MATERIALE COMPOZITE UTILIZATE LA REPARAREA SI
REABILITAREA STRUCTURILOR 38
1. NOTIUNI INTRODUCTIVE
In timp, structurile suferă o serie de degradări a căror cauze pot fi : îmbătrânirea
materialelor, fenomenele de oboseală, curgere lentă, a efectelor unor acţiuni extraordinare
(acţiunea seismului, a exploziilor sau a focului), agresivitatea mediului. Modificările
structurale la care se recomandă utilizarea acestor consolidări sunt : deteriorări structurale
determinate de acţiunea mediului (coroziunea) ; suprasolicitări ; înnoirea normelor de
proiectare, creşterea cerinţelor de siguranţă ; modificarea sarcinilor sau a
încărcărilor ;capacitate inadecvată la deformaţii.
Cercetătorii din domeniul construcţiilor au acceptat ideea reabilitării şi consolidării
structurilor cu materiale compozite polimerice armate cu fibre (CPAF) doar la începutul
anilor ’80.
Cele mai recomandate fibre (datorită caracteristicilor fizico-mecanice) sunt fibrele de
sticlă, de carbon şi cele aramidice. Pe plan mondial, refacerea capacităţii portante a
elementelor structurale a început în Japonia (fâşiile de CPAF) şi apoi a apărut şi în Europa
(placări cu platbande din CPAF).
Soluţiile de consolidare cu materiale compozite cu matrice polimerică, armate cu fibre
(CPAF) suplimentează soliţiile tradiţionale care folosesc betonul şi oţelul, având următoarele
avantaje :
- reducerea încărcării permanente din structură prin creşterea rezistenţei şi ductilităţii
elementelor structurii ;
- reducerea costurilor legate de întreţinere, având o bună comportare la acţiunea agenţilor
corozivi şi a sărurilor ;
- posibilităţi de alcătuire şi optimizare în funcţie de fiecare caz particular ;
- reducerea timpului de instalare, manipulare şi transport ;
- insensibilitate la umezeală ;
- rezistenţă la foc ;
- modul de elasticitate mare ; raportul dintre greutate şi rezistenţa materialului este mult
mai mare decât în cazul materialelor clasice ;
Materiale de constructii
2. METODE DE REABILITARE
Reabilitarea se realizează prin două metode :
1. armare exterioară - la consolidarea grinzilor din beton armat şi din lemn prin lipirea cu
platbande compozite sau cămăşuirea inimii, consolidarea stâlpilor sau confinarea acestora
cu fâşii, membrane sau ţesături compozite şi consolidarea zidăriilor şi a planşeelor
folosind platbande cu grosime şi lăţime variabilă ;
2. armături înglobate în beton, armături simple, pre şi post întinse.
Din categoria materialelor compozite existente pe plan mondial şi folosite pentru repararea şi
consoliderea structurilor degradate se pot aminti :
- forme structurale cu aplicaţii la grinzi, stâlpi şi tablierele unor poduri ;
- bare şi toroane din materiale compozite cu matrice polimerice armate cu fibre de înaltă
rezistenţă pentru armarea betonului ;
- sisteme compozite compuse, benzi, ţesături, membrane subţiri folosite la repararea şi
consolidarea elementelor de tip grinzi, stâlpi, planşee şi pereţi.
Produsele din materiale compozite utilizate la consolidarea structurală a elementelor de
construcţie se pot grupa în « prefabricate » şi « prin formare manuală la faţa locului ».
a) Elementele prefabricate pot fi :
- prefabricate sub formă de fâşii sau benzi, obţinute prin pultrudere, formare manuală sau
laminare continuă, lipite cu adezivi de elementele care urmează a fi consolidate ;
- profile prefabricate tip L cu aripi egale, cu secţiune U, membrane sau cămăşueli
prefabricate, având forma curbă sau spaţială (în funcţie de dimensiunile şi forma
elementului care urmează a fi consolidat), montate cu ajutorul adezivilor,
b) Sisteme de formare manuală la faţa locului
- fascicule de fibre preimpregnate amplasate manual sau mecanic pe suprafaţa elementelor
care urmează a fi consolidate ; instalarea se poate face prin preimpregnarea suprafeţei ;
- fascicule din fibre uscate care se aplică manual sau mecanic pe suprafaţa care urmează a fi
consolidată; răşina polimerică se introduce în timpul procesului de confinare, umectînd
fascicolele ;
- fâşii din fibre aranjate unidirecţional şi ţesături semiunidirecţionale ; elementele
structurale pot fi parţial sau total acoperite ; suprafaţa betonului se pregăteşte în prealabil
aplicând un chit pentru a realiza planeitatea şi aderenţa stratului de adeziv la suprafaţa de
beton. Tesătura din fibre preimpregnată cu răşină se poate aplica direct pe suprafaţa de
beton, sau aplicată pe suprafaţa de beton şi apoi impregnată cu răşină ;
- ţesături multidirecţionale, cu fibrele dispuse pe mai multe direcţii, iar răşina se aplică în
abundenţă ;
330
Materiale compozite utilizate la reabilitari
- fâşii sau ţesături unidirecţionale preimpregnate cu răşină, în care fibrele au o singură
direcţie ; sistemele se pot aplica cu sau fără răşină adiţională.
3. AVANTAJELE SI DEZAVANTAJELE CONSOLIDARILOR CU MATERIALE COMPOZITE
Principalele avantaje ale compozitelor care le fac a fi utilizate la consolidări sunt :
- rezistenţa ultimă la rupere ridicată (de cel puţin trei ori mai mare decât cea a oţelului)
- greutate mică (20 din cea a oţelului), reducând cheltuielile de transport, instalare ;
- varietate mare de soluţii, dimensiuni foarte diferite, aplicarea în straturi ;
- întreţinere simplă ;
- posibilitate de precomprimare ;
- durabilitate (posibilitatea utilizării în medii agresive).
Dezavantajele posibile ale consolidărilor cu materiale compozite sunt :
- preţul încă relativ ridicat ;
- măsuri suplimentare de protecţie împotriva şocului ;
- sensibilitate la radiaţii ultraviolete ;
- sensibilitate mare a răşinii la umiditate;
- la temperaturi care depăşesc temperatura de tranziţie sticloasă a răşinii sunt necesare
măsuri de protecţie ;
Comparând soluţia consolidării cu platbande din CMP cu soluţia platbandelor din oţel, se
constată următoarele avantaje :
- platbandele din CMP sunt mai rezistente la acţiunie agenţilor chimici, deci costul
intreţinerii după instalare este mai redus ;
- în situaţia existenţei agenţilor corozivi, când lungimea platbandelor este mai mare de 8m,
soluţia CMP –urilor nu mai este economică ;
- materialele compozite polimerice sunt bune izolatoare electrice, nemagnetice,
neconductive termic ;
- platbandele compozite se pot proiecta şi realiza cu proprietăţi iniţial stabilite pe baza
alegerii elementelor sistemului multifazic, fracţiunilor volumetrice de fibră şi matrice,
orientării fibrelor şi procedeului de fabricaţie ;
- platbandele din CMP având greutate redusă sunt uşor de manipulat, instalat ;
- elementele din CMP se pot realiza în lungimi mari, fiind posibilă livrarea şi în rulouri ;
- consolidarea nu presune întreruperea funcţionării structurii, motiv pentru care, în
ansamblu se realizează o economie de (18-20) ;
Consolidarea cu platbande din CMP are însă şi o serie de dezavantaje :
331
Materiale de constructii
- schimbările bruşte de secţiune pot determina cedări datorită
tensiunilor locale de întindere normală pe platbandă ;
- deşi materialele se comportă liniar elastic, există pericolul cedării fragile ;
- fibrele (mai ales cele din carbon) sunt de 4-5 ori mai scumpe decât oţelul, dar manopera
este mult mai ieftină; diferenţa dintre costuri se reduce pe măsură ce creşte volumul de
activitate ;
- platbandele compozite sunt mai sensibile la acţiuni determinate de corpuri dure, doar că
deteriorările sunt localizate şi se pot remedia simplu şi uşor ;
4. SOLUTII DE CONSOLIDARE A ELEMENTELOR STRUCTURALE FOLOSIND MATERIALE COMPOZITE
Pentru reabilitarea structurilor sau elementelor la care soluţiile tradiţionale nu sunt
eficiente, se recomandă utilizarea compozitelor polimerice armate cu fibre. S-au realizat
consolidări de grinzi, plăci degradate din forfecare, stâlpi, structuri din zidărie, din lemn,
coşuri industriale.
Pentru structurile din beton armat, matricea este realizată din răşini epoxidice,
poliesterice şi vinilesterice, iar fibrele din carbon, sticlă sau aramidice.
Consolidări cu lamele 42
Se utilizează lamele fabricate prin pultrudere, cu un conţinut de fibre de 60-70%,
orientate după o direcţie, lamele ce se fixează cu un adeziv pe suprafaţa elementelor
deteriorate, obţinând o majorare a capacităţii portante a elementului, la încovoiere şi tăiere.
Lamelele au diferite lăţimi şi grosimi, fiind disponibile în orice lungime, dar datorită
flexibilităţii mai reduse, lamelele se folosesc la suprafeţe plane : planşee, pereţi, grinzi. Pentru
elementele solicitate la încovoiere, lamelele se pot lipi simplu sau se aplică varianta prin
precomprimare. Grinzile din beton armat consolidate la tăiere pot fi rigidizate prin lamele în
formă de L, care ulterior vor funcţiona ca şi etrieri.
Consolidări cu ţesături
Consolidările cu ţesături se utilizează în scopul majorării rezistenţei elementelor la încovoiere,
tăiere, impact şi explozii, la elemente circulare, rectangulare sau cuburi (datorită flexibilităţii
ridicate). Ţesăturile se aplică manual, folosind fibre lipite pe suprafaţa pregătită a elementului
de consolidat cu ajutorul unor răşini. Ţesăturile se realizează din fibre de carbon, de sticlă, de
aramidă sau din fibre hibride, orientate după o direcţie, după două, sau după mai multe
direcţii.
332
Materiale compozite utilizate la reabilitari
Dacă ţesăturile sunt impregnate cu răşină (într-o maşină de saturare) şi apoi aplicate
umed pe elementul pregătit, procedeul se numeşte cu « ţesături umede ». Procedeul cu
« ţesături uscate » presupune ca instalarea să se facă direct în răşina care a fost uniform
aplicată pe suprafaţa de consolidat.
In fig.1 sunt prezentate cateva scheme de înfăşurare pentru consolidarea prin tăiere.
Cea mai eficientă este înfăşurarea completă, care se foloseşte de obicei la stâlpi. La grinzi
(cand înfăşurarea completă este imposibilă datorită planşeului) se practică înfăşurarea în U,
adică pe trei feţe sau prin lipirea pe două feţe a elementului.
Fig. 1
Consolidări automatizate prin înfăşurarea filamentului
Consolidarea automatizată prin înfăşurarea filamentului este o metodă care se aplică la
consolidarea stâlpilor din beton armat, cu ajutorul unor echipamente automatizate de
înfăşurare a fibrelor, care îmbracă elementul. Echipamentul poate modifica conţinutul de
fibre, unghiul de înfăşurare şi numărul de straturi aplicate. Pentru polimerizarea răşinii,
suprafaţa este supusă unui tratament termic de încălzire. In urma acestui procedeu, suprafaţa
devine un strat rezistent şi puternic, cu o grosime de cinci ori mai mică şi de 12ori mai uşor
decât o cămăşuire cu oţel. Se utilizează preponderent fibrele de carbon.
Consolidări cu armături compozite
Armăturile compozite se utilizează în construcţii atat la armarea betonului, cât şi la
consolidări exterioare, datorită avantajelor pe care le au : rezistenţă mare la coroziune,
rezistenţă mare la întindere, greutate mică (cu 25% mai mică decât a oţelului).
In funcţie de aceste avantaje, domeniile de utilizare sunt : poduri, infrastructura
drumurilor, construcţii maritime (solicitate puternic la coroziune) ; medicină, telecomunicaţii,
încăperi cu aparatură, structuri ale căilor ferate cu pernă magnetică (nemagnetizabilitate) ;
333
Materiale de constructii
cablurile podurilor suspendate, elemente precomprimate (eforturi mari) ; consolidarea
structurilor existente (aplicare simplă).
Etapele unei consolidări presupun tăierea unui şliţ pe suprafaţa elementului de
consolidat, umplerea acestuia cu răşină, aşezarea armăturii în acesta, îndepărtarea surplusului
şi nivelarea.
Consolidarea cu armături compozite se poate aplica la elementele încovoiate, tăiate, la
elemente din beton, lemn, zidărie şi cărămidă.
Consolidarea elementelor încovoiate din beton armat trebuie să respecte conceptul
general al armării exterioare ; se realizează prin lipirea unor platbande din CPAF pe suprafaţa
de beton în zonele în care se doreşte o creştere a capacităţii portante astfel încât să se obţină
un mecanism de cedare convenabil.
Consolidarea unei grinzi din beton armat solicitată la încovoiere cuprinde următoarele
etape 41 :
- alegerea unui compozit cu modul de elasticitate suficient de mare astfel încât să se poată
folosi platbande subţiri cu proprietăţi stabile în timp ;
- pentru a ajunge la un spor de capacitate portantă dorit, se determină grosimea secţiunii
transversale a platbandelor ;
- gradul de consolidare, egal cu raportul dintre momentul capabil al elementului consolidat
şi cel alterior consolidării, trebuie să fie de maxim 2,0 ;
- verificarea posibilităţii de cedare prematură prin mecanisme de desprindere a platbandelor
compozite ;
- prevederea unor mijloace de ancorare pentru eventualele desprinderi premature, ancorare
aplicate la capetele platbandelor ;
- respectare cu stricteţe a tuturor operaţiilor .
In fig.11.2 este prezentată consolidarea grinzilor din beton armat cu platbande compozite.
a) grindă din beton armat
b) platbanda compozită
c) şurub de ancoraj
d) jug metalic de strângere
e) traversă de strângere
f) adeziv
g) cupon compozit
334
Materiale compozite utilizate la reabilitari
Fig.11.2
Consolidarea pentru majorarea capacităţii portante la forfecare este determinată de
următorii factori :
- rigiditatea starificatului compozit ;
- calitatea adezivului sau a răşinii utilizate ;
- rezistenţele mecanice ale betonului ;
- modul de dispunere a materialelor compozite şi orientarea fibrelor.
Experimental, s-a ajuns la concluzia potrivit căreia, mecanismul de cedare se poate realiza
prin rupere la tracţiune a elementului compozit (datorită concentrării tensiunilor) sau
desprinderea compozitului de pe suprafaţa betonului.
In fig.3 sunt prezentate soluţii de consolidare a grinzilor la forţă tăietoare, folosind CPAF :
a) membrana continuă cu fibre normale pe axa grinzii
b) armare cu fâşii verticale
c) armare cu fâşii înclinate
335
Materiale de constructii
d),e), f) armare cu membrane cu fibrele în diverse direcţii
g),h),i),j) – conlucrarea beton-compozit pe secţiunea transversală
Fig. 11.3
1 – beton armat
2 – CPAF
3 – bolţ
Consolidarea stâlpilor din beton armat utilizând CPAF se poate face la partea
superioară, inferioară sau pe toată înălţimea acestora. Aderenţa dintre stâlp şi materialul de
consolidare se face cu o răşină epoxidică. Utilizând CPAF la consolidarea stâlpilor se
suplimentează armătura transversală şi longitudinală, se majorează rigiditatea şi rezistenţa
acestora, fără a necesita costuri mari de transport şi manoperă, iar execuţia se realizează în
timp scurt.
In tabelul 1 sunt prezentate soluţii de consolidare a stâlpilor .
Fretele circulare sau etrierii din oţel determină o stare de tensiuni triaxială care
majorează rezistenţa betonului de aproximativ 1,6 până la 4,0 ori faţă de rezistenţa la
compresiune monoaxială.
336
Materiale compozite utilizate la reabilitari
Tabelul 1Soluţia de consolidare Realizarea consolidării
Confinarea stâlpilor din beton armat
folosind ţesături din fibre de carbon
Consolidarea stâlpilor din beton
armat folosind benzi din CPAF de
carbon sau kevlar (lipite cu adezivi,
la distanţe calculate în prealabil)
Confinarea stâlpilor din beton armat
folosind membrane din CPAF
Confinarea stâlpilor din beton armat
folosind fascicule din CPAF
(toroane sau fascicule de carbon sau
kevlar pretensionate)
Confinarea stâlpilor din beton armat
folosind met.aut.(fibr. de sticlă,
carbon sau kevlar sunt impreg. sau
nu cu răşină epoxidică şi bobinate
sub un anumit unghi în jurul
stâlpului)
Consolidarea pe toată înălţimea
stâlpului cu un număr variabil de
straturi de CPAF
337
Materiale de constructii
Confinarea laterală se realizează cu armături longitudinale (etrieri rectangulari şi
circulari, spirale, agrafe, frete circulare), cu cămăşuiri folosind platbande metalice sudate,
materiale compozite cu matrice polimerice armate cu fibre (fâşii, membrane subţiri, ţesături).
Confinarea laterală are rolul de a majora rezistenţa şi ductilitatea betonului la compresiune,
dar şi de a împiedica flambajul armăturii longitudinale.
Consolidarea structurilor din zidărie este mai eficientă prin utilizarea fâşiilor
compozite înguste, orientate după direcţia tensiunilor normale. In fig.4 sunt prezentate câteva
soluţii de consolidare a zidurilor din cărămidă.
Fig. 4
a), b) fâşii lipite pentru creşterea capacităţii portante la încovoiere şi forfecarec) fâşii (tendoane) nelipite dispuse pe contur pentru confinarea zidăriei
O atenţie sporită trebuie asigurată ancorării armăturii compozite la capete, prin lungimi de
ancorare suficient de mari. Tiranţii din materiale compozite polimerice armate cu fibre se
folosesc la consolidarea monumentelor istorice din zidărie.
Consolidarea elementelor din lemn folosind CPAF este o idee de ultimă oră.
Consolidarea grinzilor de lemn se bazează pe acelaş principiu ca şi la grinzile din beton armat.
Consolidarea stâlpilor presupune o primă evaluare din punct de vedere economic ; este
mai eficient a consolida elementul cu CPAF sau a-l înlocui cu altul tot din lemn.
In cazul secţiunilor rectangulare, înlăturarea regiunilor afectate se face cu un fierăstrău
electric (fig.5a), acestea înlocuindu-se cu o bucată de lemn (fig.5b) sănătoasă din aceeaşi
esenţă sau de esenţă mai tare. Pentru confinare se pot folosi ţesături din fibre de sticlă sau
fibre de carbon preimpregnate cu răşini epoxidice (fig.5c) sau fâşii din CPAFC (fig.5d).
a) stâlp afectat de putrezire
b) decuparea zonei afectate şi înlocuirea acesteia
338
Materiale compozite utilizate la reabilitari
c) confinarea stâlpului cu ţesături din fibre de carbon (I), fibre de sticlă (II) impregnate cu
răşini epoxidice
d) fâşii din CPAFC lipite cu adezivi epoxidici
Fig. 5
339