Betonul armat cu fibre

Betonul armat cu fibre

Istoric

Armarea cu fibre a materialelor casante are o vechime milenara. Caramizile nearse au fost armate cu paie sau cu par de animale pentru a evita fisurarea si micsorarea rezistentei dupa aparitia unei fisuri. Extrapolarea s-a realizat de la argila la ciment. Betonul armat cu fibre de otel are o istorie de peste un secol, elementele de constructii cu forme diferite s-au realizarea din acest material avand o rezistenta marita si o buna lucrabilitate.
Se mentioneaza ca primul patent se refera la elemente din beton armat cu fibre, dateaza din 1874 si a fost realizat in California (SUA) de A. Berard, care a incercat sa fortifice betonul prin adaugarea unor resturi de otel inegale.
In 1918, in Franta H. Alfsen, a anticipat o imbunatatire a rezistentei betonului la intindere, prin adaugarea de fibre mai lungi din otel, lemn si alte materiale. La aceste elemente s-a evidentiat influenta suprafetei fibrei asupra comportarii la interfata, fibra-matrice, ca de exemplu indoirile fibrelor, sau prin utilizarea de geometrii diferite.
In 1927 in California, G. C. Martin breveteaza realizarea de conducte din beton armat cu fibre de otel (fig. 1).

In lucrarie inginerului roman Gogu Constantinescu, din 1943 in Anglia si 1945 in SUA se detaliaza noul material, betonul armat cu fibre de otel, in conceptul utilizarii actuale.
Studiile inginerului roman contin informatii asupra modului de distributie a fisurilor si marirea capacitatii de preluare a eforturilor (fig. 2).
In anii urmatori au aparut noi patente in SUA, Franta si Germania. Utilizarea pe scara larga a acestui material a fost limitata de costurile ridicate, dar in special de dezvoltarea betonului armat obisnuit.
Pana la inceputul anilor '60 se observa o dezvoltare incerta a acestui material, marcata de utilizari de mica importanta.
In continuare se poate evidentia o etapa de dezvoltare ascendenta. In paralel cu formularea principiilor teoretice, s-a dezvoltat un domeniu larg de utilizare a betonul armat cu fibre de otel.
La inceputul anilor '70 s-a extins cercetarea pe plan international. Mentionam cercetarile din Germania de la Universitatea Ruhr din Bochum, in realizarea betonului armat cu fibre de otel, utilizat la peretii interiori ai metroului. S-au studiat proprietatile mecanice, tehnologice ale materialului si tehnologii de fabricatie ale betonului torcretat.
In 1972 s-a realizat o utilizare practica a acestui material la lucrarile de consolidare a tunelului din Idaho - SUA.
In perioada 1974-1976 s-au realizat cercetari sistematice in Germania, la Institutul pentru Constructii Ingineresti de la Universtatea Ruhr din Bochum, cu privire la utilizarea betonului torcretat cu fibre de otel, la constructiile miniere din muntii Alpi.
In 1989 se utilizeaza cu succes acest material la constructia unui tunel de metrou (de 100 metri) in Bielefeld - Germania.

Domenii de utilizare

Betonul armat cu fibre de otel nu poate inlocui betonul armat obisnuit. Exista insa domenii de utilizare, in care betonul armat cu fibre de otel poate fi folosit alternativ sau in completare, la cel cu armatura din otel-beton, oferind avantaje constructive si economice.
Fibrele de otel imbunatatesc proprietatile betonului simplu. Oportunitatea utilizarii armarii cu fibre de otel apare in situatia folosirii unui procent mic de armare, sau in cazul armarii constructive a betonului armat obisnuit.

Posibilitatile de utilizare se maresc, datorita imbunatatirii comportarii la fisurare, a micsorarii deformatiilor din contractii prin uscare sau din marirea rezistentei la forfecare.
Un domeniu important il constituie elementele de constructie solicitate dinamic, la care se poate mari capacitate de preluare a energiei din aceasta solicitare.
Domeniile de utilizare a betonului armat cu fibre de otel au o arie extinsa, din care mentionam: conducte din beton, ziduri de sprijin, elemente subtiri de fatada, trepte prefabricate, piste pentru aeroporturi, fundatii de masini, cofraje pierdute, lucrari de consolidare la tuneluri cu beton torcretat etc.
Utilizatorii pe scara larga a acestui material sunt SUA, Japonia, Norvegia, Suedia, Germania la care se adauga tarile din Europa de Est.
In constructia de tuneluri betonul armat cu fibre de otel poate fi folosit sub forma torcretata sau din elemente prefabricate. Acest material a modernizat si dezvoltat constructia clasica de tuneluri. Fibrele de otel influenteaza proprietatile betonului din peretii tunelului producand modificari in tehnologia de executie a acestor constructii.
Betonul torcretat armat cu fibre de otel este folosit impreuna cu o retea de otel-beton sub forma de plase, arcade pentru consolidarea peretilor supusi impingerii pamantului sau pentru asigurarea in prealabil a interiorului tunelului.
Folosirea betonului torcretat cu fibre de otel la conceptia si executia peretilor multistrat, ai tunelului, ofera avantajul renuntarii la executarea lucrtarilor de cofrare, micsorand timpul si costurile executiei.
Utilizarea betonul torcretat cu fibre de otel mareste siguranta in constructia de tuneluri.
O arie larga de utilizare este si consolidarea peretilor, din zidarii sau beton a tunelurilor existente partial avariate. Acest material este si o solutie, pentru intretinerea constructiilor, in cazul necesitatii unei acoperiri optime a armaturii din bare, ce conduce la marirea durabilitatii si sigurantei, prin protectia la coroziune a armaturii.
Betonul pompat cu fibre de otel este folosit pentru consolidarea peretilor interiori, cu un strat suplimentar sau ca un element unic de consolidare si la captusirea stalpilor structurali.
Avantajele acestui material il constituie tehnologia simpla de fabricatie, datorita eliminarii armaturii din otel-beton, obtinandu-se o omogenitate a betonului ce il recomanda la cofraje de captusire sau a cofrajelor alunecatoare. Aceasta conduce la micsorarea timpului de executie, prin eliminarea stratului de acoperire a armaturii.
Betonul pompat cu fibre de otel poate fi utilizat in productia extrudata impreuna cu scuturile de tunel. Obtinandu-se un sistem inchis de sustinere intre suprafata scutului de tunel pana la grosimea definitiva a constructiei, un sistem care are pe tot conturul contact direct cu suprafata sapaturii, reducand la minim umplutura.
Tuneluri din elemente prefabricate. Betonul armat cu fibre de otel poate fi utilizat si pentru confectionarea elementelor sub forma de tuburi prefabricate. Confectionarea este simpla, usoara, cu omogenitate sporita datorita eliminarii armaturilor din bare de otel-beton. Riscul fisurarii tuburilor se micsoreaza la transport si la introducerea prin impingere, datorita presiunilor mari. Se recomanda imbinari solicitate la incovoiere combinate cu rosturi longitudinale.
In exploatarea miniera. Betonul torcretat cu fibre de otel poate deveni un element important in conceptia galeriilor, datorita timpului redus de executie, a rezistentei initiale marite, a ductilitatii si a comportarii favorabile dupa fisurare in comparatie cu betonul armat obisnuit. Dupa producerea fisurilor materialul prezinta o rezistenta ce ofera o siguranta sporita in exploatare.
In tarile dezvoltate, se deschid anual galerii cu lungimi mari (sute de km), dintre care o parte importanta se realizeaza in teren stancos. Galeriile sunt realizate cu arcade de otel, ce reduc riscul producerii unor deformari semnificative.
Galeriile trebuie intretinute in permanenta, iar cheltuielile anuale sunt foarte mari (sute milioane EU). Cresterea adancimii galeriilor, in teren stancos cu o durata de 12 ani, conduce la o intretinere neeconomica. Din acest motiv s-au luat in considerare si in exploatarea miniera dezvoltarea conceptiei de construire si consolidare utilizand betonul armat cu fibre de otel.
Constructii ingineresti si elemente prefabricate. Din beton armat cu fibre de otel in combinatie cu bare din otel-beton. Betonului armat cu fibre de otel se utilizeaza la elementele in care solicitarea la incovoiere este nesemnificativa, iar din motive constructive, armarea cu fibre de otel alaturi de barele din otel-beton va prelua eforturile de contractie.
Armarea cu fibre de otel se utilizeaza la elemente prefabricate cu pereti subtiri pentru fatada, camine de vizitare, garaje, ziduri cu traversari multiple, spatii de patrundere.
Utilizarea elementelor de constructie din beton armat cu fibre de otel poate reduce cheltuielile lucrarilor de armare, in zonele cu concentrari de eforturi, la colturile golurilor unde sunt preluate prin armarea constructiva.
Avantajele folosirii betonului armat cu fibre de beton sunt evidente la prefabricatele cu dimensiuni reduse, la care costurile de armare cu bare sunt ridicate iar stratul de protectie avand un rol major in grosimea finala.
Greutatea redusa a prefabricatelor este un avantaj, la placile de fatada, la lucrari de consolidare si la transportul elementelor. Rezistenta betonului armat cu fibre de otel in stare proaspata accelereaza procesul de fabricatie, ceea ce conduce la reducerea cheltuielilor de productie.
Armarea cu fibre de otel conduce la marirea rezistentei betonului la forfecare, ceea ce faciliteaza reducerea armaturii sub forma de etrieri, imbunatateste durabilitatea betonului, micsoreaza tendinta de contractie, imbunatatind comportarea la fisurare si realizeaza o acoperire favorabila a armaturii din barele de otel previnind coroziunea.
Dale carosabile utilizate la suprastructura si la placile de fundare a cailor de comuncatii. In cazul unor incarcaturi mari sau la un ecartament de imbinare marit apare necesara armarea cu fibre de otel. Supraincarcarea la trecerea mijloacelor de transport de tonaj mare se recomanda folosirea unor placi cu grosime de 15-25cm. La aceasta grosime a placilor se reduce riscul aparitiei fisurilor, in cazul diferentelor de temperatura, cantitatea de armatura trebuie sa fie relativ mare.
Betonul armat cu fibre de otel are avantaje comparativ cu betonul armat traditional, in cazul proprietatilor mecanice specifice, rezistenta la soc si uzura. Avand o utilizare eficienta la pardoselile industriale si la placile carosabile.
Comportarea favorabila se datoreaza capacitatii de a prelua eforturile ce apar in faza de hidratare, reducand riscul fisurarii betonul armat cu fibre de otel.
Betonul armat cu fibre de otel in comparatie cu betonul obisnuit prezinta avantaje pentru placile suport ale pardoselii in zona rosturilor, evitand fisurarea.
In SUA au fost construite din beton armat cu fibre de otel piste de decolare si de aterizare pentru avioane.

Fundatii cu solicitare dinamica. Rezistenta la solicitarea dinamica pentru majoritatea materialelor de constructie este mai mica decat solicitarea statica.
Betonul armat cu fibre de otel este avantajos in realizarea fundatiilor de masini cu solicitari dinamice, datorita rezistentei sporite la soc, a comportarii favorabile la amortizare si la deformare. Solicitarile variate, la socuri repetate, pot fi absorbite de betonului armat cu fibre de otel. Avantajele tehnice si economice ale betonului armat cu fibre de otel la fundatiile de masini cu solicitare dinamica se concretizeaza prin economii la armatura longitudinala, etrieri (fig. 3).
Conducte. In Ungaria in anii '70 s-au realizat conducte din beton armat cu fibre de otel cu diametru de 1-1,5m. Armarea cu fibre de otel a redus riscul aparitiei fisurilor in conditii de solicitare prin variatia temperaturii si a contractiei betonului.
La aceste elemente de constructii s-au evidentiat si alte avantaje ale betonului armat cu fibre de otel:

• rezistenta imbunatatita in stare proaspata,
• rezistenta la solicitarea de intindere circulara din incovoiere,
• comportare buna la fisurare,
• reducerea lucrarilor de armare, din bare de otel-beton.

La solicitari de intindere circulara din incovoiere, pentru un continut de fibre de 55kg/m3 beton si o valoare A/C de 0,36 s-a obtinut o rezistenta la intindere din incovoiere, de 12-14N/mm2.
Conductele din beton pozate in pamant pot fi supuse unor solicitari de compresiune la partea superioara existand posibilitatea de marire a grosimii peretilor, de micsorare a lungimii conductelor si de armare a acestora. Aceasta determina procese dificile de executie, indeosebi la profilurile ovale ale conductelor.
In Marea Britanie, Belgia, Austria si Olanda conductele din beton armat cu fibre de otel se folosesc in mod curent. Rezistenta marita la uzura si cea necesara la intindere a betonului armat cu fibre de otel sunt folosite la repararea si consolidarea sistemelor de canalizare cu beton torcretat cu fibre de otel.
Consolidarea taluzurilor si versantilor. Peretii stancosi ce s-ar putea prabusi din cauza actiunilor climatice. Taluzurile abrupte de-a lungul soselelor si cailor ferate trebuie asigurate in mod constant, pentru a mentine zona de trafic in siguranta, libera la circulatie rutiera, feroviara si de persoane.
Consolidarea versantilor stancosi, a taluzurilor realizata cu beton torcretat cu fibre de otel, are avantaje tehnico-economice, datorita unei bune adaptari a legaturii la structura terenului si micsorarea timpului in procesele de armare. Rezistenta la uzura si la socuri, ofera conditii pentru protejarea constanta a versantilor impotriva actiunilor climatice (precipitatii, inghet, avalanse).
Constructii rezistente la solicitari de impact. Impactul poate proveni din rezultatul unei impuscaturi, solicitari dinamice din seism, fisurarea rezervoarelor, prabusirea unui avion. Prin utilizarea betonului armat, in forma unei retele de cabluri consolidate cu fibre de otel, energia cinetica este folosita in procesul de schimbare a formei, intrucat structura betonului in combinatie cu fibrele, reduce riscul fisurarii.
Criteriile esentiale in comportarea la impact sunt preluarea si amortizarea energiei, influentata favorabil de lungimea si procentul de armarea al fibrelor de otel.

Stalpi structurali. Rezistenta la foc este marita prin utilizarea betonului armat cu fibre de otel, ce protejeaza armatura din bare, longitudinala si transversala.
In cazul stalpilor structurali solicitati doar la compresiune nu se observa nici un avantaj economic evident la folosirea fibrelor de otel. Folosirea betonului armat cu fibre de otel s-a dovedit eficienta pentru stalpii cu sectiune redusa, solicitati la compresiune cu flambaj, unde se inregistreaza deteriorari prin fisurarea betonului la imbinari. In zonele in care se transmite o sarcina mare, s-a stabilit ca fibrele de otel pot inlocui armatura puternica din etrieri, in situatia cand in sectiunea longitudinala se asigura introducerea directa a sarcinii, (spre exemplu prin dispunerea unei placi rigide in capatul stalpului).
Repararea si consolidarea elementelor de constructie din beton supuse uzurii, de natura mecanica sau datorita exploatarii indelungate a cladirii. Deteriorarile betonului din constructii sunt influentate de conditiile de mediu. Luarea in considerare a uzurii si a suprasolicitari este necesara pentru a readuce constructia in starea de exploatare normala.
Betonul torcretat cu fibre de otel se dovedeste o solutie eficienta pentru intretinerea in stare buna a constructiilor din beton, realizand avantaje tehnico-economice, conservare pe termen lung, comportare buna la fisurare si micsorarea tendintei din contractii. Aceasta solutie este favorabila in cazul suprafetelor deteriorate ce trebuie consolidate au grosimi diferite. Betonul torcretat cu fibre de otel poate fi utilizat imediat dupa curatarea suprafetei ce trebuie reparata, indiferent de presiunea ce trebuie suportata si adaptata oricarei geometrii prestabilite.
La intretinerea si consolidarea constructiilor hidrotehnice, supuse eroziunii, poate fi folosit eficient betonul armat cu fibre de otel. Betonul armat cu fibre de otel ofera o alternativa la armatura conventionala, avand ca avantaj timpul si costurile reduse de executie a lucrarilor de intretinere. Folosirea betonului torcretat cu fibre de otel reduce grosimea noului strat de protectie.
Elementele de constructii noi sau reabilitate cu beton armat cu fibre de otel, utilizate de cateva secole si cu o palnie larga de folosire, avand avantaje tehnico-economice evidente, trebuie sa intre in atentia specialistilor

prof. univ. dr. ing. Al. Ciornei
drd. ing. Liviu Gherman