Composite materials and FRP

strengthening

Dr. Zvi Reichverger

Materials : Fibers, Epoxy and

Composites

מ"מ 0.005דק מ , זכוכית או ארמיד בקוטר מזערי, סיבי פחמן•

העדר קורוזיה , משקל נמוך, חוזק מתיחה ומודול אלאסטיות גבוהים•

ר "משקל למ)ארמיד או זכוכית בצפיפות שונה , יריעות מסיבי פחמן•

. כיווני –חד או דו , (או שטח חתך הסיבים למטר רוחב היריעה

ג הבטון"שרף אפוקסי תואם להספגת היריעות טרם הדבקתן ע•

הכיוון העיקרי של הסיבים דומה לכיוון של מוטות הזיון•

(Laminates)ולוחות מוכנים ( Sheets)יריעות להספגה •

ג הבטון "הסיבים במטריצה אפוקסי המודבקים ע: המערכת החיזוק•

-באמצעות דבק אפוקסי תואם ללא האפשרות להתנתקות או לדה

למינציה

FRP fabric made carbon fibers

Cut of the glass made fabric

Mixing of two part Epoxy

האפוקסי מהווה רכיב

הכרחי וחשוב של

הבסיס : המערכת

.והמקשה

יש לערבב את שני

י "רכיבי האפוקסי ע

מערבל מתאים בצורה

יסודית לקבלת החומר

ההומוגני

Saturation of the Glass Fabric by

means saturation machine

י רוליר "הספגה ידנית ע•

ג משטח "או מגב גומי ע

דיקט מכוסה בניילון

י ציוד מיוחד"הספגה ע•

principal normative documents The

•ACI 440 2R – 02: Guide for the Design and Construction

of Externally bonded FRP Systems for Strengthening

Concrete Structures

•ICBO: Acceptance Criteria for Concrete and Reinforced

Masonry Strengthening Using Fiber – Reinforced

Composite Systems

• FIB Bulletin 14 Technical Report 2001: Externally

Bonded FRP Reinforcement for RC structures,

International Federation of Structural Concrete

GENERAL PROPERTIES OF FRP FIBERS

Fiber directions, arrangements, uses

תכונות מכאניות ופיסיקליות על בסיס ניסוי מעבדתי כערך סטטיסטי •

מופיעות בדפי מידע של החומר -מובטח

חוזק ומודול של היריעות , חוזק ומודול אלסטיות של הסיבים•

חוזק ומודול היריעות לתכנון , המוספגות בניסוי

CEמקדמי ההפחתה עקב השפעת הסביבה •

י הפחתת העיבור "התעייפות וזחילת החומר נלקחים בחשבון ע•

המותר לתכנון, המרבי

תנאי הכרחי -מניעת ההפרדה בין החומר המרוכב והתשתית •

י ההפחתה בעיבור המותר והבטחת "מושג ע -לתפקוד המערכת

שטח העיגון הנדרש

FRP strengthening: general principles

Reduction environmental

coefficients CE

FRP strengthening: general principles

החומר המרוכב משמש לקבלת מאמצי מתיחה מהטרחות נוספות •

לפי העיבור )מאמצים נוספים . לאלו הפועלים בעת יישום המערכת

. מופיעים גם במוטות הזיון( המופעל

.החתך נשאר ליניארי. העברת המאמצים בחתך נעשית דרך הבטון•

על הבטון והדבק להיות חזקים דיים להעברת המאמצים ומניעת •

התנתקות המערכת מהאלמנט המחוזק

מודול : החשובות ביניהן, לכל סוג החומר המרוכב תכונות משלו•

הכול לצורכי התכנון -התארכות מרבית בקריעה , אלסטיות

התכנון מבוסס , היות לכל החומרים המרוכבים התנהגות אלסטית•

י יעוד "הנקבעים בעיקר ע, על העיבורים המרביים המותרים

החיזוק

FRP strengthening: general principles

, סדיקה ודפורמציות, בתכנון נבדקים מצבים גבוליים של כשל•

המערכת נכנסת לפעולה לאחר הפעלתה . הרגיל RCבדומה לתכנון

של טרחה נוספת

הפלדה זוחלת והדפורמציות ,החומר המרוכב נקרה : תמונת הכשל•

עולות טרם נוצר הכשל בבטון הלחוץ

דרישת . מערכת החיזוק עלולה להיפגע בשריפה או עקב הוונדליזם•

. המבנה אמור להחזיק מעמד גם לאחר ניטרול החיזוק: התכנון

המאמץ המותר במערכת , בהתחשב בהתעייפות וזחילת החומר•

FRP 0.55בתנאי השרות לא יעלו על ffu .

חוזק המתיחה המינימאלי הנדרש מהבטון לעיגון המערכת ומניעת •

FRP (Peeling )וגזירת הבטון מתחת ל ( Debonding)ההפרדה

ס"מגפ 1.4הנו

Maximum allowed strain – basic design

parameter

חוזקם , היות וחומרים מרוכבים מאופיינים בהתנהגות ליניארית•

עולה עם העלייה בעיבור

להגבלה בעיבור המותר השלכה משמעותית לא רק על יכולת •

אלא גם , המבנה לעמוד בהטרחות הנדרשים במשך שנות השרות

על כלכליות החיזוק

אם העיבור המותר בחיזוק האלמנטים לכפיפה הוגדר פעם אחד •

החישוב לפי העיבור הגבוה יפחית את , 0.6% ופעם אחרת 0.3%

המשחק . הדרישה לכמות החומר המרוכב וייראה כלכלי יותר

אסור -בתחום זה מבחינה הנדסית

פרמטר תכנוני הראשון במעלה -ההגבלה בעיבור המרבי המתוכנן •

Typical recommended strain

limitations לתכנון החיזוק למיגון ורעידות אדמה

0.020 -יריעות זכוכית טיפוסיות

0.006 -יריעות פחמן טיפוסיות

(לכול סוגי היריעות) לתכנון החיזוק האקטיבי

0.004 -חיזוק עמודים לגזירה

0.003 -חיזוק עמודים עגולים לכוח צירי

0.002 -חיזוק עמודים מרובעים לכוח צירי

0.022 -חיזוק עמודים לשיפור המשיכות

0.004 -חיזוק קורות לגזירה

0.004 -חיזוק קורות לכפיפה

0.004 -חיזוק תקרות לכפיפה

0.004 -חיזוק קירות לגזירה במישור הקיר

0.006 -חיזוק קירות לכפיפה בניצב למישור הקיר

Stress – strain typical diagrams: steel

verses composites

עיבור של פלדה –עקומה טיפוסית של מאמץ

מצולעת לזיון בטון

עיבור של פלדה –עקומה טיפוסית של מאמץ

מצולעת לזיון בטון

Typical stress – strain parameters

of steel GPa 210מודול אלסטיות של פלדה לזיון •

ולפי 0.2%גבול הנזילות של הפלדה נקבע בעיבור של •

MPa 450 כ –הדיאגראמות שבהמשך

MPa 350 -מאמץ מתיחה המותר לתכנון •

0.15% -העיבור המותר בפלדה לעומסי התכן •

MPa 230מאמץ במצב השרות אינו עולה על •

העיבור האופייני במוטות הזיון במצב השרות אינו עולה •

0.1%כ על "בד

Principal mechanism of external

bonded strengthening

לאחר הפעלת העומסים הנוספים הדפורמציות דגלות והעיבורים •

0.1%כל עיבור נוסף בפלדה העובר . במוטות הזיון עולות בהתאם

( 0.2%העיבור הכולל )מכניס אותה לתחום הנזילות

. המאמץ בה נשמר כמאמץ הנזילות, במצב זה הפלדה מתארכת•

מערכת החיזוק נכנסת לפעולה ומקבלות מאמצי מתיחה לפי העיבור

. מאמצי המתיחה מתחלקים בין פלדה למערכת החיזוק. המתוכנן

. הגדלת העיבור נבלמת

המאמצים בבטון באזור הלחיצה עולים ומאזנים את כוחות •

העיבור המרבי , כדי למנוע כשל המבנה ממעיכת הבטון. המתיחה

הגבול העליון - 0.35%לא יעלה על ( εcU)של הבטון באזור הלחיצה

לעיבור הבטון בלחיצה

Passive and active strengthening

מנצלים את כל , בחיזוק פסיבי של מבני בטון לעומסים סיסמיים •לפני , הפוטנציאל הקונסטרוקטיבי של החומרים המרוכבים

בלי להתחשב בזחילת החומר השפעת גורמים , התנתקותם מהבטון סביבתיים

בחיזוק אקטיבי לתוספת סיבולת מכאנית של האלמנט מתחשבים • בגורם סביבתי ובזחילת החומר במשך שנות השרות

כדי להתחשב בזחילת החומרים המרוכבים ולמנוע כשל המבנה •, FRPמפגיעות מסוג כלשהו במערכת ( בחיזוק האקטיבי)המחוזק

מעל הסיבולת 50%מומלץ התקן האמריקאי להגביל את החיזוק ל הקיימת של האלמנט לפני חיזוקו

Bond and contact critical FRP strengthening systems

יש , אם מערכת החיזוק לא עוטפות את החתך באופן מלא•

-חשיבות עליונה להדבקה מלאה של המערכת לבטון

Bond critical

על המערכת להיות , אם ניתן לעטוף את האלמנט המחוזק•

אך הידבקותה לבטון בכל שטח , צמודות לפני השטח

Contact critical –האלמנט אינה חיונית

קירות, תקרות, קורות: הסוג הראשון•

עמודים בעיקר: הסוג השני•

Determination of the anchoring area

יש לקבוע את שטח העיגון הדרוש " Bond critical" בתכנון מסוג •

. להעברת כוחות המתיחה ממערכת החיזוק לבטון

. ס"מגפ 20החישוב מבוסס על ההנחה שחוזק הבטון אינו נופל מ •

Pull-out))לחישוב שטח העיגון 2R ACI 440חוזק המתיחה לפי

ס "מגפ 1.4הנו

י חלוקת כוח המתיחה "האורך המינימאלי של אזור העיגון נקבע ע•

המתוכנן ברוחב של אזור החיזוק ובחוזק הבטון בגזירה המינימאלי

.ס"מגפ 1.4שהוא

אזור בעיגון מתחיל מהמקום שיש בו מספיק זיון לקבלת מאמצי •

המתיחה בכפיפה לאחר הפעלת מלוא העומסים המתוכננים

החפיפה לאורך הסיבים העיקרים . אין חפיפה בין הפלטות המוכנות•

.מ"ס 30של היריעות לא תפחת מ

Typical scheme of the beams

strengthening חיזוק

E-GLASS DIRECTION FOR

FLEXURAL WRAP

TYFO S BONDED TO BEAM

SOFFIT FOR FLEXURE

TYFO S BONDED TO BEAM

SIDES FOR SHEAR

E-GLASS DIRECTION

FOR SHEAR WRAP

EXISTING

LINK

EXISTING

LINK

ORIGINAL BEAM SECTION TYPES

TYFO S

COMPOSITE

TYFO S

COMPOSITE

STRENGTHENED BEAM SECTION TYPES

INCREASE IN SHEAR RESISTANCE

FIBRE

ANCHORS

Typical scheme of the columns

strengthening

Typical properties of SCH 41L carbon

fabric

ר"למ' ג 640 - משקל היריעה טרם הספגתה באפוקסי•

מ"מ 1.0 -עובי היריעה לאחר הספגתה באפוקסי •

ס"מגפ 95,800 -מודול אלסטיות במתיחה ממוצע בניסוי •

ס"מגפ 82,000 -הערך לתכנון , מודול אלסטיות במתיחה•

ס"מגפ 986 -חוזק מתיחה ממוצע בניסוי •

ס"מגפ 834 -הערך לתכנון , חוזק מתיחה מרבי•

%1.0 -התארכות ממוצעת בניסוי •

0.8% -( תכנון פסיבי)התארכות מרבית לתכנון •

Typical properties of SEH 51A glass

fabric

ר"למ' ג 920 -משקל היריעה טרם הספגתה באפוקסי •

מ"מ 1.3 -עובי היריעה לאחר הספגתה באפוקסי •

ס"מגפ 26,100 -מודול אלסטיות במתיחה ממוצע בניסוי •

ס"מגפ 20,900 -הערך לתכנון , מודול אלסטיות במתיחה•

ס"מגפ 521 -חוזק מתיחה ממוצע בניסוי •

ס"מגפ 417 -חוזק מתיחה מרבי לתכנון •

2.0% -התארכות ממוצעת בניסוי •

1.8% -( תכנון פסיבי)התארכות מרבית לתכנון •

Typical properties of UC prefabricated plates

מ או אחרת לפי הזסמנה"מ 2.0, 1.5 -עובי •

(אפשר אחרת)מ "מ 101.6או 50.8 -רוחב •

'מ 150או 75, 30 -אורך סטנדרטי •

ס"מגפ 155,000 -מודול אלסטיות ממוצע בניסוי •

ס"מגפ 139,000 -מודול אלסטיות במתיחה לתכנון •

ס"מגפ 2,790 -חוזק מתיחה ממוצע בניסוי •

ס"מגפ 2,510 -חוזק מתיחה מרבי לתכנון •

1.80% -התארכות ממוצעת בניסוי •

1.67% -( תכנון פסיבי )התארכות מרבית לתכנון •

Designed tensile strength of carbon

and glass fabrics for strain 0.4%

:אחת לחיזוק קורה פנימית SCH 41Lיריעת פחמן •

ר"ג לס"ק 820,000: מודול אלסטיות לתכנון

0.004: העיבור המתוכנן

מ"ס 0.1: עובי היריעה

מ"ס 100: רוחב הרצועה להדבקה

(לפי הטבלת המקדמים) 0.95: מקדם הפחתה סביבתי

ג"ק 31,160= 0.004*100*0.1*0.95* 820,000: הכוח המתוכנן

:לחיזוק קורה פנימית A 1SEH 5לאותם התנאים יריעת זכוכית

ר"ג לסמ"ק 209,000: אלסטיות לתכנון מודול

0.004: העיבור המתוכנן

מ"ס 0.13: עובי היריעה

מ"ס 100: רוחב הרצועה להדבקה

0.75: מקדם הפחתה סביבתי

ג "ק 8,150= 0.004*100*0.13*0.75*209,000: הכוח המתוכנן

שלבי תכנון החיזוק

" Step by step"תכנון החיזוק מתבצע בשיטה •

י החומרים "בודקים באופן כללי האם האלמנט מתאים לחיזוק ע•

הכול לפי , (כמות הזיון, חוזק הבטון, מידות החתך)המרוכבים

הדרישות לחיזוק

מחשבים תרומה של שכבת החיזוק בחתך הנתון להגדיל סיבולת •

האלמנט שבבדיקה

הדרוש לקבלת הכוחות הנדרשים , קובעים את מספר השכבות•

במלואם

בודקים האם שטח עיגון היריעות מאפשר העברת כוחות המתיחה •

מ לוודא שלא נוצר מצב שההרס "בודקים את החתך המחוזק ע•

יתחיל מאזור הלחיצה

Seismic behavior of RC column

before strengthening

Seismic behavior of repaired and

strengthened by glass fabric column

Strengthening of RC slab by carbon strips

Strengthening of RC column

Slab strengthening from the

negative moments side

Bridge strengthening by carbon

plates

FRP carbon strengthening of the

chimney, Istanbul