Sto Norge AS Betongrehabilitering Forsterkning av bærende konstruksjoner med StoFRP System
Forsterkning av bærende konstruksjoner Innledning Intelligent teknikk for bærekraftige løsninger Bærende konstruksjoner av armert betong har blitt brukt i årtier. Mens årene går kan mye skje med betongen, noe som i verste fall nødvendiggjør senere forsterkning. Bruer eller parkeringshus ingen byggverk holder evig. Det er ikke uvanlig at det etter en tid blir nødvendig med visse forsterkningstiltak for bærende konstruksjoner. Dette kan skyldes endret bruksområde eller at det stilles nye belastningskrav på konstruksjonen. I etterhånd kan også forbedringer behøves, da bygningen gjennom påkjenninger blir utsatt for større slitasje enn opprinnelig planlagt. Skader kan ha på grunn av ytre påvirkninger som storm, jordskjelv eller ulykker, som medfører at tiltak må gjøres for å gjenopprette bygningens sikkerhet. Nye lover og normer som må følges kan også kreve visse forsterkningstiltak. Uavhengig av årsak er målet tydelig: Det handler om å finne en effektiv løsning for å bevare bygningen samt å tilpasse den til de endrede kravene. 2
Unterbereich Hauptbereich * FRP = Fibre Reinforced Polymer [N/mm 2 ] 2500 2000 1500 1000 Fibertype Karbonfiber 500 stål 1 2 C (karbonfiber) A (aramidfiber) G (glassfiber) polyester for sammenlikning armeringsstål Aramidfiber E-Modul [kn/mm 2 ] 240-650 125 65-70 12-15 210 Glassfiber 3 4 5 Strekkfasthet [Mpa] 2500-4000 3000-4000 1700-3000 2000-3000 550 [ ] Moderne komposittmaterialer avløser klassiske fremgangsmåter Lenge ble kun tradisjonelle metoder som f.eks. forsterkning ved å øke tverrsnittet med sprøytebetong, utbytting av stålbjelker eller utenpåliggende armering i form av stålplater anvendt. Disse konvensjonelle metodene gir opphav til enkelte problemer som økt belastning på byggedelen, begrensning av lokalets volum eller at det blir dyrere og mer tidskrevende grunnet lange driftsstopp, støy og smuss. Komposittmateriale i form av karbonfiber, glassfiber eller aramid-fiber som anvendes som en utenpåliggende armering på konstruksjonen har i dag fått en alt bredere aksept i markedet. Disse materialene kjennetegnes først og fremst ved lav vekt (densitet) samt muligheten til å variere stivheten og strekkfastheten etter behov. Av de moderne materialene brukes hovedsakelig glassfiber som armering i konstruksjoner med høy korrosjonsrisiko, eller der hvor sensitive tekniske apparater brukes. Sistnevnte skyldes at stålarmeringen kan bli magnetisert dersom den blir utsatt for et sterkt magnetisk felt. Det genererte magnetiske feltet fra stålarmeringen vil som oftest påvirke sensitive tekniske apparater. Aramid derimot er et organisk fibermateriale sammensett av filamenter og harpiks. Grunnet den meget høye aksiale strekkfastheten egner det seg spesielt som materiale med forspente løsninger. Angående holdbarhet har aramid-fiber den fordelen at det i karbonatisert betong verken korroderer eller blir angrepet av klorider. På en annen side kan skader grunnet mekanisk påvirkning under anvendelse oppstå. Karbonfiber har over en lang periode fremstått som et lett og stabilt byggemateriale innen mange områder. Karbonfibernes spesifikke fordeler er en minimal termisk utvidelse, liten grad av materialtretthet og ekstrem korrosjonsbestandighet. StoFRP System utnytter disse egenskapene optimalt og muliggjør kvalitative så vel som økonomiske løsninger ved senere forsterkning av byggedeler. StoFRP System kan mer StoFRP System er meget fleksibelt, enkelt å bruke og lett å transportere. Systemet øker strekk-, trykk- og bøyningsfastheten på bærende element samtidig som vekten forandres tilnærmet ubetydelig. Forsterkningstiltakene er diskrete og kan gjøres optisk usynlig. StoFRP Fordeler System med er StoFRP egnet System for etterforsterkning Høy strekkfasthet av konstruksjoner og stivhet i av betong forhold så vel til vekt som armert betong. Tynne forsterkningssjikt Liten grad av materialtretthet og høy korrosjonsbestandighet Lett å håndtere og transportere Hurtig anvendelse dermed korte og få tilfeller av driftsstopp Høy fleksibilitet ved bearbeidelse Problemfri visuell integrasjon i byggverket God økonomisk lønnsomhet i hele systemet Mulighet for forspenning 3
Forsterkning av bærende konstruksjoner Bruksområder Karbonfiber et materiale for forsterkning StoFRP System dekker et bredt bruksområde. Systemet kan forslagsvis brukes på anleggsprosjekter som ved forsterkning av bruer, i bygninger kan forsterkning av bjelkelag være en mulighet, hulltaking en annen. Forsterkning av søyler/pilarer er dermed enkelt og fremfor alt mulig å gjennomføre. Vegg Dekke Søyle Bjelke StoFRP System for ethvert bruksområde Konstruksjonsdel Søyle Belastning StoFRP systemløsning StoFRP Plate StoFRP Sheet StoFRP Bar Knekking StoFRP Grid Bjelke Bøying Skjærkraft Plate Vegg Bøying Hulltaking Bøying Hulltaking 4
Unterbereich Hauptbereich Glossar Følgende byggedeler er egnet for karbonfiberforsterkning: Søyler En søyle er en frittstående vertikal støtte hvis funksjon er å bære sentrisk/eksentrisk belastning. Støttens bærekraft avhenger av trykkfastheten til det valgte materialet, tverrsnittsdimensjonen/-formen og lengden/høyden. Søyler i armert betong er overveiende rektangulære eller runde. Bjelke Bjelker kjennetegnes som langstrakte horisontalt plasserte byggedeler som vanligvis bærer bjelkelag, brubaner, takkonstruksjoner, veggpartier over åpninger etc. Bjelkens lengdemål er stort i forhold til andre mål og den belastes hovedsakelig i en retning vinkelrett på lengderetningen hvorpå de bøyes. Belastningen på bjelker skjer hovedsakelig ved bøyemoment og tverrkraft, men også vridning opptrer. Vegg En vegg defineres som en loddrett stående konstruksjonsdel hvis horisontal utstrekning i en retning er mye større enn i den andre retningen. Den kan sammenliknes med en vertikalt plassert dekke. Plate/Skive En plate/dekke defineres som en horisontal bærende eller avskillende overflate. I tillegg til å bære vertikal belastning skal den ofte også kunne overføre horisontale belastninger til stabiliserende konstruksjoner. En plate kan ha enten en- eller to-akset spenningsretning. Enakset spenningsretning innebærer at belastningen kun overføres i en retning av bærelaget, mens den ved toakset overføres i to retninger. Laster Belastning Med hensyn til belastningsgradens variasjon med tid betraktes belastninger som: permanente variable kritiske Belastninger skal dessuten betraktes som enten statiske eller dynamiske avhengig av hvor hurtig de påføres. Avhengig av type belastning kan den i visse tilfeller være både permanent og variabel, som eksempelvis snøbelastning. Permanent belastning Den permanente belastningen er summen av alle konstante belastninger som for eksempel konstruksjonsdelenes egenvekt og jordbelastning/-trykk. Den statiske belastningen er derfor vesentlig avhengig av materialet som er brukt. Variabel belastning Variabel belastning er den foranderlige eller bevegelige belastningen på konstruksjonen. Den kan bestå av ulike belastningskombinasjoner bestående av eksempelvis personer, innredning, lagervarer, kjøretøy, maskiner og vind. Økt variabel belastning påvirker følgende parametre: Bøyemoment I teknisk mekanikk defineres bøying som en mekanisk forandring av geometrien som en følge av et bøyemoment, hvorpå en krumming av hovedaksen forårsakes. Denne bøyingen deles videre inn i enakset og dobbelakset bøying. Tverrkraft Tverrkraft defineres som en kraft som virker parallelt på en fiktiv tverrsnittsoverflate. Tverrkraft gir opphav til skjærkrefter, som i mange tilfeller kan være dimensjonerte. 5
Forsterkning av bærende konstruksjoner System StoFRP System: Det komplette programmet Den hurtige fremgangen til StoFRP forsterkningssystem er resultatet av en intensiv forskning og konsekvent videreutvikling. Vi kan i dag tilby et komplett program for mange ulike formål og bruksområder. Bruksområde: Plane eller avrundede elementer med henholdsvis stor diagonal/ diameter Underlag av betong, armert betong, stål, treverk og tegl Forsterkning for bøying Systemets fordeler: Hurtig montering ved prefabrikkerte remser (laminat) En rekke ulike tverrsnitt tilgjengelig som standard En rekke ulike E-moduler tilgjengelig som standard Optimalisert heft pga. peel-ply på begge sider av laminatet Korrosjonsbestandig Bestandig mot kjemiske og atmosfæriske belastninger 1 Underlag 2 Epoksylim 3 StoFRP Plate 1 2 3 StoFRP Plate Systemet består av millimetertynne laminater som brukes til utenpåliggende armering som limes på konstruksjonen. Den forsterkede konstruksjonsdelen får da et elastisk strekkbelte av komposittarmering. For å optimalisere forsterkningen (dels etter behov, men også avhengig av type materiale) finnes StoFRP Plate i tre ulike E-modulvarianter: M, S og E. M står for en høy E-modul, S for høy strekkfasthet og E for en økonomisk E-modul. Samtlige karbonfibere er orientert langs laminatets lengderetning og de holdes sammen av en matrise av epoksy. StoFRP Plate finnes i opp til 150 mm bredde og kan fås i valgfri lengde opp til 100 m. Karakteristikk er høy strekkfasthet, lav egenvekt og meget lett/hurtig montasje. Beskyttelsesplast (peel-ply) er montert på begge sider av laminatet for å garanterer et smussfritt arbeid med absolutt rene limoverflater, hvilket igjen optimaliserer heften. Ved påføring av diverse sluttbelegg kan StoFRP Plate tilnærmet skjules helt. 6
Unterbereich Hauptbereich 1 1 Underlag 2 Grunning 3 Epoksylim 4 StoFRP Sheet 5 Epoksylim 6 Ev. sluttbelegg 2 3 4 5 6 StoFRP Sheet Sheet er en tørr ensrettet duk av fibermateriale som holdes sammen med et tverrgående trådsystem. Dette produktet anvendes på samme måte som ved vanlig tapetsering. En kompositt dannes først da etter monstasje på konstruksjonen. Bruksområde: Plane eller avrundede byggeelementer Underlag av betong, armert betong, stål, treverk og tegl Forsterkning mot bøying Forsterkning mot skjærkraft Systemets fordeler: Draperbar En rekke ulike tverrsnitt tilgjengelig som standard En rekke ulike E-moduler tilgjengelig som standard Enkelt og prisgunstig sammenliknet med tradisjonelle materialer Begge variantene av StoFRP Sheet, S (høy strekkfasthet) og M (høy E- modul), passer utmerket som ekstern forsterkning mot skjærkrefter. De kan også brukes til forankring av StoFRP Plate. I kombinasjon med StoFRP Plate kan også en forsterkning mot torsjonskrefter på massive byggedeler gjennomføres. StoFRP Sheet kan også skjules ved bruk av et sluttbelegg. 7
Forsterkning av bærende konstruksjoner System 1. Underlag 2. Epoksylim ev. mørtel 3. StoFRP Bar 1 2 3 StoFRP Bar Forsterkningssystemet består av kvadratiske staver med konstant tverrsnitt. Samtlige fibere er orientert langs stavens lengderetning. Egenskaper og anvendelse likner de for StoFRP Plate bortsett fra at her legges armeringen ned i konstruksjonsunderlaget. Bruksområde: Plane eller avrundede elementer med henholdsvis større diagonal/ diameter Underlag av betong, armert betong, treverk og tegl Forsterkning mot bøying Systemets fordeler: Prefabrikkert stav gir enkel håndtering En rekke ulike E-moduler tilgjengelig som standard Bedre kraftoverføring ved at tre sider festes mot forsterkningsunderlaget Arbeides direkte inn i betongen, noe som gjør den knapt synlig Staven ligger beskyttet mot ytre mekanisk ødeleggelse Smale spor, ca. 15 30 mm dype, freses inn i underlaget. Disse fylles med epoksylim eller mørtel og deretter presses komposittstavene ned i sporene. Innfrest armering gir en bedre skjærkraftoverføring sammenliknet med armering påklistret på overflaten. Ved dette kan komposittens høye strekkfasthet utnyttes fullt ut. For å bedre kunne tilpasse systemet til materiale og konstruksjonsdel finnes StoFRP Bar i to ulike E-modulvarianter, E (økonomisk) og M (høy E-modul). 1 1. Underlag 2. Grunning 3. Mørtel 4. StoFRP Grid 5. Mørtel 6. Ev. sluttbelegg 2 3 4 5 6 StoFRP Grid StoFRP Grid er et system med karbonfibernett som bruker en mineralsk basert mørtel istedenfor epoksylim. Dette gir en rekke positive egenskaper som diffusjonsåpenhet og høyere toleranse mot lave temperaturer, hvilket i prinsippet gjør det mulig å arbeide med året rundt. Bruksområde: Plane eller runde elementer Underlag av betong eller armert betong Utvendig armering Systemet egner seg spesielt for konstruksjonsdeler som utsettes for vann, salt eller kjemikalier samt som armering av prefabrikkerte elementer. StoFRP Grid kan også brukes som sprekkarmering for bjelker og vegger eller som armering for dekorative elementer i betong. 8 Systemets fordeler: Prefabrikkert nett gir enkel håndtering En rekke maskestørrelser Diffusjonsåpent Relativ luftfuktighet har ingen innflytelse under montering Naturlig brannbeskyttelse grunnet inndekking med betong Kan anvendes ved lave temperaturer Kan anvendes på våte underlag Korrosjonsfri
Unterbereich Hauptbereich Materialegenskaper Produkt E-modul Strekkfasthet Elastisitet StoFRP Plate E > 150 MPa > 1800 MPa 15,0 StoFRP Plate S > 163 MPa > 2800 MPa 16,0 StoFRP Plate M > 245 MPa > 2000 MPa 7,7 StoFRP Sheet S 300 (fiber) > 228 MPa > 4500 MPa 18,0 StoFRP Sheet M 300 (fiber) > 377 MPa > 4200 MPa 11,0 StoFRP Bar E > 150 MPa > 1800 MPa 15,0 StoFRP Bar M > 245 MPa > 2000 MPa 7,7 StoFRP Grid (fiber) 242 MPa 3800 MPa 17,0 9
Forsterkning av bærende konstruksjoner Rådgivning Overlat ikke noe til tilfeldighetene! Forsterkning av bærende konstruksjoner stiller høye krav til alle faser i prosjektet. I analysefasen fremkommer avgjørende kriterier som bestemmer valget av forsterkningssystem. Den praktiske målorienterte utførelsen og hele prosessens følgende kvalitetssikringstiltak garanterer den varige funksjonen. Følgende kvalitetssikringstiltak bidrar til å garantere funksjonen til StoFRP System: Før forsterkningen Kontroll av underlaget: Visuell kontroll av betongunderlaget (slett, støvfritt) Bestemmelse av underlagstemperaturen Bestemmelse av duggpunkt Kontroll av betongens strekkfasthet > 1,5 N/m 2 Kontroll av kompositt: Type E-modul Strekkfasthet Tøyning Kontroll av lim: Kontroll av holdbarhetsdato Protokollføre batch-nr. Strekkfasthet - kontroll Kontroll av trykk- og bøyingsfasthet Omgivelsesforholdene: Protokollføre lufttemperaturen Protokollføre luftfuktigheten Etter forsterkningen Kontroll av bruken: Visuell kontroll av arbeidet Forankringslengde - kontroll Strekkfasthet - kontroll Brannvern Temperaturbelastning stiller prinsipielt spesielle krav til byggematerialet. Dette gjelder også for forsterkningssystemene. 10 I visse tilfeller kreves tekniske tiltak pga. brannvernsbestemmelser. I disse tilfellene kreves samråd med brannvernsmyndigheten. I de tilfeller det er gjort forandringer i det statiske systemet, f.eks. ved hulltaking, er brannvern en nødvendighet. Ellers er ofte residualkapasiteten i konstruksjonen nok til å oppfylle brannvernskravet.
Unterbereich Hauptbereich Service fra Sto Sto tilbyr ikke bare produkter, men fokuserer også på kundeservice. Gjennom målrettet teknisk rådgivning, løsningsorientert rådgivning for objektet og praktiske opplæring hjelper vi dere med å finne rett system fra starten av. Videre tilbyr vi gjerne ytterligere hjelpemidler som kvalitets- og objektspermer. Vi tenker også på fremtiden gjennom et intensivt forsknings- og utviklingsarbeide. Ytterligere informasjon I samarbeid med Luleå Tekniska Universitet har Sto Scandinavia utviklet enkle beregningsmodeller for den praktiske anvendelsen, som kan bestilles på CD. Vi anbefaler også følgende publikasjoner av professor Björn Täljsten, Luleå Tekniska Universitet: Förstärkning av existerande betongkonstruktioner med kolfiberlaminat dimensionering, material och applicering, ISSN: 1402-1536 FRP Strengthening of Existing Concrete Structures, Design Guidelines, ISBN: 91-89580-03-6 Begge publikasjonene kan bestilles ved Sekretariatet for Konstruksjonsteknikk, tlf. (+46) 920-49 10 00. 11
Sto Norge AS Caspar Storms vei 12 P.b. 6686 Etterstad 0609 Oslo Telefon +47 22 07 29 00 Telefaks +47 22 07 29 01 info.no@stoeu.com www.stonorge.no Sto Norge AS, mai 2006