Innehåll Förord 7 1. Inledning 11 1.1 Bakgrund 11 1.1.1 Förändring av användningsområde 12 1.1.2 Nedbrytning av konstruktionen 13 1.2 Förstärkning av betongkonstruktioner 13 2. Grunder för dimensionering 15 2.1 Inledning 15 2.2 Beteendet hos en förstärkt konstruktion 15 2.3 Grundläggande krav 16 2.4 Miljöpåverkan 17 2.4.1 Allmänt 17 2.4.2 Dimensionering 17 2.4.3 Temperatur 18 2.4.4 Frostbeständighet 19 2.4.5 Fukt 19 2.4.6 Beständighet hos FRP-system 19 2.5 Gränstillstånd 19 2.5.1 Allmänt 19 2.5.2 Bruksgränstillstånd 20 2.5.3 Brottgränstillstånd 20 2.6 Säkerhetsfaktorer 21 2.6.1 Allmänt 21 2.6.2 Bruksgränstillstånd 22 2.6.3 Brottgränstillstånd 22 2.7 Dimensionering genom provning 22 3. Material, system och förstärkningsteknik 23 3.1 Inledning 23 3.2 Kompositmaterial 23 3.2.1 Allmänt 23 3.2.2 Fibrer 25 3.2.3 Matriser 26 3.2.4 Fiberkompositer 27 3.3 Förstärkningssystem 28 3.3.1 Allmänt 28 3.3.2 Laminat 29 3.3.3 NSM-stav 30 3
INNEHÅLL 3.3.4 Väv 30 3.4 Sammanfattning 31 4. Dimensionering för böjning 33 4.1 Introduktion 33 4.2 Dimensionering för böjande moment 36 4.2.1 Allmänt 364 4.2.2 Bruksgränstillstånd 36 4.2.3 Brottgränstillstånd 37 4.2.4 Uppskattning av materialåtgång 37 4.2.5 Översiktlig dimensionering 38 4.3 Detaljerad tvärsnittsanalys 39 4.3.1 Bakgrund 39 4.3.2 Bruksgränstillstånd 40 4.3.3 Brottgränstillstånd 42 4.4 Förankring av komposit 45 4.5 Beräkning av fläkkrafter vid ände av komposit 49 4.6 Förstärkning med NSM 52 4.6.1 Förankringslängd 53 4.7 Detaljlösningar 54 5. Dimensioner för tvärkraft 59 5.1 Introduktion 59 5.2 Dimensionering för tvärkraftsförstärkning 66 5.2.1 Utvärdering före förstärkning 66 5.2.2 Kommentarer gällande tvärkraftsförstärkning av armerade betongkonstruktioner 66 5.2.3 Beräkningsmodell för förstärkning 66 5.2.4 Bidrag till tvärkraften från FRP-armeringen 68 5.2.5 Dimensionering 68 6. Dimensionering för pelarförstärkning 73 6.1 Introduktion 73 6.2 Dimensionering av pelarförstärkning 75 6.2.1 Allmänt 75 6.2.2 Omslutningseffekt 76 6.2.3 Beräkningssteg 83 6.2.4 N-M-interaktionskurva för oförstärkt tvärsnitt 84 6.2.5 N-M-interaktionskurva för förstärkt tvärsnitt 90 7. Extrema belastningar 93 7.1 Inledning 93 7.2 Brand 93 7.3 Seismisk belastning 94 7.4 Påkörning 94 7.5 Explosionslast 94 7.6 Vandalism 94 4
INNEHÅLL 8 Planering och kvalitetskontroll 97 8.1 Inledning 97 8.2 Före förstärkning 99 8.3 Under förstärkning 100 8.3.1 Allmänt 100 8.3.2 Arbete med epoxi 101 8.3.3 Förstärkningsarbetet 102 8.4 Efter förstärkning 108 8.5 Kvalitetskontroll 109 8.5.1 Introduktion 109 8.5.2 Ingående material 110 8.5.3 Arbetskraft 110 8.5.4 Kvalitetssäkring i samband med utförande 111 8.6 Uppställda krav 111 8.6.1 Före förstärkning 111 8.6.2 Under förstärkning 112 8.6.3 Efter förstärkning 113 8.6.4 Checklistor 114 Appendix A 115 Appendix B 135 Appendix C 147 Appendix D 161 Appendix E 171 5
Förord Under de senaste två till tre decennierna har utvecklingen och användandet av avancerade kompositmaterial ökat i byggindustrin. Detta beror bl a på att mycket forskning och utveckling bedrivits för att ta fram verktyg för dimensionering och kvalitetssäkring. I tillägg så har även medvetenheten och insikten hos konstruktörer, utförare och beställare förbättrats gällande de unika fördelar som avancerade kompositmaterial besitter. Det vanligaste samlingsnamnet för avancerade kompositmaterial är FRP (Fibre Reinforced Polymers) och de består vanligtvis av kolfiber, glasfiber, aramidfibrer eller kombinationer av kol- och glasfiber. Dessa nya material har dykt upp som attraktiva konkurrenter till de mer traditionella materialen som används i byggindustrin för att skapa mer beständiga och nya, innovativa konstruktioner. Störst genomslag har dessa material uppnått för reparation och/ eller förstärkning av befintliga bärverk. I nya konstruktioner används kompositmaterial som armering och/eller förspänning av betongkonstruktioner. FRP kan även användas för att bygga helt nya konstruktioner alternativt använda dessa i hybridkonstruktioner som FRP-brodäck och FRP-rörformar som fylls med betong, t ex pelare eller pålar. FRP-kompositer har alldeles särskilda egenskaper så som låg vikt, hög hållfasthet i förhållande till vikt, korrosionsresistens, i allmänhet väldigt hög beständighet samt att utformningen i princip kan skräddarsys för ändamålet. Samtliga av dessa fördelar gör att dessa material kan användas i områden där traditionella byggmaterial har begränsningar. Under de senaste tre decennierna har teknologin för tillverkningen av FRP-kompositer utvecklats på ett revolutionerande sätt genom sofistikerade och förfinade tillverkningstekniker. Dessa tekniker har möjliggjort att FRP-materialen kan tillverkas med minsta möjliga håligheter samt att rätt sträckning och riktning på fibrerna kan säkerställas. Allt för att kvalitetssäkra materialkarakteristika. Föreliggande handbok omfattar reparation eller förbättring av befintliga betongkonstruktioner med kolfiberkompositer och är skriven för att ge stöd åt konstruktörer, projektledare och utförare i samband med förstärkning av betongkonstruktioner. Det bör dock tilläggas att FRP-kompositer inte enbart kan brukas för att förstärka betongkonstruktioner, utan har även med framgång tillämpats för att förstärka trä, stål och murverk. 1970 var majoriteten av alla betongkonstruktioner yngre än 25 år och hälften yngre än 10 år. Detta påstående baseras på cementkonsumtionen i Sverige som hade sin toppnotering på ca 4 miljoner ton i slutet på 1960-talet. Användningen av cement reducerades snabbt efter denna tidsperiod, då mil- 7
FÖRORD jonprogrammet successivt avslutades. Alla dessa byggnadsverk som uppförts innan och efter 1970 har samtliga varierande kvalitet och funktion, men en sak har de gemensamt, de blir bara äldre och bryts ned över tid. Vissa av dessa byggnadsverk behöver bytas ut eftersom de är i väldigt dåligt tillstånd. Detta gäller dock långt ifrån alla, men många behöver repareras eller förstärkas. Det är inte enbart nedbrytningsprocesserna som ger upphov till detta behov. Andra orsaker kan vara misstag som begåtts i projekterings- eller utförandeskedet som medför att konstruktionen behöver förstärkas innan eller just efter att den tagits i bruk. Det kan också vara så att byggnadsverkets användning, funktion eller krav förändras, exempel på detta kan vara håltagning i väggar eller bjälklag, ökade laster på grund av förändrad verksamhet, det kan också vara så att normer och regler förändras. Om någon av dessa situationer uppstår bör ett beslut fattas om vilken åtgärd som ska genomföras baserat på såväl säkerhet som ekonomi och miljö. Åtgärder kan vara att riva och bygga nytt, reparera eller förbättra. I dessa fall kan förstärkning med FRP vara ett gott alternativ för att förlänga byggnadsverkets livslängd. För närvarande är största delen av samtliga bärverk som behöver repareras eller förstärkas med FRP-kompositer sådana som är uppförda efter andra världskriget. Mycket har hänt under åren som passerat och det är således mycket som förändrats, t ex våra byggtekniker och normer. I och med övergången till den europeiska dimensioneringsstandarderna, exempelvis Eurokod 2 (EN 1992), som trädde i kraft vid årsskiftet 2010/2011, så blev bland annat några av dimensioneringsförutsättningarna i både bruksgräns- och brottgränstillståndet mer konservativa i jämförelse med de gamla svenska dimensioneringsnormerna. I Bygginnovationens rapport Reparation av betongkonstruktioner (25 februari 2010) är bedömningen att förstärkningsbehovet för anpassningen till EU:s nya lastbestämmelser uppgår till ca 320 Mkr/år, enbart för vägbroar. För närvarande finns det inte någon harmoniserad standard för dimensionering av förstärkning av betongkonstruktioner med FRP-kompositer. De som tänkt projektera och utföra denna typ av förstärkning är då hänvisade till existerande handböcker eller materialleverantörer. Det finns en hel del böcker inom detta område, däribland just denna handbok. Den kommande reviderade utgåvan av Eurokod 2 (EN 1992), som beräknas publiceras efter 2015, kommer troligtvis att omfatta både bedömning av bärförmågan hos befintliga bärverk (intakta och skadade) samt förstärkning av befintliga bärverk med FRP. Dessa två områden kommer då att ligga i varsitt annex i EN 1992-1-1. Den här handboken är uppbyggd på följande sätt: Kapitel 1 beskriver kortfattat bakgrunden till förstärkning med FRP-kompositer, kapitel 2 behandlar grundläggande dimensioneringsförutsättningar och reduktionsfaktorer, kapitel 3 beskriver materialkarakteristika och de vanligaste förstärkningssystemen; dimensioneringsförfarandet beskrivs i kapitel 4 för förstärkning i böjning, i kapitel 5 för tvärkraftsförstärkning och i kapitel 6 för pelarförstärkning genom omslutning, kapitel 7 behandlar kortfattat extrema belastningar så som 8
FÖRORD brand och påkörning, kapitel 8 beskriver planering och kvalitetskontroll. Beräkningsexempel återfinns i appendix A, B och C. I appendix D återfinns ett exempel på en checklista för typiska moment relaterade till innan, under och efter förstärkning. I appendix E finns mekaniska egenskaper redovisade på tillgängliga produkter baserade på de största materialleverantörernas standardsortiment. Med den här handboken har författarna både förhoppningar om och förväntningar på att sprida information och öka kunskapen hos beställare, konstruktörer och utförare. Vi hoppas att ni ska finna att handboken förklarar både dimensionering och utförande på ett enkelt och ingenjörsmässigt sätt. Vi ser även tacksamt fram mot att få konstruktiva kommentarer på innehållet i denna handbok. Vidare så vill vi tacka våra kollegor inom och utom Sverige för deras insatser till utvecklingen och forskningen som bidragit till innehållet i boken. I synnerhet vill vi tacka samtliga som under åren varit involverade i forskargruppen Innovativa material och konstruktioner vid Luleå Tekniska Universitet. Vi vill även passa på att tacka Skanska, Trafikverket, Formas, Norges Forskningsråd, NICe samt SBUF, utan vilkas finansiella stöd det inte hade varit möjligt att bedriva den forskning och utveckling som genomförts vid universitetet de senaste 20 åren. Luleå 2015 Björn Täljsten Thomas Blanksvärd Gabriel Sas 9
1. Inledning 1.1 Bakgrund Behovet av att underhålla, reparera och uppgradera våra befintliga anläggningar och byggnader har ökat markant under de senaste årtiondena. Denna ökning beror oftast på försämrad prestanda. Med prestanda avses i detta fall bärförmåga, funktion, beständighet eller estetik. Det finns minst två starka argument för att reparera eller uppgradera en befintlig betongkonstruktion i stället för att riva och bygga nytt. För det första är det oftast ekonomiska skäl som avgör, men ibland kan också funktionen vara bristfällig. Med tanke på begränsade ekonomiska resurser för att byta ut en konstruktion, finns starka incitament att hitta kostnadseffektiva metoder att bibehålla och således förlänga livslängden. Att reparera eller uppgradera är nästan alltid billigare än att riva och bygga nytt, förutsatt att funktionen kan tillgodoses. För det andra har vi miljörelaterade skäl. Genom att förlänga livslängden hos en konstruktion minskas uttaget av naturresurser. Vidare bör även hänsyn till tiden för åtgärd studeras. Vanligtvis går det fortare att åtgärda en befintlig konstruktion än att producera en ny. Dessutom är det också ofta möjligt att bruka konstruktionen under reparations- eller förstärkningsinsatsen. Båda argumenten förutsätter dock att säkerheten kan uppnås med föreslagna förstärkningsåtgärder. Eftersom en majoritet av dagens existerande byggnadsbestånd med största sannolikhet kommer att finnas kvar om 40 50 år, är det mycket viktigt att detta bestånd tas om hand på bästa tänkbara sätt, inte minst ur ekonomiskt synvinkel då nyanskaffningsvärdet kan vara väsentligt. I figur 1.1 visas schematiskt förändring i prestanda över tid för t ex en betongkonstruktion. Det är utan tvekan så att alla konstruktioner bryts ned det är bara en fråga om tid. Vid en viss tidpunkt har konstruktionen försämrats till en sådan grad att den inte längre är användbar, eller än värre inte är säker ur ett bärighetsperspektiv; man har då nått nivån för minsta acceptabla prestanda. I figur 1.1 framgår det att försämringen av bärförmågan i vissa fall kan ske fortare än själva materialets nedbrytning. Det är alltså viktigt att veta när en reparationseller uppgraderingsinsats ska genomföras och hur omfattande den ska vara. Det är inte självklart att en stor och omfattande insats är det bästa, ibland kan ett fortlöpande arbete vara att föredra. Detta beror på konstruktionstyp, dess läge samt vald åtgärd. Det är en fördel om dessa insatser kopplas samman med livscykelanalyser för att på så sätt kunna optimera framtida planerade insatser. 11
1. INLEDNING FIGUR 1.1 Förändring av prestanda över tid. Prestanda Försämring av bärförmåga Nedbrytningsprocess Aktuell prestanda Sista chans för åtgärd Minsta accepterbara prestanda Kvarvarande livslängd Tid Det gäller således att sätta in insatsen vid den tidpunkt den gör mest ekonomisk och teknisk nytta. Även om en konstruktion inte har försämrats under minsta accepterbara prestanda så kanske den inte uppfyller beständighetskrav eller de estetiska krav som ställs på den. Andra tillfällen då en konstruktions prestanda förändras kan vara t ex i samband med ombyggnader. I ett sådant fall är det inte ovanligt att funktionen ändras, t ex i samband med håltagningar. Det finns självklart ett stort antal olika metoder, såväl administrativa som fysiska, att öka en konstruktions prestanda. Sätts fokus på bärförmåga så kan orsaken till bristande bärighet övergripande delas in i två huvudområden: Förändring i användningsområde; konstruktionen behöver uppta andra laster än de den var dimensionerad för. Nedbrytning av material; konstruktionen har degraderat till en sådan nivå så att den inte kan uppta de laster den är dimensionerad för. Denna handbok fokuserar på användandet av avancerade kompositmaterial för att hantera dessa brister. 1.1.1 Förändring av användningsområde Byggnadskonstruktioner ska normalt ha lång fysisk livslängd, t ex ska en anläggningskonstruktion normalt ha en livslängd på 100 år eller längre. Det är då förståeligt att kraven eller i vissa fall även användningsområdet kan eller kommer att förändras över tiden. Konstruktionerna har inte alltid den extra säkerhet som krävs för att möta dessa förändringar och kan därför behöva åtgärdas, ibland genom förstärkning. Ett sådant bakomliggande behov kan ha sin utgångspunkt i något av följande: Misstag utförda i projekterings- eller utförandeskedet. Krav på ökad bärförmåga, beroende på t ex ändrade lastkrav. Ändrad funktion hos konstruktioner, t ex i samband med ombyggnad. 12
1. INLEDNING I samtliga dessa fall, förutsatt att konstruktionen för övrigt kan anses acceptabel, kan kompositmaterial normalt användas för förstärkning. 1.1.2 Nedbrytning av konstruktionen Nedbrytning av betongkonstruktioner kan orsakas av många olika fysiska och kemiska processer. Vanligtvis diskuteras oftast nedbrytning på grund av klorider från tösalter eller havsvatten samt genom karbonatisering av betongens skyddande täckskikt. Båda dessa mekanismer orsakar armeringskorrosion. Andra faktorer som kan påverka betongkonstruktionens bärförmåga negativt är t ex sönderfrysning och kalkurlakning som försämrar betongskelettets funktion och i extrema fall orsakar olyckor. Åtgärdsbehovet beror då kortfattat på: försummat underhåll genomförda misstag i projekterings- eller utförandeskedet olyckor som t ex brand eller påkörning. Åtgärder kan vara rivning samt nybyggnad eller reparation och uppgradering. Vilket alternativ som är bäst måste analyseras från objekt till objekt. Utifall nedbrytningen av konstruktionen inte nått kritiska nivåer och att framtida nedbrytning kan bromsas upp eller stoppas helt kan ofta kompositmaterial användas som reparations- och förstärkningsåtgärd. Lämpligheten att använda kompositmaterial måste dock avgöras av specialist och från fall till fall. 1.2 Förstärkning av betongkonstruktioner Innan ett beslut tas om att förstärkning behövs krävs vanligtvis en ordentlig utredning gällande orsaken till förstärkningsbehovet. Några av de mer traditionella metoder som finns för att förstärka betongelement är en ökning av tvärsnittsarean, efterspänning med spännkablar, traditionell pågjutning med ny armering, sprutbetong, avväxlingar m m. Dessa metoder har tidigare fungerat bra och fungerar säkert bra även i framtiden. I mitten av 70-talet växte en förstärkningsmetod fram som innebar att man limmade stålplåtar mot ytan på betongkonstruktionen. Metoden har varit relativt väl använd i såväl Mellaneuropa som USA och Japan. I Sverige har ca 15 20 broar förstärkts med denna teknik (Täljsten, 1994). Metoden har dock flera nackdelar; stålplåtar rostar, de är tunga att montera, skarvplåtar mellan förstärkningsplåtar behövs och flexibiliteten för krökta ytor, t ex pelare är i det närmaste obefintlig. Under slutet av 80-talet började man i Japan med att undersöka möjligheten att använda FRP (Fibre Reinforced Polymers) för att förstärka betongkonstruktioner (Shinozaki et. al., 2007). Detta skedde först och främst i samband med påkänningar i anslutning till jordbävningar. De första applikationerna utfördes på skorstenar och pelare. De system man använde sig av här liknar mycket den traditionella handuppläggningsmetoden (jämför tillverkning av plastbåtar) där väv limmas mot konstruktionen. Under denna tidsperiod bör- 13
1. INLEDNING jade även de första kolfiberlaminaten för förstärkning att dyka upp, Meier m.fl. (1992). I dag är denna typ av förstärkning vanlig och helt accepterad runt om i världen. De flesta förstärkningssystem på marknaden använder kolfiber eftersom denna fiber har mekaniska egenskaper vilka passar bra i förstärkningssammanhang, de har dessutom en mycket god beständighet i de allra flesta byggda miljöer. I Sverige började vi undersöka tekniken med utanpålimmad armering i slutet av 1980-talet, då i form av pålimmade stålplåtar. Kompositer kom in i bilden under början av 1990-talet (Täljsten, 1994) och i dag bedrivs kontinuerlig forskning och utveckling inom detta område i Sverige. Det finns således en 30 35-årig erfarenhet inom området. Vanligast är att konstruktioner förstärkts för att uppta ökad böjkapacitet, men förstärkning för tvärkraft, normalkrafter och i samband med håltagning är också förekommande. I huvudsak har betong varit föremål för förstärkningsinsatser, dock har förstärkningstekniken under de senaste 10 15 åren även anpassats för stål och träkonstruktioner. Förstärkningsprinciperna diskuteras mer ingående i kapitel 3. REFERENSER Meier U., Deuring M., Meier H., & Schwegler G. (1992). Strengthening of Structures with CFRP laminates, Research and Applications in Switzerland. Advanced Composite Materials in Bridges and Structures, Proceedings ACMBS 1, Edt. K. Neal and P. Labossiére, Canadian Society for Civil Engineering, 1992, pp 243 251. Täljsten B. (1994). Plate Bonding, Strengthening of Existing Concrete Structures with Epoxy Bonded Plates of Steel or Fibre Reinforced Plastics. Doctoral Thesis 1994:152D, ISSN 0348-8373, Luleå University of Technology, 1994, p 308. Shinozaki, Hino, Aravinthan, Thiru, Pandey, Govinda Raj, and Mutsuyoshi, Hiroshi (2007). Advancements in retrofitting reinforced concrete structures in Japan using FRP sheets. ISBN 0-909375-78-X. Proceedings of the 23rd Biennial Conference of the Concrete Institute of Australia In: Concrete 07: Design, Materials & Construction: concrete for the future, pp 18 20 oktober 2007, Adelaide, SA, Australien. 14