Details

Mechanical anchorage of prestressed CFRP tendons :theory and tests

by Bennitz, Anders

Abstract (Summary)
Fiberkompositer (FRP) håller sakta men säkert på att etablera sig som ett viktigt material också för byggbranschen. De är lätta, okänsliga för korrosion och dess egenskaper kan i stor utsträckning anpassas efter ändamålet. Möjligheten att variera elasticitetsmodulen tillsammans med hållfastheter som inte sällan är upp till fem gånger högre än för normalt armeringsstål gör dem utmärkta att använda i kombination med betong. Speciellt kolfiberkompositer (CFRP) kan i många fall med fördelaktigt resultat ersätta stålet vid rehabilitering av konstruktioner. I den här avhandlingen presenteras en fallstudie på det området medan fokus ligger på möjligheterna att använda CFRP som förspänningsmaterial samt också på en lösning av förankringsproblematiken vid förspänning med CFRP. FRP är ortotropt vilket i stor utsträckning påverkar dess beteende i olika riktningar. Bäst egenskaper fås om materialet sträcks i fiberriktningen och i den riktningen har CFRP minst lika bra egenskaper som förspänningsstål. Utöver det är det också okänsligt för korrosion och mycket lätt. De mekaniska egenskaperna i transversell riktning är dock inte lika fördelaktiga och tidiga försök att förankra CFRP stänger med traditionella förspänningslås har varit misslyckade. Ett omfattande projekt för att utforma ett användbart och pålitligt lås har därför genomförts. I ett första steg utfördes en litteraturstudie avseende CFRPs möjligheter att ersätta stål vid invändig och utvändig förspänning samt också med avseende på traditionella förankringar för spännarmering. Där framkom att CFRP mycket väl kan fungera som spännarmering men några frågetecken uppstod angående miljöns påverkan på dess långtidsegenskaper och dess böjförmåga vid förspänning över flera spann. De traditionella låsen kommer dock inte att fungera på CFRP, samtliga traditionella lås bygger på att mer än bara friktionen används för att hålla stålet sträckt. Det är möjligt tack vare stålets plastiska egenskaper men fungerar inte i kombination med det spröda beteendet hos CFRP. Dessutom gjordes en sammanställning av de senaste 15 årens forskningsresultat med avseende på  friktionsförankringar av FRP. Från den kan man utläsa att flera idéer har diskuterats i en eller två publikationer men inte mer. Ett kanadensiskt forskarlag, Al-Mayah et al. (2001-2008), har dock tagit utvecklingen längre och koncentrerat sig på varianter av det traditionella killåset. Baserat på det som litteraturstudien gett tas ett beslut om att gå vidare med ett koniskt lås med en hylsa av stål och tre kilar i aluminium. En statisk 2D analys och en matematisk axisymmetrisk modell visar på betydelsen av vinkeln i gränsytan mellan kilen och hylsan. Likaså visar det sig att friktionen i ytorna mellan CFRP stav och kil samt kil och hylsa är viktiga parametrar som styr låsets beteende. Inför laboratorieförsöken krävdes ytterligare kunskap om vilka parametrar som påverkar beteendet mest. Till den parameterstudien användes numeriska modeller. Optimal vinkel hos gränsytan mellan kil och hylsa ska ligga mellan 2 och 3°. Tjockleken på kilen ska vara så liten som möjligt och ett starkt stål minskar rörelserna i låset. En design med en liten utdragning av kilarna i det obelastade stadiet ger också det mindre total longitudinell rörelse i låset. Efter ett par mindre lyckade laboratorieförsök då flera mindre problem, som inte kunde förutses med de analytiska eller numeriska modellerna, rättades till så uppnåddes till slut mycket lyckade resultat. I de korttidsförsök som genomfördes på en 8 mm tjock cirkulär stav uppnåddes 100 % av stavens hållfasthet. För utvärdering av testen så mäts både förskjutningar och töjningar. Fiber Optiska Sensorer (FOS) används för första gången inuti låset för att ge en komplett bild av hur låset beter sig under belastning. Mätningarna jämförs med en uppdaterad variant av den finita element modellen som tar hänsyn till ankarets slutliga utformning. Resultaten stämmer delvis överens men osäkerheten kring de komplicerade friktionsförhållandena och kolfiberkompositens transversella egenskaper gör modelleringen och avläsningen av den svår. Sist presenteras en fallstudie på förstärkningen av en 50 år gammal trågbro i Frövi. Bron förstärks med 23 stycken Near Surface Mounted Reinforcement (NSMR) stänger i underkant av bottenplattan och 11 stycken rör i överkant av plattan. Rören har ytterdiametern 32 mm och en tjocklek av 4 mm, de installeras i hål som borrats genom plattan under överkantsarmeringen. Förstärkningen var mycket lyckad. Kapacitetsbristen hos bron upptäcktes av en konsultfirma under 2005 och nya beräkningar i den här avhandlingen med en ny beräkningsmodell visar att förstärkningen var nödvändig, om än i en något mindre omfattning. Nya beräkningar av den förstärkta kapaciteten visar att bron nu har en kapacitet som med god marginal tar hand om de pålagda lasterna. Långtidsmätningar på plats visar också att kolfiberkompositen är ordentligt utnyttjad.
Bibliographical Information:

Advisor:

School:Luleå tekniska universitet

School Location:Sweden

Source Type:Master's Thesis

Keywords:

ISBN:

Date of Publication:01/01/2008

© 2009 OpenThesis.org. All Rights Reserved.