Betong förstärkt med inmonterad kolfiberkomposit: förspänning och förankring

Full text

(1)2004:254 CIV. EXAMENSARBETE. Betong förstärkt med inmonterad kolfiberkomposit Förspänning och förankring. SIMON ANDERSSON. CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad • Avdelningen för byggkonstruktion. 2004:254 CIV • ISSN: 1402 - 1617 • ISRN: LTU - EX - - 04/254 - - SE.

(2) Examensarbete 2004. Betong förstärkt med inmonterad kolfiberkomposit – förspänning och förankring. Simon Andersson. Institutionen för Samhällsbyggnad Avdelningen för Byggkonstruktion Luleå tekniska universitet 971 87 Luleå www.ltu.se.

(3) Förord. Förord Detta examensarbete är utfört på institutionen för Samhällsbyggnad, avdelningen för byggkonstruktion vid Luleå tekniska universitet. Denna avslutande del i civilingenjörsprogrammet är utfört våren och sommaren 2004. Idéer och riktlinjer för examensarbetet initierades i samtal mellan Banverket och avdelningen för byggkonstruktion angående förstärkning av en betongbro i Västerås. För att ha fått förtroendet att utföra detta examensarbete samt all hjälp och uppmuntran under arbetets gång vill jag rikta ett särskilt tack till min handledare Anders Carolin. Håkan Nordin, Ulf Stenman, Lars Åström och Håkan Johansson har också varit betydelsefulla för mitt examensarbete. Jag har även under arbetets gång ägnat mina tankar åt min vän Henrik som svårt insjuknat i maj 2004. Med ihållande kraft och humor kämpar han sig igenom en påfrestande behandling på Karolinska sjukhuset i Stockholm. Luleå, augusti 2004. Simon Andersson. I.

(4) Förord. II.

(5) Sammanfattning. Sammanfattning Förstärkning med kolfiberkompositer CFRP är relativt nytt. Stora betongkonstruktioner är vanliga i det moderna samhället. Exempelvis är majoriteten av broarna i Sverige byggda av betong och dessa blir allt äldre. Broarna ställs också inför nya krav. Större laster och högre trafikhastigheter är exempel på detta. Dessa nya krav på bärförmåga och livslängd betyder att broarna måste bytas ut eller förstärkas. De traditionella förstärkningssystemen kan vara begränsade då tvärsnittshöjder och egenvikter i vissa fall inte får öka. Forskning kring nya system och material pågår ständigt. Ett höghållfast och lätt material finns i kolfiberkompositen som idag är ett konkurrenskraftigt byggnadsmaterial. En ny metod för förstärkning av betong med detta material initieras i detta examensarbete. Förstärkningsmetoden innebär att CFRP-rör förspänns i befintliga konstruktioner för att på så sätt minska dragpåkänningarna i materialet. CFRP-rören monteras i borrade hål i betongen och förankras med epoxi längst in i hålet. Därefter spänns rören upp och lim injiceras. Det injicerade limmet blir den slutliga vidhäftningen mellan betong och kolfiber längs hela röret. Detta examensarbete är indelat i tre delar. Den första delen är en litteraturstudie som innehåller en beskrivning av materialen betong, kolfiber och epoxi. Den beskriver också existerande förstärkningssystem. Den andra delen innehåller teoretiska samband för både tvärsnittsspänningar för en balk samt skjuvspänningar för ett inlimmat rör utsatt för dragbelastning. Slutligen redovisas det experimentella arbetet från utdragsförsök och försök beträffande uppspänning av CFRP-rör. Töjningsmätningar, utdragsprover och en teoretisk skjuvspänningsmodell visar att förankringslängden ligger omkring 100 mm för aktuella geometrier. Arbetsmetoden för utdragsprovningen och förspänning som framarbetats i detta examensarbete har fungerat tillfredställande.. III.

(6) Abstract. Abstract Strengthening with carbon fibre reinforced composites CFRP is a relatively new technique. Big concrete structures are common in the modern world. The majority of the bridges in Sweden are built of concrete and these structures are getting old. The bridges are put into new challenges due to our new way of living. Higher speeds and greater loads form a change in the usage of the structures and in some cases strengthening is required. Changes in self-weights and cross-sections are sometimes disadvantageous. A high strength and light material is needed for these cases. Carbon fibre reinforced composites are competitive for this purpose. A new method for strengthening with carbon fibre composites is introduced in this master thesis. The idea is to prestress CFRP tubes to counteract tensile forces in concrete. The tubes will be mounted in holes in concrete. An end-anchorage is made by epoxy in the bottom of the hole. The tube is tensioned and another type of epoxy is injected. This injected epoxy will be the final adherent along the prestressed tube. This thesis is divided into three parts, one that contains a literature review, a second part containing theory and the last part is a description of experimental tests. The literature review contains material descriptions of concrete, CFRP, epoxy and existing strengthening systems. The chapter with theory demonstrates an analysis of stresses in a beam section due to bending and a shear stress analysis for pull-out tests. The last part is validated through experimental tests on anchorage lengths for pull-out tests and tests on prestressing of CFRP tubes. Measurements of strains, pull-out tests and shear stress theory indicate that the anchorage length is about 100 mm. The performed work on the method of prestressing CFRP tubes has given good results.. IV.

(7) Abstract. V.

(8) Innehållsförteckning. Innehållsförteckning 1. INLEDNING .................................................................................................................1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6. 2. LITTERATURSTUDIE ...............................................................................................4 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2. 3. INLEDNING ...........................................................................................................14 SPÄNNARMERING I KOLFIBER ...............................................................................14 FULLSKALEEXEMPEL ...........................................................................................15 FÖRSTÄRKNING AV BROBANA GENOM PÅFÖRANDE AV SPÄNNKRAFT ...................16 Teori för sektion påverkad av moment och normalkraft.................................16 Påkänningsberäkning, generell balkteori.......................................................19 TEORETISK SKJUVSPÄNNING ................................................................................20 UPPMÄTT SKJUVSPÄNNING ..................................................................................21. FÖRSÖKSUPPSTÄLLNING ....................................................................................23 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9. 5. BETONG .................................................................................................................4 KOLFIBERKOMPOSIT ..............................................................................................6 LIM - EPOXI ............................................................................................................8 EXEMPEL PÅ BEFINTLIGA FÖRSTÄRKNINGSMETODER MED KOMPOSITER ..............11 Utanpåliggande limmad förstärkning.............................................................11 Near surface mounted Reinforcement ............................................................12. BAKGRUND OCH TEORI TILL FÖRSÖKEN .....................................................14 3.1 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.5 3.6. 4. BAKGRUND ............................................................................................................1 SYFTE ....................................................................................................................1 MÅL .......................................................................................................................2 METOD...................................................................................................................2 AVGRÄNSNINGAR ..................................................................................................2 LÄSHÄNVISNINGAR ................................................................................................2. SAMMANFATTNING ..............................................................................................23 BETONGPROVKROPP ............................................................................................24 CFRP-PROVKROPPAR ..........................................................................................24 GIVARPLACERING ................................................................................................25 FÖRSÖKSUPPSTÄLLNING FÖR FÖRANKRINGSPROVNING .......................................26 KILLÅS .................................................................................................................27 LIMNING ..............................................................................................................29 FÖRSPÄNNING ......................................................................................................29 BÖJPROVNING ......................................................................................................30. RESULTAT FRÅN FÖRSÖK ...................................................................................32 5.1 5.2. SAMMANSTÄLLNING ............................................................................................32 DIAGRAM .............................................................................................................32. 6 UTVÄRDERING, SLUTSATSER OCH FÖRSLAG FÖR FRAMTIDA FORSKNING........................................................................................................................40. VI.

(9) Innehållsförteckning 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 7. BROTTLASTER OCH FÖRANKRINGSLÄNGD ............................................................40 TÖJNINGAR ..........................................................................................................41 SKJUVSPÄNNINGAR ..............................................................................................41 BÖJPROVNING ......................................................................................................44 ARBETSMETOD.....................................................................................................44 SAMMANFATTNING AV SLUTSATSER ....................................................................45 FÖRSLAG FÖR FRAMTIDA FORSKNING ..................................................................45. REFERENSER ...........................................................................................................46. APPENDIX A. FÖRSÖKSDOKUMENTATION.......................................................48. APPENDIX B. FOTODOKUMENTATION ..............................................................51. APPENDIX C. SKJUVSPÄNNINGAR.......................................................................55. APPENDIX D. EXEMPEL PÅ LÖSNING TILL BALKPROBLEM ......................59. APPENDIX E. FÖRSKJUTNINGSBERÄKNING ....................................................65. APPENDIX F. ELASTICITETSMODUL I BÖJNING ............................................67. APPENDIX G. KUBTESTER ......................................................................................69. APPENDIX H. UPPMÄTTA SKJUVSPÄNNINGAR ...............................................70. VII.

(10) Kapitel 1. Inledning. 1 Inledning 1.1 Bakgrund Det ställs allt högre krav på broarna i Sverige. Större axellaster, högre hastigheter etcetera innebär att broarna måste bytas ut eller förstärkas. De flesta av våra väg- och järnvägsbroar är byggda av betong och dessa blir allt äldre. Materialvalet vid förstärkning av broarna blir allt viktigare på grund av dessa ökade krav på livslängder. Beständighet hos materialen och underhållsmässigheten hos konstruktionen blir också viktiga faktorer som styr förstärkningsarbetet. Genomtänkta förstärkningsmetoder med beständiga material innebär att våra broar får ökade livslängder och stora ekonomiska besparingar följer. Uppspänning av betongkonstruktioner innebär ett effektivare nyttjande av materialet. En ny alternativ metod för förstärkning av betongkonstruktioner är användandet av fiberkompositer. De traditionella förstärkningssystemen kan vara begränsade då tvärsnittshöjder och egenvikter i vissa fall inte får öka. Exempel på traditionella förstärkningssystem är användning av stålarmering, stållinor, pågjutning av betong m.m. I detta examensarbete undersöks möjligheterna kring inmonterad spännarmering av kolfiber. Fördelen med kolfiber är den höga hållfastheten och att materialet inte korroderar. Idén till detta examensarbete initierades i samband med en diskussion om förstärkning av vägport, Hamngatan i Västerås. Även om föreliggande rapport är inriktad mot broförstärkning kan beskriven teknik användas vid förstärkning av andra betongkonstruktioner.. 1.2 Syfte Examensarbetets syfte är att verifiera ett nytt förstärkningssystem där kolfiberrör monteras i borrade hål i betong. En pilotstudie av nämnt förstärkningssystem ska göras, d.v.s. inledande försök görs och teoretiska modeller tas fram.. 1.

(11) Kapitel 1. Inledning. 1.3 Mål Målet med examensarbetet är att ta fram ett bra underlag för fortsatt forskning inom området. Forskningen inom området ska utmynna i en förstärkningsmetod där man kan spänna kolfiberkompositrör för att på så sätt öka en konstruktions bärförmåga. Ett ytterliggare mål med examensarbetet är de fördjupande kunskaperna inom området som författaren erhåller.. 1.4 Metod En inledande litteraturstudie inom fiberkompositer, betong, limmer, skjuvspänningar, balkböjning har gjorts. Analytiska härledningar för skjuvspänningar vid utdragsprov och balkböjning av normalkraftsbelastade osymmetrisk dubbelarmerade balktvärsnitt har pågått under arbetets gång. Utdragsförsök av tio kolfiberprovkroppar inlimmade i betong har utförts. Fyra av dessa provkroppar förspändes i betongen innan de provdrogs.. 1.5 Avgränsningar För att rymma denna studie inom ramen för ett examensarbete finns begränsningar i metoden. Följande experimentella avgränsningar i förankringsprovningen har gjorts. Endast en sorts kolfiber, en limtillverkare och en betongkvalitet har använts i försöken. Förankringsprovningen gjordes med en håldiameter och ett rörtvärsnitt. Ett begränsat antal provningar har utförts i endast laboratoriemiljö. Endast linjärelastisk analytisk teori har studerats.. 1.6 Läshänvisningar Kapitel 2 innehåller en kortare litteraturstudie där de ingående materialen beskrivs tillsammans med befintliga förstärkningsmetoder. Den initierade läsaren kan hoppa över detta kapitel som är skrivet som en introduktion till den läsare som inte är bekant med forskningsområdet. Kapitel 3 innehåller teoretiska samband där tvärsnittsspänningar för en böjbelastad balk samt skjuvspänningar för ett inlimmat rör utsatt för dragbelastning visas.. 2.

(12) Kapitel 1. Inledning. Kapitel 4 beskriver försöksuppställningar för förankringsprovningarna och böjprovningen. Kapitlet redovisar också de arbetsmetoder som använts vid det experimentella arbetet. Kapitel 5 redovisar resultat och kommenterar. I kapitel 6 utvärderas resultaten ytterligare och slutsatser dras. Förslag för framtida forskning inom området återfinns också i detta kapitel.. 3.

(13) Kapitel 2. Litteraturstudie. 2 Litteraturstudie 2.1 Betong Betong är ett av det moderna samhällets viktigaste byggmaterial. Majoriteten av våra väg- och järnvägsbroar är byggda av betong. Man vet även med säkerhet att greker och etrusker hundratals år före Kristus använde sig av betongliknande material. Romarna använde också ett betongmaterial och en av de mest kända konstruktionerna byggda med detta byggnadsmaterial är kupolen i Pantheon i Rom. Pantheon byggdes under 100-talet e.Kr. och är känd för sin enorma betongkupol med ett spann på 45 m, Burström (2001). Betong har hög hållfasthet framförallt vid tryckbelastning. God beständighet och formbarhet karakteriserar också detta byggnadsmaterial. Betongens beståndsdelar och materialegenskaper beskrivs i korthet i detta examensarbete.. Figur 2.1. Tillverkning av cement, Burström (2001). 4.

(14) Kapitel 2. Litteraturstudie. Betong består av cement, ballast, vatten och eventuellt tillsatsmedel. Huvudbeståndsdelarna i cement är kalksten och lermaterial. Tillverkningen av cement är en avancerad process och sker i flera steg se Figur 2.1. Ballasten är antingen krossat bergartsmaterial eller naturgrus. De flesta bergarter som finns i Sverige ger bra ballastmaterial för betongtillverkning. I många andra länder kan det vara svårt att finna ballast av tillräckligt god kvalitet, Burström (2001). Vatten i betong får inte innehålla salter eller organiska ämnen. Salter i betongen påverkar beständigheten negativt för den framtida betongkonstruktionen och organiskt material kan fördröja cementets bindning och hårdnande, Grundläggande konstruktionslära (2002). Beroende på tillsatsmedel i betongen kan den modifieras i olika riktningar. Exempel på tillsatsmedel är luftporbildande, vattenreducerande, accelererande, retarderande, flyttillsats etc. När delmaterialen blandas, bildas en formbar massa som bearbetas genom vibrering och som efter hand hårdnar. Vid processen reagerar bl.a. kalciumsilikater i cementen med vatten och bildar en halvfast massa som binder ihop ballastkornen. Processen är mest intensiv under de första dygnen och avtar sedan i hastighet. Full härdning har vid normal temperatur vanligen uppnåtts efter ca en månad. Under denna tid krävs att den hårdnande betongen vattnas kontinuerligt för att processen skall kunna fortgå. Den hårdnade betongen är ett poröst material med en densitet av ca 2 400 kg/m3 och med en tryckhållfasthet som varierar mellan 25 och 80 MPa, främst beroende på andelen vatten i cementpastan, Nationalencyklopedin (2004). Betong har störst hållfasthet då den tryckbelastas. Draghållfastheten uppgår bara till 10 % av tryckhållfastheten. För att kunna dragbelasta delar av betongsektioner läggs armeringsjärn in, Langesten (1995). En principbild av spännings-töjningsförhållandena kan ses i Figur 2.1.. 5.

(15) Kapitel 2. Litteraturstudie. σ σdrag ~-0,0035. ~-0,002. ε ~0,0002. σtryck. Figur 2.2. Spännings-töjningsdiagram för betong, Grundläggande konstruktionslära (2002).. 2.2 Kolfiberkomposit Sedan 70-talet har forskning pågått kring tillämpningen av fiberkompositer i byggindustrin. En fiberkomposit består av långa eller korta fibrer sammanfogade av en polymermatris (plast). Andra fibermaterial i kompositer kan vara glas och aramid, Svenska Betongföreningen (2002). Matrisen består oftast av epoxi, polyester eller vinylester. Figur 2.3 presenterar en jämförelse mellan olika typer av fiber och stål i ett spänning-töjningsdiagram. Diagrammet visar att linjärelastiska förhållanden råder hela vägen till brott för fibermaterialen. Detta är typiskt för dessa material, Svenska Betongföreningen (2002). Kompositmaterialets mekaniska egenskaper bestäms av vilken typ av fiber och matris som använts i tillverkningen samt kontakten mellan dem. Fibrernas orientering och fiberinnehållet påverkar också kompositens mekaniska egenskaper, Svenska Betongföreningen (2002).. 6.

(16) Kapitel 2. Litteraturstudie. Kolfiber tillverkas av organiska fibrer genom upphettning utan tillgång av syre följd av sträckning, oxidering och värmebehandling. Beroende på basmaterial och produktionsprocess kan fibern varieras i flera riktningar. Kolfiber består av täta grafitkristaller förbundna med starka kovalenta bindningar i ett plan. Van der Waals krafter binder de skilda planen samman. Idag produceras kolfiber i de flesta fall med ett organiskt basmaterial. Det finns två olika tillverkningsprocesser för kolfiber där den huvudsakliga skillnaden ligger i råmaterialet. Vid tillverkning av kolfiber med hög hållfasthet används polyacrylanitril PAN. Ett annat råmaterial är pitch vilket används till kolfiber med hög elasticitetsmodul. Pitch kommer vanligtvis från petroleum, asfalt, stenkolstjära eller PVC, Clarin (2002). En jämförelse av egenskaperna för kolfiber med materialbaserna PAN och pitch kan studeras i Tabell 2.1.. Figur 2.3. Egenskaper för olika typer av fiber och traditionell armering. Carolin (2001). 7.

(17) Kapitel 2. Litteraturstudie. Tabell 2.1. Egenskaper för kolfibermaterial, Svenska betongföreningen (2002). Densitet (kg/m3) Kolfiber 1750 – (PAN) 1950 Kolfiber 1600 – (Pitch) 2100. Draghållfasthet Elasticitetsmodul Brottöjning (MPa) (GPa) (%) 2500 – 7500 200 – 800 0,6 – 2,0 700 – 3500. 300 – 800. 0,4 – 2,5. Matrisen är den kontinuerliga fas som sammanbinder fibrerna, samt överför och fördelar skjuvkrafter i materialet. En annan viktig uppgift som matrisen har är att skydda fibrerna från omgivningen. I byggindustrin används ofta härdplaster i matrisen. Exempel på härdplaster kan ses i Tabell 2.2. Härdplaster består av två eller flera komponenter.. Tabell 2.2. Polyester Epoxi Vinylester. Egenskaper för härdplaster, Svenska betongföreningen (2002). Draghållfasthet Densitet 3 (MPa) (kg/m ) 1000 – 20 – 100 1450 1100 – 55 – 130 1300 1120 80 – 90. Elasticitetsmodul Brottöjning (GPa) (%) 2,1 – 4,1 1,0 – 6,5 2,5 – 4,1. 1,5 – 9,0. 3,2. 4–5. 2.3 Lim - epoxi Den vanligaste formen av lim som används inom området förstärkning med fiberkompositer är epoxi. Det finns många olika former av epoxilimmer. Fördelen med epoxilimmer är att dess egenskaper är lätta att förändra och anpassa efter olika krav. Några egenskaper finns gemensamt för epoxilimmerna. Dessa beskrivs kort i följande stycke. Vidhäftningen hos epoxilimmet utmärks av att limmet fäster vid de flesta underlag. Limmet har också en liten krympning vilket innebär att inga stora 8.

(18) Kapitel 2. Litteraturstudie. spänningar uppstår mot underlaget. Epoxilim har mekaniska egenskaper som lämpar sig bra för byggindustrin, se Tabell 2.3. Epoxilim är relativt sett mycket beständigt mot alkalier. Detta är bra då betong är underlag eftersom den basiska betongen utgör en alkalisk miljö. Epoxin är vattentät och har generellt sett högt ånggenomgångsmotstånd. Med hjälp av epoxins goda modifierbarhet kan den dock göras diffusionsöppen. Epoxin kan användas som elektrisk isolator. Värme- och ljusbeständighet skiljer sig mellan olika former av epoxi. Vissa epoxiplaster är känsliga för UV-ljus, Augustsson (2004). Tabell 2.3. Egenskaper för epoxi vid 20 grader Celsius, Täljsten (2002). Densitet (kg/m3) Elasticitetsmodul (GPa) Skjuvmodul (GPa) Poissons tal Draghållfasthet (MPa) Skjuvhållfasthet (MPa) Tryckhållfasthet (MPa) Dragtöjning vid brott (%). 1100 – 1700 0,5 – 20 0,2 – 8 0,3 – 0,4 9 – 30 10 – 30 55 – 110 0,5 – 5. Exempel på två epoxilimmer och dess egenskaper kan läsas ur Tabell 2.4 och Tabell 2.5.. Tabell 2.4. Egenskaper för BPE® Lim 465/464 BPE® Lim 465: vit BPE® Härdare 464: svart BPE® Lim 465/Härdare 464 är ett lösningsmedels och nonylfenolfritt tixotroperat epoxilim, speciellt framtaget för förstärkning av konstruktioner med BPE® NSMR S eller M. BPE® Lim 465/Härdare464 uppfyller krav enligt Bronorm 94, bilaga 9-24.2, supplement nr 2. Bas-Härdare 100-100 viktdelar 1498 kg/m3 Tixotrop** 90 min 103 MPa 31 MPa. Utseende Fakta. Blandningsförhållande Densitet 20 °C Viskositet Potlife 100g, 20°C* Tryckhållfasthet Draghållfasthet. 9.

(19) Kapitel 2. Litteraturstudie 17,6 MPa 7 GPa. Dragskjuvhållfasthet Elasticitetsmodul Brottöjning Åtgång Rengöring Förpackning. 0,2 dm3 Verktyg rengörs med aceton Bas och härdare förpackas separerade, 2,5 + 2,5 = 5,0 kg *Potlife = Den tid för förbrukning av en blandning epoxilim och härdare innan denna stelnar över bearbetbarhet. ** egenskap hos en viskös (tjockflytande) eller gelartad produkt som innebär att denna blir alltmer lättflytande ju längre tid och ju kraftigare den deformeras (t.ex. genom omrörning). När deformationen upphör återgår produkten till sitt ursprungliga viskösa eller gelartade tillstånd.. Tabell 2.5. Egenskaper för BPE® Lim 417A/417B BPE® Lim 417A: vit BPE® Härdare 417B: gul Lösningsmedels och nonylfenolfritt epoxilim Bas-Härdare 100-44 viktdelar 1095 kg/m3 Lätt tixotroperad 30 minuter 80 MPa 50 MPa 17,6 MPa 2 GPa 3% 200-250 g/m2 Verktyg rengörs med aceton Bas och härdare förpackas separerade 2,0 + 0,88 = 2,88 kg. Utseende Fakta Blandningsförhållande Densitet 20 °C Viskositet Potlife 100g, 20 °C Tryckhållfasthet Draghållfasthet Dragskjuvhållfasthet Elasticitetsmodul, drag Brottöjning Åtgång. ca Rengöring Förpackning. 10.

(20) Kapitel 2. Litteraturstudie. 2.4 Exempel på befintliga förstärkningsmetoder med kompositer 2.4.1 Utanpåliggande limmad förstärkning Metoder för ytlig förstärkning med fiberkompositer är utvecklad ur en metod där stålplåtar limmats på konstruktioner. Stålplåtar limmade mot betongkonstruktioner började användas i Sydafrika i början av 1960-talet. Sen dess har metoden spridit sig och används nu över hela världen. I Sverige påbörjade Vägverket utveckling av metoden under senare delen av 1980-talet och därefter accepterades metoden som en förbättringsmetod, Täljsten (1994). Priset på kolfibrer sjunker och därför har det blivit ett ekonomiskt alternativ till stålplåtar, vilka på senare år helt blivit utkonkurrerade. På betong används med fördel laminatväv eller stavar av kolfiberkomposit, vilka limmas med ett epoxilim till den konstruktionsdel som behöver förstärkas. En kolfiberväv består av enbart kolfibrer som limmas med en epoxi, oftast i ett antal lager mot en yta som är jämn. Kolfiberlaminat innebär att kolfibern redan är limmad i en matris som i sin tur limmas mot konstruktionsytan som ska förstärkas. Formen på kolfiberlaminatet kan göras eller måste göras innan det limmas på plats i motsats till kolfiberväven som kan vara lös ända tills den limmas mot den aktuella konstruktionen. Båda metoderna används idag för förbättring av konstruktioner. I Sverige har metoden exempelvis använts för förstärkning av en järnvägsbro i Luleå, Carolin och Täljsten (1999). En handbok för förstärkning med kolfiber har nyligen utarbetats. I den beskrivs dimensionering för bland annat böjning och tvärkraft. Vidare beskrivs materialet och utförandet av förstärkningsmetoden, Täljsten (1999). Kolfiberns höga styrka och låga vikt leder till en effektiv, snabb och enkel förstärkning av befintliga konstruktioner. Förstärkning med kolfiberkomposit på betong görs i snitt där höga dragpåkänningar finns. Förstärkningar med kolfiberlaminat har gjorts på bl.a. betongbroar, se Figur 2.4.. 11.

(21) Kapitel 2. Litteraturstudie. Figur 2.4. Förstärkt av betongbro. 2.4.2 Near surface mounted Reinforcement Near surface mounted Reinforcement, NSMR, är nästa steg i forskningen kring ytlig förstärkning. I Figur 2.5 kan principen för NSMR och förstärkning med laminat studeras.. Figur 2.5. Laminat jämfört med NSMR. Nordin (2003). 12.

(22) Kapitel 2. Litteraturstudie. NSMR-systemet innebär att FRP-stavar limmas eller gjuts in i frästa spår i betongkonstruktionen. En fördel med att FRP-staven ligger i ett spår är att den i viss mån är skyddad från yttre åverkan. Försök på Luleå tekniska universitet har visat att metoden är användbar även då förstärkningsobjektet är påverkat av dynamiska laster under härdningen, Carolin (2003). Försök har också visat metoden även är applicerbar på träkonstruktioner.. 13.

(23) Kapitel 3. Bakgrund och teori till försöken. 3 Bakgrund och teori till försöken 3.1 Inledning Detta kapitel ger en bakgrund och en begränsad teoretisk redogörelse kring uppspänning av betong. Uppspänningen ska göras genom att kompositrören limmas längst in i hålet och spänns upp i den andra änden. I detta kapitel härleds en modell för hur påkänningarna i betong påverkas då den spänns upp. Modellen för påkänningsberäkningarna har avgränsats till att endast behandla balkböjning, ingen spännbetongteori har tillämpats. Denna modell har också förenklats genom att spännkraften endast betraktas som en normalkraft. Intentionen med denna modell är att i exempel visa hur dragoch tryckspänningarna påverkas då konstruktionen belastas med normalkraft. Beroende på spännkraftens placering kan dragspänningar reduceras, och betongens tryckhållfasthet nyttjas bättre. I detta kapitel presenteras även modeller för hur skjuvspänningarna i ett utdragsprov av ett inlimmat kompositrör analyserats. En teoretisk modell och en modell för beräkning av skjuvspänningar utifrån uppmätta töjningar har härletts för detta ändamål. Teoretiska skjuvspänningar kommer senare att jämföras med experimentellt framtagna skjuvspänningar i kapitel 5.. 3.2 Spännarmering i kolfiber Uppspänning av konstruktioner kan göras på betong-, stål- och träkonstruktioner. Att använda spännarmering kan ge högre bärförmåga i momentkapacitet, tvärkraftskapacitet etc. Om uppspänning utförs med stållinor måste dessa skyddas mot korrosion. Ibland måste uppspänningsanordningen placeras utanför förstärkningsobjektet och då blir korrosionsskyddet väldigt viktigt. Att använda kolfiber i spännmaterialet innebär att korrosionsskyddet blir överflödigt. Den höga hållfastheten och låga vikten hos kolfibern gör också användandet av detta material blir fördelaktigt. Om man jämför med stål kan vikten hos kolfiber uppgå endast till 10 % av stål med samma hållfasthet. Den låga vikten hos materialet innebär dessutom en lättare hantering och lägre maskinella kostnader, Clarin (2002).. 14.

(24) Kapitel 3. Bakgrund och teori till försöken. 3.3 Fullskaleexempel Många järnvägsbroar i betong har ofta ett tvärsnitt enligt Figur 3.1. Tvärsnittet är i form av ett tråg med två huvudbalkar i längdriktningen och en platta mellan dem. Vid en höjning av lasterna på bron kan för stora dragspänningarna uppstå i snitt mellan huvudbalkarna och plattan, se Figur 3.1.. Sprickbildning. Armering av kolfiberkomposit Figur 3.1. Tvärsnitt av järnvägsbro i betong. Ett fullskaleexempel med en bro kommer att studeras översiktligt. Den teoretiska studien begränsas till en härledning av påkänningarna i en strimla av betongplattan. Fullskaleexemplet kommer från samtal mellan Banverket östra banregionen och Luleå tekniska universitet angående förstärkning av vägport över Hamngatan i Västerås. Se Appendix D.. 15.

(25) Kapitel 3. Bakgrund och teori till försöken. 3.4 Förstärkning av brobana genom påförande av spännkraft I följande avsnitt ska teorin gällande balkböjning studeras. Detta ska ses som en begränsad teoretisk beskrivning av problemet. Den tillförda förspända kolfiberarmeringen behandlas som en excentrisk normalkraft. Spännbetongteori har inte heller tillämpats i härledningen.. 3.4.1 Teori för sektion påverkad av moment och normalkraft För härledningen av påkänningarna används teorin om dragsprucket tvärsnitt, stadium II. Teorin syftar till att öka förståelsen kring möjligheterna med förstärkningsmetoden.. Figur 3.2. Dubbelarmerat rektangulärt tvärsnitt. Ett dubbelarmerat balktvärsnitt belastas med en excentrisk normalkraft. En jämviktsekvation ställs upp. Fc + Fs′ = Fs + N c. [3.1]. ⇔ 16.

(26) Kapitel 3. Bakgrund och teori till försöken. 1 σ c bx + σ s′ As′ = σ s As + N c , 2. [3.2]. där As′ och As är tryck- resp. dragarmeringens tvärsnittsareor. Momentet Ms kring dragarmeringens centrum ställs upp M s = N c es .. [3.3]. Det kan vara nödvändigt att poängtera att till ovanstående definierade moment kan även ett rent böjande moment adderas. En momentjämvikt ställs upp. 1 x  M s = N c es = σ c bx d −  + σ s′ As′ (d − d ′) . 2 3 . [3.4]. Drag- och tryckarmeringens påkänningar kan uttryckas med kompabilitetsvillkor som följer av den rätvinkliga töjningsfördelningen. Elasticitetsteorin (Hookes lag) tillämpas och eftersom egenskaper för uppspända konstruktionselement inte är inkluderade så gäller. ε c = ε s , alltså. σc Ec. =. σs. [3.5], [3.6]. Es. Ekvation [3.6] ger. σ s = ασ c ,. [3.7]. Es . Ec Långtidsvärden och förhållanden i spännbetongkonstruktioner kan innefattas i faktorn α .. där α =. Förhållandet mellan töjningarna ställs upp (se Figur 3.2). 17.

(27) Kapitel 3. Bakgrund och teori till försöken. εs σ d−x . = s = ε c ασ c x. [3.8]. Detta ger påkänningarna i dragarmeringen d  − 1 . x . σ s = ασ c . [3.9]. På samma sätt ges påkänningen i tryckarmeringen. ε s′ σ′ x−d′  d′ = s = ⇒ σ s′ = ασ c 1 −  . x x ε c ασ c . [3.10]. Om ekvationerna [3.2], [3.9] och [3.10] sätts i ekvation [3.1] fås uttrycket  αA  d N 1 x αAs′  d ′   1 Nc  x  + x1 −  = 0 .[3.11] 1 − 1 − c (d − d ′) − s  − 1 − 2 d bd  2 3 bd x M x  M s   s  . Ovanstående uttryck kan sedan skrivas om i denna tredjegradsekvation A A′ (beteckningarna ρ = s och ρ ′ = s har också införts) bd bd. Ax 3 + Bx 2 + Cx + D = 0 , där. [3.12]. Nc , 6dM s N 1 B= − c , 2d 2 M s A=.   N C = α  ρ ′ − c ρ ′(d − d ′) + ρ  och Ms    ρ ′d ′N c  (d − d ′) − dρ − ρ ′d ′  . D = α   Ms . 18.

(28) Kapitel 3. Bakgrund och teori till försöken. Ekvation [3.4] kan sedan skrivas om för bestämning av påkänningen i tryckzonen. σc =. Ms. x 1   d′ bx d −  + αbdρ ′1 − (d − d ′) x 2  3 . .. [3.13]. Påkänningarna i armeringen σ s och σ s′ bestäms med formlerna [3.9] och [3.10].. 3.4.2 Påkänningsberäkning, generell balkteori Ytterligare en beräkningsmodell för påkänningarna i betong har använts för att jämföras med ovanstående metod. Denna jämförelse finns som ett beräknat exempel i Appendix D. Denna modell följer exempel 4.3:9 i Betonghandboken, AB svensk byggtjänst (1990). Beräkningsmetod bygger på elastisk balkteori. Naviers formel gäller. σ z = σn +σm = −. N c M tp + z. AII I II. [3.14]. Påkänningarna i balktvärsnittet superpositioneras enligt Figur 3.3. Värden för arean AII och tröghetsmomentet III beräknas för den tryckta delen av betongen samt med inverkan av förstorade armeringsareor. Förstorade armeringsareor innebär att tvärsnittet transformerats, dvs armeringens tvärsnittsarea har muliplicerats med faktorn α som är förhållandet mellan stålets och betongens elasticitetsmoduler, se föregående avsnitt. Normalkraften Nc (här negativ vid dragning) och momentet Mtp är verksamma i och kring tvärsnittets tyngdpunkt. Eftersom läget x för neutrala lagret inte är känt så måste x uppskattas. Betongpåkänningen σz har utgångspunkt i tyngdpunkten och värdet för σz är lika med noll i neutrala lagret. Denna kontroll görs för att kontrollera att x uppskattats rätt.. 19.

(29) Kapitel 3. Bakgrund och teori till försöken. Figur 3.3. Påkänningsberäkning i stadium II med superposition av påkänningar. AB svensk byggtjänst (1990). 3.5 Teoretisk skjuvspänning Den teoretiska skjuvspänningen som använts i detta examensarbete finns härledd i Appendix C. Härledningen utgår ifrån Figur 3.4 och Figur 3.5 och den baseras på Täljsten (1997). Formel 3.15 visar skjuvspänningens ekvation. För symbolförklaringar se Appendix C. P. Komposit. Betong Epoxi. Figur 3.4. Epoxi. x. Betong. L. Kompositröret inlimmat i betong. 20.

(30) Kapitel 3. Bakgrund och teori till försöken. Tvärsnitt. N1. N1 + dN1. Betong. φ2 τ1(x). s. φ1 Komposit Epoxi Betong. Epoxi. τ2(x). N2 + dN2. N2 Komposit. Figur 3.5. En sektion med längden dx och ett tvärsnitt av kompositröret. (. τ 2 ( x) = A e A=2. λ=2. λx. + e−. λx. ) där. [3.15]. GP. (.  φ  s1 + 2  λ e  φ1  Gπφ 2  φ s1 + 2  φ1. λL. − λe−. λL. ).  1 1    , + E A E A 1 1   2 2.  1 1  +  .   E 2 A2 E1 A1   . 3.6 Uppmätt skjuvspänning Om töjningarna mäts vid ett utdragsprov kan skjuvspänningarna i förankringen beräknas ur nedanstående härledning. Figur 3.6 visar spänningsförhållandet i en del av CFRP-röret med längden dx.. 21.

(31) Kapitel 3. Bakgrund och teori till försöken. A-A σ. A-A σ + dσ. τ. φ. dx. Figur 3.6. En del av CFRP-röret med längd dx. En kraftjämvikt ställs upp (A är tvärsnittsarean för röret) − σA + (σ + dσ ) A − τπφdx = 0. [3.16]. vilket kan skrivas som. τ=. dσ A . dx πφ. [3.17]. Hookes lag antas gälla. σ = εE .. [3.18]. Ekvation [3.17] sätts in i ekvation [3.16] vilket ger. τ=. d (εE ) A dε AE = dx πφ dx πφ. [3.19]. Ekvation [3.19] beskriver skjuvspänningarna längs utsidan av CFRP-röret. 22.

(32) Kapitel 4. Försöksuppställning. 4 Försöksuppställning I detta kapitel redovisas konfigurationen hos provkropparna och försöksuppställningarna i det experimentella arbetet. Hur försöken är genomförda och detaljer kring mätningsmetodiken finns också beskrivet. I nästa avsnitt, kapitel 5, återfinns resultaten.. 4.1 Sammanfattning Förankringsprovningen bestod av utdragsprover av inlimmade CFRP-rör i betong. Tio CFRP-rör har limmats med olika förankringslängder och fyra av dessa förspändes. Provning bestod av normalbelastning i provkropparnas längdriktning. Krafter, förskjutningar och töjningar mättes upp. CFRP-rören fylldes med lim för att inte klämmas sönder vid belastningen (kallas ”Fyllim” i tabellen). Se Tabell 4.1 för försökssammanfattning. Tabell 4.1. Tabelltext. Nr Namn 1 1_470. Förankringslängd Förankringslim Fyllim 47 cm BPE 465 BPE 417 2 2_100 8 cm BPE 465 BPE 417 3 3_200 18 cm BPE 465 BPE 417 4 4_400 31 cm BPE 465 BPE 417 5 5_200 19 cm BPE 465 6 6_400 38 cm BPE 465 BPE 417 7 7_200f BPE 465 8 8_200f 25 cm + 15* cm BPE 465 BPE 417 9 9_200f 20 cm + 28* cm BPE 465 BPE 417 10 10_200f 20 cm + 17,8* cm BPE 465 BPE 417 *Förspänningslängd. 23. Förspänning Spännkraft Nej 0 Nej. 0. Nej. 0. Nej. 0. Nej Nej. 0 0. Ja Ja. 35 kN 34,8 kN. Ja. 29,9 kN. Ja. 34,8 kN.

(33) Kapitel 4. Försöksuppställning. 4.2 Betongprovkropp För försöken användes en betongprovkropp med dimensionerna 400x600x2000 mm3. Betongprovkroppen tillverkades av Br. Hedmans Cementguteri & Smidesverkstad AB i Älvsbyn. Tryckhållfastheten för betongen var 68,7 MPa vid provningen. Fullständig redovisning av betongkvaliteten återfinns i Appendix G. Vid tillverkningen borrades tio 500 mm djupa hål för CFRP-rören. Hålen borrades med vattenkylning. Innan försöken utfördes torkades och rengjordes hålen. Figur 4.1 nedan visar en skiss av betongprovkroppen.. Figur 4.1. Betongprovkropp. 4.3 CFRP-provkroppar Provkropparna bestod av kolfiberkomposit med långa sammanhängande fibrer av typ HS (High Strength). Fiberhalten hos provkropparna var 50 %. Fibrerna i kompositen var längsgående på yttersidan och insidan, mellan dessa lager var fibrerna snedställda. Provkropparna förbereddes genom att sand limmades där kraftöverföringen från domkraften till kolfiberröret skulle 24.

(34) Kapitel 4. Försöksuppställning. ske och ytan för förankringen till betongen slipades och rengjordes med aceton. Längden på röret bestämdes av försöksuppställningen, se rubrik 4.5. Egenskaperna för provkropparna redovisas i Figur 4.2 nedan.. Ytan slipas med sandpapper. Pålimmad sand. Hål för injicerat lim vid förspännin. Kolfiber. Längd (m). HS*. 1,2. Ytterdiameter (mm) 25. Innerdiameter (mm) 21. *High Strength; E-modul för fiber c:a 230 GPa; Fiberhållfasthet max c:a 4500 GPa Figur 4.2. CFRP-provkropp och tabell med egenskaper. 4.4 Givarplacering På provkropp 10 monterades åtta stycken folietöjningsgivare. Givarna placerades nära betongytan, där skjuvspänningarna är som störst. Eftersom risken var stor att töjningsgivarna skadades tidigt vid provbelastningen lades en vulkmassa över dem som skydd. Detta skydd minskade vidhäftningsarean omkring givarna. Vidhäftningsområdet minskades med c:a 30 %. Figur 4.3 presenterar hur givarna är placerade, figuren är inte skalenlig.. 25.

(35) Kapitel 4. Försöksuppställning (cm). Betong. BTG-yta 29,7 1. 2,4. 2,4. 2,4. 2. 3. 4. 5. 31,1. 6. 7. 2,3. 2,2. 19,1 8. CFRP-stav. 37,8. Hål Figur 4.3 Givarplacering, ej skalenlig (folietöjningsgivare – Micro Measurement CEA-06-240UZ-120). Två stycken lägesgivare placerades längst ut i änden på varje provkropp, se Figur 4.4. Placeringen av lägesgivarna är inte idealisk. Lägesgivarna borde ha suttit så nära förankringen som möjligt. Då detta inte var praktiskt möjligt inom projektets ramar har hänsyn till detta tagits i utvärderingen av resultaten.. 4.5 Försöksuppställning för förankringsprovning CFRP-rören limmades in i betongblocket. Limmet som användes var ett epoxi BPE 465. En håldomkraft med en kapacitet på 200 kN användes som lastkälla. Kraften registrerades med en lastcell. Förskjutningen i längsled registrerades av två lägesgivare. Kraften plottades som en funktion av medelvärdet av lägesgivarnas förskjutningar. Försöksuppställningen kan ses i Figur 4.4. Kolfiberröret [a] har längden 1,2 m. För att få en bra förankring i betongen så ruggades kolfiberytan upp med sandpapper. För kraftöverföring från domkraften till kolfiberröret användes ett killås [c]. Killåset bestod av en stålhylsa med en konisk insida samt anpassade kilar av amid, se rubrik 4.6. Övre delen av röret slipades med sandpapper. På den slipade ytan limmades sedan sand för att skapa bättre förutsättningar för en hög friktion i kraftöverföringen. Limmet som användes här var ett lättflytande epoxi BPE 417.. 26.

(36) Kapitel 4. Försöksuppställning. [a] Kolfiberkompositrör [b] Lägesgivare [c] Killås. [d] Håldomkraft [e] Lastfördelningsplatta [f] Lastcell [g] Koniskt lager. [h] Epoxi [i] Betong. Figur 4.4. Provuppställning. 4.6 Killås För att föra över belastningen från håldomkraften till CFRP-röret användes ett killås. Killåset bestod av en stålhylsa med konisk insida. Kilar i amid klämde vid belastningen fast CFRP-röret och förankringen utsattes för en dragkraft. Figur 4.5 och Figur 4.6 visar hur killåset såg ut.. 27.

(37) Kapitel 4. Försöksuppställning. Figur 4.5. Ritning av killås. Stålhylsa till vänster, amidkil till höger.. Figur 4.6. Fotografi av killås och sandat CFRP-rör. 28.

(38) Kapitel 4. Försöksuppställning. 4.7 Limning Förankringen utfördes med ett epoxilim av typen BPE 465. Volymen lim beräknades och mättes upp för varje enskilt prov. Limmet hälldes i hålet och stången fördes sakta ned i limmet och centrerades med kilar. Vid ett provtillfälle testades även en typ av spritspåse sammankopplad med en slang som fördes ner i hålet. På grund av att limmet var synnerligen trögflytande fungerade detta inte tillfredställande. För att kolfiberröret inte skulle klämmas ihop i killåset vid belastning fylldes även rören för proven 1 till 4, 6 och 8 till 10 med lim. Här användes en lågviskös epoxi BPE 417.. 4.8 Förspänning Fyra av CFRP-rören (prov 7 till 10) förspändes innan belastningen. Röret förbereddes på samma sätt som i de andra försöken, men tre hål borrades i röret c:a 25 cm från änden. Hålen gjordes med en pelarborr. Den avlånga geometrin på hålen gjordes genom att borra 5 mm stora hål bredvid varandra och därefter slipades öppningens form till med en fil. De tre hålen hade en öppning på c:a 5x20 mm2. Röret limmades först med en förankring på c:a 200 mm och härdade tre dagar. Därefter spändes röret upp med c:a 35 kN och lim BPE 417 injicerades i toppen av röret och via de tre hålen som borrats upp kunde limmet tränga ut mot betongen, se Figur 4.7. I Appendix B kan fotografier från förspänningen ses. Baserat på teoretiska skjuvspänningar och töjningar i kompositen valdes 200 mm som förankringslängd till proverna som förspändes. Teoretiskt ser effektiv förankringslängd ut att vara <100 mm, se Figur 6.3. Med tanke på brottyp och arbetsutförande valdes den drygt dubbla längden. Spännkraften valdes till halva bärförmågan för korttidsbelastningen i proverna 4,5 och 6.. 29.

(39) Kapitel 4. Försöksuppställning. Figur 4.7. Injicering av lim. 4.9 Böjprovning Ett böjförsök gjordes för att bestämma en elasticitetsmodul i böjning samt för att få en grundligare förståelse för materialet. En mer tillämplig bestämning av elasticitetsmodulen för föreliggande examensarbete återfinns i Appendix E. Försöket utformades av att en punktlast i form av hydraulcylinder placerades mitt på ett kolfiberrör. Kolfiberröret hade samma dimensioner som kolfiberrören som testades i drag. Röret lades upp på stöd placerade 595 mm ifrån varandra. Belastningshastigheten var 0,1 mm/s och mätfrekvensen 50Hz. En töjningsgivare av samma typ som användes i dragprovningen placerades mitt under punktlasten på undersidan av röret. Ett fotografi från böjförsöket kan ses i Figur 4.8 nedan.. 30.

(40) Kapitel 4. Försöksuppställning. Figur 4.8. 31. Böjförsök.

(41) Kapitel 5. Resultat från försök. 5 Resultat från försök I detta kapitel redovisas resultaten från förankringsprovningen och böjförsöket. Till en början är resultaten sammanställda i en tabell. Därefter beskrivs resultaten individuellt och ritas i jämförande diagram.. 5.1 Sammanställning I nedanstående tabell (Tabell 5.1) presenteras resultaten från förankringsprovningen översiktligt. Vid samtliga försök uppstod spröda och snabba brottsförlopp. Provkropparna har namngetts med ett nummer samt en ungefärlig förankringslängd i millimeter, första provkroppen heter 1_400. Tabell 5.1 Nr.. Namn. 1. Sammanställning av resultat från förankringsprovning. 1_400. Förankringslängd 47 cm. Förankringslim BPE 465. 2. 2_100. 8 cm. BPE 465. 3. 3_200. 18 cm. BPE 465. 4. 4_400. 31 cm. BPE 465. 5. 5_200. 19 cm. BPE 465. 6. 6_400. 38 cm. BPE 465. 7 8. 7_200f 8_200f. 25 cm + 15* cm. BPE 465 BPE 465. 9. 9_200f. 20 cm + 28* cm. BPE 465. 10. 10_200f 20 cm + 17,8* cm. BPE 465. Fylllim BPE 417 BPE 417 BPE 417 BPE 417 BPE 417 BPE 417 BPE 417 BPE 417. Styrning last** 0,3 kN/s. Spännkraft 0. 0,4 kN/s. 0. 0,5 kN/s. 0. 0,5 kN/s. 0. 0,4 kN/s. 0. 0,4 kN/s. 0. 0,3 kN/s 0,3 kN/s. 35 kN 34,8 kN. 0,3 kN/s. 29,9 kN. 0,2 kN/s. 34,8 kN. Brottlast 141,1 kN 98,4 kN 149,1 kN 71,4 kN 72,4 kN 73,2 kN 150,3 kN 92,3 kN 134,8 kN. Brottyp Dragbrott i kolfiber Skjuvbrott lim/kolfiber Skjuvbrott lim/kolfiber Skjuvbrott lim/kolfiber Skjuvbrott lim/kolfiber Skjuvbrott lim/kolfiber Klämbrott Dragbrott i kolfiber Böjbrott Skjuvbrott lim/kolfiber. *Längd på förspänningens vidhäftningsområde **Beräknade värden utifrån manuell belastning. 5.2 Diagram I Figur 5.1 kan en sammanställning av resultaten från förankringsprovningen studeras. Ingen tydlig trend kan ses i figuren. Detta beror på att limmet inte var helt optimerat för aktuell typ av komposit. Provkropp 9_200f kan negligeras eftersom belastningen blev sned och röret böjdes. För prov 4_400, 32.

(42) Kapitel 5. Resultat från försök. 5_200, och 6_400 var brottlasten c:a 70 kN trots olika förankringslängder. Detta kan bero på felaktigt släppmedel vid tillverkning av använda rör. Varför dessa prover uppvisar likvärdiga brottlaster trots olika förankringslängder bör kunna förklaras med en s.k. dragkedjeeffekt. Den uppkommer p.g.a. att skjuvspänningsfördelningen hela tiden förflyttas nedåt i hålet då skjuvspänningen överskridit hållfastheten i vidhäftningen mellan lim och kolfiberkomposit, vilket beskrivs ingående längre fram. Vid provning av 7_200f skadades anslutningen mellan lastcell och förstärkare vilket gjorde att inga värden på lasten registrerades.. 160. 8_200f 1_400. 3_200. 140. 10_200f. Last (kN). 120 100. 2_100. 9_200f. 80 60. 5_200. 4_400. 6_400. 100 200 400 200f. 40 20 0 0. 200. 400. 600. Förankringslängd (mm). Figur 5.1. Sammanställning av brottlast som funktion av förankringslängd. I Figur 5.2 har prov 1 till 3 samt 8 ritats upp. Hänsyn har tagits till lägesgivarnas placering och förskjutningen för den oförankrade delen av CFRP-röret har räknats bort teoretiskt, se Appendix E. Kraftförskjutningsdiagrammen i detta kapitel redovisar förskjutningen av förankrad del av röret. För proverna 8 till 10 har förskjutningen för hela längden, d.v.s. både förankring och förspänning, ritats upp. Figur 5.2 visar att förskjutningen påverkas av förankringslängden och att brottlasten för prov 1, 3 och 8 nästan är densamma trots att skillnaden i förankring ligger mellan 18 cm och 47 cm.. 33.

(43) Kapitel 5. Resultat från försök. 160. 3_200. 140. 1_400. 8_200f. Last (kN). 120 100. 2_100. 80 60 40 20 0 0. 0,5. 1. 1,5. 2. 2,5. 3. 3,5. Förskjutning (mm) Figur 5.2. Prov 1 till 3 och 8.. Ovanstående diagram visar också att proverna 2, 3 och 8 följer varandra medan prov 1 har en betydligt större förskjutning. Detta beror på att förankrad del är längre i prov 1 och därav följer en större förskjutning. Intressant är dock att det förspända provet 8 följer 2 och 3. Det betyder att det förspända provet har lika stor förskjutning som ett icke förspänt prov. 160. 1_400. 140 Last (kN). 120 100 80. 6_400. 4_400. 60 40 20 0 0. 0,5. 1. 1,5. 2. 2,5. Förskjutning (mm). Figur 5.3. Prov 1,4 och 6 med förankringslängd 31 cm till 47 cm.. 34. 3. 3,5.

(44) Kapitel 5. Resultat från försök. Kurvorna följer varandra då prover med ungefär samma förankringslängd jämförs. Detta kan ses tydligt i Figur 5.3 till Figur 5.5. Skillnaden i brottlast beror förmodligen på tidigare nämnda vidhäftningsproblem. För prov 9_200f bör nämnas att brottypen blev böjning. 160. 3_200. 140 Last (kN). 120 100 80 5_200. 60 40 20 0 0. 0,5. 1. 1,5. 2. 2,5. 3. 3,5. 3. 3,5. Förskjutning (mm). Figur 5.4. Prov 3 och 5 med förankringslängd 18 cm till 19 cm.. 160. 8_200f. 140 10_200f. Last (kN). 120 100. 9_200f. 80 60 40 20 0 0. 0,5. 1. 1,5. 2. 2,5. Förskjutning (mm). Figur 5.5. Uppspända prov 8 till 10 med förankringslängd 37,8 cm till 48 cm.. 35.

(45) Kapitel 5. Resultat från försök. Som nämnts i kapitel 4 monterades töjningsgivare på prov 10_200f. Töjningarna mättes vid uppspänningen och de kvarstående töjningarna då det injicerade förspänningslimmet härdat kan ses i Figur 5.6. Belastningen är 0 kN och förspänningen är 34,8 kN. Töjningen för oförankrad del av ett kolfiberrör av aktuell typ är 2453 µstrain. I Figur 5.6 kan ses att töjningen närmar sig detta värde längst in i vidhäftningsområdet. Kurvan ger en bra bild av töjningstillståndet för ett förspänt kolfiberrör. 4500 4000. Töjning (µstr). 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 250. 270. 290. 310. 330. 350. 370. 390. Position (mm) Figur 5.6. Kvarstående töjningar efter släppt spännkraft (0 kN). Uppmätta töjningar då provkropp 10_200f dragbelastades för olika laster ses i Figur 5.7. I figuren betyder 0 kN töjningstillståndet då röret ej är belastat och detta är samma kurva som kan ses i Figur 5.6. Vid 19.9 kN har röret börjat dragbelastas och skillnaden i töjningarna jämnar ut sig. Mätvärdena vid 30,9 kN och 35,6 kN är ungefär lika. Detta beror på att spännkraften var c:a 35 kN och töjningarna visar liknade värden som för ett oförankrat rör. Vid 56,6 kN kan en uppåtgående kurva ses. Detta förklaras med att röret belastas i den andra riktningen och håller på att dras ur sin förankring. Brottlasten för prov 10_200f blev 134,8 kN men efter lasten 56,6 kN gick första töjningsgivaren sönder. Det har avgjort varför inga ytterligare töjningar finns redovisade här. 36.

(46) Kapitel 5. Resultat från försök. 4500. Töjning (microstrain). 4000 3500 3000. 56,6 kN 35,6 kN 30,9 kN 19.9 kN 0 kN. 2500 2000 1500 1000 500 0 250. 300. 350. 400. Position (mm) Figur 5.7. Töjningar för uppspända kolfiberrör. Töjningarna i Figur 5.7 för prov 10_200f har omvandlats till skjuvspänningar enligt modellen under rubrik 3.6. Ett exempel på hur detta beräknats finns i Appendix H. Negativa skjuvspänningar innebär att röret är uttänjt och spänningar i motsatt riktning är större än dragspänningen. I figuren kan ses att skjuvspänningen är större mot vidhäftningsområdets slut, d.v.s. position c:a 350 mm. Men allra längst ut är skjuvspänningen noll. Vid obelastat förspänt kolfiberrör, last 0 kN, är skjuvspänningarna negativa. Detta är även fallet för last 19,9 kN. Vid belastning 30,9 kN och 35,6 kN bör skjuvspänningar ligga kring 0. I figuren kan man se att värdena här pendlar kring 0 kN. Pendlingen beror på att omvandlingsmodell från töjningar till skjuvspänningar är mycket känslig och töjningsmätning av detta slag är mycket svår att genomföra. Vid 56,6 kN är skjuvspänningarna positiva d.v.s. röret håller på att dras ur sin förankring.. 37.

(47) Kapitel 5. Resultat från försök. 6. Skjuvspänning (MPa). 4 2 0 -2. 250. 270. 290. 310. 330. 350. 370. 56,6 kN 35,6 kN 30,9 kN 19,9 kN 0 kN. -4 -6 -8 Position (mm). Figur 5.8. Skjuvspänningar. Figur 5.9 och Figur 5.10 visar resultaten från böjförsöket. Detta försök gjordes för att bestämma en elasticitetsmodul i böjning samt för att få en grundligare förståelse för materialet. Kurvorna visar tydligt att kolfiberkompositet uppvisar linjärelastiska egenskaper fram till brott. Detta är typiskt för kolfibrer, Svenska betongföreningen (2002). I överkant på provet uppstod ett krossbrott vid belastningen.. Last (kN). 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0. 5. 10. 15. Förskjutning (mm). Figur 5.9. Last-förskjutning för böjförsöket. 38. 20. 25.

(48) Kapitel 5. Resultat från försök. 4 3,5 Last (kN). 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. Töjning (µ str). Figur 5.10. Last-töjning från böjförsöket. 39. 6000. 7000. 8000.

(49) Kapitel 6. Utvärdering, slutsatser och förslag för framtida forskning. 6 Utvärdering, slutsatser och förslag för framtida forskning Förankringsprovning är i de flesta fall svår att tolka. Utvärderingen av genomförda försök försvåras ytterliggare på grund av den bristande kompabiliteten mellan lim och komposit. Nedan redovisas slutsatser från genomförda försök. Detta ligger till grund för identifiering av framtida önskvärda försök inom forskningsområdet. I slutet av kapitlet redovisas förslag på fortsatt forskning.. 6.1 Brottlaster och förankringslängd Brottlasterna i förankringsprovningen har ritats upp i Figur 6.1. Prov 9_200f blev snedbelastat och böjdes till brott och har därför åsidosatts i denna utvärdering. En hög och en låg nivå har identifierats från resultaten. Den högre nivån, c:a 140 kN, utgör maximal last för aktuella rörgeometrier och utgår från kolfibermaterialets draghållfasthet. Den undre nivån, c:a 70 kN, innebär att skjuvspänningen överstigit hållfastheten i vidhäftningen mellan lim och kolfiberkomposit. Den undre nivån kan flyttas uppåt om kompabiliteten mellan lim och kolfiberkomposit förbättras. Brytpunkten vid c:a 100 mm har antagits utifrån uppmätta töjningar och teoretisk skjuvspänningsfördelning.. 160 140 Last (kN). 120. 100 200 400 200f. 100 80 60 40 20 0 0. 200. 400. Förankringslängd (mm). Figur 6.1. Brottlaster för förankringsprovning. 40. 600.

(50) Kapitel 6. Utvärdering, slutsatser och förslag för framtida forskning. 6.2 Töjningar De egentliga töjningarna enligt Figur 5.7 har räknats om i nedanstående diagram, se Figur 6.2. De kvarstående töjningarna efter släppt uppspänning nollställdes och en ny mätning gjordes när det uppspända kompositröret i prov 10_200f dragbelastades. Töjningarna för 19,9 kN, 30,9 kN och 56,6 kN kan ses i Figur 6.2. Detta gjordes för att kunna jämföra resultaten med den teoretiska modellen i kapitel 3.. 4500. Töjning (microstrain). 4000 3500 3000 19,9 kN 30,9 kN 56,6 kN. 2500 2000 1500 1000 500 0 250. 300. 350. 400. Position (mm) Figur 6.2. Beräknade töjningar. 6.3 Skjuvspänningar I Figur 6.3 kan ses att den uppmätta skjuvspänningen ökar markant nära slutet av vidhäftningsområdet. De uppmätta skjuvspänningarna ökar tidigare än de teoretiska och går inte upp till de spänningar vid betongytan som de teoretiska visar. Detta beror på samma sak som beskrivits tidigare att vidhäftningsområdet är mindre än de teoretiska. Nära vidhäftningsområdets slut ökar vidhäftningsarean igen och detta gör att töjningsgradienten minskar 41.

(51) Kapitel 6. Utvärdering, slutsatser och förslag för framtida forskning. Skjuvspänning (MPa). och kurvan går nedåt. Detta har dock ej tagits hänsyn till i denna utvärdering. Vid betongytan vänder den uppmätta skjuvspänningen och går mot noll. Den teoretiska modellen går mot oändligheten vid betongytan. I verkligheten är skjuvspänningarna noll vid vidhäftningsområdets slut som uppmätta värden också visar. Vid de lägre lasterna som jämförts i Figur 6.4 och Figur 6.5 är de högsta skjuvspänningarna för teorin och de uppmätta värdena närmare varandra. Detta kan tyda på en överskattning av skjuvspänningarna vid högre belastning i den teoretiska modellen. Viktigt är att notera att det aktiva området för skjuvspänningarna är mindre än 100 mm. Detta betyder att en förankringslängd på 100 mm bör räcka. För prov 10_200f är det totala vidhäftningsområdet inklusive förankringslängden 37,5 cm.. 18 16 14. Uppmätt 56,6 kN Teoretisk. 12 10 8 6 4 2 0 0. 100. 200. 300. 400. Position (mm). Figur 6.3. Teoretisk skjuvspänning jämförd med uppmätt skjuvspänning i prov 10_200f (Last 56,6 kN). 42.

(52) Kapitel 6. Utvärdering, slutsatser och förslag för framtida forskning. Skjuvspänning (MPa). 18 16 14 12 Uppmätt 30,9 kN Teoretisk. 10 8 6 4 2 0 0. 100. 200. 300. 400. Position (mm) Figur 6.4. Teoretisk skjuvspänning jämförd med uppmätt skjuvspänning i prov 10_200f (Last 30,9 kN). Skjuvspänning (MPa). 18 16 14 12 10 8. Uppmätt 19,9 kN Teoretisk. 6 4 2 0 0. 100. 200. 300. 400. Position (mm) Figur 6.5. Teoretisk skjuvspänning jämförd med uppmätt skjuvspänning i prov 10_200f (Last 19,9 kN). 43.

(53) Kapitel 6. Utvärdering, slutsatser och förslag för framtida forskning. Det bör också nämnas att den teoretiska modellen inte tar hänsyn till att provet är förspänt.. 6.4 Böjprovning Böjförsöket gjordes för att öka förståelsen för materialet. När röret böjdes enligt tidigare beskrivning gick det till slut sönder genom krossbrott/buckling på den tryckta sidan. Detta skedde helt enligt teorin.. 6.5 Arbetsmetod Arbetsmetoden vid dragförsöken delas upp i fyra delar: förberedelse av provkropp, limning, belastning och mätning. Förberedelsen av provkropparna fungerade bra. Sandning av kolfiberröret är en väl utprovad metod och fungerade bra även i detta fall. Hål där limmet kunde tränga igenom och tryckas ut vid injicering gjordes med en pelarborr. Fräsning av dessa hål borde vara en tidseffektivare metod för detta. Limningsmetoden behöver förbättras. En metod som bör prövas är att använda en patronspruta och fylla tomma patroner med lim, se Figur 6.6. Vid injicering av lim i fält behöver limmet pressas in med tryck. Pumpar av olika slag används bl.a. vid injektering av lim i berg, Augustsson (2004). Dessa bör kunna användas även för detta ändamål.. Figur 6.6. Patronspruta. Det viktigaste vid belastningen är att kunna överföra kraft till kolfiberröret. För detta användes ett killås. Utformningen och dimensionerna på killåset 44.

(54) Kapitel 6. Utvärdering, slutsatser och förslag för framtida forskning. verkar vara lämpligt för i examensarbetet använda rörgeometrier. Mätningen av töjningar i förankringen är komplicerade vid utdragsprovning. Detta beror på att töjningsgivarna dels minskar vidhäftningsområdet samt att givarna skjuvas sönder vid belastningen.. 6.6 Sammanfattning av slutsatser En sammanfattning av tidigare utvärderade resultat sammanfattas i punktform • • • • •. Princip för arbetsmetoden fungerar Förankringslängd c:a 100 mm Limmets konsistens behöver modifieras Lim och komposit behöver optimeras Killåset fungerar.. 6.7 Förslag för framtida forskning Nedan anges ett antal förslag angående framtiden och forskning kring inmonterad CFRP-armering. Ett komplett förstärkningssystem måste tas fram, d.v.s. hitta en optimal typ av rör och lim med god vidhäftning mot varandra. Med optimal typ av rör menas vilket material och geometri som lämpar sig bäst. Även hur borrning av hål i betong för detta ändamål skall utföras bör undersökas. Vid inmonterad CFRP-armering utan förspänning är kanske inte ett rörtvärsnitt bäst lämpat. Angående utförandet, med andra ord förstärkningsarbetet på plats, behövs mer forskning. Ett lim behöver tas fram som kan injiceras med tryck och samtidigt kan fungera som förankring trots horisontell montering. Konstruktioner med aktuell förstärkning måste provas. Konstruktioner som bör testas är huvudsak kolfiberförstärkta balkar eller plattor. Ytterligare teoretiska samband behöver tas fram för förstärkningssystemet, bl.a. där kolfiberkompositen hanteras som en armering och spännbetongsteori tillämpas.. 45.

(55) Kapitel 7. Referenser. 7 Referenser AB svensk byggtjänst. (1990). Betonghandboken. Örebro. ISBN: 91-7332533-3 Augustsson, C. (2004). NM Epoxihandbok. Upplaga 3. Nils Malmgren AB. Ytterby. Burström, P. G. (2001). Byggnadsmaterial – Uppbyggnad, tillverkning och egenskaper. Lund. ISBN: 91-44-01176-8 Carolin, A. (2001). Strengthening of concrete structures with CFRP - Shear strengthening and full-scale applications. Licentiate thesis. Luleå university of technology, Division of structural engineering. ISSN: 1402-1757 Carolin, A. (2003). Carbon Fibre Reinforced Polymers for Strengthening of Structural Elements. Doctoral thesis 2003:18. http://epubl.luth.se/14021544/2003/18 Langesten, B. (1995). Byggkonstruktion 3: Betongkonstruktion. Gävle. ISBN: 91-634-1284-5. Nationalencyklopedin.(2004). http://www.ne.se/jsp/search/article.jsp?i_art_id=128121. 2004-08-18. Nordin, H. (2003). Fibre reinforced polymers in civil engineering: flexural strengthening of concrete structures with prestressed near surface mounted CFRP rods. Luleå tekniska universitet. ISSN: 1402-1757 Svenska Betongföreningen. (2002). Fiberkompositer (FRP) för betongkonstruktioner – Betongrapport nr 9. Stockholm. ISBN: 91-973445-24 Täljsten, B. (1994). Plate bonding – strengthening of existing concrete structures with epoxy bondes plates of steel or fibre reinforced plastics. Doctor thesis. Luleå university of technology . Division of structural engineering. IDNR: 991996886. 46.

(56) Kapitel 7. Referenser. Täljsten, B. (1997). ”Strengthening of beams by plate bonding”. Journal of materials in civil engineering. Vol 9. pp 206 – 213. Täljsten, B., Carolin, A. (1999). Strengthening of a concrete railway bridge in Luleå with carbon fibre reinforced polymers - CFRP : load bearing capacity before and after strengthening. Teknisk rapport 1999:18. Luleå tekniska universitet, Institutionen för Väg- och vattenbyggnad, Avdelningen för Konstruktionsteknik. ISSN:1402-1536 Täljsten, B. (2002). FRP Strengthening of Existing Concrete Structures – Design Guidelines. Luleå. ISBN: 91-89580-03-6. 47.

(57) Appendix A. Appendix A. Försöksdokumentation. Skiss:. Betongprovkropp Beställning provkropp. LTU. Gjutning Transport *Bröderna Hedmans Cementgjuteri AB. Br. Hedmans* Br. Hedmans. Kompositprovkropp Komposit provkropp 1_400 2_100 3_200 4_400 5_200 6_400 7_200f 8_200f 9_200f 10_200f. Limning 040325 040413 040413 040413 040510 040510 040525 040617 040617 040625. Givarmonte ring 040623040625. Riggning. Förspänning. Belastning. 040401 040420 040420 040420 040518 040515 040601 040628 040622 040702. 040601 040628 040622 040702. 040401 040420 040420 040420 040518 040515 040607 040702 040628 040709. 48.

(58) Appendix A. Försöksuppställning och Mätdator Komposit provkropp 1_400 2_100 3_200 4_400 5_200 6_400 7_200f 8_200f 9_200f 10_200f. Styrning – Förväntad belastning respons (Brottlast) Manuell 165 kN Manuell 140 kN Manuell 140 kN Manuell 140 kN Manuell 150 kN Manuell 150 kN Manuell 150 kN Manuell 150 kN Manuell 150 kN Manuell 150 kN. Förväntad brottyp Dragbrott Dragbrott Skjuvbrott Dragbrott Skjuvbrott Skjuvbrott Dragbrott Dragbrott Dragbrott Dragbrott. Försöksuppställning och Mätdator Komposit Filnamn mätfil provkropp C:\Mina dokument\kolfiber\Kol1_040401 1_400 C:\Mina dokument\kolfiber\Kol1A_040420 2_100. IOD. S8. Kolfiber 1 Kolfiber 1. Kolfiber 1 Kolfiber 1. 3_200. Kolfiber 1. Kolfiber 1. Kolfiber 1 Kolfiber 1 Kolfiber 1 Kolfiber 1 Kolfiber 1. Kolfiber 1 Kolfiber 1 Kolfiber 1 Kolfiber 1 Kolfiber 1. Kolfiber 1. Kolfiber 1. Kolfiber 2. Kolfiber 2. 4_400 5_200 6_400 7_200f 8_200f 9_200f. 10_200f. C:\Mina dokument\kolfiber\Kol1B_040420 C:\Mina dokument\kolfiber\Kol2A_040420 C:\Mina dokument\kolfiber\Kol2B_040420 C:\Mina dokument\kolfiber\Kol3A_040420 C:\Mina dokument\kolfiber\Kol1_040518 C:\Mina dokument\kolfiber\Kol1_040515 C:\Mina dokument\kolfiber\kol8a_040702 C:\Mina dokument\kolfiber\kol9_040702 C:\Mina dokument\kolfiber\kol7a_040628 C:\Mina dokument\kolfiber\kol7b_040628 C:\Mina dokument\kolfiber\kol7c_040628 C:\Mina dokument\kolfiber\kol7d_040628 C:\Mina dokument\kolfiber\släpp av försp 040709 C:\Mina dokument\kolfiber\KOL1_040709 C:\Mina dokument\kolfiber\kol2_040709. 49.

(59) Appendix A. Lägesgivare Namn. Lvdt 1 Lvdt 2. Max mätlängd lägesgivare (mm) 25 25. Slot. 0 1. Lastcell Namn Lastcell. Slot 2. 50.

No results found