Bruk av FRP-kompositt i veibroer Use of FRP composite in road bridges
Bachelor ingeniørfag Institutt for byggfag
Avdeling for ingeniør- og økonomifag 24.05.2016
Bjarte Hodne Mathias Berg Rønning Johan Olav Røsvik Synnes
Vi bekrefter at arbeidet er selvstendig utarbeidet, og at referanser/kildehenvisninger til alle kilder som er brukt i arbeidet er oppgitt, jfr. Forskrift om studier og eksamen ved Høgskolen i
Bergen, § 9-1.
II
HOVEDPROSJEKT KLASSE: 13HBYG
TITTEL: «Bruk av FRP-kompositt i veibroer»
GRUPPEDELTAGERE:
Bjarte Hodne, Mathias Berg Rønning og Johan Olav Røsvik Synnes OPPGAVEN ER GITT I SAMARBEID MED:
BEDRIFT: Statens vegvesen
ADRESSE: Nygårdsgaten 112, 5008 Bergen
TELEFON: 02030
KONTAKTPERSON: Stian Persson
INTERN VEILEDER: Svein-Rune Kleppe
KORTFATTET FORMULERING AV OPPGAVEN (PROBLEMDEFINISJON):
Finne ut hva FRP-kompositt er, og hvordan dette egner seg som et konstruksjonsmateriale.
Videre vurderes hvordan man kan konstruere mindre veibroer i FRP, og hvilke muligheter og begrensninger dette medfører.
III
Forord
Denne oppgaven er skrevet for Statens vegvesen som en avsluttende oppgave av et 3-årig bachelorstudie i bygg- og anleggsfag ved Høgskolen i Bergen. Oppgaven tar for seg fiberarmert polymer generelt og hvordan dette kan benyttes i veibrobygging spesielt.
Å skrive denne oppgaven har vært spennende, lærerik og til dels krevende. Spennende og lærerikt fordi vi ikke har vært borti brobygging tidligere i studiet. Vi har også tilegnet oss mye kunnskap om et materiale som etter alt å dømme kommer til å bli brukt mer i tiden fremover.
Prosessen har vært til dels krevende fordi det ikke finnes noen standard for FRP og det har vært tidkrevende å finne nødvendig informasjon for at dimensjoneringen skulle bli korrekt. Vi har også fått en økt forståelse av hvordan man modellerer i analyseprogrammet Robot og hvordan kreftene i en plate brer seg.
Vi vil takke vår interne veileder Svein-Rune Kleppe ved institutt for byggfag, for veiledning gjennom hele oppgaveskrivingen.
Vi vil takke vår eksterne veileder Stian Persson, sjef for broseksjonen ved Statens vegvesen Region vest, for inspirasjon og for stor grad av valgfrihet ved utforming av oppgaven.
Vi vil også takke Lone Kaalund Døjbak, «technical solution manager» i Fiberline
Composites, for god rådgivning og kunnskap om FRP, samt innsikt i hvordan FRP brukes i veibroer.
Bergen, 24.mai 2016
Bjarte Hodne Mathias Berg Rønning Johan Olav Røsvik Synnes
IV
V
Sammendrag
På oppdrag fra Statens vegvesen har vi i denne oppgaven prøvd å belyse hva FRP er, og muligheter man har for å konstruere veibroer i FRP.
FRP er et komposittmateriale som består av fiber og matrise. Fibrenes oppgave er å sørge for stivhet og styrke, mens matrisens oppgave er blant annet å holde sammen fibrene, og beskytte de mot miljøpåvirkninger. Det finnes flere forskjellige typer fiber og matrise, og disse kan kombineres på ulike måter for å oppnå ønskede egenskaper til materialet.
FRP viser seg å være et relativt sterkt materiale, men stivheten er generelt lav. Enkelte fibertyper er derimot veldig stive, og om nødvendig, kan FRP sammensettes til et stivt materiale. Dette vil i midlertidig øke kostnaden betraktelig.
En fordel med FRP er at det er et veldig lett materiale. Det gjør det enkelt å lage på fabrikk, og transportere til byggeplass. En svakhet med FRP er at det ikke har god motstand mot brann. Det blir forsket for å finne løsninger på dette problemet.
FRP er relativt nytt materiale i byggebransjen, men bedrifter som har spesialisert seg på dette, har merket en økning i antall forespørsler og interesse. De ser for seg at materialet vil bli mer og mer vanlig å benytte seg av. Det jobbes også med å få på plass en Eurokode, noe som vil gjøre det enklere for nye aktører å satse på FRP.
Det finnes flere eksempler på veibroer som er bygget i FRP, men ingen i Norge. For å undersøke hva som er mulig, modellerte vi en 10 meter lang brokonstruksjon i
beregningsprogrammet Robot. Modellen består av plate og bjelker, og en viktig grunn til å modellere i Robot, er å få en korrekt fordeling av kreftene, slik at samvirket de i mellom blir som i virkeligheten. Dette ble gjort ved en «finite element analysis».
Vår analyse viste at kravet til nedbøying ikke ble oppfylt, og kontrollberegninger viser at platen ikke hadde kapasitet til å bære lastene for gitt oppbygning. Med dette som
utgangspunkt kom vi opp med flere forskjellige mulige løsninger for at broen skulle oppfylle kravene i både brudd- og bruksgrense. Vi satte sammen et eget materiale av glassfiber og polyester, og la ni bjelker med et tverrsnitt tilsvarende et HE700B-profil under to FBD600- brodekker, og fikk da kapasitet for både brudd- og bruksgrense. Til sammenligning fikk vi også god nok kapasitet for både brudd- og bruksgrense ved å benytte ni HE400B-stålbjelker under et FBD600-brodekke.
VI
VII
Summary
On behalf of the Norwegian Public Roads Administration we have tried to clarify what FRP is, and what possibilities exist to construct road bridges made of FRP.
FRP is a composite material, consisting of fibres and matrix. The fibres are to ensure stiffness and strength, while the matrix, among other things, keep the fibres together and protect them from environmental influences. There are several types of fibres and matrices, and these may be combined in various ways to achieve the desired properties.
FRP appears to be a relatively strong material, but the stiffness is in general low. Some types of fibres are however very stiff, and if necessary, FRP can be composed to a stiff material.
This will increase the cost considerably.
An advantage of FRP is the very low weight of the material, which makes it easy to
manufacture and transport to the construction site. However FRP is not very resistant to fire.
This is one of its weaknesses, and scientists are working to find a solution to the problem.
FRP is a relatively new material in the construction industry, but specialized companies have noticed an increase in the number of inquiries and interest. They believe the material will become more common to use. It is also a working goal to establish a Eurocode, which will make it easier for new companies to use FRP.
There are several examples of road bridges made in FRP, but so far no one in Norway. To investigate the possibilities, we modeled a 10 metres long bridge structure in the calculation program Robot. The model consists of plate and beams, and a major reason to model in Robot, is to get a proper distribution of the forces, so that the interaction between the two becomes realistic. This was done by a finite element analysis.
The analysis showed that the requirement for deflection was not satisfied, and computations shows that the plate did not have the capacity to carry loads for the given structure. With this in mind, we came up with several different possible solutions to make the bridge meet the requirements of both ultimate limit state (ULS) and serviceability limit state (SLS). We made our own special material of fiberglass and polyester, put nine beams with a cross section corresponding to a HE700B profile beneath two FBD600 bridge decks, and then got capacity for both ULS and SLS. In comparison, we also got capacity for both ULS and SLS, by using nine HE400B steel beams beneath one FBD600 bridge deck.
VIII
IX
Innholdsfortegnelse
Forord ... III Sammendrag ... V Summary ... VII Tabelloversikt ... XII Figuroversikt ... XIII
1 Innledning ... 1
2 Fiberarmert polymer-kompositt ... 2
2.1 Hva er FRP? ... 2
2.1.1 Generelt ... 2
2.1.2 Spinnemetoder ... 3
2.1.3 Mattetyper ... 3
2.1.4 Fiber ... 4
2.1.5 Matrise ... 8
2.2 Mekaniske egenskaper ... 9
2.2.1 Densitet ... 9
2.2.2 E-modul og bruddspenning ... 10
2.2.3 Tverrkontraksjon ... 12
2.2.4 Spenning/tøyning ... 13
2.3 Produksjonsmetoder ... 13
2.3.1 «Hand lay-up» ... 13
2.3.2 «Spray-up» ... 14
2.3.3 RIFT ... 14
2.3.4 Pultrudering ... 15
2.3.5 «Filament winding» ... 16
2.3.6 «Resin transfer moulding» ... 16
2.3.7 Drøfting ... 17
2.4 Sammenligning med tradisjonelle konstruksjonsmaterialer ... 17
2.4.1 Fordeler ... 17
2.4.2 Ulemper ... 22
2.5 Hva er bygget i kompositt? ... 23
2.5.1 West Mill Bridge i Oxfordshire, Storbritannia: ... 23
2.5.2 Gang- og sykkelbro i Nørre Aaby, Danmark ... 24
2.5.3 Veibro i Utrecht, Nederland ... 24
2.5.4 Veibro i Friedberg, Tyskland ... 25
2.6 Håndbøker og veiledere ... 25
2.7 Forbindelser ... 26
X
2.7.1 Boltede forbindelser ... 26
2.7.2 Limte forbindelser ... 27
2.8 Fremtidsutsikter ... 28
3 Grunnlag for bro ... 29
3.1 Håndbøker, standarder og pre-standarder ... 29
3.2 Generelt om bjelkebro ... 29
3.3 Krav og regelverk ... 30
3.4 Dimensjoneringsgrunnlag ... 30
3.5 Tegninger og snitt ... 32
3.6 Aksesystem ... 34
3.7 Begrensninger ... 34
4 Laster ... 35
4.1 Permanente laster ... 36
4.1.1 Egenvekt ... 36
4.2 Variable laster... 37
4.2.1 Midlertidige laster ... 38
4.2.2 Snølast ... 38
4.2.3 Vindlast ... 38
4.2.4 Termiske påvirkninger ... 42
4.2.5 Seismiske påvirkninger ... 43
4.2.6 Trafikklast ... 44
4.3 Ulykkeslaster ... 47
4.3.1 Last forårsaket av kjøretøy ... 47
4.3.2 Fallende gjenstander ... 47
4.3.3 Brann/eksplosjon ... 47
4.4 Lastkombinasjoner ... 48
4.4.1 Bruddgrense... 48
4.4.2 Bruksgrense ... 49
5 Opptredende krefter på konstruksjonen... 50
5.1 Robot-modell ... 50
5.2 Resultat ... 53
5.2.1 Bruddgrense... 53
5.2.2 Bruksgrense ... 57
5.3 Vurdering av resultat ... 57
5.3.1 Bruddgrense... 58
5.3.2 Bruksgrense ... 59
6 Kapasitetskontroller... 60
XI
6.1 Beregninger ... 60
6.1.1 Bruddgrense... 60
6.1.2 Bruksgrense ... 63
7 Eventuelle brooppbygninger ... 64
7.1 Karbonfiberbånd ... 64
7.2 Antall bjelker ... 65
7.3 Plateorientering ... 66
7.4 Tverrsnitt ... 68
7.5 Stålbjelker ... 70
8 Konklusjon ... 71
9 Forslag til videre arbeid ... 73
Litteraturliste ... 74
Vedleggsliste ... 78
XII
Tabelloversikt
Tabell 1: Spinnemetoder for fibre ... 3
Tabell 2: Mattetyper. ... 3
Tabell 3: Karakteristiske egenskaper til noen fibre. ... 4
Tabell 4: Egenskaper resin. ... 8
Tabell 5: Grov oversikt over egenskaper til forskjellige resintyper. ... 9
Tabell 6: Materialegenskaper for fiber/matrise. ... 10
Tabell 7: Minimumsavstander for bolteforbindelse. ... 26
Tabell 8: Materialdata for hulprofil 240x240x12. ... 31
Tabell 9: Materialdata for brodekke FBD600. ... 32
Tabell 10: Permanente laster ... 35
Tabell 11: Variable laster ... 35
Tabell 12: Ulykkeslaster. ... 36
Tabell 13: Referansevindhastighet. ... 39
Tabell 14: Utvidelseskoeffisient. ... 42
Tabell 15: Lastkombinasjoner og lastfaktorer – bruddgrense ... 49
Tabell 16: Stivhet til FBD 600. ... 52
Tabell 17: Dimensjonerende laster fra Robot ... 54
Tabell 18: Karakteristiske styrkeverdier. ... 61
Tabell 19: Utnyttelse kombinasjon moment + skjær i bjelke ... 61
Tabell 20: Kapasiteter for plate. ... 63
Tabell 21: Moment- og skjærkapasitet. ... 64
Tabell 22: Maks opptredende krefter og nedbøyning ved ulike antall bjelker. ... 65
Tabell 23: Utnyttelser ved ulike antall bjelker. ... 65
Tabell 24: Opptredende krefter ved en plate med størst stivhet i lengderetning. ... 66
Tabell 25: Utnyttelse ved en plate med størst stivhet i lengderetning. ... 66
Tabell 26: Maks opptredende krefter og nedbøyning ved ulike plateorienteringer. ... 67
Tabell 27: Utnyttelser i bruddgrense for ulike plateoppbygninger. ... 67
Tabell 28: Opptredende krefter ved bruk av I-bjelke. ... 68
Tabell 29: Utnyttelse ved bruk av I-bjelke. ... 68
Tabell 30: Materialegenskaper egendefinert materiale. ... 69
Tabell 31: Utnyttelse ved stålbjelker HE400B ... 70
XIII
Figuroversikt
Figur 1: Illustrasjon av FRP. ... 2
Figur 2: Illustrasjon på hvordan fibrene kan se ut ... 2
Figur 3: Spinnemetoder ... 3
Figur 4: Mattetyper ... 4
Figur 5: Glassfiberduk ... 5
Figur 6: Spesifikk styrke-/spesifikk stivhets-diagram. ... 6
Figur 7: Karbonfiberduk. ... 6
Figur 8: Aramid fiberduk. ... 7
Figur 9: Elastisitetsmodul som funksjon av grader. ... 12
Figur 10: Tverrkontraksjon som funksjon av vinkel mellom fiber og last. ... 12
Figur 11: Spenning-tøyningsdiagram. (Illustrasjon) ... 13
Figur 12: «Hand lay-up». ... 13
Figur 13: «Spray-up»... 14
Figur 14: Pultruderingsprosessen. ... 15
Figur 15: «Filament winding». ... 16
Figur 16: «Resin transfer moulding». ... 16
Figur 17: S-N-diagram. ... 17
Figur 18: Montering av gangbro i Svendborg, Danmark. ... 19
Figur 19: Peling. ... 19
Figur 20: Sammenligning av FRP og armert betong i dreneringskanaler. ... 20
Figur 21: Luftforurensning. ... 20
Figur 22: Vannforurensning. ... 21
Figur 23: Energibruk. ... 21
Figur 24: West Mill Bridge ... 23
Figur 25: Gang- og sykkelbro i Nørre Aaby ... 24
Figur 26: Trafikkbro i Utrecht. ... 24
Figur 27: Veibro i Friedberg. ... 25
Figur 28: Bolteforbindelse. ... 26
Figur 29: Forbindelse med bruk av både lim og bolter. ... 28
Figur 30: Bjelkebro. ... 29
Figur 31: Krav til fugefri utførelse og behov for kontroll av forskyvninger. ... 30
Figur 32: Tverrsnitt FRP-hulprofil. ... 31
Figur 33: FBD600. ... 31
Figur 34: Eksempel på oppbygning av veibro. ... 32
Figur 35: Oversiktsbilde. ... 32
XIV
Figur 36: Oppbygning av bjelker og brodekke. ... 33
Figur 37: Snitt lengderetning bro. Fra bunnen: bjelke, brodekke, plate, belegg. ... 33
Figur 38: Snitt tverretning bro. Fra bunnen: bjelke, brodekke, plate, belegg. ... 33
Figur 39: Aksesystem. ... 34
Figur 40: Minimumskrav til dim. belegningsvekt. ... 37
Figur 41: Karakteristisk snølast på mark. ... 38
Figur 42: Eksempel på brotverrsnitt som kan beregnes etter vindlaststandarden. ... 38
Figur 43: Vindlast på bro. ... 40
Figur 44: Kraftfaktor. ... 41
Figur 45: Sonekart. ... 43
Figur 46: Krav til valg av analysemetode... 43
Figur 47: Inndeling av kjørefelt ... 44
Figur 48: Trafikklaster i lastmodell 1 etter NA-rundskriv. ... 45
Figur 49: Lastplassering - Lastmodell 2. ... 45
Figur 50: Verdier til FRP lagt inn i ROBOT. ... 50
Figur 51: Opplegg. ... 51
Figur 52: Bjelkeprofil 240x240x12 ... 51
Figur 53: FBD 600 ... 52
Figur 54: Faktor for stivhet i x- og y-retning. ... 52
Figur 55: ROBOT-modell. ... 53
Figur 56: Momentdiagram lastkombinasjon A. ... 54
Figur 57: Skjærdiagram lastkombinasjon B. ... 54
Figur 58: Maks moment på plate om x-aksen. ... 55
Figur 59: Maks moment på plate om y-aksen. ... 56
Figur 60: Maks skjærkraft på plate. ... 56
Figur 61: Maks nedbøyning på konstruksjonen. ... 57
Figur 62: Opptredende moment på bjelkene for LM4. ... 58
Figur 63: Reaksjonskrefter i opplegg for LM1. ... 59
Figur 64: Nedbøyning for LM4 i Robot. ... 59
Figur 65: Nedbøyning for LM4 i beregningsprogram til Fiberline Composites. ... 59
Figur 66: Reaksjonskrefter for lastkombinasjon E. ... 62
Figur 67: Skjærareal til plate. ... 62
Figur 68: Bjelketetthet ved ekstremt eksempel. ... 65
Figur 69: Tverrsnitt HE700B. ... 69
Figur 70: Tverrsnitt HE400B. ... 70
1
1 Innledning
Før jul søkte vi om å få skrive bacheloroppgaven vår for broseksjonen i Statens vegvesen.
Hittil i studiet har vi ikke lært om brokonstruksjoner. I Norge er brokonstruksjoner en viktig del av infrastrukturen, og vi var derfor interessert i å lære mer om dette. Vi fikk valget mellom flere forskjellige type broer, og ble raskt enige om å skrive en oppgave om veibro i FRP-kompositt. Dette materialet hadde vi på daværende tidspunkt ingen kjennskap til, og så på det som en spennende utfordring. Stian Persson, vår kontaktperson i Statens vegvesen, tror at FRP vil bli brukt i økende grad i årene fremover. Å skrive en bacheloroppgave om et konstruksjonsmateriale som ikke er særlig utbredt, men som har potensial, tenkte vi ville gi oss verdifull kunnskap som kan komme til nytte senere i arbeidslivet. Broseksjonen hadde ingen konkrete broprosjekter med FRP som konstruksjonsmateriale, og vi på gruppen hadde derfor stor valgfrihet i å forme en problemstilling.
PROBLEMSTILLING:
Vår problemstilling er å finne ut hva FRP-kompositt er, og hvordan dette egner seg som et konstruksjonsmateriale. Videre ser vi på hvordan man kan konstruere mindre broer i FRP, og hvilke muligheter og begrensninger dette medfører.
2
2 Fiberarmert polymer-kompositt
2.1 Hva er FRP?
2.1.1 Generelt
Det at et materiale er kompositt, betyr at det består av to eller flere enkeltmaterialer. Disse stoffene er satt sammen for å dra fordel av de ulike bestanddelene. Før i tiden brukte
egypterne halm i leiren for å få et sterkere byggemateriale. Et annet eksempel fra nyere tid er bruk av betong som byggemateriale. Betong har god evne til å ta opp trykkrefter, men kan nesten ikke ta opp strekkrefter. Derfor
tilsettes den stål, i form av armering, for å ta opp strekkreftene. [20:s.0.1.3]
FRP er en forkortelse for «fiber reinforced polymer» eller «fiber reinforced plastic». Polymer eller plastikk er store molekyler, ofte satt sammen av mindre repeterende
molekyler, kalt monomer. [27] Det som ikke er fiber i FRP-kompositten, kalles matrise. Matrise og fiber utgjør til sammen en kompositt, som gjerne går under forkortelsen FRP. [28:s.8]
Forholdet mellom fiber og matrise varierer veldig, der fibrene kan utgjøre
mellom 35-65 % (målt i volum). [20:s.43] Fibrene gir styrke og stivhet, mens matrisen fungerer som et lim som holder fibrene sammen. Ved lavt fiberinnhold vil ikke styrken og stivheten bli særlig høy.
Fiber er molekylkjeder som ofte er karakterisert som tynne tråder. Tykkelsen på trådene er vanligvis på rundt 10 mikrometer. Forholdet mellom lengde og tykkelse varierer fra tusen og oppover.
Figur 1: Illustrasjon av FRP.
Figur 2: Illustrasjon på hvordan fibrene kan se ut [9]
3 2.1.2 Spinnemetoder
Det brukes flere ulike teknikker for å få fibertrådene til å virke sammen som et sterkt materiale. Først må trådende «spinnes» sammen, for å øke styrken i én retning. Tabell 1 og figur 3 viser tre ulike spinnemetoder.
«Glat» Bunter av fibre plasseres fritt ved siden av hverandre i langsgående retning.
«Spun» Bunter av fibre plasseres ved siden av hverandre i langsgående retning. Enkelte fibre danner sløyfer om buntene for å binde disse bedre sammen.
«Mock» Bunter av fibre plasseres ved siden av hverandre og flettes sammen.
Tabell 1: Spinnemetoder for fibre [20:s.0.1.6]
2.1.3 Mattetyper
For å øke styrken i mer enn én retning kan man veve spinnebåndene sammen til matter. Disse mattene fungerer som et armeringslag, og gir materialet styrke. Mattene kalles gjerne derfor fiberarmering. En måte å lage FRP-laminater på er å tilsette matrise mellom fiberarmerings- lagene. Resultatet blir glassfiberarmert laminat eller karbonfiberarmert laminat. [20:s.0.1.6], [29:s.22] Det finnes flere måter å spinne sammen båndene til matter på. Tabell 2 og figur 4 viser noen av disse.
Tabell 2: Mattetyper. [20:s.0.1.6]
Kontinuerlige matter Tilfeldig orienterte fibre.
Vev Fibrene er spunnet sammen og ligger 0o/90o på hverandre.
Komplekse matter Kombinasjon av kontinuerlige matter og vev.
Bidireksjonale, komplekse matter
Kombinasjon av komplekse matter og fibre spunnet sammen og lagt ±450 på hverandre.
Figur 3: Spinnemetoder [20:s.0.1.6]
4 2.1.4 Fiber
Fibrenes oppgave er som nevnt å sørge for gode mekaniske egenskaper til FRP, som stivhet og styrke. [28:s.8-9] Fibrene i seg selv kommer i tre hovedvarianter: glassfiber, karbonfiber og aramidfiber. Tabell 3 viser noen egenskaper ved et utvalg fibrer, i tillegg til stål.
Glassfiber Karbonfiber
Aramid-
fiber Stål E-
glass R-glass
Høy- styrke
Middels- modulus
Høy- modulus
Densitet (kg/m3) 2 570 2 520 1 790 1 750 1 880 1 440 7 800
Strekk i fiberretning
E-modul
(MPa) 73 100 86 000
238
000 350 000 410 000 130 000 210 000 Styrke
(MPa) 2 750 3 450 3 600 4 500 4 700 3 600 360 - 550 Strekk
normalt på fiberretning
E-modul
(MPa) 73 100 86 000 15 000 10 000 13 800 *
Styrke
(MPa) 1 750 2 000 135 70 60 *
Trykk i fiberretning
Styrke
(MPa) 1 750 2 000 2 140 2 100 1 850 *
Skjær
Skjær- modul (MPa)
3 000 34 600 50 000 35 000 27 000 81 000
Styrke
(Mpa) 1 700 1 950 1 200 1 100 1 000 210 - 317 Termisk utvidelses-
koeffisient (10-6K-1) 5 - 0 3 -0.4 -0.6 -0.5 -2,4 12 Pris Lav Middels Høy Høy Høy Middels
Tabell 3: Karakteristiske egenskaper til noen fibre. [21:tab.11.1], [23:tab.3], [30:pkt.3.2.6/tab.3.1], [31], [28:s.9]
* Stål er et isotropt materiale, og har like egenskaper i alle retninger.
Figur 4: Mattetyper [20:s.0.1.6]
5 Tabellen er satt sammen av ulike kilder, og mangler derfor noen materialdata. Vi ser at
fibrene i seg selv er en del sterkere enn stål, men dette er i realiteten ikke direkte sammenlignbart, ettersom FRP som byggemateriale også består av matrise. For FRP-
materialet vil derfor styrken være redusert en del. Vi ser også at stivheten til fibrene varierer fra omtrent det halve til det dobbelte av stivheten til stål. Fra tabellen fremgår det at den termiske utvidelseskoeffisienten er vesentlig lavere for fibrene enn for stål, og at den for noen fibertyper er negativ, altså vil de krympe ved en temperaturøkning. Egenvekten til fibrene er også rundt en tredjedel av vekten til stål. Tabellen viser også prisen på de ulike fibertypene relativt i forhold til hverandre. E-glass er den billigste, og vanligste typen av disse.
Glassfiber:
Glassfiber er bearbeidet glass. Det består av oksider (mest silisiumoksid), kalkstein, flusspat, borsyre og leire. Denne fibertypen viser meget god evne til å motstå fuktopptak. Svelling er derfor ikke aktuelt i og med at
glassfiber ikke kan absorbere vann.
[28:s.9], [23:pkt.1.4.2]
Glassfiber regnes som den vanligste av FRP. Dette er på grunn av at den har høy styrke, relativ lav tetthet og lav pris. Stivheten til glassfiber kan
sammenlignes med aluminium, men er omtrent en tredjedel av stivheten til stål. Det er mindre forskjeller i
mekaniske egenskaper når glassfibrene er lastet i fiberretning som på tvers av fiberretning, enn karbonfiber og aramidfiber. [23:pkt.1.4.2]
Det finnes flere ulike typer glassfiber avhengig av egenskaper og diameter på fibrene. E-glass er den rimeligste og den mest brukte. En ulempe med E-glass er at den har lav E-modul (se tabell 3). I tabellen blir det vist egenskaper for E- og R-glass, men det finnes også andre typer glassfiber. C-glass er en type som ligner på E-glass, men har høyere motstand mot kjemikalier som olje, salt og drivstoff. S-glass er en type som ligner på R-glass. Disse har høyere
mekaniske egenskaper enn E- og C-glass, men er en del dyrere. Dette gjør at S- og R-glass som regel bare blir brukt i de mest krevende tilfeller. [23:pkt.1.4.2]
Figur 5: Glassfiberduk [7].
6 Figur 6 illustrerer forskjellene mellom ulike fibertyper og metaller. Med spesifikk styrke og spesifikk stivhet menes styrke og stivhet i forhold til densitet. Vi ser at S-glass og E-glass har omtrent lik spesifikk stivhet, men at S-glass har mye høyere spesifikk styrke. Både S-glass og E-glass har vesentlig høyere spesifikk styrke enn stål og aluminium, men omtrent lik spesifikk stivhet.
Karbonfiber:
Karbonfiber fremstilles ved pyrolyse og krystallisering av organisk stoff ved en høy temperatur. Pyrolyse er
«…spalting av sammensatte stoffer til enklere forbindelser ved bruk av varme». [32]
Karbonkrystaller dannes og
orienterer seg med fiberretning. Figur 7: Karbonfiberduk.[19]
Figur 6: Spesifikk styrke-/spesifikk stivhets-diagram. [23:fig.4]
7 Som følge av at karbonfiber er et anisotropisk materiale, har fibrene ulike egenskaper på langs og på tvers av fiberretningen. Fibrene er 10 ganger sterkere i lengderetning enn på tvers.
[28:s.10], [23:pkt.1.4.3]
Karbonfiber finnes også i flere typer, der stivheten kan bli 10 ganger større og densiteten halvparten så stor som for glassfiber. Styrkemessig leverer materialet ofte dårligere enn glassfiber og aramidfiber. [23:pkt.1.4.3]
Selv om prisen for karbonfiber kan være opp mot 100 ganger så høy som for E-glass, blir ikke prisforskjellen så stor som en skulle tro, fordi det kan produseres tynnere laminater og
elementer. Det har i de siste årene også blitt utviklet grovere fiberbunter som er billigere.
[23:pkt.1.4.3]
Aramidfiber:
Aramidfiber (kromatisk fiber) er et anisotropt materiale som fremstilles ved å presse en kald løsning av aromatisk polymer (-50 oC til -80 oC) inn i en varm sylinder. Fibrene blir gjennom denne prosessen strukket, noe som
fører til økt styrke og stivhet til fibrene, i tillegg til å bli orientert i langsgående retning. Tettheten til materialet er lav (1440 kg/m3), og den spesifikke styrken er høyere enn for glassfiber og karbonfiber. Spesifikk stivhet ligger et sted mellom disse.
[28:s.10], [23:pkt.1.4.4]
Fibertypen viser seg å være lite sensitiv mot både statisk og dynamisk
utmatting. Noen ulemper er aldring (styrken reduseres med årene), UV-stråling og at
materialet er krevende å forme. I tillegg er det lite motstandsdyktig mot sterke syrer og baser.
Materialet tåler lite trykk, noe som begrenser det som konstruksjonsmateriale. Ved en trykktøyning på 0,3 – 0,5 % oppstår det flyt i materialet som igjen fører til defekter i strukturen. Fibrene er derimot godt egnet for å ta opp strekk. Strekkstyrken vil avta lineært med økende temperaturer. Et aktuelt eksempel hvor aramidfiber er ideelt, er som strekkabler på en hengebro. [28:s.10], [33:s.747], [23:pkt.1.4.4]
Figur 8: Aramid fiberduk.[16]
8 2.1.5 Matrise
For at fibrene skal kunne bære mest mulig last, er det viktig at matrisen har lavere
elastisitetsmodul og er mer tøyelig enn fibrene. Matrisen har flere viktige oppgaver for at FRP-stoffet skal virke optimalt. Blant disse er at matrisen skal holde fibrene sammen og at det ønskede geometriske mønsteret opprettholdes. Den skal også kunne overføre kreftene til fibrene gjennom adhesjon, friksjon, og sørge for at konstruksjonselementet beholder form og fasong. Adhesjon er «…betegnelsen på det fenomen at visse stoffer hefter». [34] Matrisen skal også beskytte fibrene mot kjemiske påvirkninger og mekanisk skade.
Konstruksjonsmaterialer bør ha en viss grad av duktilitet og kunne tåle litt støt, dette skal matrisen ta seg av. Hvordan matrisen og fibrene fungerer sammen har mye å si for måten bruddutviklingen vil skje. [28:s.10-11] Matrisen er igjen satt sammen av tre delmaterialer.
Disse er resin, «fillers» og «additives».
Resin:
Resin utgjør hoveddelen av matrisen, og er enten herdeplast eller termoplast. Herdeplast er mest vanlig. Den fremstilles gjennom en rekke kjemiske reaksjoner, og den kjemiske gitterstrukturen er romlig. Dette gjør at herdeplasten ikke kan smeltes og formes på ny etter ferdig fremstilling. Noen egenskaper med herdeplast er: stivere enn termoplast, holder bra på form og fasong, tåler bedre varme enn termoplast og god motstand mot kjemiske angrep. De vanligste resin er polyester, vinylester, epoxy og fenol. Tabell 4 og tabell 5 viser noen egenskaper til forskjellige resin. [23:pkt.1.3], [28:s.11]
Tabell 4: Egenskaper resin. [23:tab.1]
9
«Fillers»:
«Fillers» kan brukes sammen med resin og fiber for å fylle ut formen på profilet. Vanlige
«fillers» er kalsium-karbonat, kaolinitt og aluminiumoksid. «Fillers» er billigere enn resin og fiber, og dette gjør at prosessen blir kostnadsbesparende. Ulempen er at egenskaper som styrke og korrosjonsbestandighet reduseres ved bruk av «fillers». [20:s. 0.1.9], [35:s.12]
«Additives»:
«Additives» er stoffer som kan tilsettes matrisen. «Additives» deles opp i to klasser avhengig av hvilke egenskaper de forbedrer. «Prosess-additives» kan gjøre produksjonen av elementene lettere, forbedre korrosjonsegenskaper og gjøre matrisen mer robust mot utmatting.
«Funksjon-additives» tilsettes for å farge stoffet eller for å bedre brannmotstanden. Det er viktig å huske på at bruk av for mye «additives» kan redusere de mekaniske egenskapene til materialet. [20:s.0.1.9]
2.2 Mekaniske egenskaper
Egenskaper til FRP avhenger av de enkelte bestanddelene; matrise og fiber, og hvor stor andel de utgjør av stoffet. Egenskapene er også knyttet til hvordan fibrene er orientert, og hvordan fibrene og matrisen er bundet sammen. [28:s.13]
2.2.1 Densitet
FRP har som allerede nevnt en lav densitet. Dette byr på flere fordeler som for eksempel mindre egenlast å ta med i forhold til beregninger, lettere å transportere til byggeplassen og lettere å arbeide med på byggeplassen. Densiteten beregnes som følger: [35:s.13-14]
Tabell 5: Grov oversikt over egenskaper til forskjellige resintyper.[23:tab.2]
10
c = m*Vm + f*Vm, der
c densiteten til FRP-sammensetningen
m densiteten til matrise Vm volumprosent til matrise
f densiteten til fiber Vf volumprosent til fiber
c ligger vanligvis mellom 1,2-1,8 g/cm3. Til sammenligning har stål en densitet på 7,8 g/cm3.
2.2.2 E-modul og bruddspenning
Elastisitetsmodulen til FRP er avhengig av hvilken type fiber som blir brukt, volumforholdet mellom fiber og matrise, og orienteringen til fibrene. Av tabell 6 ser vi at FRP er et anisotropt materiale, som vil si at det har ulike mekaniske egenskaper i ulike retninger. Tabellen gjelder der fibrene ligger parallelt i forhold til hverandre.
EL elastisitetsmodus langs fiberretning til FRP-sammensetningen ET elastisitetsmodus på tvers av fiberretning til FRP-sammensetningen σLU bruddspenning i strekk i fiberretning
σ’LU bruddspenning i trykk i fiberretning
σTU bruddspenning i strekk på tvers av fiberretning σ’TU bruddspenning i trykk på tvers av fiberretning
Tabell 6: Materialegenskaper for fiber/matrise.[23:tab.4]
11 Av tabell 6 ser vi at FRP-materialer er mye sterkere og stivere i langsgående retning enn på tvers.
Bruddspenningen i FRP-materialet kan, dersom fibrene ligger i samme retning, regnes ut med følgende formel: [23:s.13]
σ = σf*Vf + σR*VR
σf bruddspenning fiber (Bruddspenning for trykk og strekk kan variere) σR bruddspenning matrise (Bruddspenning for trykk og strekk kan variere)
Vf volumprosent fiber VR volumprosent matrise
E-modulen kan beregnes ut fra formler gitt i FRP-prospektet. Den angir ulike formler for ulik plassering av fiber. For et materiale hvor alle fibrene har samme retning, er E-modulen i hhv.
langsgående- og tverrgående retning: [21:(11.1)/(11.2)]
ζ er en koeffisient, og η beregnes ut fra egen formel. φ er en sikkerhetsfaktor.
E1 kan også skrives på følgende måte: E1 = [ER*VR + Ef*Vf] * φUD
Denne viser bedre at det er volumforholdet som avgjør stivheten.
For et materiale hvor fibrene blir lagt i et mønster hvor halvparten ligger i langsgående- og halvparten i tverrgående retning, er E-modulen: [21:(11.5)]
Ef1 elastisitetsmodul fiber
ER elastisitetsmodul matrise
12 Dersom fibrene er plassert
i flere enn to retninger kan E-modulen beregnes etter formler gitt i FRP-
prospektet. Disse er noe mer komplekse, og regnes mer konservative.
Figur 9 viser hvordan elastisitetsmodulen varierer i forhold til fiberretning.
Den sorte grafen er E-modul på tvers av fiberretning, mens den hvite er E-modul på langs.
[35:s.15]
2.2.3 Tverrkontraksjon
Tverrkontraksjonstallet, eller Poisson`s tall, er et tall som sier hvor mye materialet tøyes i tverretning i forhold til lengderetning til lasten. Tverrkontraksjonstallet for FRP avhenger av hvordan lasten treffer på fiberretning. Dersom lasten er langs fibrene ligger tallet mellom 0,25-0,35. Dette avhenger av volumfordelingen mellom fiber og matrise. Dersom lasten treffer normalt på fiberretningen kan vi få verdier mellom 0,02-0,05, altså store variasjoner.
[24:s.178]
Til sammenligning er tverrkontraksjonstallet til stål 0,3. Formelen for å regne ut
tverrkontraksjonstallet når fibrene ligger i samme retning er: [21:(11.4)]
νf tverrkontraksjonstallet for fiber νR tverrkontraksjonstallet for matrisen
Som for E-modulformelen, kan også ν12 skrives på følgende måte: ν12 = [νR*VR + νf*Vf] Dersom fibrene er orientert med halvparten i langsgående- og halvparten i tverrgående retning, er tverrkontraksjonstallet: [21:(11.7)]
Figur 10: Tverrkontraksjon som funksjon av vinkel mellom fiber og last. [24:s.179]
Figur 9: Elastisitetsmodul som funksjon av grader. [24:s.177]
13 2.2.4 Spenning/tøyning
Figur 11 viser spenningen som funksjon av tøyningen for matrisen, fiber og selve FRP- materialet. σf og σc er bruddspenningen til hhv. fiber og FRP-materialet, og εmax er maksimal tøyning materialet kan ha. Fibrene ligger parallelt. Matrisen er mye mer duktil enn fibrene. Hvis vi ikke tillater kompositten å deformere seg mer enn det fibrene kan, ser vi at forholdet mellom spenning og tøyning er tilnærmet lineært. FRP er et sprøtt materiale og man regner derfor ikke med plastisk omlagring av kreftene. Dette fremgår av figuren, da man ikke ser på spenning-
tøyning forholdet etter at deformasjonen er større enn max,c. Bruddspenningen til FRP kan beregnes som bruddspenningen til fiber og matrise multiplisert med volumprosentene til hver av komponentene, som vist i kap. 2.2.2. [35:s.16-17], [28:s.14]
2.3 Produksjonsmetoder
Elementer av FRP kan fremstilles på flere forskjellige måter. Vi vil her beskrive noen av disse.
2.3.1 «Hand lay-up»
«Hand lay-up» (går også under navnet «wet lay-up») er en eldre og arbeidskrevende metode. Man heller flytende resin i en støpeform for så å legge fiberarmering manuelt i
Figur 12: «Hand lay-up».[3]
Figur 11: Spenning-tøyningsdiagram. (Illustrasjon)
14 støpeformen. Metalruller brukes så for å impregnere fiberarmeringen med resin. Rullene sørger også for at det ikke dannes luftlommer. Prosessen gjentas til ønsket tykkelse er oppnådd. Fordi prosessen gjøres manuelt er det flere begrensninger som at
materialegenskapene kan variere på ulike deler av elementet, noe som igjen gjør at man må bruke større sikkerhetsfaktorer. Det er også begrenset hvilken form man kan støpe ut med.
Volumprosenten man kan få av fiber er også begrenset, som igjen begrenser styrken til materialet. Senere er det påpekt at utslipp av enkelte stoff som inngår i prosessen, som vinylbenzen, er miljø- og helseskadelige. [28:s.21]
2.3.2 «Spray-up»
Metoden går ut på at man bruker en spray-pistol for å fordele en blanding av resin og fiber i støpeformen. Fibrene, som oftest glassfiber, er da kuttet opp i mindre biter, ofte med en lengde på 10-40 mm. Ved bruk av
«spray-up» er det naturligvis vanskelig å ha full kontroll på tykkelsen av elementet, og på volumfordelingen av matrise og fiber. Metoden egner seg derfor best for ikke-bærende elementer som kan ha litt slingringsmonn når det gjelder tykkelse. Fordeler med «spray-up» er at fremstillingen tar kort tid, og er billigere enn «hand lay-up». [28:s.21]
2.3.3 RIFT
En annen produksjonsmetode, som går under navnet RIFT («Resin Infusion under Flexible Tooling»), er at man tilfører FRP med karbonfiber for å forsterke allerede bygde
konstruksjoner. Fiberarmeringen bearbeides og klargjøres i støpeform, og fraktes til
byggeplassen. På byggeplassen festes armeringen til den delen av konstruksjonen som skal forsterkes, ved hjelp av vakuum-verktøy og resin-stoff. Metoden gjør det mulig å oppnå en høy andel av fiber, ca. 50 %. [28:s.21]
«Hand lay-up» og «spray-up» blir omtalt som manuelle prosesser, mens RIFT kalles halv- automatisk. De tre neste produksjonsmetodene er hel-automatiske.
Figur 13: «Spray-up».[1]
15 2.3.4 Pultrudering
Pultrudering er den mest effektive metoden for å fremstille bærende elementer med et kontinuerlig tverrsnitt. Figur 14 viser en skjematisk fremstilling av prosessen.
Figur 14: Pultruderingsprosessen. [36]
Prosessen begynner med at fibrene, som er kveilet opp i store ruller, trekkes gjennom den første stasjonen, og fibrene blir posisjonert nøyaktig der de skal være i tverrsnittet. Av figuren ser vi også at bearbeidede fibermatter inngår i prosessen. Rullene av fibertråd og fibermatter arrangeres i et system slik at man har kontroll på at trådende og mattene får korrekt plassering i tverrsnittet. Fibrene føres så videre, og matrisen tilføres ved hjelp av injeksjon.
Tilførsel ved hjelp av injeksjon har flere fordeler. Det er lett å ha kontroll på at trådene og mattene er plassert riktig i tverrsnittet. Det går fort å gå fra produksjon av ett profil til et annet, og man kan enkelt gjøre om på matriseblandingen. Kompositten varmes opp og
herdeprosessen går dermed fortere. Etter at denne prosessen er ferdig, er profilet ferdigherdet.
Til slutt kappes profilet i ønskede lengder. Profilet kan nå avkjøles og er klart til bruk.
Av figur 14 ser vi at to av ikonene er merket «pulling devices». Deres oppgave er å dra profilet gjennom prosessen slik at den blir kontinuerlig. Innretningen må ha nok strekkraft til å overgå friksjonskraften som oppstår underveis i prosessen. Den store fordelen med
pultrudering er at man har kontroll på hvor armeringen ligger i tverrsnittet, noe som gjør det mulig å beregne styrken og andre egenskaper til materialet. [36]
16 2.3.5 «Filament winding»
«Filament winding» er en av de billigste måtene å fremstille lukkede FRP elementer på.
Prosessen består av at oppkveilte fibertråder føres til en «vogn» der trådene føres opp til flytende resin (se figur 15). Her blir fibrene impregnert med resin og føres videre rundt en roterende støpekjerne. Vognen beveger seg parallelt med støpekjernen slik at fibrene blir jevnt fordelt. FRP-elementet blir så fjernet fra støpekjernen og plasseres i en ovn for å herde (60 grader i åtte timer). Både karbon-, glass- og aramidfiber kan brukes. Dessverre får man et lavt innhold av fiber ved bruk av denne metoden. [28:s.23-24]
2.3.6 «Resin transfer moulding»
«Resin transfer moulding» er en fremstillingsmåte der fiberarmeringen er lagt lagvis oppå hverandre. Lagene holdes sammen av et
bindemiddel og presses ned i en støpeform. For å presse lagene sammen legger man på et støpeformslokk. Under trykk tilsettes resin,
katalysator og filler.
Figur 15: «Filament winding».[5]
Figur 16: «Resin transfer moulding».[10]
17 Laminatet må så herdes, enten ved romtemperatur eller i ovn. Det er viktig at trykket bevares (se figur 16).
Med denne metoden har man stor valgfrihet når man velger formen til profilet. «Resin transfer moulding» passer bra når man trenger mindre til mellomstore profiler. En annen fordel er at man kan oppnå et høyt fiberinnhold på hele 65%. Ulempen er at dette er en dyr fremstillingsmetode, dels på grunn av at man trenger en spesiell type støpeform. Man får heller ikke samme nøyaktighet på tverrsnittet som ved pultrudering. Det finnes flere varianter av «resin transfer moulding». [35:s.25-26], [28:s.23]
2.3.7 Drøfting
Vi har nå tatt for oss flere forskjellige fremstillingsmetoder for FRP. Hvilken metode man bør benytte seg av, avhenger av flere ting. Derfor bør man ha en formening om hvor mange elementer man trenger, størrelsen på elementet, stivhet og kvalitet på overflaten. For eksempel vil det ikke være lønnsomt å lage én bjelke ved «resin transfer moulding», men dersom man lager flere like bjelker kan man bruke støpeformen om igjen, og enhetskostnaden blir lavere.
Ulike produksjonsmetoder gir ulike unøyaktigheter til dimensjonene av tverrsnittet.
Viktigheten av dette må vurderes ved valg av produksjonsmetode.
2.4 Sammenligning med tradisjonelle konstruksjonsmaterialer 2.4.1 Fordeler
Utmatting:
En stor fordel ved bruk av FRP-materialer er
utmattingskapasiteten. Dette gir stor frihet til å designe nye og kreative konstruksjoner.
For å kunne beregne
utmattingskapasiteten, brukes et S-N-diagram. Et eksempel på et slikt diagram er vist i figur 17. Figuren viser kurven
Figur 17: S-N-diagram. [21:fig.11.1]
18 for tre ulike sammensetninger av FRP, med en R-verdi på 0,1. R-verdien er forholdet mellom minimum- og maksimum spenning som opptrer i tverrsnittet. Man kan også bruke fastsatte R- verdier dersom man vet hvordan utmattingslasten opptrer. For varierende strekk-spenninger kan R = 0,1 benyttes. Dersom utmattingslasten forårsaker både strekk og trykk brukes R = -1, og for kun trykk brukes R = 10. R-verdien er med å påvirke formen til kurven. [21:pkt.6.5]
Kurven viser spenningsvidde i forhold til antall lastsykluser. Antall sykluser til kollaps øker kontinuerlig når spenningsvidden reduseres. Dersom man ikke observerer noen
utmattingstegn under en bestemt verdi for spenningsvidde, kan man anta uendelig antall lastsykluser. Denne verdien, som kalles utmattingskapasiteten, er ofte vanskelig å fastsette for FRP, selv om helningen til S-N-kurven er vesentlig redusert ved lav spenningsvidde. Det er vanlig å fastsette utmattingskapasiteten ved et høyt antall sykluser (106 - 107). [37:s.45]
FRP-materialer som blir utsatt for utmattingslast, kan med tiden mykne opp, og miste stivhet og styrke. Allikevel, ved fiberdominerte sammensetninger, kan styrketapet pga. utmatting sees bort fra, dersom man bruker glassfiber eller karbonfiber. [21:pkt.6.5.1]
Skader forårsaket av utmatting er alltid problematisk, spesielt for brokonstruksjoner. Dette fordi konsekvensene ved brudd kan bli alvorlige. FRP-materialer kan her revolusjonere måten vi konstruerer på, spesielt i områder som er utsatte for jordskjelv, eller i bygninger med vibrerende maskiner. [37:s.46]
Enkel transport og rask installasjon:
FRP er mye sterkere i forhold til egenvekten sammenlignet med tradisjonelle materialer som stål, betong og tre. På grunn av den lave vekten, kan større FRP-konstruksjoner produseres på fabrikk, og enkelt transporteres til byggeplass. Dette medfører mindre bruk av tid på
byggeplass, og mindre planlegging av for eksempel midlertidige omkjøringer og avsperringer som følge av bygningsarbeidet. Sammenlignet med tradisjonelle byggemetoder er det knyttet store fordeler til økonomi og logistikk. [37:s.48]
19
Figur 18: Montering av gangbro i Svendborg, Danmark.[21:s.16]
Figur 18 viser monteringen av en fotgjenger- og sykkelbro i Danmark. Broen er hele 40 meter lang, men fordi den delvis er laget i kompositt var det mulig å frakte den til monteringsstedet i én del.
Dette gjorde at monteringen
kun tok 2 timer, noe som igjen førte til minimale hindringer av trafikken. [21:s.16]
Motstand mot korrosjon:
FRP-materialer har vesentlig høyere motstand mot korrosjon og kjemiske reaktanter
sammenlignet med tradisjonelle materialer som armert betong, stål og tre. For eksempel viser FRP seg å ha god motstand mot veisalt, noe som er en stor fordel her i Norge. Dette fører til betydelig lavere kostnader knyttet til vedlikehold. [38], [35:s.44]
FRP viser seg også å kunne brukes til peling. I motsetning til tradisjonelle materialer, tåler FRP det harde, fuktige miljøet det utsettes for. Det er anslått at svekkelse av peler av tre, betong og stål, vil koste det amerikanske samfunnet omtrent 8 milliarder kroner årlig. Ingeniøravdelingen i den amerikanske hæren skulle videreutvikle pelesystemer av FRP, for å minske denne kostnaden.
[39:s.7-8] Ettersom FRP er et sprøtt materiale, er det knyttet noe usikkerhet til hvor godt egnet materialet er til å hamres ned i jorden.
Et forsøk gjort i 2012 viser at pælen ble ødelagt ved nedhamring til
ca. 15 meter (Se figur 19). [25] Det bør forskes mer på bruk av FRP i peler for at dette skal bli en fullverdig erstatning.
Bedriften ApATeCh har gjort seg gode erfaringer ved bruk av FRP fremfor armert betong. I 2002 sammenlignet de egenskapene til FRP med armert betong til bruk i dreneringskanaler.
Etter to år var forskjellene svært tydelige (se figur 20). Den armerte betongen hadde smuldret og sprukket opp, mens FRP-kanalene var helt upåvirket. FRP-kanalene er fremdeles i bruk.
[38]
Figur 19: Peling.[25:fig.5]
20
Figur 20: Sammenligning av FRP og armert betong i dreneringskanaler.[38]
Effekt på miljø:
Når man skal vurdere om FRP er et miljøvennlig materiale, må man se på flere faktorer. En måte å vurdere dette på, er å se på livssyklus. Da må man se på hvordan materialet behandles fra start til slutt. Dette
inkluderer valg av råmaterialer, fremstilling av element,
montering, vedlikehold og resirkulering/dumping.
Under fremstillingen av FRP kan en spørre seg om dette materialet er miljøvennlig. Ser man på bruk av fossilt brensel, luftforurensning fra røyk og forsuring, er FRP ikke et særlig
Figur 21: Luftforurensning.[4]
21 bærekraftig materiale.
Nødvendig energibruk ved fremstilling er allikevel vesentlig mindre
sammenlignet med stål og aluminium. En annen fordel med FRP er den lange brukstiden i samsvar med minimalt vedlikehold.
[40:s.248]
Nederlandske myndigheter har gjennomført en
miljøvurdering i forbindelse med et broprosjekt. Der kom de fram til at det brukes dobbelt så mye energi til å fremstille en
brokonstruksjon i tradisjonelle materialer sammenlignet med en tilsvarende konstruksjon i
FRP med glassfiber. Forurensning av luft og vann blir også redusert ved bruk av FRP. [4]
Andre fordeler:
Med tanke på jordskjelvlaster er det en fordel at materialet ikke er for stivt, og at det kan gi litt etter i enkelte retninger. Siden FRP-materialer er anisotrope, kan man fremstille det slik at man får ønskede egenskaper i de ulike retningene. [37:s.47-48]
Stålkomponenter kan ofte være et problem på steder hvor det blir brukt radar eller annen sensitiv elektronikk, for eksempel på sykehus. Dette skyldes at det kan oppstå interferens.
FRP med glassfiber kan være løsningen på dette problemet fordi materialet ikke har magnetiske egenskaper. [37:s.48]
Figur 23: Energibruk.[4]
Figur 22: Vannforurensning.[4]
22 FRP har lav termisk utvidelseskoeffisient. Det oppstår derfor lave spenninger under
temperaturendringer, og tåler derfor godt fryse-/tinesykluser. Dette kan ofte være et problem når man bruker stål som konstruksjonsmateriale. [37:s.46]
2.4.2 Ulemper
Høye korttids-kostnader og usikre langtids-kostnader.
Kostnadene knyttet til FRP-kompositter kan deles inn i korttids- og langtidskostnader.
Kortidskostnadene omfatter materialkostnader, kostnader knyttet til framstilling av elementer og oppføringen av selve byggingen. FRP har som tidligere nevnt blitt brukt i luftfart,
bilindustri og i marin sektor. Fordelen innenfor disse industriene er at det ofte trengs mindre, men like deler, noe som gjør masseproduksjon mulig. Dette bidrar til å holde prisene på et akseptabelt nivå. Ulempen innenfor byggebransjen er at hvert prosjekt ofte trenger mange forskjellige elementer, og til dels store elementer. Dette er med på å drive prisene opp, og FRP-elementer koster fortsatt mer enn tradisjonelle materialer. Langtidskostnader omfatter blant annet vedlikehold, rivning og fjerning. Dersom man tar hensyn til begge typer kostnader viser det seg at FRP er konkurransedyktig med vanlige materialer. En svakhet med en slik totalbetraktning er at langtidskostnadene på et prosjekt er usikre og vanskelig å beregne.
[28:s.40]
Usikker holdbarhet
Flere tester viser at FRP ikke er ømfintlig ovenfor fuktighet, ultrafiolett stråling, kjemiske angrep, fryse-tine sykluser, aldring og utmatting. Dessverre er dette bare testet for
kortidseffekt. FRP er, sammenlignet med tradisjonelle materialer, relativt nytt. Selv om FRP er blitt benyttet i romfart i rundt 60 år, er det variasjoner i måten man framstiller stoffet på når det skal brukes i byggebransjen. Dette gjør at man ikke kan benytte seg direkte av erfaringen man har opparbeidet seg fra romfarten. Påkjenningene FRP ikke er ømfintlig for, er i
hovedsak testet i laboratorier. Det vil derfor være behov for å foreta tester under virkelige forhold. En samlet standard, som angir hvordan man skal teste FRP, vil også være viktig å få på plass. [35:s.45], [28:s.42]
23 Duktilitet
FRP er ikke et duktilt materiale. Det vil derfor ikke gi noe forvarsel før materialet går til brudd. Allikevel kan FRP-elementer lages slik at bruddutviklingen går tregere og dermed blir mer synlig. En annen konsekvens er at det er følsomt for støt. [35:s.45-46]
Dårlig brannmotstand
Det er viktig at en konstruksjon har tilstrekkelig kapasitet til å kunne bli utsatt for brann.
Matrisen er dessverre brennbar, noe som fører til en økt varmeutvikling, røykutvikling og at flammene spres. En fordel med herdeplaster er at røyken ikke er giftig og at de ikke drypper.
Når temperaturen øker over et visst nivå, vil styrken og stivheten bli redusert kraftig. Denne temperaturen er mye lavere enn for stål. For polyester blir egenskapene dårligere allerede ved 80 grader. Tiltak som kan gjøres er å bruke flammehemmende resin/fillers eller passive tiltak.
[35:s.46], [21:pkt.4.2.5]
2.5 Hva er bygget i kompositt?
I Europa finnes det flere broer i FRP-kompositt, men bortsett fra en gangbro i Fredrikstad, er det ikke særlig utbredt bruk av FRP-kompositt i Norge. De fleste broene i Europa er mindre gang- og sykkelbroer, men det er også bygd større broer beregnet for biltrafikk både med bruk av bare FRP-kompositt, og i kombinasjon med stål eller andre materialer. Noen av de største landene innen bygging av slike broer er; Nederland, Tyskland, Danmark og Storbritannia, og nedenfor er det listet opp noen eksempler på broer som er bygget.
2.5.1 West Mill Bridge i Oxfordshire, Storbritannia:
West Mill bridge er den første veibroen til en offentlig hovedvei som er bygget av 100% FRP i de lastbærende delene. Broen er 10 meter lang, 6,8 meter bred, og er dimensjonert til å bære kjøretøy på opptil 46 tonn, med en aksellast på 13,5 tonn [41]. Hovedbæresystemet består av fire bjelker med profil 520mm x 480mm. Broen ble bygget på
Figur 24: West Mill Bridge[8]
24 fabrikk, og løftet på plass i løpet av 30 minutter. Den ble bygget i 2002, og etter 12 års drift ble den sjekket for skader, ingen ble funnet. [21:s.24]
2.5.2 Gang- og sykkelbro i Nørre Aaby, Danmark Dette er en 23 meter lang bro som er bygget av 100% FRP med glassfiber. [21:s.16] Den ble satt opp i 2007, og ble bygget for å erstatte en bro i betong som var ødelagt av bruk og korrosjon.
Broen veier omtrent 5% av det betongbroen gjorde. [12] Det var også mulig å bruke de samme fundamentene som betongbroen hadde brukt.
Broen ble løftet på plass på to timer, og man unngikk på den måten og måtte stenge trafikken over lengre tid.
2.5.3 Veibro i Utrecht, Nederland Dette er en lysregulert bro med ett kjørefelt og gangfelt, som går over en 12-felts motorvei. Broen som ble bygget i 2012 er 140 meter lang, 6,2 meter bred, og går over to spenn.
[22] Broen er en hybrid mellom stål og FRP, der brodekket er i FRP med glassfiber. Broen tåler Eurokode- laster (60 tonn), og det ble valgt FRP
i brodekket for å få en lettere bro, i tillegg til lengre levetid og mindre vedlikehold.
Forbindelsen mellom stål og FRP er både boltet og limt, men dimensjonert for å tåle lastene hver for seg. [21:s.22]
Figur 25: Gang- og sykkelbro i Nørre Aaby[12]
Figur 26: Trafikkbro i Utrecht.[22]
25 2.5.4 Veibro i Friedberg, Tyskland
Denne veibroen er 27 meter lang og 5 meter bred, og ble satt opp av det tyske veidirektoratet. Den består av FBD600 broplater produsert av Fiberline
Composites, og to ståldragere.
Komponentene er limt sammen.
Hurtig installasjon og lave
vedlikeholdskostnader var årsaken til at denne kombinasjonen ble brukt. [11]
2.6 Håndbøker og veiledere
FRP er relativt nytt som byggemateriale, og i løpet av de siste tiårene har bruken av FRP gradvis økt. Behovet for en standard for dette materialet er derfor mer nødvendig. Det trengs standard for fremstilling av forskjellige FRP-elementer, og standard som konstruktører kan bruke til dimensjonering. I skrivende stund finnes det ingen nasjonal standard eller Eurokode for FRP, men dette er under utvikling. Denne kommende Eurokoden vil bygge på
veiledninger og håndbøker. En del av disse har allerede blitt benyttet i flere år, og kommer fra en rekke forskjellige land. Noen av de kanskje mest sentrale er: [21:pkt.1.1-3]
EUROCOMP Håndbok om strukturell utførelse av FRP. Et samarbeid mellom England, Finland, Frankrike og Sverige, fra 1996.
CUR 96 Nederlansk anbefaling om FRP i bærende konstruksjoner fra 2003.
BD90/05 Om broer og veikonstruksjoner i FRP. Utarbeidet av offentlige fagorgan i Storbritannia i 2005.
ACMA Pre-standard for last og faktorer for konstruksjoner laget av pultrudert FRP. Utarbeidet av private aktører i USA, fra 2010 BÜV Tysk retningslinje for design og konstruksjon av FRP i
byggebransjen fra 2010.
Figur 27: Veibro i Friedberg.[11]
26 De fleste av disse anbefalingene/håndbøkene/pre-standardene tar for seg spesifikke områder ved bruk av kompositt.
CEN er en europeisk standardiserings-organisasjon, som har mandat av EU og EFTA til å utvikle og definere standarder på europeisk nivå. Dette gjelder ikke bare innenfor
byggebransjen, men også andre områder. CEN/TC250 er en teknisk komité under CEN, som har ansvaret for utarbeidelse av standarder innen byggebransjen. Komitéen tok tidlig på 2000- tallet initiativ til å lage et skriv som tok for seg hensikten og viktigheten med en standard for FRP. [21:s.1-4] Skrivet ble utarbeidet av en arbeidsgruppe og kom ut i 2007. Arbeidsgruppen skal videre utarbeide en teknisk rapport, som etter godkjenning hos CEN, skal munne ut i en Eurokode. Arbeidsgruppen er i nær kontakt med diverse foreninger og organisasjoner som har erfaring med FRP som konstruksjonsmateriale. [42]
2.7 Forbindelser
I prosjektering av broer og bygg for øvrig, er det viktig at forbindelsene har tilstrekkelig kapasitet. Forbindelser i FRP kan boltes, nagles og limes. Det er også mulig å kombinere flere av disse metodene. Det skal benyttes elastisk analyse, ved dimensjonering av forbindelser.
[21:pkt.8.1] Vi tar for oss boltede og limte forbindelser.
2.7.1 Boltede forbindelser
I forbindelser kan det brukes bolter i både FRP og i stål. Det er også mulig å bolte sammen FRP-elementer med stål-elementer, og dette kan være en stor fordel i mange tilfeller. I likhet med stål, er det klare
regler for avstander mellom boltene, og til ende/kant. Disse kravene er vist i figur 28 og tabell 7.
Figur 28: Bolteforbindelse.
Tabell 7: Minimumsavstander for bolteforbindelse.
27 I motsetning til stål, vil kreftene tas opp ulikt i de forskjellige bolteradene. Dersom du for eksempel skal forbinde en stålbjelke med en FRP-bjelke, vil bolteradene nærmest stålet, ta opp mer krefter enn de andre. Dersom du forbinder to FRP-bjelker, vil de ytterste radene ta opp mer krefter enn de midterste. Det er ikke anbefalt å bruke mer enn fire bolterader i en forbindelse.
FRP er et sprøtt materiale. Dette gjør det mindre egnet til bolteforbindelser enn for stål, som er et duktilt materiale. I «FRP-prospektet» blir det brukt en sikkerhetsfaktor på 3,75 for forbindelser utsatt for strekk. Årsaken til den høye faktoren er at det er mangel på presise analyser og erfaring med FRP. Dette viser at det er noe usikkerhet knytte til bolteforbindelser.
[21:pkt.8.3]
2.7.2 Limte forbindelser
For sammenføyning av elementer laget ved pultrudering, kan liming være en gunstig metode.
Noen fordeler ved bruk av lim er:
- Det kan gjøres estetisk på en enkel måte.
- Limte forbindelser av profiler er ofte stivere enn bolteforbindelser.
- Det finnes limtyper med høy styrke.
- Limte forbindelser egner seg godt ved dynamiske laster.
Noen ulemper ved bruk av lim er:
- Noen limtyper har egenskaper som kan forringes ved ytre påkjenninger som fukt og kjemiske stoffer. Noen forringes også over tid.
- Brudd i limte forbindelser skjer uten forvarsel.
- Styrken er ikke proporsjonal med det limte arealet. Ved et visst areal, blir styrken konstant.
- Limte forbindelser kan kun ta opp skjærkrefter.
Ettersom brudd i limte forbindelser skjer uten forvarsel, brukes det bolteforbindelser i de fleste tilfeller. I mange tilfeller brukes det derimot lim mellom boltene, og på denne måten oppnås en større stivhet i forbindelsen. Det forskes mye på limte forbindelser, og det er et mål at denne forbindelsestypen skal kunne bli brukt primært. [20:s.1.5.3]
Figur 29 viser et eksempel på forbindelse med bolt og lim kombinert.
28
Figur 29: Forbindelse med bruk av både lim og bolter.
2.8 Fremtidsutsikter
For å få svar på hvordan fremtidsutsiktene til FRP som konstruksjonsmateriale ser ut, rådførte vi oss med Fiberline Composites, som er et dansk ingeniørfirma, som produserer og leverer FRP-produkter. Følgende avsnitt baserer seg på svarene.
Fiberline har de siste årene merket en stadig større etterspørsel etter FRP. De anslår at innenfor visse områder, som prosjektering av mindre veibroer, kan FRP bli benyttet like ofte som de tradisjonelle materialene allerede om 10 år. Når det gjelder den videre utviklingen peker de særlig på to utfordringer. Den ene er nedbøyning (som skyldes lav E-modul for FRP). Her har selskapet kommet opp med en alternativ løsning, der man benytter seg av karbonfiber-lag. Dette laget, som har en høyere stivhet enn konstruksjonsstål, vil minske utfordringene nedbøyning skaper. Den andre utforingen er brannmotstand. Det jobbes mye med å finne en løsning for dette. På spørsmål om hvordan FRP vil påvirke miljøet, svarte Fiberline at materialet er miljøvennlig, og viste til en undersøkelse som ser på energiforbruk og forurensning ved prosjektering av en brokonstruksjon. (Se kap.2.4.1)
29
3 Grunnlag for bro
3.1 Håndbøker, standarder og pre-standarder
FRP er som allerede nevnt et relativt nytt materiale i byggebransjen, og det finnes foreløpig ingen Eurokode som tar for seg konstruksjoner i FRP. Dette gjorde at vi måtte foreta en god del research underveis i oppgaveskrivingen. Vi fant tidlig ut at det foreligger et utkast til Eurokode for FRP, «Prospect for new guidance in the design of FRP», heretter henvist til som
«FRP-prospektet». Det ventes derimot ikke at dette blir en fullverdig Eurokode før rundt år 2022. Fiberline har også utarbeidet en egen håndbok som gjør det mulig å finne kapasiteter for deres egne profiler. For våre beregninger av FRP-materialet, er denne håndboken, samt FRP-prospektet lagt til grunn.
Når det gjelder laster og opptredende effekter på broer, tok vi utgangspunkt i Statens
vegvesen sin håndbok N400 Bruprosjektering. Håndboken tar for seg prosjektering av broer, ferjekaier og andre bærende konstruksjoner ved det offentlige vegnettet. Håndboken
klassifiseres som en normal, og man er dermed nødt til å følge håndboken ved prosjektering.
N400 har et eget kapittel som tar for seg laster som det må dimensjoneres for. For noen av lastene vises det til ulike standarder for beregninger, mens noen laster beregnes etter håndboken selv. Vi har i denne oppgaven valgt å føre håndbøker og standarder opp i
litteraturlisten, og utelater derfor en egen oversikt over hvilke standarder og håndbøker som er blitt brukt.
3.2 Generelt om bjelkebro
Vi har i denne oppgaven valgt å konstruere en bjelkebro. Dette er en brotype med et enkelt statisk system, der kreftene tas opp av to eller flere langsgående bjelker, samt en plate som fordeler kreftene ned til bjelkene. Det er derfor viktig å dimensjonere platen korrekt, fordi den skal overføre kreftene til bjelkene på en riktig måte. Figur 30 viser en typisk bjelkebro med et betongdekke plassert oppå stålbjelker.
Figur 30: Bjelkebro.[2]
