nr.3 revista research and science today.pdf

7/29/2019 Nr.3 Revista Research and Science Today.pdf

1/9

RESEARCH AND SCIENCE TODAY NR. 3

172

Engineering

ASPECTE PRIVIND CONSOLIDAREA STLPILOR DIN ZIDRIE

CU MATERIALE COMPOZITE CPAF

Mihai PURCARU1

ABSTRACT

HISTORICAL MASONRY CONSTRUCTIONS HAVE STRUCTURAL DEFICIENCIES AND ARE PRONE TO

BRITTLE FAILURES UNDER SEISMIC AND STATIC OVERLOADS. THUS, RETROFIT AND

STRENGTHENING OF THIS CATEGORY OF CONSTRUCTION IN ORDER TO FURNISH STRUCTURAL

DUCTILITY AND ADDITIONAL STRENGTH IS OF PRIMARY IMPORTANCE. THE RECENT RESEARCH

CONCLUDED THAT FIBER REINFORCED POLYMER COMPOSITES IS AN EFFECTIVE SOLUTION ATBOTH STRUCTURAL AND AESTHETIC LEVEL. THE CURRENT PAPER PRESENTS A SUMMARY OF

PROBLEMS THAT OCCUR WHEN USING THESE MATERIALS TO THE STRENGTHENING OF

MASONRY STRUCTURAL ELEMENTS, EMPHASIZING THE FACTORS THAT INFLUENCE THE

EFFICIENCY OF THESE SYSTEMS. IN THE ABSENCE OF TECHNICAL REGULATIONS ON THE USE

OF THESE MATERIALS IN ROMANIA (COMPUTING ELEMENTS AND DETAILS OF INSTALLATION),

WILL BE PRESENT THE MAIN STEPS OF AN ALGORITHM FOR MASONRY COLUMNS CONFINED

WITH COMPOSITES MEMBRANES, THAT EXIST IN ITALIAN STANDARD CNR-DT 200/2004. IN THEEND, THE PURPOSE OF NUMERICAL APPLICATION IS TO DETERMINE THE AXIAL CAPACITY OF A

MASONRY CIRCULAR COLUMN WRAPPED WITH A SIKA WRAP 230C CARBON SHEET.KEYWORDS: HISTORICAL MONUMENT, COMPOSITE, MASONRY, RETROFIT, EARTHQUAKE

1. Introducere

Cldirile din zidrie, majoritatea monumente istorice, reprezint partea cea mai

vulnerabil a fondului construit existent n Romnia. De-a lungul timpului, acestea au avut

de suferit datorit acumulrii unor efecte multiple, cauzate de: utilizarea inadecvata a

materizalelor i a tehnicilor de construcie, aciunea seismic, aciunea vntului i a

1

Doctorand, Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti (PhD Student, Technical University of CivilEngineering), Facultatea de Constructii Civile, Industriale si Agricole (Faculty of Civil, Industrial and

Agricultural Constructions, e-mail: [email protected]


2/9

MARTIE 2012

173

mediului nconjurtor. In plus, schimbarea funcionalitii i apariia unor norme

deproiectare mai stricte n ceea ce privete respectarea exigenelor, fac necesar gsirea

unor metode i tehnici noi de remediere a deficienelor structurale.

Printre metodele tradiionale utilizate la reabilitarea structural, folosirea

elementelor masive din metal i a cmuielilor armate din beton sunt tehnicile cele mai

des ntlnite, destul de eficiente n creterea rezistenei, rigiditii i a ductilitii cldirilor

din zidrie, ns prezentnd unele dezavantaje:

cmuielile grele sporesc mult greutatea proprie adugnd ncrcripermanente destul de mari, uneori imposibil de transmis la terenul de fundare, mai

ales cnd la parter sunt boli sau arce;

ncrcrile suplimentare din greutatea proprie modific rspunsuldinamic al structurii fiind posibil suplimentarea ncrcrii seismice;

grosimile cmuielilor pot altera aspectul estetic i reduc spaiulutil din cldiri;

soluia este mare consumatoare de manoper i pe durata realizriilucrrilor este obstrucionat utilizarea normal a cldirii.

Toi aceti factori au condus cercetrile recente la ideea utilizrii n consolidri a

materialelor compozite polimerice armate cu fibre (CPAF). Prin definiie (Fig.1), un

material compozit este alctuit din mai multe componente cu proprieti fizice i chimice

diferite, materialul astfel obinut avnd proprieti superioare i mbuntite fa de cele

ale materialelor individuale din componenta sa. Materialele compozite polimerice conin

cel puin o faz discontinu denumit ranforsant sau armtur (fibre de carbon, sticla,

aramida) nglobat ntr-o faz continu , cunoscut sub numele de matrice (rini

epoxidice, vinilesterice, poliesterice) avnd

urmatoarele proprieti:

rezistena i rigiditate ridicat n direciafibrelor;

rezistena la coroziune; greutate redus.

Figura 1. Materiale compozite armate cu fibre

Scopul consolidrii stlpilor din zidrie cu materiale compozite este de a crete

capacitatea portant la ncrcri axiale a acestora, precum i a deformaiilor specifice la


3/9


174

rupere. Materialele compozite se pot aplica pe suprafaa exterioar a elementului sub forma

unor esturi sau plase sau pot fi sub forma de bare introduse n guri special practicate.

Este de menionat faptul c materialele compozite utilizate trebuie s aib

proprieti mecanice compatibile cu cele ale sistemului suport.

3. Comportarea mecanic i la deformaii a zidrieiZidria poate fi asimilat cu un material anizotrop cu o comportare neliniar. In

zidria comprimat (Fig.2) se dezvolt o stare triaxial de tensiuni care este influenat de

proprietile blocurilor de zidrie i ale mortarului: compresiune vertical, ntinderi

transversale la care se adaug tensiunile suplimentare cauzate de variaia dimensiunilor

crmizilor, a tehnologiei de preparare a mortarului i a execuiei rosturilor de mortar2.

Ruperea zidriei se nregistreaz ulterior depirii rezistenei crmizilor. Ruperea

crmizilor se face dupa direcia forelor de compresiune (perpendicular pe direcia

tensiunilor transversale de ntindere)3.

Zidria lucreaz defavorabil la solicitrile de ntindere, ncovoiere i forfecare,

avnd o comportare casant, ceea ce duce la evitarea utilizrii acestui material n astfel de

cazuri. Intinderea la zidrie poate avea loc n seciuni nelegate (continue), cnd efortul de

ntindere acioneaza perpendicular pe asize, respectiv n seciuni legate (esute), cnd fora

de ntindere

Figura 2. Starea complexa de eforturi n blocuri (crmizi) i Figura 3. Ruperea zidariei lantindere:

mortar :1.crmizi; 2.mortar; 3.goluri de aer;4.zona de compre a). dupa seciuni nelegate;

-siune locala;5.seciune de forfecare; 6. zona ncovoiata;7.ten b).c).d). dupa seciuni legate

-siuni de ntindere n crmizi; 8. tensiuni de compresiune n mortar

2Mihai Niculi, Consolidarea cldirilor din patrimoniu, (Iasi: Ed. Mateiu-Teiu Botez, 2007), 242

3Idem


4/9

MARTIE 2012

175

este paralel cu rosturile orizontale. In mod obinuit ruperea zidriei n seciuni nelegate

are loc prin stratul de mortar sau prin desprinderea blocurilor. Valoarea rezistenei la

ntindere este net inferioar celei de compresiune fiind determinat n mare msura de

aderena dintre blocuri i mortar, care depinde la rndul ei de marca, compoziia,

lucrabilitatea i varsta mortarului.

3. Consideraii generale i moduri de cedare a materialelor compozite

Materialul compozit are o comportare liniar pn cnd se atinge valoarea

caracteristic a rezistenei la rupere4. Un sistem compozit se impune a fi proiectat astfel

nct s preia ntotdeauna eforturi de ntindere. Supuse la compresiune, materialele

compozite sunt incapabile s mbunteasc comportamentul elementului de zidrie pe

care se aplic. Mai mult, apariia unor eforturi de compresiune pot cauza desprinderi i

deteriorri locale care pun n pericol eficiena ulterioar a sistemului.

Legat de modul de cedare a materialelor compozite, cercetrile experimentale au

artat c principala cauz o constituie fenomenul de delaminare (pierderea aderenei la

interfaa compozit-zidrie) care se manifest

prin:

desprinderea zonelor de capt amembranelor sau faiilor compozite;

desprinderea n zone intermediare datoritapariiei i dezvoltrii fisurilor la

suprafaa zidriei;

Figura4. Desprinderea n zona de capt cu

smulgerea zidriei

exfolierea compozitelor cu rigiditate ridicat la ncovoiere aplicate n special pe suprafeelecurbe;

desprinderea prin forfecare cu smulgerea (antrenarea) unor buci de zidrie n zonele decapt.

5(Fig.4)

4Vlad Munteanu, Gabriel Oprian, Nicolae ranu, Ioana Entuc, Efectul confinrii stlpilor din zidrie cu

membrane compozite, n Consolidarea cldirilor din patrimoniu, (Iai: Ed. Mateiu-Teiu Botez, 2007), 1195National Research Council , Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for

strengthening existing structures, CNR-DT200/2004, Rome-July 13, 2004, 84


5/9


176

Pentru a se realiza un transfer convenabil de tensiuni ntre componentele sistemului

de consolidare i elementul de zidrie pe care se aplic, lungimea optim de ancorare (l e)pe zona de capt se impune a fi egal cu:

mtm

ff

exf

xtEl

2=

6(1)

n care:

Efmodulul de elasticitate al materialului compozit;

tfgrosimea sistemului de consolidare;

fmtmrezistena medie la ntindere a zidriei.

4. Algoritm de calcul

In prezent, n Romnia nu exist reglementri tehnice cu privire la utilizarea

materialelor compozite pentru repararea/consolidarea cldirilor din zidrie. In aceste

condiii, majoritatea informaiilor privind utilizarea CPAF (detalii de montare i elemente

de calcul) provin de la furnizori.

Conform normei italiene, CNR-DT 200/2004, capacitatea la fora axial a stlpilor

din zidrie consolidai cu materiale compozite (NRmc,d) trebuie s depeasc valoarea de

calcul a forei axiale la care este supus elementul (NS,d).

dSdRmc NN ,, 7 (2)

Relaia (1) se poate scrie sub urmtoarea form:

mdmmcdm

Rd

dRmc xfAxfxAN =g

1,

8 (3)

6National Research Council , Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for

strengthening existing structures, CNR-DT200/2004, Rome-July 13, 2004, 857National Research Council , Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for



6/9

MARTIE 2012

177

n care:

Rdreprezint coeficientul de siguran pentru zidrie;

Amreprezint aria seciunii transversale a elementului de zidrie;

fmd reprezint valoarea de calcul a rezistenei de proiectare la compresiune a elementului de

zidrie neconfinat;

fmcd - reprezint valoarea de calcul a rezistenei de proiectare la compresiune a elementului de

zidrie confinat.

Pentru determinarea valoarii de calcul a rezistenei la compresiune a elementului

confinat trebuie s se ia n considerare valoarea rezistenei la compresiune a elementului

neconfinat, precum i valoarea presiunii de confinare exercitat de membrana compozit

pe suprafaa stlpului de zidrie.

effmdmcd xfkff ,1'+=9

(4)

n care:

k este un coeficient adimensional, exprimat n funcie de densitatea zidriei (1000

)/('

3mkgg

k m=

);

f1,effreprezint valoarea presiunii de confinare efectiv exercitat de membrana compozit;

Valoarea presiunii de confinare efectiv se afecteaza cu un coeficient de eficien,

keff, definit ca raport ntre volumul efectiv de zidrie si volumul de zidrie confinat.

11,1 xfxkkxfkf vheffeff ==10

(5)

kh,kvcoeficieni de eficien pe direcie orizontal, respectiv vertical.

8Idem

9Idem

10

National Research Council , Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems forstrengthening existing structures, CNR-DT200/2004, Rome-July 13, 2004, 99


7/9


178

In final, pentru determinarea presiunii de confinare (f1) se va tine cont de procentul

volumetric de armare cu material compozit, coeficient care depinde de forma i

dimensiunile seciunii de zidrie, grosimea i aspectul de continuitate a membranei

compozite aplicat.

Exemplu numeric - Calculul capacitii la fora axial a stlpilor din zidrie cu seciune

circular consolidai cu materiale compozite

Scopul aplicaiei numerice este de a determina

capacitatea la fora axial a unui stlp din zidrie

de crmida cu seciune circular avnd diametrul

D=500mm (Fig.5). Consolidarea stlpului const

n aplicarea prin lipire pe suprafaa exterioar a

unei esturi din fibr de carbon de tip Sika Wrap

230C.

Figura 5. Seciune transversal stlp

Caracteristicile materialelor utilizate

- rezistena medie la compresiune a zidriei fmd=5N/mm2;- modulul de elasticitate al zidriei Em=29000N/mm2;- densitatea zidriei gm=1600kg/m3;- modulul de elasticitate al esturii din fibr de carbon Ef=238000N/mm2;- grosimea de calcul a esturii tf=0.131mm;- deformaia specific ultima pentru estura fk=1.8%.

Din relaia (3) rezult capacitatea la fora axial a stlpului nainte de consolidare:

KNxx

xfAN mdmdS 25.98154

5002

, ===p

Valoarea coeficientului k este: 6.11000

1600

1000' === m

gk


8/9

MARTIE 2012

179

In cazul stlpilor circulari consolidai cu fii continue de material compozit, presiunea de

confinare este:

23

,1 /75.1014.0)2380001005.1(2

1)(

2

1mmNxxxxxxExf ridfdff === er

11

In care:

f- este procentul volumetric de armare cu material compozit i are valoarea:

31005.1

500

131.044 -=== x

x

D

xtffr

12

fd,ridreprezint valoarea deformaiei redus a materialului compozit cu urmtoarea valoare:

014.010.1

018.085.0, === xx

f

fk

aridfdg

ehe

13

aeste un factor de conversie14;

fcoeficient parial de siguran al materialului compozit15;

Coeficienii de eficien pe direcie orizontal, respectiv vertical au valoarea 1 i va rezulta o

presiune efectiv de confinare cu valoarea:

2

1,1 /75.175.111 mmNxxxfxkkf vheff ===

Cu aceste valori va rezulta din relaia (4) valoarea de calcul a rezistenei la compresiune a

elementului confinat:





National Research Council , Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for



strengthening existing structures, CNR-DT200/2004, Rome-July 13, 2004, Tab.3-4, 4215


strengthening existing structures, CNR-DT200/2004, Rome-July 13, 2004, Tab.3-2, 40


9/9


180

2

,1 /8.775.16.15' mmNxxfkff effmdmcd =+=+=

In final, capacitatea la fora axial a stlpului din zidrie consolidat cu estura din fibra de carbon

va fi egal cu:

KNxx

xxfxAN mcdmRd

dRmc 6.13918.74

500

1.1

112

, ===p

g

4. Concluzii

Rezultatele exemplului numeric pun n eviden o cretere semnificativ a

capacitii portante la fora axial a stlpului din zidrie cu seciune circular prin

consolidare cu estura dinfibr de carbon, stlpul fiind capabil s preia o for axial de

1391.6KN.

La nivel mondial, progresul obinut n ceea ce privete fabricarea materialelor

compozite, la care se adaug multiplele dezavantaje ale metodelor tradiionale de

reabilitare structural, au ca rezultat utilizarea din ce n ce mai frecventa a materialelor

CPAF att pentru construciile existente, ct i pentru cele noi. In Romnia, absena unor

reglementri tehnice privind calculul i modul de instalare al acestui sistem de consolidare

duce la reticen din partea specialitilor n domeniu. Astfel, un obiectiv viitor const n

completarea legislaiei n vigoare (Cod de proiectare seismic Partea a-III-aPrevederi

pentru evaluarea seismic a cldirilor existente Indicativ P100-3/2008) cu elemente

specifice acestor sisteme de consolidare.

nr.3 revista research and science today.pdf

Documents