése miatt fennálló tűz- és robbanásveszély • Vegyszerek közötti exoterm reakciókból adódó tűz- és sérülésveszély • Az FRP-anyagok kezelése és felhasználása során képződő porterhelés.
A fenti veszélyforrások miatt különös körültekintéssel kell eljárni ezeknek a termékeknek, illetve komponenseinek kezelése során. A hőre keményedő gyanták és a hozzátartozó anyagok összetételéből
50
adódó balesetveszély elkerülése érdekében a dolgozóknak figyelmesen el kell olvasniuk a mellékelt címkék és biztonsági adatlapok tartalmát. A szálak, illetve gyanták kezelése közben eldobható védőkesztyű, munkaruha és védőszemüveg viselése javasolt. A gumiból vagy műanyagból készült védőkesztyűnek oldószerállónak kell lennie. Száldarabokkal, porral, vagy oldószeres gőzökkel való érintkezés esetén, illetve a gyanta keverése és felhordása közben légzőkészüléket kell viselni (lásd: az FRP-anyagok gyártói által közölt utasításokat). Minden esetben gondoskodni kell a munkaterület megfelelő szellőztetéséről.
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
3 AZ FRP MEGERŐSÍTÉS TERVEZÉSÉNEK ALAPJAI (1)P Ennek a fejezetnek a tárgya olyan meglévő vasbeton és feszített vasbeton szerkezetek valamint falazatok FRP-vel való megerősítése, amelyekhez nincsenek megfelelő építési előírások. Ugyanezek az elvek vonatkoznak az ebben a dokumentumban nem tárgyalt acél- és faszerkezetekre is. (2)P A következőket tételezzük fel:
• A megerősítő rendszer kiválasztását és tervezését megfelelően képzett és tapasztalt mérnök végzi. • A megvalósítást megfelelő szakismerettel és gyakorlattal rendelkező szakemberek végzik. • A kivitelezés során a megfelelő irányítás és minőség-ellenőrzés biztosított. • Az építési anyagokat a következőkben leírtak szerint alkalmazzák.
(3)P Az FRP megerősítő rendszer úgy kerül megtervezésre, hogy megfelelő szilárdságú legyen, és megfeleljen a tartóssági és alkalmassági követelményeknek. Tűz esetén a kiválasztott FRP rendszer szilárdsága a megkívánt időszakig megfelelő lesz. (4)P Az FRP megerősítő rendszer olyan helyen kerül alkalmazásra, ahol húzóerőknek kell ellenállnia. Nem alkalmaznak FRP kompozitokat nyomóerők egyensúlyozására.
3.1 ALAPKÖVETELMÉNYEK (1)P Az FRP megerősítő rendszer tervezése a következő alapelvek figyelembe vételével történik:
• Pontosan meghatározzák, megszüntetik, illetve enyhítik azokat a kockázati tényezőket, amelyeknek a szerkezet ki lehet téve.
• A megerősítő konfigurációk csak kis mértékben lehetnek kitéve az említett kockázati tényezőknek. • A megerősítő rendszerek ki kell hogy bírjanak egy elfogadható méretű lokális sérülést. • Ki kell küszöbölni a lehetőséget, hogy a megerősítő rendszer minden figyelmeztetés nélkül
összeomoljon. (2)P A föntiekben meghatározott alapkövetelmények akkor tekinthetők teljesítettnek, ha megfelelnek a következő feltételeknek:
• Megfelelő anyagokat választanak. • Megfelelően végzik el a tervezést a konstrukció részleteinek gondos kiválasztásával. • Meghatározták az adott projektre vonatkozó érvényes minőségellenőrzési eljárásokat mind a
tervezés, mind pedig a kivitelezés tekintetében. (3)P Ha az FRP megerősítés történelmi vagy művészettörténeti jelentőségű épületeket érint, a megerősítő eljárás kritikai értékelésére van szükség az állagmegóvás és helyreállítás szempontjainak figyelembevételével. A megerősítő eljárás tényleges hatékonyságát objektíven kell bizonyítani, és az elfogadott eljárásnak garantálnia kell a kompatibilitást, a tartósságot és a reverzibilitást.
51
3.2 TARTÓSSÁGI KÖVETELMÉNYEK (1)P A megerősítés kialakításának olyannak kell lennie, hogy alkalmazása esetén a megerősített szerkezet állagát és használhatóságát ne akadályozza jobban a kívánt mértéknél. A környezeti viszonyokat és az előrelátható karbantartási feladatokat is alaposan tanulmányozni kell. A tartósság a legalapvetőbb fontosságú szempont, és valamennyi, az FRP megerősítésben részt vevő személy vagy szervezet ennek a követelménynek a teljesítésére kell, hogy törekedjen.
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(2) Az FRP-vel megerősített elemek tartósságának biztosítása érdekében a következőket kell figyelembe venni:
• Mire kívánják használni a megerősített szerkezetet? • Előreláthatólag milyen környezeti feltételek mellett? • A meglévő és az új anyagok összetétele, tulajdonságai és teljesítménye. • A kiválasztott megerősítő rendszer, annak felépítése és a megvalósítás részletei. • A szakmunka minősége és az ellenőrzés mértéke. • Különleges védelmi intézkedések (pl. tűz vagy rongálás esetére). • A megerősített szerkezet élettartama folyamán tervezett karbantartási ütemterv.
(3)P A kivitelezéssel kapcsolatos speciális problémákat (környezetvédelmi ügyek, terhelés, stb.) még a tervezés során meg kell határozni, és a tartósság szempontjából kell értékelni fontosságukat és megfelelő értéket adni a konverziós faktoroknak (3-5 fejezet), valamint meg kell tenni a szükséges intézkedéseket a választott FRP szerkezet megóvására. (4) Ha egy adott FRP rendszer konverziós faktorai nem állnak rendelkezésre a megerősítő szerkezet tönkremenésének minden lehetséges okát pontosan föl kell becsülni. Ezek a becslések elvégezhetők egy elméleti modell, kísérletek, vagy korábbi alkalmazásokkal szerzett tapasztalat, illetve ezek bármiféle kombinációjában.
3.3 A MEGERŐSÍTÉS TERVEZÉSÉNEK ÁLTALÁNOS ELVEI
3.3.1 Általános
(1)P Az FRP anyagok felhasználásának tervezését mind a használhatósági határállapotra (SLS), mind pedig a tönkremeneteli határállapotra (ULS) meg kell határozni az érvényben lévő építési szabályzat szerint. (2) Az egyik határállapot verifikációját el lehet hagyni, ha elegendő információ áll rendelkezésre, hogy a másik alapján megfelel a feltételeknek. (3)P Az FRP-vel megerősített szerkezeteket és szerkezeti elemeket úgy kell megtervezni, hogy tervezett szilárdságuk Rd minden részletükben legalább egyenlő legyen a szükséges szilárdsággal Ed, amelyet a biztonsági tényezők figyelembevételével meghatározott terhelés és erők alapján a hatályos építési előírás szerint kell megállapítani. A következő egyenlőtlenségnek kell teljesülnie:
(4) A tervezésnél figyelembe vett értékeket a karakterisztikus értékekből megfelelő osztott biztonsági tényezők segítségével nyerhetjük, amelyek minden határállapotra különbözőek a hatályos építési előírás szerint. Az FRP anyagok osztott biztonsági tényezőit ebben a dokumentumban megadjuk. (5) Egy szerkezeti elemen végrehajtott FRP szerkezeti alkalmazásoknál, ahol a feljavítás (upgrading) feltételei nem adottak, be kell bizonyítani, hogy az alkalmazott megerősítési eljárás a szerkezetnek jelentős biztonságot ad a rá nehezedő terhelésre való tekintettel. Az ilyen alkalmazásokat „amelioráció”-ként
52
határozzák meg. Ameliorációk esetében a (szükséges) biztonsági szint kiszámításának minden határállapotra meg kell történnie mind az FRP alkalmazás előtt, mind pedig utána.
3.3.2 Parciális biztonsági tényezők és a teher tervezési értéke.
(1)P Az FRP-vel megerősített szerkezeti elemek tervezése során figyelembe kell venni, hogy a szerkezet élettartama meg kell, hogy feleljen az érvényes építési előírás követelményeinek. Következésképpen
CNR-DT 200/2004
___________________________________________________________________________
a meglévő anyagokra érvényes biztonsági tényezőket, és az új építésű szerkezetekre előírt terhelést kell figyelembe venni az érvényes építési szabályzat alapján.
3.3.3 Az FRP anyagok tulajdonságai
(1)P A meglévő szerkezetek megerősítésére szolgáló FRP anyagok tulajdonságait szabványosított laboratóriumi vizsgálatokban kell meghatározni, az anyagok című fejezetben leírtak szerint. (2)P A megerősítendő meglévő szerkezetek anyagainak tulajdonságait helyben végzett és laboratóriumi vizsgálatokkal kell meghatározni, és amennyiben lehetséges minden további információforrást is föl kell használni (az építkezés eredeti dokumentumai, a későbbiekben keletkezett további dokumentáció). (3) A megerősítésre használt FRP anyagok szilárdsági és nyújthatósági tulajdonságait, éppúgy mint a meglévő anyagok tulajdonságait (hacsak az érvényes építési előírás másként nem rendelkezik) a megfelelő jellemző értékekkel kell leírni. Egy mechanikai tulajdonság jellemző értékének a helyszíni vizsgálatból származtatott eredménye figyelembe veszi a vizsgálati eredmények szóródását, az elvégzett vizsgálatok számával összefüggésbe hozható statisztikai bizonytalanságot, és a korábbi statisztikai eredményeket. (4) Csak az FRP anyagok és a meglévő szerkezetek anyagainak merevségi jellemzőit (Young-féle rugalmassági modulus) kell kiértékelni a megfelelő átlagértékek segítségével.
(5) Az FRP nedves alkalmazása (wet long-up) esetén az . és . FRP Young-féle rugalmassági modulus és FRP húzószilárdsági együtthatója ( 2.3.3.2 rész) nem lehet nagyobb, mint 0,90.
(6) Az FRP anyag generikus tulajdonságaként az tervezéskor figyelembe vett érték a következőképpen fejezhető ki:
Ahol η egy speciális tervezési problémákra számot adó konverziós faktor (3,5) a figyelembe vett
tulajdonság karakterisztikus értéke, pedig az anyagnak a parciális faktora, amely figyelembe veszi az alkalmazás típusát (3-2 táblázat). (7) A megerősítendő szerkezethez tartozó meglévő alapanyag alapvető tulajdonságaira vonatkozóan az
tervezésnél figyelembe vett érték egy sor helyszínen végzett vizsgálat alapján állapítható meg (úgy, hogy az átlagértéket elosztjuk egy biztonsági tényezővel [confidence factor]), vagy pedig a következő egyenlet felhasználásával:
53
Ahol az X tulajdonság jellemző értéke az n-edik számú helyszíni mérés alapján, pedig az X tulajdonság átlagértéke n számú mérés alapján. A 3-1 táblázatban az n mennyiség függvényében adjuk meg
értékét, míg a változási együttható, értékét 0,10-nek tételezzük acél, 0,20-nak beton, és 0,30-nak a
54
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
kőművesmunkák és faanyag esetében. A konverziós faktor értékét pedig jellemzően 0,85-nek tekintjük beton, és 1,00-nek acél, kőművesmunka és a faanyag tekintetében. 3-1 táblázat – kn értékek a jellemző érték meghatározásához.
3.3.4 Az ellenállás tervezési értéke
(1) Az ellenállás Rd tervezési értékét a következőképpen lehet kifejezni:
A 3.4 egyenletben ·az éppen vizsgált specifikus mechanikai modellnek megfelelő függvény (pl. hajlás,
nyírás, stb.), pedig a feltételezett modell bizonytalanságait lefedni hivatott parciális faktor. Az
függvény argumentumai jellemzően az tervezéskor figyelembe vett értékek a megerősítésre szánt
anyagokra vonatkozóan, a meglévő anyagokra vonatkozóan, az nominális (névleges) értékek pedig a modellbe bevont geometriai paraméterekre. (2)P Általában az FRP hozzájárulása a megerősített elemhez nem növelheti annak kapacitását a meg nem erősített (eredeti) elem több mint 60%-ával. Ez a korlátozás nem vonatkozik a kivételes vagy szeizmikus terhelésre.
3.4 PARCIÁLIS BIZTONSÁGI TÉNYEZ ŐK
3.4.1 Parciális biztonsági tényezők: FRP anyagokra
(1) A teherbírási határállapotokra a parciális tényezőkhöz rendelendő értékek, , és az FRP anyagokhoz a 3-2 táblázatban történik javaslattétel az FRP tönkremenetel módjának függvényében:
3-2 táblázat – Parciális tényezők, , anyagok és termékek.
A tönkremenetel módjától függő parciális tényezők A típusú alkalmazás (1) B típusú alkalmazás (2)
FRP szakadás FRP leválás (1) (a 2.5 fejezet) 2. rész ajánlásai szerint tanúsított megerősítő rendszerek (2) (a 2.5 fejezet) 2. rész ajánlásai szerint nem tanúsított megerősítő rendszerek
Partial tényezők Type-A application (1) Type-B application (2)
γf 1.10 1.25 γf,d 1.20 1.50
55
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(2) A használhatósági határállapot (meghatározásához) az értéket rendeljük minden parciális tényezőkhöz, ha ezt másképpen nem jelöljük.
3.4.2 Parciális tényezők. – a teherbírási modellhez
(1) A teherbírási határállapotban (ULS) a parciális tényezőkhöz rendelhető értékek, értékek a 3-3 táblázatban vannak feltüntetve.
3-3 táblázat – Parciális tényezők .
rezisztencia (ellenállás) modell Hajlítás/ Kombinált hajlítás és axiális (tengelyirányú) terhelés 1.00 Nyírás/Torzió 1.20 Keresztirányú alakváltozást gátló hatás 1.10
3.5 SPECIÁLIS TERVEZÉSI NEHÉZSÉGEK ÉS VONATKOZÓ KON VERZIÓS TÉNYEZŐK
(1) A továbbiakban néhány, a konverziós tényezőhöz (3.3.3(6)) rendelendő referenciaértékről számolunk be, amelyek befolyásolják az FRP anyagok tartósságát és viselkedését.
3.5.1 az környezeti konverziós tényező
(1)P Az FRP rendszerek mechanikai tulajdonságai (pl. húzószilárdság, szakadó nyúlás, Young-féle rugalmassági modulus) sajátos környezeti feltételek mellett, például lúgos vagy nedves környezetben, szélsőséges hőmérsékletek, periodikus hőingadozás, illetve fagyás és olvadás, ibolyántúli (UV) sugárzás esetén leromlanak. (2) A lúgos környezet hatásai. A beton pórusaiban fellelhető víz a gyanta és az FRP és a tartóelem közötti felület (interface) lebomlását okozhatja. A gyanta lúgok által okozott károsodása jellemzően veszélyesebb, mint a nedvesség által okozott kár. A gyanta kikeményedési folyamatának be kell fejeződnie, mielőtt azt lúg hatásának teszik ki. (3) A nedvesség hatásai. A nedvességfelvétel fő hatásai a gyantát érintik, és a következőképpen foglalhatók össze: Plasztifikáció (képlékennyé válás) a üvegesedési hőmérséklet, a szilárdság és merevség csökkenése (az utóbbi kevésbé jelentős). A vízmegkötés függ a gyanta típusától, a laminát összetételétől és minőségétől, vastagságától, a kikeményedés körülményeitől, a gyanta és mikroszál érintkezési felületének minőségétől és a megmunkálás körülményeitől. Tengerparti környezetben (tengervíz jelenlétében), ahol az ozmózisos hatások légbuborékok képződését eredményezhetik a gyantában, védőbevonat alkalmazása javasolt. (4) A szélsőséges hőmérsékletek és a periodikus hőingadozás hatásai. A hőmérséklet elsődleges hatásai a gyanta és a kompozit viszkozitásának változását/reakcióját illeti. A hőmérséklet növekedéséve csökken a gyanta Young-féle rugalmassági modulusának értéke. Ha a hőmérséklet meghaladja a üvegesedési hőmérsékletet, az FRP anyagok tulajdonságai szignifikáns módon romlanak. Általában a hőmérséklet periodikus váltakozása nem károsítja az FRP-t, de a nagy rugalmassági modulust mutató gyantákat tartalmazó rendszerekben mikrorepedések keletkezhetnek. A köz- és lakóépületek jellemző hőmérsékleteihez a nemkívánatos teljesítmény elkerülhető olyan rendszer választásával, amelynek
56
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
üvegesedési hőmérséklete mindig magasabb, mint a megerősíteni kívánt szerkezet vagy elem jellemző (üzemi) hőmérséklete. (5) Az ismétlődő fagyás és olvadás hatásai. Az ismétlődő fagyás és olvadás hatásainak való kitettség általában nem befolyásolja az FRP anyagok tulajdonságait, ugyanakkor csökkenti a gyanta és a gyanta-szál érintkezési felület teljesítményét. A fagypont alatti hőmérsékleteken a polimer alapú műgyanta rendszerek teljesítménye javulhat, mivel szilárdságuk és merevségük növekedhet. A fagyás és olvadás kiváltotta lebomlás (degradáció) hatásait a nedvesség jelenléte megnövelheti. (6) Az ibolyántúli (UV) sugárzás hatásai. Az ibolyántúli sugárzás ritkán rontja le az FRP alapú rendszerek teljesítményét, bár egyes gyantáknál fokozott törékenységet és felületromlást (eróziót) okozhat. Az UV-sugárzáshoz kapcsolódó legártalmasabb hatásnak a nedvesség és agresszív vegyületek behatolását tartják a sérült felületen keresztül. Az ilyen jellegű károsodástól az FRP alapú rendszereket úgy lehet megóvni, hogy vagy a gyantához adnak kitöltő anyagokat, vagy pedig megfelelő bevonatot készítenek.
(7) A 3-4-es táblázatban összegezzük az környezeti konverziós tényezőhöz rendelt értékeket a szál/gyanta típusa és a környezeti körülmények (kitettség körülményei) alapján. Ezek az értékek a különböző száltípusok tartósságán alapuló óvatos becslésként veendők figyelembe. Az itt szerepeltetett
értékek azonban 10%-kal növelhetők (amellett hogy az feltételek teljesülnek), ha valamilyen védőréteget alkalmaznak. A megerősített szerkezet ilyen jellegű bevonatát annak teljes élettartama alatt fönn kell tartani, és kísérleti úton kell ellenőrizni, hogy hatékonyan védi-e az FRP rendszert a környezeti hatásoktól.
3-4. táblázat – Az környezeti konverziós faktor különböző FRP rendszerek és környezeti körülmények alapján.
3.5.2 A hosszútávú hatások konverziós tényezője
(1)P A mechanikai tulajdonságok (pl. húzószilárdság, szakadó nyúlás, Young-féle rugalmassági modulus) romlanak az anyagok kúszása, ernyedése és fáradása miatt is. (2) A kúszás és ernyedés (relaxáció) hatásai. Az FRP alapú rendszerek kúszása és ernyedése (relaxációja) függ mind a gyanta, mind pedig a szálak tulajdonságaitól. Jellemzően a hőre keményedő gyanták (telítettlen poliészterek, vinil-észterek, epoxi- és fenol-észterek) kevésbé viszkózusak, mint a hőre lágyulóak (polipropilén- nylon- polikarbonát stb.) Minthogy a szálak csökkentik a gyanta kúszását, ezek a jelenségek
57
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
akkor jelentősebbek, ha a terhelés transzverzális irányból éri a szálakat, vagy ha a kompozitban alacsony a szálak térfogatszázaléka. A kúszást csökkenteni lehet alacsony igénybevételi terheléssel. A szénszálas (CFRP) rendszerek a legkevésbé, az aramid szálasak (AFRP) közepesen, az üvegszálasak (GFRP) pedig leginkább hajlamosak a kúszás okozta törésre/szakadásra. (3) Fáradás. Az FRP rendszerek teljesítménye a fáradás körülményei között szintén figyelembe veendő. Ez a teljesítmény elsősorban a mátrix összetételétől függ, és - kisebb mértékben - a szál típusától. Az egy irányú kompozitokban a szálak általában kevés defektust mutatnak, következésképpen hatékonyan tudják késleltetni a repedések kialakulását. A repedések terjedését a szomszédos szálak hatása is gátolja. (4) A folyamatos vagy ciklikus terhelés alatt álló FRP-vel erősített épületelemek tönkremenésének
elkerülését szolgálják az hosszútávú hatások vonatkozásában javasolt konverziós faktor értékek a 3-5 táblázatban. Az együttesen meglévő folyamatos és ciklikus terhelés esetén az összesített konverziós tényező a megadott konverziós tényezők szorzata.
3-5 táblázat – A hosszútávú hatások konverziós tényezője különböző FRP rendszerek és SLS (használhatósági határállapot) vonatkozásában.
Terhelés módja Szál/gyanta típus Folyamatos Üveg/epoxi 0.30 Kúszás és ernyedés/relaxáció Aramid/epoxi 0.50 Szén/epoxi 0.80 Ciklikus (fáradás) Valamennyi 0,50
3.5.3 Ütésállóság, robbanásszerű terhelés
(1) A fizikai behatásnak vagy robbanásszerű terhelésnek kitett FRP rendszerek viselkedését még nem térképezték föl teljes mértékben. Kívánatosnak tűnik mindenesetre ilyen szempontból (a nagyobb ütésállósággal rendelkező) aramid- (AFRP) és/vagy üvegszálas (FRP) rendszerek alkalmazása, mint a szénszálas (CFRP) rendszereké.
3.5.4 Vandalizmus
(1)P Az FRP kompozit anyagok különösen érzékenyek a vágószerszámokkal ejthető vágásokra vagy hasításokra. (2) Azoknak az FRP-vel megerősített elemeknek, amelyek a nagyközönség számára hozzáférhetőek egyedi védőrendszert szükséges kialakítani, ha felmerülhet a vandalizmus lehetősége. Ellenőrizni kell a strukturális elem biztonságosságát olyan szempontból, hogy mi történne, ha az FRP rendszert eltávolítanák. A tervet verifikálni kell egy olyan modellezés alkalmazásával, amely számítja az állandónak tekinthető terhelést és a rendkívüli terhelést egyaránt, mely utóbbira az anyag parciális tényezők tönkremeneteli határállapot (ULS) értékét veszi figyelembe.
3.6 A MEGERŐSÍTÉS KORLÁTAI T ŰZ ESETÉN (1)P Az FRP anyagok különösen érzékenyek a tűz esetén fellépő magas hőmérsékleti körülményekre. Ha a szobahőmérséklet/környezeti hőmérséklet meghaladja a gyanta üvegesedési (vagy szemikristályos agyagok esetén olvadási) hőmérsékletét, a beszerelt FRP rendszer veszít szilárdságából és merevségéből. Ha az FRP-t külső megerősítésként alkalmazzák betonon, vagy falazaton, a magas hőmérséklet gyorsan
58
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
tönkreteszi az FRP rendszer és az alátámasztás között. Ennek eredményeképpen megszűnik a megerősítés hatékonysága, és megtörténhet az FRP kompozit leválása. (2) Ami a tűz közvetlen hatását illeti, az FRP megerősítéssel ellátott elemek mechanikai tulajdonságait javítani lehet a védőréteg vastagságának növelésével. Olyan bevonat alkalmazása javasolt, amely képes a lángok terjedésének és a füstképződésnek a megakadályozására is. Ajánlatos olyan védőbevonat rendszerek alkalmazása, amelyek hivatalos tanúsítvánnyal is el vannak látva. A védőbevonatok alkalmazására (felvitelére) vonatkozó további részletes útmutatás a 4.8.2.3 és 5.8.2.3. szakaszokban találhatók. (3)P Az FRP erősítéssel ellátott szerkezet összeomlásának megelőzése érdekében, mindaddig, amíg további ismeretekkel nem rendelkezünk a tűz hatásának kitett védőbevonat és gyanta viselkedéséről javasoljuk az FRP részesedésének alacsonyan tartását az elem teherbíró-képességében. (4) Azt javasoljuk, hogy a jelenleg hatályos építési szabályzatban meghatározott rendkívüli terhelésre (tűzre) vonatkozó kombináció az alábbiakban felsorolt helyzeteket használja kiindulópontként, melyben a közvetett hőterhelés tervezésnél figyelembe vett értékét az Ed index szimbólum helyettesíti (jelöli).
• Kivételes terhelés, ha azFRP megerősítés változatlanul a helyén van , ha a megerősítő rendszert úgy tervezték, hogy ellenálljon a tűznek /kibírja a tűz hatását. Az alkalmazott terheléseket mint SLS terhelési tényezőket kell figyelembe venni a gyakori terhelési körülményeknek megfelelően. Ebben az esetben valamennyi, a gyakori kombinációban a szerkezetre ható terhelést figyelembe kell venni. A tűz hatásának időtartamát figyelembe véve csökkentett teherbíróképességet a kivételes helyzetekre vonatkozó parciális tényezők segítségével kell kiszámítani, a jelenleg hatályos építési előírás szerint (a szálerősítésű
kompozitok esetében
• Kivételes eseményt követő helyzet, ha az FRP megerősítést eltávolították (már nincs a helyén Az alkalmazott terheléseket a kvázi állandó terhelésre vonatkozóan kell figyelembe venni. A tűz hatásának időtartamát figyelembe véve csökkentett teherbíróképességet a kivételes helyzetekre vonatkozó parciális tényezők segítségével kell kiszámítani.
59
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4. VASBETON ÉS FESZÍTETT VASBETON SZERKEZETEK MEGERŐSÍTÉSE
4.1 LEVÁLÁSI MECHANIZMUSOK
4.1.1 Leválásos tönkremenetelek
(1)P A vasbeton elemek FRP kompozittal való megerősítése során nagy jelentősége van az FRP és a beton közötti tapadásnak a leválás (tapadás megszűnése) által okozott tönkremenetel hirtelensége miatt. A teherbíróképesség tervezésnél figyelembe vett kritériuma szerint ez a tönkremeneteli mechanizmus nem szabad, hogy megelőzze a hajlási vagy nyírási tönkremenetelt a megerősített elem esetében. (2)P Az FRP és a beton közötti tapadás megszűnése érinti betongerendákon hajlítási vagy nyírási megerősítésként alkalmazott laminátokat és lemezeket egyaránt. Mint azt a 4-1 ábra mutatja, a leválás történhet a ragasztóanyagon belül, a beton és a ragasztóanyag között, magában a betonban vagy a különböző szál hajlási szögű FRP megerősítésen belül (pl. két egymáshoz illeszkedő réteg között). Ha a megerősítés megfelelő módon kerül felszerelésre, minthogy a ragasztó erő jellemzően sokkal nagyobb, mint a beton húzószilárdsága, a leválás mindig magán a betonon belül történik egy anyagréteg leválásával, amelynek vastagsága néhány millimétertől a teljes beton fedőrétegig terjedhet.
4-1 ábra – Az FRP és a beton alapréteg elválása
(3)P A leválás okozta tönkremenetel különböző módozatait a hajlítási megerősítésként alkalmazott laminátok vagy lemezek esetén a következő, a 4-2 ábrán vázlatosan bemutatott négy kategóriába lehet osztani. 1-es mód (végleválás) 2-es mód (közbülső, hajlítási repedések által okozott leválás) 3-es mód (ferde nyíró repedések által okozott leválás) 4-es mód (a beton felületi egyenetlenségei által okozott leválás)
60
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4-2 ábra – FRP flexiós megerősítés leválási tönkremeneteli módozatok
(4) A továbbiakban csak az 1-es és 2-es módról beszélünk, mert ezek fordulnak elő leggyakrabban hétköznapi helyzetekben. A fennmaradó tönkremeneteli módok kockázatának csökkentése érdekében kövesse az ebben a dokumentumban taglalt ellenőrzési és kivitelezési ajánlásokat (4.8). (5) A leválás tönkremeneteli módokra vonatkozó további tájékoztatás és tervezési kritériumok a B függelékben találhatók.
4.1.2 Törési energia
(1)P Mielőtt bármilyen flexiós vagy nyíró tervezést el lehetne kezdeni elemezni/értékelni kell a betonról az FRP-re átadható legnagyobb erőt, valamint a beton-FRP érintkezési felületen (interface) ható nyíró és normál erőket. Az előbbi szükséges a tönkremeneteli határállapot (ULS) tervezéséhez az utóbbi pedig a használhatósági határállapot (SLS) tervezésekor. (2)P Egy a 4.3 ábrán bemutatott jellegzetes kötésvizsgálatban a leválás előtt az FRP rendszernek átadható utolsó legnagyobb erő nagysága a tapadási felület hosszúságától függ. Az optimális tapadási hosszúság (le) úgy határozható meg, mint az a hossz, amelynek meghaladása után nem növekszik a beton és az FRP között átadott erő nagysága.
4-3 ábra – Az FRP és a beton alapréteg között átadásra kerülő legnagyobb (maximális) erő.
(3) Az le , optimális tapadási hossz a következő módon becsülhető meg:
[hossz mm-ben]
61
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
Ahol Ef és tf az FRP Young-féle rugalmassági modulusa, illetve vastagsága, pedig a beton átlagos szakító szilárdsága.
(4) Az specifikus törési energia az FRP-beton érintkezési felületen a következőképpen fejezhető ki:
[erők N-ban, hosszúságok mm-ben]
ahol a beton nyírószilárdság karakterisztikus értékese
A (4.2) egyenlet megadott érték mint jellemző érték (5%-os fraktilis) veendő figyelembe, egy
geometriai együttható, mely függ a megerősített gerenda szélességétől és az FRP betét szélességétől
is, és a következőképpen írható le:
Ahol bf / b ≥ 0,33 (ha bf / b < 0,33 , akkor a bf / b = 0.33 értéknek megfelelő kb értéket vesszük figyelembe).
4.1.3 Tervezésnél figyelembe veendő tervezési szilárdság a laminát végleválásnál (1-es mód)
(1) A laminát oldali leválásnál, feltételezve, hogy a kötéshossz (bond length) egyenlő vagy nagyobb az optimális kötéshossznál, a végső tervezési erő/szilárdság (ffdd) a következőképpen számítható ki:
Ahol . a 3-2-es táblázatban (3.4.1 szakasz) megjelölt parciális tényező, pedig a beton parciális tényezője. A (4.4) egyenlet használható:
• Flexiós megerősítésnél (4.2.2.5) • Nyírási megerősítésnél (4.3.3.2)
(2) Az optimálisnál kisebb tapadási hosszok esetén a tönkremeneteli határállapotra (ULS) a következő egyenlet alapján csökkentendő:
62
63
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(3) Ha speciális lehorgonyzó eszközöket alkalmaznak (keresztirányú FRP rudak, U-borítás FRP lemezekkel/lapokkal, stb.), a maximális tervezési szilárdságot közvetlenül kell felmérni, ad-hoc kísérleti vizsgálattal.
4.1.4 végső szilárdság közbülső leválásnál (2-es mód)
(1)P Az közbülső leválási mechanizmusok következtében előálló tönkremenetel megelőzése érdekében a
feszültség-változást az FRP rendszerben két egymást követő repedés között nem haladhatja meg
az határértéket. Az utóbbi érték jellemzően a beton és az FRP közötti tapadás (a B függelékben meghatározott) jellemzőitől/ tulajdonságaitól, a beton keresztirányú repedéseinek távolságától és az FRP
feszültségszintjétől függ. (2) Emellett egy egyszerűsített eljárás is alkalmazható. Az FRP renszer ULS-nél kalkulált legnagyobb
szilárdságának az értéknél kisebbnek kell lennie:
Ahol kcr 3,0-mal egyenlőnek tekinthető, ha tényleges adatok nem állnak rendelkezésre
Az FRP rendszerben a hozzátartozó alakváltozás tervezési értéke a következőképpen számítható ki:
4.1.5 Tapadási feszültség használhatósági hatásállapotban (SLS)
(1)P Az FRP-vel megerősített gerendáknál a feszültségkoncentrációk (nyíró- és normál feszültség) az FRP és a beton érintkezési felületén, a beton ferde (keresztirányú) repedéseinek közelében, vagy az FRP megerősítések végeinél alakulnak ki. A feszültségkoncentrációk repedéseket okozhatnak a határfelületeken. (2)P Működési körülmények között a határ felület repedését el kell kerülni, különösen ha a megerősített elem esetlegesen fáradásnak vagy periodikus fagyás/olvadási ciklusoknak is ki lehet téve. Vizsgálatok során figyelembe vehető a betonra és acélra vonatkozó lineárisan rugalmas viselkedés.
(3) A ritka és gyakori terhelési körülményekhez a ragasztó-beton érintkezési felületen fellépő . , „ekvivalens” nyírófeszültség kisebb kell, hogy legyen, mint a tervezésnél figyelembe vett tapadó szilárdság
tervezési értéke az FRP megerősítés és a beton között a következő egyenlet szerint:
64
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(4) A . , „ekvivalens” nyírófeszültség értéket a következőképpen lehet kifejezni:
ahol: a lehorgonyzó végek közelében jelentkező normál- és nyírófeszültségnek megfelelő tényező
(B függelék):
- a . és tényezők pedig a következőképpen számíthatók ki:
- az a nyomaték, amely arra a részre hat, ahol az FRP megerősítés véget ér (4-4 ábra).
- pedig az a nyíróerő, amely arra a részre hat, ahol az FRP megerősítés véget ér.
4-4 ábra – A gerenda geometriai paramétereinek meghatározása.
-. -. és ß az a két rugalmassági paraméterek, amelyek az érintkezési felület és az FRP tulajdonságaitól függenek.
65
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
Ahol az Ef, tf, bf, és If , az FRP megerősítés Young-féle rugalmassági modulusa, vastagsága, szélessége és
tehetetlenségi nyomatéka, K1 pedig az diagram kezdeti lineáris ágának meredeksége. (B függelék) Feltételezzük, hogy K1 egyenlő:
ahol Ga és Gc a ragasztó és a beton nyírási rugalmassági modulusa, ta a ragasztó névleges vastagsága, tc pedig a beton tényleges vastagsága (jellemző értékek 20-30 mm).
- az átlagos nyírófeszültség a Jourawski elmélet szerint:
-xe és lc a nyomott szélső szál és a semleges tengely távolsága, valamint az idealizált keresztmetszet tehetetlenségi nyomatéka.
- a moduláris arány (Ec a beton Young-féle rugalmassági modulusa a figyelembe vett terhelés-összetétel mellett). (5) Ha U-borítás felhasználásával végponti lehorganyzást biztosítunk, a normál feszültségek hatását
figyelmen kívül lehet hagyni és a 4.11-es egyenletben a tényező értékét nullának lehet tekinteni.
(6) A tapadó szilárdság tervezési értéke függvénye a beton húzószilárdság karakterisztikus értékére
( ) a következők szerint:
Ahol a . parciális tényezőt egyenlőnek vesszük 1,0-gyel a ritka terhelési kombinációk, és 1,2-del a
gyakori terhelési kombinációk tekintetében, a geometriai kombináció értéke pedig a (4.3) egyenletből számítható ki.
66
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(7) A lehorganyzási feszültségek számítása során használhatósági hatásállapotban (SLS) hivatkozni lehet az FRP megerősítést követően megnövekedett terhelésre a megerősítést követően.
4.2 HAJLÍTÁSI MEGER ŐSÍTÉS
4.2.1 Bevezetés
(1)P Hajlítási megerősítés azoknál a szerkezeti elemeknél szükséges, amelyek nagyobb nyomatéki igénybevételnek vannak kitéve, mint a nyomatéki teherbírásnak. Csak az egytengelyű hajlítás esetét (pl. ha a nyomaték tengely egybeesik a keresztmetszet tehetetlenség fő tengelyével, amely szimmetriatengely) tárgyaljuk itt. (2)P Az FRP anyagokkal való hajlítási megerősítést meg lehet valósítani úgy, hogy a feszített oldalon alkalmazunk egy vagy több réteget a megerősítendő elemen.
4.2.2 A tönkremeneteli határállapot (ULS) elemzése
4.2.2.1 Bevezetés
(1)P Az FRP-vel megerősített elemek tönkremeneteli határállapotra (ULS)vonatkozó tervezése igényli, hogy a törőnyomaték tervezési értéke (M Rd), és a terhekből számított nyomaték tervezési értéke (MSd) kielégíti a következő egyenlőtlenséget.
(2)P Az FRP-vel megerősített vasbeton elemek elemzése a teherbírási határállapotban következő alapvető hipotéziseken nyugszik:
• A keresztmetszetek, amelyek lehajlás előtt merőlegesek voltak a gerenda tengelyére, továbbra is síkok és merőlegesek maradnak a gerenda tengelyére a lehajlás után is.
• Az FRP és a beton valamint a betonacél és a beton között tökéletes tapadás van. • A beton húzószilárdságát elhanyagoljuk. • A beton és az acél feszültség-alakváltozás ábráit az érvényben lévő szabványelőírások szerint
vesszük fel. • Az FRP-t lineárisan rugalmas anyagnak tekintjük egészen tönkremenetelig.
(3) Az FRP megerősítés alacsony vasszázalék esetén hatékony (pl. az acél betétek megfolynak töréskor); (4)P Feltételezzük, hogy a hajlítási tönkremenetel akkor következik be, ha az alábbi feltételek valamelyike fennáll:
• Elértük a beton törési összenyomódását -t, amit számításba vehetünk az érvényben levő szabványok szerint.
67
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
• Elérik az maximális FRP megnyúlást. értéke a következőképpen számítható ki:
Ahol a választott megerősítő rendszer szakadó nyúlásnak karakterisztikus értéke ; és . a 3-2
és 3-4 táblázatokban megadott együtthatók; a közbülső leválás okozta maximális alakváltozás a 4.1.4.
rész meghatározása szerint; pedig az FRP Young rugalmassági modulusa (általában a (4.19 sz.)
egyenlet minimum értéke az -nek felel meg. (5)P A megerősített elem nyírási teherbírása nagyobb kell, hogy legyen, mint a vizsgált esetnek megfelelő nyíró igénybevétel. Ha szükségesnek ítélik, a nyírási teherbírás növelését, akkor azt a 4.3. szakasz előírásai szerint kell végezni. (6)P Tekintve, hogy az FRP-vel megerősítendő elem általában terhelés alatt áll az FRP-vel való megerősítés idején is, az elemekben az FRP-megerősítés megvalósulása előtt meglévő nyúlásokat is figyelembe kell venni.
4.2.2.2 Nyúlás az FRP megerősítés előtt
(1)P Amikor az FRP megerősítést tényleges terhelésnek kitett szerkezeti elemen alkalmazzák, a kezdeti
nyúlást figyelembe veszik, ha a fennálló terhelésből származó nyomaték, az érték nagyobb, mint az elem repesztő nyomatéka. Ha nem ez a helyzet, a kezdeti nyúlást általában el lehet hanyagolni. (2)P A tervezést úgy végzik, hogy a vizsgálat tárgyát képező elem minden anyagára vonatkozóan lineárisan rugalmas viselkedést tételeznek fel.
(3)P A figyelembe veendő nyúlások közé tartoznak az nyomott és az húzott oldali alakváltozások ott, ahol az FRP megerősítést alkalmazzák. Ezek az értékek a feszültség alakváltozási diagram linearitása alapján a keresztmetszet mechanikai és geometriai tulajdonságainak függvényeként számíthatók ki.
4.2.2.3 Az FRP-vel megerősített elem nyomatéki teherbírása
(1)P A nyomatéki teherbírás vizsgálatát a – 4.2.2.1.szakasz szerint végezzük. (2) Az FRP-vel megerősített elemek hajlítási vizsgálatát az alakváltozás-kompatibilitás és az erőegyensúly figyelembevételével lehet végrehajtani. Bármely elemben az egyes pontokra ható feszültség meg kell feleljen a feszültség-alakváltozás ábra szerinti nyúlásnak, és a belső erőknek egyensúlyozniuk a külső terhelés hatásait. (3) Amint az a 4-5 ábrán bemutatott egyszerű eset mutatja, a rendszer tönkremenetelének két típusa figyelhető meg attól függően hogy az FRP szakadónyúlását (1-es terület) vagy a beton nyomási határfeszültségét (2-es terület) érjük-e el.
68
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(4) Ha a tervezés az 1-es területre vonatkokzik, a tönkremenetel az FRP rendszer törésének következménye. Bármely, az ilyen összeomlásnak megfelelő alakváltozás diagram fix pontja az FRP terhelés értékénél, az
-nél van, a 4.19 sz. egyenlet meghatározása szerint. Az alakváltozások megoszlása az elem belsejében lineáris kell, hogy legyen, mert csak így felel meg a fejezet elején lefektetett alapvető előfeltételezéseknek. Kiszámításuk a következőképpen történik:
-(nyomott beton) -(nyomott betonacél) -(betonacél) .
Ahol a szereplő paraméterek a 4-5 ábrán vannak megadva, pedig a beton törési összenyomódása. A semleges tengely x helyzetét a keresztmetszet nyomott szélső szálától mérjük.
4-5 ábra – Az FRP-vel megerősített vasbeton elem tönkremeneteli módjai
A betonacél szakadó nyúlásának ellenőrzése általában nem szükséges, mert a jellegzetes FRP rendszerek szakadónyúlása szignifikánsan alacsonyabb, mint az acélé. Ha a betonacél aktuális szabvány szerinti
69
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
szakadónyúlását túllépik, ezt számításba kell venni a semleges tengely pozíciójának, és következésképpen az elem nyomatéki teherbírásának számításakor. (5) Ha a tervezés a 2-es területre esik, a tönkremenetel a beton törésének következménye (terhelés egyenlő .
), ahol az acél megfolyik, miközben az FRP nyúlása még nem érte el a szakadási értéket. Az alakváltozások megoszlása az elem magassága mentén lineáris kell, hogy legyen, mert csak így felel meg a fejezet elején lefektetett alapvető előfeltételezésekhez. Kiszámításuk a következőképpen történik: -(FRP) . -(nyomott beton) -(nyomott betonacél) -(húzott betonacél) .. Valamennyi alkalmazott jel szerepelt korábban a 4-5 ábrán. (6) Mindkét tönkremeneteli módra vonatkozóan a vetületi egyensúly egyenlet alapján számítjuk a semleges tengely „x” helyzetét a gerenda tengelye mentén a következők szerint:
Ahol a beton tervezésnél figyelembe vett nyomószilárdsága, , megfelelően csökkentetve, ha
szükséges. A megerősített elem nyomatéki teherbírása, az , a nyomatéki egyensúly egyenlet alkalmazásával számítható ki a következők szerint:
ahol az parciális faktort 1,00-nak kell feltételezni (3.4.2. szakasz, 3-3 táblákban).
70
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
A (4.20) és (4.21) egyenletekben a dimenziótlan együtthatók és amelyek a nyomófeszültségek eredőjének meghatározásához szükségesek, és annak a szélsőnyomott száltól való távolságát melyeket
külön-külön a x értékekkel osztunk. (7) Ha az acél rugalmas fázisában van, a feszültségeket úgy lehet kiszámítani, hogy a megfelelő alakváltozást szorozzuk a Young-féle rugalmassági modulussal; egyébként egyenlőnek tekinthető a folyási
feszültséggel . Mind az 1-es mind a 2-es területen a húzott acélok által kifejtett nyúlás mindig
nagyobb, mint . (8) Mivel az FRP anyagok az tönkremenetelig lineárisan rugalmas viselkedést mutatnak, a bennük lévő feszültséget a Young-féle rugalmassági modulus és a számított nyúlás szorzataként számíthatók. (9) Annak elkerülése érdekében, hogy a betonacél rudak rugalmasak maradjanak a tönkremenetelig a
dimenziontlan tényező nem haladhatja meg a következőképpen számított határértéket : .
4.2.2.4 A hajlítónyomatéknak és tengelyirányú erőnek kitett FRP-vel megerősített elem nyomatéki teherbírása
(1)P A 4.2.2.1 rész (1)P -től (5)P-ig fölsorolt elveinek fönntartása mellett, Az NSd tengelyirányú erő jelenlétét is figyelembe kell venni az MRd, az elem törőnyomatékának meghatározásakor. (2)P A gerenda-oszlop találkozásnál a megerősítés hatékonyságát megfelelő konstrukciós megoldásokkal kell biztosítani. Emellett a kombinált axiális és hajlító igénybevételnek kitett hosszanti szálakat megfelelően le kell horgonyozni a szál delamináció és a betonfedés leválásának megakadályozása érdekében. Amikor a (4.19) egyenlet segítségével a maximális nyúlást értékeljük a zárójelben megadott első kifejezésnek megfelelő értéket kell figyelembe venni a tervezésnél. (3) A 4.2.2.3 szakasz (2) - (9) pontjai erre az esetre is érvényesek, de a (4.20) egyenlet baloldali kifejezése már nem egyenlő zéróval, hanem a tervezésnél figyelembe vett faktorált axiális terheléssel NSd kell egyenlőnek tekinteni. (4) Másrészről lehetséges a szerkezeti elem kombinált axiális és hajlító terhelés alatti hajlítási teherbírásának ellenőrzése a C függelékben rögzített feltételek szerint is.
4.2.2.5 Tönkremenetel laminát/ lemez vég leválás miatt
(1)P A laminát/ lemez vég leválása egy sor paraméter függvénye, köztük szerepel a repedések helye és típusa (nyíró- v. hajlítási repedések), egyenetlen betonfelület valamint a lehorgonyzási zónához közel eső feszültség-koncentráció.
71
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(2) A leválást elkerülhetővé tevő legnagyobb „a” távolság (4-6 ábra) úgy számítandó ki, hogy a (4.4)
egyenletben szereplő szilárdság tervezési értékét egyenlőnek vesszük az feltétel teljesülése mellett az FRP rendszer tönkremeneteli határállapotban (ULS) számított feszültségével a rögzítéstől számított
távolságban. Ha a rendelkezésre álló tapadási hossz , a (4.4) egyenletet a (4.5) egyenlettel kell helyettesíteni. (3) Ha az FRP rendszer végpontja közel van az elem alátámasztáshoz, ahol a nyíróerők ferde repedéseket eredményezhetnek, a (2)-es tételnél figyelembe veendő nyomaték értékelésénél a tervezési nyomatékot a következőképpen kell növelni:
ahol VSd a nyíróerő tervezési értéke, a a meglévő kereszt irányú betonacélok hajlásszöge, d pedig az elem hatékony magassága (4-6 ábra).
4-6 ábra – A hajlítónyomaték diagramjának eltoása.
(4) Amikor a végpontokon speciális lehorgonyzó eszközöket alkalmaznak a leválás megakadályozására, akkor megengedett a 4.1.3-as feltételek figyelmen kívül hagyása. Az ilyen lehorganyzó eszközök hatékonyságát megfelelő kísérlettel igazolni kell. A kísérleti ellenőrzést le kell folytatni az ilyen alkalmazásra szánt anyaggal (ragasztók és erősítőszálak) a konkrét alkalmazott rendszer vonatkozásában (haránt rudak betonba ágyazva, u-csomagolás FRP lemezekkel, stb) a gyártó által javasolt módon, a felület előkészítése és a várható időjárási körülmények tekintetében is.
4.2.3 A használhatósági határállapot (SLS) elemzése
4.2.3.1 A tervezésnél figyelembe vett előfeltevések
(1)P Ez a szakasz a következő használhatósági határállapotokkal (SLS) foglalkozik:
• Feszültség korlátozás (4.2.3.2. szakasz) • Lehajlás ellenőrzés (4.2.3.3. szakasz) • Repedés korlátozás (4.2.3.4. szakasz)
Más használhatósági határállapotok is fontosak lehetnek egyes helyzetekben, bár ebben a dokumentumban nem szerepelnek.
72
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(2)P A használhatósági határállapotok esetén (SLS) a következőket kell ellenőrizni:
• A feszültségeket korlátozni kell annak érdekében, hogy elkerüljük az acél folyását és a kúszást, ez utóbbi mind a betonra, mind az FRP-re vonatkozik.
• A lehajlások nem érhetnek el túlzott mértéket, amelyek megakadályozzák a szerkezet rendeltetésszerű használatát, a nem szerkezeti elemek sérülését idézhetik elő és lelkileg zavarhatják a használókat.
• A túlzott repedezettség jelentősen csökkentheti a szerkezetek tartósságát, funkcionalitását, rontják annak külső megjelenését, és csökkenthetik az FRP-beton érintkezési felület tapadási képességét.
(3)P A használhatósági határértékre (SLS) vonatkozó tervezést úgy lehet megvalósítani, ha minden anyag viselkedését lineárisan elasztikusnak tekintjük a repedésmentes és a berepedt rugalmas állapotban is. Az FRP alkalmazása idején már meglévő nyúlást számításba kell venni. A szuperpozíció elvét alkalmazni lehet a tervezésnél. A tervezéskor a következő feltevésekből indulunk ki:
• Valamennyi anyag viselkedését lineárisan rugalmasnak tekintjük. • A keresztmetszetek, amelyek az elhajlás előtt merőlegesek voltak a gerenda tengelyére, továbbra is
síkok maradnak és merőlegesek maradnak a gerenda tengelyére a lehajlás után is. • Az FRP és a beton valamint a betonacél és a beton között tökéletes tapadás van.
(4)P Az első feltételezés teszi lehetővé, hogy minden anyag Young-féle rugalmassági modulusát konstansnak tekintsük. A másodikból következik a feszültség-alakváltozás digram linearitása. A harmadik, az elsővel együtt teszi lehetővé a modulus-arányok meghatározását
és Ezek a modulus-arányok teszik lehetővé a meglévő gerendának mint tiszta beton gerendának a vizsgálatát. A betonban keletkező feszültségeket az alakváltozásokból lehet számítani, ha azokat megszorozzuk a Young-féle rugalmassági modulussal, Ec-vel. A tényleges feszültségértékek az acélbetétekben és az FRP-ben ns illetve nf szerese a betonra számított értéknek. A modulus-arányok értékét úgy kell megállapítani, hogy számot adjon a kúszásról és a rövid,- ill. hosszútávú körülményekről is. (5)P Az SLS-re való tervezéskor számítani kell a semleges tengely helyét és a tehetetlenségi nyomaték értékét mind repedt, mind pedig repedés nélküli állapotokra az FRP megerősítő rendszer alkalmazása előtt és után. (6)P Szükség esetén üzemi feszültség értékeket (hőterhelés, kúszás, összehúzódás stb. miatt) is hozzá kell adni a terhelés által kiváltott feszültséghez.
4.2.3.2. Feszültség korlátozás
(1)P Az FRP rendszer használat közbeni feszültsége, amelyet a kvázi állandó terhelési viszonyokra
számítunk ki, kielégíti ezt a korlátozást: , ahol az FRP szakítószilárdságának, pedig a 3.5 szakaszban megadott átszámítási tényező. • A beton és az acélbetétek használatkori feszültsége az érvényes szabvány szerint korlátozva van.
(2) Feltéve, hogy az FRP megerősítés előtt az elemre ható hajlító nyomaték, pedig az FRP
megerősítést követően ható hajlítónyomaték, a kombinált nyomatéknak betudható feszültség a következőképpen számítható:
73
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
Feszültség a betonban . Feszültség az acélbetétekben: Feszültség az FRP-ben: ahol (lásd a 4-5 ábrát):
- A vasbeton elemek ellenállási modulusa a nyomott szélső szálra vonatkoztatva
- : A vasbeton elemek ellenállási modulusa a húzott acélbetétekre vonatkoztatva
- : A megerősített vasbeton elemek ellenállási modulusa az extrém beton kompressziós szálhoz kapcsolva
- : A megerősített vasbeton elemek ellenállási modulusa a húzott acélbetétekre vonatkoztatva
- : A megerősített vasbeton elemek ellenállási modulusa az FRP betétekre vonatkoztatva. Amikor a meglévő nyomaték, M0 , olyan, hogy repedést idéz elő a betonelemben, a semleges tengely valamint a tehetetlenségi nyomaték, I0 és I1 kiszámítása is a megrepedt átalakított elemre vonatkozóan történik, mind megerősített, mind megerősítetlen állapotban. A tervezésnél felhasznált modulus-arányok számításba kell, hogy vegyék a beton zsugorodását és kúszását is attól függően, hogy rövid- vagy hosszútávú elemzést hajtunk végre.
4.2.3.3. Lehajlás korlátozás
(1)P Az FRP-vel megerősített szerkezetek által mutatott lehajlások meg kell, hogy feleljenek az aktuális építési előírás követelményeinek. (2)P Az alkalmazott lehajlási modell a szerkezet tényleges magatartását kell, hogy szimulálja. Ha szükséges, a repedést is számításba kell venni. (3)P Az alkalmazott hajlási modell a következőket kell, hogy számításba vegye:
• A beton kúszása és zsugorodása. • A húzott beton merevítő hatása a repedések között. • Az FRP megerősítés előtt már meglévő repedések. • Hőterhelés. • Statikus és dinamikus terhelések. • A beton megfelelő Young-modulusa, amely függ a vasbeton típusától és a beton érlelésétől a
terhelés során. (4)P A szuperpozíciós elvet nem szabad alkalmazni, ha a hajlásokat nem-lineáris analízissel számítják ki. (5) Az FRP-vel megerősített gerendák lehajlásának számítása a görbület-diagrammok integrálásával oldható meg. Ezeket a diagrammokat nem-lineáris analízissel lehet kiszámítani, figyelembe véve a húzott beton
74
merevítő hatását. Vagy egyszerűsített elemzés is lehetséges, hasonlóan ahhoz, amit a hagyományos vasbeton gerendáknál alkalmaznak, feltéve, hogy megfelelő kísérleti tapasztalatok támasztják alá ezt a módszert. (6)P Az FRP megerősítést megelőzően meglévő nyúlást számításba lehet venni a különböző fázisokhoz kapcsolódó lehajlások hozzáadásával.
4.2.3.4. Repedés korlátozás
(1)P A használhatósági határállapotnál a repedés-tágasságot ellenőrizni kell a szerkezet megfelelő használatának garantálásához és a belső vasalás védelme érdekében. (2)P Az FRP-vel megerősített szerkezetekben a repedések tágasságának határértékei megfelelnek az érvényes építési előírás követelményeinek. (3) Jelenleg még nem áll rendelkezésre pontos és teljességgel megbízható modell az FRP-vel megerősített betonszerkezetek repedésszélesség számításához. Az irodalomban számos, kísérletekkel alátámasztott formula létezik. Ezek az egyenletek a hagyományos vasbeton keresztmetszetre használt kifejezéseket módosítják úgy, hogy számításba veszik a külső megerősítést is. A kísérleti tapasztalatok azt mutatják, hogy az FRP-vel megerősített elemeken kisebb, de egymáshoz közelebb elhelyezkedő repedések keletkeznek. (4)P Érzékenyebb és pontosabb modelleket lehet alkalmazni, ha azokat ad-hoc kísérleti eredmények támasztják alá.
4.2.4 Duktilitás
(1)P A hajlított elemeknél a nyúlás mértéke az elem képlékeny alakváltozó képességét mutatja, és függ a keresztmetszet viselkedésétől és a teljes szerkezeti elem tényleges tönkremeneteli módjaitól. (2)P Az FRP-vel megerősítet elemekben nagyobb duktilitás biztosított, ha a tönkremenetel a beton nyomási tönkremenetele miatt következik be. Az FRP szakadása miatti tönkremenetel rideg töréshez vezet. (3)P A keresztmetszet típusától függetlenül a duktilitás leginkább az elem tönkremeneteli módjától függ. Egyáltalán nem kell vele számolni, ha a leválás minden más tönkremeneteli módnál hamarabb kezdődik.
4.3 NYÍRÁSI MEGERŐSÍTÉS
4.3.1 Bevezetés
(1)P A nyírási megerősítést akkor ítélik szükségesnek, amikor a nyíróerő tervezési értéke nagyobb mint az érintett elem nyírási teherbírása. Az utóbbit úgy kell meghatározni, hogy mind a beton mind pedig a keresztirányú vasalás részesedését figyelembe kell venni, ha ez rendelkezésre áll. (2)P A nyírási megerősítést csak a teherbírási határállapotra (ULS) kell ellenőrizni. (3)P A dokumentum következő részében az FRP nyírási megerősítés néhány speciális kialakítását mutatjuk be. Más megoldások is lehetségesek, feltéve, hogy hatékonyságuk bizonyított és a nyírószilárdsághoz való hozzájárulásuk megadható.
75
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4.3.2 Megerősítések kialakítása
(1) A nyírási megerősítést úgy valósítják meg, hogy egy vagy több réteg kívülről felhordott FRP anyagot helyeznek a megerősítendő elem felületére (4-7. ábra). A külső FRP megerősítést megszakított formában is lehet alkalmazni úgy, hogy az egymást követő csíkok között réseket hagyunk, vagy folyamatosan, egyik csíkot a másik mellé helyezve föl.
4-7 ábra – FRP nyíró megerősítés oldalnézetből
(2) Az FRP megerősítés tervezése (kivitelezése) függ mind a geometriától (az FRP vastagsága, szélessége és a csíkok közötti távolság) mind pedig a szál és az elem hosszanti tengelye által bezárt szögtől. (3) A 4-8. ábra három FRP-megerősítési kialakítást mutat be. Oldalsó kötés, u alakú borítás teljes borítás a gerendán.
Oldalfalra fölragasztott u alakú borítás Teljes borítás
4-8 ábra – FRP nyírási megerősítés keresztmetszetei
(4) A négyszög v. T-keresztmetszetű elemek U borítású megerősítésénél az FRP megerősítés rétegenkénti leválását úgy lehet megakadályozni, hogy a rétegek vagy a szalagok felhelyezése az elem hosszanti tengelyirányában történik. Ilyen esetekben az U borítású megerősítés viselkedése egyenértékűnek tekinthető a teljes borítással ellátott elemével, feltéve, hogy a megoldás hatékonysága bizonyítást nyert. (5) A nyírási megerősítést meg lehet valósítani FRP betéteknek a külső felületen erre a célra kialakított vágatokba helyezésével, mintegy felületközeli módon felszerelt megerősítéssel. Az ilyen típusú megerősítésekkel ebben a dokumentumban nem foglalkozunk. Alkalmazása esetén annak hatékonyságáról kísérleti bizonyítékok segítségével lehet meggyőződni.
76
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4.3.3 Az FRP megerősítéses elem nyírási teherbírása
4.3.3.1 Nyírási teherbírás
(1) Az FRP-vel megerősített elemek nyírási teherbírását a következőképpen lehet értékelni:
ahol a VRd,ct és VRd,s a beton és az acélbetétek részesedését jelentik a nyírási teherbírásból az aktuális építési előírás szerint, a VRd,f érték pedig az FRP részesedése, amelyet a továbbiakban részletezett módon lehet számítani. A nyírási teherbírást nem szabad nagyobbnak tekinteni a VRd,max értéknél. Ez utóbbi érték a beton nyomott rácsrúd teherbírását mutatja, amelyet az aktuális építési előírás szerint kell meghatározni. (2) Négyszög keresztmetszetű vasbeton elem oldalára ragasztott FRP-megerősítéses kialakításban az FRP részesedését a nyírási teherbírásból VRd,f a következőképpen lehet kiszámítani:
.
ahol az parciális tényezőt 1,20-nek tételezzük fel (3.4.2. szakasz 3-3. táblázat), d az elem hatékony
magassága, a gerinc magassága, az FRP hatékony szilárdságának tervezési értéke szilárdsága,
amelyet a 4.3.3.2. szakaszban leírt módon kell értékelni, az alkalmazott FRP rendszer vastagsága, ß a
szálak és az elem hosszanti tengellyel betárt szöge, jelenti a nyírási repedések hajlásszögét (amelyet 45°-
nak tételezünk, ha nem végzünk részletesebb számítást), és pedig az FRP szélessége, illetve az egyes csíkok közötti távolság, amelyet a szálirányra merőlegesen mérünk (4-9. ábra). Közvetlenül egymás
mellé elhelyezett FRP-csíkok alkalmazása esetén a arányt 1,0-nek tekintjük. (3) Téglalap keresztmetszetű vasbeton elem U borítású vagy teljes borítású FRP-megerősítéses kialakításban az FRP részesedését a nyírási teherbírásból a Moersch-féle rácsos tartó modell alapján lehet kiszámítani a következőképpen:
ahol minden szimbólum jelentése megegyezik a (2) tételben kiemelt értelmével.
77
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4-9. ábra – Az FRP csíkkal való nyíró megerősítésnél használt jelölések.
(4) a kör keresztmetszetű D átmérőjű teljes borítással ellátott elemek esetében, ahol a szálak az elem hosszanti tengelyére merőlegesen vannak elhelyezve ( ß= 90° ), az FRP részesedése a nyírási teherbírásból VRd,f a következőképpen számítható ki:
(5) Minden egyenletben (4.25)-től (4.27)-ig megengedett a értéknek az elem hosszanti tengelyén mért
értékkel való helyettesítése, ahol
4.3.3.2 Az FRP hatékony szilárdságának tervezési értéke
(1) Az FRP leválását okozhatja a beton-FRP érintkezési felületen a nyírási repedések közelében keletkező feszültségkoncentráció. Ennek a jelenségnek az egyszerűsített eljárásban való figyelembevételére szolgál az FRP tervezéskor figyelembe vett hatékony szilárdság fogalmának bevezetése, amelyet úgy lehet meghatározni, mint az FRP-nek az a húzószilárdsága, ahol a leválás megkezdődik. (2) A négyszögletes keresztmetszetű elem oldalsó kötésű FRP-megerősítésénél az FRP tervezéskor figyelembe vett hatékony szilárdsága a következőképpen számítható:
ahol a végső szilárdság tervezési értéke, amely a (4.4) egyenlet és az (5) tétel alapján számítható, d a
hatékony magasságot, pedig a gerinc magasságot jelentik. Ezen fölül:
78
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
ahol le a (4.1) egyenlet alapján számított hatékony tapadási hossz, ß a szálaknak az elem hosszanti tengelyével bezárt szöge, sf a leváláshoz tartozó relatív elmozdulás, amelyről feltesszük, hogy 0,2 mm (ld. B függelék) Ef pedig az FRP Young-féle rugalmassági modulus. (3) A négyszögletes keresztmetszetű elem U-borításos FRP-megerősítésénél az FRP tervezéskor figyelembe vett hatékony szilárdság a következőképpen számítható:
(4) A négyszögletes keresztmetszetű elem teljes borítású FRP-megerősítésénél az FRP tervezéskor figyelembe vett hatékony szilárdsága a következőképpen számítható:
ahol az FRP tervezéskor figyelembe vett szilárdsága a 3. szakaszban leírtak szerint értékelve. Továbbá:
ahol rc a beborítandó keresztmetszet sarok sugara, bw pedig az elem szélessége. A (4.31) egyenlet második kifejezését csak akkor vesszük figyelembe, ha nullánál nagyobb.
(5) Az értéknek a (4.4) egyenletből való meghatározása során a (4.3) egyenletből számított kb
együtthatót a következőképpen kell figyelembe venni: különálló FRP csíkok alkalmazása esetén
és ; az egész fesztávolság teljes hosszán folyamatosan alkalmazott FRP rendszerek esetén
megengedett a számítás, ahol hw a gerinc magassága. (6) Abban az esetben, ha az U alakú FRP borításos rendszer végeinél alkalmazott speciális lehorgonyzó elemek ugyanolyan hatékonynak bizonyulnak, mint a teljesen körbevett megerősítéses kialakítás, az FRP hatékony szilárdságának tervezési értéke a (4.31) egyenletből számítható ki. Ha nem ez a helyzet, az FRP tervezéskor figyelembe vett hatékony szilárdsága a (4.30) egyenletből számítható ki. (7) a kör keresztmetszetű D átmérőjű teljes borítással ellátott elemek esetében, ahol a szálak az elem hosszanti tengelyére merőlegesen vannak elhelyezve ( ß= 90° ), az FRP hatékony szilárdságának tervezési értéke a következőképpen számítható ki:
79
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
ahol Ef az FRP Young-féle rugalmassági modulusa, pedig az FRP legnagyobb megengedett nyúlását jelenti, amelyet, hacsak nem készítenek részletesebb számítást, 0,005-nek lehet felvenni.
4.3.3.3 Korlátozások és szerkesztési szabályok
(1) Az U-borítású és teljes borításos konfigurációk esetében minimum 20 mm-es sugarat kell biztosítani, ha a külső sarkokra FRP megerősítések kerülnek. (2) A külső, különálló csíkok formájában fölkerülő FRP megerősítések esetén a csíkszélesség (wf-index (mm), és a csíkok középponttól középpontig mért távolsága (pf (mm), külön-külön nem haladhatja meg a következő határértékeket:
, és
4.4 CSAVARÁSI MEGERŐSÍTÉS
4.4.1 Bevezetés
(1)P A csavarási megerősítést akkor ítélik szükségesnek, amikor az alkalmazott csavaró nyomaték tervezési értéke nagyobb, mint az érintett elem csavarási teherbírása. Az utóbbit úgy kell meghatározni, hogy mind a beton mind pedig a harántirányú vasalás részesedését figyelembe kell venni, ha ez rendelkezésre áll. (2)P A csavarási megerősítést csak az ULS állapotra kell igazolni. (3)P A dokumentum következő részében az FRP csavarási megerősítés néhány speciális kialakítását mutatjuk be. Más megoldások is lehetségesek, feltéve, hogy hatékonyságuk bizonyított és a nyírási teherbíráshoz való hozzájárulásuk mérhető.
4.4.2 Megerősítés kialakításai
(1) A csavarási megerősítést úgy valósítják meg, hogy egy vagy több réteg kívülről felhordott FRP anyagot helyeznek a megerősítendő elem felületére (4-7. ábra). A külső FRP megerősítést megszakított formában is lehet alkalmazni úgy, hogy az egymást követő csíkok között réseket hagyunk ki, vagy folyamatosan, egyik csíkot a másik mellé helyezzük föl. (2) Az FRP megerősítés tervezése függ az FRP vastagságától, szélességétől és a csíkok egymástól való távolságától. A szálakat ß=90°-os szögben helyezzük el az elem hosszanti tengelyéhez képest. (3) Az FRP-t csak mint teljes borításos rendszert helyezhetjük el a keresztmetszet körül (4-8. ábra). (4) A csavarási megerősítést meg lehet valósítani FRP rudaknak a külső felületen erre a célra kialakított vágatokba helyezésével, mintegy felületközeli módon alkalmazott megerősítésként. Az ilyen típusú megerősítésekkel ebben a dokumentumban nem foglalkozunk. Alkalmazása esetén annak hatékonyságáról kísérletek segítségével lehet meggyőződni.
80
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4.4.3 Az FRP megerősítéses elem torziós kapacitása
(1)P A következtők csak a prizmatikus elemekre vonatkoznak, ahol egy ideális, gyűrű alakú ellenálló területet lehet meghatározni.
4.4.3.1 Csavarási teherbírás
(1) Az FRP-vel megerősített elemek torziós teherbírását a következőképpen lehet meghatározni:
ahol a TRd,s –index a meglévő vasalás részesedését jelentik a csavarási teherbírásból az aktuális építési előírás szerint, a TRd,f érték pedig az FRP részesedése a csavarási teherbírásból, amelyet a továbbiakban részletezett módon lehet meghatározni. A csavarási teherbírást nem szabad nagyobbnak tekinteni a TRd,max értéknél. Ez utóbbi érték a beton nyomott rácsrúd teherbírását mutatja, amelyet az aktuális építési előírás szerint kell értékelni. (2) A meglévő vasalásnak a csavarási teherbírásból való részesedését (TRd,s) a következőképpen lehet kiszámítani:
ahol Asw az acél kengyel egy szárának keresztmetszeti területe, p a kengyelek közti távolság, Be az a
poligonnal körbevett terület, amelynek szélei a hosszanti acélbetétek súlypontjai, a keresztirányú vasalás tervezésénél figyelembe vett folyási szilárdsága, A1 a meglévő hosszanti vasalás teljes területe, u4
e
az előbb említett poligon kerülete, a meglévő hosszanti vasalás folyási határának tervezési értéke, és . a nyomott beton rácsrudak és az elem hosszanti tengelye által bezárt szög (értéke .=45° -nak
tételezhető, ha pontosabb meghatározása nem áll rendelketésre. (3) A (4.34) egyenletben szereplő TRd,max a következőképpen számítandó ki:
ahol fcd a beton nyomószilárdság tervezési értéke, hs pedig úgy lett megállapítva, hogy 1/6 szorosa a poligon köré írható legnagyobb körnek. A poligon oldalai a meglévő hosszanti vasalás súlyvonalai. (4) Ha a (4.35) egyenlet azt mutatja, hogy a minimális csavarási teherbírás a meglévő keresztirányú vasalásnak köszönhető, a (4.34) egyenletben kifejezett FRP részesedés a következőképpen számítandó ki:
CNR-DT 200/2004
___________________________________________________________________________
81
ahol az parciális tényezőt 1,20-nak tételezzük fel (3.4.2. szakasz 3-3. táblázat), az FRP
hatékony szilárdságának tervezési értéke, ahogy azt a 4.3.3.2 szakaszban meghatároztuk, az alkalmazott FRP csík vastagsága, b és h a keresztmetszet szélessége és magassága, a nyomott rácsrudaknak az elem
hosszanti tengelyével betárt szöge, (értéke -nak tételezhető, ha pontosabb meghatározása nem áll rendelketésre), wf és pf pedig az FRP szélessége, illetve az egyes csíkok közötti távolság, amelyet a szálirányra merőlegesen mérünk. Ha az FRP csíkokat közvetlenül egymás mellé applikáljuk, a wf / pf arányt 1,0-nak tekintjük. (5) Ha a (4.35) egyenlet azt mutatja, hogy a minimális csavarási teherbírása a meglévő hosszanti vasalásnak köszönhető, az FRP megerősítést nem kell végrehajtani. (6) Csavarónyomaték és nyíróerő Tsd és Vsd együttes jelenléte esetén a következő korlátozó feltételeknek kell megfelelni:
ahol a TRd,max és VRd,max kiszámítása a (4.36) egyenlet illetve az aktuális építési előírás szerint történik. Minthogy a nyírással és csavarással szembeni megerősítést külön számítjuk ki, a megerősítés összesített területe a szükségesnek ítélt nyírási és csavarási FRP megerősítések összege.
4.4.3.2 Korlátozások és szerkesztési szabályok
(1) Az U-borítású és teljes borításos kialakítások esetében minimum 20 mm-es sugarat kell biztosítani, ha a külső sarkokra FRP megerősítések kerülnek. (2) A külső, különálló csíkok formájában fölkerülő FRP megerősítések esetén a csíkszélesség (wf –index (mm), és a csíkok középponttól középpontig mért távolsága (pf (mm), külön-külön nem haladhatja meg a következő határértékeket:
, és
4.5 KERESZTIRÁNYÚ ALAKVÁLTOZÁST GÁTLÓ HATÁS
4.5.1 Bevezetés
(1)P A vasbeton elemekben a keresztirányú alakváltozás megfelelő korlátozása javíthatja azok szerkezeti teljesítményét. Különösen lehetővé teszi a következők növelését:
• A koncentrikus és enyhén excentrikus terhelés alatt álló elemek végső teherbírása és törési alakváltozása.
• Az egyidejű hajlító és axiális terhelés melletti duktilitás és teherbírás, ha az FRP megerősítésben a szálak az elem hosszanti tengelyével egy irányban helyezkednek el (4.2.2.4 szakasz és C függelék).
(2)P A vasbeton elemek keresztirányú alakváltozásainak korlátozása FRP-vel megvalósítható, amelyet az elem kerületén vagy folytonosan vagy megszakításokkal helyeznek el. (3)P Az FRP-vel körülvett beton axiális teherbírásának és törési alakváltozásának növekedése az alkalmazott keresztirányú alakváltozásból származó nyomás függvénye. Ez utóbbi pedig az elem keresztmetszetének és az FRP merevségének függvénye.
82
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(4)P A vertikális terhelés átrendezése nem támaszkodhat a koncentrikus és enyhén excentrikus axiális terhelésnek kitett elemek duktilitására. (5)P Az FRP-vel körülvett elem esetén (az FRP lineárisan rugalmas szakadásig), az acélbetéttel vasalt elemmel szemben (az acél ugyanis rugalmas-képlékeny viselkedésű) oldalirányú nyomást fejt ki, amely a határolt elem transztverzális expanziójával növekszik.
(6)P A 4-10. ábra jellegzetes feszültség-alakváltozás diagrammon ábrázolja az FRP-vel körülvett próbatestek nyomási vizsgálat során kapott eredményeit.
4-10. ábra – Az FRP-vel körülvett beton feszültség-alakváltozás összefüggései.
(7)P Az axiális alakváltozás értékekre 0,2%-ig a keresztirányú alakváltozásaiban gátolt betonon feszültségek alig nagyobbak, mint a nem körülvett beton esetében.
(8)P A 0,2 %-nál nagyobb axiális nyúlás értékeknél a feszültség-alakváltozás diagram nem lineáris, és a megfelelő görbe meredeksége fokozatosan csökken majdnem konstans értékre. A diagram lineáris ágában a körülvett beton fokozatosan elveszti integritását a nagyszámú repedés következtében. (9)P A körülvett vasbeton elem törését a szálak elszakadása okozza. Ugyanakkor az axiális nyúlás egy kritikus értékén túl az FRP-vel körülvett elem egy rendkívül rugalmas falú tartályhoz hasonlít, amely inkoherens anyaggal van töltve. Ezen a küszöbön túl az FRP-vel határolt elem elveszíti funkcionalitását, hiszen a keresztirányú erőket csak elhanyagolható mértékben képes hordani. Következésképpen az FRP-vel körülvett vasbeton elem tönkremeneteléről akkor beszélünk, ha az FRP nyúlása eléri a 0,4 %-ot.
4.5.2 A centrikus és enyhén excentrikus terhelésnek kitett FRP-vel körülvett elemek axiális teherbírása.
(1)P A vasbeton elemek FRP-vel való körbevétele azoknál a szerkezeti elemeknél szükséges, amelyek olyan centrikus és enyhén excentrikus terhelésnek vannak kitéve, amely megfelelő axiális teherbírásuknál nagyobb. (2)P Jó keresztirányú alakváltozást gátló hatást lehet elérni, ha az FRP szálakat az elem tngelyével derékszögben helyezzük el. (3)P Amikor az FRP megerősítés spirálisan helyezkedik el az elem körül, a keresztirányú gátló hatás hatékonyságát megfelelőképpen ellenőrizni kell.
83
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(4)P Ha az alkalmazott FRP rendszert eredeteileg nem feszítették meg, passzív határoló erőt gyakorol a nyomott elemre. A keresztirányú gátló hatás csak a beton megrepedése vagy a belső vasalás megfolyása után válik jelentőssé a megerősített elem megnövekedett keresztirányú kiterjedése miatt. A beton megrepedése előtt az FRP gyakorlatilag terheletlen. (5)P Az FRP-vel körbevett elemek teherbírási határállapotra (ULS) vonatkozó tervezése igényli, hogy a tengelyirányú nyomóerő tervezési értéke, az NSd és a tengelyirányú nyomási teherbírás NRcc,d, kielégítse a következő egyenlőtlenséget:
(6) A nem karcsú (non-slender) FRP-vel határolt elemek esetében a faktorált axiális kapacitást a következőképpen lehet kiszámítani:
Ahol az parciális tényezőt egyenlőnek kell tekinteni 1,10-del (3.4.2. szakasz, 3-3. tábla), Ac és fccd az elem keresztmetszeti területét és a keresztirányú alakváltozásában gátolt beton nyomószilárdságának tervezési értékét jelentik a (7)-es bekezdésben leírtak szerint. (7) Az fccd értéket, a keresztirányú alakváltozásában gátolt beton nyomószilárdságának tervezési értékét a következőképpen lehet kiszámítani:
Ahol az fcd a keresztirányú alakváltozásában nem gátolt beton nyomószilárdságának tervezési értékét jelenti az aktuális építési előírás szerint, f1,eff pedig a keresztirányú alakváltozás gátlásából származó oldalirányú nyomás a következő szakaszban meghatározott módon. Ugyanezt a relációt kell használni a 4.5.1. szakasz (1)P tételben említett második cél eléréséhez.
(8) A keresztirányú gátlás akkor hatékony, ha
4.5.2.1 A keresztirányú alakváltozás gátlásából származó oldalirányú nyomás
(1)P Az FRP-vel végzett keresztirányú alakváltozás gátlás hatékonysága csak a határolásra ható oldalirányú nyomás egy töredékétől, az f1-től függ, amelyet a rendszer fejt ki, azaz a hatékony keresztirányú alakváltozás gátlásából származó oldalirányú nyomástól, az f1,eff-től. (2) A keresztirányú alakváltozás gátlásából származó oldalirányú nyomás f1,eff , az elem keresztmetszet és az FRP konfiguráció függvénye a következő egyenletben kifejezett módon.
84
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
ahol keff a hatékonysági együttható , amelyet úgy határozhatunk meg, mint a keresztirányú alakváltozásában gátolt rész térfogatának (Vc,eff ) és a betonelem térfogatának (Vc) arányát, a belső vasalás figyelmen kívül hagyásával. (3) A keresztirányú alakváltozás gátlásából származó oldalirányú nyomás a következőképpen számítható:
ahol a geometriai megerősítési arány a keresztmetszet alakjának (kör v. téglalap) és az FRP kialakításnak (folytonos v. megszakított borítás), Ef az FRP szálirányú Young rugalmassági modulusa,
pedig egy csökkentett FRP tervezési nyúlás, amelyet a következő bekezdésben (9) határozunk meg. (4) A keff hatékonysági együtthatót a következőképpen kell meghatározni:
(5) A kH horizontális hatékonysági együttható a keresztmetszet alakjától függ (ld. a 4.5.2.1.1 és 4.5.2.1.2. szakaszt). (6) A kV vertikális hatékonysági együttható az FRP-kialakításától függ. Folytonosan körbevett vasbeton elemeknél a feltételezett érték kV=1. A megszakított módon körbevett vasbeton elemeknél (4-11. ábra), pl. FRP csíkok „pf” középpontjuktól mért távolságban való fölragasztásával vagy pf’ tiszta távolságban való felragasztása esetén a határolás feszültségelosztásnak köszönhető hatékonysága (kb. 45°-ban) a két egymást követő réteg között szintén figyelembe veendő.
Nem határolt beton
4-11 ábra – Az FRP-csíkokkal megerősített kör keresztmetszetű elem nézetben A keresztmetszet alakjától függetlenül a kV függőleges hatékonysági együtthatót a következőnek tételezzük fel:
ahol dmin az elem minimális keresztmetszete.
85
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(7) Megszakításokkal elhelyezett borítás esetén a borítások közti tiszta távolság kell, hogy megfeleljen a (következő) korlátozásnak
(8) A keresztmetszet alakjától függetlenül a hatékonysági együttható, (ha a szálakat spirálisan, szögben a keresztmetszettel rakjuk föl) a következőképpen fejezhető ki:
(9) A csökkentett FRP tervezési nyúlás, számítása a következőképpen történik (ld. még 4.5.1. szakasz, (9)P tétel):
ahol és a környezeti konverziós és parciális tényezők a 3-4 és 3-2 táblázatok alapján.
4.5.2.1.1 Kör keresztmetszetű elemek
(1)P Az FRP-vel kialakított keresztirányú alakváltozás gátlás különösen hatékony a mind koncentrikus mind enyhén excentrikus axiális terhelésnek kitett kör keresztmetszetű elemek esetén. (2)P A megerősített elem hosszanti tengelyére haránt rögzített szálak egyöntetű nyomást indukálnak, amely ellene hat a terhelt elem sugárirányú kiterjedésének expanziójának.
(3) A keresztirányú alakváltozás gátlásból származó nyomás hatékonyságának értékelésére alkalmazott geometriai megerősítési arányszám a következőképpen fejezhető ki:
ahol (ld. 4-11. ábra) tf, bf, és pf az FRP vastagságát, szélességét és távolságát fejezik ki, D pedig a kör alakú
keresztmetszet átmérője. Folytonos borítás esetén értéke a következőképpen alakul:
(4) A kör keresztmetszetű elemeknél a horizontális hatékonysági együttható egyenlő 1,0-gyel. (5) Kör keresztmetszet esetén a (4.45) sz. egyenletben a függőleges hatékonyság számításánál bevezetett dmin méret itt a keresztmetszeti átmérőt jelenti.
86
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4.5.2.1.2 Négyzet és téglalap alakú keresztmetszetek
(1)P A négyzet v. téglalap keresztmetszetű elemek FRP-megerősítése kis mértékben növeli az elem nyomószilárdságát. Ezért az ilyen alkalmazásokat gondosan elemezni és értékelni kell. (2)P Az FRP felvitele előtt a keresztmetszeti sarkait le kell kerekíteni – így elkerülhető a feszültség-koncentráció, ami a rendszer idő előtti tönkremeneteléhez vezethet. (3) A sarok sugara a következő korlátokon belül kell maradjon:
(4) A keresztirányú alakváltozás gátlásából származó nyomás hatékonyságának értékelésére alkalmazott
geometriai megerősítési arányszám a következőképpen fejezhető ki:
ahol tf, bf, és pf az FRP vastagságát, szélességét és távolságát fejezik ki, míg a b és d a téglalap
keresztmetszetű elem oldalai. Folytonos borítás esetén értéke a következőképpen alakul:
(5)P téglalap keresztmetszet esetén a keresztirányú alakváltozás gátlásban hatékonyan résztvevő betonfelület mindössze a teljes beton keresztmetszet egy töredékének tekinthető (4-12. ábra). Ennek a viselkedésnek az oka a beton keresztmetszetben kialakuló „boltív-hatás”. Ez a hatás az „rc”-index sarok sugár értékétől függ.
Nem határolt beton
4-12 ábra – Téglalap keresztmetszetű elemek határolása. (6) Téglalap keresztmetszetű elemeknél a „boltív-hatást” is fegyelembe vevő kH vízszintes hatékonysági együtthatót a következőképpen fejezzük ki:
ahol b' és d' a 4-12. ábrán jelölt méretek, Ag pedig a keresztmetszet területe.
87
(7) Az FRP keresztirányú alakváltozás gátló hatását nem vizsgáljuk olyan téglalap keresztmetszeteknél, ahol
, vagy hacsak ennek ellenkezőjét megfelelő kísérleti vizsgálatok nem bizonyítják.
88
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4.5.3 A keresztirányú alakváltozásában FRP-vel gátolt elem duktilitása együttes hajlító és axiális terhelés esetén
(1)P A keresztirányú alakváltozás gátlás végezhető FRP-vel együttes hajlító és axiális terhelésnek kitett betonelemeken is; az FRP fokozza az elem duktilitását, de az axiális teherbírása csak kis mértékben növekszik. (2) Ha csak nem végeznek részletesebb elemzést, az együttes hajlító és axiális terhelésnek kitett FRP-vel körbevett betonelem végső görbületének felmérése végrehajtható a beton feszültség-alakváltozás
összefüggésének parabolikus-téglalap alakú közelítésével, amelyben a maximális szilárdság egyenlő -vel, a végső nyúlás, , pedig a következőképpen számítható ki:
ahol a keresztirányú alakváltozásból származó oldalirányú hatékony nyomás, pedig a keresztirányú alakváltozás gátlásban nem gátolt beton nyomószilárdságának tervezési értéke. (3) A (4.52) egyenletben a hatékony nyomást csökkentett tervezési szilárdságot feltételezve a következőképpen számítjuk:
(4) Az FRP-vel megerősített elemek végső görbülete és hajlítási képessége pontosabban meghatározható a megfelelő keresztirányú alakváltozás gátlást figyelembe vevő modellek segítségével (D függelék), amelyek képesek visszaadni a 4.5.1 szakaszban és a 4-10. ábrán bemutatot viselkedést.
4.6 FESZÍTETTBETON ELEMEK HAJLÍTÁSI MEGER ŐSÍTÉSE
4.6.1 Az FRP alkalmazása feszítettbeton elemeknél
(1) P Az itt következő módszerek és kritériumok nem feszített FRP-rendszereknek feszítettbeton elemek megerősítésénél való alkalmazására vonatkoznak.
4.6.1.1 A teherbírás határállapot (ULS) tervezése
(1)P A hajlítónyomatéknak kitett feszítettbeton elemek hajlítási teherbírásának meghatározása a 4.2.2 szakaszban vasbeton elemekre vonatkozóan végzett módszerhez hasonlóan történik, kivéve a következőkben részletezett változásokat.
• A feszítő betétek nyúlása egyenlő a feszítőbetéteket körülvevő beton nyúlásának és a dekompressziós határra jellemző nyúlásnak az összegével. Ez utóbbi jelenti a meglévő
89
feszítőbetétek által mutatott nyúlást a belső erők megfelelő kombinációja mellett, amelyek a feszítőbetéteket körülvevő betonban nulla feszültséget eredményeznek (4-13. ábra).
• A feszítő betétek végső nyúlása egyenlő -vel.
90
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
• Ha a beton olyan korú, hogy a hosszútávú hatások lehetősége is fennáll, a kezdeti beton nyúlás,
egyenlő az FRP alkalmazásakor fennálló nyúlással.
• Ha a hosszútávú hatások a betonban még nem zajlottak le, az értéke a korábban számított érték és a beton alaprétegében az FRP megerősítés alkalmazása utáni hosszútávú nyúlásának összege. Ennek a hosszútávú alakváltozásnak a meghatározása során, éppúgy mint a feszítés veszteségek meghatározása során a megerősítő rendszer megléte elhanyagolható jelentőségű.
4-13 ábra – Az FRP-vel megerősített feszített beton elem tönkremenetelének módjai (2)P A teherbírási határállapot elérését a feszítő betétek megfolyása előzi meg. (3) A leváláshoz kapcsolódó tönkremeneteli mechanizmusokkal kapcsolatban ld. a 4.1 és 4.2 szakaszt.
4.6.1.1 A használhatósági határállapot (SLS) tervezése
(1)P A feszültség korlátok mind a betonra, mind pedig az acélbetétekre meg kell, hogy feleljenek az érvényes építési előírások követelményeinek. Az FRP feszültség korlátai meg kell, hogy feleljenek 4.2.3.2. szakasz feltételeinek. (2)P Az FRP megerősítést figyelmen kívül kell hagyni, ha az átmenetileg nyomás alatt van (pl. a beton kúszása miatt).
4.7 FÖLDRENGÉSBIZTOS ALKALMAZÁSOK TERVEZÉSE
4.7.1 Bevezetés
4.7.1.1 Tervezési célok
(1)P Lehetőséget kell adni a vasbeton és a feszített beton elemek FRP kompozitokkal való megerősítésére, ha a szerkezetek nem felelnek meg az aktuális építési előírásban foglalt földrengésállósági követelményeknek.
(2)P A dokumentumnak ez a része figyelembe veszi az aktuális építési előírás rendelkezéseit éppúgy, mint a földrengésbiztos építményekkel kapcsolatos legfrissebb irodalmi hivatkozásokat; különös figyelmet szentelünk a következőknek:
91
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
• A földrengésbiztosság elemzése. • Biztonsági követelmények (a határállapotok verifikálása). • A földrengésvédelem szintjei (a vonatkozó szeizmikus tevékenység nagysága). • Elemzési módszerek. • Verifikációs szempontok/kritériumok (a duktilis és rideg) elemek közötti különbségtétel). • A tervezésnél figyelembe veendő anyagtulajdonságok.
4.7.1.2 Az FRP megerősítés kiválasztásának szempontjai
(1) Az FRP rendszer típusának és méretének kiválasztásával továbbá az FRP megerősítés sürgősségével kapcsolatban is a következőket kell számításba venni:
• A gyakori hibákat ki kell küszöbölni. • Súlyos építési eltéréseket nem lehet megszüntetni az FRP megerősítési technikával. • Szabályosabb ellenállóképességet lehet elérni korlátozott számú elem megerősítésével. • A lokális duktilitás fokozása. • A lokális megerősítés nem fogja csökkenteni a szerkezet általános duktilitását.
(2)P Az FRP megerősítéseket a következőképpen lehet csoportosítani:
• Elemek megerősítése, illetve teljes vagy részleges rekonstrukciója. (3)P Az FRP megerősítés tervezéséhez hozzátartoznak a következők:
• A beavatkozás jól megindokolt kiválasztása. • A megfelelő módszer és/vagy anyagok kiválasztása. • A kiválasztott FRP megerősítő rendszer előzetes megtervezése. • Szerkezeti ellenőrzés, amely figyelembe veszi a szerkezet FRP-megerősítés utáni tulajdonságait is.
(4)P A feszített beton elemek FRP-vel való megerősítésének elsősorban a következő célja van:
• Az elem hajlítási teherbírásának növelése olyan FRP anyag alkalmazásával, amelynek szálai a megerősítendő elem tengelyirányában futnak.
• Az elem nyírási teherbírásának növelése olyan FRP anyag alkalmazásával, amelynek szálai a megerősítendő elem tengelyirányára merőlegesen futnak.
• A gerendák és/vagy oszlopok végponti duktilitásának növelése az FRP anyagnak az elemre való felhordásával / a teljes keresztmetszet FRP anyaggal való beborításával.
• Az átfedéses toldások hatékonyságának növelése az FRP anyagnak az elemre való borításával. • A hosszanti vasalás lehajlásának megakadályozása az FRP anyagnak az elemre való borításával. • A gerenda/oszlop csatlakozások húzási teherbírásának növelése az FRP anyagoknak a fő húzóerők
irányában való felerősítésével. (5)P Az FRP-vel megerősített elemek tervezése a következő szakaszok figyelembe vételével végezhető.
4.7.2 Az FRP megerősítési stratégiák
(1)P feszített beton elemek FRP megerősítése során figyelembe kell venni a következő alapelveket: • A ridegség miatti összeomlási mechanizmusok kiküszöbölése (4.7.2.1. szakasz). • A minden szint („soft storey”) összeomlási mechanizmusának kiküszöbölése (4.7.2.2. szakasz).
92
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
• A szerkezet általános alakváltozó képességének fokozása a következő mechanizmusok egyikén
keresztül (4.7.2.3. szakasz) - A potenciális képlékeny csukló elforgó képességének növelése helyzetük megváltoztatása nélkül (4.7.2.3.1. szakasz). - A potenciális képlékeny csukló áthelyezése a kapacitás-tervezés (capacity design) kritérium szerint (az ellenállások rangsora) (4.7.2.3.2. szakasz).
4.7.2.1 A ridegség miatti tönkremeneteli mechanizmusok kiküszöbölése
(1)P A megszüntetendő ridegség miatti összeomlási mechanizmusok valamint a lehetséges FRP megerősítési eljárások a következők:
• El kell kerülni a nyírási tönkremeneteleket, minden elemet, amely nem kielégítő nyírási teherbírást mutat meg kell erősíteni.
• Az átfedéses toldások tapadásának megszűnése miatti tönkremenetel; azokat a területeket, ahol a hosszanti rudak átfedéseinek hossza nem elegendő, FRP-vel kell körülvenni.
• A hosszanti acélbetétek kihajlása miatti törés: Azokat a területeket, ahol képlékeny csuklók kialakulására lehet számítani FRP-vel kell körülvenni, ha a meglévő keresztirányú vasalás nem tudja megakadályozni a nyomott hosszanti acélbetétek posztelasztikus kihajlását.
• A gerenda-oszlop csomópontra ható húzóerők miatti törés, FRP megerősítést kell alkalmazni.
4.7.2.2 A teljes szint összeomlási mechanizmusok kiküszöbölése
(1)P A teljes szint összeomlási mechanizmusok általában a képlékeny csuklók kialakulása után kezdődnek a függőleges falakkal nem merevített szerkezetek oszlopainak tetején és alján. Ilyen esetekben az FRP megerősítés végrehajtható az elem hajlítási teherbírásának fokozása érdekében azzal a szándékkal, hogy elhárítsák a képlékeny csuklók kialakulását. A szint összeomlási mechanizmus megszüntetése/elhanyagolása semmilyen esetben sem engedélyezett kizárólag a szint elmozdulás növelése céljából.
4.7.2.3 A szerkezet általános alakváltozó képességének fokozása
(1)P A szerkezet alakváltozó képessége annak mércéje, hogy mennyire képes elviselni a szeizmikus mozgásokat. (2) A szerkezet végső alakváltozó képességét nem lineáris statikai elemzési módszerekkel lehet kiszámítani (push-over elemzés). (3)P A szerkezet végső deformációs kapacitása az egyes ellenálló elemek (minden egyes ellenálló elem) (gerendák, oszlopok és falak) képlékeny alakváltozó képességétől függ.
4.7.2.3.1 A feszített beton elemek helyi elfordulási képességének növelése
(1) A gerendák és oszlopok alakváltozó képességét a végkeresztmetszetek ahhoz a vonalhoz viszonyított θ elfordulásán lehet lemérni, amely az utóbbit a zéró nyomatékú szakasszal köti össze (szál/húr rotáció) az LV
= M/V nyíró fesztávval azonos távolságban. Ez az elfordulás szintén egyenlő a nyírófesztáv fönt említett szakaszainak egymáshoz viszonyított elmozdulásával.
93
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(2)P A vasbeton elemek alakváltozó képességét a plasztikus tartományban a nyomott beton törése korlátozza. Az FRP-vel végzett keresztirányú alakváltozás gátlás alakváltozó képességét és fokozza a megerősített elem duktilitását.
4.7.2.3.2 Kapacitás tervezési (capacity design) kritérium
(1)P A kapacitás-tervezési kritérium (ellenállási rangsor) alkalmazása azt jelenti, hogy megakadályozzuk minden potenciális képlékeny csukló kialakulását az oszlopokban. A „gyenge oszlop erős gerenda” helyzetekben, amely a csak vertikális terhelésre tervezett szerkezetekre jellemző az oszlopok kapacitása alultervezett a hosszanti vasalás hiánya miatt. Ilyen esetben szükséges az együttes hajlító és axiális terhelés alatt álló oszlop teherbírásának növelése az „erős oszlop-gyenge gerenda” helyzet irányába. (2)P Ha FRP megerősítést alkalmazunk egy elem hajlítási teherbírásának növelése érdekében, fontos megbizonyosodni arról, hogy az elem képes lesz ellenállni a megnövelt hajlítási teherbírással járó nyíróerőknek. Szükség esetén meg kell fontolni a nyírási megerősítést az idő előtti rideg összeomlási mechanizmusok elkerülése érdekében.
4.7.3 Biztonsági követelmények
4.7.3.1 Duktilis elemek és mechanizmusok
4.7.3.1.1 Együttes hajlító és tengelyirányú terhelés
(1) A duktilis elemek hajlítási teherbírását az FRP anyagokkal növelni lehet. (2) A hajlító vagy kombinált hajlító és tengelyirányú terhelésnek kitett elemek FRP-megerősítésének tervezését a 4.2 és 4.5. fejezetek szerint kell végezni. (3) Amikor növeljük az elem hajlítási teherbírását, különösen figyelni kell az alkalmazott FRP megerősítés megfelelő lehorgonyzására. Emellett a kombinált tengelyirányú és hajlító terhelésnek kitett hosszanti szálakat megfelelően körül kell venni a szál delamináció és a beton hasadásának megakadályozása érdekében.
4.7.3.1.2 A nyomott rácsrúd elfordulás képessége
(1) Az egydimenziós elemek (főként gerendák és oszlopok) esetén a nyomott rácsrúd elfordulási képességét növelni lehet ha FRP-t alkalmazunk keresztirányú alakváltozását gátló hatását. (2) Az FRP-vel körülvett elem elforduló képessége, θu számítható a következő összefüggés alapján:
94
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
ahol γel jellemzően 1,5 vagy 1,0. Az ilyen értékek csak „másodlagos elemekre” érvényesek (azaz olyan elemekre amelyeknek merevsége és ellenállósága elhanyagolható a reakció-elemzésben, bár ezeknek is tudni kell viselni a szerkezet deformációit a tervezésnél figyelembe vett szeizmikus terhelésnél miközben megőrzik a függőleges terheléssel szembeni teherbíróképességüket. A (4.54)-es egyenlet további kifejezéseinek jelentése a következő: -θy–index az elfordulóképességét jelenti az acélbetétek megfolyásakor a végkeresztmetszetnél:
Ahol h a szakasz mélysége, db a hosszanti (betonacél) rudak (átlagos) átmérője fc és fy a beton nyomószilárdsága és az acél hosszanti folyási szilárdsága (MPa-ban), amely értékeket a meglévő agyagok helyszíni vizsgálatával szereztünk és 1-nél nagyobbra fölvett biztonsági tényezővel osztottunk olyan esetben, ha a meglévő szerkezetről nem rendelkezünk megfelelő információval. -φu jelenti a görbületet a végkeresztmetszetnél, amelynek számítása során a beton törési összenyomódásának (εccu) értékéhez rendeljük a 4.5.3. szakaszban meghatározott értéket. -φy a görbület a végkeresztmetszetnél az acél megfolyásakor: -Lp1 A képlékeny csukló nagysága a következőképpen számítva:
-LV az elem nyírófesztávját jelenti (a zéró nyomaték pont és a maximális nyomaték pont közötti távolság).
4.7.3.2 Rideg elemek és mechanizmusok
4.7.3.2.1. Nyírás
(1) Az FRC-vel megerősített vasbeton elemek nyírási tervezésénél a 4.3. szakasz/fejezet kritériumait kell alkalmazni, a következő feltételekkel kiegészítve:
• Csak az U-borításos vagy teljes borításos kialakítások engedélyezettek. • Az FRP erősítést csak úgy szabad alkalmazni, hogy a szálak merőlegesek legyenek a hosszanti
tengelyre ( ß= 90° ).
4.7.3.2.2 Átfedéses toldások
(1) A meglévő acélbetétek relatív elmozdulása a vasbeton oszlopokban az átfedéses toldás helyén elkerülhető ha az elem keresztirányú alakváltozásait FRP-vel keresztezzük. (2) D átmérőjű, kör keresztmetszetű elemekre a keresztirányú alakváltozást gátló FRP vastagsága a következőképpen számítható ki:
95
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
ahol: -σsw jelenti a kengyel húzási feszültségét, ami 1 % nyúlásnak, vagy a habarsz befecskendezési nyomásnak felel meg az FRP erősítés és a vasbeton oszlop között, ha van habarcs. -f1 jelenti a keresztirányú alakváltozást gátló nyomást az átfedéses toldás helyén, amely az Ls hosszra terjed ki, és egyenlő:
ahol ue a hosszanti acélbetétek által kijelölt poligonon kerülete, ahol az acélbetétek átlagos átmérője db, n az ue –n belül elhelyezkedő átfedéses toldások száma c pedig a betonfedés vastagsága. (3) Téglalap akakú bxd, keresztmetszeteknél a (4.57)-es egyenletet használjuk úgy, hogy a D értéket a max{b,d}-vel helyettesítjük, az FRP megerősítés hatékonyságát pedig a 4.5.2.1.2. szakaszban meghatározott kH értékkel csökkentjük.
4.7.3.2.3 A hosszanti acélbetétek kihajlása
(1) A meglévő acélbetétek kihajlása vasbeton oszlopokban elkerülhető ha FRP-t alkalmazunk keresztirányú alakváltozásgátló elemként. (2) Az ilyen FRP vastagsága a következőképpen számítható:
ahol: -n a kihajlásnak kitett meglévő hosszanti acélbetétek darabszáma -fy a 4.7.3.1.2. szakaszban került bevezetésre -d a hajlítási síkkal párhuzamos keresztmetszet mérete -Ef az FRP megerősítés Young-féle rugalmassági modulusa a meglévő függőleges acélbetétek irányában. -Eds a megfelelő „csökkentett modulust” jelenti, amelyet a következőképpen határozunk meg:
ahol Es és Ei a meglévő függőleges acélbetétek kezdeti, illetve megfolyás utáni Young-féle rugalmassági modulusa.
96
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4.7.3.2.4. Csomópontok
(1) A vasbeton elemek gerenda-oszlop csomópontjai csak akkor erősíthetők meg hatékonyan FRP-vel, ha az FRP megerősítés szálai a fő húzóerők irányában futnak, és ha az FRP megerősítés megfelelően le van horgonyozva. De az FRP megerősítés maximális húzási nyúlása semmiképp nem lehet nagyobb 4 %-nál. Ha az FRP megerősítés nincs megfelelően lehorgonyozva, az FRP megerősítés nem tekinthető hatékonynak.
4.8 KIVITELEZÉS, MEGFIGYELÉS ÉS MIN ŐSÉGELLENŐRZÉS (1)P Az FRP anyagoknak vasbeton elemek megerősítéséhez külsőleg felragasztott rendszerként való alkalmazásának hatékonyságát számos tényező befolyásolja. Az előző fejezetekben tárgyalt tényezők mellett ebben a fejezetben a felületi előkészítéssel és az FRP felragasztásával foglalkozunk. Ezeknek a tényezőknek a relatív fontossága attól függ, hogy éppen „tapadás-érzékeny” (hajlás és nyírás) vagy „érintkezés-érzékeny” (keresztirányú alakváltozás gátlás) alkalmazásokról van-e szó. Például az alapréteg egyes minőségi vizsgálatait ki lehet hagyni az érintkezés-érzékeny alkalmazásoknál, vagy ha az FRP rendszer megfelelően van horgonyozva, feltéve, hogy a lehorgonyozás hatékonyságát független laboratóriumi vizsgálatok támasztják alá. (2)P Az FRP megerősítés felhordása után az időszakos megfigyelésnél a továbbiakban fölsorolt roncsolásmentes vagy részlegesen roncsolásos vizsgálatok alkalmazandók a javasolt megerősítési megoldás hatékonyságának biztosítása érdekében. (3)P Ez a dokumentum leírja az FRP rendszerek minőségellenőrzési és időszakos megfigyelésnél alkalmazandó vizsgálatait is. Az elvégzendő vizsgálatok típusa és száma az FRP-alkalmazás jelentőségétől függ, tekintetbe véve az alábbiakat:
• Stratégiai jelentőségű épületek vagy infrastruktúra esetén, ha fennmaradásuk alapvető fontosságú földrengések esetén a lakosság védelme szempontjából, vagy ha szerepük egy lehetséges összeomlás következményei miatt válik fontossá.
• Ha az FRP alkalmazása elsődleges szerkezeti elemeket (pl. gerendákat és oszlopokat) vagy másodlagos szerkezeti elemeket (pl. födémlemezek) érint.
• Az FRP alkalmazásának mértéke a szerkezet méreteihez viszonyítva. •
(4)P A következőkben megjelenő számszerűsített értékek ajánlott értékeknek tekintendők.
4.8.1 Minőségellenőrzés és az alapréteg előkészítése
(1)P Az alátámasztás minőségellenőrzése magába foglalja a beton állapotának meghatározását, minden leromlott állagú vagy meglazult betondarab eltávolítását, a meglévő betonacélok megtisztítását és korrózióvédelmét, végül pedig az alapréteg előkészítését a kiválasztott FRP megerősítés fogadására. (2)P Ha a kiválasztott FRP rendszer megfelelő lehorgonyozásához speciális eszközöket használnak föl, ezeknek az eszközöknek a tesztelését a rendelkezésre álló szabványosítási dokumentumoknak megfelelően kell elvégezni. A lehorgonyozáshoz felhasznált eszközöket a gyártó előírásai szerint kell fölszerelni mind a fölhasznált anyagok, mind pedig a felület-előkészítés, környezeti körülmények és munkafázisok sorrendiségének tekintetében. A vizsgálatnak föl kell mérnie mindezen paramétereknek a végeredményre kifejtett hatását is.
97
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4.8.1.1 Az alapréteg leromlottságának értékelése
(1) Az FRP alkalmazása előtt a beton alapréteg állapotát ellenőrizni kell. A beton nyomószilárdsága kevesebb, mint 15 N mm2. Az FRP megerősítés nem tekinthető hatékonynak ha a beton nyomószilárdsága nem lehet kevesebb, mint 15 N mm2. (2) Javasoljuk, hogy a minőségi vizsgálatot a teljes megerősítendő felületen végezzék el.
4.8.1.2 A nem megfelelő minőségű beton eltávolítása, a beton alapréteg helyreállítása és a meglévő acélbetétek védelme
(1) A beton alapréteg fizikai-kémiai, fizikai mechanikai, és ütés (behatás) okozta állagromláson mehetett keresztül. A leromlott állapotú betondarabokat el kell távolítani minden sérült felületről. (2) A nem megfelelő beton eltávolítása lehetőséget ad a meglévő acélbetétek ellenőrzésére. A korrodált acélbetéteket meg kell védeni a további korróziótól, hogy így küszöböljük ki a helyreállított beton romlásának egyik lehetséges okát. (3) Ha minden tönkrement betonrészt eltávolítottunk, és megfelelő lépések történtek a további korrózió megakadályozására éppúgy, mint más a beton leromlását okozó mechanizmusok (pl. vízbeszivárgás) megszüntetésére, végre kell hajtani a beton helyreállítását zsugorodás-mentes cement habarcs felhasználásával. A betonfelület 10 mm-nél nagyobb egyenetlenségeit ki kell egyenlíteni megfelelő epoxi kötésű anyaggal. Speciális kitöltőanyagot kell viszont alkalmazni a 20 mm-nél nagyobb egyenetlenségek esetén. Hasonlóképpen, a tömör betonon belüli repedéseket, amelyek 0,5 mm-nél nagyobb tágasságúak is stabilizálni kell epoxi injekciós módszerrel az FRP-megerősítés fölhelyezése előtt.
4.8.1.3 Az alapréteg előkészítése
Amikor az alapréteg minőségellenőrzése megtörtént, a leromlott betont eltávolítottuk, a beton eredeti keresztmetszetét helyreállítottuk, és a meglévő acélbetéteket megfelelő kezelésben részesítettük, a megerősítendő betonfelületet homokfúvással tisztíttatjuk le. A homokfúvás eredményeképpen legalább 0,3 mm-es durvaság mérhető megfelelő műszerrel (pl. lézer profilométerrel vagy optikai profilmérő eszközzel). (2) A gyenge minőségű betonfelületeket, amelyeken azonban nem szükséges javítási munkákat végezni az FRP felvitele előtt primerrel kell kezelni az alapozó felhordása előtt. (3) A betonfelület tisztítása során el kell távolítani minden port, cementhabarcsot, olajat, felületi síkosítóanyagot, az idegen részecskéket vagy más kötést gátló anyagokat. (4) Minden külső és belső sarkot és élt le kell kerekíteni vagy tompítani minimálisan 20 mm-es sugárral.
4.8.2 Ajánlások a kivitelezéshez
(1) A vasbeton elemek FRP megerősítésének eredményessége nagyban függ a környezeti hőmérséklettől és páratartalomtól éppúgy, mint a beton alapréteg tulajdonságaitól. A fönt említett intézkedéseken kívül, és függetlenül a választott megerősítési típustól. A következő szakaszban felhívjuk a figyelmet néhány további elővigyázatossági intézkedésre, amellyel biztosítani lehet az FRP megerősítések minőségét.
98
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4.8.2.1 A környezet és az alapréteg nedvességtartalma és hőmérséklete
(1) Javasoljuk, hogy ne alkalmazzák az FRP anyagokat amikor a környezet nedves, a nagyfokú nedvesség késleltetheti a gyanta kikeményedését és hatással lehet a megerősítő rendszer általános teljesítményére, különösen a nedvesen felhordott alkalmazásoknál. (2) Az FRP megerősítést nem szabad olyan alaprétegre tenni, amelynek felületi nedvességtartalma eléri a 10%-ot; ezek a körülmények késleltethetik a primer behatolását a beton pórusai közé és buborékképződéshez vezethetnek, ami gyengíti a tapadást a beton és az FRP rendszer között. Az alapréteg nedvességtartalmát higrométerrel lehet ellenőrizni vagy egyszerű nedvszívó papír alkalmazásával. (3) Nem szabad feltenni az FRP anyagot akkor sem, ha a környezet és a felület hőmérséklete is túl alacsony, mert ez ronthatja a gyanta kikeményedését és a szálak impregnálódását is. Akkor is ajánlatos tartózkodni az FRP felszerelésétől, ha a betonfelület túlságosan ki van téve a napfénynek. Javasoljuk, hogy ne hordjanak föl FRP anyagokat ha a hőmérséklet nincs a 10° - 35°C tartományon belül. Hűvös éghajlati környezetben, ahol az építési ütemterv nem teszi lehetővé az FRP alkalmazásának késleltetését, ajánlatos mesterséges fűtést alkalmazni abban a helyiségben, ahol az FRP-t felhordják. (4) Ha az FRP kikeményedésére esős időjárás, nagy hatásfokú szigetelés, nagy hőmérsékletkülönbségek mellett, vagy poros környezetben kerül sor, óvintézkedésekre van szükség a megfelelő kikeményedés biztosításához.
4.8.2.2 Szerkesztési részletek
(1) Legalább 200 mm lehorgonyzási hosszot kell biztosítani a megerősítő FRP elemek végénél. Vagy mechanikai rögzítőket is lehet alkalmazni. (2) Biztosítani kell a megfelelő szálirányt a helyszínen végzett nedves technológiánál. Az alkalmazás során is kerülni kell az FRP erősítés hullámzását. (3) Ha a VB elemek megerősítéséhez karbonszálas megerősítést alkalmazunk, ahol fönnáll a szén és a meglévő acél vasalat közötti érintkezés lehetősége, szigetelőanyag-rétegekkel kell megakadályozni az elektrolitikus korrózió kialakulását. (4) Ha részben roncsolásos minőségvizsgálatokat tervezünk, javasolt a kiegészítő megerősítési terület („ azaz próba terület”) létrehozása a szerkezet megfelelően kiválasztott részein legalább 500x200 mm2 méretben legalább 0,1 m2 területen nem kevesebb, mint a teljes megerősítendő terület 0,5%-án. A „próba terület” kivitelezése ugyanakkor kell történjen, mint a fő FRP installáció, ugyanazokkal az anyagokkal és eljárásokkal, de egy olyan területen, ahol az FRP megerősítés eltávolítása nem vonja maga után a tönkremeneteli mechanizmusok megváltozását. Emellett a „próba terület”-nek ugyanazokat a környezeti hatásokat kell kiállnia, mint a fő FRP rendszernek, és egyöntetűen kell elosztva lennie a megerősített szerkezeten.
4.8.2.3 Az FRP rendszer védelme
(1) A külső FRP alkalmazásoknál ajánlott az FRP rendszert védeni a közvetlen napsugárzástól, amely fizikai-kémiai változásokat okozhat az epoxi ágyazóanyagban. Ez megvalósítható akrilfesték védőréteg felhordásával, ha a kompozit felületét előzőleg szappanos vízzel lemossuk. (2) Egy másik, jobb védelmet biztosító lehetőség, ha habarcsréteget (lehetőleg beton-alapút) hordunk föl a megerősítés felületére. Az FRP gyártók által javasolt vastagságban felvivendő habarcsrétek felhordására azután kerülhet sor, hogy a megerősítő rendszert epoxigyanta alkalmazással
99
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
felületkezelték, majd a friss gyantára kvarchomokot szórtak (zöldre zöldet). Az így kialakított felület különösen alkalmas mindenféle vakolat felhordására. (3) A tűzzel szembeni védelemre két különböző megoldás közül lehet választani: hőre duzzadó panelek, vagy hővédő vakolat. Mindkét esetben a gyártók kötelesek jelezni, hogy a panel vagy vakolat milyen vastagsága biztosítja a megfelelő mértékű védelmet. Az általában kalcium-szilikát alapú paneleket közvetlenül az FRP rendszerre lehet szerelni, feltéve, hogy felszerelésük során nem vágjuk el a szálakat. A tűzvédelem legszélesebb körben alkalmazott megoldása a védővakolat, amelyet a fentebb leírt módon kell fölhordani az FRP rendszerre. Rendelkezésre állnak olyan védőbevonatok, amelyek vastagságuk és konzisztenciájuk révén képesek a kompozit hőmérsékletét 90 percig 80°C alatt tartani.
4.8.3 Minőség-ellenőrzés a kivitelezési munkálatok során
(1) Az FRP kivitelezési munkálatok során minőségellenőrzésnek legalább egy sorozat - az installáció mechanikai tulajdonságaira rávilágító - részben roncsolásmentes vizsgálatot kell tartalmaznia, és egy roncsolásmentes jellegű feltérképezési vizsgálatot, amellyel az installáció egyöntetűségéről lehet meggyőződni.
4.8.3.1 Részben roncsolásmentes vizsgálatok
(1) Mind pull-off (lehúzási) mind pedig shear tearing (nyíró-szakító) vizsgálatot lehet végezni. A részben roncsolásmentes vizsgálatokat a próba felületeken és – ahol lehetséges – a nem kritikus megerősített területeken kell elvégezni, arányaiban úgy, hogy egy ellenőrzés essen 5 m2-nyi területre, de teszttípusonként legalább két próbára van szükség. (2) Pull-off (lehúzási) vizsgálat. A vizsgálatot a helyreállított beton alapréteg tulajdonságainak ellenőrzésére lehet felhasználni. 20 mm vastag kör alakú acélkorongokkal végezzük, amelyek átmérője legalább háromszorosa a beton adalékanyag jellemző méretének, és nem lehet kevesebb 40 mm-nél. Az acél korongokat epoxi ragasztóval erősítjük az FRP felületére. Miután az acéllemezt erősen az FRP-hez rögzítettük, legalább 2500-as fordulatszámú magfúróval körbevágjuk az FRP-n keresztül. Külön figyelmet kell fordítani arra, hogy amíg a beton alaprétegbe legalább 1-2 mm-nyi bevágást eszközlünk, elkerüljük az FRP rendszer felforrósítását. Az FRP alkalmazás/megerősítés/installáció akkor tekinthető elfogadhatónak, ha legalább a tesztek 80%-a (ha két tesztet végzünk, akkor mindkettő) nem kevesebb, mint 0,9-1,2 MPa tapadó-húzó szilárdságot mutat, feltéve, hogy a szakadás a beton alaprétegben történik. (3) Shear tearing (nyíró-szakító) teszt. Ez a teszt különösen alkalmas az FRP és a beton alapréteg közötti tapadás minőségének meghatározásához. Csak akkor lehet végrehajtani, ha az FRP rendszer egy részét síkjában meg lehet húzni egy él közelében, ahol elválik a beton alaprétegtől. Az FRP megerősítés akkor tekinthető elfogadhatónak, ha legalább a tesztek 80%-a (ha két tesztet végzünk, akkor mindkettő) nem kevesebb, mint 24 kN lépési teherbírást mutat.
4.8.3.2 Roncsolásmentes vizsgálatok
(1) A roncsolásmentes vizsgálatokkal lehet jellemezni az FRP alkalmazás egyenletességét a megerősített felület megfelelő két dimenziós vizsgálatával különböző érzékenységgel a megerősített terület nagyságától függően (ld. 4-1 táblázat) (2) Stimulált Akusztikus vizsgálat. Az impact-echo teszthez hasonlóan az ilyen tesztek alapja a kompozit réteg különböző oszcillációs viselkedése az FRP rétegek és a beton alapréteg közötti tapadás függvényében. Legegyszerűbb formájában a vizsgálatot egy technikus is elvégezheti úgy, hogy
100
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
végigkopogtatja a kompozit felületét és figyeli az ütés keltette hangot. Automatizált rendszerekkel pedig objektívebb eredményeket lehet elérni/szerezni. (3) Nagyfrekvenciás ultrahang teszt. Ezeket a visszaverődéses módszert alkalmazó teszteket legalább 1,5 MHz frekvenciával és 25 mm-nél nem nagyobb átmérőjű szondákkal kell végrehajtani úgy adaptálva a módszert, hogy az első csúcsamplitúdó változáson alapuló módszerrel lokalizálni lehessen a hibákat. 4-1. táblázat – A roncsolásmentes vizsgálattal azonosítható hibaméret a felbontás függvényében
Nyíró igénybevétel átadása az érintkezési felületnek
Példa
Roncsolásmentes
vizsgálatok
Felület
feltérképező háló
Hibamérettől függő
minimális felbontás
Hiányzik borítás az átfedések kivételével egyrétegű alkalmazásoknál
Opcionális 250 mm 3,0 mm
gyenge középső terület nagyméretű megerősítésénél
Opcionális 250 mm 3,0 mm
mérsékelt Hosszanti hajlítási megerősítés középső része
Javasolt 100 mm 0,5 mm
kritikus Lehorgonyozási területek, rétegek közötti átfedések, nyírási megerősítés kengyelek, csatlakozós érintkezési felületek, az alaprétegen nagy repedés vagy egyenetlenség
Szükséges 50 mm 0,1 mm
(4) Termográfiás teszt. Csak kis hővezetésű FRP rendszereknél alkalmazható, és nem alkalmazható szénszálas vagy fémes FRP megerősítő rendszerek esetén csak rendkívüli óvintézkedések mellett. A teszt folyamán keletkező hő az FRP rendszer üvegesedési hőmérséklete alatt kell, hogy maradjon. (5) Akusztikus emissziós teszt. Ez a vizsgálat az akusztikus emissziós (AE) módszeren alapul, és lehetővé teszi a terhelésnek kitett szerkezeti elem belső károsodásának kimutatását olyan módon, hogy hallgatják és rögzítik a repedések kialakulása vagy a rétegleválás jelensége által keltett zajt, amelyek mint elasztikus hullámok terjednek. Az ilyen vizsgálat különösen alkalmas az FRP rendszernek a vasbeton szerkezetekre való felragasztásánál jelentkező hibák kimutatására valamint a beton alaprétegről való leválás detektálására.
4.8.4 Személyi képesítési követelmények
(1) A teszteket végző személyeknek a 4-2 táblázatban felsorolt három képesítés valamelyikével kell rendelkeznie az UNI EN 473 és az UNI EN 45013 előírások szerint.
101
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
4-2 táblázat – A részben roncsolásmentes és roncsolásmentes vizsgálatokhoz szükséges végzettségi szintek 1. szint A vizsgálati berendezés megfelelő ismerete, tesztek végrehajtása, a teszteredmények
rögzítése és osztályozása írásban megadott kritériumok alapján, a teszteredményekről jelentés készítése.
2. szint A teszt végrehajtás módjának kiválasztása, a 2. szintű technikus által végezhető tesztek alkalmazási határainak meghatározása, a teszt specifikációk megértése, és azoknak az adott helyszíni körülményekhez igazodó gyakorlati tesztutasítások nyelvére való lefordítása, a vizsgáló/tesztberendezés beállítása és kalibrálása, a tesztek végrehajtása és ellenőrzése, a teszteredmények értelmezése és értékelése a specifikációk szerint, amelyeknek meg kell felelni, írásbeli tesztutasítások elkészítése az első szintű kezelőszemélyzet részére, valamennyi 1. szintű funkció elvégzése és ellenőrzése, első szintű személyzet képzése, a teszteredmények rendezése és a végső jelentés megírása.
3. szint Laboratórium vezetője, teszteljárások kidolgozása és validálása, a folyamatok és specifikációk értelmezése, képzettség és gyakorlat a teszteredmények meglévő specifikációk szerinti értelmezésére és megértésére, az anyagok, gyártási eljárások, és a tesztelendő rendszer installálási technológiájának olyan szintű gyakorlati ismerete, amely képessé teszi a megfelelő módszerek kiválasztására, a technikai eljárások kidolgozására és az elfogadhatósági kritériumok kidolgozásában való együttműködés, ha ezek a kritériumok még nincsenek kidolgozva, ismeretekkel rendelkezik többféle alkalmazási területen, képes az 1. és 2. szintű személyzet vezetésére.
4.8.5 A megerősítő rendszer figyelemmel kísérése
(1) Mivel kevés adat áll rendelkezésünkre a vasbeton szerkezetek FRP rendszerekkel való megerősítéseinek hosszútávú viselkedéséről, ajánlatosnak tűnik a fölszerelt FRP rendszerek viselkedésének megfelelő módon való figyelemmel kísérése a megerősített szerkezeten rendszeresen végzett részben roncsolásos és roncsolásmentes vizsgálatokkal. Ennek a figyelemmel kísérésnek a célja a következő paraméterek ellenőrzése:
• Az installált FRP rendszer hőmérséklete • A környezet páratartalma • A megerősített szerkezet elmozdulásának és deformálódásának mérése. • Szálak esetleges sérülése. • Az installált FRP rendszer hibáinak és a rétegleválásoknak a felmérése.
4.9 SZÁMSZERŰSÍTETT PÉLDÁK A vasbeton szerkezetek FRP megerősítéseire vonatkozó számszerűsített példák szerepelnek az E függelékben.
102
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5 FALAZATOK MEGER ŐSÍTÉSE
5.1 BEVEZETÉS
5.1.1 Érvényesség
(1)P Ez a fejezet tartalmazza a falazatok FRP-vel való megerősítésére vonatkozó részletes ajánlásokat. (2)P Az FRP megerősítés elsődleges célja minden egyes elem kapacitásának valamint általában a falazat kapacitásának a növelése, és ha lehetséges a tönkremenetelhez tartozó elmozdulásnövelést is elő kell segítenie.
5.1.2 Történelmi és műemléki épületek megerősítése
(1)P A történelmi és műemléki épületek megerősítése csak akkor indokolható, ha elkerülhetetlen; a választott megerősítési technika pedig összhangban kell, hogy legyen a helyreállítás elméletével (ld. 3.1. szakasz (3)-as tétel).
5.1.3 Az FRP megerősítés tervezési kritériumai
(1) Az ebben a dokumentumban tárgyalt megerősítési módozatok közé az FRP anyagok szalagok, szövetek, rácsok és betétek formájában az épületelemekre való erősítése tartozik, amely megvalósítható ragasztással, vagy mechanikus lehorgonyozó eszközökkel is. Az FRP megerősítés alkalmazható a falazatok külső felületén éppúgy, mint a falazatba vágott résekbe, hornyokba helyezve. (2) Az FRP megerősítés a következő okokból alkalmazható:
• Hajlítási és nyírási megerősítés viselheti a szerkezeti elemen belüli vagy az egymáshoz kapcsolódó elemek közötti húzóerőket.
• Az elemek közötti kapcsolat (boltív és fal kötése, egymásra merőleges falak közötti kapcsolat, stb). • Födémlemez merevítés, ami merev diafragmaként szolgál. • Repedések tágasságának korlátozása. • Oszlopok keresztirányú alakváltozásának csökkentése az anyag szilárdságának növelése érdekében.
(3)P Az FRP megerősítés tervezése fogja biztosítani, hogy a választott FRP rendszer mindig húzóerőknek legyen kitéve. Tulajdonképpen a nyomott FRP nem képes növelni a megerősített falazat teherbírását, mert területe viszonylag kicsiny a nyomás alatt álló falazathoz képest. Ezen fölül a nyomóerőknek kitett FRP a lokális instabilitás miatt le is válhat. (4) Az FRP-vel megerősített és ciklikus terhelésnek (pl. szeizmikus és hőmérsékleti változások) kitett falazatok esetében a falazat és az FRP közötti tapadás jelentősen leromolhat a szerkezet élettartana alatt. Ilyen esetben szükség lehet az FRP anyag falazathoz való lehorgonyozására, akár oly módon, hogy megfelelő vágatokba helyezik el az FRP megerősítést a helyi instabilitás megakadályozása érdekében, vagy mechanikus horgonyozó eszközök segítségével. (5) A megfelelő lehorgonyozás érdekében az FRP-t ki kell terjeszteni a nyomás alatt lévő falazat területére is.
103
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(6)P Az FRP megerősítést a megfelelő mechanikai tulajdonságokkal rendelkező szerkezeti elemre kell erősíteni. Ha a falazat sérült, nem egyöntetű vagy repedt, először megfelelő műszaki megoldásokkal ki kell azt javítani annak biztosítása érdekében, hogy a terhelés megfelelő módon oszoljon meg az alapszerkezet és az FRP között. A megfelelő megerősítő anyag (szén-, üveg- vagy aramid-FRP) kiválasztásánál a falazat fizikai és kémiai tulajdonságait is figyelembe kell venni. (7)P Az olyan FRP megerősítés, amely teljesen beburkolja a megerősített elemet megakadályozhatja a nedvesség vándorlását. Az ilyen FRP rendszerek nem alkalmazhatók folytonosan a falfelületek nagy részén a nedvesség vándorlásának biztosítása érdekében.
5.1.4 A megerősítés célszerűsége
(1) Ahhoz, hogy egy FRP megerősítés megfelelő legyen egy konkrét alkalmazásban, a mérnöknek fel kell mérnie a meglévő szerkezetet, hogy meg tudja határozni annak teherhordó képességét, be tudja azonosítani annak hiányosságait és e hiányosságok okait és meghatározni a falazati alapréteg állapotot. Az általános felmérésbe beletartozik egy alapos helyszíni szemle, a meglévő tervek vagy megvalósulási dokumentumok áttekintése éppúgy, mint a szerkezeti analízis. A meglévő szerkezet teherhordozó képességét a helyszíni szemle és a meglévő dokumentumok áttekintése alapján, analitikai vagy más megfelelő módszerrel kell megállapítani. Az FRP megerősítés célkitűzése a következők valamelyike lehet:
• A falszakaszok, ívek vagy boltozat teherhordóképességének növelése. • Az oszlopok beborítása nyomószilárdságuk és duktilitások fokozása érdekében. • A vetődési erők csökkentése vetődő szerkezetekben. • Nem szerkezeti elemek szerkezeti elemekké alakítása merevségük és szilárdságuk növelése által. • Vízszintes nem vetődő szerkezetek megerősítése és merevítése. • Épületek borítása padló- és tető régiókban.
5.2 BIZTONSÁGI ÉRTÉKELÉS
5.2.1 Szerkezeti modellezés
(1)P Az FRP megerősítés tervezése egy strukturális vázlaton alapul, amely az épület hosszútávú viselkedését mutatja. (2)P A falazatra ható belső erőket a szerkezeti analízis módszereivel kell meghatározni; lineárisan rugalmas modellel, vagy egy jól bevált nem lineáris modellel, amely képes szimulálni a falazat nem rugalmas viselkedését és elhanyagolható húzószilárdságát. (3) Egyszerűsített módszert is lehet alkalmazni a szerkezet viselkedésének leírására. Például ha a húzóerőket az FRP rendszer közvetlenül veszi át, a feszültség szintjét egy egyszerűsített feszültségeloszlási képlet alkalmazásával is meg lehet határozni, amely kielégíti ugyan az egyensúlyi feltételt, de a kompatibilitási megnyúlásét nem feltétlenül. Az egyszerűsített feszültség-eloszlási képlet alkalmazásakor nagy körültekintésre van szükség, mert a statikailag kielégítő feszültségi szint már a szerkezet összeomolhat az FRP-falazatrendszer rideg természetéből adódóan. A szabályos vagy ismétlődő szokások esetén, a részleges szerkezeti sémák azonosíthatóak, mert a megerősített szerkezet általános viselkedésének gyors felmérését teszik lehetővé. Hasonlóképpen lehet alkalmazni az egyszerűsített modelleket a lokális törési mechanizmusok verifikálására, ha alkalmazásuk kellőképpen megindokolt.
104
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5.2.2 Az igazolás kritériumai
(1)P Az FRP rendszerekkel megerősített falazatok lehetséges tönkremeneteli módjai a következőképpen összegezhetők:
• Túlzott repedezettség a falban ható húzóerők miatt. • A falazat leomlása • A falazat nyírási elmozdulása • FRP szakadás. • FRP leválás.
Az FRP-vel megerősített falazat tönkremeneteli módja általában az előbb említett mechanizmusok kombinációját jelenti.
5.2.3 Biztonsági ellenőrzések
(1) A falazatot anizotropikus, nem-lineáris magatartást mutató anyagnak lehet tekinteni. A feszültség-alakváltozás kapcsolat jelentősen változhat annak függvényében, hogy a szerkezet mesterséges vagy természetes elemekből épült, vagy hogy milyen habarcsot használtak. (2) A falazat rideg viselkedést mutat, ha húzó terhelésnek van kitéve; ennek megfelelően húzószilárdsága elhanyagolható nyomó szilárdságához képest. Elfogadott tervezési gyakorlat a falazat húzószilárdságának figyelmen kívül hagyása. (3)P Laboratóriumi vizsgálatok azt mutatják, hogy a nyomóerőnek kitett falazóelemek feszültség-alakváltozás diagramját a következőképpen lehet leírni:
• Alacsony nyúlási értéknél alapvetően lineáris. • Nem lineáris a terhelés növekedésével a végső értékig. • Nem lineáris leszállóak miután elértük a legnagyobb erőt.
(4) A falazat nyomóerőknek való ellenállása szintén függ a harántirányú alakváltozás gátlás meglététől. A harántirányú alakváltozás gátlás növelésével az anyag szilárdsága és duktilitása javul. (5)P A falazat nyírószilárdsága az alkalmazott axiális terheléstől függ, mert ez általában az anyag kohézióján és súrlódásán alapszik. (6)P A szilárdság jellemző értéke a következő:
• fmk – függőleges nyomás. • fh
mk – horizontális nyomás. • fvk – nyírás.
Ezeket az értékeket az érvényes építési előírásokkal összhangban kell megállapítani. Az fmk 50%-a az fhmk
referenciaértéke. (7) A falazat mechanikai tulajdonságainak tervezési értékeit úgy számítjuk, hogy a jellemző értékeket
elosztjuk az anyag parciális tényezőjével valamint az teherbírási modell parciális tényezőjével.
az érvényes építési előírás valamint e szerint a dokumentum szerint. (8)P Legtöbb mérnöki alkalmazásnál az uniaxiális terhelés alatt álló falazat viselkedése
105
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
• húzó feszültség: elhanyagoljuk: • nyomás Lineáris viselkedés, ahol az iránytangens egyenlő a „rugalmassági secant modulusz”-szal
egészen az fmd tervezési szilárdság illetve tervezési nyúlás értékekig, az fmk értékkel egyenlő
tervezési szilárdság a következő megnyúlási értékek között ; és zéró szilárdság az εmu-nál nagyobb nyúlás esetén.
(9)P Hacsak nem rendelkezünk tapasztalati adatokkal, a falazat törési összenyomódását ( εmu) 0,35%-ra vehetjük föl. (10) Emellett a (3)P pontban leírt viselkedéseknek megfelelő feszültség-alakváltozás diagramokat lehet alkalmazni, feltéve, hogy működésüket kísérleti eredmények támasztják alá. (11)P Az FRP anyagokat anizotrop viselkedés jellemzi, mint azt részletesen leírtuk a 6.2 szakaszban. Ha a szálak irányában hat az igénybevétel, az FRP lineárisan rugalmas magatartást mutat a szakadásig és a szilárdság karakterisztikus értéke ffk. Az FRP rendszerben megengedett maximális tervezési nyúlás a következőképpen fejezhető ki:
Ahol εfk az FRP karakterisztikus nyúlása szakadáskor és εfdd a maximális FRP nyúlás leválásos tönkremenetel esetén (ld. a következő részt). Ha pontosabb adatok nem állnak rendelkezésre, az εfdd –t az 5.3.2. szakasz (7)-es tétel alapján vesszük figyelembe. Az ηa konverziós tényező és a γm = γf értékeit a 3-4 illetve 3-2 táblázatban adtuk meg. (12)P A tervezési ajánlásokat a tervezési határállapot elvre alapoztuk. A törési határállapotok elemzésénél két lehetséges megközelítést lehet alkalmazni az elvégzett szerkezeti elemzés típusától függően. Ha nem lineáris modelleket használunk, az elem teherhordó képessége nagyobb lesz, mint a terhelés tervezési értéke. Az utóbbit az aktuálisan érvényes építési előírás szerint kell kiszámítani. Ügyelni kell arra, hogy a javasolt megoldást ne befolyásolja diszkretizáció, amelyet a számításhoz használunk. Ha lineárisan rugalmas modelleket vagy egyensúlyi feszültségrendszereket alkalmazunk, amelyek kielégítik az egyensúlyi feltételeket, de az alkalmazott nyúlás nem feltétlenül kompatibilis. A számítás eredményeként az egyes szerkezeti elemekre ható feszültséget ellenőrizni kell. Kétdimenziós elemeknél (betonlemezek, héjazatok) az egységnyi feszültséget kell figyelembe venni (az elem egységnyi hosszúságán erőket). Azt feltételezve, hogy egy terhelés előtti sík sík marad a terhelés után is, a tervezési kritériumoknak akkor felel meg, ha a faktorált nyíróerők és az alkalmazott terhelésnek megfelelő hajlító nyomaték kisebb, mint a megfelelő faktorált nyíró- és hajlítási teherbírások. Az utóbbit mint az alkalmazott axiális erők függvényét kell értékelni, figyelembe véve az anyag nem-lineáris viselkedését, amelyet a (8)P tételben bevezetett egyszerűsített feszültség-alakváltozás diagram jelenít meg. (13)P Más határállapotokat az aktuális építési előírás követelményei szerint kell igazolni.
5.3 A LEVÁLÁSI SZILÁRDSÁG KIMUTATÁSA
(1)P a falazat és az FRP közötti tapadás nagy jelentőségű, mert a leválás elősegíti a nem kívánatos rideg tönkremeneteli módok kialakulását. Ha kapacitás tervezési kritérium alapján tervezünk, az FRP leválásnak mindig a nyomás alatt lévő falazat poszt-elasztikus magatartását kell követnie. Ha az FRP rendszerhez
106
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
speciális horgonyozó eszközöket használunk, az FRP leválása elfogadott, feltéve, hogy a számítási modell változásá számításba veszi. (2) A meglévő falazati rendszerek sokféleségének köszönhetően (pl. mesterséges agyag, beton falazóblokkok, faragott vagy faragatlan (négyzetesre vagy szabálytalanul faragott kövek stb,) a leválás megtörténhet a különböző anyagok érintkezési felületén. Emellett a szabálytalan felületű falazatrendszerek esetében lehetséges, hogy habarcsréteget kell fölhordani az FRP alkalmazásnak megfelelő felület létrehozásához. Így aztán ugyanaz a megerősítő rendszer különböző, egymástól eltérő érintkezési tulajdonságokkal rendelkező anyagokhoz kapcsolódhat. (3) Ha az FRP megerősítés rögzítéséhez használt ragasztóanyag húzószilárdsága nagyobb, mint az alaprétegé, az FRP és a falazat közötti leválás a falazati felszín szintjén fog bekövetkezni.
5.3.1 Általános megfontolások és tönkremeneteli módok
(1)P A különálló, egyenes szalagok formájában fölragasztott FRP megerősítés és a falazat közötti leválás a következő módokon történhet meg. Szalagvég leválás vagy közbülső repedések melletti leválás. Az FRP-vel megerősített falazatokban, amelyeket úgy terhelünk, hogy az FRP megerősítésekre húzóerők hassanak a szalagok végénél és a meglévő repedések közelében, az FRP-falazat érintkezési felület nagy feszültségnek van kitéve a a végső szakasz 50-200 mm-nyi régiójában. 2) A kombinált feszültségek csökkentik a tapadási szilárdságot. Különösen ha az FRP megerősítést görbült felületeken alkalmazzák, vagy ha nagy hajlítási merevségű FRP megerősítést alkalmazunk, jelentős, a falazat-FRP érintkezési felületre merőleges húzóerők (leválasztó erők) keletkeznek, így csökkentve az FRP-nek átadható erőt. Abban az esetben, ha az FRP szalagokat a repedés irányára merőlegesen rögzítjük, a repedések körüli feszültségek, amelyeket a relatív mozgások hoznak létre, a falazat-FRP érintkezési felületen feszültség-koncentrációt hoznak létre. (3) A nyírási leválás az FRP-megerősítés végeinek közelében (a horgonyozási szakaszokban) fordul elő, és jelentős téglarészek leszakításával járhat (letépő tönkremenetel), különösen, ha a nyírófeszültségek húzó feszültségekkel párosulnak. Ez a tönkremeneteli mód repedések kialakulásával ad jelet magáról, amelyeket a lehorgonyozó erők szétterjedése okoz, amelyeket a falazatban keletkező, annak töréséért felelős húzóerők okoznak (5-1. ábra)
Fmax A szalag széle tf
5-1. ábra – Tönkremenetel a lehorgonyzó tégla kiszakítása által.
107
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5.3.2 Tapadószilárdság törési határállapotban (ULS)
(1)P Tapadási kísérletek kimutatták, hogy a leválás előtt az FRP rendszernek átadott legnagyobb erő nagysága a tapadó felület hosszúságától (lb) függ. Ez az érték együtt nő az lb értékkel egy maximális hosszig (le). A tapadó felület további növelése nem növeli az általa átadható erő nagyságát. Az le hosszúságot optimális kötéshossznak nevezik, és megfelel a maximális lehorgonyozó erőt hordozni képes minimális kötéshossznak. (2) Az le optimális tapadási hossz a következő módon becsülhető meg:
ahol: - Ef az FRP megerősítés Young-féle rugalmassági modulusa -tf az FRP vastagságát jelenti -fmtm a falazat átlagos húzószilárdsága, és ha konkrét adatok nem állnak rendelkezésre, 0,10 fmk értékkel egyenlőnek feltételezhető (az FRP és falazat közötti tapadás általában adott, az fmtm figyelembe veendő értéke az 5.2 egyenletben a falazat átlagos húzószilárdsága. (3) Ha a leválás érinti az első falazati réteget, a specifikus törési energia jellemző értéke, ΓFk a következőképpen adható meg:
ahol c1 kísérletileg meghatározott együttható. Ha konkrét adatok nem állnak rendelkezésre, a c1 értékét 0,015-nek tételezhetjük. (4) Ha a leválás érinti az első falazat réteget, és a kötési hossz egyenlő vagy nagyobb az optimális tapadásihosszal, a tervezési tapadószilárdság (ffdd) a következőképpen számítható ki:
ahol . γf,d a 3-2-es táblázatban (3.4.1 szakasz) megjelölt parciális tényező, pedig a falazat parciális tényezője.
(5) Az FRP leválás előtti maximális tervezési nyúlást a tapadószilárdság tervezési értéke fdd és Ef , az FRP Young-féle rugalmassági modulusának aránya adja meg. (6) Az optimálisnál (le) kisebb tapadásihosszok (lb) esetén a tapadószilárdság tervezési értéke a következőképpen csökkentendő:
108
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(7) Ha az FRP és falazat közötti leválási mechanizmus a falazati egy részének törésével következik be, azt a következtetést kell levonni, hogy az egyes falazati egységek csak hosszuk mintegy 80%-ával járulnak hozzá a fent említett hosszúságok, lb és le meghatározásához. (8) Ha speciális lehorgonyzó elemeket alkalmaznak (keresztirányú FRP betétek FRP-szövet a tartóbetétekre) ezek lehorgonyzó képességét kísérleti vizsgálattal kell megállapítani.
5.3.3 Tapadószilárdság felületre merőleges erők esetén
(1) Az FRP-vel megerősített falazatokon végzett kísérletek eredményeit kell fölhasználni a tapadási felületre merőleges erők egyidejű föllépte esetén a tapadószilárdság meghatározására. (2) Ha részletesebb elemzést nem készítenek, az enyhe görbületű FRP-vel megerősített falazatoknál a tapadószilárdságot úgy kell meghatározni, hogy csökkentjük az FRP rendszerről az alátámasztásnak átadott erő mértékét a tapadási felületre merőlegesen ható erő nagyságának függvényében. (3) A tapadási felületre merőlegesen ható erők esetén a tapadószilárdság tervezési értéke a következőképpen fejezhető ki:
ahol ffdd az (5.4)-es egyenletben megadott tapadószilárdság tervezési értéke, fmtd pedig a falazat húzószilárdságának tervezési értéke, σSd pedig a tapadási felületre merőleges feszültség húzószilárdságának mértéke. Ha az lb tapadáihossz az optimális hossznál (le) rövidebb, akkor az ffdd, rid értéket fogjuk használni az (5.6) egyenletben. (4) A tapadási felületre merőleges erő mértéke, a σSd a görbült profilok megerősítésénél, ahol a görbület hajlási sugara r folyamatos húzóerőnek van kitéve, a konstans húzófeszültség, σf a következőképpen számítható ki:
109
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5.4 BIZTONSÁGI KÖVETELMÉNYEK (1) Az 5.2 szakaszban leírt elvekre a későbbiekben mint gyakorlati alkalmazásokra fogunk hivatkozni.
5.4.1 Falazati panelek megerősítése
(1) A falazati paneleket abból a célból lehet FRP-vel megerősíteni, hogy növeljük teherhordó kapacitásukat vagy duktilitásukat a síkjukban vagy síkjukon kívül ható erők viszonylatában. Az elkövetkezendőkben egyszerű követelményeket sorolunk föl, amelyekkel ellenőrizni lehet a megerősített falazati panelek biztonságosságának mértékét. Az itt felsorolt követelmények nem terjednek ki mindenre, és további elemzésekkel kell azokat kiegészíteni a vizsgált konkrét eset komplexitásának megfelelően.
5.4.1.1 A síkon kívül eső terheléssel szembeni megerősítés
(1) A síkon kívüli erőre visszavezethető összeomlás az egyik leggyakoribb lokális krízismechanizmus a falazati szerkezeti elemek esetében. Ezek a mechanizmusok elsősorban szeizmikus események következményei, és másodlagosak az íveknek és boltozatoknak betudható vízszintes irányú erőkhöz viszonyítva. A síkon kívüli összeomlás manifesztálódhat a következők bármelyikében:
• egyszerű kiborulás • függőleges hajlítási törés • vízszintes hajlítási törés.
5.4.1.1.1 Egyszerű kiborulás
(1) A kinematikus mozgást a falazati panel alján elhelyezkedő csukló körüli elfordulás/kifordulás reprezentálja. A falazat alacsony húzószilárdságának köszönhetően a csukló általában a panel külső felületén található. A kiborulásnak betudható összeomlás olyan falak esetében történhet meg, amelyek nincsenek merőleges falakhoz kapcsolva, illetve a tetejükön semmi nem tartja vissza azokat. A kiborulásos összeomlás számos tényező függvénye lehet, köztük a peremfeltételek, a fal vastagsága és a falazati elem geometriája. Egy lehetséges helyreállítási technika lehet a falazati panel fölső részén alkalmazott és a merőleges falakba lehorgonyozott FRP használata. Teljesítőképesség szempontjából az optimális megoldás az épület teljes kerületének megerősítése lenne a kiválasztott FRP rendszerrel. Különös gonddal kell eljárni a falazati sarkok körbezárásánál, hogy elkerüljük a feszültségnek az FRP-ben való koncentrációját. Példaként egy, a következő terheléseknek kitett falazati panel viselkedését vizsgáljuk:
• Pd panel önsúlya. • Nd a panel tetején ható axiális erő. • Qd a szeizmikus hatásnak köszönhető horizontális terhelés • Fd a falazati panelre az FRP rendszer által gyakorolt erő
110
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5-2. ábra – egyszerű kiborulásos összeomlási mechanizmus
Feltételezve, hogy a tanulmányozott panelre merőleges padlók és falak elhanyagolható visszatartó erőt jelentenek a panelnek magának (5-2. ábra), az FRP-ben érvényesülő húzóerő a nyomaték-egyensúly alapján kalkulálható a következőképpen:
ahol h* az FRP és a falazati panel alsó része közötti távolság. Az egyszerű kiborulás megakadályozása érdekében a következő két feltételnek kell megfelelni: • FRP húzószilárdság Verifikálni kell, hogy
ahol· , és Af jelenti az FRP megerősítés keresztmetszeti területét ffd pedig az FRP tervezési húzószilárdságának tervezési értékét. • Az FRP leszakadása (rip-off) a merőleges falakról Igazolni kell, hogy
ahol· , az FRP által a két merőleges fal közül az egyikre gyakorolt maximális lehorgonyozó erő. A leszakadás általában nagyobb tönkremenetelt jelent, mint a húzószilárdság elérése az FRP-n. A megfelelő átfedéssel készített teljesen beburkolt szerkezet esetében nincs szükség a második feltételre. A további
111
követelmények közé tartozik az együttes axiális terhelés és hajlítónyomaték eredő feszültségének, valamint a panel vízszintes részére ható nyíróerőnek a meghatározása az 5.4.1.2. szakasz alapján.
112
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5.4.1.1.2 Függőleges hajlítási törés
(1) A fölső és alsó régiókban is rögzített, horizontális terhelésnek kitett falazati paneleknél a törés a hajlítás miatt következhet be három csukló kialakulásával: amelyek a panel alján, tetején illetve egy bizonyos magasságban a panel középső részén alakulnak ki. A törés akkor következik be, amikor az axiális terhelés és a hajlítónyomaték eredő ereje kívül esik a falazat keresztmetszetén. A hajlítási tönkremenetel nagyon magas falazati panelekben fordulhat elő, vagy a merőleges falaktól nagy távolságban rögzített panelekben. Szeizmikus terhelés esetén az ellenkező oldalaikon különböző magasságban elhelyezett szintek által terhelt panelek különösen érzékenyek a hajlítási összeomlási mechanizmusokra. Az ilyen paneleket meg lehet erősíteni függőleges irányban futó szálakat tartalmazó FRP anyagokkal. Példaként egységnyi szélességű, FRP-vel megerősített és a következő terheléseknek kitett (tervezési értékek) falazati panel viselkedését vizsgáljuk:
• Pd(s) a panel fölső részének súlya.
• Pd(i) a panel alsó részének súlya.
• Qd(s) a panel fölső részére ható szeizmikus erő a panel alsó részéhez viszonyítva.
• Qd(i) a panel alsó részére ható szeizmikus erőkar.
• Nd a panelre ható axiális erő. • Qd a további horizontális terhelési körülményeknek köszönhető horizontális terhelés. •
Az erők egyensúlya alapján a C-ben keletkező horizontális reakció a következőképpen számítható ki (5-3. ábra):
A falazati panel a B keresztmetszetben, ahol az FRP alkalmazására sor került a csukló kialakulásának megakadályozása céljából a következő értékű axiális erőnek és hajlítónyomatéknak van kitéve:
113
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5-3. ábra – Függőleges hajlításból származó összeomlási mechanizmus
A falazati panel hajlítási teherbírását a következő összefüggéssel igazoltatjuk:
A megerősített falazati panel hajlítási teherbírása, MRd mint a falazat és az FRP mechanikai tulajdonságainak, a falazati panel vastagságának (t) és az alkalmazott axiális nyomás értékének a függvénye határozható meg (a rezisztencia modellek parciális faktora, a γRd átvehető a 3.4.2 szakasz 3-3. táblázatából, ebben az adott helyzetben pedig 1,00-nak tételezzük) A nyomófeszültség-alakváltozás függyvény a falazat szempontjából tekinthető téglalap alakban egyenletesen megoszlónak 0,85 fmd értéknek, amely egy ekvivalens, a keresztmetszet szélei által határolt nyomási zónában oszlik el egyenes vonalban a semleges tengellyel (x) párhuzamosan, és attól 0,6 ÷ 0,8 x távolságra. A maximális falazat és FRP nyúlás értékét az 5.2.3. szakaszban megadott módon kell figyelembe venni. Az FRP függőleges megerősítések a középvonaluktól mért pf távolságra úgy, hogy:
ahol bf az FRP szélessége. Ennél nagyobb középvonal távolságot csak megfelelő indoklással szabad alkalmazni.
5.4.1.1.3 Vízszintes hajlítási tönkremenetel.
(1) Az alsó részükön rögzített és transzverzális falakkal szilárdan összekapcsolt falazati panelek esetében a horizontális erőknek való ellenállást a fölső megerősítő szalagok íves teherviselése biztosítja, ahogy azt az 5-4 (a) ábra mutatja. A q maximális egyenletesen elosztott vízszintes terhelés, amelyet fel tud venni a következőképpen fejezhető ki:
114
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
ahol L a panel vastagsága, és az fhmd jelenti a falazat tervezési nyomószilárdságát vízszintes irányban. Ha a terhelés nagyobb, mint a q (5.15) egyenletben kifejezett értéke, a panel összeomlik a falazat szétesése miatt. Ilyen esetben az FRP megerősítő rendszer alkalmazása jótékony hatású lehet. Az alul rögzített, de keresztirányú falakkal szilárdan össze nem kapcsolt falazati panelek esetében a falazati panel összeomolhat az 5-4 (b) ábrán jelzettek szerint. A panel tetején elhelyezkedő egységnyi sávra vonatkozóan a törés akkor következik be, amikor az axiális terhelés és a hajlítónyomaték eredő ereje kívül esik a falazat keresztmetszetén.
5-4. ábra – Vízszintes hajlítási tönkremeneteli mechanizmus.
Az FRP alkalmazása megakadályozza, hogy ez a mechanizmus töréshez vezessen, mert hajlítási teherbírást biztosít az említett falazati sávnak, amely így FRP-vel megerősített falazati gerendának tekinthető. A ható MSd hajlítónyomaték lehet földrengés okozta terhelés, szélnyomás és más lehetséges horizontális terhelések a jelen lévő más szerkezeti elemeknek köszönhetően. A falazati panel biztonsága, ha az (5.13) egyenlet feltételeit teljesíti. Az MRd nyomatékot, mint a falazat mechanikai jellemzőinek, valamint az FRP és a falazati panel vastagságának függvényét lehet meghatározni. Ha részletesebb elemzés nem áll rendelkezésre, a transzverzális falak meglétének köszönhető horizontális erő nullával egyenlőnek tekinthető az MRd értékének meghatározása során. Egy kiegészítő nyírási ellenőrzést is végre kell hajtani a falazati panelt és a transzverzális falak csatlakozásánál figyelembe véve a teljes panel kétdimenziós viselkedését. A fő falazati panel közelében a transzverzális falra ható húzó terhelés nagyságának igazolását is el kell végezni.
5.4.1.2 A síkon belüli terheléssel szembeni megerősítés
(1) A síkjukban terhelt falazati paneleken a következő ellenőrzéseket kell elvégezni. • a falazati síkon belüli kombinált hajlítás és axiális terhelés. • Nyíróerő.
5.4.1.2.1 Síkbeli hajlítás és axiális (tengelyirányú) terhelés.
(1) Az FRP anyagok hatékonyan tudják fokozni a falazati panelek síkbeli teherbíróképességét, ha a panelek mindkét oldalára felerősítjük azokat, ahol húzó igénybevételre lehet számítani. Az ilyen FRP megerősítéseket megfelelően le kell horgonyozni a falazati panel végein.
115
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(2) Feltételezve, hogy a hajlítás tengelyére merőleges falszakaszok, amelyek a hajlítás előtt sík felületet képeztek egy síkban maradnak a hajlítás után is, a nyomófeszültség-nyúlás kapcsolat a falazat szempontjából tekinthető téglalap alakban egyenletesen megoszlónak 0,85 fmd értékkel amely egy ekvivalens, a keresztmetszet szélei által határolt nyomási zónában oszlik el egyenes vonalban a semleges tengellyel (x) párhuzamosan, és attól 0,6 ÷ 0,8 x távolságra. A maximális falazat és FRP nyúlás értékét az 5.2.3. szakaszban megadott módon kell figyelembe venni.
5.4.1.2.2 Nyírószilárdság
(1P) A mindkét oldalukon FRP-vel megerősített falazati panelek nyírási teherbírása két ellenállási mechanizmus kombinációjaként értelmezhető: (1) a nyomó terhelés jelenlétében a súrlódás miatt fellépő nyíróerők, és (2) a húzóerőknek ellenállni képes elemeknél egy rácstartó szerű mechanizmus aktivizálódik, és az a nyíróerők egyensúlyát. (2) A falazati panelek FRP-megerősítése nyírásraáltalában külső megerősítésekkel történik, ezek viselik a húzóerőket, amelyek a hajlítás és a nyíróerők következtében jönnek létre, és lehetővé teszik az említett mechanizmus kialakulását. Ha az FRP erősítést nem a hajlítási terhelés viselése céljából alkalmazzák, az FRP nyíró megerősítést a panel átlóin elhelyezett külső megerősítéssel lehet megoldani. (3) Ha biztosítva van a rácsostartó mechanizmus kialakulása, az FRP-vel megerősített falazati panel VRd nyírási teherbírása úgy számítható, hogy az a falazat VRd,m részesedésének és az FRP VRd,f részesedésének összege lesz a VRd,max maximális értékig, amely a rácsostartó nyomott rácsmódjainak törését váltja ki:
Ha a nyírási megerősítést a habarcs illesztőrétegekkel párhuzamosan helyezzük el, a fönt meghatározott részesedéseket a következőképpen lehet értékelni:
ahol: - a γRd parciális tényezőt 1,20-nek kell feltételezni (3.4.2. szakasz, 3-3 tábla). -d a falazat nyomott oldala és az FRP hajlítási megerősítés középvonala közötti távolság. -t a falazati panel vastagsága -fvd a falazat nyírószilárdságának tervezési értéke, amely egyenlő fvk / γM. -Afw az FRP nyírási erősítés keresztmetszeti területe a nyíróerővel párhuzamos irányban. -pf az FRP megerősítés középvonaltól középvonalig a nyíróerőre merőlegesen mért távolsága. -ffd az FRP megerősítés szilárdságának tervezési értéke, amely az FRP húzószilárdsága és a leválási szilárdság közül a kisebbik értéket jelenti.
116
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
A falazat γM parciális tényezőjének értéke az érvényes építési előírás szerint veendő figyelembe, a -modell γRd értékét pedig a 3.4.2. szakasz 3-3 táblázatában meg lehet találni; nyírásra vonatkoztatva 1,20-dal egyenlő. Ha a φ súrlódási szög a habarccsal való illesztéseknél kisebb, mint 45°, az (5.18) egyenletben megadott értéket ctg (90°-φ).sokszorozó értékkel csökkenteni kell. (4) A falazati panel VRd, max a nyírási teherbírás tervezési értéke a rácsos tartó nyomott rácsrúdjának tönkremeneteléhez tartozik, a következőképpen számítható:
ahol fhmd a falazat nyomószilárdságának tervezési értéke a habarcsrétegekkel párhuzamosan. (5) A falazati panelek FRP hajlítási megerősítése esetén a falazat megnövekedett nyomószilárdságának köszönhető nyírási teherbírás növekedés úgy számítható ki, hogy az fvk paramétert kiszámítjuk a falazati panelre ható átlagos nyomóerőhöz viszonyítva (beleértve a hajlítási eredetű nyomást is). Ha a nyírási megerősítést nem a habarcsréteggel párhuzamosan helyezik el, a (5.17) és (5.18) egyenleteket, amelyek a habarcsréteggel párhuzamos FRP megerősítésekre vonatkoznak gondosan össze kell vetni a megfelelő modellekkel.
5.4.2 Áthidalók és összekötő területek
(1)P A falazati panelek falközeit összekötő területeket összkötő területeknek nevezzük. Feladatuk kettős: (1) rögzítik a csatlakozó falakat a vízszintes (oldal-) nyomásnak megfelelő deformált alak biztosításához, és (2) tartják a nyílások fölötti falazatot. Az előbbi mechanizmus nyíró- és hajlítási erőket generál az összekötő területeken belül, és jelentős szerepet játszik szeizmikus terhelések idején; az utóbbi szerepet az áthidalók töltik be, amelyek minden falnyílás fölött megtalálhatóak, és elsősorban függőleges irányú terhelésnek vannak kitéve. (2)P A függőleges terhelés miatt a falnyílások fölötti területeken kétféle hatás jelentkezik: (1) A nyílás fölötti falrész nem tartja meg saját súlyát, és a gerendaként funkcionáló áthidalónak kell azt tartania, és (2) ha a nyílást körülvevő csatlakozó terület nem elég ellenálló ahhoz, hogy kibírja a nyílás létezésének köszönhetően jelenlévő vízszintes (oldal-)irányú terhelést, az áthidalónak kell olyannak lennie, hogy hordani tudja a húzóerőket és biztosítsa a fal általános egyensúlyát. (3) P A következő két szakaszban a szeizmikus terhelésnek kitett áthidalók és nyílások fölötti összekötő területek tervezésének három módszerét mutatjuk be(ld. 5-5. ábra).
117
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5-5. ábra – Kombinált hajlító- és axiális terhelésnek kitett áthidalók tervezése.
5.4.2.1 Áthidalók tervezése
(1) Az áthidalók készíthetők axiális és hajlítási teherbíróképességgel rendelkező elemekként, vagy csupán axiális teherbíróképességgel rendelkező elemekként. Az előbbi esetben az áthidalók képesek gerendaként funkcionálni, és húzóerőket is felvenni, így biztosítva a fal általános egyensúlyát; az utóbbi esetben a nyílás fölötti falrész alátámasztását egy közvetlenül a nyílás fölött elhelyezett megerősített falazati elem kialakításával oldják meg, ahol a húzóerőket az alkalmazott FRP megerősítő rendszer hordozza. Ebben az esetben az egyensúlyi helyzetet valószínűleg csak a megerősített falazati elem fölötti falrész jelentős elmozdulásaival lehet elérni. Az ilyen FRP megerősítő rendszereket az áthidaló alsó részén kell alkalmazni, hacsak megfelelő magyarázatot nem tudunk adni arra, miért, a falazat oldalain nem alkalmazzuk a kiválasztott FRP rendszert. (2) Az áthidalók megfelelő funkcionalitásának biztosítása érdekében az FRP megerősítést megfelelőképpen le kell horgonyozni a szomszédos szakaszokhoz. (3) Az FRP-vel megerősített áthidaló-szakasznak MRd hajlítási teherbíró képességgel is rendelkeznie kell, amely nagyobb mint az MSd nyomaték. Az utóbbit a következőképpen lehet kiszámítani:
ahol g a falazat köbméterenkénti súlya, t a falazat vastagsága, L a tiszta nyílás, G pedig a végső határállapot önsúlyra számított parciális tényezője.. Az FRP-nek ezen fölül a következő erőket kell kibírnia:
ahol qd az áthidalóra ható függőleges terhelés teherbírási határállapotban (a parciális tényezővel felszorzott hasznos és önsúly terhek összege) és h* a belső erőkar, amelyet a nyílás L szélességénél és az összekötő terület h magasságánál nem nagyobbnak tételezünk fel.
118
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5.4.2.2 Falsávok közötti összekötő területek tervezése
(1) Az FRP-vel megerősített falsávok közötti összekötő területeket igazolni kell a függőleges falazattal való összekötésnél ható hajlítónyomaték, nyíró- és axiális terhelés szempontjából. A hajlítási és nyírási teherbírást a falazati paneleknél megadott szabályok szerint kell számítani, úgy hogy figyelembe veszik a falazat nyomószilárdságát (fhmd )a habarcs illesztésekkel párhuzamosan. (2) Az összekötő területek FRP-vel való megerősítését végre lehet hajtani úgy, hogy a megerősítés szálai vízszintes irányban fussanak a födém szintjén, vagy a külső FRP megerősítés elhelyezhető az összekötő területek zónájában alul és fölül is. Az FRP-megerősítés lehet folytonos vagy megszakított, és alkalmazható a falazat külső vagy belső oldalán is. Amikor az FRP megerősítést a külső oldalon alkalmazzák, az funkcionálhat úgy is, mint az épület külső borítása. (3) Az alkalmazott nyíróerővel szembeni megfelelő viselkedés biztosítására az FRP erősítést átlósan futó szálakkal is föl lehet szerelni az összekötő területeken. Az FRP megerősítést szimmetrikusan ajánlott alkalmazni a falazat külső és belső oldalán egyaránt.
5.5 EGYIRÁNYÚ VAGY KÉTIRÁNYÚ GÖRBÜLET Ű SZERKEZETI ELEMEK MEGERŐSÍTÉSE (1)P Az egy vagy kétirányú görbülettel rendelkező szerkezeti elemek általában úgy veszítik el teherbíróképességüket, hogy csuklók alakulnak ki, és ezek elősegítik az összeomlási mechanizmusok kialakulását. Csuklók a falazatokban a falazat elhanyagolható húzószilárdságának köszönhetően keletkeznek. (2)P Ezek a csuklók a korlátozott érintkezési régiókban találhatók, kívül a szerkezet középsíkján. Első megközelítésben, falazati panelben vagy a boltív alján (intradosz) vagy annak külső felületén (extradosz) helyezkednek el. Egy falazati csukló képes axiális és nyíróerőket hordozni. Ennek eredményeként a csuklós részlet csak olyan axiális erőt bír el, amelyben az excentricitása a szerkezet vastagságának felével egyenlő. (3)P Az FRP megerősítés késlelteti a repedések megnyílását, mind pedig a falazati panelekben a csuklók keletkezését az FRP megerősítéssel ellentétes oldalon. Így a megfelelően lehorgonyozott FRP megerősítés, ha a külső (belső) boltíven helyezik azt el, a csuklók kialakulását az ellenkező oldalon, a belső (ill. külső) oldalon akadályozza meg. Az FRP megerősítés nem javasolt, ha az összeomlást a falazat leomlása vagy nyíró törés okozta. (4)P A falazat külső megerősítéseként alkalmazott FRP megakadályozza bizonyos csuklók kialakulását.
5.5.1 Boltívek
(1)P Két szerkezeti séma vehető itt figyelembe: • Boltív séma a rögzített vagy csuklós alátámasztású boltívekhez. • Boltív-pillér séma, más néven keret séma a pilléreken nyugvó boltívekre vonatkozóan.
(2)P Mindkét sémának megfeleleő szerkezet általában összeomlik, ha legalább négy csukló alakul ki a szerkezetben. Különösen gyakori az a lehetséges mechanizmus, amikor három (valóságos) csukló alakul ki, és egy kettős inga (ál-csukló), ami a boltív egyik részének nyíró töréséhez vezet a másikhoz viszonyítva.
119
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5.5.1.1 Boltív séma
(1)P A négy csukló kialakulásával jellemezhető mechanizmus kialakulásának megelőzéseképpen FRP megerősítést lehet rögzíteni a falazott boltív külső vagy belső oldalára (extradosz v. intradosz). A gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy a boltív oldalsó felületének FRP-vel való megerősítése nem javítja szignifikánsan a szerkezeti viselkedést. Ilyen esetben általában az FRP megerősítés túl korai leválása következik be a falazat felületéről. Ez a leválás a boltív nyomás alatt lévő régiójában helyezhető el, és a lokális FRP instabilitásának köszönhető, melyet a tapadás gyors tönkremenetele követ. (2) Az FRP megerősítést ajánlatosabb úgy elvégezni, hogy az erősítő FRP-t a falazott boltív külső oldalán (extradosz) rögzítjük, hogy megakadályozzuk a belső oldalon (intradosz) a csuklók kialakulását. A másik megoldás, hogy a boltív belső oldalán (intradosz) rögzítjük az FRP erősítést, hogy a külső oldali (extradosz) csuklók keletkezését akadályozzuk meg. Végül az FRP erősítést lehet a falazott boltív külső és belső oldalán is alkalmazni (extradosz és intradosz) az első és második típusú csuklók kialakulásának megelőzése érdekében. Ez az alkalmazás azonban nem gyakori. (3) Ha a csuklók kialakulását nem előzzük meg a falazott boltív alátámasztásának közelében, akkor a megerősített boltív belső erőinek kalkulálása során mindig tekintetbe kell venni az alátámasztásnál kialakuló csuklókat. (4) A részleges FRP megerősítés, amelyet az extradosz vagy intradosz egy részén végzünk el nem küszöböli ki a szerkezet kinematikus mechanizmusát aktiváló csuklók kialakulását. Ha viszont az FRP-megerősítést megfelelően tervezik és kivitelezik, az fokozhatja a szerkezet végső teherbíróképességét. Ajánlatosnak tartjuk a következő munkamenetet:
• Teljes FRP-megerősítés a boltív külső és belső oldalán (extradosz és intradosz) egyaránt. • Az FRP szövet választása a szalag helyett, mert az jobban illeszkedik a falazott boltív
geometriájához. • Alkalmazzuk az FRP megerősítést a boltív külső oldalán (extradosz), mert ebben az esetben a boltív
hajlata olyan, hogy a nyomófeszültséget az FRP megerősítésre merőlegesen fejti ki. Másrészt ha az FRP az intradoszra kerül, a görbület olyan, hogy a húzóerő merőleges lesz az FRP megerősítésre, ami elősegíti az FRP leválását a falazatról.
(5) A megerősített falazott boltív belső erőinek számításakor az FRP megerősítéssel ellenkező oldali csuklók kialakulását feltétlenül figyelembe kell venni. Egy célszerűbb megközelítés ez azt jelenti, hogy a csukló egy bizonyos távolságra fog kialakulni a szemben lévő oldali FRP megerősítéstől. Ez a távolság függ a falazat nyomószilárdságától – mégpedig úgy, hogy ahogyan a nyomószilárdság csökken, a távolság növekszik. (6)P Ha a falazat húzóereje elhanyagolható, a következő ellenőrző vizsgálatokat kell elvégezni az FRP-vel megerősített boltíveken:
• A szerkezet általános stabilitása. • Együttes hajlító- és axiális erők, mikor következik be a tönkremenetel, akár a falazat leomlása, akár
az FRP szakadása miatt. • Nyírás • FRP leválása.
(7) Az együttes hajlító és axiális erők valamint a nyírás ellenőrzése a falazati panelekkel kapcsolatban leírt módon értelmezhetik. Az FRP-leválás ellenőrzését az FRP megerősítés végétől lb távolságra kell elvégezni. A kiválasztott szakasznak megfelelő nyomaték felméréséhez az 5.3.3. fejezet (3). szakaszában megadott FRP tervezési szilárdságot kell fölhasználni.
120
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5.5.1.2 Boltív-pillér séma
(1) A botlív-pillér szerkezeteknél az FRP megerősítésnek a boltív belső és külső oldalán (intradosz és extradosz) való alkalmazása nem biztos, hogy elegendő a pillér-boltív kapcsolatok relatív elmozdulásának megakadályozására. Ilyen esetben ajánlatosabb vagy a pilléreket megerősíteni, vagy összekötő rudat elhelyezni a pillér-boltív kapcsolódások között. (2)P Ugyanazokat az ellenőrzéseket kell elvégezni, mint a boltív sémánál.
5.5.2 Irányban görbült boltozatok: dongaboltozatok
(1)P Legtöbb helyzetben a dongaboltozatok vizsgálata hasonló az egységnyi magassági boltívéhez. Következésképpen a dongaboltozatokat meg lehet erősíteni az FRP-vel külső és belső oldalon egyaránt. A biztonsági előírások betartása érdekében az FRP megerősítést a boltozatok teljes hosszában alkalmazni kell hosszirányban. Emiatt az FRP megerősítő szalagok elhelyezése pf középvonaltól mért távolságra lehetséges a következőképpen számítva:
Ahol t a boltozat vastagsága, bf pedig az FRP szalag szélessége. Az ennél nagyobb távolságra való elhelyezést megfelelően indokolni kell. (2) A hosszanti FRP megerősítésnek csak másodlagos jelentősége van a dongaboltozatot alkotó képzeletbeli boltívek összekötésében. Ez a mechanizmus különösen vízszintes irányú terhelés esetén fontos. (3) Jellemzően azt javasoljuk, hogy hosszanti irányba legalább a keresztirányban felhasznált FRP erősítés 10%-ának megfelelő mennyiséget használjanak. Földrengésveszélyes területen ezt az arányt 25%-ra kell növelni. (4) Ha a boltozatokat sejtes szerkezetű épületekben, kis méretű szobákkal együtt alkalmazták, az FRP megerősítést inkább az épületen kell végrehajtani, mintsem a boltozaton.
5.5.3 Kettős görbületű boltozatok: kupolák
(1)P A kupolákban membrán típusú és hajlítási típusú feszültségek keletkeznek.
5.5.3.1 Membrán típusú feszültségek
(1) Egy függőleges terhelésnek kitett kupolában a kupola párhuzamos élei mentén húzóerők mutatkoznak. A jellemző repedési alakzat, amelyben a repedések a meridiánok mentén helyezkednek el a falazat elhanyagolható húzószilárdságának köszönhető. Az említett repedési alakzat módosítja a kupola egyensúlyi viszonyait, felerősítve a vízszintes irányú erőket ott, ahol a kupola a tartószerkezettel összekapcsolódik. A kupola kerületének alsó részén körben végigfutó FRP megerősítés alkalmazásával meg lehet akadályozni a repedések tágulását és csökkenteni lehet a tartószerkezetre ható vízszintes erők nagyságát. (2)P A falazott kupola biztonságosságának mértékét a következők ellenőrzésével lehet megállapítani:
• húzó feszültség az FRP megerősítésben • FRP leválás az 5.3.3. szakasz szerint.
121
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5.5.3.2 Hajlítási típusú feszültségek
(1) Hajlítási típusú feszültség jellemzően ott keletkezik, ahol a kupola találkozik a tartószerkezettel, vagy a világítónyílás peremén, ha van ilyen a kupolán. Pontosabban a hajlítási típusú feszültség a kupola meridiánján sorakozó repedések által lehatárolt kupolarészek beomlását eredményezheti. Ha az ilyen kupolarészek teherbíróképességét a kupolát a tartószerkezethez kapcsoló terület határozza meg, a kupolát meg lehet erősíteni a kupola alsó kerületi részén körbefutó FRP megerősítés alkalmazásával. Ha a kupola tartószerkezetben nem mutatkozik elmozdulás, a föntebb említett körkörös FRP megerősítés hatástalan (inaktív). Ilyen esetben a kupola meridiánok mentén kell alkalmazni az FRP megerősítést. (2)P A falazott kupola biztonságosságának mértékét a következők ellenőrzésével lehet megállapítani:
• Kombinált hajlító és axiális erők • Nyírás • FRP leválás.
Az együttes hajlító és tengelyirányú terhelés és a nyírás ellenőrzésére a belső erőket kell ellenőrizni egységnyi kupolarészen az 5.4.1.2.1. és 5.4.1.2.2. szakaszok szerint. A megerősített kupola teherbíró képességének lehetséges gyengülését figyelembe kell venni tekintettel a kupolaszerkezet elemzésében szerepet játszó belső erők komplexitására. Nagy elővigyázatossággal kell értékelni az együttes hajlító és axiális terhelést, ha az egyik irányba húzásnak kitett zóna az ellenkező irányba nyomásnak van kitéve. Ilyen esetben, hacsak alaposabb elemzést nem végzünk, a ható nyomaték tervezési értéke és az alkalmazott axiális terhelés mellett számított névleges nyomaték hányadosa nem lehet nagyobb 1-nél. Sőt, hacsak nem végzünk alaposabb elemzést, a specifikus flexiós képesség minden síkban egyenlőnek tételezhető azzal, amit monoaxiális terhelési körülmények között kapnánk. A síkbeli nyírás tervezését a korábban említett két eset közül az elsőnek megfelelően kell végrehajtani. Megjegyzendő, hogy a hajlítási és nyírási kapacitás számítását a falazat nyomószilárdságának figyelembevételével kell végezni, számításba véve a tehelésnek falazat textúrájára merőleges, vagy azzal párhuzamos jellegét 5.2.3. szakasz, (6)P) tétel. A merőleges nyírás tervezésénél nem lehet számításba venni az FRP megerősítés tényét, hanem a nem megerősített falazat adataival kell számolni, a meglévő belső erők komplexitására való tekintettel. Az FRP leválás ellenőrzésénél a megerősítésre merőlegesen ható húzóerőket kell figyelembe venni az 5.3.3. szakasznak megfelelően. (3) A kupola alsó kerületi részén körbefutó FRP rendszer megfelelő viselkedésének biztosítása érdekében az FRP megerősítést precízen le kell horgonyozni a kupola tartószerkezetéhez, végső esetben mechanikus horgonyozási módszerekkel.
5.5.4 Kettős görbületű boltozatok négyzetes alapsíkon
(1) A négyzetes alapsíkon nyugvó kettős görbületű boltozatok FRP megerősítését elsősorban a boltozatot tartó falak megerősítésével végezzük. Függőleges terhelésnek kitett szerkezetekben a tartó falazat integrálása és merevsége biztosítja, hogy a boltozat elsősorban nyomóerőknek van kitéve. Ha nem ez a helyzet, az FRP megerősítést a boltozatok sarki régióiban lehet végrehajtani, ahol a húzóerők megjelenésére lehet számítani a terem átlóira merőleges irányban.
5.6 FALAZOTT OSZLOPOK MEGER ŐSÍTÉSE KERESZTIRÁNYÚ ALAKVÁLTOZÁS GÁTLÁSSAL (1)P A tengelyirányú terhelésnek kitett falazott oszlopok FRP-vel való közbevétele növeli azok végső terhelhetőségét és alakváltozását. Emellett javíthatja az oszlop teljesítményét a használhatósági határállapotban.
122
(2)P Az FRP megerősítést jellemzően az elem beburkolásával lehet végezni, az ilyen burkolás jótékonyan hat az oszlop oldalirányú alakváltozásaira oly módon, hogy háromtengelyű igénybevételi állapotot biztosít.
123
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
Az FRP-megerősítés alkalmazható a leromlott állapotú szerkezetek helyreállítása alkalmával, vagy földrengésállóság fokozásának részeként is. (3) A kompozitokkal történő határolást FRP lemezekkel vagy betétekkel lehet megvalósítani. Az FRP lemezeket mint az elem kerületén körbefutó külső megerősítést lehet alkalmazni, folytonos, vagy szakaszos beborítás formájában. Ezzel szemben az FRP betéteket a megerősítést igénylő elembe fúrt lyukakba kell beilleszteni. (4) Az FRP betéteket két különböző irányba fúrt, az elem transzverzális tengelyére merőleges lyukba kell beilleszteni. Minden, a két irányból az egyikbe álló két betétből álló egység egy „betét réteget” alkot (5-6. ábra). Az ilyen megerősítés hatékonyan ellensúlyozza a falazott oszlop transzverzális megnyúlását. Az FRP rudak és az őket körülvevő falazat kontinuitásának biztosítása érdekében a lyukakba epoxi gyantát töltünk, vagy a rudak végeit mechanikus módszerrel rögzítjük. (5)P Amikor FRP lemezeket és rudakat együttesen alkalmazzák a falazott oszlopok megerősítésére, ajánlatos azonos mechanikai tulajdonságokat mutató FRP anyagokat választani. (6) A falazatok FRP-vel történő körülvételének kivitelezése során az érvényben lévő építési előírással összhangban lévő mechanikai paraméterek tervezési értékét kell fölhasználni.
Rétegben alkalmazott betétek
5-6. ábra – Egymásra merőleges irányban álló betétekkel megerősített oszlop oldalnézeti képe.
5.6.1 Axiális terhelést hordozó keresztirányú alakváltozásban gátolt elemek tervezése
(1)P Az FRP-vel körülvett falazott oszlopok tervezésének alapja az FRP rendszer alkalmassága az elem geometriájának függvényében. (2)P Ajánlatos úgy rögzíteni az FRP megerősítést, hogy a szálak derékszögben fussanak az oszlop függőleges tengelyére. A spirálisan futó FRP megerősítés hatékonyságát megfelelően bizonyítani kell. (3)P Az FRP-vel megerősített elem axiális teherbíróképessége, az NRmc,d , meg kell hogy haladja a tervezési axiálisan ható erő tervezési értékét az NSd-t, amelyet az alkalmazott terhelés alapján az érvényes előírás szerint számítanak a következőképpen:
(4)P Az NRmc,d értékét a következőképpen adjuk meg:
124
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
ahol a γRd parciális tényezőt egyenlővé tesszük 1,10-del (3.4.2. szakasz, 3-3. táblázat). Am jelenti az FRP-vel határolt elem keresztmetszeti területét, fmd a keresztirányú alakváltozásban nem gátolt falazat nyomószilárdsága, fmcd pedig az FRP-vel határolt elem tervezési nyomószilárdsága. (5) Az FRP-vel körülvett elem nyomószilárdságának tervezési értéke (fmcd ) a következőképpen írható fel:
Ahol k’ egy dimenzió nélküli együttható, fl, eff pedig a hatékony keresztirányú nyomás. (6) Ha nem végeznek részletesebb elemzést, k’ értéke így számítható:
ahol gm a falazat tömegsűrűsége kg/m3-ban. (7) A hatékony keresztirányú nyomás, fl, eff a keresztmetszet alakjának és az FRP konfigurációnak a függvénye. Ha a megerősítendő elem térfogatát vesszük Vm-nek, a hatékonyan határolt rész térfogatát pedig Vc, eff-nek, a következő hatékonysági együtthatót írhatjuk föl:
A hatékony keresztirányú nyomást a hatékonysági együttható függvényében írhatjuk föl. Emellett ugyanez kifejezhető, mint a vízszintes és függőleges hatékonysági együtthatók, kH és kV szorzata.
(8) Amikor az FRP lemezeket spirálisan rögzítjük, az FRP határolás hatékonyságát a szálak dőlésszöge rontja. Ha az FRP szál elhajlását az elem keresztmetszet vízszintes síkjától af-fel jelöljük, a következő
együtthatót tudjuk meghatározni: Ez az együttható megsokszorozza az (5.28)-as egyenletben megjelölt f1 keresztirányú nyomást. A fúrt lyukakba illesztett FRP betétekkel végzett FRP megerősítést nem befolyásolja ez az együttható. Ez az együttható megsokszorozza az oldalirányú határoló nyomást.
125
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(9) Az axiális deformáció korlátozása és a használhatósági határállapotban bekövetkező károsodások elkerülése miatt, az FRP határolásnak köszönhető megnövekedett teherbíróképesség nem haladhatja meg a nem körülvett elem nyomószilárdságának a tervezési értékét, az fmd-nek az 50%-át.
5.6.2 Kör alakú oszlopok keresztirányú alakváltozásának korlátozása
(1) Az FRP-vel körülvett megerősítés geometriai százalék, ha FRP lemezeket és betéteket is alkalmaznak a következőképpen határozható meg:
ahol: -tf az FRP vastagsága -bf az FRP szalag szélessége. -D a falazat keresztmetszeti átmérője. -pf az FRP szalagok közötti távolság, középvonaltávolságot figyelembe véve. - nb a betétek száma az egyes betét-rétegekben (kör keresztmetszetnél feltesszük, hogy minden réteget azonos számú betéttel kiviteleznek) - Ab az FRP-betét keresztmetszeti területe. - pb az azonos irányban egymás után következő betét-rétegek középvonaltól középvonalig mért távolsága.
Folytonos FRP burkolás esetén a ρf arányszám egyenlő (2) Az egyensúlynak köszönhetően a keresztirányú alakváltozás gátlásból származó nyomást, (f1) a következőképpen lehet kiszámítani:
ahol Ef és Eb az FRP lemezek és betétek Young rugalmassági modulusa, és εfd,rid jelenti az FRP megnyúlás csökkentett tervezési értékét az oszlop tönkremenetelekor. (3)P Az FRP szövet és betétek együttes használata esetén az FRP megerősítés csökkentett tervezési nyúlását a következőképpen lehet leírni:
ahol ηa a környezeti konverziós faktor (3-4. táblázat), εfk
(r) és εfk(b) az FRP szövet és betétek szakadó nyúlása;
γf(r) és γf
(b) az FRP szövet és betétek parciális tényezői (3-2. tábl., a táblázatban nem szereplő FRP betétekre vonatkozóan a γf
(b) = 1,50 értéket javasoljuk). (4) FRP lemezekkel megerősített kör keresztmetszetek esetén a vízszintes hatékonysági együttható kH feltételezhető 1-nek. A folytonos függőleges beborításnál a függőleges hatékonysági együttható, kV szintén 1. A spirális FRP borításnál az FRP megerősítés hatékonyságát megfelelően csökkenteni kell a kα együtthatóval. ((5.29.) sz. egyenlet).
126
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(5) Amikor nem folytonos FRP megerősítést alkalmaznak, amelynek szalagszélessége bf a szalagok középvonalának távolsága pedig pf , a kV függőleges hatékonysági együtthatót a következőképpen lehet feltételezni (5-7. ábra):
Ahol p’ f az FRP szalagok közötti tiszta távolság. (6) Az elembe fúrt lyukakon keresztül vezetett FRP betétekkel való megerősítés kevésbé hatékony, mint az FRP szövettel való beborítás. Az ilyen alkalmazásokat tehát gondosan kell elemezni. Amikor FRP betétekkel erősítünk meg egy falazott oszlopot, a betétek távolságának változtatása szükségszerű lehet. Ezen kívül a különböző betét-rétegek közötti középvonaltól mért távolság nem haladhatja meg a D/5-öt. (7) Az FRP szövettel való nem folyamatos borításhoz hasonlóan az FRP betétekkel megerősített oszlopok keresztirányú alakváltozás gátlásának hatékonyságának csökkenése a feszültség-szétterjedés jelenségének tulajdonítható, amelyet parabolafüggvénnyel lehet közelíteni, és kezdő emelkedése 45° az FRP erősítés végpontjánál. Ha részletesebb elemzés nem áll rendelkezésre, az (5.27) egyenletben meghatározott hatékonysági együttható az (5.33) egyenletből számítható, és a p’ f értéket az FRP betétek középvonalától mért (pb) távolság helyettesíti.
Unconfined area – Nem határolt terület
5-7 ábra – Kör keresztmetszetű FRP szalagokkal nem folytonosan körbevett elem elölnézetből.
5.6.3 Négyszögletes oszlopok keresztirányú alakváltozásainak korlátozása
(1)P A nem kör alakú keresztmetszetek FRP burkolása csak kis mértékű teherbíróképesség-növekedést eredményez. Az ilyen alkalmazásokat tehát gondosan kell elemezni. (2) A falazati elem FRP-vel való beburkolása előtt minimum 20 mm-es sugarú ívben lekerekítést kell biztosítani a külső sarkokra, ha azok megerősítésre kerülnek. (3) Egy téglalap alapú b x d méretű oszlopnál a keresztirányú nyomást, (f1) a következőképpen lehet kiszámítani:
127
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
ahol a további paramétereket (ρf,x , .ρf,y , .ρb,x, és ρb,y) a következőképpen határozzuk meg (5-8. ábra):
az nb,x és nb,y pedig az x illetve y irányban elhelyezkedő betétek számát jelenti. Kizárólag a folytonos FRP burkolásra vonatkozóan a keresztirányú nyomás az (5.31)-es egyenlet alapján számítható, ha feltesszük,
hogy és . (4) Az 5-8. ábra egy folytonos FRP megerősítéssel ellátott téglalap alakú keresztmetszetet mutat. Az ábrán bemutatott boltív-effektus következtében a keresztirányú alakváltozás gátlás csak a falazott oszlop területének egy részét érinti. A hatékony terület kiterjedése az alkalmazott lekerekítés sugarától függ.
5-8 ábra – Négyszög keresztmetszetű elemek külső FRP borítással.
(5) A vízszintes hatékonysági együtthatót a keresztirányú alakváltozásban gátolt terület és az oszlop teljes területének (Am) aránya adja meg a következőképpen
Ahol b és d az 5-8. ábrán jelölt méretek. (6) Ha nincs kísérleti eredményünk, az olyan téglalap alakú elemek FRP-megerősítését, amelyeknél az oldalak aránya nagyobb, mint 2, vagy ha a max{b,d} > 900 mm, figyelmen kívül kell hagyni. (7)P A külső FRP burkolás és a belső, az oszlopba fúrt lyukakba illesztett FRP betétek együttes alkalmazása hatékonyan növelheti a keresztirányú alakváltozásban gátolt terület nagyságát négyzetes, téglalap vagy más, bonyolultabb keresztmetszet esetén (5-9. ábra)
Keresztirányú alakváltozásban nem korlátozott terület
128
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5-9 ábra – Falazati elemek határolása FRP szövettel és betétekkel.
(8) Amikor nem folytonos FRP megerősítést alkalmaznak, amelynek szalagszélessége bf a szalagok középvonalának egymástól mért távolsága pedig pf , a kV függőleges hatékonysági együtthatót a következőképpen lehet feltételezni (5-7. ábra):
Spirális FRP burkolás esetén az FRP megerősítés hatékonyságát megfelelőképpen le kell csökkenteni a kα
együtthatóval. (5.29. sz. egyenlet) (9) Amikor FRP betéteket alkalmaznak a falazott oszlopok megerősítésére, függőleges irányban a betétek széthúzása szükséges. Az 5-10 ábrán jól látható, hogy a hatékonyan körbevett falazati rész nagysága a teljes elem keresztmetszeti területéhez képest csökken a boltív-effektus következtében az FRP határolás egyes rétegei között. (10) A hatékonyan körbevett terület csökkenése az FRP megerősítés különböző szintjei között a feszültség szétterjedés jelenségének köszönhetően következik be, amelyet parabolaívvel lehet leírni, ahol a parabola kezdeti szintjének szöge 45° (5-10. ábra).
5-10 ábra – Síkbeli- és oldalnézet az FRP rudakkal határolt falazati elemről.
(11) Ha pontosabb meghatározás nem áll rendelkezésünkre a hatékonyan körbevett térfogatról, a keff hatékonysági együttható, az (5.27.) sz. egyenlet alapján a következőképpen számítható:
129
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
Négyzetes keresztmetszet esetén a hatékonysági együttható a következőre redukálódik:
ahol b az elem vastagsága, és nbx = nby = nb . (12) A megerősített falazati elembe fúrt lyukakba illesztett FRP betéteket legalább a betét átmérőjének 10 szeresét kitevő hosszúságban le kell horgonyozni. Ha ez a hossz nagyobb, mint az FRP betét teljes hosszának 1/5-e, a lehorgonyzó erőt megfelelően el kell osztani a két végnél. (13) Az FRP betétek vizszintes és függőleges távolsága nem lehet nagyobb, mint a megerősített elem szélességének fele. Hasonlóképpen az elem széle és a szélhez közelebb eső FRP rúd közötti távolság nem lehet nagyobb, mint az elem szélességének ¼-e.
5.7 FÖLDRENGÉSBIZTOS ALKALMAZÁSOK TERVEZÉSE
5.7.1. Tervezési célok
(1)P A szeizmikus terhelésnek kitett falazott szerkezetek FRP megerősítése akkor végezhető el, ha a megerősítés nélküli elem nem felel meg az érvényes építési előírás valamely határállapotra vonatkozó követelményeinek. (2)P A dokumentumnak ez a része figyelembe veszi az aktuális építési előírás rendelkezéseit éppúgy, mint a földrengésbiztos építményekkel kapcsolatos legfrissebb irodalmi hivatkozásokat; különös figyelmet szentelünk a következőknek:
• a földrengésbiztonság felmérése, • biztonsági követelmények (a határállapotok igazolása), • a földrengésvédelem szintjei (a vonatkozó szeizmikus tevékenység nagysága), • elemzési módszerek, • igazolási kritériumok (a duktilis és törékeny elemek közötti különbségtétel). • a tervezésnél figyelembe veendő anyagtulajdonságok.
5.7.2 Az FRP megerősítés kiválasztásának szempontjai
(1)P Az alkalmazott FRP rendszer kiválasztásánál a következőket kell számításba venni: • A függőleges vagy vízszintes terhelés viselésére képtelen falazott szerkezeteket meg kell erősíteni,
vagy ki kell cserélni. • A falazat T-csatlakozású falvégeit vagy a falazat peremeit megfelelő módon kell összekapcsolni. • A födém/tető és a függőleges falak közti nem kielégítő csatlakozásokat hatékonnyá kell tenni. • A tetők, boltívek és boltozatok által gerjesztett vízszintes erőket a megfelelő szerkezeti elemeknek
kell levezetniük. • A függőleges falakhoz hatékonyan kapcsolt födémeket síkjukban megfelelően merevíteni kell, hogy
képesek legyenek a vízszintes irányú erőket átadni a rengés irányában lévő falaknak. A födémeknek kell merevíteniük a rengésre merőleges irányban található függőleges falakat.
• A gyenge elemeket, amelyeknél a megerősítés nem megfelelő megoldás el kell távolítani.
130
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
• Az (ellenállóképesség és/vagy merevség tekintetében) nagymértékben szabálytalan épületek
esetében az FRP megerősítés általában nem képes megoldani a szerkezeti problémákat. Alkalmazható viszont néhány szerkezeti elemen, hogy a szerkezetnek minimális szabályosságot adjon.
• Ott javasoljuk minden esetben az FRP-vel megerősített elemek alkalmazását, ahol a lokális duktilitást kell növelni.
• A lokális FRP megerősítés nem fogja csökkenteni a szerkezet általános duktilitását. (2)P Az FRP megerősítéssel végzett helyreállításnak elsősorban a következő céljai vannak:
• Szerkezeti elemek teljes vagy részleges megerősítése, kicserélése, illetve rekonstrukciója. • A szerkezet általános viselkedésének módosítása a különböző szerkezeti elemek összekötésével.
(3)P Az FRP megerősítés tervezéséhez hozzátartoznak a következők:
• A megerősítési módszer ésszerű megválasztása. • A megfelelő módszer és anyagok kiválasztása. • Az FRP megerősítés előzetes méretezése • Szerkezeti elemzés, amely figyelembe veszi a szerkezet FRP-megerősítés utáni tulajdonságait is. • A megerősített szerkezet biztonsági ellenőrzése a megerősített és újonnan hozzáadott elemek
tekintetében (a meglévő, javított vagy megerősített elemek biztonsági ellenőrzését e szerint az útmutató szerint kell végezni, az újonnan épített elemek biztonsági ellenőrzései az érvényben lévő építési előírással vannak összhangban).
(4)P Az FRP-vel való megerősítésnek földrengésveszélyes vidékeken elsősorban a következő céljai vannak:
• A falazati panelek hajlási és nyírási teherbírásnak növelése, ami biztosítja az egyes elemeken belüli húzóerőknek a kapcsolódó elemekre való átadását.
• Kiküszöbölni a falazatokra merőleges vízszintes erőket. • A vízszintes terhelésnek ellenálló elemek összekapcsolása a szerkezet dobozszerű viselkedésének
elérése érdekében. • A sík padlók merevítése, ami a merev, membránszerű viselkedést szolgálja. • A repedések tágasságának korlátozása, az energiaelnyelés javítása érdekében. • Oszlopok keresztirányú alakváltozásainka kapacitása az anyag szilárdságának és duktilitásának
növelése céljából. (5)P Az FRP-re alapozott helyreállítási stratégia alapelve, hogy növelni kívánja az alulméretezett elemek teherbíróképességét azzal a céllal, hogy mindeközben szerkezetileg szabályosabbá tegy az épületeket és megszüntesse a falazatok vagy szerkezeti elemek esetleges összeomlását. (6) A tervezett megerősítési módszer földrengésbiztonsági hatékonyságát az összeomlás határán álló elem vízszintes elmozdulási képességének növekedésében lehet mérni. (7)P A hagyományos tégla épületszerkezetek földrengéssel szembeni sérülékenységének elkerülése érdekében figyelmet kell fordítani arra, hogy az FRP rendszer ne csökkentse a szerkezet általános duktilitását. Külön figyelmet kell szentelni a függőleges oszlopok összekötését célzó állagjavító munkákra, hogy el lehessen kerülni a csuklók kialakulását a boltívekben és boltozatokban. Kedvezőbb a csuklók duktilitásának növelése az oszlopok és boltozatok esetében egyaránt. Hasonlóképpen, a közönséges/hagyományos épületek falainak összekapcsolása során az FRP megerősítést úgy kell elhelyezni, hogy növelje az általános szerkezeti nyújthatóságot és garantálja, hogy az összekötő területek összeomlása megelőzi az oszlopok eltörését.
131
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5.8 FELSZERELÉS MEGFIGYELÉS ÉS MINŐSÉGELLENŐRZÉS (1)P Számos tényező befolyásolja az FRP anyagok külső felragasztással való alkalmazásának hatékonyságát a falazati elemek megerősítésére. Az előző fejezetekben tárgyalt tényezők mellett ebben a fejezetben a felületi előkészítéssel és az FRP felszerelésével foglalkozunk. Ezeknek a tényezőknek a viszonylagos fontossága attól függ, hogy éppen „tapadás-érzékeny” (hajlás és nyírás) vagy „érintkezés-érzékeny” (keresztirányú alakváltozás gátlás) alkalmazásokról van-e szó. Például az alapréteg bizonyos minőségi vizsgálatait ki lehet hagyni az érintkezés-érzékeny alkalmazásoknál, vagy ha az FRP rendszer megfelelően van lehorgonyozva, feltéve, hogy a lehorgonyozás hatékonyságát független laboratóriumi vizsgálatok támasztják alá. (2)P Az FRP megerősítés felszerelése után az időszakos megfigyelésnél a továbbiakban fölsorolt roncsolásmentes vagy félig roncsolásos vizsgálatok alkalmazandók a javasolt megerősítési megoldás hatékonyságának biztosítása érdekében. (3)P Ez a dokumentum leírja az FRP rendszerek minőségellenőrzési és időszakos megfigyelésnél alkalmazandó vizsgálatait is. Az elvégzendő vizsgálatok típusa és száma az FRP-alkalmazás jelentőségétől függ, tekintetbe véve az alábbiakat:
• Stratégiai jelentőségű épületek vagy infrastruktúra esetén, ha működésük alapvető fontosságú földrengések esetén a lakosság védelme szempontjából, vagy ha szerepük egy lehetséges összeomlás következményei miatt válik fontossá.
• Történelmi és kulturális érték. • Hogy az FRP alkalmazása primér (elsődleges) szerkezeti elemeket (pl. gerendákat és oszlopokat)
vagy másodlagos szerkezeti elemeket (pl. födémlemezek) érint. • Az FRP alkalmazásának mértéke a szerkezet méreteihez viszonyítva.
(4)P A következőkben megjelenő számszerűsített értékek ajánlott értékeknek tekintendők.
5.8.1 Minőség-ellenőrzés és az alapréteg előkészítése
(1)P Az alátámasztás minőségellenőrzése magába foglalja a falazat állapotának meghatározását, minden leromlott állagú vagy meglazult falazó elem eltávolítását, illetve helyreállítását, a nedvességnek kitett vagy növények által benőtt falrészek megtisztítását és eltávolítását. (2)P Ha a kiválasztott FRP rendszer megfelelő lehorgonyozásához speciális eszközöket használnak föl, ezeknek az eszközöknek a tesztelését a rendelkezésre álló szabványosítási dokumentumoknak megfelelően kell elvégezni. A lehorgonyozáshoz felhasznált eszközöket a gyártó/szállító előírásai szerint kell fölszerelni mind a fölhasznált anyagok, mind pedig a felület-előkészítés, környezeti körülmények/viszonyok és munkafázisok sorrendiségének tekintetében. A vizsgálatnak föl kell mérnie mindezen paramétereknek a végeredményre vett hatását is.
5.8.1.1 Az alapréteg leromlásának felmérése
(1) Az FRP alkalmazása előtt a megerősítendő szerkezeti rész állapotát ellenőrizni kell a falazati alapréteg megfelelő minőségének biztosítása érdekében.
132
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(2) A falazat minden 100 m2-én legalább 1 mechanikai ellenőrző vizsgálatot kell végezni, és kegalább 2 vizshálatot minden egybefüggő területen. A viszgálatokban a következő típusú vizsgálatok közül legalább 1-et el kell végezni: • nyomási vizsgálat egy falazat mintán. • nyírási vizsgálat egy falazat mintán. • vizsgálat lapos emelővel) • nyírási vizsgálat emelővel. • tágulási vizsgálat. • ultrahangos vizsgálat. (3) Ha az egész megerősítendő területen homogeneitási vizsgálatot végeznek a kritikus részek kivételével, azt négyzetrácsos elrendezésben kell végezni úgy, hogy az 5 m2-nél kisebb területeken 1 m-re legyenek egymástól a vizsgálati helyek; nagyobb falfelület esetén a távolságot arányosan növelni lehet. A teszteket a következőképpen kell végrehejtani: • az érintett területek ütögetése kalapáccsal. • Röntgensugaras elemzés. • ultrahang - sebesség felületközeli módban. • hangimpulzus sebességének rögzítése (kalapáló berendezés és gyorsulásmérő). • penetrometria. • thermográfia. • tomográfia.
5.8.1.2 A hibás falazati alap eltávolítása és javítása
(1) A falazat alapréteg fizikai-kémiai, fizikai mechanikai, és ütés (behatás) okozta állagromláson eshetett át. A leromlott állapotú falazati elemeket el kell távolítani minden sérült területről. (2) A sérült falazati elemek eltávolítása lehetőséget ad a természetes vagy mesterséges felezeti elemek és a habarcs állapotának ellenőrzésére. Ha rétegleválást (exfoliation), repedezést, vagy aggresszív kémiai folyamatokat tapasztalunk, minden hibás elem eltávolítása szülséges, és a falazat megfelelő védelméről inhibitorokkal gondoskodni kell. (3) Ha minden tönkrement falrészt eltávolítottunk, és megfelelő lépések történtek a meglévő alapréteg romlásának és más a falazat omlását okozó folyamatok megakadályozására (pl. vízszivárgás, növényzet) megszüntetésére, végre kell hajtani a falazat helyreállítását a falazattal kompatibilis anyagok felhasználásával. A falfelület 10-20 mm-es egyenetlenségeit le kell simítani kompatibilis epoxi pasztával. Speciális kitöltőanyagot kell viszont alkalmazni a 20 mm-nél nagyobb egyenetlenségek esetén. A 0,5 mm-nél szélesebb repedéseket is zárni kell epoxy injekciós módszerrel az FRP-megerősítés fölhelyezésre előtt. (4) A falazati és az FRP közötti kötés javítása érdekében a megerősítendő falfelületet homokfúvással tisztítjuk le. A homokfúvás eredményeképpen legalább 0,3 mm-es durvaság alakítható ki. Ez a felületi durvaság mérhető megfelelő műszerrel (pl. lézer profilométerrel vagy optikai profilmérő eszközzel). (5) A gyenge minőségű falfelületeket, amelyeken azonban nem szükséges javítási munkákat végezni az FRP rögzítését megelőzően és az alapozó felhordása előtt szilárdítószerrel kell kezelni. (6) A megerősítendő felület tisztítása során el kell távolítani minden port, cementhabarcsot, olajat, felületi síkosítóanyagot, az idegen részecskéket vagy más tapadást gátló anyagokat.
133
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(7) Minden külső és belső sarkot és élt, ahol FRP megerősítés szükséges, le kell kerekíteni vagy tompítani miniálisan 20 mm-es sugárral.
5.8.2 Ajánlások a felszereléshez
(1) A falazatok FRP megerősítésének sikeressége nagyban függ a környezeti hőmérséklettől és páratartalomtól éppúgy, mint az alapréteg tulajdonságaitól. A fönt említett intézkedéseken kívül, és függetlenül a választott megerősítési típustól a következő szakaszban felhívjuk a figyelmet néhány további elővigyázatossági intézkedésre, amellyel biztosítani lehet az FRP installációk minőségét.
5.8.2.1 A környezet és az alapréteg nedvességtartalma és hőmérséklete
(1) Javasoljuk, hogy ne hordjuk föl az FRP anyagokat amikor a környezet nedves, a nagyfokú nedvesség késleltetheti a gyanta kikeményedését és hatással lehet a megerősítő rendszer általános teljesítőképességére, különösen nedves felfalazási alkalmazásoknál. (2) Az FRP megerősítést nem szabad olyan alaprétegre tenni, amelynek felületi nedvességtartalma eléri a 10%-ot; ezek a körülmények késleltethetik az alapozó(habarcs) behatolását a beton pórusai közé és buborékképződéshez vezethetnek, ami gyengíti a kötést a beton és az FRP rendszer között. Az alapréteg nedvességtartalmát higrométerrel lehet ellenőrizni, vagy egyszerű nedvszívó papír alkalmazásával. (3) Nem szabad felhordani az FRP anyagot akkor sem, ha a környezet és a felület hőmérséklete is túl alacsony, mert ez ronthatja a gyanta amikor keményedését és a szálak impregnálódását is. Akkor is ajánlatos tartózkodni az FRP felhordásától, amikor a betonfelület túlságosan ki van téve a napfénynek. Javasoljuk, hogy ne szereljenek föl FRP anyagokat ha a hőmérséklet nincs a 10° - 35°C tartományon belül. Hűvös éghajlati környezetben, ahol az építési ütemterv nem teszi lehetővé az FRP felhordásának késleltetését, ajánlatos mesterséges fűtést alkalmazni abban a helyiségben, ahol az FRP-t szerelik. (4) Ha az FRP kikeményedésére esős időjárás, nagy hatásfokú szigetelés, nagy hőmérsékletkülönbségek mellett, vagy poros környezetben kerül sor, óvintézkedésekre van szükség a megfelelő kikeményedés biztosításához.
5.8.2.2 Konstrukciós részletek
(1) Legalább 300 mm hosszt kell biztosítani a vasbeton elemeket megerősítő FRP rendszerek végénél a lehorganyzáshoz. Vagy mechanikai rögzítő elemeket is lehet alkalmazni. (2) Biztosítani kell a megfelelő szálirányt a helyszíni nedves alkalmazásoknál is. Alkalmazás során is kerülni kell, hogy szálak hullámos alakban kerüljenek föl (3) Ha részben roncsolásos minőségvizsgálatokat tervezünk, javasolt a kiegészítő megerősítési terület („próba terület) létrehozása a szerkezet megfelelően kiválasztott részein legalább 500x300 mm2 méretben legalább 0,15 m2 területen nem kevesebb, mint a teljes megerősítendő terület 0,5%-án. A tanú terület//próba terület” kivitelezése ugyanakkor kell történjen, mint a fő FRP installáció, ugyanazokkal az anyagokkal és eljárásokkal, de egy olyan területen, ahol az FRP megerősítés eltávolítása nem vonja maga után a tönkremeneteli mechanizmusok megváltozását. Emellett a próba területnek ugyanazokat a környezeti hatásokat kell kiállnia, mint a fő FRP rendszernek, és egyenletesen kell elosztva lennie a megerősített szerkezeten.
134
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5.8.2.3 Az FRP rendszerek védelme
(1) A külső FRP alkalmazásoknál ajánlott az FRP rendszert védeni a közvetlen napsugárzástól, amely fizikai-kémiai változásokat okozhat az epoxi mátrixban. Ez megvalósítható akrilfesték védőréteg felhordásával, ha a kompozit felületét előzőleg szappanos vízzel lemossuk. (2) Egy másik, jobb védelmet biztosító lehetőség, ha vakolat- vagy habarcsréteget (lehetőleg beton-alapút) hordunk föl a megerősítés felületére. Az FRP gyártók/szállítók által javasolt vastagságban felvivendő vakolatot felhordására azután kerülhet sor, hogy a megerősítő rendszert epoxigyanta alkalmazással felületkezelték, majd a friss gyantára kvarcport szórtak (green-on-green). Az így kialakított felület különösen alkalmas mindenféle vakolat felhordására. (3) A tűzzel szembeni védelemre két különböző megoldás közül lehet választani: hőre duzzadó panelek, vagy hővédő vakolat. Mindkét esetben a gyártók/szállítók kötelesek jelezni, hogy a panel vagy vakolat milyen vastagsága biztosítja a megfelelő mértékű védelmet. Az általában kalcium-szilikát alapú paneleket közvetlenül az FRP rendszerre lehet szerelni, feltéve, hogy felszerelésük során nem vágjuk el a szálakat. A tűzvédelem legszélesebb körben alkalmazott megoldása a védővakolat, amelyet a fentebb leírt módon kell fölhordani az FRP rendszerre. Rendelkezésre állnak olyan védőbevonatok, amelyek vastagságuk és konzisztenciájuk révén képesek a kompozit hőmérsékletét 90 percig 80°C alatt tartani.
5.8.3 Minőség-ellenőrzés az alkalmazása közben
(1) Az FRP alkalmazása közbeni minőségellenőrzésnek legalább egy sorozat - az alkalmazás mechanikai tulajdonságaira rávilágító - részben roncsolásos vizsgálatot kell tartalmaznia, és egy roncsolásmentes jellegű feltérképezési vizsgálatot, amellyel az alkalmazás egyöntetűségéről lehet meggyőződni.
5.8.3.1 Részben roncsolásos vizsgálatok
(1) Mind pull-off (leszakító) mind pedig shear tearing (nyíró-szakító) vizsgálatot lehet végezni. A részben roncsolásos vizsgálatokat a próba felületeken és – ahol lehetséges – a nem kritikus megerősített területeken kell elvégezni, arányaiban úgy, hogy egy ellenőrzés essen 5 m2-nyi területre, de teszttípusonként legalább két próbára van szükség. (2) Pull-off (leszakító) vizsgálat. A vizsgálatot a helyreállított alapréteg tulajdonságainak ellenőrzésére lehet felhasználni. 20 mm vastag kör alakú acéllemezekkel végezzük, amelyek átmérője legalább 40 mm. Miután az acéllemezt erősen az FRP-hez rögzítettük, legalább 2500-as fordulatszámú magfúróval izoláljuk azt a környező FRP-től. Külön figyelmet kell fordítani arra, hogy amíg a falazati alaprétegbe legalább 1-2 mm-nyi bevágást eszközlünk, elkerüljük az FRP rendszer felforrósítását. Az FRP alkalmazás akkor tekinthető elfogadhatónak, ha legalább a tesztek 80%-a (ha két tesztet végzünk, akkor mindkettő) nem kevesebb, mint 10%-a legyen az alap nyomószilárdságának, feltéve, hogy a törés az alaprétegben történik. (3) Shear tearing (nyíró-szakító) vizsgálat. Ez a teszt különösen alkalmas az FRP és a falazati alapréteg közötti tapadás minőségének meghatározásához. Csak akkor lehet végrehajtani, ha az FRP rendszer egy részét síkjában meg lehet húzni egy él közelében, ahol elválik a falazat alrétegétől. Az FRP alkalmazás akkor tekinthető elfogadhatónak, ha legalább a tesztek 80%-ában (ha két tesztet végzünk, akkor mindkettőben) a csúcs tépési szilárdság nem kevesebb, mint az alap nyomószilárdságának 5%-a.
135
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5.8.3.2 Roncsolásmentes vizsgálatok
(1) A roncsolásmentes vizsgálatokkal lehet jellemezni az FRP alkalmazás egyöntetűségét a megerősített felület adekvát két dimenziós áttekintésétől kezdve különböző térfelbontásokban a megerősítendő terület nagyságától függően (ld. 5-1 táblázat) 5-1. táblázat – A roncsolásmentes vizsgálattal azonosítható hibaméret a felbontás függvényében
Nyíró terhelés
átadása az érintkezési felületnek
Példa
Roncsolásmentes
vizsgálatok
Felület
térképező rács/háló
Hibamérettől függő
minimális felbontás
hiányzik borítás az átfedések kivételével egyrétegű alkalmazásoknál
tetszőleges 250 mm 3,0 mm
gyenge középső terület nagyméretű megerősítésnél tetszőleges 250 mm 3,0 mm mérsékelt Hosszanti flexiós megerősítés középső
része javasolt 100 mm 0,5 mm
kritikus Lehorgonyozási területek, rétegek közötti átfedések, nyíró megerősítés kengyelek, csatlakozós érintkezési felületek, az alaprétegen nagy repedés vagy egyenetlenség
szükséges 50 mm 0,1 mm
(2) Stimulált akusztikus vizsgálat. Hasonló a behatás-visszhang (impact-echo) teszthez. Az ilyen vizsgálatok a kompozitréteg különböző oszcillációs viselkedésén alapul, amely függ az FRP rétegek és az alapréteg közötti tapadástól. Legegyszerűbb formájában a vizsgálatot egy technikus is elvégezheti úgy, hogy végigkopogtatja a kompozit felületét és figyeli az ütés keltette hangot. Automatizált rendszerekkel pedig objektívebb eredményeket lehet elérni. (3) Nagyfrekvenciás ultrahang vizsgálat. Ezeket a visszaverődéses módszert alkalmazó vizsgálatokat legalább 1,5 MHz frekvenciával és 25 mm-nél nem nagyobb átmérőjű szondákkal kell végrehajtani úgy adaptálva a módszert, hogy az első csúcsamplitúdó változáson alapuló technikával lokalizálni hehessen a hibákat. (4) Termográfiás vizsgálat. Csak kis hővezetésű FRP rendszereknél alkalmazható, és nem alkalmazható szén vagy fémes FRP erősítő rendszerekben csak rendkívüli óvintézkedések mellett. A vizsgálat folyamán keletkező hő az FRP rendszer üvegesedési hőmérséklete alatt kell, hogy maradjon. (5) Akusztikus emissziós vizsgálat. Ez a technika az akusztikus emissziós (AE) módszeren alapul, és lehetővé teszi a terhelésnek kitett szerkezeti elem belső sérülésének/károsodásának kimutatását olyan módon, hogy hallgatják és rögzítik a repedések kialakulása vagy a rétegleválás jelensége által keltett zajt, amelyek mint elasztikus hullámok terjednek. Az ilyen vizsgálat különösen alkalmas az FRP rendszernek a falazatokra való alkalmazása során jelentkező hibák kimutatására valamint az alaprétegről való leválás detektálására.
5.8.4 Személyi képesítési követelmények
(1) A vizsgálatokat végző személyeknek a 5-2 táblázatban felsorolt három képesítés valamelyikével kell rendelkeznie az UNI EN 473 és az UNI EN 45013 előírások szerint.
136
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
5-2 táblázat – A részben roncsolásos és roncsolásmentes vizsgálatokhoz szükséges végzettségi szintek. 1. szint A vizsgálati berendezés megfelelő ismerete, tesztek végrehajtása, a
teszteredmények rögzítése és osztályozása írásban megadott kritériumok alapján, a teszteredményekről jelentés készítése.
2. szint A teszt végrehajtás módjának kiválasztása, a 2. szintű technikus által végezhető tesztek alkalmazási határainak meghatározása, a teszt specifikációk megértése, és azoknak az adott helyszíni körülményekhez igazodó gyakorlati tesztutasítások nyelvére való lefordítása, a vizsgálóberendezés beállítása és kalibrálása, a tesztek végrehajtása és ellenőrzése, a teszteredmények értelmezése és értékelése a specifikációk szerint, amelyeknek meg kell felelni, írásbeli tesztutasítások elkészítése az első szintű kezelőszemélyzet részére, valamennyi 1. szintű funkció elvégzése és felügyelete/ellenőrzése, első szintű személyzet képzése, a teszteredmények rendezése és a végső jelentés megírása.
3. szint Laboratórium vezetője, teszteljárások kidolgozása és validálása, a folyamatok és specifikációk értelmezése, képzettség és gyakorlat a teszteredmények meglévő specifikációk szerinti értelmezésére és megértésére, az anyagok, gyártási eljárások, és a tesztelendő rendszer installálási technológiájának olyan szintű gyakorlati ismerete, amely képessé teszi a megfelelő módszerek kiválasztására, a technikai eljárások kidolgozására és az elfogadhatósági kritériumok kidolgozásában való együttműködés, ha ezek a kritériumok még nincsenek kidolgozva, ismeretekkel rendelkezik többféle alkalmazási területen, képes az 1. és 2. szintű személyzet vezetésére.
5.8.5 A megerősítő rendszer figyelemmel kísérése
(1) Mivel kevés adat áll rendelkezésünkre a falazatok FRP rendszerekkel való megerősítéseinek hosszútávú viselkedéséről, ajánlatosnak tűnik a fölszerelt FRP rendszerek viselkedésének megfelelő módon való figyelemmel kísérése a megerősített szerkezeten rendszeresen végzett részben roncsolásos és roncsolásmentes vizsgálatokkal. Ennek a figyelemmel kísérésnek a célja a következő paraméterek ellenőrzése:
• az installált FRP rendszer hőmérséklete • a környezet páratartalma/nedvességtartalma • a megerősített szerkezetet elmozdulásának és deformálódásának mérése. • szálak esetleges károsodásának észlelése. • az installált FRP rendszer hibáinak és a rétegleválásoknak a felmérése.
137
6. „A” MELLÉKLET
(ORTOTRÓP LINEÁRIS RUGALMAS ANYAGOK GYÁRTÁSI TECHNOLÓGIÁI ÉS FESZÜLTSÉG-ALAKVÁLTOZÁSI KAPCSOLATA )
6.1 GYÁRTÁSI TECHNOLÓGIÁK
6.1.1 Pultrúzió
A pultrúziós technológiát elsősorban az építőiparban elterjedt szálerősítésű szalagok gyártására alkalmazzák. Folyamatos gyártási technológiáról van szó, amely három fő fázisra osztható:
• formázás • impregnálás • kikeményítés.
A hőre keményedő gyantákhoz kifejlesztett leggyakoribb változatban a komponenseket egymástól elkülönítve adagolják a gyártóberendezésbe, ami áthúzza a szálakat a különféle gyártóeszközökön. Az eljárás egyik elterjedt változata a gyantafürdős impregnálást alkalmazza, ennek vázlata látható a 6-1 ábrán:
6-1 Ábra – Pultrúziós eljárás, gyantafürdős impregnálással A berendezés közvetlenül a tekercsekről húzza be az előfont szálakat a gyantafürdőbe, ahol megtörténik a szálak impregnálása. Az impregnált szálakból álló kötegek ezután átkerülnek a fűtött húzószerszámba, ahol nagy nyomáson megtörténik az anyag formázása és térhálósítása. Ebben a fázisban szüntetik meg a szálak közötti réseket, így gondoskodnak az anyag keresztirányú folytonosságáról. A fűtésről általában elektromos ellenállással gondoskodnak, a hőmérsékletet pedig hőelemekkel szabályozzák. A fűtési szakasz időtartamát a gyártási sebesség befolyásolja. A szerszámból kilépő mátrix megkeményedik, majd a kompozit anyagot állandó sebességgel húzzák tovább. A folyamat végén az anyagot hosszirányban felvágják. Az FRP szilárdságának növelése érdekében további szövetrétegek hozzáadása is lehetséges. Speciális berendezésekkel közvetlenül a gyártósoron elvégezhető az anyag szövése, tekercselése és sodrása is.
138
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
A pultrúzióval készített FRP könnyű, korrózióálló, állandó keresztmetszetű és maximum néhány cm vastagságú anyag. A pultrúzióval készült termékek közé tartoznak a szalagok, rudak, szelvények (C-szelvény, dupla T-szelvény, stb.) panelek és lapok. Ezeket a termékeket meglévő és új szerkezetek, szerkezeti elemek, lámpa- és egyéb tartóoszlopok, olajipari hosszabbítócsövek, stb. külső és belső erősítésére egyaránt felhasználják.
6.1.2 Laminálás
Az innovatív és nagy teljesítőképességű kompozitokat szinte kizárólag laminálással gyártják. A laminálás szakaszos eljárás, melynek végtermékei a legfeljebb néhány cm vastag laminátumok. Az eljárás során a szálak orientációja és szerkezete teljes mértékben szabályozható. A pultrúzióval ellentétben a laminálás csaknem teljes szabadságot ad a szálak orientációjának és az elkészült anyag görbületének megválasztásában. A legfőbb korlátozó tényező a gyártási sebesség, ami egyszerűbb komponensek esetén kb. 0,5 kg/óra. A laminálási eljárás a következő fázisokból áll: a) anyag előkészítése b) laminálás (anyag levágása, rétegezése és tömörítése) c) vákuumzsák előkészítése d) anyag keményítése (szobahőmérsékleten, kemencében, vagy autoklávban) e) ellenőrzés (szemrevételezéssel, ultrahanggal, vagy röntgensugárral) f) befejező megmunkálás (szélek levágása vágóberendezéssel vagy nagynyomású vízsugárral). A laminálást száraz vagy egy, illetve többirányú, előreimpregnált szálakkal egyaránt elvégezhető. Száraz szálak esetén az impregnálás a kivitelezés helyszínén történik. A laminálási eljárás következő fázisában elő kell készíteni a vákuumzsákot (lásd: 6-2 Ábra). A vákuummal gyorsan, még a gyanta megkeményedése előtt eltávolíthatók a laminátumra feltapadt oldószerek és szennyeződések.
6-2 ábra – Laminálási rendszer A laminálási eljárás fő előnye, hogy rendkívül sokoldalú: olcsó öntőszerszámok segítségével bonyolult alkatrészek készíthetők vele. A legfőbb alkalmazási területe az űrkutatás és a repülés, a versenyautó-gyártás, a hajógyártás és a szállítási iparág. Az építőiparban a laminálást a vasbeton-gerendák – és oszlopok száraz, vagy előre impregnált szálakkal történő erősítéséhez lehet hatékonyan alkalmazni.
139
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
6.2 A KOMPOZIT ANYAGOK MECHANIKAI VISELKEDÉSE A szálerősítésű kompozitok heterogén (tehát különböző anyagokból felépített) és anizotróp (vagyis különböző irányokban más és más tulajdonságokat mutató) anyagok. Mivel a szálerősítésű kompozitok építőipari alkalmazása jóval túlmutat az anyag mikroszerkezetén (lásd 2-2 táblázat), a heterogenitás elhanyagolható, és az adott anyag homogén viselkedésűnek tekinthető. Ha egy szálerősítésű kompozit általános pontjában fellépő feszültséget és alakváltozást feszültségi (σ) és alakváltozási (ε) tenzorokkal szeretnénk ábrázolni, akkor a homogén, rugalmas és anizotróp testet 21 független rugalmassági tényező segítségével a következőképpen tudjuk leírni:
6-3 ábra – Egy végtelenül kicsi elemben fellépő feszültségek ábrázolása
(6.1)
ahol [C] a merevségi mátrixot jelöli. A merevségi mátrix teljes leírásához 21 konstans szükséges, amelyeket szakító és nyíró vizsgálatokkal lehet meghatározni. Az elvégzendő vizsgálatok száma jelentősen csökkenthető, ha az anyag rendelkezik bizonyos mértékű szimmetriával. A mérnöki gyakorlatban használt szálerősítésű kompozitok többsége ilyen. Sok egyirányú kompozitot transzverzálisan izotróp anyagnak lehet tekinteni (lásd: 6-4 ábra). Az ábrán a szálakra merőleges 2-3 sík lesz az izotróp sík. Ebben az esetben a független rugalmassági konstansok száma 21-ről 5-re csökken, és a merevségi mátrix az alábbi formulára egyszerűsíthető:
140
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(6.2)
6-4 ábra – Egyirányú kompozit, transzverzális izotróp síkkal Gyakori és egyszerű megoldás az úgynevezett mérnöki állandók használata: E (Young-féle rugalmassági modulus), ν (Poisson-féle tényező) és G (nyírási modulus), melyek tapasztalati meghatározására jól bevált módszerek léteznek. Ezek az állandók különböző irányokban általában különböző értékeket vesznek fel. A Young-féle rugalmassági modulus értéke például szálirányban (E1) várhatóan nagyobb lesz, mint keresztirányban (E2), és ezáltal a harmadik irányba vett értéke (E3) is eltérő lesz. Ugyanez igaz a G12, G13 és G23 modulokra (az 1,2,3 irányokat lásd: a 6-4 Ábrán). Definíció szerint az alakíthatósági mátrix [S] a merevségi mátrix [C] inverze (lásd: 6.2 egyenlet). Az alakíthatósági mátrix mérnöki állandókkal a következőképpen fejezhető ki:
141
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(6.3)
A független mérnöki állandók: E1, E2, ν12, ν23, G12 A síkbeli feszültségi állapotban lévő, egyirányú vékony szalagok esetén az alakváltozási mátrix a következőképpen alakul:
(6.4)
Az egyirányú szalagok mechanikai viselkedését ezért négy független rugalmassági tényezővel lehet leírni. A tényezők értékeit általában egyirányú szakítópróbával határozzák meg, amelyek során a szálirány és a terhelés iránya által bezárt szöget θ-vel jelölik. Ha θ = 0° (vagyis a szálak párhuzamosak a terhelés irányával) E1 és ν12 meghatározható, míg θ = 90° esetén (vagyis a szálak merőlegesek a terhelés irányára) E2 meghatározására nyílik lehetőség. G12 a θ szög megválasztásának függvényében határozható meg (ez utóbbi a kiválaszott erősítési geometriától függ). Az említett konstansok közelítő értékét egyszerű, a komponensek tulajdonságait és térfogathányadosukat figyelembe vevő „mikromechanikai” modellekkel is meg lehet határozni. Egyirányú laminátumok esetében a hosszirányú tulajdonságokat az úgynevezett „keverési szabály” segítségével
142
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
határozhatjuk meg. A szabály egy egyszerű mikromechanikai modellből ered, ahol a szálak és a mátrix egymással párhuzamosak. A modell segítségével jó közelítéssel meghatározható a szálirányba vett E1 Young-féle rugalmassági modulus és a ν12 Poisson-féle tényező:
(6.5)
ahol Vfib a szálak térfogathányada (vagyis a szálak térfogatának aránya a kompozit teljes térfogatához képest); Efib és Em a szálak illetve a mátrix Young-féle rugalmassági modulusa, νfib és νm pedig a megfelelő Poisson-féle tényezők. A szálak és a mátrix térfogadhányada helyett inkább a súlyhányadukat szoktuk ismerni. Ha a szálak, illetve a mátrix sűrűségét νfib és νm-mel jelöljük, akkor a következő összefüggés írható fel:
(6.6)
Az alábbi példában bemutatjuk egy 60%-os súlyhányadú üvegszál-erősítésű kompozit térfogadhányadának kiszámítását. A komponensek jellemzőit lásd: a 6-1 táblázatban.
Súlyhányad Sűrűség (g/cm3) Szál 0,60 2,5 Mátrix 0,40 1,2
A 6.6 egyenlet segítségével megkapjuk, hogy az üvegszál térfogathányada 42%. A szálak és a mátrix értékeit (Efib=80 GPa, νfib=0,3, Em=3 GPa, νm=0,34) behelyettesítve: E1=35,2 GPa ν12=0,32 A mikromechanikai modellek részletesebb ismertetését lásd a megfelelő szakirodalomban.
6.2.1 Az anyag szimmetriatengelyétől eltérő irányba fellépő erők hatása
Miután meghatároztuk az anyag rugalmassági tényezőit, meghatározhatjuk a szálerősítésű anyag viselkedését bármelyik irányban, függetlenül az anyag szimmetriatengelyeitől. A 6-5 ábrán például egy folytonos, egyirányú szálakból álló laminátum látható. A terhelési rendszer x és y koordináta-tengelyeire vonatkozó Ex, Ey és nxy rugalmassági tényezőket a θszög és az anyag E1, E2, G12 és ν12 rugalmassági tényezői alapján lehet meghatározni.
143
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
6-5 ábra – Az x,y és 1,2 koordinátarendszerek meghatározása A 6-6 és 6-7 ábrákon a Young-féle rugalmassági modulus (Ex) és a nyírási modulus (Gxy) görbéi láthatók a szálak és a terhelés által bezárt θ szög függvényében, E1 különböző értékeire vonatkozóan.
6-6 ábra – A szálerősítésű kompozitok Young-féle rugalmassági modulusának (Ex) változása a θ szög
függvényében, különböző E1 értékek esetén (E2=5GPa, G12=3 GPa, ν12=0,35)
Az ábrából nyilvánvaló, hogy az Ex és a Gxy értékek a θ szög függvényében változnak. Szövetek esetén a szálak két vagy több irányba oszlanak el (többtengelyű szövetek). Ha elhanyagoljuk a szálak szövéséből adódó ráncosodást és feltesszük, hogy a szövet két, egyirányú, 0 és 90°-os irányban futó szálrétegből épül fel, akkor az Ex rugalmassági modulus közelítő értékét egyszerűen, a rétegek közötti csúszás elhanyagolásával meg tudjuk határozni. A 6-8 ábra az Ex és θ közötti kapcsolatot mutatja be egy olyan szövet esetén, amelyben mindkét irányban ugyanannyi szál található.
144
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
6-7 ábra – A szálerősítésű kompozitok nyírási modulusának (Gxy) változása a θ szög függvényében, különböző E1 értékek esetén
(E2=5 GPa, G12=3 GPa, ν12=0,35)
6-8 ábra – A szimmetrikus szövet Young-féle rugalmassági modulusának (Ex) változása a θ szög függvényében, különböző E1 értékek esetén
(E2= E1, G12=3 GPa, ν12=0,35)
145
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
6.2.2 Tönkremeneteli kritériumok
A szálerősítésű anyagok tönkremenetelének mikromechanikai mechanizmusa egy komplex folyamat, ami számos tényezőtől (pl. a terhelés típusától, a szálak és a gyanta típusától) függ. Emiatt a kompozitok tönkremenetelét általában makromechanikai szinten szokták értelmezni, annak feltevésével, hogy maga a kompozit egy olyan homogén anyag, ami egészen a tönkremeneteléig lineárisan rugalmas viselkedést mutat. Ha a laminátumokra síkbeli terhelés hat, az egyik legegyszerűbb tönkremeneteli kritérium a maximális feszültség értéke. Ha a szimmetria irányába vett húzó (nyomó) igénybevételhez tartozó szakítófeszültséget σ
1u,t(σ 1u,c)-vel és σ 2u,t(σ 2u,c)-vel jelöljük, és a szakadási nyúlás τ 12u, a kritérium a következőképpen írható fel:
(6.7)
A kritérium nem függ a nyírófeszültség előjelétől, és nem veszi figyelembe különböző tönkremeneteli módok közötti kapcsolatokat sem. A tönkremeneteli módok egymástól függetlenül is bekövetkezhetnek. A laminátum által elviselt maximális feszültség az alábbi értékek közül a legkisebb lesz: A 6-9 Ábra σ x,u változását mutatja a θ szög függvényében.
(6.8)
6-9 ábra – A maximális feszültség kritériuma: A húzó irányú szakítófeszültség θ függvényében, egyirányú laminátumokra
(σ 1u=1600 MPa, σ 2u=40 MPa, τ 12u=70 MPa) A maximális feszültség kritériuma általában megegyezik a 15°-nál kisebb és 45°-nál nagyobb θ szöggel elvégzett szakítópróbák eredményeivel. A nyomóvizsgálatok során kapott eredmények azonban jóval magasabbak. A laminátumok tönkremenetelének közelítő értékét a Tsai-Hill módszerrel is meg lehet határozni:
146
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
(6.9)
A tönkremeneteli feszültség θ függvényében a következőképpen írható fel (lásd: 6-5 ábra):
(6.10)
grafikus ábrázolása pedig a 6-10 ábrán látható.
6-10 ábra – Tsai-Hill kritérium: húzó igénybevételhez tartozó szakítófeszültség θ függvényében (σ1u=1600 MPa, σ 2u=40 MPa, τ12u=70 MPa)
Látható tehát, hogy a szálerősítésű anyagok rugalmassági és szilárdsági jellemzőinek nagy mértékű változása a szálak és a terhelés által bezárt szögtől függ.
6.3 A SZÁLERŐSÍTÉSŰ ANYAGOK MECHANIKAI JELLEMZ ŐINEK MEGHATÁROZÁSÁRA SZOLGÁLÓ VIZSGÁLATOK A jelentős mértékű anizotrópia miatt a kompozit anyagok mechanikai jellemzőinek meghatározása általában sokkal bonyolultabb feladat, mint a többi anyag esetén. Emiatt egyrészt módosítani kellett az izotróp anyagok meglévő vizsgálati módszereit, másrészt új vizsgálati módszereket kellett kidolgozni az anizotróp anyagok ellenőrzéséhez. A szálerősítésű kompozitok fizikai és mechanikai tulajdonságaink meghatározására
147
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
kidolgozott módszerek részletes leírására jelen dokumentum keretein belül nem vállalkozunk, hanem megadjuk azokat a speciális vizsgálatokat és nemzetközi szabványokat (ISO és ASTM), amelyekre a jelen dokumentum 2. fejezetében lévő műszaki adatlap hivatkozik. Speciális vizsgálati módszerek ezen kívül számos irányelvben, tervezési ajánlásban és műszaki dokumentumban is találhatók, mint pl.: ACI 440.3R 04 „Betonszerkezetek betétjeként vagy megerősítéseként használt szálerősítésű polimerek vizsgálati módszereinek irányelve” JSCE (1995): „Folytonos szálerősítésű anyagok vizsgálati módszerei” JSCE (2000): „Folytonos szálból készült lemezek vizsgálati módszerei” ISO (TC71/SC6N): „Újfajta módszerek a beton megerősítésére – Vizsgálati módszerek – 1.rész: Szálerősítésű polimer (FRP) betétek és rácsok” ISO (TC71/SC6N): „Újfajta módszerek a beton erősítésére – Vizsgálati módszerek – 2.rész: Szálerősítésű polimer (FRP) lapok” Rendkívül fontos a tesztminták megfelelő előkészítése, mert a minta minősége jelentős mértékben befolyásolja a mechanikai jellemzőket. A tesztmintát úgy kell kiválasztani, hogy az a lehető legjobban megközelítse a helyszíni alkalmazást (a 2.4 fejezetnek megfelelően). A minta előkészítésére alkalmazott technika az előkészítés helyétől (helyszíni vagy laboratóriumi), az anyagok természetétől (szál, vagy gyanta típusa), és a megerősítő rendszertől (egyirányú / többirányú, száraz / előre impregnált szövet, pultrúzióval készített szalag). A minta laboratóriumi előkészítésével jobban kézben tartható a mintavétel folyamata, ám a helyszíni mintavétellel jobban megközelíthetők az adott alkalmazás körülményei. A minta előkészítésével kapcsolatban számos probléma merülhet fel. Az alábbiakban felsorolunk néhány okot, amelyek hibához vezethetnek a mintavétel során:
- hibás szálelrendezés laminálás közben - nem kívánt szennyezőanyagok jelenléte (laminálás során) - nagy mennyiségű visszamaradt lyuk - párhuzamossági problémák a laminátum vágása során (a minta fő iránya és a vágás iránya nem
párhuzamos). A 6-11 ábrán a teljes vizsgálati folyamat látható, a minta előkészítésétől egészen az utolsó vizsgálatig:
148
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
6-11 ábra – A minta előkészítésének fázisai Az alábbiakban adunk néhány tanácsot a minták előkészítésére vonatkozóan. Tanácsaink általános érvényűek, és nem veszik figyelembe az adott alkalmazásra érvényes tényezőket és anyagokat. További információkat lásd: ISO 1268(E) és ASTM D5687/D5687M-95 szabványokban. Felületi párhuzamosság és szabályosság: a minta előkészítése során a kompozit anyagot alumínium lapra kell fektetni. A laminálási fázis elvégzése után rá kell helyezni a mintára egy második alumínium lapot, amellyel garantálható az anyag egyenletes vastagsága. A mintával érintkező mindkét alumíniumlapra leválasztó (általában teflon-) réteget kell felvinni (spray vagy film formájában), hogy a keményítés után a mintát könnyedén le lehessen venni a felületről. Rétegek orientációja: a rétegeket az előre megadott laminálási sorrendben kell felvinni. A laminátumban lévő lyukak megszüntetése: vákummal, illetve egyszerűen egy spatula vagy henger segítségével. Ezt a műveletet szobahőmérsékleten és magas hőmérsékleten egyaránt el kell végezni. Mintában lévő szennyeződések: a laminálási eljárás közben a mintákat védeni kell a portól és egyéb szennyezőanyagoktól. Laminátum kikeményítése: a rendszer gyártójának pontosan meg kell adnia a minták keményítésére használt nyomást és hőmérsékletet. A keményedési folyamat vákuummal is elősegíthető. Felületi védelem: a felületi szennyeződések elkerülése érdekében a laminátum bevonható egy védőfilmmel. A védőfilm a többrétegű erősítéseknél különösen hasznos. Minták vágása: a vágás többféle szerszámmal elvégezhető (gyémántkés, vízsugár, stb.). A megfelelő eszközt az anyagjellemzők és a minta méretei (vastagsága) alapján kell kiválasztani. A további felületmegmunkáláshoz csiszolópapírt vagy megfelelő szerszámot kell használni.
149
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
Öregítés: szükség esetén a vizsgálat előtt el kell végezni a minta öregítését (a szakirodalmi előírások szerint). Előfordulhat, hogy a kiválasztott vizsgálati módszertől függően rögzítőfülekre van szükség, amelyekkel elkerülhető a minta helyi sérülése. A fülek alakváltozási képessége nagyobb kell, hogy legyen mint a mintáé. Ügyelni kell a fülek megfelelő hosszúságára, hogy a fülek megfelelően át tudják adni a terhelés a vizsgálóberendezésről a mintára. A vizsgálat során a mérendő mechanikai jellemző függvényében különféle adatokat kell leolvasni. A leggyakrabban leolvasott értékek: terhelés, elmozdulás, alakváltozás az idő függvényében (LVDT vagy nyúlásmérő segítségével). Előfordulhat, hogy szükség van a hőmérséklet és a relatív páratartalom mérésére is.
150
7. „B” MELLÉKLET (LEVÁLÁS)
7.1 TÖNKREMENETEL LEVÁLÁS MIATT Az FRP-vel megerősített szerkezeti elemek fő leválás miatti tönkremeneteli módjai a következőképp foglalhatók össze:
• 1-es mód (lemezvég leválás) (7-1. ábra). Az FRP rendszer végei nagy érintkezési nyíróhatásnak vannak kitéve körülbelül 100-200 mm hosszon.
RC beam - vasbeton gerenda Direction of delamination - A leválás iránya Delamination at laminate end - Leválás a laminát végén Laminate - laminát
7-1. ábra – Lemezvég leválás
• Amikor a megerősítést FRP laminátokkal végzik, az FRP és az alátámasztás érintkező felületére merőleges húzóerők keletkezhetnek (normál feszültség) az FRP laminát jelentékeny merevségéből következően. (7-2(a) ábra). Az ilyen normál feszültség csökkentheti az érintkezési felületen jelentkező nyíróerőket, mint azt a 7-2 (b) ábra mutatja. A végleválálásos tönkremeneteli módot a rideg viselkedés jellemzi.
7-2. ábra – (a) Az érintkezési felületen jelentkező nyíró- és normál feszültség a felragasztott FRP laminát
hosszanti irányában (lineáris-rugalmas elemzés) (b) Szilárdsági terület az érintkezési felületen jelentkező nyíró- és normál feszültségek alapján.
• 2-es mód (leválás a gerendában jelentkező hajlási repedések miatt) (7-3. ábra). A hajlítási repedések
folytonossági hiányt hoznak létre az alátámasztó felületen, ami növeli az érintkezési felületen
151
jelentkező tapadási nyírófeszültségeket, amit hozzájárulnak az FRP leválásához. A repedések jórészt merőlegesek a gerenda tengelyére hajlító igénybevétel esetén, de ferde dőlésűek, ha hajlító és nyíró igényvevételek egyedejúleg jelezketnek.
152
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
Delamination starting from intermediate crack – közbülső repedésből induló leválás Direction of delamination propagation – A leválás terjedésének iránya Normal stress – Normál feszültség: Reinforced concrete beam – vasbeton gerenda Intermediate crack – közbülső repedés
7-3. ábra – A betonban keletkezett függőleges repedésekből eredő leválás.
• 3-as mód (leválás (a gerendában jelentkező) átlós nyírási repedések miatt) (7-4. ábra). Azokban az
elemekben, amelyekben a nyíró feszültségek dominálnak a hajlító erőkkel szemben relatív elmozdulás jelentkezik a repedés két oldalánál. Az ilyen relatív elmozdulás növeli az FRP laminátra ható merőleges normál erőket, amelyek felelősek az FRP leválásáért. Ez a leválási mechanizmus a kengyelek jelenlététől függetlenül aktív. A ferde nyíró repedéseknek betudható tönkremenetel különösen jellemző a négypontos hajlítási laboratóriumi tesztekre, ez nem jellemző a gyakorlati alkalmazásokra, ahol az alkalmazott terhelés eloszlik a gerenda teljes hosszán. Az alsó haránt irányú megerősítéssel jól megerősített gerendák esetében a leválás általában a lemezvégeken generálódik lehámozódás miatt.
7-4. ábra – Leválás átlós nyírási repedések miatt.
• 4-es mód (a beton felületi egyenetlenségei által okozott leválás). A beton alapréteg felületi
egyenetlenségeinek köszönhető lokális leválás kiterjedhet, és az FRP rendszer teljes leválását okozhatja. Ezt a tönkremeneteli módot el lehet kerülni, ha a betonfelületet olyan módon előkészítik, hogy a túlzott egyenetlenségeket megszüntetik.
153
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
7.2 AZ FRP ÉS A BETON KÖZÖTTI TAPADÁS A következőkben kiegészítő ajánlásokat teszünk az FRP és a beton közötti tapadás vonatkozásában. Hivatkozunk a 7-5-ös ábrára, a felhasznált szimbólumok ugyanazok, mint amelyeket a 4.1-es szakaszban vezettünk be.
7-5 ábra – Az FRP-re hárítható legnagyobb erő.
7.2.1 Specifikus törési energia
Amikor az alapszerkezetül szolgáló beton merevsége sokkal nagyobb, mint az FRP rendszeré, a következő összefüggés érvényes:
A végtelen hosszú FRP megerősítésnek megengedett maximális erő, Fmax, és a törési energia, Γf között, feltéve, hogy:
Ahol tf , bf , Ef az FRP vastagsága, szélessége és Young-modulusa az alkalmazott erő irányában. A törési energia a beton és a regasztó szilárdsági tulajdonságaitól éppúgy függ, mint a betonfelület jellemzőitől. A megfelelően rögzített FRP rendszernél a leválásbül származó tönkremenetel a beton alapszerkezetben történik és a specifikus törési energia hasonlóképpen írható le, mint a beton 1-es tönkremeneteli módnál:
ahol a kG együtthatót kísérletileg kell beállítani. Ennek az együtthatónak az értékét nagyszámú kísérleti eredményre alapozva számították ki a szakirodalomban. Az eredmények statisztikai elemzése 0,064 átlagos értéket adott a standard eltérés pedig 0,023, a statisztikai eloszlás 5 %-os fraktilis értéke pedig 0,026. Amikor ezt az utóbbi értéket használjuk a (7.3)-as egyenletben, megkapjuk a Γfk , a specifikus törési energia értékét. Ezen megfontolás alapján ez az Útmutató a kG értékeként a 0,03 érték elfogadását javasolja.
154
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
7.2.2 A tapadófeszültség – relatív elmozdulás törvénye
Az FRP és a beton közötti tapadást jellemzően az érintkezési felület nyíró feszültséggel és a hozzá tartozó relatív elmozdulással fejezzük ki ( kapcsolat/összefüggés). Az FRP és a beton mechanikai tulajdonságait, valamint az FRP rendszer és a beton alapszerkezet geometriáját is figyelembe kell venni az elemzésben. A összefüggés jellemzően nem lineáris, egy ereszkedő ággal; tervezési célból mint bilineáris összefüggést lehet kezelni, ahogy azt a 7-6 ábra mutatja. Az első emelkedő ág úgy határozható meg, hogy megfelelő mélységig veszi figyelembe a ragasztó réteg és a beton alapszerkezet együtt alakváltozó képességét. Ha nem végzünk részletesebb elemzést, a τb – s összefüggést meghatározó átlagos mechanikai paramétereket a következőképpen lehet értékelni:
7-6. ábra – Bilineáris „τb – s” összefüggés ( fck = 20 MPa, kb =1).
-maximális tapadó szilárdság, fb A maximális átlagos kísérleti tapadószilárdság a következőképpen fejezhető ki:
fck · fctm [erők N-ban, hosszúságok mm-ben] Ahol fck és fctm jelentik a beton jellemző nyomószilárdságát és átlagos húzószilárdságát, a kb geometriai faktort pedig a következőképpen lehet leírni:
[hossz mm-ben] Ahol b és bf a gerenda és az FRP szélességét jelentik. A (7.5) egyenlet érvényes, ha bf / b ≥ 0,33 (ha bf / b < 0,33 , akkor a bf / b = 0.33 értéknek megfelelő kb értéket vesszük figyelembe).
155
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
- Az emelkedő ág K1 egyenese:
ahol Ga és Gc a ragasztó és a beton nyírási rugalmassági modulusa, ta a ragasztó névleges vastagsága, tc pedig a beton hatékony vastagsága (jellemző értékek 20-30 mm és 0,5-0,7). - sf érintkező felület relatív elmozdulása teljes leváláskor.
Az sf-nek ez az értéke biztosítja a specifikus törési energiát, tf (amelyet a „τb – s” összefüggés akatti terület jelenít meg) egyenlő a (7.3) egyenlet értékével. A használhatósági határállapotban (SLS) a „τb – s” összefüggés emelkedő ágához tartozó k1 csökken és a a (7.6) egyenletben szereplő c1=1 –re veendő föl.
7.3 EGYSZERŰSÍTETT MÓDSZER A HAJLÁSI REPEDÉSEK ÁLTALI LEVÁLÁS ( 2-ES MÓD) SZÁMÍTÁSÁRA TEHERBÍRÁSI HATÁRÁLLAPOTBAN A 4.1.4 fejezet 1(P) tételében megadott általános módszer alternatívájaként ez az egyszerűsített módszer az
FRP megerősítés maximális tervezési nyúlás meghatározásán alapul, amelyet a (4.7) egyenlet felhasználásával lehet kiszámítani. A teljesség kedvéért az egyenletet itt megismételjük:
Ez az összefüggés hasonló ahhoz, amelyet az FRP megerősítés maximális feszültsége vagy nyúlása meghatározásához használtunk az FRP leválás 1-es módjának kontrollálásánál. Ugyanakkor a folyamatosan alkalmazott erő esetén az érintkező felületen jelentkező nyíróerők szignifikánsan kisebbek, mint amit az FRP végeinél lehet elérni, a repedések közötti csökkent távolság miatt. Ez azt jelenti, hogy a 2-es módhoz tartozó FRP nyúlás maximális értéke nagyobb, mint az 1-es mód esetében. Ezek a megfontolások vezettek a kcr >1 növelő tényező bevezetéséhez a (4.7) egyenlethez képest. A kcr érték kalibrálását FRP laminátokkal vagy szövetekkel megerősített vasbeton gerendákon végeztük, amelyek az FRP közbülső leválása miatt (2-es mód) mentek tönkre. Az eredmények statisztikai elemzése 4.289 átkagértéket adott ki, a standard eltérés 0.743, az 5 %-os fraktilis érték pedig 3.070. A (4.6) egyenlet alkalmazásában mutatkozó korlátozott szórásra való tekintettel, valamint az FRP közbülső leválásnak a végleváláshoz viszonyított alacsonyabb törékenységi mutatói miatt a tervezési nyúlás számításához a (4.6) egyenlet alkalmazását javasoljuk, feltéve, hogy kcr = 3,0, ami a statisztikai eloszlás 5 %-os fraktilisének felel meg.
156
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
8. „C” MELLÉKLET (VASBETON ELEMEK MEGER ŐSÍTÉSE EGYÜTTES HAJLÍTÓ ÉS AXIÁLIS TERHELÉSE)
8.1 AZ EGYÜTTES HAJLÍTÓ ÉS AXIÁLIS TERHELÉSNEK KITE TT FRP-VEL MEGERŐSÍTETT ELEMEK HAJLÍTÁSI TEHERBÍRÁSA Az együttes hajlító és axiális terhelésnek kitett FRP-vel megerősített elemek hajlítási teherbírását a következőképpen tervezhetjük meg:
ahol MSd a tervezési alkalmazott nyomaték MRd pedig a megerősített elem flexiós kapacitása a tervezési axiális erő, NSd figyelembevételével. Egy lehetséges tervezési eljárás tehát a következő. A húzott vasalás és az FRP rendszerhez kapcsolódó µs és µf mechanikai arányszámokat a következőképpen lehet kiszámítani:
ahol As1 és fyd a meglévő vasalás területe és folyási hatásának tervezési értéke, fccd a keresztirányú
alakváltozásában gátolt beton nyomószilárdság tervezési értéke, a szükség esetén csökkentett nyomószilárdság, b és d az FRP-vel megerősített elem szélessége és hatékony magassága, bf és tf az FRP szélessége és vastagsága, ffd pedig az FRP szilárdság tervezési értéke a 4.2.2.4 szakasz, (2)P tétel szerint. A földrengésbiztos alkalmazás anyagainak tervezési szilárdsága meg kell, hogy feleljen a 3.3.3 szakasz, (7)-es tételnek; ezeket az értékeket helyszíni (in-situ) kísérleti vizsgálatokkal lehet megállapítani. A földrengésbiztos alkalmazásoknál, ha nem áll rendelkezésre a szerkezet és az anyagtulajdonságok részletesebb elemzése, a meglévő anyagok mechanikai tulajdonságait egy 1-nél nagyobb alkalmas tényezővel kell elosztani. A következő nem-méretfüggő, az alkalmazott terhelést tükröző egyenleteket vezetjük be:
Ha ismerjük az FRP szélességét és mechanikai tulajdonságait, alkalmazni lehet egy próbálkozásos módszert az FRP megerősítés vastagságának kiszámítására a következők szerint.
157
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
Az 1. lépés
a következőképpen számítható:
2. lépés A következő ηi (i = 0, 1, 2, 3) paramétereket határozzuk meg:
ahol: - u a meglévő nyomott As2 és húzott As1, vasalás aránya. - r=2 /1000εfd . 3. lépés A 8-1. táblázatból a tönkremeneteli mód, (4.2.2.3. szakasz 4-5 ábra) és az m(mr)(η). paraméter megfelelő értéke meghatározható az η értékének függvényében a 2. lépésben megadott határokhoz viszonyítva. 8-1. táblázat
4. lépés A megerősített elem dimenziótlanított hajlítási teherbírását mRd (nSd), a következőképpen számítjuk:
158
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
5. lépés A következő összefüggésnek teljesülnie kell:
Ha nem ez a helyzet, a megerősítő rendszert és annak µf mechanikai arányszámát növelni kell, és a lépéseket meg kell ismételni az 1. lépéstől.
159
CNR-DT 200/2004 ___________________________________________________________________________
9. „D” MELLÉKLET (KERESZTIRÁNYÚ ALAKVÁLTOZÁSBAN GÁTOLT BETON)
9.1 A KERESZTIRÁNYÚ ALAKVÁLTOZÁSBAN GÁTOLT BETON ALAPÖSSZEFÜGGÉSE Az FRP-vel körbevett beton viselkedésének modellezéséhez előzetesen egy megfelelő alapvető törvényt kell megfogalmazni az egy tengelyű nyomásnak kitett elemek mechanikai viselkedésére. Ebben a kontextusban a 4.5.3. szakaszban javasolt parabola-téglalap modell helyett egy, a 9-1. ábrán bemutatotthoz hasonló nem lineáris összefüggést is el lehet fogadni, ahol a parabolaágat egy lineárisan emelkedő ág követi. A két ág metszési pontjánál a σ(ε) függvény eredőjét folyamatosnak tételezzük fel.
9-1 ábra – Az FRP-vel határolt beton feszültség-alakváltozás modellje.
Az összefüggés matematikai modelljét a következőképpen lehet leírni: - (parabola ág)
- (lineáris ág)
160
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
ahol:
-. a következőképpen meghatározható dimenziótlan tényező:
- fcd és εc0 a keresztirányú alakváltozásban nem gátolt beton nyomószilárdságának tervezési értéke és alakváltozása csúcsterhelésnél, amelyet 0,2%-nak tételezünk fel mindkét esetben. - εccu a keresztirányú alakváltozásban gátolt beton törési összemomódása az fccd nyomószilárdság tervezési értékére vonatkoztatva (4. fejezet). - az a és b tényezőket a következőképpen vesszük:
ahol (lásd a 9-1 ábrát):
161
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
10 „E” MELLÉKLET (PÉLDÁK AZ FRP-MEGER ŐSÍTÉS TERVEZÉSÉRE) Ebben a függelékben számszerűsített példákon mutatjuk be a vasbeton elemek FRP-vel való megerősítését nem földrengésbiztos alkalmazások esetén. Azt tételezzük föl, hogy az FRP megerősítés a megnövekedett terhelés miatt szükséges. Tervezéskor csak a teherbírási határállapotra vonatkozó számításokat végeztük el. A használhatósági határállapotra vonatkozó tervezést nem végeztünk, mert hasonló a vasbeton elemek elméletéhez.
10.1 GEOMETRIAI, MECHANIKAI, ÉS TERHELÉSI ADATOK A tervezésnél kiindulásul vett épületet mutatja be a 10-1. ábra. A szerkezeti elemeket a következőképpen határoztuk meg:
• 30 cm x 50 cm keresztmetszetű téglalap alapú főgerendák (beton fedőréteg d1=d2=3 cm). • 30 cm x 40 cm keresztmetszetű téglalap alapú mellékgerendák (beton fedőréteg d1=d2=3 cm). • 20 cm x 30 cm keresztmetszetű téglalap alapú oszlopok (beton fedőréteg d1=d2=3 cm).
10-1. ábra – Az épület geometriai jellemzői (méretek méterben). Az anyagok mechanikai tulajonságai a következők:
• Beton: Rck = 20 N/mm2. • Betonacél: FeB32k (fyk=31.5 N/mm2).
A terhelés feltételeit a következőképpen határoztuk meg:
• Hasznos terhelés az 1. szinten: a1 = 2.00 kN/m2. • Hasznos terhelés a 2. szinten: a2 = 0.50 kN/m2. • Hó (III. zóna, magasság as< 200m ): b = 0.75 kN/m2 . • Holt teher a padozat miatt (szintenként): g = 6.00 kN/m2
A teherbírási határállapotban (ULS) ható faktorált terhelés a következőképpen számítható ki:
• 1. szint: q1 = 62,25 kN/m. • 2. szint: q2 = 55,00 kN/m.
162
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
A 10-2-es ábra mutatja a meglévő vasalás elrendezését a gerendákban és oszlopokban. ACÉLBETÉTEK, 2. SZINT
ACÉLBETÉTEK, 1. SZINT
ACÉLBETÉTEK, GERENDÁK: 1. ÉS 2. SZINT
10-2. ábra – Az acélbetétek ekhelyezkedése a gerendákban és oszlopokban.
10.2 A TERHELÉS NÖVELÉSE Az új terheléseket a következőképpen határozzuk meg:
• 1.szint: a1 = 6.00 kN/m2. • 2.szint: a2 = 4.00 kN/m2.
A teherbírási határállapotban (ULS) ható mértékadó terhelés a következőképpen számítható ki:
• 1.szint: q1 = 92.25 kN/m. • 2.szint: q2 = 81.20 kN/m.
163
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
10.3 HAJLÍTÁSI MEGER ŐSÍTÉS TERVEZÉSE Az anyagtulajdonságok tervezési értékeit a következőképpen határozzuk meg:
• Beton (fck =16,60. N/mm2, γc=1.60, fcd=10.38 N/mm2, fctm = 1.95 N/mm2, fctm =0.7·fctm / γc = 0.85 N/mm2)
• Betonacél (fyk = 315.00 N/mm2, γs = 1.15, fyd = 274.00 N/mm2) A következő összefüggésnek kell teljesülnie:
Amint a 10-1-es táblázat mutatja, a (10.7) egyenlet nem teljesül a fesztáv közepén egyik szinten sem az 5.5 m hosszú gerendákra. 10-1. táblázat Szint Fesztáv
[m]
Szakasz MSd [kN m]
As1 [cm2]
As2 [cm2]
MRd [kN m]
Teljesül a. (10.7) egyenlet
1
4,0 bal támaszték
-49
4,02 6,03 -49,3 Igen
4,0 fesztáv közepe
69 6,03 4,02 73,2 Igen
4,0 jobb támaszték
-195 22,90 14,60 -272,4 Igen
5,5 bal támaszték
-242 22,90 14,00 -272,4 Igen
5,5 fesztáv közepe
182 14,60 4,02 168,4 Nem
5,5 jobb támaszték
-99 13,40 14,60 -162,1 Igen
2 4,0 bal támaszték
-35 4,02 6,03 -49,3 Igen
4,0 fesztáv közepe
65 6,03 4,02 73,2 Igen
4,0 jobb támaszték
-175 22,90 14,60 272,4 Igen
5,5 bal támaszték
-207 22,90 14,00 272,4 Igen
5,5 fesztáv közepe
173 14,60 4,02 168,4 Nem
5,5 jobb támaszték
-67 13,40 14,60 -162,1 Igen
Az FRP-vel való hajlítási megerősítéskor szénszálas megerősítést viszünk fel nedves felhordási módszerrel és a következő mechanikai és geometriai jellemzőkkel: (1. mód, 2.3.3.2 fejezet : αfE = αff =0.9):
• A CFRP vastagsága: tf,1= 0.167 mm. • A CFRP szélessége: bf = 240.0 mm. • A CFRP Young-modulusa a szálak irányában (gerenda tengelye): • Ef = αfE·Efib = 0.9·300000 N/mm2 = 270000 N/mm2. • A CFRP szilárdság jellemző értéke: ftk = αff·ffib = 0.9·3000 N/mm2 = 2700 N/mm2.
164
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
Az A típusú alkalmazásnál a γf és γf,d parciális tényezők 1,10 illetve 1,20 (3.4.1. szakasz 3-2 táblázat). A környezeti konverziós tényező 0.95 (3.5.1. szakasz, 3-4. táblázat). Próbálkozásos eljárást végezhetünk annak meghatározására, hogy milyen nf számú CFRP rétegre van szükség a (10.7)-es egyenlet teljesüléséhez. Ezért, feltéve, hogy nf =1, a maximáls CFRP tervezési nyúlás, εfd, a következőképpen számítható ki ((4.19)-es egyenlet):
ahol:
A CFRP szilárdság tervezési értéke, az ffdd,2 , ha a 2-es tönkremeneteli mód (leválás ) uralkodik, és amikor a (4.6) egyenlet kcr értékét 3,0-nak vesszük, a következőképpen számítható ((4.3), (4.2) és (4.6) egyenletek):
A CFRP hajlítási tönkrementetli mechanizmusa két típusú lehet, attól függően, hogy aCFRP maximális húzási nyúlása, εfd, vagy a beton maximális összenyomódása, εcu, következik-e be (10-3. ábra).
165
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
10-3 ábra – FRP-vel megerősített VB elemek törési régiói.
Erre a speciális esetre vonatkozóan a törési mód azonosításához a CFRP mechanikai arányszám, a µf kerül kiszámításra:
és összehasonlításra az egyensúlyi mechanikai arányszámmal, a következőképpen meghatározott µf1-2 –vel:
A (10.8) egyenletben egyenlő a beton nyomószilárdságának tervezési értékével, fcd –vel amelyet szükség esetén megfelelően csökkentünk. A (10.9) egyenletben, µs amelyet a (8.2) egyenletben határoztunk meg. u jelenti a nyomott és húzott acélbetétek területének arányszámát, (As2, és As1), ε0 a beton kezdeti megnyúlása, amelyet így számítunk:
ahol Mgk az önsúly tehernek betudható nyomaték az SLS-ben.
166
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
Ha µf ≤ µf1-2 , a törés az 1-es régióban történik, ; ha viszont µf > µf1-2, akkor a 2-es régióban (10-3. ábra). Ha már ismerjük a tönkremeneteli módot, a semleges tengely x helyzete azonosítható a (4.20) egyenletben. A hajlítási teherbírás, MRd, a (4.21) egyenletből számítható ki, feltéve hogy a γRd, parciális faktor 1.00 (3.4.2. szakasz, 3-3 táblázat). A számított hajlítási teherbírás, MRd, egyetlen réteg CFRP megerősítésnél (10-2. táblázat) is nagyobb, mint az alkalmazott nyomaték, az MSd. 10-2. táblázat szint fesztáv szakasz MSd
[kNm] nf εfd µf1 µf1-2 terület x
[m] MRd
[kNm] le
[m] 1 5,5 közép 182 1 0,0054 0,047 0,099 1 0,14 195 0,11 2 5,5 közép 173 1 0,0054 0,047 0,099 1 0,14 195 0,11 Ha a (10.1) egyenlet nem teljesül, a CFRP rétegek számát fokozatosan növeljük, megismételve a tervezés lépéseit. A CFRP megerősítést addig kell a gerenda tengelye mentén felhelyezni, amíg a (10.1) –es egyenlet nem teljesül. Megfelelő lehorgonyzási hosszt kell biztosítani a CFRP megerősítésnek, a 4.2.2.5. szakasz szerint. A 10-2 táblázat összefoglalja a (4.1) egyenlet alapján számított optimális tapadási hossz, értékét:
10.4 A NYÍRÁSI MEGERŐSÍTÉS TERVEZÉSE A következő összefüggésnek teljesülnie kell:
ahol VSd a tervezési nyíróerő, VRd pedig a következőképpen kalkulált nyírási teherbírás:
VRd = min {VRd,ct+VRd,s , VRd,max } (10.13)
ahol VRd,ct és VRd,s a meglévő beton és vasalás részesedése a nyírási teherbírásból, VRd,max pedig a maximális nyírási teherbírás, ami a nyomott beton rácsrúd teherbírása. Az érvényes építési előírás szerint a fönt említett mennyiségeket a következőképpen lehet kifejezni:
ahol:
167
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
- δ = 1 amikor a tengelyirányú erő elhanyagolható, δ = 0 a tengelyirányú húzóerő, δ =1+M0 /MSd a tengelyirányú nyomóerő esete. (M0 a dekompressziós nyomaték, amely a keresztmetszet szélső szálára vonatkoztatva, a gerenda hosszában vizsgálva, ahol az MSd hat); - Asw, s, és fywd jelentik a kengyelek keretsztmetszeti területét, a kengyelek távolságát és a kengyelek folyási határának tervezési értékét. Az érvényes építési előírás szerint a vasalás hozzájárulása a nyírókapacitáshoz a következőképpen alakul:
A 10-3. táblázat összefoglalja a fennálló nyírókapacitás adatait. Mint látható, minden elemnél szükség van megerősítésre. 10-3 táblázat szint Fesztáv
[m] szakasz VSd
[kN] VRd,max [kN]
Asw [cm2]
S [cm]
VRd,s [kN]
VRd,ct [kN]
VRd [kN]
A (10.18) egyenlet teljesül?
1
4,0 Bal támasz 148 438 1,00 20 58,2 73,6 131,8 NEM 4,0 Jobb támasz 221 438 1,00 15 77,6 73,6 151,2 NEM 5,5 Bal támasz 280 438 1,00 10 116,5 73,6 190,1 NEM 5,5 Jobb támasz 228 438 1,00 15 77,6 73,6 151,3 NEM
2
4,0 Bal támasz 127 438 1,00 20 58,2 73,6 131,8 NEM 4,0 Jobb támasz 198 438 1,00 15 77,6 73,6 151,2 NEM 5,5 Bal támasz 248 438 1,00 10 116,5 73,6 190,1 NEM 5,5 Jobb támasz 197 438 1,00 15 77,6 73,6 151,3 NEM
Az FRP nyírási megerősítést U alakban felragasztott szénszálas erősítéssel oldják meg, amelynek geometriai, és mechanikai jellemzői a következők (1-es mód, 2.3.3.2 szakasz αfE=αff=0.9):
• CFRP vastagság: tf,1= 0.167 mm. • CFRP szélesség: wf = 150.0 mm. • CFRP Young-féle modulus:αfE·Ef = 0.9·300000 N/mm2 = 270000 N/mm2. • CFRP jellemző szilárdság: αff·ffk = 0.9·3000 N/mm2 = 2700 N/mm2.
A típusú alkalmazásnál a γf és γf,d parciális faktorok 1,10 and 1,20 (3.4.1 szakasz, 3-2 ábra). A következő szálirányokat vettük figyelembe a gerenda tengelyében.
• 1-es szint: ß = 45°. • 2. szint: ß = 90°.
A megerősített elem nyírási teherbírásának tervezési értéke a (4.24) egyenletben számítható:
ahol: -VRd,ct a beton részesedése a nyírási teherbírásból:
168
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
ahol fctd a beton húzószilárdság tervezési értéke, és δ. = 1. - VRd,s a vasalás részesedése a nyírási teherbírásból (10.16) egyenlet szerint. - VRd,f a CFRP részesedése a nyírási teherbírásból a (4.26) egyenlet alapján a következőképpen:
ha γRd egyenlő 1.2-vel (3.4.2. szakasz, 3-3 tábl.), és θ =45°. -VRd,max a maximális nyírási teherbírás a nyomott beton rácsrúd teherbírása a (10.14)-es egyenlet szerint. A CFRP U alakú borítással készült megerősítésben a hatékony tervezési szilárdság, ffed, a (4.30) egyenletből számítható ki:
ahol: -hw a gerenda magassága. -le a (10.11) egyenletből számított hatékony tapadási hossz. -ffdd az 1-es módhoz tartozó tapadószilárdság a (4.4.) egyenletből:
Föltéve, hogy a CFRP csík szélessége, wf, 150 mm, a középvonalak közötti távolság, pf, és a CFRP rétegek száma, nf, is meghatározható próbálkozással mindaddig, amíg a (10.12) egyenlet nem teljesül. A 10-4 és 10-5 valamint a 10-6 és 10-7 táblázatok összegzik az elvégzett nyírási tervezés eredményét az U alakú CFRP borításos technikával az 1. és 2. szintre vonatkozóan.
10-4 táblázat
Fesztáv
[m] szakasz nf
pf
[N/mm2] Fk
[N/mm2] f fdd
[N/mm2] le
[mm] ffed
[N/mm2] VRd,f
[kN] 4,0 Bal
támasz 1 200 0,17 492 106 463 82
4,0 Jobb támasz
2 200 0,17 348 150 319 112
5.5 Bal támasz
2 150 0,17 348 150 319 150
5.5 Jobb támasz
1 150 0,17 492 106 463 109
169
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
10-5 táblázat Fesztáv
[m] szakasz VRd,ct
[kN] VRd,s [kN]
VRd,max [kN]
VRd [kN]
VSd [kN]
4,0 Bal támasz 73,6 58,0 438,8 214 148 4,0 Jobb támasz 73,6 78,0 438,8 264 220 5.5 Bal támasz 73,6 116,0 438,8 340 280 5.5 Jobb támasz 73,6 78,0 438,8 261 227
10-6 táblázat Fesztáv
[m] szakasz nf
Pf
[mm] .ΓFk
[N/mm2] ffdd
[N/mm2] le
[mm] ffed
[N/mm2] VRd,f
[kN] 4,0 Bal
támasz 1 150 0,17 492 106 450 53
4,0 Jobb támasz
2 150 0,17 348 150 307 72
5.5 Bal támasz
2 150 0,17 284 184 243 86
5.5 Jobb támasz
2 150 0,17 284 184 243 86
10-7 táblázat
Fesztáv [m]
szakasz VRd,ct
[kN] VRd,s [kN]
VRd,max [kN]
VRd [kN]
VSd [kN]
4,0 Bal támasz 73,6 58,0 438,8 185 127 4,0 Jobb támasz 73,6 78,0 438,8 224 198 5.5 Bal támasz 73,6 116,0 438,8 276 248 5.5 Jobb támasz 73,6 78,0 438,8 238 197
10.5 AZ EGYÜTTES HAJLÍTÓ ÉS KIS KÜLPONTOSSÁGÚ TENGE LYIRÁNYÚ TERHELÉSNEK KITETT OSZLOPOK KERESZTIRÁNYÚ ALAKVÁLTO ZÁS GÁTLÁSA Az érvényben lévő építési előírás alapján P-M diagrammot készítettünk a konkrét anyagok mechanikai tulajdonságai alapján. Mint azt a 10-8. táblázatban összegeztük, mindkét szinten két esetben van szükség az oszlopok megerősítésére.
170
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
10-8. táblázat Szint
Oszlop
Szakasz
NSd [kN]
MSd [kN m]
nsd msd µs Megerősítés szükséges?
1
BAL ALSÓ -290 -10 0,61 0,08 0,29 NEM BAL FELSŐ -282 16 0,59 0,12 0,29 NEM KÖZÉP ALSÓ -962 -9 2,02 0,07 0,29 IGEN KÖZÉP FELSŐ -954 15 2,00 0,12 0,29 IGEN JOBB ALSÓ -441 16 0,93 0,12 0,29 NEM JOBB FELSŐ -432 -34 0,91 0,26 0,29 NEM
2
BAL ALSÓ -134 -34 0,28 0,26 0,29 NEM BAL FELSŐ -128 35 0,27 0,27 0,29 NEM KÖZÉP ALSÓ -453 -32 0,95 0,25 0,29 NEM KÖZÉP FELSŐ -447 33 0,94 0,26 0,29 NEM JOBB ALSÓ -204 66 0,43 0,51 0,29 IGEN JOBB FELSŐ -198 -67 0,42 0,52 0,29 IGEN
Mivel az 1. szint központi oszlopa enyhén excentrikus axiális nyomásnak van kitéve, itt FRP-megerősítést végzünk annak érdekében, hogy teljesüljön a következő egyenlet:
Az oszlopon folytonos CFRP burkolást végzünk, a következő feltételezett paraméterekkel ( 2.3.3.2. szakasz, αfE=αff=0.9):
• CFRP vastagsága: tf,1= 0.167 mm. • CFRP Young modulusa: Ef = 0.9·300000 N/mm2 = 270000 N/mm2. • CFRP jellemző szilárdság: ffk = 0.9·3000 N/mm2 = 2700 N/mm2.
Az A-típusú alkalmazásnál a γf és γf,d parciális faktorokat 1.10-nek (3.4.1. szakasz, 3-2 tábl.) és 1.20-nak (3.4.2. szakasz, 3-3. tábl.). Az ηa környezeti konverziós faktort egyenlőnek vesszük 0,95-tel (3.5.1. szakasz, 3-4. tábl.). Próbálkozásos eljárással határozzuk meg azokat a CFRP rétegszámokat, (nf) amelyek mellett teljesül a (10.29) egyenlet. Következésképpen, feltéve,hogy nf=1, az NRcc,d tervezési axiális teherbíróképesség a következőképpen írható fel ((4.40) egyenlet):
ahol: - γRd az ellenállás-modell parciális tényezője egyenlő 1.10-del (3.4.2. szakasz, 3-3. tábl). - Ac a beton keresztmetszeti területe. - fccd a körbevett beton tervezési szilárdsága. - As a meglévő vasalás keresztmetszeti területe. - fyd a meglévő vasalás folyási határának tervezési értéke az érvényes építési előírás szerint.
171
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
A keresztirányú alakváltozásban gátolt beton nyomószilárdság tervezési értéke, az fccd, a (4.41) egyenlet alapján számítható:
ahol fcd a keresztirányú alakváltozásban nem gátolt beton nyomószilárdság tervezési értéke az érvényes építési előírás szerint, és fl,eff a hatékony keresztirányú nyomás az FRP alkalmazás és az elem keresztmetszet függvényében. Az utóbbit a (4.42)-es egyenlet adja meg a következőképpen:
ahol: -keff (≤ 1) a (4.44) egyenletben meghatározott hatékonysági együttható:
-ρf a CFRP geometriai arányszáma; téglalap alakú keresztmetszet folytonos FRP megerősítéssel való burkolása, amelyet a következőképpen lehet fölírni:
ahol - b és d az oszlop keresztmetszet méretei. - Ef a CFRP Young-modulusa a szálak irányában. - εfd,rid a CFRP csökkentett tervezési szilárdsága a (4.47) egyenlet alapján:
A kV függőleges hatékonysági tényező és a kα koefficiens egyaránt 1-nek tekinthető, ha a folytonos borításban a szálak merőlegesen futnak az elem tengelye mentén. A vízszintes hatékonysági tényező, kH, téglalap keresztmetszet esetén a következőképpen írható fel (4.51) egyenlet):
ahol b’ és d’ a 4.5.2.1.2 szakasz 4-12 ábrája szerint, Ag pedig az oszlop keresztmetszeti területe. A CFRP-vel körbevett oszlop számított tengelyirányú teherbírását, NRcc,d, a 10-9. táblázatban összesítettük.
(10.24)
(10.25)
(10.26)
(10.27)
(10.28)
(10.29)
172
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
10-9. táblázat SZAKASZ
nf KH keff ρf f1.,eff
[N/mm2] Fccd
[N/mm2] NRcc,d [kN]
ALJA
1 0,48 0,48 0,0029 0,75 15,10 1102
TETEJE
1 0,48 0,48 0,0029 0,75 15,10 1102
A CFRP-megerősítés elvégzése előtt a keresztmetszeti éleket legalább 20 mm-es sugárral le kell kerekíteni a (4.49) egyenlet szerint.
10.6 AZ EGYÜTTES HAJLÍTÓ ÉS NAGY KÜLPONTOSSÁGÚ TENG ELYIRÁNYÚ TERHELÉSNEK KITETT OSZLOPOK KERESZTIRÁNYÚ ALAKVÁLTO ZÁS GÁTLÁSA Ebben a bekezdésben a 2. szint jobb oldali, együttes hajlító és axiális erőknek kitett oszlop CFRP-megerősítésének tervezését hajtjuk végre. A hajlítási CFRP megerősítést úgy végezzük, hogy a következő geometriai és mechanikai paramétereket feltételezzük (2.3.3.2 szakasz, 1-es mód: αfE=αff=0.9):
• CFRP vastagság: tf,1= 0.167 mm. • A CFRP Young modulusa: .αfE·Ef = 0.9·300000 N/mm2 = 270000 N/mm2. • CFRP jellemző szilárdsága: αff·ffk = 0.9·3000 N/mm2 = 2700 N/mm2.
Emellett az oszlopnak a gerendákhoz közeli régióiban ugyanazt a CFRP anyagot alkalmazzuk, mint az oszlop borításánál, ahogy azt a C függelékben javasoltuk. Az A típusú (Type A) alkalmazásnál az γf parciális faktort egyenlőnek vesszük 1,10-del (3.4.1. szakasz, 3-2. tábl.). A környezeti konverziós tényező, ηa, pedig egyenlő 0.95-dal (3.5.1. szakasz, 3-4. tábl.). A burkolás nyomószilárdság tervezési értéke a következőképpen írható le:
A próbálkozásos eljárást indítjuk a C függelék alapján a dimenziótlan együtthatók kiszámításával:
173
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
ahol b és d az oszlop keresztmetszet méretei, egyenlő a keresztirányú alakváltozásban gátolt beton nyomószilárdság tervezési értékével, fcd pedig a szükség szerint csökkentett érték. A terv akkor teljesül, ha a CFRP rétegek száma nf egyenlő 3-mal (10-10., 10-11. tábl.).
10-10. táblázat SZAKASZ
nsd msd µs u nf u .ΓFk
εfd ffd µf
ALJA
0,29 0,35 0,2 1 3 1 0,2 0,0086 2590,9 0,29
TETEJE
0,28 0,35 0,2 1 3 1 0,2 0,0086 2590,9 0,29
10-11. táblázat SZAKASZ
η0 η1 η2 η3 η Tönkremeneteli mód
m msd Ellenőrizve
ALJA
-0,19 0,12 0,23 0,73 0,72 2 0,009 0,43 IGEN
TETEJE
-0,19 0,12 0,23 0,73 0,70 2 0,011 0,43 IGEN
174
CNR-DT 200/2004 ____________________________________________________________________________________________________
11. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezt a dokumentumot szó szeint fordították olaszról angol nyelvre Szerkezeti Kompozitok Innovativ Építészeti Alkalmazásai Központ (SCIC) segítségével. A fordítást a munkacsoport tagjai végezték Renato Parretti ellenőrzése mellett, akinek a segítségéért hálás köszönetet mondunk. A munkacsoport tagjai köszönetüket fejezik ki minden gyakorlati szakembernek, vállalkozásnak és felsőoktatási intézménynek, akikkel együttműködtek, hogy ez a dokumentum valamennyiük közös álláspontját tükrözze.
