PL226834B1 - System kotwiaco-naprezajacy donaciagu tasm kompozytowych wklejanych wprzypowierzchniowa otuline elementów budowlanych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest system kotwiąco-naprężający do naciągu taśm kompozytowych wklejanych w przypowierzchniową otulinę elementów budowlanych bezpośrednio na wzmacnianym elemencie.

Materiały kompozytowe (popularnie zwane Fiber Reinforced Polymer - FRP) wykorzystywane są między innymi do wzmocnień różnych elementów konstrukcji oraz obiektów infrastruktury budowlanej. Rosnące potrzeby związane z wyższą klasą obciążeń budynków oraz zmianami konstrukcyjnymi powodują, iż już na etapie ich budowy są obarczone błędami projektowymi oraz mechanicznymi uszkodzeniami elementów nośnych, w związku z czym do szybkiej interwencji związanej ze wzmacnianiem konstrukcji budowlanych różnych typów zaczęto stosować kompozyty polimerowe. Powszechnym sposobem wzmocnienia jest przyklejanie materiałów kompozytowych na zewnętrznej powierzchni elementów konstrukcyjnych (externally bonded reinforcement - EBR) lub wklejanie ich w bruzdy wycięte w przypowierzchniowej betonowej otulinie (near surface mounted reinforcement NSM). Ten sposób aplikacji kompozytu (bierny - bez wstępnego naciągu) umożliwia tylko podniesienie nośności wzmacnianego elementu konstrukcyjnego (żelbetowej belki lub płyty). Aby podnieść nośność elementu i jednocześnie poprawić warunki jego użytkowalności (zmniejszyć istniejące ugięcie, „zamknąć” istniejące rysy) przy aktualnym obciążeniu tego elementu, konieczne jest naprężenie zewnętrznego zbrojenia kompozytowego montowanego do zewnętrznej powierzchni elementu (po stronie rozciąganej) w technologii EBR lub NSM.

Do naciągu wzmocnień zewnętrznych typu EBR powszechnie stosowane są systemy poziomych blach zewnętrznych, między które wkłada się taśmę kompozytową o grubości 1,2 mm lub 1,4 mm. Naciągniętą taśmę przykleja się do powierzchni betonu przy użyciu systemowej zaprawy klejowej na bazie żywicy epoksydowej, ale niestety blachy kotwiąco-sprężające pozostają na zawsze na spodzie wzmacnianej konstrukcji po jej sprężeniu.

Znane jest także, z czasopisma Journal of Composites for Construction, ASCE, 2006, wklejanie naciągniętego wstępnie zbrojenia kompozytowego w bruzdy wycięte w betonowej otulinie. W elementach żelbetowych wykonano bruzdy o wymiarach 15 x 15 mm przez całą długość belki. Do wzmocnienia użyto taśmy z włóknami węglowymi o przekroju kwadratowym 10 x 10 mm, wklejane, po naciągu, w bruzdy betonowej otuliny. Taki sposób wzmocnienia polega na naprężaniu zbrojenia kompozytowego w drodze jego naciągu na zewnętrznych blokach zapierających się o końce (skrajne powierzchnie boczne) belek. Sposób ten pozwala uzyskać wysoką efektywność wzmocnienia elementu, ale tylko w badaniach laboratoryjnych, ponieważ w praktyce inżynierskiej nie ma możliwości wyjęcia elementu konstrukcyjnego z określonego układu konstrukcyjnego budynku i wzmocnienia go przy użyciu zaproponowanej metody.

Podobne badania opisano w MSC Thesis, Kanada 2008. Opisano wzmocnienie belek żelbetowych prętami z kompozytu polimerowego wzmocnionego włóknami węglowymi (pręty CFRP). Belki wzmocniono prętami CFRP o dwóch poziomach sprężenia, wykorzystując odpowiednio 40% i 60% nośności kompozytu. W belkach wycięto bruzdę o szerokości 15 mm oraz głębokości 25 mm. Do naprężania użyto siłownika hydraulicznego zamocowanego w stalowej ramie montowanej do lica belki. Również takie rozwiązanie nie daje możliwości zastosowania na gotowym obiekcie i stanowi jedynie modyfikację systemu sprężającego, wspartego na końcach belki przy wzmocnieniu żelbetowej belki na całej jej długości, również poza podporę. Podobnie jak poprzednie, to rozwiązanie nie ma zastosowania praktycznego w istniejących obiektach.

Kolejny sposób wzmocnienia elementów żelbetowych przy użyciu naprężonych taśm kompozytowych zaproponowano w publikacji z konferencji Proceeding of FRPRCS-9 Sydney, Australia 2009. Publikacja dotyczyła sprawdzenia urządzenia do naciągania taśm z kompozytu CFRP w czynnym systemie wzmocnienia przypowierzchniowego (prestressed near surface mounted reinforcement PNSM), oraz wpływu wzmocnienia przypowierzchniowego NSM i PNSM na element żelbetowy. Naciąganie polegało na kotwieniu klinowym końców taśm. W wypełnioną klejem bruzdę wciśnięto odpowiednio przyciętą taśmę z CFRP, a następnie dołożono zakotwienia z klinami tak, aby kliny wstępnie zacisnęły się na taśmie. Wstępne naprężenie taśmy polegało na rozsunięciu klinów przez stalowe rurki przymocowane do systemu kotwiącego i siłownika. Siłownik pchał końce rurek ku górze, co miało na celu uzyskanie efektu rozpychania zakotwień na zewnątrz od środkowej części belki żelbetowej.

PL 226 834 B1

W publikacji z kongresu Proceeding of the second International Congress federation Internationale du Beton, Neapol, Włochy, 2006 zaproponowano naciąg taśmy/pręta przeznaczonego do wzmacniania żelbetowych płyt. Pręt lub taśmę z kompozytu, które umieszcza się w bruździe wyciętej w żelbetowej płycie, napręża się poza wzmacnianą płytą żelbetową. Urządzenie do naciągu taśmy lub pręta stanowi stalowa ramka, o którą opiera się siłownik. Do naprężenia pręta/taśmy stosuje się połączony z nimi stalowy, elastyczny kabel. Aby zapobiec punktowemu skupieniu siły rozporu, na stalowym kablu zastosowano półkoliste rolki.

W czasopiśmie PCI Journal, 2011 zaproponowano system do naprężania prętów z kompozytu CFRP, o przekroju okrągłym. Opisany system jest możliwy do zastosowania na wzmacnianym obiekcie, do wzmacniania belek. Na końcach pręta umieszcza się płaskowniki z tulejkami, w które wkleja się końce rozciąganego pręta. Jeden koniec pręta zostaje zamocowany na stałe do wzmacnianej belki, natomiast drugi jest pchany przez ruchomy wspornik, na który działa siła przekazana z siłownika zamocowanego do nieruchomego wspornika, który jest przymocowany do boków żelbetowego elementu. Podczas naprężania pręta, przy wyższych siłach naprężających obserwuje się rysy spowodowane zamocowaniami systemu sprężającego. Sytuacja nieosiowego przyłożenia siły do belki (na wsporniku stalowej ramki) powoduje powstanie momentu skręcającego, który prowadzi do zarysowania elementu żelbetowego. Jest to zjawisko bardzo niebezpieczne, które przy większych siłach może doprowadzić do wyrwania się stalowego wspornika z betonowego podłoża i uszkodzenia całego systemu sprężającego.

W czasopiśmie Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, maj - czerwiec 2012, opisano urządzenie kotwiąco-sprężające do wstępnego naciągu taśm CFRP (CarboDur) kompozytowych naklejanych na zewnętrzne powierzchnie elementów konstrukcyjnych. Jest to konstrukcja stalowa składająca się z zasadniczych trzech części. Jedną z nich jest, wbudowana w konstrukcję wzmacnianą, płyta kotwiąca służąca do zakotwienia sprężonej taśmy. Druga część to blok oporowy służący do naciągu taśmy. Składa się od z dwóch elementów. Element dolny jest zakotwiony w konstrukcji wzmacnianej, natomiast górny połączony jest czasowo z dolnym i po sprężeniu i zakotwieniu taśmy jest usuwany. Trzecia część to szczęki chwytające taśmę i mocujące ją do płyty kotwiącej po sprężeniu.

Proponowane dotychczas rozwiązania systemów sprężających umożliwiają albo zewnętrzny (poza wzmacnianym elementem) naciąg zbrojenia kompozytowego, albo są montowane do spodu konstrukcji zbrojonej - charakteryzują się wówczas rozbudowaną i złożoną budową, utrudniającą naprężanie na istniejącym obiekcie.

Istotą wynalazku jest system kotwiąco-naprężający do naciągu taśm kompozytowych wklejanych w przypowierzchniową otulinę elementów budowlanych, składający się z bloku zaciskającego z klinami do zaciskania taśmy, bloku prowadzącego oraz bloku oporowego w postaci ramy przymocowywanej do wzmacnianego elementu z siłownikiem hydraulicznym, w którym blok zaciskający stanowi prostokątna płyta stanowiąca „sanki”, w wybraniu której, wykonanym wzdłuż osi wzdłużnej, są umieszczone dwa kliny w kształcie trójkątów prostokątnych sąsiadujące ze sobą wzdłuż dłuższych przyprostokątnych, a które od strony krótszych przyprostokątnych są wyposażone w przekładkę dociskającą, w której wyfrezowanym otworze jest umieszczony koniec śruby dociskającej wkręconej w prostokątną płytę („sanki”). Blok zaciskający jest umieszczony na dwóch, usytuowanych równolegle względem siebie prowadnicach bloku prowadzącego, wzdłuż których są usytuowane pionowo usztywniające je ścianki, których jedne końce są złączone rozłącznie z także usytuowaną pionowo ścianką do nich prostopadłą, zaś drugie końce, nie połączone ze sobą, są przeznaczone do połączenia z blokiem oporowym. W prowadnicach są otwory na śruby do zamocowania bloku prowadzącego do wzmacnianego elementu. Blok oporowy zawiera siłownik hydrauliczny, zamocowany wewnątrz ramy z usytuowanych pionowo ścianek, złączonych ze sobą połączeniami śrubowymi, których dolne krawędzie są przymocowane do dwóch usytuowanych poziomo, równolegle względem siebie i w pewnej odległości od siebie, równoległych względem siebie płaskowników z przelotowymi otworami, z których jedna ścianka jest połączona rozłącznie ze ściankami usztywniającymi bloku prowadzącego. Jeden koniec siłownika jest wsparty o ściankę ramy bloku oporowego przeciwległą do ścianki ramy tego bloku połączonej z blokiem prowadzącym i zawierającą dwie śruby do stabilizowania położenia siłownika, zaś drugi koniec siłownika jest umieszczony w półkolistym otworze ścianki ramy bloku oporowego połączonej z blokiem prowadzącym. W ściance ramy bloku oporowego połączonej z blokiem prowadzącym znajduje się półkolisty otwór na tłok siłownika, a do górnej krawędzi tej ściany jest przymocowana, za pomocą śrub, usytuowana poziomo poprzeczka wzmacniająca. Kliny bloku

PL 226 834 B1 zaciskającego są wykonane z aluminium, zaś pozostałe elementy systemu ze stali lub korzystnie z duraluminium.

System według wynalazku umożliwia naciąg taśm o przekroju prostokątnym, wklejanych w warstwę przypowierzchniową betonowej otuliny wzmacnianego elementu (płyty lub belki żelbetowej), bezpośrednio na wzmacnianym obiekcie (in-situ), nawet w przypadku elementów konstrukcyjnych silnie ugiętych pod istniejącym obciążeniem. System daje się łatwo montować na wzmacnianym obiekcie, również w pozycji sufitowej. Jest funkcjonalny - po użyciu go do wzmocnienia może być zdemontowany, co sprawia, że na wzmocnionej powierzchni wzmocnienie praktycznie nie jest widoczne. Tym samym system według wynalazku różni się od dotychczas znanych urządzeń do naciągu profili wklejanych w otulinę elementów żelbetowych. Możliwość bezkotwowego zamocowania systemu pozwala na jego stosowanie do wzmocnień konstrukcji zabytkowych jak i nowych konstrukcji, które nie dopuszczają żadnych zmian zewnętrznej struktury wykończenia, a tym bardziej nie dopuszczają pozostawienia elementów kotwiących na powierzchni wzmacnianego elementu. System umożliwia montaż taśm w pozycji sufitowej - przy wzmocnieniach przęseł lub w pozycji na górnej powierzchni wzmacnianego elementu płyty/belki żelbetowej - przy wzmocnieniach przekrojów podporowych tych elementów. Cechuje go niezawodność naprężania w różnych położeniach na wzmacnianym obiekcie.

System naprężający według wynalazku, znajdzie szerokie zastosowanie do wzmacniania istniejących elementów żelbetowych, nawet tych bardzo silnie wytężonych przed wzmocnieniem.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zdjęcie systemu zamontowanego na wzmacnianym elemencie, fig. 2 - schemat i wizualizację 3D systemu, fig. 3 - widok z góry i wizualizację 3D bloku zaciskającego systemu, fig. 4 - schemat i wizualizację 3D bloku prowadzącego systemu, fig. 5 - schemat i wizualizację 3D bloku oporowego systemu.

System kotwiąco-naprężający składa się z bloku zaciskającego 1, bloku prowadzącego 2 oraz bloku oporowego 3 z siłownikiem 4. Blok zaciskający 1 stanowi prostokątna płyta 1.1 („sanki” 1.1), w wybraniu której, wykonanym wzdłuż osi wzdłużnej, są umieszczone dwa aluminiowe kliny 1.2 w kształcie trójkątów prostokątnych sąsiadujących ze sobą wzdłuż dłuższych przyprostokątnych, które od strony krótszych przyprostokątnych są wyposażone w przekładkę dociskającą 1.3, w której wyfrezowanym otworze jest umieszczony koniec śruby M12 1.4 wkręconej w „sanki” 1.1. Blok zaciskający 1 jest umieszczony na dwóch, usytuowanych równolegle względem siebie prowadnicach 2.1 bloku prowadzącego 2, wzdłuż których są usytuowane pionowo usztywniające je ścianki 2.2, których jedne końce są złączone rozłącznie z także usytuowaną pionowo ścianką 2.3 do nich prostopadłą, zaś drugie końce, nie połączone ze sobą, są przeznaczone do połączenia z blokiem oporowym 3. W prowadnicach 2.1 są otwory na śruby do zamocowania bloku prowadzącego 2 do wzmacnianego elementu żelbetowego. Blok oporowy 3 zawiera dwa usytuowane poziomo, równolegle względem siebie i w pewnej odległości od siebie, wyposażone w przelotowe otwory płaskowniki 3.1, do których są przymocowane usytuowane pionowo, złączone ze sobą śrubami M10 ścianki 3.2, 3.3, 3.4 tworzące ramę, z których ścianka 3.4 jest połączona rozłącznie ze ściankami usztywniającymi 2.2 bloku prowadzącego 2. Wewnątrz ramy bloku oporowego 3 jest umieszczony siłownik hydrauliczny 4, którego jeden koniec jest wsparty o ściankę 3.2 ramy tego bloku stanowiącą dla niego oparcie, zawierającą dwie śruby do stabilizowania położenia siłownika 4, zaś drugi koniec siłownika 4 jest umieszczony w półkolistym otworze ścianki 3.4 ramy bloku oporowego 3 połączonej z blokiem prowadzącym 2. W ściance 3.4 ramy bloku oporowego 3, połączonej z blokiem prowadzącym 2, jest nadto wykonany półkolisty otwór na tłok siłownika 4. Nadto do górnej krawędzi ścianki 3.4 ramy bloku oporowego 3, połączonej z blokiem prowadzącym 2, jest przymocowana, za pomocą śrub, usytuowana poziomo poprzeczka 3.5 stabilizująca siłownik 4. Kliny 1, 2 bloku zaciskającego 1 są wykonane z aluminium, zaś pozostałe elementy systemu ze stali lub korzystnie z duraluminium.

Przed zamontowaniem systemu wyznacza się miejsce na wzmacnianym elemencie przewidziane do wklejenia taśmy wzmacniającej, o szerokości 2,5 mm i wysokości 15 mm oraz położenie systemu kotwiąco-naprężającego. Najpierw należy zlokalizować zbrojenie stalowe występujące we wzmacnianym elemencie, w celu uniknięcia zbędnego jego przecinania. Po zlokalizowaniu stalowego zbrojenia elementu, wyznacza się położenie wzmocnienia. W pierwszej kolejności wykonuje się bruzdę na taśmę wzmacniającą, o przekroju poprzecznym 6 x 19 mm. Następnie we wzmacnianym elemencie wykonuje się gniazdo na system kotwiąco-naprężający o wymiarach 110 x 310 mm i głębokości 19 mm. Kolejnym etapem jest wykonanie otworów pod kotwy mocujące system - osiem otworów o średnicy 16 mm w dwóch rzędach odległych od siebie o 200 mm i o rozstawie 140 mm. Wszystkie otwory

PL 226 834 B1 i bruzdy oczyszcza się z pozostałych fragmentów i pyłu przy zastosowaniu sprężonego powietrza i odkurzacza. W wykonanych otworach zamontowuje się kotwy (korzystne jest zastosowanie kotew mechanicznych). Mając przygotowaną powierzchnię elementu wzmacnianego przystępuje się do instalacji taśmy wzmacniającej. Powierzchnię taśmy odtłuszcza się i usuwa z niej zabrudzenia. Przygotowaną i oczyszczoną bruzdę wypełnia się klejem - dwuskładnikową zaprawą, po czym w bruzdę wypełnioną klejem wciska się przygotowaną taśmę wzmacniającą. Po wpasowaniu taśmy w bruzdę dokonuje się montażu bloku oporowego 3 systemu kotwiąco-naprężającego. Podstawę 3.3 ramy bloku oporowego 3 nakłada się na kotwy i przykręca płaskowniki 3.3 bloku oporowego 3 do wzmacnianego elementu za pomocą nakrętek i odpowiednio wyprofilowanych podkładek. Następnie w gnieździe umieszcza się blok prowadzący 2 wraz z blokiem zaciskającym 1. Podstawę 2.1 bloku prowadzącego 2 nakłada się na przygotowane kotwy i przykręca blok 2 do wzmacnianego elementu. Przy montowaniu bloku prowadzącego 2 z blokiem zaciskającym 1 należy zwrócić szczególną uwagę na właściwe położenie taśmy wzmacniającej względem „sanek” 1.1 bloku zaciskającego 1. „Sanki” 1.1 winny być tak ustawione względem taśmy wzmacniającej, aby koniec taśmy opierał się o przekładkę dociskającą 1.3 bloku zaciskającego 1. Następnie za pomocą śrub łączy się ściankę 3.4 bloku oporowego 3 ze ściankami usztywniającymi 2.2 bloku prowadzącego 2. Dokonuje się także kontroli przesuwu „sanek” 1.1 bloku zaciskającego 1 w prowadnicach 2.1 bloku prowadzącego 2 - w celu ułatwienia przesuwu nakłada się na „sanki” 1.1 warstwę smaru molibdenowego. Przed zaciśnięciem taśmy wzmacniającej za pomocą klinów 1.2 bloku zaciskającego 1 oczyszcza się ich powierzchnię i na powierzchniach klinów 1.2 stykających się z powierzchnią „sanek” 1.1 umieszcza się teflonowe przekładki w celu zmniejszenia wpływu tarcia na docisk klinów 1.2 do taśmy wzmacniającej (w celu uniknięcia wysunięcia się taśmy z klinów 1.2 podczas jej naprężania). Następnie zaciska się taśmę wzmacniającą między klinami 1.2 przez przekręcenie śruby 1.4 „sanek” 1.1 i przemieszcza się „sanki” 1.1 po prowadnicach 2.1 bloku prowadzącego 2 w kierunku ścianki 2.3 zamykającej blok prowadzący 2. W dalszej kolejności montuje się siłownik hydrauliczny 4 w uprzednio zamontowanej ramie bloku oporowego 3. Jeden koniec siłownika 4 stabilizuje się za pomocą dwóch śrub M12 umieszczonych w ściance 3.2 tej ramy, zaś drugi koniec, umieszczony w półkolistym otworze ścianki 3.4 tej ramy, przez przykręcenie poprzeczki 3.5 do górnej krawędzi ścianki 3.4. Po podłączeniu siłownika 4 do układu hydraulicznego, przystępuje się do naciągu taśmy wzmacniającej. Naciągu taśmy dokonuje się poprzez równomierne wysuwanie tłoka siłownika 4, co powoduje naciąganie taśmy, przytrzymywanej w „sankach” 1.1 za pomocą klinów 1.2. Zwiększanie siły naciągu kontynuuje się aż do momentu uzyskania projektowanej siły sprężającej w taśmie. Kolejnym krokiem jest zebranie nadmiaru kleju z powierzchni wzmacnianego elementu. W celu przyśpieszenia wiązania dwuskładnikowego kleju, na wyizolowanym termicznie odcinku (ok. 300 mm) ogrzewa się wypełnioną klejem bruzdę we wzmacnianym elemencie. Po uzyskaniu oczekiwanej przyczepności taśmy do wzmacnianego elementu, redukuje siłę naciągającą taśmę. Całkowitego zwolnienia siły naciągającej i demontażu systemu kotwiąco-naprężającego dokonuje się po upływie 12 godzin.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. System kotwiąco-naprężający do naciągu taśm kompozytowych wklejanych w przypowierzchniową otulinę elementów budowlanych, składający się z bloku zaciskającego z klinami do zaciskania taśmy, bloku prowadzącego oraz bloku oporowego w postaci ramy przymocowywanej do wzmacnianego elementu z siłownikiem hydraulicznym, znamienny tym, że blok zaciskający (1) stanowi prostokątna płyta (1.1), w wybraniu której, wykonanym wzdłuż jej osi wzdłużnej, są umieszczone dwa kliny (1.2) w kształcie trójkątów prostokątnych, sąsiadujące ze sobą wzdłuż dłuższych przyprostokątnych, które od strony krótszych przyprostokątnych są wyposażone w przekładkę dociskającą (1.3), w której wyfrezowanym otworze jest umieszczony koniec śruby dociskającej (1.4) wkręconej w prostokątną płytę (1.1) , przy czym blok zaciskający (1) jest umieszczony na dwóch, usytuowanych równolegle względem siebie prowadnicach (2.1) bloku prowadzącego (2), wzdłuż których są usytuowane pionowo usztywniające je ścianki (2.2), których jedne końce są złączone rozłącznie z także usytuowaną pionowo ścianką (2.3) do nich prostopadłą, zaś drugie końce nie połączone ze sobą, połączone są rozłącznie z blokiem oporowym (3), nadto w prowadnicach (2.1) bloku prowadzącego (2) są otwory na śruby do zamocowania bloku prowadzącego (2)

   PL 226 834 B1 do wzmacnianego elementu, natomiast blok oporowy (3) zawiera siłownik hydrauliczny (4) zamocowany wewnątrz ramy z usytuowanych pionowo, złączonych ze sobą ścianek (3.2, 3.3, 3.4), których dolne krawędzie są przymocowane do dwóch usytuowanych poziomo, równolegle względem siebie i w pewnej odległości od siebie, płaskowników (3.1) z przelotowymi otworami, i z których jedna ścianka (3.4) jest połączona rozłącznie ze ściankami usztywniającymi (2.2) bloku prowadzącego (2), przy czym jeden koniec siłownika (4) jest wsparty o ściankę (3.2) ramy bloku oporowego (3) przeciwległą do ścianki (3.4) tej ramy połączonej z blokiem prowadzącym (2), zawierającą dwie śruby do stabilizowania położenia siłownika (4), zaś drugi koniec siłownika (4) jest umieszczony w półkolistym otworze ścianki (3.4) ramy bloku oporowego (3) połączonej z blokiem prowadzącym (2), ponadto w ścianie (3.4) ramy siłownika (4) połączonej z blokiem prowadzącym (2) jest półkolisty otwór na tłok siłownika (4), a do górnej krawędzi tej ściany jest przymocowana, za pomocą śrub, usytuowana poziomo poprzeczka (3.5).
2. 2. System kotwiąco-naprężający według zastrz. 1, znamienny tym, że kliny (1.2) bloku zaciskającego (1) są wykonane z aluminium, zaś pozostałe elementy systemu ze stali lub korzystnie z duraluminium.