Composite materials in conservation of historical buildings: examples of applications

• Autorzy: Jurczakiewicz Stanisław , Karczmarczyk Stanisław

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.140157

Warianty tytułu

PL

Materiały kompozytowe w konserwacji budynków historycznych: przykłady zastosowań

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Traditional methods of restoring historical buildings typically consisted in replacing the damaged elements or additional steel and reinforced concrete elements were inserted into the old structure. They significantly interfered with the statics and aesthetics of buildings. Current composite materials used in restoration damage the old structure only slightly and can usually be removed in the future. Due to these advantages they comply with the conservation lawin force. This paper presents a few examples of practical applications of composites the authors have designed for structural reinforcement and protection of historical buildings. Repairs of columns, vaults, masonry walls, stone facades and wooden beams with the use of steel screw-shaped bars and high strength fibres in epoxy resin or cement matrix were presented. Problems of ensuring the proper bond of the composite to the old substrate and insufficient coverage of the fibers with the cement matrix were considered. Although the threats and structural damages which occur in most historical buildings tend to be similar, individual design solutions are required in each case. Historical investigation and detailed measurement of geometry and deflections have to be made before choosing the appropriate method of reinforcing the old structure. It can be predicted that prestressing composite materials used for historical structures will also be applied.

PL

Materiały kompozytowe, zwane też kompozytami, to materiały o niejednorodnej strukturze, złożone z dwóch lub więcej komponentów o różnych właściwościach. Kompozyty mają zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, w tym również w budownictwie. Od kilkudziesięciu lat istnieją materiały kompozytowe zawierające włókna o bardzo wysokiej, nieosiągalnej wcześniej wytrzymałości na rozciąganie i dużej odporności chemicznej. Tradycyjne naprawy i wzmocnienia budynków polegały na wymianie lub uzupełnieniu zniszczonych elementów lub na powiekszaniu przekrojów w celu zapewnienia większej nośności. Tego typu działania są niekorzystne w odniesieniu do obiektów historycznych i zabytkowych. Natomiast takie cechy nowych materiałów kompozytowych jak lekkość, dobra przyczepność do podłoża i doskonałe właściwości mechaniczne sprawiają, że mogą być one szczególnie przydatne do napraw konstrukcji obiektów historycznych. Poza tym materiały kompozytowe w niewielkim stopniu ingerują w cenną substancję zabytkową i zwykle możliwy jest ich demontaż. Czyni to ich stosowanie zgodnym z aktualną doktryną konserwatorską. Początkowo stosowano systemy FRP (Fibre Reinforced Polymer) z długimi włóknami o wysokiej wytrzymałości osadzonymi w matrycy z żywic syntetycznych. Od kilkunastu lat dostępne są również wyroby FRCM (Fibre Reinforced Cementitious Matrix) z matrycą z modyfikowanej zaprawy cementowej. Zastosowanie matrycy nieorganicznej oznacza pokonanie ograniczeń powodowanych przez żywice epoksydowe stosowane w systemach FRP. Jest to możliwość montażu systemów FRCM na wilgotnych podłożach, odporność na wysoką temperaturę, przepuszczalność pary wodnej oraz łatwość aplikacji.

Słowa kluczowe

EN

conservation; composite material; historic building; structural reinforcement; application

PL

konserwacja; budynek zabytkowy; materiał kompozytowy; wzmocnienie konstrukcji; zastosowanie

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 1
• Strony: 73--89
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Jurczakiewicz Stanisław

• Cracow University of Technology, Faculty of Architecture, Cracow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1621-9299

autor

Karczmarczyk Stanisław

• Cracow University of Technology, Faculty of Architecture, Cracow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2040-5043

Bibliografia

• [1] M. Motavalli, C. Czaderski, A. Schumacher, D. Gsell, “Fibre reinforced polymer composite materials for building and construction”, in Woodhead Publishing Series in Textiles, vol. 95: Textiles, Polymers and Composites for Buildings , 2010, pp. 69-128, DOI: 10.1533/9780845699994.1.69.
• [2] W. Borusiewicz, Konserwacja zabytków budownictwa murowanego, Warszawa: Arkady, 1985.
• [3] M.R. Valluzzi, M. Salvalaggio, L. Sbrogin, “Repair and conservation of masonry structures”, in Numerical Modeling of Masonry and Historical Structures. From Theory to Application, Cambridge: Woodhead Publishing, 2019, pp. 201-235, DOI: 10.1016/B978-0-08-102439-3.00006-3.
• [4] E. Bertolesi, G. Milani, B. Ghiassi, “Advanced finite element modeling of textile-reinforced mortar strengthened masonry”, in Numerical Modeling of Masonry and Historical Structures. From Theory to Application, Cambridge: Woodhead Publishing, 2019, pp. 713-743, DOI: 10.1016/B978-0-08-102439-3.00020-8.
• [5] C.G. Papanicolaou, T.C. Triantafillou, M. Lekka, “Externally bonded grids as strengthening and seismic retrofitting materials of masonry panels”, Construction & Building Materials, 2011, vol. 25, no 2, pp. 504-514, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2010.07.018.
• [6] G. Mazzucco, T. D’Antino, C. Pellegrino, V. Salomoni, “Three-dimensional finite element modeling of inorganic-matrix composite materials using a mesoscale approach”, Composites, Part B: Engineering, 2018, vol. 143, pp. 75-85, DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.12.057.
• [7] A. Kadłuczka, Ochrona dziedzictwa architektury i urbanistyki. Doktryny, teoria, praktyka, Cracow University of Technology, Poland, 2018, ISBN 977-83-7242-971-1.
• [8] European Committee for Standardization, EN 1996-1-1 Eurocode 6 - Design of masonry structures - Part 1-1: General rules for reinforced and unreinforced masonry structures.
• [9] www.surecps-group.com. [Accessed: 8 July 2021].
• [10] www.fiberebars.com. [Accessed: 8 July 2021].
• [11] www.ruregold.it. [Accessed: 8 July 2021].
• [12] www.sika.pl. [Accessed: 8 July 2021].
• [13] G. Mantegazza, S. Valentino, “Instructions for the Planning of Static Cosolidation. Interventions through the use of Fibre Reinforced Cementitious Matrix - FRCM”, Direzione Technica Ruredil, Milan 2008.
• [14] ACI Committee 549, ACI 549.4R-13: “Guide to Desing and Construction of Externally Bonded Fabric-Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) Systems for Repair and Strengthening Concrete and Masonry Structures”, American Concrete Institute, 2013.
• [15] A.M. D’Altri, C. Carloni, S. de Miranda, G. Castellazzi, “Numerical modeling of FRP strips bonded to a masonry substrate”, Composite Structures, 2018, vol. 200, pp. 420-433, DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.05.119.
• [16] F.G. Carozzi, C. Poggi, “Mechanical properties and debonding strength of fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) systems for masonry strengthening”, Composites Part B-Engineering, 2015, vol. 70, pp. 215-230, DOI: 10.1016/j.compositesb.2014.10.056.
• [17] A.D. D’Ambrisi, L. Feo, F. Focacci, “Experimental and analytical on bond between Carbon-FRCM materials and masonry”, Composites. Part B: Engineering, 2013, vol. 46, pp. 15-20, DOI: 10.1016/j.compositesb.2012.10.018.
• [18] T. D’Antino, C. Carloni, L.H. Sneed, C. Pellegrino, “Matrix-fiber bond behavior in PBO FRCM composites. A fracture mechanics approach”, Engineering Fracture Mechanics, 2014, vol. 117, pp. 94-111, DOI: 10.1016/j.engfracmech.2014.01.011.
• [19] F.G. Carozzi, C. Poggi, “A cohesive interface crack model for the matrix-textile debonding in FRCM composites”, Composite Structures, 2016, vol. 143, pp. 230-24, DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.02.019.
• [20] K.-U. Schober, A.M. Harte, R. Kliger, R. Jockwer, Q. Xu, J.-F. Chen, “FRP reinforcement of timber structures”, Construction and Building Materials, 2015, vol. 97, pp. 106-118, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.06.020.
• [21] P. de la R. Garcia, A.C. Escamilla, M.N.G. García, “Bending reinforcement of timber beams with composite carbon fiber and basalt fiber materials”, Composites. Part B: Engineering, 2013, vol. 55, no. 12, pp. 528-536, DOI: 10.1016/j.compositesb.2013.07.016.
• [22] A. Bori, M. Corradi, A. Grazini, “A method for flexural reinforcement of old wood beams with CFRP materials”, Composites. Part B, 2005, vol. 36, no. 2, pp. 143-153, DOI: 10.1016/j.compositesb.2004.04.013.
• [23] P. Sokołowski, P.G. Kossakowski, “Estimation of the modulus fir wood reinforced with PBO fiber mesh”, Archives of Civil Engineering, 2018, vol. 64, pp. 659-674, DOI: 10.2478/ace-2018-0047 .
• [24] S. Karczmarczyk, R. Paruch, S. Kanka, T. Tracz, “Non-descructive testing and strengthening of the wooden historic rafter framings”, Materiały Budowlane, 2016, vol. 526, no. 6, pp. 212-214, DOI: 10.15199/33.2016. 06.89. [Accessed: 8. July.2021].

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).