Terminem FRP (z ang.: Fibre Reinforced Polymers) określa się materiały kompozytowe z tworzyw sztucznych zbrojone różnego rodzaju włóknami. Kompozyty te składają się z dużej liczby małych, ciągłych, ukierunkowanych, niemetalicznych włókien o wysokich właściwościach mechanicznych umocowanych w matrycy żywicznej. Najczęściej spotykane kompozyty to polimery zbrojone włóknami węglowymi, szklanymi lub aramidowymi. Włókna są bardzo efektywnym i użytecznym materiałem do zbrojenia matryc. Materiały kompozytowe uzyskują swoje wysokie parametry mechaniczne (wytrzymałość, sztywność) dzięki odpowiedniej zawartości i rodzajowi włókien. Bardzo wysoki współczynnik długości włókien do ich średnicy, sprawia, że przy odpowiednim wypełnieniu matrycy włóknami liczba ich w jednostkowym przekroju jest bardzo duża, dzięki czemu rozkład obciążeń włókien jest równomierny i wykorzystywane są optymalnie ich właściwości. Matrycą służącą formowaniu kompozytu, to znaczy konstrukcyjnemu połączeniu włókien w jeden element są najczęściej żywice epoksydowe, utwardzane amidami lub anhydrytami. Funkcją matrycy jest ochrona włókien przed uszkodzeniami mechanicznymi lub korozją środowiskową, powiązanie włókien razem i zapewnienie równomiernego rozkładu obciążeń na włókna.

Zastosowanie kompozytów FRP w budownictwie

Coraz szersze stosowanie materiałów kompozytowych FRP do wzmacniania konstrukcji poprzez przyklejanie zewnętrznego zbrojenia wynika głównie z poniższych zalet tego rozwiązania:

• bardzo wysoka wytrzymałość na rozciąganie (zarówno doraźna, jak i długotrwała),
• bardzo wysoka wartość odkształceń granicznych,
• wysoka odporność na korozję,
• mały ciężar (gęstość kompozytów jest na poziomie ¼ gęstości stali),
• łatwość aplikacji w miejscach o ograniczonym dostępie,
• brak konieczności stosowania ciężkiego sprzętu podczas prac z materiałami kompozytowymi,
• redukcja kosztów materiałów pomocniczych, sprzętu i robocizny,
• krótki czas prowadzenia prac związanych ze wzmocnieniem – szybkie oddanie do eksploatacji remontowanego obiektu,
• niemal nieograniczone możliwości projektowe

W tym miejscu jednak należy także zwrócić uwagę na różnice, w porównaniu z tradycyjnymi metodami wzmacniania przez stosowanie kształtowników stalowych. W odróżnieniu od stali materiały kompozytowe charakteryzują się brakiem zakresu plastycznego ich reakcji na obciążenia – stan poprzedzający zniszczenie nie jest sygnalizowany, zniszczenie następuje nagle, po przekroczeniu odkształceń granicznych. Dodatkowo także wrażliwość kompozytów na wysoką temperaturę sprawia, że na etapie projektowania należy przewidzieć odpowiedni sposób ochrony wzmocnienia przed oddziaływaniem wysokiej temperatury (w przypadku pożaru).

Obszary zastosowań systemu FRP

• wzmocnienie elementów betonowych i żelbetowych obciążanych osiowo – maty z włókien węglowych (słupy, podpory mostów i wiaduktów, kominy) w celu podniesienia ich odporności na kruche pękanie i nośności,
• naprawa i wzmocnienie zniszczonych konstrukcji, gdzie konieczne jest dodatkowe zbrojenie na ścinanie (maty z włókien węglowych) lub/i na rozciąganie (taśmy z włókien węglowych)
• wzmacnianie konstrukcji sklepień w zakresie skutków oddziaływań sejsmicznych, bez konieczności zwiększania masy wzbudzeniowej ustroju oraz unikając niebezpiecznego zjawiska perkolacji w kierunku wewnętrznej strony przejścia sklepionego
• naprawa i wzmocnienie konstrukcji zniszczonych na skutek pożaru, wybuchu
• wzmocnienie elementów konstrukcyjnych w zakresie wynikającym ze zmiany funkcji obiektu i sposobu użytkowania

Rodzaje kompozytów FRP stosowanych w budownictwie

Ze względu na swój skład i proces produkcyjny, zarówno taśmy jak i maty z włókien węglowych charakteryzują się stałością swoich parametrów i wykazują wysoką wytrzymałość na rozciąganie (powyżej 2000 MPa), małym ciężarem, zredukowana grubością i wyjątkową wytrzymałością zmęczeniową. Kompozytowe taśmy z włókien węglowych dostępne są najczęściej o modułach sprężystości w zakresie od 160 do 250 GPa, szerokości od 50 do 150 mm i grubości 1,2 mm oraz 1,4 mm.

Z kolei maty z włókien węglowych charakteryzują się gęstością np. 300 i 600 g/m² oraz szerokością rolki od 10 do 50 cm.

Dzięki tak zróżnicowanemu asortymentowi kompozytów FRP możliwe jest dobranie systemu wzmocnienia uzależnionego od indywidualnych warunków obciążenia, wymaganego poziomu nośności końcowej oraz rodzaju i kształtu elementów konstrukcji.

Przykład wzmocnienia stropu kompozytami FRP

Przy zmianie sposobu użytkowania obiektu i wzroście obciążeń stropów żelbetowych wymagana była interwencja. Rozpoczęto od usunięcia zdegradowanego betonu belek stropowych, oczyszczenia i zabezpieczenia prętów zbrojeniowych a dalej reprofilacji ubytków betonu. Na tak przygotowanym podłożu wklejano w strefach rozciąganych taśmy z włókien węglowych a w strefach ścinanych – maty z włókien węglowych.

Przykład aplikacji taśm z włókien węglowych – wzmocnienie wokół projektowanego otworu w stropie

Gdy w stropie żelbetowym trzeba wyciąć otwór, wówczas wokół projektowanego otworu należy wcześniej wkleić taśmy z włókien węglowych, które przeniosą naprężenia w zastępstwie wyciętych prętów zbrojeniowych. Poniżej zdjęcia z przykładowej aplikacji taśm przed wycinaniem otworu w stropie.