reabilitarea arcadelor de zidărie cu materia l compozit avansat

Reabilitarea arcadelor de zidărie cu material compozit avansat

compatibil

Reabilitarea arcadelor de zidărie cu material compozit avansat compatibil

Structurile de zidărie fac parte din patrimoniul nostru arhitectural. Este greu de imaginat mediul construit fără aceste structuri. Mai mult, ele cuprind adesea arcade de zidărie, esențiale pentru un număr mare de clădiri, dintre care multe sunt istorice, culturale dar și foarte importante din punct de vedere funcțional: locuințe, clădiri religioase, poduri, podețe, apeducte, și căi navigabile.

Prin urmare, având în vedere necesitatea de a conserva patrimoniul moștenit de la generațiile anterioare și faptul că această activitate poate fi susținută de politica de investiții care vizează lucrările de restaurare, importanța unui studiu aprofundat de metode de restaurare și soluții care sunt aplicabile structurilor de zidărie eficientă și fezabilă devine evident.


Principala provocare constă în dezvoltarea de noi tehnici, materiale și procese de armare, care va duce la descoperirea de soluții alternative la cele tradiționale.

Arcadele de zidărie pot fi deteriorate de efectele îmbătrânirii, întreținerea proastă, efectele oboselii, cutremure, schimbări arhitecturale etc. În consecință, este important să se evalueze siguranța structurală a clădirii și dacă acest lucru este necesar se va proiecta o soluție de armare.

Consolidarea eficientă restabilește performanța structurală, mărește capacitatea de încărcare și previne colapsul.


Prin tehnicile de armare convenționale se pot introduce elemente structurale noi pentru rigidizarea arcelor care cresc sarcina aplicată și schimbă comportamentul structural natural al clădirii.

În ultimii ani, noi materiale de armare utilizate și în alte domenii cum ar fi aeronautica, au fost folosite la restaurare. Aceste materiale sunt Polimeri Armați cu Fibre (FRP), constituite din fibre sintetice încorporate în rășini.

În cazul multor clădiri de patrimoniu, rășinile epoxidice sunt total interzise datorită incompatibilității cu substraturile.


O soluție alternativă la incompatibilitățile fizico-chimice ale FRP aplicate pe zidărie o poate constitui consolidarea cu mortar cu armare textilă TRM.

TRM provine din substituirea unei matrice organice cu o matrice anorganică. Acesta poate fi un mortar fie bazat pe ciment (atunci când utilizarea cimentului este acceptabilă), fie un mortar local nebazat pe ciment compatibil cu materialele specifice fiecărei lucrări.

Acest nou material poate fi o soluție promițătoare pentru consolidarea structurilor de zidărie, datorită principalelor sale proprietăți:


• permeabilitatea vaporilor de apă care îl face aplicabil pe zidărie și indicat în cazul substraturilor umede;

• nu emite substanțe toxice, prin urmare nu necesită utilizarea unui echipament special;

• este ușor de manipulat;• se poate aplica pe suprafețe deteriorate neregulate ca un

material de nivelare, fără tratament specific, reducând astfel numărul de legături slabe;

• este rezistent la foc;• nu necesită muncă specializată.


În prima fază s-au studiat caracteristicile materialului. Proprietățile fizico-chimice permit obținerea de date în vederea stabilirii compatibilității mutuale între materialele care alcătuiesc un arc și cele utilizate pentru armarea lui, în timp ce proprietățile mecanice ale materialelor permit determinarea parametrilor de rezistență și legile de comportament.

În a doua etapă, lucrările experimentale pe arcade de zidărie (construite cu materiale și geometrie prezente în structurile reale) au fost concepute pentru a caracteriza comportamentul structural al arcadelor neconsolidate și pentru a studia influența sistemului de consolidare asupra comportamentului arcadelor.


Materialul de consolidare folosit se bazează pe textil bazaltic inclus într-o matrice de mortar BTMR, tipul și calitatea mortarului folosit în consolidare cruciale cruciale pentru viața unei construcții din piatră.Analiza fizico-chimică:Analiza petrografică (Fig. 1) arată că granulele fine de piatră au dimensiuni uniforme, prezintă mediu de coeziune scăzută și un grad scăzut de compactare. Acesta este compus din 65% cuarț în care predomină boabe albe de-a lungul unor vene roșiatice. Nisipul este de granulozitate fină, uniformă de culoare galben-gri, cu ușoare tonuri de roz, destul de slabe la atingere.


Fig. 1. Analiza petrografică. Macroscopic (stânga) și microscopice (dreapta) fotografii.


Analiza mecanicăAnaliza mecanică a fost efectuată pe materialele

constitutive ale arcadelor, precum și pe materialul compozit folosit la consolidarea lor.Textila bazaltică

Materialul textil a fost analizat în laborator cu ajutorul testelor de tracțiune uniaxială, variind cantitatea de fibre, așa cum este prezentat în Fig. 2. Inainte de caracterizarea acestui textil au fost consultate standardele referitoare la testarea produselor similare.


În timpul încercărilor, fibrele au început să absoarbă sarcina încet până când toate firele sunt aliniate. Din acest moment, sarcina a fost distribuită uniform printre toate firele și absorbția de sarcină a crescut mai repede și într-un mod linear. Când a început să se rupă în mănunchiuri, sarcina a scăzut rapid.

Fig. 2. Încercări la întindere ale mai multor exemplare de textile bazaltice.


Tipul epruvetei

ff (N) σf (MPa) ff (N/fibra) ff (mN/Tex) ff (kN/m) e(ff) Ef (GPa)

TL1 1240 1170 1240 417 50 0.0224 56

TL2 2693 1101 1347 453 54 0.0292 49

TL4 3790 894 948 319 38 0.0218 52

TT4 2849 631 712 240 29 0.0238 43

Tabelul 6. Rezultatele testelor la întindere a textilelorTL1: valoarea medie de cinci teste.TL4: valoarea medie de zece teste. TT4: valoarea medie de nouă teste.


Comparând rezultatele obținute în cazul în care s-au testat epruvete cu una sau două fibre, creșterea rezistenței finale a eșantionului este aproximativ proporțională cu numărul de fibre; totuși, acest lucru nu este valabil și pentru un număr mai mare de fibre. În cazul specific al TL4, rezistența finală este cu 24% mai mică în comparație cu rezistența finală a modelului cu o singură fibră.Mortar armat cu textil (TRM)

În momentul testării structurilor armate, nu a putut fi observată o alunecare între mortar și textil până la punctul de colaps. Testele s-au efectuat la o viteză de 0,5 mm / min cu patru traductoare de deplasare LinearVariable (LVDTs), două pe fiecare parte. (Fig. 3)


Fig. 3. Pregătirea și testarea probelor TRM.


Construirea arcadelorUn total de șase arcade au fost construite cu următoarele

dimensiuni: lungime 1130 mm, înălțime 440 mm, adâncime 250 mm și lățime 120 mm (Fig. 4). Trei arcade neconsolidate și trei consolidate pe extrados. Această soluție a fost aleasă pentru că nu poate fi modificată de multe ori partea vizibilă a structurilor istorice.

Cu obiectivul de a studia modul în care influențează mortarul zidăria, unul dintre arcele neconsolidate(A1) a fost construit fără mortar, spre deosebire de celelalte două (A2 și A3), care au fost construite cu articulații de mortar de var. Restul de arcade au avut o cantitate mică de mortar (în jur de 5 mm grosime), pentru stabilirea articulațiilor.


Fig. 4. Geometria arcadelor


În cercetările anterioare s-a propus folosirea ancorelor pentru a îmbunătăți aderența între straturile textile și arc. Prin urmare, au fost plasate ancore de vârf în cele trei arcade din bolțari (vezi fig. 5). Ele constau dintr-un fir de bazalt filetat introdus într-o gaură perforată în piatră, care este umplut cu pastă de ciment. Jumătate din lungimea ancorei de tip spiță a fost introdusă în piatră și cealaltă jumătate a rămas afară susținând straturile de bazalt. În cele din urmă, se aplică un ultim strat de mortar. Grosimea medie a sistemului de consolidare a fost de 15 mm.


Fig. 5. Dispunere ancore tip spiță (stânga) și consolidarea arcadei de zidărie (dreapta)


Arcul de testare Testele au fost efectuate pe platformă TECNALIA. Sarcina a fost aplicată la un sfert de arc (a se vedea fig. 4), distribuită de-a lungul întregii suprafațe superioare a segmentului cu numărul 5, în scopul de a facilita prăbușirea structurii. Testele au fost efectuate până la colaps, folosind controlul deplasării, la o viteză de 0,12 mm / min. Arcadele au fost testate pe un cadru metalic, în scopul de a le oferi un suport rigid. În timpul testelor, s-a urmărit apariția fisurilor, formarea de articulații, comportament, etc


În cazul arcului A1 (construit fără mortar), încărcarea a fost aplicată în mod progresiv până când aceasta a atins valoarea maximă de 0,98 kN. Ruperea s-a produs brusc și fără deformări mari comparativ cu arcele consolidate.

Arcele A2 și A3 au suferit oscilații ale încărcării ca rezultat al așezării bolțarilor din cauza strivirii neregulate a mortarului de îmbinare. După atingerea sarcinii de rupere (1,3 kN și respectiv 1,45 kN,), cedarea s-a produs prin formarea a patru articulații care au transformat structura într-un mecanism. În această etapă curba tensiune-deformare, nu pare adecvată pentru a face o analiză sau comparație între eșantioane, deoarece acestea sunt deja convertite într-un mecanism.


Punctele în care s-au format articulații au fost aceleași pentru arcurile A1 și A2. În cazul arcului A3, articulația s-a format pe partea opusă a încărcăturii. Ordinea de apariție a articulațiilor este aceeași pentru arcurile A1 și A3 (vezi Fig. 6).

Fig. 6. Locația și ordinea de apariție a articulațiilor în cazul arcadelor neconsolidate


Arcade întărite pe extradosS-a observat că prin sistemul de consolidare al arcelor

EX1 și EX2 se întârzie formarea articulațiilor pe intradosul de arc. În cazul EX1, deși a fost observată o ușoară alunecare a trapezului, eșecul a fost cauzat de ruperea BTRM în zona de îninsă, în timp ce în cazul EX2, prăbușirea a fost cauzată de desprinderea sistemului de întărire sub o sarcină mai mică decât în primul caz. În cazul arcului EX3, colapsul a fost cauzat de strivirea unui segment. Fig. 6 prezintă locul și ordinea de formare a articulațiilor de pe arcade. În unele cazuri, nu a fost posibil să se determine ordinea de apariție a articulațiilor, deoarece eșecul final a avut loc brusc.


Fig.7. Localizarea și ordinea de apariție a articulațiilor la arcadele consolidate pe extrados.


Fig. 8. Fotografii

detaliate ale arcului EX2


ConcluziiTestarea arcadelor de zidărie întărite pe suprafața

exterioară cu textil bazaltic inclus într-o matrice de mortar BTMR a arătat simplitatea de aplicare, în special, pentru construcțiile cu formă complexă (arce, bolți, etc), precum și eficacitatea acestui sistem de întărire, deoarece îmbunătățește în special comportarea mecanică a structurii din punct de vedere al capacității rezistive și de deformare.

Mai mult, folosirea de mortare fără ciment oferă compatibilitate fizico-chimică cu substratul de piatră și previne ruperea substratului, care este aceeași și în cazul întăririlor pe bază de polimeri.


Acestea sunt aspecte foarte importante pentru conservarea patrimoniului istoric și este un punct pozitiv dacă consolidarea poate fi făcută fără extragere de substrat.

În prezent, textilul bazaltic inclus într-o matrice de mortar BTMR este un material ideal pentru a fi aplicat ca nucleu de rezistență la consolidarea structurilor de zidărie datorită proprietăților sale excelente cum ar fi: deformabilitate, cost scăzut și rezistență la temperaturi de coroziune, umiditate ridicată. De asemenea, este de remarcat costul competitiv al acestui sistem, comparativ cu metodele curente de armare.


În concluzie, BTRM este o soluție eficientă în consolidarea structurilor în formă de arcade de zidărie și poate fi o posibilă alternativă la utilizarea sistemului de întărire tradițional.


Bibliografie:• Luciano R, Marfia S, Sacco E. Reinforcement of masonry arches by FRP materials:

experimental tests and numerical investigations. University of Cassino; 2002.• Schwegler G. Masonry construction strengthened with fiber composites in

seismically endangered zones. In: Proceedings of 10th European conference on earthquake engineering, Vienna, Austria; 1994.

• H. Saadatmanesh Fiber composites for new and existing structures ACI Struct J, 91 (1994), pp. 346–354

• Triantafillou TC. Innovative strengthening of masonry monuments with composites. In: Proceedings of 2nd international conference advanced composite materials in bridges and structures, Montreal, Quebec, Canada; 1996.

• Valluzzi MR, Modena C. Experimental analysis and modelling of masonry vaults strengthened by FRP. III Int. Seminar on Structural Analysis of Historical Constructions (SAHC-2001), Guimaraes (Portugal); 7–9 November 2001. p. 627–35.


• Foraboschi P. Strengthening of masonry arch bridges using advanced composite materials. In: Figueiras et al., editor. Composites in construction; 2001. ISBN 90-2651-858-7.

• Lissel SL, Gayevoy A. The use of frp’s in masonry: A state of the art review. In: Proceedings of international conference on the performance of construction materials, Cairo, Egypt; 2003. p. 1243–52.

• D. Oliveira, I. Basilio, P. Lourenço FRP strengthening of masonry arches towards an enhanced behaviour

• Como M, Ianniruberto U, Imbimbo M. La resistenza degli archi murari rinforzati con fogli in FRP. In: Proceedings of Mechanics of masonry structures strengthened with FRP – materials, Venezia, Italy; 2006.

• Briccoli Bati S, Rovero L, Tonietti U. Experimental analysis on scale models of CFRP reinforced arches. In: MuRiCo3 conference, Meccanica delle strutture in muratura rinforzate con compositi, Venice; 22–24 April, 2009.


• Jasienko J, Di Tommaso A, Lukasz B. Experimental investigations into collapse of masonry arches reinforced using different compatible technologies. In: MuRiCo3 conference, Meccanica delle strutture in muratura rinforzate con compositi. Venice; 22–24 April, 2009.

• Basilio I. Strengthening of arched masonry structures with composite materials. PhD Thesis. Escola de Engenharia Universidade do Minho; 2007.

• De Lorenzis L, Dimitri R, La Tegola A. Strengthening of masonry edge vaults with FRP composites. Composites in Construction 2005. In: 3rd International conference, Lyon, France; July 11–13, 2005.

• Aiello MA, De Lorenzis L, Galati N, La Tegola A. Bond between FRP laminates and curved concrete substrates with anchoring composite spikes. In: Proceedings IMTCR’04, Lecce, Italy; 2004.

• Garmendia L. Rehabilitation of masonry arches by a compatible and minimally invasive strengthening system. Doctoral Thesis. Escuela de Ingeniería de Bilbao; 2010.


• Garmendia L, San-José JT, García D, Larrinaga P, San-Mateos R, Díez J. Experimental study on masonry arches strengthened with textile-reinforced mortar. Structural faults & repair, Edinburgh: Meigle Colour Printers Ltd; 2010. ISBN 0-947644-67-9.

• OPERHA. Open and fully compatible next generation of strengthening system for the rehabilitation of Mediterranean building heritage. Contract no: 517765 (INCO), 6th FP; 2006–2008.

• García D. Experimental and numerical analysis of stone masonry walls strengthened with advanced composite materials. PhD Thesis. Escuela de Ingeniería de Bilbao; 2009.

• Oliveira D, Lemos C, Lourenço PB. Masonry arch bridges in the Northwest of Iberian Peninsula: from geometrical issues to load carrying capacity. REHABEND 2009. Tecnología de la rehabilitación y gestión del patrimonio construido, Bilbao; 29–30 octubre 2009. ISBN 978-84-8873-404-4.

• Martín-Caro JA. Análisis estructural de puentes arco de fábrica. Criterios de Comprobación. PhD Thesis of structural analysis of masonry arch bridges. Polytechnic University of Civil Engineering of Madrid; 2001.


• J. Heyman The masonry arch Ellis Horwood Limited (1982)• Di Tommaso A, Focacci F, Mantegazza G, Gatti A. FRCM vs FRP composites to

strengthen RC beams: a comparative analysis. In: 8th international symposium on fiber-reinforced polymer reinforcement for concrete structures, Patras; July 16–18, 2007.

reabilitarea arcadelor de zidărie cu materia l compozit avansat

Documents