Podstawowe informacje o systemach wzmacniania konstrukcji budowlanych i inżynierskich za pomocą materiałów kompozytowych Sika CarboDur System

Konstrukcje budowlane wymagają wzmocnienia z powodu pogorszenia się ich stanu technicznego na skutek upływu czasu i eksploatacji, zmiany wymagań (np. podwyższenia klasy nośności mostu), zmiany funkcji konstrukcji lub elementów (np. urządzenie biblioteki na piętrze), zmian konstrukcyjnych wynikających z przebudowy (usunięcie słupów, wycięcie otworów itp.).

Do niedawna jedyną dostępną metodą wzmocnienia było umieszczenie dodatkowych elementów nośnych, najczęściej w postaci belek stalowych o znacznych przekrojach. Obecnie, nowoczesną metodą jest naklejanie taśm, mat i kształtek z materiałów kompozytowych, których głównym składnikiem są włókna węglowe.

Firma Sika oferuje całą gamę taśm, mat i klejów tworzących spójny system wzmacniania konstrukcji. Technologia naklejania jest nieskomplikowana i nie wymaga zastosowania specjalistycznego sprzętu, aczkolwiek niezbędne jest tu ścisłe przestrzeganie reżimów technologicznych. W szczególności dotyczy to przygotowania podłoża, które musi być dostatecznie wytrzymałe i pozbawione większych nierówności. Zaletą systemu Sika CarboDur są m.in. małe przekroje taśm, mat i kształtek używanych do wzmocnienia. Pozwala to na wzmacnianie mostów i wiaduktów bez zmniejszania prześwitu pod nimi, oraz na łatwe ukrycie użytych materiałów w bruzdach czy szczelinach wzmacnianych fragmentów budowli. Ma to duże znaczenie przy robotach w obiektach zabytkowych, gdzie szczególnie niewskazana jest zmiana wyglądu.

W związku z coraz częstszym stosowaniem tych materiałów firma Athenasoft opracowała i wydała dla potrzeb Państwa KNR nr AT-20 "Wzmacnianie konstrukcji budowlanych przy użyciu taśm i mat z włókna węglowego w technologii Sika CarboDur”.

Wzmacnianie za pomocą kompozytowych taśm Sika^®CarboDur,

mat SikaWrap^® i kształtek Sika^®CarboShear L

Taśmy kompozytowe, to taśmy z włókien węglowych wtopionych w tworzywo sztuczne. W literaturze określa się je często jako „taśmy CFRP” od angielskiego Carbon Fibre Reinforced Plastic .

Maty z włókiem węglowych SikaWrap^®, podobnie jak kształtki Sika CarboShear^® L, są uzupełnieniem systemu Sika^®CarboDur^®. Kształtki CarboShear L przeznaczone są do wzmacniania stref ścinania. Natomiast matami SikaWrap^® można wzmacniać kolumny, słupy, konstrukcje murowane, wykonywać wzmocnienia powierzchniowe oraz stosować we wszystkich tych sytuacjach, gdzie zastosowanie taśm Sika^® CarboDur^® jest niemożliwe lub znacznie utrudnione.

Aplikacja taśm polega na dokładnym wtarciu kleju w odpowiednio przygotowaną i odkurzoną powierzchnię, oczyszczeniu i przetarciu taśmy specjalnym preparatem, nałożeniu kleju na taśmę, przyklejeniu, wyciśnięciu i uformowaniu nadmiaru kleju.

Maty nakleja się na przygotowane i wyrównane podłoże pokryte żywicą impregnacyjną, a następnie dociska specjalnym wałkiem. Aplikację kończy się przez nałożenie ostatniej warstwy żywicy, najlepiej przy użyciu wałka lub pędzla.

Efektywność wzmocnienia taśmami i podstawowy zakres zastosowań metody

Efektywność wzmocnienia konstrukcji betonowych taśmami kompozytowymi jest bardzo wysoka. W zależności od rodzaju taśm, liczby ich warstw i rodzaju obciążenia, graniczna nośność elementu wzrosnąć może nawet 2÷3 krotnie w porównaniu do elementu niewzmocnionego. Dotyczy to zwłaszcza belek. W praktyce jednak wystarcza, przynajmniej w odniesieniu do niektórych konstrukcji (na przykład mostów), aby w zakresie normalnego użytkowania wzmocnienie to wynosiło od kilkunastu do kilkudziesięciu procent, co uzyskuje się niemal zawsze.

Dotychczasowe doświadczenia (w tym także krajowe) ze wzmacniania istniejących konstrukcji pozwalają wskazać następujące zakresy najczęstszego i racjonalnego stosowania taśm kompozytowych Sika^® CarboDur^® w obiektach betonowych:

• gdy wymagane jest wzmocnienie z uwagi na naprężenia normalne w belkach lub płytach - wtedy taśmy naklejane są zgodnie z tzw. obwiednią momentów zginających, mogą więc mieć różne długości i być naklejane w jednej lub większej liczbie warstw (występuje tu pewna analogia do układu zbrojenia prętami w elementach zginanych);
• gdy wymagane jest wzmocnienie, noszące raczej cechy zabezpieczenia, wynikające na przykład z obawy przed skutkami pęknięcia skorodowanych kabli sprężających w belkach prefabrykowanych lub innych - wtedy taśmy naklejane są „od podpory do podpory”, czyli na całej długości elementu;
• gdy wymagane jest wzmocnienie z uwagi na ścinanie lub naprężenia główne rozciągające - wtedy odcinki taśm naklejane są na zewnątrz elementów (zwykle belek) w kierunkach takich, jak pręty odgięte.

Polskie doświadczenia wskazują, że wzmacnianie za pomocą taśm kompozytowych Sika^®CarboDur^® i mat SikaWrap^® jest ekonomicznie, technicznie uzasadnione i efektywne jako uniwersalna metoda wzmacniania konstrukcji.

Zalety Systemu wzmocnień Sika^®CarboDur:

• Niepodatność na korozję
• Ponad 10-krotnie większa wytrzymałość taśm na rozciąganie w porównaniu z typową stalą konstrukcyjną
• Małe przekroje elementów wzmacniających
• Lekkość i łatwość manewrowania
• Niski koszt robocizny
• Krótki czas realizacji
• Możliwość uniknięcia budowy kosztownych rusztowań
• Brak ograniczeń wymiarowych (długości)
• Ekstremalnie wysoka wytrzymałość zmęczeniowa
• Odporność na korozję (nie wymaga konserwacji)
• Możliwość stosowania do konstrukcji z różnych materiałów (betonu, stali, drewna)
• Połączenie taśmy ze wzmacnianym elementem tylko za pomocą warstwy kleju

Przykłady wzmacniania konstrukcji

Zamek w Krasiczynie. Wzmocnienie obwodowe Baszty Boskiej taśmą o długości 34 m.

Chłodnia w Będzinie. Wzmocnienie płaszcza.

Wzmocnienie słupów taśmami Sika CarboDur i matami SikaWrap na wiadukcie Śląskim w Rzeszowie.

Aplikacja taśm kompozytowych z włókien węglowych systemu Sika CarboDur^® z użyciem Heating Device

Technologia aplikacji systemu Sika CarboDur, z natury prosta, wymuszała dodatkowo coraz większą uniwersalność oraz redukcję niektórych ograniczeń wynikających z pracy konstrukcji oraz użytego kleju epoksydowego. Największym problemem było stosowanie w niskich temperaturach oraz w przypadku obiektu narażonego na obciążenia dynamiczne. Ma to kolosalne znaczenie głównie przy wzmacnianiu budowli komunikacyjnych. W przypadku niektórych mostów, trudno sobie wyobrazić ich zamknięcie dla ruchu nawet na okres kilku dni.

W laboratorium badawczym Sika w Szwajcarii, prowadzone były prace umożliwiające wyeliminowanie wymienionych ograniczeń oraz jak najszybsze osiągnięcie pełnej wytrzymałości wzmacnianego elementu. Efektem tych prób jest wyprodukowanie i opatentowanie urządzenie Sika CarboDur^® Heating Device. Urządzenie to wykorzystuje właściwości elektroprzewodzące włókien węglowych. Powstałe w wyniku przepływu prądu elektrycznego w taśmie kompozytowej z włókien węglowych ciepło znacząco zwiększa temperaturę kleju epoksydowego i przyspiesza proces jego utwardzania. W efekcie wzmocniona struktura osiąga wytrzymałość użytkową już po kilku godzinach, podczas gdy w temperaturze pokojowej osiągnięcie podobnej wytrzymałości trwa kilka dni.

Ogólny widok podłączenia zestawu Heating Device do szybkiego utwardzania kleju epoksydowego w czasie aplikacji materiałów kompozytowych systemu Sika CarboDur.

Przepływ prądu przez ułożone równolegle włókna węglowe zawarte w taśmie kompozytowej jest cały czas kontrolowany. Umożliwia to pełne utwardzenie kleju, a zarazem zabezpiecza przed powstaniem zbyt dużej temperatury, która mogłaby uszkodzić strukturę żywicy epoksydowej.

W skład całego zestawu Sika CarboDur^® Heating Device wchodzi sterowana komputerowo, specjalna jednostka transformatorowa, czujniki temperatury, kable oraz specjalne zaciski łączące jednostkę zasilające i taśmy lub maty kompozytowe z włókien węglowych.

Zestaw do szybkiego utwardzania kleju epoksydowego Sika CarboDur^® Heating Device umożliwia prawie całkowite uniezależnienie się od panujących warunków pogodowych. Znane są też przypadki wzmacniania elementów konstrukcyjnych w temperaturach ujemnych. Ponadto wzmacniana konstrukcja osiąga swoją pełną wytrzymałość już po kilku godzinach od momentu aplikacji. Badania w instytucie EMPA potwierdzają, że wzmocnienia tym systemem można wykonywać, bez uszczerbku dla ostatecznej wytrzymałości elementów, nawet w przypadku, gdy są one obciążane dynamicznie.