FIBRA DE CARBON IN CONSTRUCTII

Performantele fibrelor de carbon

Fibrele de carbon au o paleta mare de proprietati mecanice, fiind rezistente din punct de vedere chimic, la variatii de temperatura si avand densitate redusa. Sunt recomandate,indeosebi, pentru armarea compozitelor cu performante ridicate, a maselor plastice si a metalelor.

Materialul folosit preponderent pentru consolidarea materialelor plastice nu inceteaza sa ofere surprize: un exemplu recent il constituie constructia de poduri.

Materia prima este diversa, intalnindu-se la toate formele de agregare, in care se gasesc substantele bogate in carbon:

-solida: carbune amorf, asfalt de petrol, fibre organice

(celuloza, fibre acrilonitriile sau acrilice, reziduri de

la distilarea gudroanelor);

-lichida: petrol, uleiuri aromatice, gudroane;

-gazoasa: hidrocarburi, acetilena.

Fibrele de carbon sunt obtinute prin piroliza controlata la 1000-1700`C in atmosfera inerta, a unor materiale organice (celuloza, fibre acrilonitrilice, reziduri distilarea gudroanelor, fibre acrilice si in unele cazuri chiar a gudronului).

In aplicari simultane a unor tratamente termice si mecanice se ajunge la realizarea unor armaturi sub forma de fire, benzi, tesaturi, paturi preimpregnate sau cristale orientate preferential.

Utilizarea fibrelor de carbon in constructii

Printre materialele ne-conventionale care s-au impus tot mai mult in ultimul timp se numara si fibrele de carbon. Acestea si-au gasit de mult o paleta larga de utilizari, printre altele in constructia de masini si de avioane

Constructorii de poduri cred ca fibrele de carbon ar putea revolutiona acest sector tehnic. Primul pod de autostrada construit in Europa care foloseste module sandwich din fibre de carbon si din fibre de sticla, se intinde deasupra noii autostrazi a aeroportului din Asturia, in nordul Spaniei. Prototipul finantat de Uniunea Europeana, testat acum cu succes, se afla pe drumul spre aeroportul Oviedo pe Costa Verde si are o intindere de peste 46 m.

Inovatia tehnica a fost posibila datorita cercetarilor efectuate la centrul de teste al Uniunii Europene din Ispra in Italia. Pe terenul de 80 ha al complexului se afla Elsa - cel mai mare ansamblu european de laboratoare pentru simulari seismice, testarea componentelor de poduri si a materialelor de constructii in conditii extreme. Dupa 5 saptamani de testare a reactiei la vibratii si la alte solicitari, modulul din fibre de carbon a primit certificatul 'capabil de functionare in conditii sigure'.

Eugenio Gutierrez Tenreiro, directorul proiectului 'materiale compound' arata ca fibrele de carbon se evidentiaza ca material de constructie prin doua insusiri esentiale: el este usor, iar constructia are loc cu costuri reduse. Podul de la aeroportul din Oviedo cantareste 200 de tone, mai putin de jumatate din greutatea unui pod din beton armat construit conventional. La aceasta se adauga viteza neobisnuita cu care poate fi construit: podul a fost terminat in doua zile. Constructia portanta din fibre de carbon si de sticla a fost montata intr-o zi de lucru. Stratul de beton pentru carosabil a fost turnat in cea de-a doua zi, fara sa fie nevoie de lucrari de cofraj. Autostrada a fost inchisa pentru constructia podului mai putin de doua zile; in cazul unei constructii conventionale, ar fi fost inchisa cateva saptamani.

In prezent, costurile de fabricare a unui pod cu fibre de carbon sunt de cateva ori mai mari decat cele ale unui pod conventional. Dar, pe de-o parte, modul rapid si simplu de montare economiseste costurile colaterale. Iar pe de alta parte, intretinerea, renovarile si inbunatatirile ce se impun neintrerupt in cazul podurilor cu armaturi de metal, fiind extrem de costisitoare. Comparatia este in ultima instanta in favoarea noului pod high-tech, in timp, acesta amortizand eficient costurile.

Tehnicienii americani urmaresc cu deosebit interes noua constructie europeana. Daunele datorate coroziunii la podurile de autostrada din Statele Unite se cifreaza anual la aproximativ 10 miliarde de dolari. Exista asadar o sansa reala ca materialele compozite din fibre de carbon si optice, sa se impuna in viitor in constructia de poduri. Dar nu numai in constructia de poduri: cercetatorii europeni de la Ispra au deja si alte proiecte in colaborare cu partenerul spaniol, concernul de constructii Necso. Ei au in vedere constructii portuare si constructii portante pentru statiile eoliene.

REABILITAREA STRUCTURILOR DE BETON ARMAT PRIN FOLOSIREA

COMPOZITELOR PE BAZA DE FIBRE DE CARBON

1. INTRODUCERE

Structurile de beton armat existente in numar mare sunt, multe dintre ele, proiectate corespunzator la actiuni gravitationale dar avand o capacitate portanta insuficienta la actiuni orizontale de tip seism. Aceste structuri au fost proiectate conform standardelor in vigoare la data executiei lor, standarde care s-au modificat si imbunatatit de-a lungul anilor. Multe constructii existente au depasit durata de exploatare proiectata fiind inca in exploatare datorita costurilor mari de inlocuire. Normele de proiectare mai vechi nu au inclus masuri antiseismice sau au specificat nivele reduse ale actiunii seismice. Comportarea structurilor proiectate la actiuni gravitationale este neductila si implicit prezinta moduri de distrugere inacceptabile. Proiectarea s-a facut in scopul realizarii unei rezistente adecvate la actiuni orizontale. Normele recente, pe plan national si international, au inceput sa puna accentul pe detaliile de alcatuire si armare ale elementelor structurale in scopul comportarii ductile generale in paralel cu asigurarea cerintelor de rezistenta.

De asemenea structurile ductile existente, avand o alcatuire si armare buna, se pot comporta deficitar la incarcari orizontale datorita actiunilor seismice reale mai mari decat cele de proiectare, modificarilor destinatiei cladirilor, factorului de importanta, deteriorarilor de durabilitate in timp. S-a observat recent, la cutremurele din Hanshin-Awaji (Kobe, Japonia - 1995) si Kocaeli (Turcia - 1999), ca structurile de beton armat existente, proiectate conform normelor mai vechi la incarcari gravitationale sau forte seismice reduse, s-au comportat nesatisfacator.

In prezent, proiectarea antiseismica structurala a atins un nivel ridicat, oferind o imagine reala asupra performantelor de comportare structurala. Pe de alta parte, simularea si evaluarea comportarii structurilor existente este in stadiul de dezvoltare prezentand limitari de siguranta in folosirea si aplicarea la un numar larg de tipuri de structuri.

Evaluarea comportarii structurilor existente la actiuni seismice a fost recent luata in considerare. La ora actuala, cu exceptia Normelor japoneze pentru evaluarea capacitatii seismice a cladirilor existente de beton armat si a unor indrumatoare de proiectare, exista putine specificatii in normative cu privire la determinarea rezistentei la actiuni seismice a constructiilor existente. Cateva normative, cum ar fi EUROCODE 8, au inceput sa cuprinda indicatii pentru reabilitarea si consolidarea structurilor existente.

2. PREZENTAREA PROGRAMULUI EXPERIMENTAL

2.1. Realizarea elementelor experimentale

Unele constructii existente cu structura in cadre din beton armat sau cu parter flexibil necesita consolidarea zonelor flexibile si/sau sensibile structural, fapt care prezinta o importanta structurala capitala pentru comportarea intregii cladiri la actiuni seismice.

Programul experimental se concentreaza pe posibilitatea aplicarii compozitelor pe baza de fibre de carbon la cadre de beton armat.

In acest scop s-au proiectat si executat cadre portal dublu incastrate din beton armat avand caracteristicile din Figura 1. Aceste elemente experimentale s-au alcatuit conform normelor de proiectare din anii 1970 pentru a se modela comportarea unei structuri presupuse existenta.

Figura 1. Detalii de alcatuire a cadrelor din beton armat.

Din motive de siguranta la transport si montaj, cadrele din beton armat au fost realizate prefabricat in cofraj orizontal. Cadrele (Figura 2) au fost montate in pozitia pentru incercarea experimentala iar in final au fost realizate fundatiile stalpilor.

S-a realizat consolidarea stalpilor (Figura 3) din beton armat cu materiale compozite pe baza de fibre de carbon (CFRP) Sika:

lamele longitudinale Sika Carbodur ancorate in fundatii si nodurile superioare;

tesaturi Sika wrap pentru confinarea transversala la ambele capete ale stalpilor.

- pe cadre neconsolidate testate initial pana in stadiul ultim, apoi consolidate cu CFRP si re-testate in final pana la rupere.

Valorile teoretice pentru analiza cadrelor din beton armat neconsolidate s-au determinat conform normativului european EUROCODE 2, iar pentru cadrele consolidate cu CFRP s-au folosit prevederile fib bulletin "Externally bonded FRP reinforcement for RC structures".

2.2. Rezultate experimentale

Date obtinute din incercarile experimentale asupra cadrelor din beton armat neconsolidate si consolidate sunt prezentate in Tabelul 1.

Tabelul 1. Rezultate experimentale

Din datele prezentate in Tabelul 1 se pate observa:

- valorile incarcarilor orizontale maxime au fost alese diferit pentru cadrele din beton armat neconsolidate in scopul modificarii stadiului de aplicare a consolidarii: 1600 daN (starea limita de curgere a armaturii) pentru Cadrul 1 respectiv 3600 daN (starea limita ultima) pentru Cadrul 2;

- cresterea fortei orizontale maxime cu 6 % s-a obtinut la Cadrul 2 consolidat chiar daca initial a fost incercat neconsolidat pana la stadiul ultim;

- cresterea de rigiditate a structurii consolidate implica deplasari orizontale mai mici la starea limita de curgere a armaturii (Figura 6).

Figura 6. Deplasari orizontale ale cadrelor din beton armat neconsolidate si consolidate cu CFRP.

3. SOLUTII MODERNE DE REABILITARE A CONSTRUCTIILOR EXISTENTE DIN BETON ARMAT.

APLICAREA CONSOLIDARILOR CU COMPOZITE PE BAZA DE FIBRE DE CARBON (CFRP)

3.1. Fabrica de bere "Timisoreana"

La Fabrica de Bere 'Timisoreana', colectivul de cercetare a efectuat expertizarea si reabilitarea structurii de rezistenta de la hala de fierbere (Figura 10).

Constructia este realizata din beton armat turnat monolit, cu structura din cadre verticale si plansee orizontale cu grinzi secundare si principale.

Studiul starii de eforturi pentru structura de rezistenta a halei de fierbere s-a facut spatial pe schema statica a cadrului spatial analizat este cea prezentata in Figura 10.

Folosind rezultatele analizei statice s-au calculat valorile gradului nominal de asigurare la actiuni seismice R conform Normativului P100-92. Valorile lui R £ R_min au scos in evidenta necesitatea reabilitarii constructiei prin consolidarea unui stalp si a unor grinzi principale transversale si longitudinale.

a) consolidarea stalpului (Figura 11a si 12a): utilizarea a 8 lamele longitudinale din fibre de carbon S512 (latime 50 mm, grosime 1,2 mm), cate doua pe fiecare fata, pentru a compensa insuficienta armaturilor longitudinale, situatie care a condus la valoarea mica a gradului de asigurare la actiuni seismice. Pentru confinarea zonelor plastice potentiale s-a dispus o "infasurare" in zona nodurilor cu o tesatura din fibre de carbon de tipul Sikawrap 230C/60x50;

b) consolidarea grinzilor (Figura 11b si 12b): utilizarea unor lamele S1012 (latime 100 mm, grosime 1,2 mm) pentru armare longitudinala, la partea inferioara; armare la forte taietoare prin folosirea tesaturilor Sikawrap 230C/60x50. Aceste tesaturi compenseaza armarea insuficienta prevazuta la proiectarea structurii.

3.2. Bloc din panouri mari prefabricate

Ca urmare a exploziei unei butelii de gaz la un bloc de garsoniere din Timisoara colectivul de cercetare a efectuat expertizarea si reabilitarea structurii de rezistenta afectata (Figura 13).

Solutii de reabilitare s-au ales de diferite tipuri functie de gradul de avariere constatat:

- inlocuirea panourilor prefabricate dislocate cu panouri noi;

- consolidarea unor panouri puternic fisurate prin camasuire cu beton armat;

- consolidarea unor panouri fisurate prin aplicarea compozitelor pe baza de tesaturi din fibre de carbon (Figurile 16 si 17).

Bibliografia: Universitatea Politehnica din Timisoara: Autor: Sef lucrari dr. ing. DAN Sorin