UŽSIENIO ŠALIŲ PATIRTIS VARTOJANT KOMPOZICINES MEDŽIAGAS PASTATŲ IR INŽINERINIŲ STATINIŲ STATYBAI IR REMONTUI V. Lukoševičius Kauno technologijos universitetas 1. Įvadas

Visi pastatai ir inžineriniai statiniai sensta fiziškai ir moraliai, mažėja jų patikimumas, blogėja eksploatacinės sąlygos. Vienas iš būdų siekiant labiau pailginti pastatų ir inžinerinių statinių konstrukcijų eksploatavimo trukmę ir sustiprinti jų patikimumą yra efektyvių, šiuolaikinių statybinių medžiagų vartojimas.

Kompozicinių medžiagų vartojimas pramoninių, civilinių, hidrotechninių ir kitų pastatų ir inžinerinių statinių statybai ar jų remontui nėra tradicinis, bet jos atveria platesnes pasirinkimo galimybes ir jų skvarba į statybinių medžiagų ir statybos pramonę užsienio šalyse yra labai sparti. Vis platesnį kompozicinių medžiagų naudojimą nulemia gerosios jų savybės: didelis mechaninis stiprumas, lengvumas, elastingumas, atsparumas korozijai, nelaidumas elektrai ir šilumai, labai geras elektromagnetinių bangų pralaidumas. Konstrukcijų atnaujinimo darbams vartojamos kompozicinės medžiagos pasižymi gera adhezija, atsparumu agresyviai aplinkai, todėl jos ypač efektyvios ten, kur reikia apsaugoti armatūrą nuo korozijos, pagerinti atitvarines ar estetines konstrukcijos savybes, sustabdyti jos tolesnio irimo procesą. Rūpinantis mūsų statinių ateitimi Lietuvoje būtina atkreipti dėmesį į pavardintas perspektyvių kompozicinių medžiagų savybes. Teikiamo pranešimo tikslas parodyti konkrečių kompozicinių medžiagų vartojimo užsienio šalių praktikoje pavyzdžius, jų techninį ir ekonominį efektyvumą ir prognozuoti, kokį vaidmenį suvaidins ypač perspektyvios kompozicinės medžiagos Lietuvos infrastruktūros projektuose.

2. Tradicinių ir kompozicinių medžiagų charakteristikų palyginimas

Tradicinių statyboje vartojamų medžiagų betono,

gelžbetonio, plieno, aliuminio ir kompozicinių medžiagų mechaninės charakteristikos (tempimo stiprumas, elastingumo modulis, lyginamasis svoris) [1] pateiktos lentelėje. Nesunku pastebėti, kad plastikas sustiprintas stiklo, aramido ar anglies pluoštu įgauna pakankamai patikimas mechanines savybes, tenkinančias statybinių medžiagų normatyvinius reikalavimus. Kompozicinės medžiagos turi ir trūkumų. Vienas svarbiausių- didėjant temperatūrai mechaninės charakteristikos blogėja. Kompozicinės medžiagos: stiklo, aramido, anglies plastikai bei kitos medžiagos pasižymi ryškiomis anizotropinėmis savybėmis. Sumaniai projektuojant konstrukcijų elementus iš medžiagų su skirtingomis mechaninėmis ir fizikinėmis savybėmis (taikant daugiasluoksniškumo principą) galima suteikti konstrukcijai būtinas technines, eksploatacines ir kitas savybes. Naudojant variantinį projektavimą galima sukurti optimalių parametrų konstrukcinius elementus pasižyminčius didžiausiu stiprumu ir standumu bei mažiausia kaina [2]. Daugelis kompozicinių medžiagų gerai įsiskverbia į betoną, taip pat gerai sukimba su plienu ar armatūra ir taip sudaro vieną kelių elementų sistemą, kuri veikiama išorės apkrovų ir veiksnių patikimai dirba kaip vieninga konstrukcija. Įdomų tradicinių ir statybos praktikai perspektyvių kompozicinių medžiagų (anglies pluoštu sustiprinto plastiko) savybių palyginimą pateikia autoriai literatūroje [ 3].

1 lentelė. Medžiagų mechaninės charakteristikos

Table 1. Mechanical characteristics of materials

Medžiaga σy[MPa] E[MPa] ϕ[kg/m3] Betonas

Gelžbetonis Plienas

Aliuminis Stiklo pluoštu sustiprintas plastikas

Aramido pluoštu sustiprintas plastikas Anglies pluoštu sustiprintas plastikas

20-50 50-100

360-510 280-410 200-700 1300-1500 1500-3000

15000-25000 25000-30000

210000 75000

15000-40000 70000-110000 125000-330000

2400 2400 7850 2700

1700-2100 1350-1400 1550-2000

Kompozicinės medžiagos turėdamos pakankamai aukštą ilgalaikį stiprumą yra lengvos, estetiškai patrauklios, turi labai didelį atsparumą agresyviai aplinkai. Jas vartojant galima suprojektuoti efektyvesnes naujų statinių konstrukcijas arba atnaujinti, sustiprinti arba apsaugoti nuo korozijos esamas konstrukcijas.

1 pav. Anglies pluoštu sustiprinto plastiko savybių privalumai lyginant su plienu ir aliuminiu

Fig 1. Advantages of carbon fiber reinforced plastic in contrast to steel and aluminium

3. Progresyvių kompozicinių medžiagų gamyba

Vienas iš svarbiausių pasiekimų kompozicinių medžiagų gamybos technologijoje yra gamybos procesų pilnas automatizavimas. 2-4 paveiksle parodytas įvairių statybos praktikoje naudojamų profilių iš kompozicinių medžiagų nepertraukiamos automatizuotos gamybos procesas, o 5 paveiksle – įvairūs profilių komerciniai pavyzdžiai iš MMFG (Morison Molded Fiber Glass Company) katalogo (1998).

2 pav. Stiklo pluošto gamybos linija [MMFG (1998)]

Fig 2. Line of manufacturing fibres [MMFG (1998)]

Stiklo pluoštas

Tempi-mas

Derva

Nukreipiamasisformavimas

Karštas formavimasGalutinis produktas

Traukimas

3 pav. Automatizuotos profilių iš stikloplasčio gamybos proceso schema

Fig 3. Manufacturing process of FRP pultruted profiles

4 pav. Automatizuota profilių gamybos linija

Fig 4. Line of manufacturing of FRP pultruted profiles

CFRP

Plienas Plienas

Aliuminis

Plienas

Aliuminis CFRP

Plienas

Aliuminis

CFRP

Plienas

Aliuminis

Temperatūrinis plėtimasis

Atsparumas nuovargiui

Atsparumas korozijai

Forma, spalva ir specifiniai stiprumo rodikliai gali būti iš anksto užduoti kiekvienai profilių ar jungiamųjų detalių grupei. Energijos sąnaudos gaminant statybinių konstrukcijų detales iš kompozicinių medžiagų yra 30 proc. mažesnės nei gaminant jas iš plieno ir sudaro 1/3 sąnaudų, reikalingų jas pagaminti iš aliuminio.

5 pav. Įvairių profilių, pagamintų iš kompozicinių medžiagų komerciniai pavyzdžiai [Katalogas Taema (1998)]

Fig 5. FRP profiles. Samples of Commercial

4. Kainų analizė

Parenkant medžiagas, iš kurių bus gaminami konstrukcijų elementai, tenka palyginti įvairių variantų kainas. Į konstrukcijų, sumontuotų iš elementų, pagamintų iš kompozicinių medžiagų, kainą įeina gamybos įrengimų naudojimo kaina, žaliavų (stiklo, audinio, dervos, kitų priedų) kaina, taip pat gamybos, transportavimo, surinkimo ar montavimo išlaidos. Daugumoje atveju dabartiniame etape statybinės konstrukcijos iš tradicinių (plieno, gelžbetonio, medžio) yra pigesnės už konstrukcijas, pagamintas iš kompozicinių medžiagų. Kompozicinės medžiagos gerokai brangesnės už cementą ar plieną. Vienok, kiti anksčiau paminėti kompozicinių medžiagų privalumai, pagerinantys konstrukcijų eksploatacines savybes, estetinę išvaizdą ir darbų spartą dažnai nulemia pastarųjų pasirinkimą. Ypač kompozicinių medžiagų efektyvumas pasireiškia atstatant konstrukcijų ir elementų laikomąją galią, standumą ar atsparumą pleišėjimui, taip pat

apsaugant armatūrą ir įdėtines detales, o kartais ir betoną nuo korozijos [4].

6 pav. Palyginimas konstrukcijų elementų pagamintų iš kompozicinių ir kitų medžiagų pagal stiprumą ir kainą

Fig 6. Comparative cost and strength of FRP versus other material 5. Kompozicinių medžiagų naudojimo pastatų ir

statinių konstrukcijose pavyzdžiai Kompozicinės medžiagos plačiausiai taikomos transporto, gyvenamųjų, visuomeninių ir pramonės įmonių objektų statybai ir konstrukcijų remontui. Daugiau nei 50 tiltų pastatyta Europoje, Kanadoje, Japonijoje ir Kinijoje per paskutiniuosius 20 metų naudojant konstrukcijas iš kompozicinių medžiagų.

7 pav. Ilgiausias pasaulyje iš kompozicinių medžiagų sukonstruotas tiltas (113 metrų), Škotijoje, 1995

Fig 7. World’s largest composite bridge in Scotland, 1995 (length of 113 meters)

Dažniausiai tai buvo eksperimentiniai statiniai, kurių konstrukcijos randasi agresyvioje aplinkoje. Naujos medžiagos taikomos įrengiant jūros tiltus, statant platformas, tunelius, viadukus, televizijos bokštus, įrengiant stogus, tiesiant dujotiekių linijas, ar statant namus, kurių visos pastato konstrukcijos pagaminamos vien iš kompozicinių medžiagų. Visais atvejais jų

Kaina tūrio vienetui

PlienasAliuminis

Medis Klijuotas medis

Plastikas

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

Stiprumas svorio vienetui

Valcuoti plieno vamzdžiai

Plieniniai profiliai

E lementai iš plastiko Štampuotas

aliuminis 0.250.5

0.751

1.251.51.75

2

0

taikymas sutrumpina statybos ar remonto trukmę ir prailgina statinio tarnavimo laiką.

8 pav. Dujotiekio Šiaurės Italijoje vamzdžiai iš kompozicinių medžiagų. Vieno segmento ilgis – 140 m, skersmuo – 8,40 m (ilgiausias pasaulyje)

Fig 8. FRP stack liners in Northen Italy. One –piece 140 m. long and 8.40 in diameter (World’s largeest)

9 pav. Namas vien iš kompozicinių medžiagų [MMFG (1998)]

Fig 9. All-fiberglass building [ MMFG (1998)] Gana plačiai kompozicinės medžiagos naudojamos konstrukcijoms ir pagamintoms iš tradicinių statybinių medžiagų (betono, gelžbetonio, medžio) atnaujinti, stiprinti ar apsaugoti nuo agresyvios aplinkos. Jas naudojant užtaisomi plyšiai betone, hermetinamos sujungtos vietos arba atstatomas konstrukcijos monolitiškumas; atnaujinami geometriniai parametrai ir forma (atstatomi numušti kampai ir briaunos, atšokęs apsauginis sluoksnis, pašalinamas kavernos); apsaugomos konstrukcijos nuo žalingų aplinkos poveikių

(dilimo, smūgių, drėgmės, agresyvios aplinkos); tvirtinami prie konstrukcijų įvairūs elementai (plieno, stikoplasčio lakštai, inkariniai strypai, varžtai ir kt.); sujungiami montuojami elementai [1]. Kompozicinės medžiagos plačiausiai vartojamos grindų dangoms įrengti ir atnaujinti. Be tradicinių polimerinių mastikų,epoksidinių glaistų, polimerbetonio vis platesnį praktinį pritaikymą įgyja grindų dangos armuotos stiklo ar anglies pluošto audiniu (10 pav.).

10 pav. Grindų paviršiaus stiprinimas

Fig 10. Strengthening of floor slab

Audinys atlieka dekoratyvinę arba armatūros funkciją, todėl tokios grindys dailesnės ir žymiai atsparesnės dilimui ir smūgiams. Pakankamai gerai moksliškai išnagrinėti ir gan plačiai užsieninėje praktikoje taikomi įvairūs kolonų ir sijų stiprinimo būdai, kuomet konstrukcijose atsiranda neleistinų defektų ar jos netenkina funkcinių reikalavimų. Elementų paviršiuje, pavyzdžiui, prie betono galima klijuoti stiklo, anglies plastiko ar kitų kompozicinių medžiagų juostas, lakštus ar audinį (11 pav.). Taip pat prie kolonų ar sijų galima tvirtinti iš kompozicinių medžiagų pagamintus profilius ar strypus. Jie beveik nedidina nuolatinės apkrovos ir sėkmingai pakeičia metalinius profilius ar armatūros tinklus ir stripynus, kurie yra sunkūs, blogai prisiglaudžia prie deformuotų konstrukcijų. Tradicinėmis medžiagomis (naudojant plieno armatūrą arba metalinius valcuotus profilius) sustiprinus konstrukcijų elementus korozijos iššauktos problemos po tam tikro laiko vėl atsinaujina, tuo tarpu kompozicinės medžiagos šių trūkumų neturi. Eksperimentiniai tyrimai rodo, kad iš kompozicinių medžiagų pagamintomis

priemonėmis galima pastiprinti (kolonų, sijų) laikomąją galią daugiau nei 50 procentų ir toks remontas galutinai išsprendžia problemą.

11 pav. Kolonos stiprinimas

Fig 11. Strengthening of column

12 pav. Sijų stiprinimas

Fig 12. Strengthening of beam

Remontuojant perdangas ar stogus, jų paviršiuje galima klijuoti anglies plastiko juostas ar lakštus, kurie atstoja armatūrą (13 pav.). Šitoks patikimas konstrukcijos elementų stiprinimo būdas nepadidina nuolatinės apkrovos, nesumažina patalpos aukščio, bet padengia deformuotas paviršiaus vietas tankiu anglies plastiko sluoksniu, kuris apsaugo nuo aplinkos poveikio (korozijos). Šveicarų mokslininkai per pastaruosius 15 metų ištyrinėję kelis šimtus objektų, kur naudotas šis būdas ne tik gelžbetoninių, bet ir medinių konstrukcijų elementų stiprinimui tvirtina, kad daugelių atvejų darbai buvo atlikti greičiau ir su žymiai mažesnėmis sąnaudomis, nei naudojant tradicinius konstrukcijų stiprinimo būdus [5].

13 pav. Perdangų stiprinimas

Fig 13. Strengthening of roof-slab Įdomi kompozicinių medžiagų vartojimo sritis yra susidėvėjusių ar mechaniškai pažeistų medinių polių remontas. Kanados kompanija Fiber Tect Corporation pasiūlė stikloplasčio/fenolo kompozito audinį, kuriuo apvyniotas remontui paruoštas polis tampa stipresnis, atsparesnis ugniai ir gali tarnauti dar 25 metus. Metodo autoriai tvirtina, kad per keletą valandų restauruotas polis tampa labiau patikimas už naują.

14 pav. Susidėvėjusio polio stiprinimas

Fig 14. Restores of deteriorating pole

Kompozicines medžiagas sėkmingai galima naudoti taip pat ir istorinę ar architektūrinę vertę turinčių statinių restauravimui. Iš stiklo plastiko su pigmentiniais priedais galima išlieti įvairius statinio ornamentus savo forma , dydžiu ir spalva identiškus keičiamoms architektūrinėms detalėms.Taip galima restauruoti karnyzus, arkas, pliastrus ir kitas detales ir nedidelėmis sąnaudomis pasiekti geros atstatymo darbų kokybės. Paveikslai 10-15 iš [5].

15 pav. Karnyzai ir arkos iš kompozicinių medžiagų.

Fig 15. The cornices and arches from FRP

6. Išvados Užsienio šalių patirtis vartojant kompozicines

medžiagas pastatų ir inžinerinių statinių statybai ir remontui, atlikti moksliniai tyrimai ir išleistos projektavimo normos byloja apie gan didelę kompozicinių medžiagų skvarbą į statybinių medžiagų ir statybos pramonę. Negalima teigti, kad jos ateityje pakeis plieną, betoną ar medį, tačiau sumanus jų gerųjų savybių naudojimas ir derinimas su tradicinėmis medžiagomis gali suteikti statinių konstrukcijų elementams geresnes technines ir eksploatacines sąlygas ir ilgalaikiškumą. Literatūra

1. Lazzaro Fabio. Deformabilità e stabilità dei profili in

materiale composito. Dottorato di Ricerca in Ingegneria delle Structture. Università degli Studi di Napoli Federico II, 1997, 193 p.

2. J.Bareišis Daugiasluoksnių konstrukcinių elementų efektyvumas // Regionų plėtros problemos. Respublikinės konferencijos pranešimų medžiaga. Kaunas: Technologija, 2000, p. 164-167.

3. Dresselhaus M.S., Dresselhaus G. Sugihara K., Spain I.L., Goldberg H.A. Graphite Fibres and Filaments, Springer-Veriag Publisher, 1995. 307 p.

4. Kamaitis Z. Polimerai ir gelžbetoninių konstrukcijų remontas. Vilnius: Mokslas, 1991, 124 p.

5. Non-Metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures // Proceedings of the Third International Symposium ( FRPRCS-3 ). Sapporo, Japan, October 14-16, 1997, Vol. 1. Japan Concrete Institute, 728 p.

Įteikta 2001 02 15

EXPERIENCE OF APPLICATIONS OF FRP IN CIVIL ENGINEERING IN THE FOREIGN COUNTRIES

V. Lukoševičius

S u m m a r y

The report is addressed to Lithuanian readers. The objective of the report is to familiarize the researches, designers, structural engineers and practitioners with various aspects of the use, manufacture, analysis and design with fiber reinforced plastics (FRP) Advanced composite materials have shown a great potential for use in civil engineering applications because they have high strength to weight ratio, high resistance to corrosion and they are non conductive thermally and electrically, non magnetic (high electromagnetic transparency). The presentation include number of examples practical applications of FRP for Civil and Structural engineering and also a strengthening / rehabilitation and restoration technique. Many pedestrian and roadway bridges have been built worldwide using FRP reinforcement. Large number works involving the strengthening of slabs, beams or columns have been carried in different countries in residential buildings, parking structures, and chophouses. In the future FRP not replace traditional construction materials, but will be used instead to supplement them as needed. ………………………………………………………………….. Viktoras LUKOŠEVIČIUS Doctor, Associate Professor, Head of Civil Engineering Dept. Panevėžys Division of Kaunas University of Technology, Daukanto 12, LT-5300 Panevėžys, Lithuania (fax: + 370-5 434-247, e –mail: vikluk@ nevezis. ppf. ktu.lt) Graduate of Kaunas University of Technology (presently Kaunas Polytechnical Institute) (1962). Ph.D. (1966). Research visits: Franklin University and Ohio State University (USA, 1994-1995), Naples University (Italy, 1997-1998). Author over 50 scientific papers. Fellowship winner, NATO and Italy National Science Council Competition (1996). Research interests: innovations in Civil and Structure Engineering.