su: sanacija postojećih građevina s polimerima armiranim ... su zagreb 2013 - pojačanje... ·...

SU: Sanacija postojećih građevina s polimerima armiranim vlaknima (FRP‐om)

POJAČANJE ZIDANIH KONSTRUKCIJA FRP‐om

Zagreb, 05. prosinca 2013.

Doc.dr.sc. JOSIP GALIĆ, dipl.ing.građ.

1. Uvod

• Arhitekti i građevinari su danas sve češće suočeni sa sanacijama, rekonstrukcijama i pojačanjima postojećih građevina.

• U Sloveniji preko 60% stambenih zgrada su zidane zgrade, a 30% stambenih zgrada je izgrađeno u periodu od 1920‐1965 g.

05.12.2013. 2Pojačanje zidanih konstrukcija FRP‐om

Broj zgrada u L’Aquili (Italija) Izgled Zagreba

• Pogledajte Trogir, Vinkove i druge manje gradove.

1. Uvod

• Razlozi za sanacijama, rekonstrukcijama i pojačanjima su:1. Akumulacija negativnih utjecaja tijekom vijeka građevine

‐ neadekvatna konstrukcijska rješenja‐ slijeganja temelja‐ veća opterećenja od predviđenih (uporabno, vjetar i dr.)


2. Prenamjena postojećih starih građevina (stambena → poslovna)

1. Uvod

3. Nedovoljna seizmička otpornost postojećih zidanih građevina


1. Uvod

• U svakom slučaju bi trebali se potruditi da izbjegnemo ovakve slike:


L’Aquili u Italiji (2009)

1. Uvod

• U svakom slučaju bi trebali se potruditi da izbjegnemo ovakve slike:


Pokrajina Emilia Romagna u Italiji (2012)

1. Uvod

4. Sanacija građevina oštećenih u ratu i potresu


1. Uvod

• U praksi postoji niz postupaka sanacija i pojačanja zidanih zgrada:1. Zamjena morta2. Popravak pukotina (injektiranjem)3. Injektiranje šupljih zidova4. Pojačanje stropnih dijafragmi daskama i metalnim trakama5. Pojačanje uglova zgrada čeličnim vezama (pločama)6. Povezivanje zidova čeličnim šipkama i trakama7. Pojačanje konstrukcija usijecanjem vertikalnih i horizontalnih

serklaža8. Pojačanje konstrukcija izvedbom novih AB zidova i okvira 9. Pojačanje konstrukcija izvedbom čeličnih okvira10. Pojačanje zidanih zidova i stupova izvedbom armirane cementne žbuke

(torkretiranje) ili AB obloge (u oplati)

• Svi navedeni postupci su više‐manje uspješni u pogledu sanacija i pojačanja (neke čak još uvijek nezamjenjive) ako se ispravno primijene i proračunaju.

• Većina prethodno navedenih postupaka pojačanja podrazumijeva korištenje čeličnih elemenata ali i često narušavaju postojeću strukturu građevine.


1. Uvod• Primjer ‐ Izvedba armirane žbuke ili pojačanje AB oblogom


• Osim povećanja nosivosti ima i niz nedostataka:‐ Povećanje težine konstrukcije→ pojačanje temelja,‐ Povećanje seizmičkih sila zbog težine betonske obloge,‐ Promjene ponašanja konstrukcije pri seizmičkom opterećenju (zidovi su sada znatno krući od nepojačanih),

‐ Dodatna debljina zida smanjuje korisni prostor,‐ Brzina izvedbe (potreban dulji period za izvedbu),‐ Buka koja je prisutna kod izvedbe,‐ Nužnost prekida funkcionalnosti zgrade i iseljavanjestanara za vrijeme izvođenja radova.

‐ Oksidacija (korozija) armature u uporabi,‐ Nedovoljna učinkovitost na kutovima (nije ovijeno)

2. Proizvodi od FRP‐a• Cilj sanacije ili pojačanja nosive zidane konstrukcije je taj da se uz što manje

intervencija na konstrukciji osigura potrebna razina otpornosti i sigurnosti.

• To su sve razlozi za stalnim istraživanjem i primjenom novih sustava sanacije i pojačanja zidanih građevina, koji neće narušavati strukturu nosivosti zgrade, biti će ekonomski prihvatljivi, jednostavni za izvedbu i koji neće narušavati estetske zahtjeve zgrade te koji će po mogućnosti biti i reverzibilne prirode.

• Potpuna zamjena čelika kod AB konstrukcija nije postignuta iz razloga:1. Linearno elastično ponašanje FRP‐a → duktilnost presjeka manja u odnosu na

armiranje čelikom (potrebno ovijanje i dr.). 2. Za ispunjavanje GSU nužna je primjena FRP‐a s većim modulom elastičnosti →

ugljična vlakna (skuplja od staklenih ili bazaltnih).3. Toplinski koeficijent rastezanja FRP‐a je manji nego betona i čelika → nije

osigurana kompatibilnost pri promjeni temperature.4. Slaba otpornost na požarna djelovanja (nužna žbuka).

• Kod zidanih konstrukcija nedostaci FRP‐a nisu presudni:‐ Slom pojačanih zidanih konstrukcija je uglavnom degradacijom ziđa.‐ Modul elastičnosti ne mora biti velik pa se mogu koristiti i jeftiniji proizvodi →mogu se koristiti staklena i bazaltna vlakna.

‐ Ima prirodnu zaštitu žbukom ili su elementi skriveni u sljubnicama.‐ Uglavnom su pojačanja vezana za izvanredna djelovanja (potres)


2. Proizvodi od FRP‐a• Primjeri pojačanja s čeličnim elementima – nema tečenja čelika.


2. Proizvodi od FRP‐a• FRP proizvodi za pojačanje zidanih konstrukcija


Šipke Lamele (5, 10 cm)

Tkanina (30 i 60 cm) Mreže

Užad

Tanka tkanina

• Svi ovi proizvodi se ponašaju linearno elastično sve do sloma.• FRP preuzima vlačna naprezanja i treba se postavljati u vlačnom području.• Kod tlaka FRP proizvodi ne povećavaju učinkovitost pojačanog elementa jer imaju manju

nosivost na tlak ali i zbog malih dimenzija često dolazi do lokalne nestabilnosti i odvajanja.

2. Proizvodi od FRP‐a• Pojačanje zidane konstrukcije FRP‐om se ostvaruje lijepljenjem na

zidane elemente ili eventualno mehaničkim sidrenjem pomoću mehaničkih uređaja.


• Načini otkazivanja ziđa pojačanog FRP‐om:‐ Pretjerano raspucavanje ziđa zbog velikih vlačnih naprezanja.‐ Drobljenje ziđa‐ Slom FRP‐a dosezanjem vlačne čvrstoće‐ Odljepljivanjem FRP‐a sa ziđa (debonding)

• Najčešće je to kombinacija odljepljivanje +…..

2. Proizvodi od FRP‐a• Odljepljivanje u vlačnoj zoni dovodi dovodi do krtog sloma.• Ako je FRP u tlaku onda čim su naprezanja u

postelastičnom području dolazi do odvajanja FRP‐a.


• Budući da je vlačna čvrstoća ljepila veća od podloge tj. od ziđa odvajanje se događa kroz ziđe.

• Odvajanje se događa na krajevima ili u sredini gdje je element prethodno raspucao.

• Optimalna duljina lijepljenja le i specifična energija loma zida pojačanog FRP‐om iznose:

[mm] [N,mm]

‐ određuje se eksperimentalno (0.015)

• Ako je odvajanje kroz prvi sloj ziđa i duljinalijepljenja je veća ili jednaka optimalnojduljini, proračunska čvrstoća veze je:

2. Proizvodi od FRP‐a• Kako bi se izbjeglo odvajanje ili barem svelo na što manju moguću

mjeru poželjno je ostvarivati sidrenje FRP‐a u odgovarajuće utora, omatanje zida preko rubova, postavljanje veza kroz zid ili čak primjena mehaničkih uređaja.


• Proračun pojačanja presjeka FRP‐om:

• Najveća dopuštena deformacija FRP sustava je:

• Proračun se provodi prema graničnom stanju pri čemu vlačna nosivostvlačnog pojačanja iznosi:

fdfffdfRdf EAfAF ,

3. Načini proračuna građevina• Kod odabira prikladnog FRP sustava potrebno je:‐ Ocijeniti postojeće stanje konstrukcije (utvrditi postojeću nosivost, identificirati nedostatke i njihove uzroke te utvrditi stanje zidane podloge.

‐ Napraviti proračun i utvrditi koje sve sile djeluju na ziđe: ‐ Nelinearni modeli sposobni da simuliraju neelastično ponašanje ziđa uz zanemarivanje vlačne čvrstoće,

‐Modeli s linearno elastičnim ponašanjem materijala,‐ Pojednostavljene sheme proračuna (za opis ponašanja i dokaz lokalnih elem.)


3. Načini proračuna građevina• Nelinearnim modelima se vidi oštećenje, ali se onda može postaviti

pojačanje i vidjeti ponašanje pojačanog modela.


Faza 2 – nepojačana i pojačana apsidaFaza 1 – nepojačan i pojačan zid

• Za ozbiljnije građevine izraditi kontrolu na modelu (Mustafa pašina džamija)

3. Načini proračuna građevina• Linearni modeli su dobri da se dobiju vrijednosti vlastitih frekvencija,

unutarnjih sila u pojedinim elementima za proračun pojačanja.


• Pojednostavljene sheme su prikladne za uobičajene građevine jer u principu poznamo načine otkazivanja i analiziramo ih zasebno.Posmični slom u ravnini Slom savijanjem okomito na ravninu Gubitak integriteta konstr.

4. Primjena FRP‐a• Područja primjene pojačanja FRP‐om


1. Pojačavanje stropnih dijafragmi i drvene krovne konstrukcije.

2. Omatanje zgrada na podnim i krovnim područjima i povezivanje zidova.

3. Povećanje kapaciteta nosivosti zidova na savijanje okomito na ravninu.

4. Povećanje kapaciteta nosivosti, lukova, svodova i kupola.

5. Povećanje kapaciteta nosivosti zidova u ravnini.

6. Ovijanje stupova radi poboljšanja tlačne čvrstoće i duktilnosti.

7. Pojačavanje i povezivanje pregradnih zidova i zidova ispune.

4. Primjena FRP‐a1. Pojačavanje stropnih dijafragmi i drvene krovne konstrukcije:

‐ Pojačanje drvenih grednika opterećenih na savijanje dodavanjem lamela i šipki u vlačnoj zoni, profila ili povećanje posmične nosivosti uz oslonce.

‐ Pojačanje veznih krovnih greda na vlak.‐ Postavljanje dijagonalnih traka radi povećanja posmične krutosti

dijafragme.‐ Povezivanje stropne ploče sa zidanim zidovima.


4. Primjena FRP‐a


PALAZZO NOBILI, LUCCA SIAZ BUILDING, TREVI (PG) RESIDENTIAL BUILDING, SPOLETO

PALAZZO COLLICOLA, SPOLETO HISTORICAL BUILDING, LUCCA

4. Primjena FRP‐a2. Omatanje zgrada na podnim i krovnim područjima i

povezivanje zidova‐ Cilj je u razini stropova u cijelosti oviti građevinu po mogućnosti s obje strane kako bi se dobila funkcija horizontalnog serklaža čime bi bilo onemogućeno odvajanje zidova.

‐ Također je cilj povezati zidove na mjestima sudara i spoja.


4. Primjena FRP‐a


Jednostavni model proračuna

Mogu se koristiti lamele, tkanina, mreža ili šipke

4. Primjena FRP‐a


• Najjednostavnije je postavljanje tkanine lijepljenjem samo s vanjske strane ili obostrano.

• Ako je bitna reverzibilnost pojačanja i slile su manje onda se mogu postaviti mreže koje se postavljaju u mort (ne lijepe se za ziđe – opeku)

• Također ako se radi o zidanom zidu koji nema žbuke moguća je postavljanje šipki u sljubnice .

4. Primjena FRP‐a3. Povećanje kapaciteta nosivosti zidova na savijanje okomito na ravninu

• Za zidne panele ukliještene na vrhu i dnu, te izvrgnute horizontalnomdjelovanje, otkazivanje dolazi zbog savijanja uz formiranje 3 zgloba (na dnu,vrhu i zadnji na nekoj visini panela).


Proračunski model pri slomu

Jednadžbe ravnoteže

4. Primjena FRP‐a• Obično se pojačava postavljanjem tkanine ili šipki u vertikalnom smjeru

ili mreža u mort segmentno ili po cijeloj površini.


4. Primjena FRP‐a• Za zidne panele pridržane na dnu, te isto tako dobro vezane za poprečne zidove,

otpornost na horizontalne sile je osigurana zbog tzv. efekta luka gornje trake.


• Ukoliko je opterećenje veće, doći će do drobljenja ziđa, te bi u tome slučaju bilo povoljno ojačati ziđe FRP sustavom

• Pojačanje se ostvaruje postavljanjem FRP‐a s horizontalnom orijentacijom vlakana i to obostrano.

• Uvijek je preporuka da se bočno pridržanje osigura vezivanjem za stropnu konstrukciju koja bi trebala biti horizontalno ukrućena.Jednadžbe ravnoteže:

• Najveće dopušteno jednoliko opterećenje na nepojačani zid:

4. Primjena FRP‐a4. Povećanje kapaciteta nosivosti, lukova, svodova i kupola


• Konstruktivni elementi s jednom ili dvostrukom zakrivljenosti generalnootkazuju svoju funkciju uslijed formiranja dovoljnog broja zglobova kojirezultiraju mehanizmom.

• Dovoljan broj zglobova nije teško postići budući da zidane konstrukcije imajuzanemarivu vlačnu čvrstoću.

a) zidani luk – dovoljno je pojačati samo intrados ili esktrados

4. Primjena FRP‐a• Statička shema za proračun pojačanja


b) Svodovi – slično je kao i kod lukova samo je preporuka da se ipak pojačaju obje strane

4. Primjena FRP‐a• Pojačanja mogu biti različita – tkanina i mreže su najpraktičnije + sidrenje s užadi


c) Kupole – za prihvat vlačnih prstenastih sila.

VAŽNO: Kod lukova i svodova postava FRP ne podrazumijeva da je moguće ukloniti zatege i elemente koji prihvaćaju horizontalne sile luka.

4. Primjena FRP‐a5. Povećanje kapaciteta nosivosti zidova u ravnini


• FRP proizvodi se dominantno koriste za povećanje posmične otpornosti iotpornosti zida na savijanje u ravnini.

• Bitno je razlikovati dva mehanizma posmičnog sloma nearmiranog ziđa:a) Posmični slom klizanjem tj. otpornost se ostvaruje slabim trenjem i

tlačnom silom (kod dugih zidova sa izrazito slabim mortom)b) Dijagonalni posmični slom (elementi imaju dovoljnu otpornost na vlačna

naprezanja da im se aktivira mehanizam rešetke)

a) Posmični slom klizanjem ‐ FRP postaviti dijagonalno preko klizne plohe

4. Primjena FRP‐a


• Postoje razne varijante pojačanja: dijagonalno, vertikalno i horizontalno postavljanjelamela i traka od tkanine, postavljanje tkanine po cijeloj površini zida, postavljanjemreža po cijeloj površini.

• Najbolje je koristiti tkaninu postavljenu horizontalno s dodatnim trakama narubovima zida te kod manjih pojačanja s mrežama u mortu po cijeloj površini zida.

• Za ove zidove su napravljena brojna ispitivanja koja su potvrdila povećanje nosivosti.

b) Dijagonalni posmični slom – karakterističan za međuprozorske zidove

4. Primjena FRP‐a


Neki primjeri ispitivanja u Sloveniji (prof. Žarnić i Tomaževič):

4. Primjena FRP‐a• Ispitivanja provedena kod nas.


0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

180,0

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

Relativni pomak - d (mm)

Horiz

onta

lna

sila

- H

(kN)

BZ2 BZ1 CZ1 CZ2 AZ1 AZ3

Kada je osiguran mehanizam rešetke, proračunska nosivost pojačanog zida napoprečne sile je dana izrazom:

4. Primjena FRP‐a• Numerička analiza


(ε11)

Horizontalne trake

(ε11) (σ11)

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

(σ33)(σ33)

4. Primjena FRP‐a• Za horizontalno pojačanje s trakama ili mrežama:


• Proračun nosivosti tlačne dijagonale:

Primjeri pojačanja mrežama i šipkama

4. Primjena FRP‐a


Primjeri pojačanja lamelama i trakama

6. Ovijanje stupova radi poboljšanja tlačne čvrstoće i duktilnosti• Često zbog povećanog opterećenja ili uklanjanja

dijelova konstrukcije postojeći zidani stupovi u rekonstrukciji imaju povećano vertikalno opterećenje koje prekoračuje nosivost.

• Najjednostavnije je bilo obući zidani zid u AB stup.• Često se radi i zamjena zidanog stupa s betonskim ali

to zahtjeva skupo i komplicirano podupiranje.

4. Primjena FRP‐a• Jedan od jednostavnijih postupaka je ovijanje stupova ili ubacivanje šipki u

sljubnice. Slijedi prikaz omatanjem.


C‐ unconfined F‐ CFRP confined S‐ Steel confined

4. Primjena FRP‐a• Fenomen povećanja nosivosti


• Fenomen povećanja nosivosti

2. Pojačanje FRP‐om• Fenomen povećanja nosivosti sastoji

se u tome što se između šipki stvara troosno naprezanje.


• Kombinirana uporaba FRP šipki i FRP tkanine povećava efektivnu površinu ovijanja za kvadrat, pravokutnik ili složenije oblike poprečnih presjeka.

Povećanje ne smije iznositi više od 50% nepojačanog.Dimenzije stupova veće od 90 cm nije preporučljivo omatati za povećanje nosivosti

4. Primjena FRP‐a


7. Pojačavanje i povezivanje pregradnih zidova i zidova ispuneU potresu velike materijalne štete nastanu urušavanjem pregradnih zidova i zidova ispuna okvirnih konstrukcija zato što nisu povezane s glavnom nosivom konstrukcijom.

• Kao jednostavno rješenje se pokazalo primjena tanke tkanine od staklenih vlakana koja se jednostavno lijepi na plohe i zida i glavnu nosivu konstrukciju.

4. Primjena FRP‐a


• Primjeri ispitivanja

HVALANA

POZORNOSTI


su: sanacija postojećih građevina s polimerima armiranim ... su zagreb 2013 - pojačanje... ·...

Documents