Beton, stal i drewno to najbardziej popularne materiały konstrukcyjne stosowane w mostownictwie. Można jeszcze wspomnieć o zastosowaniach aluminium i szkła, które są charakterystyczne dla elewacji nowoczesnych budynków. Modne jest również łączenie kilku materiałów, dla przykładu można tu nadmienić betonowe płyty stropowe w tak zwanym deskowaniu traconym z blachy trapezowej. Podobnie wzmacnianie drewnianych belek stropowych stalowymi cięgnami. Mosty kompozytowe powstają przykładowo przez połączenie stalowych dźwigarów nośnych z betonową płytą pomostu. W ten sposób otrzymujemy konstrukcje kompozytowe. Słowem klucz jest tu konstrukcja. Konstrukcje kompozytowe wyróżnia efektywność wykorzystania tworzących je materiałów składowych. Jednak często wiąże się to z wzmożonym wysiłkiem przy projektowaniu.

Materiał kompozytowy to połączenie dwóch materiałów o na ogół odmiennych właściwościach, które wspólnie tworzą unikalny materiał. Beton to pierwszy przykład materiału kompozytowego, który powstaje w wyniku połączenia kruszywa i zaprawy cementowej. Kompozytem jest też żelbet. Jest to połączenie wytrzymałego na ściskanie betonu i silnej na rozciąganie stali zbrojeniowej. W obu tych przypadkach, natura materiału wskazuje na kompozyt. Mimo to, rzadko słyszy się słowo kompozyt padające w kontekście betonu lub konstrukcji żelbetowych.

Kompozyty włókniste

Innym, rzadziej spotykanym kompozytem w budownictwie jest włókno zatopione w żywicy polimerowej – w skrócie: FRP (z angielskiego: Fibre Reinforced Polymer). Istnieje wiele kombinacji włókna z żywicą. W zależności od wymagań, mogą to być włókna szklane, węglowe lub aramidowe. Różni je wytrzymałość na rozciąganie oraz moduł Younga. Poglądowe wartości parametrów wytrzymałościowych dla kilku rodzajów włókien znajdziesz w tabeli poniżej:

Typ włókna
[-]
Wytrzymałość na rozciąganie
[MPa]
Moduł Younga
[GPa]
Stalowe (S)500 – 2500200
Szklane (G)1500 – 400075
Węglowe (C)1800 – 2600230 – 380
Aramidowe (A)2000 – 300060 – 120

Uważny czytelnik zakwestionuje podane w tabeli wartości wytrzymałości na rozciąganie. Odnosząc te wartości do typowych materiałów konstrukcyjnych jest to jak najbardziej uzasadnione. Jednak tak wysoka wytrzymałość na rozciąganie wynika z mikroskopowego rozmiaru pojedynczych włókien. Struktura materiału w elemencie o średnicy kilku tysięcznych milimetra charakteryzuje się wysokim zorganizowaniem. Mówiąc najprościej, wszystkie siły materiału są przygotowane na rozciąganie. Dlatego te same materiały, ale w większej skali, będą przejawiały właściwości na standardowo oczekiwanym poziomie.

Obraz mikroskopowy włókna węglowego

Łącząc skrót FRP z literą oznaczającą typ włókien otrzymujemy pełniejszą nazwę materiału. Na przykład, GFRP oznacza kompozyt wzmacniany włóknami szklanymi. Sama nazwa GFRP może brzmieć futurystycznie jednak nie daj się zwieść pozorom. Materiał ten jest wykorzystywany na ogromną skalę w różnych sektorach przemysłu. Tworzy się z niego części statków kosmicznych, kadłuby samolotów, skrzydła elektrowni wiatrowych czy obudowy łodzi i samochodów.

Material kompozytowy z włóknem szklanym

Można się kłócić: konstrukcje budowlane wymagają niezawodności co dyskwalifikuje nowe, słabo rozpoznane materiały. Niezawodność konstrukcji jest równie istotna w przypadku budownictwa lądowego jak i w przypadku samolotów i łodzi. Co więcej, w skali światowej można już znaleźć pierwsze zastosowania GFRP w budownictwie jako zbrojenie betonu, cięgna do wzmacnianie konstrukcji czy obudowy modularnych elementów elewacyjnych. A czy można z tego materiału wybudować most?

Mosty kompozytowe

Pierwsza konstrukcja mostowa wykorzystująca tytułowe materiały kompozytowe na elementy nośne powstała niespełna 40 lat temu w Chinach. Również w Polsce istnieje przykład konstrukcji mostowej z zastosowaniem kompozytów. Jest to prosty most belkowy, który na pozór niczym nie różni się od innych mostów. Prawdopodobnie zastanawiasz się co to jest most belkowy. Wygoogluj lub sprawdź w osobnym wpisie o rodzajach mostów.

Most ten powstał w ramach projektu badawczego zatytułowanego: „Opracowanie technologii mostów kompozytowych (projektowanie, produkcja, badania)”. W projekcie uczestniczyli: Mostostal Warszawa, Politechnika Rzeszowska, Politechnika Warszawska oraz biuro projektowe Promost Consulting.

W wyniku projektu powstał unikatowy most drogowy w miejscowości Błażowa koło Rzeszowa. Jest to most belkowy o rozpiętość 21 metrów i szerokości 10 metrów. Na most składają się 4 kompozytowe dźwigary w kształcie litery U oraz żelbetowy płyta pomostu. Jak szacują wykonawcy i projektanci, most ten będzie można eksploatować bez ponoszenia dodatkowych kosztów utrzymanie przez ponad 50 lat. Więcej na temat tego projektu można dowiedzieć się z krótkiego filmu dokumentalnego.

Most kompozytowy w Błazowej koło Rzeszowa, Źródło: Mostostal Warszawa

Projektowanie z kompozytami

Objętościowa ilość zbrojenia w gotowym kompozycie wynosi przeważnie od 30% do nawet 70%. Jest to ściśle zależne od rodzaju kompozytu jak i technologii produkcji. Zasadniczym powodem stosowania włókien jest ich wysoka wytrzymałość i sztywność. Własności mechaniczne kompozytu w znaczącym stopniu zależą od układu włókien i jednorodności. Istnieje kilka form układania włókien, włókna mogą być zorientowane przypadkowo lub uporządkowane w formę tkaniny.

PENTAX Image

Niestety nawet restrykcyjne podejście do procesu produkcji nie jest w stanie wyeliminować niejednorodności i miejscowych defektów struktury gotowego produktu. Rzutuje to na duże różnice w wynikach badań wytrzymałościowych prowadzonych na materiałach pochodzących z tej samej partii. Różnice te mogą przekraczać sto procent co sprawia, że do stosowania materiału należy podchodzić z dużą dozą ostrożności.

Przekłada się to na materiałowe współczynniki bezpieczeństwa jakie należy stosować w projektowaniu. W odróżnieniu od stali czy betonu, dla których istnieją normy projektowe, brak podobnych norm dla kompozytów. Dlatego współczynniki materiałowe należy wyznaczać przy pomocy fizycznych testów.

Czy mosty z materiałów kompozytowe zyskają popularność?

Mimo braku norm, projektowanie mostów z kompozytów wciąż jest możliwe. W takim przypadku należy sięgnąć do normy definiującej zasady projektowania: PN-EN1990 „Eurokod, Podstawy projektowania konstrukcji”. W kwestii projektanta wciąż pozostaje wybór modeli zniszczenia materiału oraz sposób obliczeń. Bez wnikania w szczegóły można z pewnością stwierdzić, że jest to zdania wymagające.

Jakie jest Twoje zdanie? Czy liczne korzyści z stosowania kompozytów przeważą obecnie występujące trudności projektowe? Koszty utrzymania i konserwacji konstrukcji to istotny czynnik, który należy rozważać już na etapie projektu. Czy konieczne będzie pojawienie się pierwszych norm do projektowania przed szerszym zastosowaniem materiału?

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię