Projekt 6099 – Avslutat Fiberkompositarmering
Fördjupningsmaterial
Informationsblad
Sammanfattning
En fiberkomposit är ett material bestående av någon form av fiber, oftast kol-, aramid- eller glasfiber, inbäddad i en polymer, till exempel epoxi eller vinylester. Fiberkompositer har hög draghållfasthet, låg elasticitetsmodul, låg vikt och god korrosionsbeständighet. Materialen har under lång tid använts inom rymd- och flygindustrin på grund av sin mycket höga hållfasthet i förhållande till sin vikt, men har ännu ej funnit särskilt stora användningsområden inom byggindustrin.
Sedan 30 år tillbaka pågår dock forskning och utveckling kring fiberkompositmaterial för användning inom byggindustrin och i dagsläget finns ett flertal produkter för olika tillämpningar. Framför allt har materialen använts för armering av betong i både slak- och spännarmerade konstruktioner. De har även funnit tillämpningar i hängkonstruktioner och som förstärkning av befintliga konstruktioner. I det senare fallet i form av pålimmade fiberlaminat eller lindade pelare. Andra exempel är som gallerdurk och spaltgolv inom kemisk industri, i stall eller i andra miljöer med betydande kemiska angrepp på byggmaterial.
Syftet med detta inledande delprojekt har varit att visa på möjligheter och problem vid användandet av fiberkompositer samt ge referenser till litteratur och utförda projekt för vidare studier. Med bidrag från SBUF har arbetet utförts av NCC AB i samarbete med Chalmers, Stabilator AB, Selmer Bygg Göteborg AB, Färdig Betong AB, Besab och FoU-Väst.
En sammanställning av tillgänglig information har gjorts avseende fiberkompositers sammansättning och materialegenskaper, kommersiella produkter, användningsområden med särskild inriktning mot armering av betong samt erfarenheter från utförda byggprojekt. Sammanställningen baseras på litteraturkällor och samtal med personer som varit involverade i byggprojekt där kompositer har använts som byggmaterial.
Normer och föreskrifter som reglerar provningsmetoder, materialegenskaper, dimensionering och utförande för betong armerad med fiberkompositer finns i Japan och Kanada. Därutöver har flera tillverkare tagit fram dimensioneringsanvisningar för sina egna produkter. Den goda korrosionsbeständigheten gör att armeringskorrosion inte behöver tas hänsyn till vid bestämning av det täckande betongskiktets tjocklek. Denna goda egenskap gör att de sprickbredder som kan accepteras reduceras till en estetisk fråga. Momentkapaciteten för betongkonstruktioner armerade med fiberkompositarmering kan enligt rapporten bestämmas på samma sätt som när armeringen utgörs av stål. Dock måste hänsyn tas till att för flertalet fabrikat är fiberkompositarmeringens arbetskurva linjär till brott vilket gör att underarmerade balkar får sprödbrott i armeringen och att omfördelning av moment på grund av plasticitetszoner ej kan tillåtas. Materialets förhållandevis låga elasticitestmodul gör att styvheten i förankringen mellan fiberkompositarmering och betong är lägre än den mellan armeringsstål och betong vilket måste tas hänsyn till vid beräkning av vidhäftningen mellan armering och betong. Den låga elasticitetsmodulen ger även upphov till stora sprickbredder vilket förmodligen minskar betongsektionens förmåga att överföra tvärkrafter jämfört med betongkonstruktioner armerade med stål.
Erfarenheter av fiberkompositmaterial från utförda projekt har hämtats från Sverige, Japan och USA. Vid byggandet av Hasselbladslaboratoriet i Göteborg krävdes i vissa delar av laboratoriet en omgivning som ej stör magnetfälten. För de slakarmerade konstruktionerna valdes fiberkompositmaterial före rostfritt stål av kostnadsskäl. Stängernas låga vikt underlättade arbetet, trots att de måste förankras noggrant för att ej flyta upp vid gjutning. Den låga elasticitetsmodulen gjorde att deformationskriterier blev avgörande för erforderlig armeringsmängd och även att stängernas styvhet var låg, vilket i sin tur medförde krav på bättre najning och klossning för att undvika skador under armering och gjutning. Avsikten var att även använda fiberkompositer i byglar och som spännarmering, men på grund av att byglarna var svåra att tillverka och att de spända stängerna brast i förankringarna före gjutning blev det slutliga valet rostfritt stål för dessa tillämpningar.
Ucklums Bygg använde fiberkompositmaterial vid byggandet av ett hus för elallergiker i Göteborg. Armeringen upplevdes som lättarbetad på grund av dess låga vikt och att det var enkelt att kapa stängerna. Man hade inte problem med att stängerna ville flyta vid gjutning. Däremot var det ett problem att man inte kunde bocka stängerna.
I Halmstad restaurerade Stabilator Renhållningsbolagets skorsten genom att avlägsna den dåliga betongen, rengöra den befintliga armeringen från rost och behandla den med korrosionsinhibatorer för att sedan spackla upp ytan till ursprunglig tjocklek. Därefter diamantslipades ytan och slutligen applicerades lim och kolfiberväv vått i vått som fick härda innan ytan målades. Stabilator har även använt denna metod för att reparera en vägbro i Sundsvall. Metoden valdes framför andra anbud för att reparationen kunde utföras under relativt kort tid utan att trafiken på bron stängdes av.
I Japan har fiberkompositmaterial använts vid förstärkning av pelare till betongbroar vid J.H. Do-oh Express Highway. Materialet valdes före betong på grund av att en pågjutning inte var möjlig då pelarna står mycket nära en korsande väg. Pelarna förstärktes med tre lager kolfiber i längsriktningen för att öka böjmomentkapaciteten och ett lager radiellt för att hålla ihop pelaren och öka tvärkraftskapaciteten. För att bedöma livslängden på förstärkningen utfördes accelererade laboratorieförsök som simulerade klimatets inverkan på materialets nedbrytning. Resultaten av testerna visade på en livslängd om 30 till 50 år. Kostnaden för förstärkningen var något högre än för motsvarande förstärkning utförd i betong, men man bedömer att livscykelkostnaden för fiberkompositen blir lägre.
I USA har Magazine Ditch Bridge, en 22 meter lång enspannsbro i Delaware, USA, byggts med två fritt upplagda spännarmerade betongbalkar och en 22 meter lång och 5 meter bred farbaneplatta bestående av en sandwichkonstruktion med två yttre lager av glasfiberarmerad fiberkomposit sammanbundna med skumplast och ovanpå sandwichkonstruktionen en 45 mm tjock betongbeläggning. Farbaneplattan har beräknats vara ungefär dubbelt så dyr som motsvarande i stål eller betong, delvis beroende på att bron dimensionerats konservativt, men man tror att konstruktionstypen kan bli konkurrenskraftig i framtiden om man tar hänsyn till livscykelkostnaden.
McKinleyville Bridge, även den i USA, har byggts med en slakarmerad betongfarbaneplatta som armerats med fiberkompositstänger för att undvika armeringskorrosion. Förutom att specialverktyg krävdes uppfattade yrkesarbetarna det inte som något problem att arbeta med fiberkompositer istället för vanlig armering. Kostnaden för brons fiberkompositarmering uppges vara åtta gånger större per kilo än för stålalternativet. Dock vägde mängden kompositarmering i bron en sjättedel av vad som skulle ha varit fallet om stål hade använts.
Baserat på den information som framkommit dras i rapporten slutsatsen att fiberkompositer i framtiden kommer att användas i betydligt större omfattning än i dag inom den svenska byggindustrin. Speciellt för förstärkning och reparation av befintliga konstruktioner, i korrosiva miljöer och för konstruktioner som kräver armering som ej påverkar magnetfält.
Sedan 30 år tillbaka pågår dock forskning och utveckling kring fiberkompositmaterial för användning inom byggindustrin och i dagsläget finns ett flertal produkter för olika tillämpningar. Framför allt har materialen använts för armering av betong i både slak- och spännarmerade konstruktioner. De har även funnit tillämpningar i hängkonstruktioner och som förstärkning av befintliga konstruktioner. I det senare fallet i form av pålimmade fiberlaminat eller lindade pelare. Andra exempel är som gallerdurk och spaltgolv inom kemisk industri, i stall eller i andra miljöer med betydande kemiska angrepp på byggmaterial.
Syftet med detta inledande delprojekt har varit att visa på möjligheter och problem vid användandet av fiberkompositer samt ge referenser till litteratur och utförda projekt för vidare studier. Med bidrag från SBUF har arbetet utförts av NCC AB i samarbete med Chalmers, Stabilator AB, Selmer Bygg Göteborg AB, Färdig Betong AB, Besab och FoU-Väst.
En sammanställning av tillgänglig information har gjorts avseende fiberkompositers sammansättning och materialegenskaper, kommersiella produkter, användningsområden med särskild inriktning mot armering av betong samt erfarenheter från utförda byggprojekt. Sammanställningen baseras på litteraturkällor och samtal med personer som varit involverade i byggprojekt där kompositer har använts som byggmaterial.
Normer och föreskrifter som reglerar provningsmetoder, materialegenskaper, dimensionering och utförande för betong armerad med fiberkompositer finns i Japan och Kanada. Därutöver har flera tillverkare tagit fram dimensioneringsanvisningar för sina egna produkter. Den goda korrosionsbeständigheten gör att armeringskorrosion inte behöver tas hänsyn till vid bestämning av det täckande betongskiktets tjocklek. Denna goda egenskap gör att de sprickbredder som kan accepteras reduceras till en estetisk fråga. Momentkapaciteten för betongkonstruktioner armerade med fiberkompositarmering kan enligt rapporten bestämmas på samma sätt som när armeringen utgörs av stål. Dock måste hänsyn tas till att för flertalet fabrikat är fiberkompositarmeringens arbetskurva linjär till brott vilket gör att underarmerade balkar får sprödbrott i armeringen och att omfördelning av moment på grund av plasticitetszoner ej kan tillåtas. Materialets förhållandevis låga elasticitestmodul gör att styvheten i förankringen mellan fiberkompositarmering och betong är lägre än den mellan armeringsstål och betong vilket måste tas hänsyn till vid beräkning av vidhäftningen mellan armering och betong. Den låga elasticitetsmodulen ger även upphov till stora sprickbredder vilket förmodligen minskar betongsektionens förmåga att överföra tvärkrafter jämfört med betongkonstruktioner armerade med stål.
Erfarenheter av fiberkompositmaterial från utförda projekt har hämtats från Sverige, Japan och USA. Vid byggandet av Hasselbladslaboratoriet i Göteborg krävdes i vissa delar av laboratoriet en omgivning som ej stör magnetfälten. För de slakarmerade konstruktionerna valdes fiberkompositmaterial före rostfritt stål av kostnadsskäl. Stängernas låga vikt underlättade arbetet, trots att de måste förankras noggrant för att ej flyta upp vid gjutning. Den låga elasticitetsmodulen gjorde att deformationskriterier blev avgörande för erforderlig armeringsmängd och även att stängernas styvhet var låg, vilket i sin tur medförde krav på bättre najning och klossning för att undvika skador under armering och gjutning. Avsikten var att även använda fiberkompositer i byglar och som spännarmering, men på grund av att byglarna var svåra att tillverka och att de spända stängerna brast i förankringarna före gjutning blev det slutliga valet rostfritt stål för dessa tillämpningar.
Ucklums Bygg använde fiberkompositmaterial vid byggandet av ett hus för elallergiker i Göteborg. Armeringen upplevdes som lättarbetad på grund av dess låga vikt och att det var enkelt att kapa stängerna. Man hade inte problem med att stängerna ville flyta vid gjutning. Däremot var det ett problem att man inte kunde bocka stängerna.
I Halmstad restaurerade Stabilator Renhållningsbolagets skorsten genom att avlägsna den dåliga betongen, rengöra den befintliga armeringen från rost och behandla den med korrosionsinhibatorer för att sedan spackla upp ytan till ursprunglig tjocklek. Därefter diamantslipades ytan och slutligen applicerades lim och kolfiberväv vått i vått som fick härda innan ytan målades. Stabilator har även använt denna metod för att reparera en vägbro i Sundsvall. Metoden valdes framför andra anbud för att reparationen kunde utföras under relativt kort tid utan att trafiken på bron stängdes av.
I Japan har fiberkompositmaterial använts vid förstärkning av pelare till betongbroar vid J.H. Do-oh Express Highway. Materialet valdes före betong på grund av att en pågjutning inte var möjlig då pelarna står mycket nära en korsande väg. Pelarna förstärktes med tre lager kolfiber i längsriktningen för att öka böjmomentkapaciteten och ett lager radiellt för att hålla ihop pelaren och öka tvärkraftskapaciteten. För att bedöma livslängden på förstärkningen utfördes accelererade laboratorieförsök som simulerade klimatets inverkan på materialets nedbrytning. Resultaten av testerna visade på en livslängd om 30 till 50 år. Kostnaden för förstärkningen var något högre än för motsvarande förstärkning utförd i betong, men man bedömer att livscykelkostnaden för fiberkompositen blir lägre.
I USA har Magazine Ditch Bridge, en 22 meter lång enspannsbro i Delaware, USA, byggts med två fritt upplagda spännarmerade betongbalkar och en 22 meter lång och 5 meter bred farbaneplatta bestående av en sandwichkonstruktion med två yttre lager av glasfiberarmerad fiberkomposit sammanbundna med skumplast och ovanpå sandwichkonstruktionen en 45 mm tjock betongbeläggning. Farbaneplattan har beräknats vara ungefär dubbelt så dyr som motsvarande i stål eller betong, delvis beroende på att bron dimensionerats konservativt, men man tror att konstruktionstypen kan bli konkurrenskraftig i framtiden om man tar hänsyn till livscykelkostnaden.
McKinleyville Bridge, även den i USA, har byggts med en slakarmerad betongfarbaneplatta som armerats med fiberkompositstänger för att undvika armeringskorrosion. Förutom att specialverktyg krävdes uppfattade yrkesarbetarna det inte som något problem att arbeta med fiberkompositer istället för vanlig armering. Kostnaden för brons fiberkompositarmering uppges vara åtta gånger större per kilo än för stålalternativet. Dock vägde mängden kompositarmering i bron en sjättedel av vad som skulle ha varit fallet om stål hade använts.
Baserat på den information som framkommit dras i rapporten slutsatsen att fiberkompositer i framtiden kommer att användas i betydligt större omfattning än i dag inom den svenska byggindustrin. Speciellt för förstärkning och reparation av befintliga konstruktioner, i korrosiva miljöer och för konstruktioner som kräver armering som ej påverkar magnetfält.