Trajnost sustava protupotresnog ojačanja

FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix) sustavi predstavljaju inovativan pristup u ojačanju i sanaciji nosivih konstrukcija, posebno u kontekstu zidanih i povijesnih građevina. Ovi sustavi sastoje se od mreže visokovrijednih vlakana najčešće izrađenih od karbonskih, PBO (poliparafenilen-benzobisoksazolnih), AR-staklenih (alkalno-otpornih staklenih), bazaltnih ili čeličnih vlakana koja se ugrađuju u anorgansku matricu poput cementnog ili vapnenog morta. Takva kombinacija omogućuje prijenos opterećenja između vlakana i podloge te stvara čvrstu i trajnu kompozitnu strukturu.

Za razliku od sustava koji koriste organsku matricu na bazi epoksidnih smola, FRCM sustavi koriste mineralna veziva koja nude niz tehničkih i fizikalnih prednosti osobito u kontekstu konzervatorskih i restauratorskih zahvata.

Glavne prednosti FRCM sustava su:

• Povećana kompatibilnost sa zidanom podlogom

Zahvaljujući upotrebi anorganskih materijala (cement, vapno), FRCM sustavi imaju slična mehanička i fizikalna svojstva kao i tradicionalni građevinski materijali, što smanjuje rizik od degradacije spoja i omogućuje dugotrajniju učinkovitost sustava.

• Paropropusnost

Za razliku od epoksidnih smola koje su paronepropusne, anorganska matrica omogućuje difuziju vodene pare, čime se čuvaju izvorne karakteristike zidova i sprječava zadržavanje vlage. Ovo je osobito važno u obnovi povijesnih građevina, gdje očuvanje „disanja“ zgrade igra ključnu ulogu u zaštiti kulturne baštine.

• Otpornost na visoke temperature

Organske smole u FRP sustavima gube mehanička svojstva na relativno niskim temperaturama (već oko 60 °C), dok FRCM sustavi ostaju funkcionalni i pri temperaturama višima od 800 °C. To ih čini znatno otpornijima na požare i visoke toplinske udare.

Zbog svih navedenih karakteristika FRCM sustavi dokazali su se kao pouzdano rješenje u ojačanju i sanaciji konstrukcija, posebno u slučajevima kada je potrebno očuvati arhitektonsku i povijesnu vrijednost objekta, a istovremeno poboljšati njegovu statičku sigurnost.

Trajnost FRCM sustava od ključne je važnosti za njihovu primjenu u građevinskoj industriji, osobito kada se koriste za sanaciju i ojačanje konstrukcija koje moraju ostati funkcionalne desetljećima bez potrebe za čestim intervencijama. Kako bi se osigurala njihova pouzdanost u različitim okolišnim uvjetima, Europski dokument za ocjenjivanje EAD 340275-00-0104 propisuje niz standardiziranih ispitivanja kojima se ocjenjuje otpornost FRCM sustava na različite oblike degradacije.

Ova norma definirano pokriva nekoliko ključnih vrsta okolišnih i mehaničkih utjecaja:

• Smrzavanje/odmrzavanje

Ispitivanje simulira višestruke cikluse niskih i pozitivnih temperatura da bi se provjerilo kako FRCM sustav reagira na promjene volumena vode u matrici i kapilarima. To je posebno važno u vanjskim i vlažnim uvjetima gdje dolazi do periodičnog zaleđivanja.

• Izloženost vodi i slanoj vodi

Sustavi se izlažu običnoj i slanoj vodi kako bi se provjerila otpornost na koroziju, posebno za čelična i staklena vlakna. Slana voda dodatno povećava agresivnost okoliša zbog prisutnosti klorida koji mogu ubrzati degradaciju vlakana ili matrice.

• Izloženost alkalijama, tlu i gorivima

Ova ispitivanja simuliraju uvjete u kojima materijal dolazi u kontakt s kemikalijama koje mogu reagirati s komponentama sustava. Alkalne otopine testiraju stabilnost vlakana i matrice u povišenim pH uvjetima, dok kontakt s tlom i gorivima (npr. naftni derivati) provjerava ponašanje u industrijskim i podzemnim uvjetima.

• Suhi toplinski ciklusi

Sustavi se izlažu izmjeni visokih i niskih temperatura u suhim uvjetima, čime se simulira dugotrajna izloženost suncu i dnevnim temperaturnim promjenama. Ovo ispitivanje posebno je važno za fasadne i vanjske primjene.

• Zamorna (fatigue) opterećenja

Ispituje se sposobnost FRCM sustava na dugoročna ponavljajuća mehanička opterećenja kao što su vibracije, seizmička opterećenja ili prometna opterećenja u slučaju primjene na mostovima i cestovnim objektima.

Glavni zahtjev norme

Glavni zahtjev norme jest da nakon provedenih ispitivanja FRCM sustav mora zadržati najmanje 80 % svoje početne mehaničke čvrstoće (vlačne ili posmične, ovisno o ispitivanju). To osigurava da čak i pod zahtjevnim okolišnim uvjetima sustav ostaje funkcionalan i pouzdan. Deklarirani vijek trajanja sustava prema normi iznosi 50 godina pod uvjetom da je sustav pravilno projektiran, ugrađen prema uputama proizvođača te da se koristi u uvjetima unutar granica predviđenih projektom.

Norma EAD 340275-00-0104 tako pruža osnovu za tehničko odobravanje (ETA) FRCM sustava na razini Europske unije, čime se omogućuje njihova sigurnija i šira primjena u građevinskoj praksi uključujući i zahtjevne projekte očuvanja kulturne baštine te seizmičke sanacije.

Trajnost i učinkovitost FRCM sustava nisu potvrđene samo normativnim ispitivanjima, već i brojnim eksperimentalnim studijama provedenima u laboratorijskim i realnim uvjetima te nizom međunarodnih istraživačkih projekata provedenima na sveučilištima i istraživačkim institutima diljem Europe i svijeta koji su doprinijeli boljem razumijevanju ponašanja FRCM sustava tijekom vremena.

Značajnu ulogu u standardizaciji i primjeni FRCM sustava imaju i talijanske smjernice CNR-DT 215/2018 koje nude tehničke upute za dizajn, ugradnju i ispitivanje FRCM sustava. Ove smjernice oslanjaju se na radove brojnih talijanskih stručnjaka koji su svojim istraživanjima oblikovali temelje za razumijevanje i pravilnu primjenu ovih sustava u praksi.

Ključni zaključci tih istraživanja uključuju:

• Zadržavanje ≥ 90% mehaničke čvrstoće nakon cikličkih opterećenja

• Visoka duktilnost i sposobnost disipacije energije u seizmičkim uvjetima

• Otpornost na smrzavanje i vlagu

• Terenska ispitivanja na objektima u Italiji i Grčkoj

CRM sustavi (Composite Reinforced Mortar) predstavljaju tehnologiju za ojačanje i konsolidaciju zidanih konstrukcija. Za razliku od FRCM sustava koji koriste suhu mrežu u anorganskoj matrici, CRM sustavi koriste predimpregnirane (najčešće krute) FRP mreže, što znači da su vlakna već tvornički impregnirana smolom, čime se osigurava njihova homogenost i bolja kontrola svojstava. CRM sustav obično se sastoji od triju osnovnih komponenti:

• Predimpregniranih FRP mreža (najčešće staklenih vlakana) koje služe kao glavni nositelji vlačne čvrstoće
• Kutnih elemenata i konektora koji osiguravaju mehaničku vezu između mreže, morta i nosive podloge (te sprječavaju odvajanje slojeva)
• Strukturnog morta za ziđe koji služi kao anorganska matrica osiguravajući prijenos naprezanja te kompatibilnost s tradicionalnim materijalima zidanih konstrukcija.

Zahtjevi prema normi EAD 340392-00-0104

Kako bi CRM sustavi zadovoljili tehničke standarde za sigurnu i dugotrajnu upotrebu, moraju proći niz strogo definiranih ispitivanja u skladu s EAD 340392-00-0104. Ova norma zahtijeva:

• Testove vlačne i posmične čvrstoće mreže kojima se utvrđuje maksimalno opterećenje koje sustav može podnijeti prije loma kao i sposobnost prenošenja sila između morta i mreže
• Ispitivanje otpornosti konektora na izvlačenje (pull-out test) i zamorna (fatigue) opterećenja kako bi se osigurala dugotrajna stabilnost mehaničkih veza unutar sustava
• Ispitivanje otpornosti na okolišne utjecaje uključujući vodu, slanu vodu (NaCl), alkalne otopine i cikluse smrzavanja/odmrzavanja. Time se provjerava koliko CRM sustav može zadržati svoja mehanička svojstva u realnim klimatskim i agresivnim uvjetima
• Određivanje temperature staklastog prijelaza (Tg) – ključno svojstvo smole u mreži koje označava granicu nakon koje materijal prelazi iz čvrstog u elastično stanje. Tg mora biti dovoljno visok kako bi se osigurala stabilnost mreže i pri povišenim temperaturama.

Normativni zahtjev

Nakon svih ispitivanja CRM sustav mora zadržati najmanje 80 % svoje početne mehaničke otpornosti, što jamči pouzdanost u dugotrajnoj uporabi.

Projektirani vijek trajanja CRM sustava, prema EAD dokumentu, iznosi 50 godina uz uvjet pravilne ugradnje i korištenja unutar predviđenih granica.

Kao i kod FRCM sustava, različita eksperimentalna i terenska ispitivanja znanstvenih i istraživačkih institucaja potvrdila su trajnost CRM sustava u laboratorijskim, ali i u realnim uvjetima.

FRP (Fiber Reinforced Polymer) sustavi predstavljaju jednu od najraširenijih metoda za ojačanje konstrukcija, osobito u armiranobetonskim zgradama, mostovima i industrijskim objektima. Sustavi se temelje na korištenju vlaknastih materijala visoke čvrstoće ugrađenih u organsku matricu, najčešće epoksidnu smolu. Osnovna prednost ovog sustava iznimno je visok omjer čvrstoće i mase, što omogućuje ojačanje bez značajnog povećanja težine konstrukcije. Vrste vlakana koja se koriste su najčešće karbonska, staklena i bazaltna. FRP sustavi pružaju niz tehničkih i izvedbenih prednosti:

• Vrlo visoka vlačna čvrstoća – ovisno o vrsti vlakana, čvrstoće mogu doseći i do 3000 MPa, što je višestruko više od čelika.
• Mala debljina i masa – omogućuju ojačanje bez promjene dimenzija konstrukcije, pogodno za prostore gdje je masa ili prostor ograničen.
• Jednostavna primjena na površinu – lamele i tkanine lako se oblikuju prema geometriji konstrukcije (lukovi, grede, stupovi), što omogućuje brzu ugradnju bez teških strojeva.

Unatoč brojnim prednostima FRP sustavi imaju i određena ograničenja koja se moraju uzeti u obzir:

• Niska otpornost na visoke temperature – organske smole imaju temperaturu staklastog prijelaza (Tg) između 60 i 120 °C, iznad koje dolazi do gubitka mehaničkih svojstava smole. Zbog toga se FRP ne preporučuje za konstrukcije izložene požarima ili trajno visokim temperaturama bez dodatne zaštite.
• Osjetljivost na vlagu i UV zračenje – ako nisu zaštićeni premazima ili završnim slojevima, smole mogu degradirati, što uzrokuje gubitak adhezije i mehaničkih svojstava tijekom vremena.
• Slaba kompatibilnost sa starim ziđem – zbog različite paropropusnosti i termičkog ponašanja FRP nije uvijek idealan za ojačanje povijesnih objekata izrađenih od vapnenog morta i opeke.

Trajnost FRP sustava ispituje se pomoću laboratorijskih testova i terenskih praćenja, a brojna međunarodna istraživanja potvrđuju njihovu pouzdanost u optimalnim uvjetima:

• Ispitivanja prema ACI (American Concrete Institute) i fib (Fédération internationale du béton) pokazala su da FRP sustavi zadržavaju više od 80 % početnih mehaničkih svojstava nakon 1000 sati izloženosti visokoj vlažnosti i temperaturi (tipično 50 – 60 °C).
• CFRP trake primijenjene na vanjskim konstrukcijama (npr. mostovi, industrijske hale) u trajanju većem od 10 godina pokazale su stabilna mehanička svojstva i minimalnu degradaciju pod uvjetom da su zaštićene od direktne UV izloženosti.
• GFRP sustavi pokazuju povećanu osjetljivost na vlagu i alkalne uvjete zbog čega se preporučuju zaštitni slojevi ili zaštitni mortovi ako se koriste u agresivnim okolišima.
• Ugradnja FRP sustava zahtijeva strogo pridržavanje tehničkih uputa – osobito u pogledu temperature, vlažnosti i vremena reakcije smole jer čak i male nepravilnosti mogu uzrokovati loše prianjanje i prerano otkazivanje sustava.

FRP sustavi visoko su učinkovit alat za konstruktivno ojačanje i sanaciju armiranobetonskih elemenata pod uvjetom da se primjenjuju u suhim, kontroliranim uvjetima i uz dodatnu zaštitu od okolišnih utjecaja. U osjetljivim i povijesnim konstrukcijama, gdje je potrebna paropropusnost i kompatibilnost s vapnenim mortovima, bolje rješenje mogu biti FRCM ili CRM sustavi. 

Iako su FRCM, CRM i FRP sustavi dokazano učinkoviti u ojačanju konstrukcija, njihova dugoročna učinkovitost i sigurnost uvelike ovise o načinu projektiranja, kvaliteti ugradnje te o kontroli okolišnih i operativnih uvjeta. Svaki sustav ima karakteristične mehanizme otkazivanja koji se najčešće javljaju zbog nepridržavanja tehničkih smjernica tijekom izvedbe. Stoga je pravilna primjena ključna kako bi se osigurala trajnost i funkcionalnost ojačanja.

FRCM i CRM sustavi temelje se na anorganskoj matrici (cementnom ili vapnenom mortu) koja je po svojoj prirodi kompatibilnija s podlogom, ali i podložna specifičnim oblicima otkazivanja:

• Odvajanje sustava od podloge

  Jedan od najčešćih uzroka otkaza nedovoljno je pripremljena podloga (prašina, slaba kohezija, vlaga, masnoće...). U takvim slučajevima dolazi do delaminacije slojeva morta s vlaknima, često bez puknuća vlakana, što znatno smanjuje učinkovitost ojačanja.

• Klizanje vlakana unutar matrice

  Ako prijenos naprezanja između vlakana i matrice nije dovoljno dobar (zbog nepravilno ugrađenog morta ili nepotpune impregnacije), dolazi do mikroklizanja vlakana, što umanjuje ukupnu vlačnu čvrstoću i energijsku disipaciju sustava.

• Lom u prijelaznim zonama

  Prijelaz između armirane i nearmirane zone (npr. kraj mreže) često je točka koncentracije naprezanja. Ako nisu izvedene dilatacije, sidrenja ili prijelazni detalji, tu može doći do lokalnog loma ili odvajanja.

• Lokalni otkaz čvorova kod CRM sustava

Kod CRM sustava, osobito ako se koriste konektori, moguće je lokalno izvlačenje ili pucanje tih elemenata ako nisu pravilno sidreni u podlogu, čime se gubi cjelovitost armiranog sloja.

Za razliku od FRCM i CRM sustava, FRP sustavi koriste organsku matricu (epoksi smolu), što im daje visoku čvrstoću, ali su osjetljiviji na uvjete okoliša i nepravilnosti u izvedbi:

• Delaminacija zbog nepravilne ugradnje

  Ako smola nije homogeno nanesena, ako dođe do stvaranja zračnih džepova ili ako podloga nije pravilno očišćena i osušena, dolazi do delaminacije – gubitka veze između slojeva ili između FRP trake i konstrukcije.

• Gubitak adhezije uslijed vlage i prašine

  Vlažna ili zaprašena podloga značajno umanjuje adheziju epoksidne smole, što dovodi do gubitka nosivosti ojačanja u početnim fazama.

• Degradacija epoksidne matrice uslijed UV zračenja, vlage i visokih temperatura
  Organske smole osjetljive su na vanjske utjecaje, osobito ako temperatura prijeđe Tg (temperaturu staklastog prijelaza). Iznad Tg smola postaje meka, elastična i gubi svoja mehanička svojstva, što može dovesti do deformacija ili loma pod opterećenjem.
• Krti lom

Za razliku od sustava s anorganskom matricom, FRP sustavi često su krti, što znači da mogu otkazati naglo i bez značajne prethodne deformacije. To predstavlja rizik u smislu sigurnosti jer ne ostavljaju vrijeme za reakciju u slučaju preopterećenja.

Bez obzira na vrstu sustava, nekoliko je pravila univerzalno primjenjivo za sprječavanje otkazivanja sustava ojačanja:

• Temeljita priprema podloge – mehaničko čišćenje, uklanjanje prašine, soli, vlage i svih tvari koje mogu smanjiti prianjanje.
• Stroga kontrola ugradnje – rad s obučenim osobljem, upotreba certificiranih materijala, poštivanje okolišnih ograničenja pri ugradnji.
• Uvažavanje okolišnih uvjeta – poznavanje utjecaja UV zračenja, vlage, agresivnih kemikalija i temperaturnih oscilacija na performanse sustava.
• Pravilno projektiranje prijelaznih zona i sidrenja – osobito kod rubova, kutova i spojeva kako bi se izbjegla lokalna koncentrirana naprezanja.

Pravilna izvedba nije samo tehnički zahtjev – ona je ključna sigurnosna komponenta. Nepravilnosti u primjeni mogu rezultirati bržim gubitkom funkcionalnosti, potrebom za sanacijom, pa čak i strukturnim otkazom konstrukcije.

Svi sustavi imaju svoju optimalnu primjenu ovisno o materijalu podloge, tipu konstrukcije, zahtjevima otpornosti kao i konzervatorskim ograničenjima (osobito u kulturnoj baštini). Normativni okvir omogućuje usporedivost, certifikaciju i kontrolu kvalitete, a pravilna primjena tih normi ključna je za dugoročnu sigurnost i učinkovitost ojačanja.

Eksperimentalni podaci (Politecnico di Milano, fib, ACI...) potvrđuju da:

• FRCM sustavi zadržavaju >90 % nosivosti nakon ciklusa smrzavanja, vlage i seizmičkih ispitivanja bez znakova degradacije ni nakon više godina izloženosti realnim uvjetima okoliša.
• CRM sustavi pokazuju visoku postojanost čak i u agresivnim okolišnim uvjetima, no zahtijevaju pažljivu ugradnju i sidrenje.
• FRP sustavi mogu dugoročno očuvati svojstva ako su pravilno zaštićeni i ugrađeni, ali su osjetljiviji na vlagu, UV i visoke temperature.

S obzirom na sve navedene čimbenike, FRCM sustavi izdvajaju se kao najuravnoteženiji izbor za trajno ojačanje zidova, osobito u povijesnim objektima gdje je očuvanje izvornih materijala, paropropusnost i kompatibilnost ključna. Također su se pokazali najboljim izborom u seizmički aktivnim područjima, gdje je potrebna kombinacija duktilnosti, otpornosti i trajnosti, te u uvjetima visoke vlage i temperaturnih oscilacija, gdje organski sustavi mogu otkazati.

Njihova otpornost na sve ključne okolišne utjecaje (vlaga, sol, smrzavanje, toplina), potvrđena kroz stroga laboratorijska i terenska ispitivanja, čini ih pouzdanom i dugovječnom opcijom za ojačanje zidane baštine, ali i za modernu arhitekturu koja traži održiva rješenja.