Augmentation of flexural strength of concrete beams glued with carbon laminate

• Autorzy: Piekarczyk J. , Błażewicz S. , Piekarczyk W.

Warianty tytułu

PL

Zwiększenie wytrzymałości na zginanie belek betonowych oklejanych za pomocą laminatu węglowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Improvement of performance of building objects particularly made of concrete and stone (bridges, ceilings, girders) is more and more often obtained via reinforcing with thin, high-strength bands made of carbon polymers. The reinforcement comprises gluing high-module, or high-strength thin carbon laminate (using suitable resin) to the building element at its supporting side. Additional reinforcement is obtained in result of gluing carbon laminate, having suitable orientation of fibres at the beam side planes, within shearing areas. Bending strength tests, measurements of fracturing energy and measurements of static Young’s modulus were executed with the use of 500 x 26 x 26 mm concrete beams cut of the concrete B-30 blocks, made of concrete of C25/30 class, as well as with use of sandstone beams. 13.8-fold increase of bending strength, 124-fold increase of the destruction work and slight increase of Young’s modulus (1.6-fold) was observed for the concrete B-30 – carbon laminate system. Reinforcement with laminate and additional reinforcement of shearing zones resulted in 17.7-fold bending strength increase (load capacity) and 187-fold increase of destruction work. Reinforcement of shearing zones of concrete beams with laminate has no influence on the system Young’s modulus. Reinforcing 530 x 32 x 32 mm sandstone beams with carbon laminate results in 9.2-fold increase of bending strength and 23.2-fold increase of destruction work. Additional reinforcement of the shearing zones improved the bending strength with over 50 % and increased fracturing energy about 3 times. Analogous tests executed with the use of shorter sandstone beams proved considerably smaller values of the bending strength and destruction work. Freezing-corrosion tests with the use of concrete beams having low strength class and reinforced with laminate proved that bending strength is reduced with 60 % after 30 freezing-corrosion cycles, whereas the sandstone beams reinforced with laminate lose their bending strength with 20 % after 30 cycles.

PL

Poprawa właściwości eksploatacyjnych obiektów budowlanych, szczególnie tych wykonanych z betonu i kamienia (mosty, stropy, dźwigary), coraz częściej uzyskiwana jest przez wzmocnienie za pomocą cienkich, wysokowytrzymałych taśm wykonanych z polimerów węglowych. Wzmocnienie obejmuje przyklejanie wysokomodułowego lub wysokowytrzymałego cienkiego laminatu węglowego (przy wykorzystaniu odpowiedniej żywicy) do elementu budowlanego po jego stronie nośnej. Dodatkowe wzmocnienie uzyskuje się w wyniku przyklejania laminatu węglowego, mającego odpowiednią orientację włókien, w płaszczyznach bocznych belki w obszarach ścinanych. Przeprowadzono badania wytrzymałości na zginanie, pomiary energii pękania i pomiary statycznego modułu Younga w przypadku belek betonowych o wymiarach 500 x 26 x 26 mm wyciętych z betonowych bloków B-30, wykonanych z betonu C25/30, a także w przypadku belek z piaskowca. W przypadku układu beton B-30 – laminat węglowy zaobserwowano 13,8-krotny wzrost wytrzymałości na zginanie, 124-krotny wzrost pracy zniszczenia i nieznaczny wzrost modułu Younga (1,6-krotny). Wzmocnienie za pomocą laminatu i dodatkowe wzmocnienie stref ścinania doprowadziło do 17,7-krotnego wzrostu wytrzymałości na zginanie (nośność) i 187-krotnego wzrostu pracy zniszczenia. Wzmocnienie stref ścinania belek betonowych za pomocą laminatu nie miało wpływu na moduł Younga układu. Wzmacnianie belek piaskowca o wymiarach 530 x 32 x 32 mm za pomocą laminatu węglowego powoduje 9,2-krotny wzrost wytrzymałości na zginanie i 23,2-krotny wzrost pracy zniszczenia. Dodatkowe wzmocnienie stref ścinania poprawiło wytrzymałość na zginanie o ponad 50 % i zwiększyło energię pękania około 3 razy. Analogiczne badania przeprowadzone przy użyciu krótszych belek z piaskowca dowiodły znacznie mniejszej wartości wytrzymałości na zginanie i pracy zniszczenia. Badania odporności na zamrażanie-rozmrażanie belek z betonu niskiej klasy wytrzymałości, wzmocnionych laminatem dowiodły, że ich wytrzymałość na zginanie zmniejsza się o 60 % po 30 cyklach zamrażania- rozmrażania, podczas gdy w tych samych warunkach belki z piaskowca tracą 20 % swojej wytrzymałości.

Słowa kluczowe

EN

concrete; sandstone; carbon laminate; reinforcement of concrete beams; mechanical properties

PL

beton; laminat węglowy; piaskowiec; wzmocnienie belek betonowych; właściwości mechaniczne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2011
• Tom: T. 63, nr 1
• Strony: 98--103
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Piekarczyk J.

autor

Błażewicz S.

autor

Piekarczyk W.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Kraków, Poland,

Bibliografia

• [1] Donnet J.B., Bansal R.C.: Carbon fi bers. Marcel Decker, Inc., New York, (1990).
• [2] Mobasher B., Ouyang C., Shah S.P.: „High Performance Fiber Reinforced Cement-Based Composites”, in Proc. of the first Materials Engineering Congress, August 13-15, 1990, Denver,, ASCE, New York, Vol. 2, (1990), 894-902.
• [3] Kucharska L., Logoń D.: „Mixture Composition of Matrices and the Reinforcing Effect of Thin Composite Elements by Carbon Microfibers”, in Brittle Matrix Composites 6, Warsaw, (2000).
• [4] Piekarczyk J., Macherzyńska B., Błażewicz S.: „Study on application of carbon fibers laminates for strengthening of concrete samples”, Kompozyty/Composites, 5, (2005), 33-38.
• [5] Piekarczyk J., Błażewicz S., Furtak K.: „Environmental Effect on HM Carbon Fibers Reinforced Epoxy Resin”, in XXIII Inter. Conf. Reinforced Plastics, Karlovy Vary, (2005), 211-216.
• [6] Błażewicz S., Piekarczyk J.: „Structural Strengthening of Concrete Beams with CFRP Laminate; Static and Dynamic Behavior”, in XXIV Reinforced Plastics, Karlovy Vary, (2007), 25-30.
• [7] ACI 440.2R-02, Guide for the Design and Construction of Extrenally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures.
• [8] Design Guidance for Strengthening Concrete Structures Using Fibre Composite Materials. Report of Concrete Society Commitee, (2000).
• [9] Ogawa H.: „Architectural application of carbon fibres”, Carbon, 38, (2000), 211-226.
• [10] Furtak K.: „Concept of Bridge Concrete Beams Reinforcement with Mats Made of Carbon Fibres”, in Conference Proc. „Composite materials used in bridge building”, Łódź, (2000).
• [11] Chanvillard G., Aitcin P.C.: „Thin bonded overlays of fi ber-reinforced concrete as a method of rehabilitation of the concrete roads”, Can. J. Civil Eng., Aug., 17, (1990) ,521-527.
• [12] Piekarczyk J., Błażewicz S., Białoskórski J.: „Application of carbon composite laminates for strengthening of concrete-based building elements”, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials, 61, 2, (2009), 107-112.
• [13] Zia P., Ahmad S.H., Garg R.K., Hanes K.M.: „Flexural and shear behavior of concrete beams reinforced with 3-D continuous carbon fiber fabric”, Concr. Int., 14, 12, (1992), 48-52.
• [14] Duthinh, D., Starnes M.A.: „Strengthening of Reinforced Concrete Beams with Carbon FRP, (325 K), Composites in Constructions. Swets and Zeitlinger, Lisse, (2001).
• [15] Fukuyama K., Higashibata Y., Miyauchi Y.: „Studies on repair and strengthening methods of damaged reinforced concrete columns”, Cem. Con. Comp., 22, 1, (2000), 81-88.
• [16] Meier U.: Advanced Composites for Structural Repair: European Perspective ACMBS, Montreal, (1996).
• [17] Meier U.: „Strengthening of structures using carbon fibers epoxy composites”, Constr. Build. Mater., 9, 6, (1995), 341-351.
• [18] Hojishima T., Yagi K., Tanaka T., Ando T.: „Properties of CFRP Composites for Concrete Structures”, in Proc. of the first Conference on Composites in Infrastructure, Tucson, AZ, (1996).
• [19] Piekarczyk J., Błażewicz S.: „Study on domestic epoxy resins-based composites used for reconstruction of concrete elements”, Inż. Mater., 25, 5, (2004), 833-836.
• [20] Piekarczyk J., Błażewicz S.: „Strengthening of building structures with carbon fibers based composites”, Ceramika/ Ceramics 103/2, (2008), 1065-1072.
• [21] Piekarczyk J., Błażewicz S.: „Static and dynamic fatigue testing of concretes reinforced with carbon laminate”, Ceramika/ Ceramics, 84, (2004), 277-282.
• [22] Kunio F., Yasuo H., Yasuyoshi M.: „Studies on repair and strengthening methods of damaged reinforced concrete columns”, Cem. Con. Comp., 22, (2000), 81-89.
• [23] Taljsten B.: „Strengthening concrete beams for shear with CFRP sheets”, Constr. Build. Mater., 17, (2003), 15-26.
• [24] Piekarczyk J.: „Application of ultrasonic method for measurement of the Young module of ceramic fi bers”, Inż. Mater., 5, (1984), 9-13.