En fiberkomposit som belastas till brott kan uppvisa många olika brottmoder. Detta kan bero på många olika faktorer, men nämnas bör inverkan av belastningens karaktär, kompositens uppbyggnad och de ingående materialens mekaniska egenskaper.
Belastningens riktning är kritisk då kompositerna kan ha en axiell hållfasthet som är mer än 30 gånger högre än den motsvarande transversella. En fiberkomposit belastad till brott med en godtyckligt orienterad spänningsriktning uppvisar vanligen en av tre brottyper; axiellt dragbrott, transversellt dragbrott eller skjuvbrott vilka illustreras i Figur 4.6.
Detta avsnitt kommer dock att inrikta sig mot att behandla kompositbrott under axiell dragbelastning med kontinuerliga fibrer, vilket också är vara det aktuella i de försök som beskrivs i Kapitel 9. Detta gäller om kompositbrott är dimensionerade brottmod för provkropparna.
Figur 4.6 Schematsik beskrivning av hur en godtycklig belastning av en kompositlaminat genererar olika brottyper vid överstidande av kritiska värden på a) axiell dragspänning b) transversell dragspänning c) skjuvspänning. Hull & Clyne (1996).
4.2.1 Brott vid överstigande av axiell draghållfasthet
Kompositbrott vid axiell belastning initieras vanligen av att enskilda fibrer går i brott vid dess svagaste tvärsnitt. Spänningen omfördelas endast till närliggande fibrer på grund av matrisens vidhäftning till den trasiga fibern. När spänningen i kompositen fortsätter att öka går fler och fler fibrer i det lokala området till brott och en defekt zon i kompositens tvärsnitt skapas. Detta får till följd att mikrosprickor initieras och propagerar till ett instabilt tillstånd med ett globalt brott i kompositen som resultat Figur 4.7a. Spänningskoncentrationer i de trasiga fibrernas ändar kan få fibrerna att slitas ur matrismaterialet med ett lokalt vidhäftningsbrott, fiberurdragning Figur 4.7b, som resultat. De uppkomna sprickorna kan sträcka sig axiellt eller transversellt och
brottskedet är vanligtvis mycket sprött i form av tre enskilt vanliga brottmoder. Dessa
exemplifieras i och sammanfattas som ett enkelt dragbrott, ett brott med fiberdragning ur matrisen och ett vidhäftningsbrott och/eller matrisbrott.
Figur 4.7 Brottmoder för en linjär komposit under axiell last. a) Sprött brott b) Sprött brott med fiberurdragning c) Sprött brott med vidhäftnings- och / eller matris brott.
Agarwal & Broutman (1990).
Axiella sprickor i olika tvärsnitt av kompositen kan, som visas i Figur 4.7c, få till följd att ett skjuvbrott i matrisen sker. De olika brottmoderna har, enligt Agarwal &
Broutman (1990), ett klart påvisat samband till volymandelen fibrer i kompositen.
Exempel på detta är glasfiberkompositer med Vf < 0,4 vanligen går till brott enligt typ a i Figur 4.7. Ökas fibermängden till 0,4 < Vf < 0,65 blir typ b vanligaste brottmod och kompositer med Vf > 0,65 uppvisar vanligen brottyp c. Kolfiberkompositer går vanligtvist till brott enligt typ a eller b.
Kapitel 5:
5 Lim
im är, som beskrivs i Nationalencyklopedin-NE (2001), ett högmolekylärt bindemedel för sammanfogning av två föremål. Sammanfogningen åstadkoms genom adhesion, vidhäftning, mellan limmets och föremålens gränsytor samt genom kohesion, sammanhållning, inom limfogen. Adhesionen förutsätter att limmet har en god kontakt i gränsytorna vilket i sin tur kräver att limmet har låg viskositet vid appliceringen, samt god vätning av föremålets yta.
Lim kan efter stelningsförloppet indelas i två kategorier; de som härdar genom kemisk reaktion och de som stelnar genom fysikalisk omvandling. Kemiskt stelnande lim kan exempelvis vara ett kallhärdande tvåkomponentsystem (polymer och härdare) såsom epoxilim. Så kallade snabblim som sekundsnabbt limmar ihop både porösa och icke-porösa ytor räknas också till denna kategori. Fysikaliskt stelnande lim är oftast lösningar av en polymer i organiskt lösningsmedel, exempelvis gummisolution för lagning av cykelslang, eller vatten.
Limmets syfte i ett förstärkningssystem med FRP är att genom att verka som en kontinuerlig brygga mellan strukturen. Denna skall kunna säkerställa en god
kraftöverföring mellan strukturen och det pålimmade förstärkningsmaterialet. För att kunna göra detta krävs en mycket god vidhäftning hos limmet både i ett initiellt stadium och vidare genom den tid som strukturen planeras att vara utnyttjad. I byggtekniska tillämpningar där fiberkompositförstärkt plast skall förstärka betongkonstruktioner används vanligtvis ett kemiskt stelnande lim i form av ett epoxilim. Försök har dock genomförts med andra typer av lim, bland annat högpresterande cementpasta, Carolin (2001) och Hejll & Norling (2001)
Kraven på limmet är alltså högt ställda. Detta gäller inte bara dess rent vidhäftande förmåga, utan även egenskaper såsom exempelvis temperaturbeständighet och användarvänlighet. Utförlig forskning har bedrivits i syfte att kartlägga olika lims egenskaper och lämplighet för användning i system som bygger på externt pålimmad förstärkning. Mycket av forskningen har riktats mot förstärkning med stålplattor som ses
L
som grunden till dagens metoder med förstärkning av FRP, se kapitel 7. De råd och rön som framlagds i och med denna forskning torde dock vara direkt kompatibla i tillämpningar där FRP-förstärkning nyttjas istället för stål, Hollaway & Leeming (1999).
De krav som ställs på limmet för att ett fullgott resultat av sammanbindningen mellan förstärkningen och strukturen skall uppnås sammanfattas enligt Hollaway & Leeming (1999) till att:
• God vätningsegenskap av de ingående materialen krävs
• Tillräcklig härdtid för en lyckad applicering
• Minimal krympning under härdandet. Detta minimerar oönskade spänningar i limfogen
• Minimal krypning och bibehållen styrka under belastning
• För att underlätta applicering mot ytor där tyngdkraften inverkar negativt skall limmet gärna vara tixotropt
Detta gäller i synnerhet epoxilim, men är även önskvärt i tillämpningar med cementbaserade lim.
Kapitel 6:
6 Betong
å betong som konstruktionsmaterial torde vara bekant för läsaren redovisas i detta kapitel endast materialets egenskaper vid låga temperaturer, i detta fall menas temperaturer under 0°C. Med materialets egenskaper avses i kapitlet betongens tryck- och draghållfasthet, elasticitetsmodul samt brottenergi. För ytterligare information inom området för betong hänvisas läsaren till lämplig litteratur i form av exempelvis
Betonghandbok-Material (1994), Ohlsson (1995) eller Daerga (1988).