EXAMENSARBETE 004:54 CIV Betong förtärkt med inmonterad kolfiberkompoit Förpänning och förankring SIMON ANDERSSON CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Luleå teknika univeritet Intitutionen för amhällbyggnad Avdelningen för byggkontruktion 004:54 CIV ISSN: 40-67 ISRN: LTU - EX - - 04/54 - - SE
Examenarbete 004 Betong förtärkt med inmonterad kolfiberkompoit förpänning och förankring Simon Anderon Intitutionen för Samhällbyggnad Avdelningen för Byggkontruktion Luleå teknika univeritet 97 87 Luleå www.ltu.e
Förord Förord Detta examenarbete är utfört på intitutionen för Samhällbyggnad, avdelningen för byggkontruktion vid Luleå teknika univeritet. Denna avlutande del i civilingenjörprogrammet är utfört våren och ommaren 004. Idéer och riktlinjer för examenarbetet initierade i amtal mellan Banverket och avdelningen för byggkontruktion angående förtärkning av en betongbro i Väterå. För att ha fått förtroendet att utföra detta examenarbete amt all hjälp och uppmuntran under arbetet gång vill jag rikta ett ärkilt tack till min handledare Ander Carolin. Håkan Nordin, Ulf Stenman, Lar Åtröm och Håkan Johanon har ockå varit betydelefulla för mitt examenarbete. Jag har även under arbetet gång ägnat mina tankar åt min vän Henrik om vårt injuknat i maj 004. Med ihållande kraft och humor kämpar han ig igenom en påfretande behandling på Karolinka jukhuet i Stockholm. Luleå, auguti 004 Simon Anderon I
Förord II
Sammanfattning Sammanfattning Förtärkning med kolfiberkompoiter CFRP är relativt nytt. Stora betongkontruktioner är vanliga i det moderna amhället. Exempelvi är majoriteten av broarna i Sverige byggda av betong och dea blir allt äldre. Broarna täll ockå inför nya krav. Större later och högre trafikhatigheter är exempel på detta. Dea nya krav på bärförmåga och livlängd betyder att broarna måte byta ut eller förtärka. De traditionella förtärkningytemen kan vara begränade då tvärnitthöjder och egenvikter i via fall inte får öka. Forkning kring nya ytem och material pågår tändigt. Ett höghållfat och lätt material finn i kolfiberkompoiten om idag är ett konkurrenkraftigt byggnadmaterial. En ny metod för förtärkning av betong med detta material initiera i detta examenarbete. Förtärkningmetoden innebär att CFRP-rör förpänn i befintliga kontruktioner för att på å ätt minka dragpåkänningarna i materialet. CFRP-rören montera i borrade hål i betongen och förankra med epoxi längt in i hålet. Därefter pänn rören upp och lim injicera. Det injicerade limmet blir den lutliga vidhäftningen mellan betong och kolfiber läng hela röret. Detta examenarbete är indelat i tre delar. Den förta delen är en litteraturtudie om innehåller en bekrivning av materialen betong, kolfiber och epoxi. Den bekriver ockå exiterande förtärkningytem. Den andra delen innehåller teoretika amband för både tvärnittpänningar för en balk amt kjuvpänningar för ett inlimmat rör utatt för dragbelatning. Slutligen redovia det experimentella arbetet från utdragförök och förök beträffande upppänning av CFRP-rör. Töjningmätningar, utdragprover och en teoretik kjuvpänningmodell viar att förankringlängden ligger omkring 00 mm för aktuella geometrier. Arbetmetoden för utdragprovningen och förpänning om framarbetat i detta examenarbete har fungerat tillfredtällande. III
Abtract Abtract Strengthening with carbon fibre reinforced compoite CFRP i a relatively new technique. Big concrete tructure are common in the modern world. The majority of the bridge in Sweden are built of concrete and thee tructure are getting old. The bridge are put into new challenge due to our new way of living. Higher peed and greater load form a change in the uage of the tructure and in ome cae trengthening i required. Change in elf-weight and cro-ection are ometime diadvantageou. A high trength and light material i needed for thee cae. Carbon fibre reinforced compoite are competitive for thi purpoe. A new method for trengthening with carbon fibre compoite i introduced in thi mater thei. The idea i to pretre CFRP tube to counteract tenile force in concrete. The tube will be mounted in hole in concrete. An end-anchorage i made by epoxy in the bottom of the hole. The tube i tenioned and another type of epoxy i injected. Thi injected epoxy will be the final adherent along the pretreed tube. Thi thei i divided into three part, one that contain a literature review, a econd part containing theory and the lat part i a decription of experimental tet. The literature review contain material decription of concrete, CFRP, epoxy and exiting trengthening ytem. The chapter with theory demontrate an analyi of tree in a beam ection due to bending and a hear tre analyi for pull-out tet. The lat part i validated through experimental tet on anchorage length for pull-out tet and tet on pretreing of CFRP tube. Meaurement of train, pull-out tet and hear tre theory indicate that the anchorage length i about 00 mm. The performed work on the method of pretreing CFRP tube ha given good reult. IV
Abtract V
Innehållförteckning Innehållförteckning INLEDNING.... BAKGRUND.... SYFTE....3 MÅL....4 METOD....5 AVGRÄNSNINGAR....6 LÄSHÄNVISNINGAR... LITTERATURSTUDIE...4. BETONG...4. KOLFIBERKOMPOSIT...6.3 LIM - EPOXI...8.4 EXEMPEL PÅ BEFINTLIGA FÖRSTÄRKNINGSMETODER MED KOMPOSITER....4. Utanpåliggande limmad förtärkning....4. Near urface mounted Reinforcement... 3 BAKGRUND OCH TEORI TILL FÖRSÖKEN...4 3. INLEDNING...4 3. SPÄNNARMERING I KOLFIBER...4 3.3 FULLSKALEEXEMPEL...5 3.4 FÖRSTÄRKNING AV BROBANA GENOM PÅFÖRANDE AV SPÄNNKRAFT...6 3.4. Teori för ektion påverkad av moment och normalkraft...6 3.4. Påkänningberäkning, generell balkteori...9 3.5 TEORETISK SKJUVSPÄNNING...0 3.6 UPPMÄTT SKJUVSPÄNNING... 4 FÖRSÖKSUPPSTÄLLNING...3 4. SAMMANFATTNING...3 4. BETONGPROVKROPP...4 4.3 CFRP-PROVKROPPAR...4 4.4 GIVARPLACERING...5 4.5 FÖRSÖKSUPPSTÄLLNING FÖR FÖRANKRINGSPROVNING...6 4.6 KILLÅS...7 4.7 LIMNING...9 4.8 FÖRSPÄNNING...9 4.9 BÖJPROVNING...30 5 RESULTAT FRÅN FÖRSÖK...3 5. SAMMANSTÄLLNING...3 5. DIAGRAM...3 6 UTVÄRDERING, SLUTSATSER OCH FÖRSLAG FÖR FRAMTIDA FORSKNING...40 VI
Innehållförteckning 6. BROTTLASTER OCH FÖRANKRINGSLÄNGD...40 6. TÖJNINGAR...4 6.3 SKJUVSPÄNNINGAR...4 6.4 BÖJPROVNING...44 6.5 ARBETSMETOD...44 6.6 SAMMANFATTNING AV SLUTSATSER...45 6.7 FÖRSLAG FÖR FRAMTIDA FORSKNING...45 7 REFERENSER...46 APPENDIX A FÖRSÖKSDOKUMENTATION...48 APPENDIX B FOTODOKUMENTATION...5 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
Kapitel. Inledning Inledning. Bakgrund Det täll allt högre krav på broarna i Sverige. Större axellater, högre hatigheter etcetera innebär att broarna måte byta ut eller förtärka. De fleta av våra väg- och järnvägbroar är byggda av betong och dea blir allt äldre. Materialvalet vid förtärkning av broarna blir allt viktigare på grund av dea ökade krav på livlängder. Betändighet ho materialen och underhållmäigheten ho kontruktionen blir ockå viktiga faktorer om tyr förtärkningarbetet. Genomtänkta förtärkningmetoder med betändiga material innebär att våra broar får ökade livlängder och tora ekonomika beparingar följer. Upppänning av betongkontruktioner innebär ett effektivare nyttjande av materialet. En ny alternativ metod för förtärkning av betongkontruktioner är användandet av fiberkompoiter. De traditionella förtärkningytemen kan vara begränade då tvärnitthöjder och egenvikter i via fall inte får öka. Exempel på traditionella förtärkningytem är användning av tålarmering, tållinor, pågjutning av betong m.m. I detta examenarbete underök möjligheterna kring inmonterad pännarmering av kolfiber. Fördelen med kolfiber är den höga hållfatheten och att materialet inte korroderar. Idén till detta examenarbete initierade i amband med en dikuion om förtärkning av vägport, Hamngatan i Väterå. Även om föreliggande rapport är inriktad mot broförtärkning kan bekriven teknik använda vid förtärkning av andra betongkontruktioner.. Syfte Examenarbetet yfte är att verifiera ett nytt förtärkningytem där kolfiberrör montera i borrade hål i betong. En pilottudie av nämnt förtärkningytem ka göra, d.v.. inledande förök gör och teoretika modeller ta fram.
Kapitel. Inledning.3 Mål Målet med examenarbetet är att ta fram ett bra underlag för fortatt forkning inom området. Forkningen inom området ka utmynna i en förtärkningmetod där man kan pänna kolfiberkompoitrör för att på å ätt öka en kontruktion bärförmåga. Ett ytterliggare mål med examenarbetet är de fördjupande kunkaperna inom området om författaren erhåller..4 Metod En inledande litteraturtudie inom fiberkompoiter, betong, limmer, kjuvpänningar, balkböjning har gjort. Analytika härledningar för kjuvpänningar vid utdragprov och balkböjning av normalkraftbelatade oymmetrik dubbelarmerade balktvärnitt har pågått under arbetet gång. Utdragförök av tio kolfiberprovkroppar inlimmade i betong har utfört. Fyra av dea provkroppar förpände i betongen innan de provdrog..5 Avgränningar För att rymma denna tudie inom ramen för ett examenarbete finn begränningar i metoden. Följande experimentella avgränningar i förankringprovningen har gjort. Endat en ort kolfiber, en limtillverkare och en betongkvalitet har använt i föröken. Förankringprovningen gjorde med en håldiameter och ett rörtvärnitt. Ett begränat antal provningar har utfört i endat laboratoriemiljö. Endat linjärelatik analytik teori har tuderat..6 Lähänviningar Kapitel innehåller en kortare litteraturtudie där de ingående materialen bekriv tillamman med befintliga förtärkningmetoder. Den initierade läaren kan hoppa över detta kapitel om är krivet om en introduktion till den läare om inte är bekant med forkningområdet. Kapitel 3 innehåller teoretika amband där tvärnittpänningar för en böjbelatad balk amt kjuvpänningar för ett inlimmat rör utatt för dragbelatning via.
Kapitel. Inledning Kapitel 4 bekriver förökupptällningar för förankringprovningarna och böjprovningen. Kapitlet redoviar ockå de arbetmetoder om använt vid det experimentella arbetet. Kapitel 5 redoviar reultat och kommenterar. I kapitel 6 utvärdera reultaten ytterligare och lutater dra. Förlag för framtida forkning inom området återfinn ockå i detta kapitel. 3
Kapitel. Litteraturtudie Litteraturtudie. Betong Betong är ett av det moderna amhället viktigate byggmaterial. Majoriteten av våra väg- och järnvägbroar är byggda av betong. Man vet även med äkerhet att greker och etruker hundratal år före Kritu använde ig av betongliknande material. Romarna använde ockå ett betongmaterial och en av de met kända kontruktionerna byggda med detta byggnadmaterial är kupolen i Pantheon i Rom. Pantheon byggde under 00-talet e.kr. och är känd för in enorma betongkupol med ett pann på 45 m, Burtröm (00). Betong har hög hållfathet framförallt vid tryckbelatning. God betändighet och formbarhet karakterierar ockå detta byggnadmaterial. Betongen betånddelar och materialegenkaper bekriv i korthet i detta examenarbete. Figur. Tillverkning av cement, Burtröm (00) 4
Kapitel. Litteraturtudie Betong betår av cement, ballat, vatten och eventuellt tillatmedel. Huvudbetånddelarna i cement är kalkten och lermaterial. Tillverkningen av cement är en avancerad proce och ker i flera teg e Figur.. Ballaten är antingen kroat bergartmaterial eller naturgru. De fleta bergarter om finn i Sverige ger bra ballatmaterial för betongtillverkning. I många andra länder kan det vara vårt att finna ballat av tillräckligt god kvalitet, Burtröm (00). Vatten i betong får inte innehålla alter eller organika ämnen. Salter i betongen påverkar betändigheten negativt för den framtida betongkontruktionen och organikt material kan fördröja cementet bindning och hårdnande, Grundläggande kontruktionlära (00). Beroende på tillatmedel i betongen kan den modifiera i olika riktningar. Exempel på tillatmedel är luftporbildande, vattenreducerande, accelererande, retarderande, flyttillat etc. När delmaterialen blanda, bilda en formbar maa om bearbeta genom vibrering och om efter hand hårdnar. Vid proceen reagerar bl.a. kalciumilikater i cementen med vatten och bildar en halvfat maa om binder ihop ballatkornen. Proceen är met inteniv under de förta dygnen och avtar edan i hatighet. Full härdning har vid normal temperatur vanligen uppnått efter ca en månad. Under denna tid kräv att den hårdnande betongen vattna kontinuerligt för att proceen kall kunna fortgå. Den hårdnade betongen är ett poröt material med en denitet av ca 400 kg/m 3 och med en tryckhållfathet om varierar mellan 5 och 80 MPa, främt beroende på andelen vatten i cementpatan, Nationalencyklopedin (004). Betong har tört hållfathet då den tryckbelata. Draghållfatheten uppgår bara till 0 % av tryckhållfatheten. För att kunna dragbelata delar av betongektioner lägg armeringjärn in, Langeten (995). En principbild av pänning-töjningförhållandena kan e i Figur.. 5
Kapitel. Litteraturtudie σ ~-0,0035 ~-0,00 σ drag ε ~0,000 σ tryck Figur. Spänning-töjningdiagram för betong, Grundläggande kontruktionlära (00).. Kolfiberkompoit Sedan 70-talet har forkning pågått kring tillämpningen av fiberkompoiter i byggindutrin. En fiberkompoit betår av långa eller korta fibrer ammanfogade av en polymermatri (plat). Andra fibermaterial i kompoiter kan vara gla och aramid, Svenka Betongföreningen (00). Matrien betår oftat av epoxi, polyeter eller vinyleter. Figur.3 preenterar en jämförele mellan olika typer av fiber och tål i ett pänning-töjningdiagram. Diagrammet viar att linjärelatika förhållanden råder hela vägen till brott för fibermaterialen. Detta är typikt för dea material, Svenka Betongföreningen (00). Kompoitmaterialet mekanika egenkaper betäm av vilken typ av fiber och matri om använt i tillverkningen amt kontakten mellan dem. Fibrerna orientering och fiberinnehållet påverkar ockå kompoiten mekanika egenkaper, Svenka Betongföreningen (00). 6
Kapitel. Litteraturtudie Kolfiber tillverka av organika fibrer genom upphettning utan tillgång av yre följd av träckning, oxidering och värmebehandling. Beroende på bamaterial och produktionproce kan fibern variera i flera riktningar. Kolfiber betår av täta grafitkritaller förbundna med tarka kovalenta bindningar i ett plan. Van der Waal krafter binder de kilda planen amman. Idag producera kolfiber i de fleta fall med ett organikt bamaterial. Det finn två olika tillverkningproceer för kolfiber där den huvudakliga killnaden ligger i råmaterialet. Vid tillverkning av kolfiber med hög hållfathet använd polyacrylanitril PAN. Ett annat råmaterial är pitch vilket använd till kolfiber med hög elaticitetmodul. Pitch kommer vanligtvi från petroleum, afalt, tenkoltjära eller PVC, Clarin (00). En jämförele av egenkaperna för kolfiber med materialbaerna PAN och pitch kan tudera i Tabell.. Figur.3 Egenkaper för olika typer av fiber och traditionell armering. Carolin (00) 7
Kapitel. Litteraturtudie Tabell. Egenkaper för kolfibermaterial, Svenka betongföreningen (00) Kolfiber (PAN) Kolfiber (Pitch) Denitet (kg/m 3 ) 750 950 600 00 Draghållfathet Elaticitetmodul Brottöjning (MPa) (GPa) (%) 500 7500 00 800 0,6,0 700 3500 300 800 0,4,5 Matrien är den kontinuerliga fa om ammanbinder fibrerna, amt överför och fördelar kjuvkrafter i materialet. En annan viktig uppgift om matrien har är att kydda fibrerna från omgivningen. I byggindutrin använd ofta härdplater i matrien. Exempel på härdplater kan e i Tabell.. Härdplater betår av två eller flera komponenter. Tabell. Egenkaper för härdplater, Svenka betongföreningen (00) Denitet (kg/m 3 ) Draghållfathet (MPa) Elaticitetmodul (GPa) Brottöjning (%) Polyeter 000 0 00, 4,,0 6,5 450 Epoxi 00 55 30,5 4,,5 9,0 300 Vinyleter 0 80 90 3, 4 5.3 Lim - epoxi Den vanligate formen av lim om använd inom området förtärkning med fiberkompoiter är epoxi. Det finn många olika former av epoxilimmer. Fördelen med epoxilimmer är att de egenkaper är lätta att förändra och anpaa efter olika krav. Några egenkaper finn gemenamt för epoxilimmerna. Dea bekriv kort i följande tycke. Vidhäftningen ho epoxilimmet utmärk av att limmet fäter vid de fleta underlag. Limmet har ockå en liten krympning vilket innebär att inga tora 8
Kapitel. Litteraturtudie pänningar upptår mot underlaget. Epoxilim har mekanika egenkaper om lämpar ig bra för byggindutrin, e Tabell.3. Epoxilim är relativt ett mycket betändigt mot alkalier. Detta är bra då betong är underlag efterom den baika betongen utgör en alkalik miljö. Epoxin är vattentät och har generellt ett högt ånggenomgångmottånd. Med hjälp av epoxin goda modifierbarhet kan den dock göra diffuionöppen. Epoxin kan använda om elektrik iolator. Värme- och ljubetändighet kiljer ig mellan olika former av epoxi. Via epoxiplater är känliga för UV-lju, Auguton (004). Tabell.3 Egenkaper för epoxi vid 0 grader Celiu, Täljten (00) Denitet (kg/m 3 ) 00 700 Elaticitetmodul (GPa) 0,5 0 Skjuvmodul (GPa) 0, 8 Poion tal 0,3 0,4 Draghållfathet (MPa) 9 30 Skjuvhållfathet (MPa) 0 30 Tryckhållfathet (MPa) 55 0 Dragtöjning vid brott (%) 0,5 5 Exempel på två epoxilimmer och de egenkaper kan läa ur Tabell.4 och Tabell.5. Tabell.4 Egenkaper för BPE Lim 465/464 Uteende BPE Lim 465: vit BPE Härdare 464: vart Fakta BPE Lim 465/Härdare 464 är ett löningmedel och nonylfenolfritt tixotroperat epoxilim, peciellt framtaget för förtärkning av kontruktioner med BPE NSMR S eller M. BPE Lim 465/Härdare464 uppfyller krav enligt Bronorm 94, bilaga 9-4., upplement nr. Blandningförhållande Ba-Härdare 00-00 viktdelar Denitet 0 C 498 kg/m 3 Vikoitet Tixotrop** Potlife 00g, 0 C* 90 min Tryckhållfathet 03 MPa Draghållfathet 3 MPa 9
Kapitel. Litteraturtudie Dragkjuvhållfathet 7,6 MPa Elaticitetmodul 7 GPa Brottöjning Åtgång 0, dm 3 Rengöring Verktyg rengör med aceton Förpackning Ba och härdare förpacka eparerade,,5 +,5 = 5,0 kg *Potlife = Den tid för förbrukning av en blandning epoxilim och härdare innan denna telnar över bearbetbarhet. ** egenkap ho en vikö (tjockflytande) eller gelartad produkt om innebär att denna blir alltmer lättflytande ju längre tid och ju kraftigare den deformera (t.ex. genom omrörning). När deformationen upphör återgår produkten till itt urprungliga viköa eller gelartade tilltånd. Tabell.5 Egenkaper för BPE Lim 47A/47B Uteende BPE Lim 47A: vit BPE Härdare 47B: gul Fakta Löningmedel och nonylfenolfritt epoxilim Blandningförhållande Ba-Härdare 00-44 viktdelar Denitet 0 C 095 kg/m 3 Vikoitet Lätt tixotroperad Potlife 00g, 0 C 30 minuter Tryckhållfathet 80 MPa Draghållfathet 50 MPa Dragkjuvhållfathet 7,6 MPa Elaticitetmodul, drag GPa Brottöjning 3 % Åtgång. ca 00-50 g/m Rengöring Verktyg rengör med aceton Förpackning Ba och härdare förpacka eparerade,0 + 0,88 =,88 kg 0
Kapitel. Litteraturtudie.4 Exempel på befintliga förtärkningmetoder med kompoiter.4. Utanpåliggande limmad förtärkning Metoder för ytlig förtärkning med fiberkompoiter är utvecklad ur en metod där tålplåtar limmat på kontruktioner. Stålplåtar limmade mot betongkontruktioner började använda i Sydafrika i början av 960-talet. Sen de har metoden pridit ig och använd nu över hela världen. I Sverige påbörjade Vägverket utveckling av metoden under enare delen av 980-talet och därefter accepterade metoden om en förbättringmetod, Täljten (994). Priet på kolfibrer junker och därför har det blivit ett ekonomikt alternativ till tålplåtar, vilka på enare år helt blivit utkonkurrerade. På betong använd med fördel laminatväv eller tavar av kolfiberkompoit, vilka limma med ett epoxilim till den kontruktiondel om behöver förtärka. En kolfiberväv betår av enbart kolfibrer om limma med en epoxi, oftat i ett antal lager mot en yta om är jämn. Kolfiberlaminat innebär att kolfibern redan är limmad i en matri om i in tur limma mot kontruktionytan om ka förtärka. Formen på kolfiberlaminatet kan göra eller måte göra innan det limma på plat i motat till kolfiberväven om kan vara lö ända till den limma mot den aktuella kontruktionen. Båda metoderna använd idag för förbättring av kontruktioner. I Sverige har metoden exempelvi använt för förtärkning av en järnvägbro i Luleå, Carolin och Täljten (999). En handbok för förtärkning med kolfiber har nyligen utarbetat. I den bekriv dimenionering för bland annat böjning och tvärkraft. Vidare bekriv materialet och utförandet av förtärkningmetoden, Täljten (999). Kolfibern höga tyrka och låga vikt leder till en effektiv, nabb och enkel förtärkning av befintliga kontruktioner. Förtärkning med kolfiberkompoit på betong gör i nitt där höga dragpåkänningar finn. Förtärkningar med kolfiberlaminat har gjort på bl.a. betongbroar, e Figur.4.
Kapitel. Litteraturtudie Figur.4 Förtärkt av betongbro.4. Near urface mounted Reinforcement Near urface mounted Reinforcement, NSMR, är näta teg i forkningen kring ytlig förtärkning. I Figur.5 kan principen för NSMR och förtärkning med laminat tudera. Figur.5 Laminat jämfört med NSMR. Nordin (003)
Kapitel. Litteraturtudie NSMR-ytemet innebär att FRP-tavar limma eller gjut in i fräta pår i betongkontruktionen. En fördel med att FRP-taven ligger i ett pår är att den i vi mån är kyddad från yttre åverkan. Förök på Luleå teknika univeritet har viat att metoden är användbar även då förtärkningobjektet är påverkat av dynamika later under härdningen, Carolin (003). Förök har ockå viat metoden även är applicerbar på träkontruktioner. 3
Kapitel 3. Bakgrund och teori till föröken 3 Bakgrund och teori till föröken 3. Inledning Detta kapitel ger en bakgrund och en begränad teoretik redogörele kring upppänning av betong. Upppänningen ka göra genom att kompoitrören limma längt in i hålet och pänn upp i den andra änden. I detta kapitel härled en modell för hur påkänningarna i betong påverka då den pänn upp. Modellen för påkänningberäkningarna har avgränat till att endat behandla balkböjning, ingen pännbetongteori har tillämpat. Denna modell har ockå förenklat genom att pännkraften endat betrakta om en normalkraft. Intentionen med denna modell är att i exempel via hur dragoch tryckpänningarna påverka då kontruktionen belata med normalkraft. Beroende på pännkraften placering kan dragpänningar reducera, och betongen tryckhållfathet nyttja bättre. I detta kapitel preentera även modeller för hur kjuvpänningarna i ett utdragprov av ett inlimmat kompoitrör analyerat. En teoretik modell och en modell för beräkning av kjuvpänningar utifrån uppmätta töjningar har härlett för detta ändamål. Teoretika kjuvpänningar kommer enare att jämföra med experimentellt framtagna kjuvpänningar i kapitel 5. 3. Spännarmering i kolfiber Upppänning av kontruktioner kan göra på betong-, tål- och träkontruktioner. Att använda pännarmering kan ge högre bärförmåga i momentkapacitet, tvärkraftkapacitet etc. Om upppänning utför med tållinor måte dea kydda mot korroion. Ibland måte upppänninganordningen placera utanför förtärkningobjektet och då blir korroionkyddet väldigt viktigt. Att använda kolfiber i pännmaterialet innebär att korroionkyddet blir överflödigt. Den höga hållfatheten och låga vikten ho kolfibern gör ockå användandet av detta material blir fördelaktigt. Om man jämför med tål kan vikten ho kolfiber uppgå endat till 0 % av tål med amma hållfathet. Den låga vikten ho materialet innebär deutom en lättare hantering och lägre makinella kotnader, Clarin (00). 4
Kapitel 3. Bakgrund och teori till föröken 3.3 Fullkaleexempel Många järnvägbroar i betong har ofta ett tvärnitt enligt Figur 3.. Tvärnittet är i form av ett tråg med två huvudbalkar i längdriktningen och en platta mellan dem. Vid en höjning av laterna på bron kan för tora dragpänningarna upptå i nitt mellan huvudbalkarna och plattan, e Figur 3.. Sprickbildning Armering av kolfiberkompoit Figur 3. Tvärnitt av järnvägbro i betong Ett fullkaleexempel med en bro kommer att tudera överiktligt. Den teoretika tudien begräna till en härledning av påkänningarna i en trimla av betongplattan. Fullkaleexemplet kommer från amtal mellan Banverket ötra banregionen och Luleå teknika univeritet angående förtärkning av vägport över Hamngatan i Väterå. Se Appendix D. 5
Kapitel 3. Bakgrund och teori till föröken 3.4 Förtärkning av brobana genom påförande av pännkraft I följande avnitt ka teorin gällande balkböjning tudera. Detta ka e om en begränad teoretik bekrivning av problemet. Den tillförda förpända kolfiberarmeringen behandla om en excentrik normalkraft. Spännbetongteori har inte heller tillämpat i härledningen. 3.4. Teori för ektion påverkad av moment och normalkraft För härledningen av påkänningarna använd teorin om dragprucket tvärnitt, tadium II. Teorin yftar till att öka förtåelen kring möjligheterna med förtärkningmetoden. Figur 3. Dubbelarmerat rektangulärt tvärnitt Ett dubbelarmerat balktvärnitt belata med en excentrik normalkraft. En jämviktekvation täll upp F + F = F + N c c [3.] 6
Kapitel 3. Bakgrund och teori till föröken σ cbx + σ A = σ A + N c, [3.] där A och A är tryck- rep. dragarmeringen tvärnittareor. Momentet M kring dragarmeringen centrum täll upp M = N e. [3.3] c Det kan vara nödvändigt att poängtera att till ovantående definierade moment kan även ett rent böjande moment addera. En momentjämvikt täll upp x M = N ce = σ cbx d + σ A 3 ( d d ). [3.4] Drag- och tryckarmeringen påkänningar kan uttrycka med kompabilitetvillkor om följer av den rätvinkliga töjningfördelningen. Elaticitetteorin (Hooke lag) tillämpa och efterom egenkaper för upppända kontruktionelement inte är inkluderade å gäller ε c = ε, alltå σ c σ = [3.5], [3.6] E Ekvation [3.6] ger c E σ = ασ c, [3.7] E där α =. Ec Långtidvärden och förhållanden i pännbetongkontruktioner kan innefatta i faktorn α. Förhållandet mellan töjningarna täll upp (e Figur 3.) 7
Kapitel 3. Bakgrund och teori till föröken 8 x x d c c = = ασ σ ε ε. [3.8] Detta ger påkänningarna i dragarmeringen = x d ασ c σ. [3.9] På amma ätt ge påkänningen i tryckarmeringen = = = x d x d x c c c ασ σ ασ σ ε ε. [3.0] Om ekvationerna [3.], [3.9] och [3.0] ätt i ekvation [3.] få uttrycket ( ) 0 3 = + x x M N x d bd A d d M N x d bd A d x c c α α.[3.] Ovantående uttryck kan edan kriva om i denna tredjegradekvation (beteckningarna bd A = ρ och bd A = ρ har ockå infört) 0 3 = + + + D Cx Bx Ax, där [3.] c dm N A 6 =, c M N d B =, ( ) + = ρ ρ ρ α d d M N C c och ( ) = d d d d M N d D c ρ ρ ρ α.
Kapitel 3. Bakgrund och teori till föröken Ekvation [3.4] kan edan kriva om för betämning av påkänningen i tryckzonen M σ c =. [3.3] x d bx d + αbdρ ( d d ) 3 x Påkänningarna i armeringen [3.0]. σ och σ betäm med formlerna [3.9] och 3.4. Påkänningberäkning, generell balkteori Ytterligare en beräkningmodell för påkänningarna i betong har använt för att jämföra med ovantående metod. Denna jämförele finn om ett beräknat exempel i Appendix D. Denna modell följer exempel 4.3:9 i Betonghandboken, AB venk byggtjänt (990). Beräkningmetod bygger på elatik balkteori. Navier formel gäller N M c tp σ z = σ n + σ m = + z. [3.4] A I II II Påkänningarna i balktvärnittet uperpoitionera enligt Figur 3.3. Värden för arean A II och tröghetmomentet I II beräkna för den tryckta delen av betongen amt med inverkan av förtorade armeringareor. Förtorade armeringareor innebär att tvärnittet tranformerat, dv armeringen tvärnittarea har muliplicerat med faktorn α om är förhållandet mellan tålet och betongen elaticitetmoduler, e föregående avnitt. Normalkraften N c (här negativ vid dragning) och momentet M tp är verkamma i och kring tvärnittet tyngdpunkt. Efterom läget x för neutrala lagret inte är känt å måte x uppkatta. Betongpåkänningen σ z har utgångpunkt i tyngdpunkten och värdet för σ z är lika med noll i neutrala lagret. Denna kontroll gör för att kontrollera att x uppkattat rätt. 9
Kapitel 3. Bakgrund och teori till föröken Figur 3.3 Påkänningberäkning i tadium II med uperpoition av påkänningar. AB venk byggtjänt (990) 3.5 Teoretik kjuvpänning Den teoretika kjuvpänningen om använt i detta examenarbete finn härledd i Appendix C. Härledningen utgår ifrån Figur 3.4 och Figur 3.5 och den baera på Täljten (997). Formel 3.5 viar kjuvpänningen ekvation. För ymbolförklaringar e Appendix C. P Kompoit Betong Betong x Epoxi Epoxi L Figur 3.4 Kompoitröret inlimmat i betong 0
Kapitel 3. Bakgrund och teori till föröken N Betong N + dn Tvärnitt φ φ Kompoit τ (x) Epoxi Epoxi Betong τ (x) N Kompoit N + dn Figur 3.5 En ektion med längden dx och ett tvärnitt av kompoitröret λ x λ x ( + e ) τ ( x) = A e där [3.5] A = φ + φ GP λ L λ L ( λe λe ) E A + E A, Gπφ λ = +. φ E + A E A φ 3.6 Uppmätt kjuvpänning Om töjningarna mät vid ett utdragprov kan kjuvpänningarna i förankringen beräkna ur nedantående härledning. Figur 3.6 viar pänningförhållandet i en del av CFRP-röret med längden dx.
Kapitel 3. Bakgrund och teori till föröken A-A A-A σ τ σ + dσ dx φ Figur 3.6 En del av CFRP-röret med längd dx En kraftjämvikt täll upp (A är tvärnittarean för röret) σ A + ( σ + dσ ) A τπφdx = 0 [3.6] vilket kan kriva om dσ A τ =. [3.7] dx πφ Hooke lag anta gälla σ = εe. [3.8] Ekvation [3.7] ätt in i ekvation [3.6] vilket ger τ = d( εe) A = dx πφ dε AE dx πφ [3.9] Ekvation [3.9] bekriver kjuvpänningarna läng utidan av CFRP-röret
Kapitel 4. Förökupptällning 4 Förökupptällning I detta kapitel redovia konfigurationen ho provkropparna och förökupptällningarna i det experimentella arbetet. Hur föröken är genomförda och detaljer kring mätningmetodiken finn ockå bekrivet. I näta avnitt, kapitel 5, återfinn reultaten. 4. Sammanfattning Förankringprovningen betod av utdragprover av inlimmade CFRP-rör i betong. Tio CFRP-rör har limmat med olika förankringlängder och fyra av dea förpände. Provning betod av normalbelatning i provkropparna längdriktning. Krafter, förkjutningar och töjningar mätte upp. CFRP-rören fyllde med lim för att inte klämma önder vid belatningen (kalla Fyllim i tabellen). Se Tabell 4. för förökammanfattning. Tabell 4. Tabelltext Nr Namn Förankringlängd Förankringlim Fyllim Förpänning Spännkraft _470 47 cm BPE 465 BPE Nej 0 47 _00 8 cm BPE 465 BPE Nej 0 47 3 3_00 8 cm BPE 465 BPE Nej 0 47 4 4_400 3 cm BPE 465 BPE Nej 0 47 5 5_00 9 cm BPE 465 - Nej 0 6 6_400 38 cm BPE 465 BPE Nej 0 47 7 7_00f BPE 465 - Ja 35 kn 8 8_00f 5 cm + 5* cm BPE 465 BPE Ja 34,8 kn 47 9 9_00f 0 cm + 8* cm BPE 465 BPE Ja 9,9 kn 47 0 0_00f 0 cm + 7,8* cm BPE 465 BPE 47 Ja 34,8 kn *Förpänninglängd 3
4. Betongprovkropp Kapitel 4. Förökupptällning För föröken använde en betongprovkropp med dimenionerna 400x600x000 mm 3. Betongprovkroppen tillverkade av Br. Hedman Cementguteri & Smideverktad AB i Älvbyn. Tryckhållfatheten för betongen var 68,7 MPa vid provningen. Fulltändig redovining av betongkvaliteten återfinn i Appendix G. Vid tillverkningen borrade tio 500 mm djupa hål för CFRP-rören. Hålen borrade med vattenkylning. Innan föröken utförde torkade och rengjorde hålen. Figur 4. nedan viar en ki av betongprovkroppen. Figur 4. Betongprovkropp 4.3 CFRP-provkroppar Provkropparna betod av kolfiberkompoit med långa ammanhängande fibrer av typ HS (High Strength). Fiberhalten ho provkropparna var 50 %. Fibrerna i kompoiten var länggående på ytteridan och inidan, mellan dea lager var fibrerna nedtällda. Provkropparna förberedde genom att and limmade där kraftöverföringen från domkraften till kolfiberröret kulle 4
Kapitel 4. Förökupptällning ke och ytan för förankringen till betongen lipade och rengjorde med aceton. Längden på röret betämde av förökupptällningen, e rubrik 4.5. Egenkaperna för provkropparna redovia i Figur 4. nedan. Pålimmad and Ytan lipa med andpapper Hål för injicerat lim vid förpännin Kolfiber Längd (m) Ytterdiameter Innerdiameter (mm) (mm) HS*, 5 *High Strength; E-modul för fiber c:a 30 GPa; Fiberhållfathet max c:a 4500 GPa Figur 4. CFRP-provkropp och tabell med egenkaper 4.4 Givarplacering På provkropp 0 monterade åtta tycken folietöjninggivare. Givarna placerade nära betongytan, där kjuvpänningarna är om tört. Efterom riken var tor att töjninggivarna kadade tidigt vid provbelatningen lade en vulkmaa över dem om kydd. Detta kydd minkade vidhäftningarean omkring givarna. Vidhäftningområdet minkade med c:a 30 %. Figur 4.3 preenterar hur givarna är placerade, figuren är inte kalenlig. 5
Kapitel 4. Förökupptällning (cm) Betong BTG-yta 9,7,4,4,4 9, 3 4 8 Hål 5 6 7 3,,3, 37,8 CFRP-tav Figur 4.3 Givarplacering, ej kalenlig (folietöjninggivare Micro Meaurement CEA-06-40UZ-0) Två tycken lägegivare placerade längt ut i änden på varje provkropp, e Figur 4.4. Placeringen av lägegivarna är inte idealik. Lägegivarna borde ha uttit å nära förankringen om möjligt. Då detta inte var praktikt möjligt inom projektet ramar har hänyn till detta tagit i utvärderingen av reultaten. 4.5 Förökupptällning för förankringprovning CFRP-rören limmade in i betongblocket. Limmet om använde var ett epoxi BPE 465. En håldomkraft med en kapacitet på 00 kn använde om latkälla. Kraften regitrerade med en latcell. Förkjutningen i längled regitrerade av två lägegivare. Kraften plottade om en funktion av medelvärdet av lägegivarna förkjutningar. Förökupptällningen kan e i Figur 4.4. Kolfiberröret [a] har längden, m. För att få en bra förankring i betongen å ruggade kolfiberytan upp med andpapper. För kraftöverföring från domkraften till kolfiberröret använde ett killå [c]. Killået betod av en tålhyla med en konik inida amt anpaade kilar av amid, e rubrik 4.6. Övre delen av röret lipade med andpapper. På den lipade ytan limmade edan and för att kapa bättre förutättningar för en hög friktion i kraftöverföringen. Limmet om använde här var ett lättflytande epoxi BPE 47. 6
Kapitel 4. Förökupptällning [a] Kolfiberkompoitrör [b] Lägegivare [c] Killå [d] Håldomkraft [e] Latfördelningplatta [f] Latcell [g] Konikt lager [h] Epoxi [i] Betong Figur 4.4 Provupptällning 4.6 Killå För att föra över belatningen från håldomkraften till CFRP-röret använde ett killå. Killået betod av en tålhyla med konik inida. Kilar i amid klämde vid belatningen fat CFRP-röret och förankringen utatte för en dragkraft. Figur 4.5 och Figur 4.6 viar hur killået åg ut. 7
Kapitel 4. Förökupptällning Figur 4.5 Ritning av killå. Stålhyla till vänter, amidkil till höger. Figur 4.6 Fotografi av killå och andat CFRP-rör 8
Kapitel 4. Förökupptällning 4.7 Limning Förankringen utförde med ett epoxilim av typen BPE 465. Volymen lim beräknade och mätte upp för varje enkilt prov. Limmet hällde i hålet och tången förde akta ned i limmet och centrerade med kilar. Vid ett provtillfälle tetade även en typ av pritpåe ammankopplad med en lang om förde ner i hålet. På grund av att limmet var ynnerligen trögflytande fungerade detta inte tillfredtällande. För att kolfiberröret inte kulle klämma ihop i killået vid belatning fyllde även rören för proven till 4, 6 och 8 till 0 med lim. Här använde en lågvikö epoxi BPE 47. 4.8 Förpänning Fyra av CFRP-rören (prov 7 till 0) förpände innan belatningen. Röret förberedde på amma ätt om i de andra föröken, men tre hål borrade i röret c:a 5 cm från änden. Hålen gjorde med en pelarborr. Den avlånga geometrin på hålen gjorde genom att borra 5 mm tora hål bredvid varandra och därefter lipade öppningen form till med en fil. De tre hålen hade en öppning på c:a 5x0 mm. Röret limmade fört med en förankring på c:a 00 mm och härdade tre dagar. Därefter pände röret upp med c:a 35 kn och lim BPE 47 injicerade i toppen av röret och via de tre hålen om borrat upp kunde limmet tränga ut mot betongen, e Figur 4.7. I Appendix B kan fotografier från förpänningen e. Baerat på teoretika kjuvpänningar och töjningar i kompoiten valde 00 mm om förankringlängd till proverna om förpände. Teoretikt er effektiv förankringlängd ut att vara <00 mm, e Figur 6.3. Med tanke på brottyp och arbetutförande valde den drygt dubbla längden. Spännkraften valde till halva bärförmågan för korttidbelatningen i proverna 4,5 och 6. 9
Kapitel 4. Förökupptällning Figur 4.7 Injicering av lim 4.9 Böjprovning Ett böjförök gjorde för att betämma en elaticitetmodul i böjning amt för att få en grundligare förtåele för materialet. En mer tillämplig betämning av elaticitetmodulen för föreliggande examenarbete återfinn i Appendix E. Föröket utformade av att en punktlat i form av hydraulcylinder placerade mitt på ett kolfiberrör. Kolfiberröret hade amma dimenioner om kolfiberrören om tetade i drag. Röret lade upp på töd placerade 595 mm ifrån varandra. Belatninghatigheten var 0, mm/ och mätfrekvenen 50Hz. En töjninggivare av amma typ om använde i dragprovningen placerade mitt under punktlaten på underidan av röret. Ett fotografi från böjföröket kan e i Figur 4.8 nedan. 30
Kapitel 4. Förökupptällning Figur 4.8 Böjförök 3
Kapitel 5. Reultat från förök 5 Reultat från förök I detta kapitel redovia reultaten från förankringprovningen och böjföröket. Till en början är reultaten ammantällda i en tabell. Därefter bekriv reultaten individuellt och rita i jämförande diagram. 5. Sammantällning I nedantående tabell (Tabell 5.) preentera reultaten från förankringprovningen överiktligt. Vid amtliga förök upptod pröda och nabba brottförlopp. Provkropparna har namngett med ett nummer amt en ungefärlig förankringlängd i millimeter, förta provkroppen heter _400. Tabell 5. Sammantällning av reultat från förankringprovning Nr. Namn Förankringlängringlilim Förank- Fyll- Styrning Spänn- Brott- Brottyp lat** kraft lat _400 47 cm BPE 465 BPE 47 0,3 kn/ 0 4, kn Dragbrott i kolfiber _00 8 cm BPE 465 BPE 47 0,4 kn/ 0 98,4 kn Skjuvbrott lim/kolfiber 3 3_00 8 cm BPE 465 BPE 47 0,5 kn/ 0 49, kn Skjuvbrott lim/kolfiber 4 4_400 3 cm BPE 465 BPE 47 0,5 kn/ 0 7,4 kn Skjuvbrott lim/kolfiber 5 5_00 9 cm BPE 465-0,4 kn/ 0 7,4 kn Skjuvbrott lim/kolfiber 6 6_400 38 cm BPE 465 BPE 47 0,4 kn/ 0 73, kn Skjuvbrott lim/kolfiber 7 7_00f BPE 465-0,3 kn/ 35 kn Klämbrott 8 8_00f 5 cm + 5* cm BPE 465 BPE 47 0,3 kn/ 34,8 kn 50,3 kn Dragbrott i kolfiber 9 9_00f 0 cm + 8* cm BPE 465 BPE 0,3 kn/ 9,9 kn 9,3 Böjbrott 47 kn 0 0_00f 0 cm + 7,8* cm BPE 465 BPE 47 0, kn/ 34,8 kn 34,8 kn Skjuvbrott lim/kolfiber *Längd på förpänningen vidhäftningområde **Beräknade värden utifrån manuell belatning 5. Diagram I Figur 5. kan en ammantällning av reultaten från förankringprovningen tudera. Ingen tydlig trend kan e i figuren. Detta beror på att limmet inte var helt optimerat för aktuell typ av kompoit. Provkropp 9_00f kan negligera efterom belatningen blev ned och röret böjde. För prov 4_400, 3
Kapitel 5. Reultat från förök 5_00, och 6_400 var brottlaten c:a 70 kn trot olika förankringlängder. Detta kan bero på felaktigt läppmedel vid tillverkning av använda rör. Varför dea prover uppviar likvärdiga brottlater trot olika förankringlängder bör kunna förklara med en.k. dragkedjeeffekt. Den uppkommer p.g.a. att kjuvpänningfördelningen hela tiden förflytta nedåt i hålet då kjuvpänningen överkridit hållfatheten i vidhäftningen mellan lim och kolfiberkompoit, vilket bekriv ingående längre fram. Vid provning av 7_00f kadade anlutningen mellan latcell och förtärkare vilket gjorde att inga värden på laten regitrerade. Lat (kn) 60 40 0 00 80 60 40 3_00 _00 5_00 4_400 8_00f _400 0_00f 9_00f 6_400 00 00 400 00f 0 0 0 00 400 600 Förankringlängd (mm) Figur 5. Sammantällning av brottlat om funktion av förankringlängd I Figur 5. har prov till 3 amt 8 ritat upp. Hänyn har tagit till lägegivarna placering och förkjutningen för den oförankrade delen av CFRP-röret har räknat bort teoretikt, e Appendix E. Kraftförkjutningdiagrammen i detta kapitel redoviar förkjutningen av förankrad del av röret. För proverna 8 till 0 har förkjutningen för hela längden, d.v.. både förankring och förpänning, ritat upp. Figur 5. viar att förkjutningen påverka av förankringlängden och att brottlaten för prov, 3 och 8 nätan är denamma trot att killnaden i förankring ligger mellan 8 cm och 47 cm. 33
Kapitel 5. Reultat från förök Lat (kn) 60 40 0 00 80 60 40 0 0 3_00 8_00f _400 _00 0 0,5,5,5 3 3,5 Förkjutning (mm) Figur 5. Prov till 3 och 8. Ovantående diagram viar ockå att proverna, 3 och 8 följer varandra medan prov har en betydligt törre förkjutning. Detta beror på att förankrad del är längre i prov och därav följer en törre förkjutning. Intreant är dock att det förpända provet 8 följer och 3. Det betyder att det förpända provet har lika tor förkjutning om ett icke förpänt prov. Lat (kn) 60 40 0 00 80 60 40 0 0 _400 4_400 6_400 0 0,5,5,5 3 3,5 Förkjutning (mm) Figur 5.3 Prov,4 och 6 med förankringlängd 3 cm till 47 cm. 34
Kapitel 5. Reultat från förök Kurvorna följer varandra då prover med ungefär amma förankringlängd jämför. Detta kan e tydligt i Figur 5.3 till Figur 5.5. Skillnaden i brottlat beror förmodligen på tidigare nämnda vidhäftningproblem. För prov 9_00f bör nämna att brottypen blev böjning. Lat (kn) 60 40 0 00 80 60 40 0 0 3_00 5_00 0 0,5,5,5 3 3,5 Förkjutning (mm) Figur 5.4 Prov 3 och 5 med förankringlängd 8 cm till 9 cm. Lat (kn) 60 40 0 00 80 60 40 0 0 8_00f 0_00f 9_00f 0 0,5,5,5 3 3,5 Förkjutning (mm) Figur 5.5 Upppända prov 8 till 0 med förankringlängd 37,8 cm till 48 cm. 35
Kapitel 5. Reultat från förök Som nämnt i kapitel 4 monterade töjninggivare på prov 0_00f. Töjningarna mätte vid upppänningen och de kvartående töjningarna då det injicerade förpänninglimmet härdat kan e i Figur 5.6. Belatningen är 0 kn och förpänningen är 34,8 kn. Töjningen för oförankrad del av ett kolfiberrör av aktuell typ är 453 µtrain. I Figur 5.6 kan e att töjningen närmar ig detta värde längt in i vidhäftningområdet. Kurvan ger en bra bild av töjningtilltåndet för ett förpänt kolfiberrör. 4500 4000 3500 Töjning (µtr) 3000 500 000 500 000 500 0 50 70 90 30 330 350 370 390 Poition (mm) Figur 5.6 Kvartående töjningar efter läppt pännkraft (0 kn) Uppmätta töjningar då provkropp 0_00f dragbelatade för olika later e i Figur 5.7. I figuren betyder 0 kn töjningtilltåndet då röret ej är belatat och detta är amma kurva om kan e i Figur 5.6. Vid 9.9 kn har röret börjat dragbelata och killnaden i töjningarna jämnar ut ig. Mätvärdena vid 30,9 kn och 35,6 kn är ungefär lika. Detta beror på att pännkraften var c:a 35 kn och töjningarna viar liknade värden om för ett oförankrat rör. Vid 56,6 kn kan en uppåtgående kurva e. Detta förklara med att röret belata i den andra riktningen och håller på att dra ur in förankring. Brottlaten för prov 0_00f blev 34,8 kn men efter laten 56,6 kn gick förta töjninggivaren önder. Det har avgjort varför inga ytterligare töjningar finn redoviade här. 36
Kapitel 5. Reultat från förök Töjning (microtrain) 4500 4000 3500 3000 500 000 500 000 500 0 50 300 350 400 Poition (mm) 56,6 kn 35,6 kn 30,9 kn 9.9 kn 0 kn Figur 5.7 Töjningar för upppända kolfiberrör Töjningarna i Figur 5.7 för prov 0_00f har omvandlat till kjuvpänningar enligt modellen under rubrik 3.6. Ett exempel på hur detta beräknat finn i Appendix H. Negativa kjuvpänningar innebär att röret är uttänjt och pänningar i motatt riktning är törre än dragpänningen. I figuren kan e att kjuvpänningen är törre mot vidhäftningområdet lut, d.v.. poition c:a 350 mm. Men allra längt ut är kjuvpänningen noll. Vid obelatat förpänt kolfiberrör, lat 0 kn, är kjuvpänningarna negativa. Detta är även fallet för lat 9,9 kn. Vid belatning 30,9 kn och 35,6 kn bör kjuvpänningar ligga kring 0. I figuren kan man e att värdena här pendlar kring 0 kn. Pendlingen beror på att omvandlingmodell från töjningar till kjuvpänningar är mycket känlig och töjningmätning av detta lag är mycket vår att genomföra. Vid 56,6 kn är kjuvpänningarna poitiva d.v.. röret håller på att dra ur in förankring. 37
Kapitel 5. Reultat från förök 6 Skjuvpänning (MPa) 4 0 50 70 90 30 330 350 370 - -4-6 56,6 kn 35,6 kn 30,9 kn 9,9 kn 0 kn -8 Poition (mm) Figur 5.8 Skjuvpänningar Figur 5.9 och Figur 5.0 viar reultaten från böjföröket. Detta förök gjorde för att betämma en elaticitetmodul i böjning amt för att få en grundligare förtåele för materialet. Kurvorna viar tydligt att kolfiberkompoitet uppviar linjärelatika egenkaper fram till brott. Detta är typikt för kolfibrer, Svenka betongföreningen (00). I överkant på provet upptod ett krobrott vid belatningen. Lat (kn) 4,5 4 3,5 3,5,5 0,5 0 0 5 0 5 0 5 Förkjutning (mm) Figur 5.9 Lat-förkjutning för böjföröket 38
Kapitel 5. Reultat från förök Lat (kn) 4 3,5 3,5,5 0,5 0 0 000 000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Töjning (µtr) Figur 5.0 Lat-töjning från böjföröket 39
Kapitel 6. Utvärdering, lutater och förlag för framtida forkning 6 Utvärdering, lutater och förlag för framtida forkning Förankringprovning är i de fleta fall vår att tolka. Utvärderingen av genomförda förök förvåra ytterliggare på grund av den britande kompabiliteten mellan lim och kompoit. Nedan redovia lutater från genomförda förök. Detta ligger till grund för identifiering av framtida önkvärda förök inom forkningområdet. I lutet av kapitlet redovia förlag på fortatt forkning. 6. Brottlater och förankringlängd Brottlaterna i förankringprovningen har ritat upp i Figur 6.. Prov 9_00f blev nedbelatat och böjde till brott och har därför åidoatt i denna utvärdering. En hög och en låg nivå har identifierat från reultaten. Den högre nivån, c:a 40 kn, utgör maximal lat för aktuella rörgeometrier och utgår från kolfibermaterialet draghållfathet. Den undre nivån, c:a 70 kn, innebär att kjuvpänningen övertigit hållfatheten i vidhäftningen mellan lim och kolfiberkompoit. Den undre nivån kan flytta uppåt om kompabiliteten mellan lim och kolfiberkompoit förbättra. Brytpunkten vid c:a 00 mm har antagit utifrån uppmätta töjningar och teoretik kjuvpänningfördelning. Lat (kn) 60 40 0 00 80 60 40 0 0 0 00 400 600 Förankringlängd (mm) 00 00 400 00f Figur 6. Brottlater för förankringprovning 40
Kapitel 6. Utvärdering, lutater och förlag för framtida forkning 6. Töjningar De egentliga töjningarna enligt Figur 5.7 har räknat om i nedantående diagram, e Figur 6.. De kvartående töjningarna efter läppt upppänning nolltällde och en ny mätning gjorde när det upppända kompoitröret i prov 0_00f dragbelatade. Töjningarna för 9,9 kn, 30,9 kn och 56,6 kn kan e i Figur 6.. Detta gjorde för att kunna jämföra reultaten med den teoretika modellen i kapitel 3. 4500 4000 Töjning (microtrain) 3500 3000 500 000 500 000 500 0 50 300 350 400 Poition (mm) 9,9 kn 30,9 kn 56,6 kn Figur 6. Beräknade töjningar 6.3 Skjuvpänningar I Figur 6.3 kan e att den uppmätta kjuvpänningen ökar markant nära lutet av vidhäftningområdet. De uppmätta kjuvpänningarna ökar tidigare än de teoretika och går inte upp till de pänningar vid betongytan om de teoretika viar. Detta beror på amma ak om bekrivit tidigare att vidhäftningområdet är mindre än de teoretika. Nära vidhäftningområdet lut ökar vidhäftningarean igen och detta gör att töjninggradienten minkar 4
Kapitel 6. Utvärdering, lutater och förlag för framtida forkning och kurvan går nedåt. Detta har dock ej tagit hänyn till i denna utvärdering. Vid betongytan vänder den uppmätta kjuvpänningen och går mot noll. Den teoretika modellen går mot oändligheten vid betongytan. I verkligheten är kjuvpänningarna noll vid vidhäftningområdet lut om uppmätta värden ockå viar. Vid de lägre laterna om jämfört i Figur 6.4 och Figur 6.5 är de högta kjuvpänningarna för teorin och de uppmätta värdena närmare varandra. Detta kan tyda på en överkattning av kjuvpänningarna vid högre belatning i den teoretika modellen. Viktigt är att notera att det aktiva området för kjuvpänningarna är mindre än 00 mm. Detta betyder att en förankringlängd på 00 mm bör räcka. För prov 0_00f är det totala vidhäftningområdet inkluive förankringlängden 37,5 cm. Skjuvpänning (MPa) 8 6 4 0 8 6 4 0 0 00 00 300 400 Poition (mm) Uppmätt 56,6 kn Teoretik Figur 6.3 Teoretik kjuvpänning jämförd med uppmätt kjuvpänning i prov 0_00f (Lat 56,6 kn) 4
Kapitel 6. Utvärdering, lutater och förlag för framtida forkning Skjuvpänning (MPa) 8 6 4 0 8 6 4 0 0 00 00 300 400 Poition (mm) Uppmätt 30,9 kn Teoretik Figur 6.4 Teoretik kjuvpänning jämförd med uppmätt kjuvpänning i prov 0_00f (Lat 30,9 kn) Skjuvpänning (MPa) 8 6 4 0 8 6 4 0 0 00 00 300 400 Poition (mm) Uppmätt 9,9 kn Teoretik Figur 6.5 Teoretik kjuvpänning jämförd med uppmätt kjuvpänning i prov 0_00f (Lat 9,9 kn) 43
Kapitel 6. Utvärdering, lutater och förlag för framtida forkning Det bör ockå nämna att den teoretika modellen inte tar hänyn till att provet är förpänt. 6.4 Böjprovning Böjföröket gjorde för att öka förtåelen för materialet. När röret böjde enligt tidigare bekrivning gick det till lut önder genom krobrott/buckling på den tryckta idan. Detta kedde helt enligt teorin. 6.5 Arbetmetod Arbetmetoden vid dragföröken dela upp i fyra delar: förberedele av provkropp, limning, belatning och mätning. Förberedelen 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 trycka ut vid injicering gjorde med en pelarborr. Fräning av dea hål borde vara en tideffektivare metod för detta. Limningmetoden behöver förbättra. En metod om bör pröva är att använda en patronpruta och fylla tomma patroner med lim, e Figur 6.6. Vid injicering av lim i fält behöver limmet prea in med tryck. Pumpar av olika lag använd bl.a. vid injektering av lim i berg, Auguton (004). Dea bör kunna använda även för detta ändamål. Figur 6.6 Patronpruta Det viktigate vid belatningen är att kunna överföra kraft till kolfiberröret. För detta använde ett killå. Utformningen och dimenionerna på killået 44
Kapitel 6. Utvärdering, lutater och förlag för framtida forkning verkar vara lämpligt för i examenarbetet använda rörgeometrier. Mätningen av töjningar i förankringen är komplicerade vid utdragprovning. Detta beror på att töjninggivarna del minkar vidhäftningområdet amt att givarna kjuva önder vid belatningen. 6.6 Sammanfattning av lutater En ammanfattning av tidigare utvärderade reultat ammanfatta i punktform Princip för arbetmetoden fungerar Förankringlängd c:a 00 mm Limmet koniten behöver modifiera Lim och kompoit behöver optimera Killået fungerar. 6.7 Förlag för framtida forkning Nedan ange ett antal förlag angående framtiden och forkning kring inmonterad CFRP-armering. Ett komplett förtärkningytem måte ta fram, d.v.. hitta en optimal typ av rör och lim med god vidhäftning mot varandra. Med optimal typ av rör mena vilket material och geometri om lämpar ig bät. Även hur borrning av hål i betong för detta ändamål kall utföra bör underöka. Vid inmonterad CFRP-armering utan förpänning är kanke inte ett rörtvärnitt bät lämpat. Angående utförandet, med andra ord förtärkningarbetet på plat, behöv mer forkning. Ett lim behöver ta fram om kan injicera med tryck och amtidigt kan fungera om förankring trot horiontell montering. Kontruktioner med aktuell förtärkning måte prova. Kontruktioner om bör teta är huvudak kolfiberförtärkta balkar eller plattor. Ytterligare teoretika amband behöver ta fram för förtärkningytemet, bl.a. där kolfiberkompoiten hantera om en armering och pännbetongteori tillämpa. 45