bvcv

1. 2nd
InternationalConference
„NEW TECHNOLOGIES NT-2015 „Development andApplication
PRIMENA KARBONSKIH VLAKANA U GRAĐEVINARSTVU
APPLICATION OF CARBON FIBRE IN CONSTRUCTION
INDUSTRY
Miljan Kovačević1, Ljubo Marković2, Velimir Dutina3,Ljiljana Milić Marković4,
1
Univerzitet u Prištini,Fakultet tehničkih nauka,Kosovska Mitrovica, miljan.kovacevic@pr.ac.rs.
2
Univerzitet u Prištini,Fakultet tehničkih nauka, Kosovska Mitrovica, ljubo.markovic@pr.ac.rs.
3
Univerzitet u Prištini,Fakultet tehničkih nauka, Kosovska Mitrovica,velimir.dutina@pr.ac.rs.
4
CES COWI, Beograd, ljmm@cescowi.rs.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
SAŽETAK:
U radu je ukazano na mogućnosti primene karbonskih vlakana u građevinarstvu. U uvodnom delu
dati su osnovni podaci o karbonskim vlaknima, vrstama karbonskih vlakana koje se koriste i
proizvodima od njih. Nakon uvodnog dela, ukazano je na oblasti upotrebe karbonskih vlakana u
građevinarstvu: korišćenje karbonskih vlakana u armiranom betonu, upotreba vlakanau drvenim
konstrukcijama i primena kompozita od plastičnih profila i karbonih vlakana. Na primeru iz
prakse u raduprikazana je primena karbonskih traka kao elemenata za ojačanje konstrukcija.
Ključne riječi:karbonska traka, traka-tkanina,traka-laminat,epoksidni lepak
ABSTRACT:
The paper shows to the possibility of the application of carbon fiber in the construction industry.
The introductory section provides basic information about carbon fiber, fiber types and the product
made from them. After introductory part, point to the area of the use of carbon fiber in the
construction industry: the use of carbon fiber reinforced concrete, the use of carbon fibers in wood
construction and application of composite plastic profiles and carbon fibers. In the case of practice
this work shows the application of CFRP strips as reinforcing elements for construction.
Keywords: carbon strips, carbon fabric (Wrap), carbon plates (CFRP), epoxy adhesives
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1. UVOD
Karbonska vlakna predstavljaju savremen kompozitni materijal sastavljen od ugljeničnih vlakana
(sadrže najmanje 90% ugljenika)unutar matrice od epoksidnih smola. Vlakna su kružnog preseka,
prečnika 0.01 do 0.10 mm. Postoje četiri vrste karbonskih vlakana: vlakna sa osnovom od celuloze,
vlakna sa poliakrilonitrilnom (PAN) osnovom, vlakna sa osnovom od smole i vlakna koja se stvaraju
od ugljenikovih para. Prve tri vrste koriste različite sirovine, a proizvodne tehnologije su skoro iste i
sastoje se od tri faze: oksidacija, karbonizacija i grafitizacija. Posle svake faze javljaju se karbonska
vlakna sa različitim strukturama i svojstvima [6].
Prednosti primene karbonska vlakna su: dostupnost u mnogim oblicima i širokom rasponu svojstava,
visok modul elastičnosti (naročito kod vlakana sa osnovom na bazi smola), visoka čvrstoća (naročito
kod PAN vlakana), otpornost na zamor i dinamičke uticaje, dobra termička stabilnost u odsustvu
O2,niski koeficijent termičke ekspanzije, dobra hemijska otpornost, nema značajnih inhalacionih
problema sa vlaknima manjih prečnika do 5 μm.
Osnovni nedostaci primene karbonskih vlakana su: relativno visoka cena, potrebna je pažnja u
rukovanju karbonskim vlaknima (jer su elektro provodljivi), oksidišu na vazduhu pri temperaturi
iznad 450 0
C, pokazuju anizotropiju u aksijalnim i transverzalnim pravcima.

2. 2
Od karbonskih vlakana izrađuju se [2]:
1. trake-lamele (laminati), u kojima su vlakna, koja su orijentisana u pravcu pružanja trake,
međusobno slepljena odgovarajućim epoksidnim vezivom,
2. trake-tkanine, koje se dobijaju različitim tkanjem "konaca" formiranih od karbonskih
vlakana.
Karbonske trake i tkanine se proizvode u praktično neograničenim dužinama. Trake-lamele imaju
debljine(tf)do oko 2mm i širine(bf) do 200mm. Čvrstoće pri zatezanju karbonskih traka-lamela kreću
se do 3000MPa, dok njihove granične deformacije (dilatacije) pri lomu mogu da iznose i cca 2%. Pri
ovome, moduli elastičnosti traka-lamela najčešće se kreću do vrednosti 200000MPa [2].
Karbonske tkanine imaju efektivne (neto) debljine (debljine „konaca") do nekoliko desetih delova
milimetra (do cca 0,2mm), dok su im širine najčešće 200 – 1000 mm. Čvrstoća pri zatezanju je preko
3000MPa, dok granične deformacije pri lomu mogu da iznosi oko 1,5%. Moduli elastičnosti
karbonske tkanineiznose preko 200000MPa [2].
Trake-lamele mogu da prihvate samo opterećenja (zatežuće sile) u podužnom pravcu - u pravcu
pružanja vlakana, dok trake - tkanine mogu da budu nosive u više pravaca (u zavisnosti od načina
tkanja „konaca“, odnosno orijentacije vlakana) [2].
2. PRIMENA U GRAĐEVINARSTVU
U građevinarstvu, najčešće se koriste dve vrste karbonskih vlakana: vlakna zasnovana na PAN-u i ona
na smoli. Po svojim svojstvima, vlakna zasnovana na celulozi su lošija od pomenuta dva tipa, dok
vlakna koja se stvaraju od ugljenikovih para pokazuju izvanredne osobine, ali su veoma skupa za
gradnju [6].
Karbonske trake i tkanine koriste se pri sanacijama i ojačanjima zidanih, drvenih, metalnih
konstrukcija, ali su najveću primenu našle u oblasti betonskih konstrukcija (nearmiranih, armiranih i
prednapregnutih). Glavne oblasti upotrebe karbonskih vlakana su: ojačavanje struktura, korišćenje
mešavina karbonskih vlakana u prethodno napregnutom betonu, upotreba u mikroarmiranom betonu i
primena kompozita od plastičnih profila i karbonskih vlakana.
Tabela 1: Poređenje između karakteristika vlakana i čelika [3,5]
Materijal Zapreminska
masa
Modul
elastičnosti
Čvrstoća na
zatezanje TS
Izduženje pri
lomu
Cena
(g/cm3
) (GPa) (MPa) (%) (€/kg)
E-staklena vlakna 2,5-2,6 70-80 2000-3500 3,5-4,5 1,5-3,0
HM karbonska vlakna
(visok modul elastičnosti)
1,85-1,9 390-760 2400-3400 0,5-0,8 20-60
HS karbonska vlakna
(visoka čvrstoća)
1,75 240-280 4100-5100 1,6-1,73 20-60
Aramidna vlakna 1,44-1,47 62-180 3600-3800 1,4-5,2 20-35
Čelik 7,8 200-210 360-600 20-30 0,7
Lepkovi za karbonske trake predstavljaju proizvode koje, po pravilu, zajedno sa trakama odnosno
tkaninama, isporučuje proizvođač određenih traka (tkanina). Karbonske trake-lamele i trake-tkanine
se u praksi primenjuju isključivo kao elementi za prihvatanje zatežućih sila koje se javljaju u
presecima konstrukcija. Traka-lamela isključivo se koristi za prihvatanje sila koje deluju u njenom
podužnom pravcu, dok se jedna traka-tkanina koristi za prihvatanje zatežućih sila koje deluju u
pravcu (pravcima) pružanja “konaca" od kojih je izatkana [2].

3. 3
Slika 1:Dijagraminapon-dilatacijazarazličitavlaknaiarmaturničelik [4]
2.1. Ojačavanje struktura
Danas je ojačavanje jedan od najčešćih slučajeva za primenu karbonskih vlakana u građevinarstvu.
Glavna ideja je da se zalepe tekstili ili laminati na spoljašnje površine strukture kako bi povećale
čvrstoću i krutost . Ova vrsta spoljašnjeg ojačavanja se koristi da se obezbedi sigurna upotreba
jedinstvenih, skupih i istorijski značajnih građevina, kada je rušenje građevina ili rekonstrukcija
mnogo skuplja nego popravka.Najčešća primena karbonskih traka je ojačanje betonskih konstrukcija(
sl. 2).
Slika 2: Primer konstrukcije sa ojačanjem u vidu zalepljene karbonske trake-lamele [2]
Za drvene građevine primenjuju se karbonska vlakna sa modulom elastičnosti većim od 300 kN/mm2
.
Postoje dve metode za ojačavanje drvenih građevina: lepljenje na površinu i otiskivanje u prethodno
izrezane rezove ( sl. 3 i 4).
Slika 3: Primer konstrukcije sa ojačanjem u vidu zalepljene karbonske trake-lamele [1]
Drugi metod se obično koristi kada je potrebno sačuvati prvobitni izgled građevine. Elementi za
spoljašnje ojačavanje napravljeni od karbonskih vlakana koriste se najčešće kod lameliranih drvenih
greda na mestima velikih momenata savijanja. Glavne prednosti ovog ojačavanja drvenih građevina u

4. 4
poređenju sa tradicionalnim metodama su brzo i lako postavljanje kao i mogućnost da se učine
nevidljivim.
Slika 4: Primer konstrukcije sa ojačanjem u vidu zalepljene karbonske trake-lamele [1]
.
Kada se karbonskim vlaknima ojačavaju čelični zatezni elementi, dobro je to uraditi simetrično od
težišta elementa. U tom cilju, primenjuju se karbonska vlakna sa modulom elastičnosti sličnim čeliku
i sa maksimalno mogućom čvrstoćom, na primer E=200-230 kN/mm2
, TS=4800 N/ mm2
.
2.2 Upotreba karbonskih vlakana u livenom betonu
Ova oblast je relativno mlada ali se brzo razvija. Karbonska vlakna su počela da se javljaju u
izlivenom betonu u masovnoj proizvodnji 2003. Sada je to uobičajen materijal kod izlivenih
elemenata u SAD. Rešetka od karbonskih vlakana se koristi zamena za armiranje mrežom i kao
mehanička veza spoljašnjih i unutrašnjih delova betonskog zida (sl. 5). Nekorozivna rešetka od
karbonskih vlakana na površini zidnog panela omogućava manje korišćenje betona što smanjuje
težinu i upotrebu sirovina. Zidni paneli ojačani rešetkom od karbonskih vlakana mogu da teže do
40% manje nego konvencionalno izliveni paneli.
Slika 5: Zidni panel armiran mrežom od karbonskih vlakana [www.altusprecast.com]
Glavni razlozi za primenu karbonskih vlakana u livenom betonu:
 nekorozivnost: karbonska vlakna ne korodiraju, pa ne dolazi do rđanja i oštećenja što se
može desiti kod ojačavanja čeličnom armaturom. Shodno tome, mogu da se
smanjekoličinebetonapotrošenognaimezaštitnihslojeva;
 težina: mogućnost da se smanjikoličinabetonskogpokrivačamožedovesti do
značajneredukcijetežine (do 50% kodzidnihpločai do 8% kodploča T oblika).
Zaarhitekteiinženjere, smanjenatežinadoprinosiuštedama u
cenipočevodtemeljaizidanenadgradnje pa do
manjihtroškovahorizontalnogivertikalnogtransporta;
 energetskaefikasnost:
korišćenjerešetkeodkarbonskihvlakanapružaboljutermičkuperformancujerimajumanjutermič
kuprovodljivostismanjujuprenostoploteilihladnoćeodspoljakaunutra. Instalacijakoja je
ugrađena u zidoveje beztoplihilihladnihmostova. Kao rezultat,
vlasnicizgradaimajukoristioddugoročneuštedeenergije.

5. 5
Cena rešetke od karbonskih vlakana je višestruko skuplja u odnosu na konvencionalno čelično
armiranje, ali to je obično nadoknađeno redukcijom količine betona i trajnošću, manjim gabaritima i
mogućnošću da se smanje kako temelji tako i nadgradnja građevine.
2.3. Karbonska vlakna u gradnji mostova
Budućnost primene karbonskih vlakana je u oblasti gradnja mostova. Od 1992. nekoliko pešačkih
mostova uglavnom je izgrađeno od kompozita sa karbonskim vlaknima. Primeri su Fiberlinski most u
Danskoj raspona 40m, Leida pešački most u Španiji raspona od 38m i otvoren Fredikstat most u
Norveškoj raspona od 56 m. Poslednji most je pokretni pešački most napravljen od plastike ojačane
karbonskim i staklenim vlaknima (slika6). Glavni razlog za primenu plastike ojačane karbonskim
vlaknima bio je da se smanji težina i da se obezbedi ekonomičnost opreme za podizanje mosta .
Slika 6: Otvoreni pešački most u Fredikstatu u Norveškoj
Prednosti mešavine ojačanih vlakana u mostovima:
 lakša, bržaiekonomičnijainstalacija – manje je kranovapotrebno;
 otpornostnaatmosferskaoštećenja, soli zatopljenjeleda, hemikalijezaposipanjeisl;
 smanjenjepotrebaodržavanja, dužiživotnivekiraspadalakšeuklanjanje.
U gradnji mostova, vlakna se mogu koristiti u glavnim nosećim strukturama, zatim kao kablovi i kao
zatege.
2.4. Ostale upotrebe karbonskog vlakna
Karbonska vlakna se mogu koristiti za pravljenje ojačanih plastičnih profila. Neki proizvođači nude
svoje I- grede, pravougane i kružne cevi. Čvrstoća ovih profila može biti do 1800 N/mm2
. Tako
velika čvrstoća uz nisku težinu i malo ugibanje čini ovo rešenje pogodnim za gradnju.
Karbonsko vlakno je dobra zamena za čelične niti u mikroarmiranom betonu. Karbonska vlakna koja
se koriste za beton su obično jeftina celulozna ili PAN vlakna koja pružaju nisku termičku
provodljivost u poređenju sa čelikom i takođe imaju dobru koheziju sa betonom. Ovo rešenje je
dobro za jako opterećene podove i puteve.
Tekstili koji se prave od karbonskih vlakana mogu da se koriste u lepljenom laminiranom drvetu.
Obično se tekstili lepe između drvenih laminata. Smanjenje težine u ovom slučaju može biti do 40 %.
3. PRIMER PRORAČUNA OJAČANJA ARMIRANO BETONSKIH
KONSTRUKCIJA

6. 6
Arhitektonskim projektom adaptacije lokala između osa 15-18: F-D objekta SPO 4/1 u Bloku 64
u Beogradu predviđeno je formiranje otvora u postojećim armiranobetonskim zidovima debljine
15 cm i formiranje otvora u AB ploči prizemlja radi povezivanja sa podrumskim delom objekta
(slika 7 i slika 8).
Slika 7: Osnova objekta pre formiranja otvora
Slika 8: Osnova objekta posle formiranja otvora
3.1. Analiza uticaja i proračun
Analizom novodobijenih uticaja nakon uklanjanja-sečenja dela zidova a imajući u vidu arhitektonsko-
tehnološke zahteve predviđeno je njihovo ojačanje primenom karbonskih traka i čeličnih flahova.
Ugradnjom ovih materijala se nadoknađuje potrebna armatura i to ugradnjom - lepljenjem karbonskih
traka - laminata i karbonskih traka – tkanina. Krajevi zidova uz otvore će se dodatno armirati-ojačati
pomoću čeličnih lamela-flahova fiksiranih epoksidnom smolom (u fazi očvršćavanja epoksidne smole
predviđena je primena zavrtnjeva M-12 sa čeličnim tiplovima Ø18mm) s obzirom da karbonske trake
kao materijal nisu pogodne za sanaciju pritisnutih AB elemenata.
Proračun objekta sa novoformiranim otvorima izveden je pomoću programa TOWER 6 pri čemu je
korišten ulazni model iz Glavnog projekta konstrukcije sa svim projektovanim opterećenjima. Takođe
je, a kao izlazni podatak za dimenzionisanje data potrebna armatura koja je sračunata u novom
modelu. Pri proračunu karbonskih traka korišćene su tehničke karakteristike za ove materijale iz
kataloga proizvođača Sika:

7. 7
Tabela 2: Tehničke karakteristike primenjenih karbonskih traka - laminata za prijem glavnih napona
zatezanja, σvt=2800N/mm2
Naziv proizvoda
Moduolastičnosti
Ef(kN/mm2
)
Granična
deformacija efu(-)
Širina
br (mm)
Debljina
tf (mm)
SikaCarboDurPlates 165 0.017 50/100/150 1.2/1.4
Tabela 3: Tehničke karakteristike primenjenih karbonskih traka prijem glavnih smičućih napona,σvt
=4300N/mm2
Naziv proizvoda
Moduo lastičnosti
Ef(kN/mm2
)
Granična
deformacija efu (-)
Širina
br (mm)
Debljina
tf (mm)
SikaWrap 230C 238 0.018 300/600 0.131
Za ojačanje oko otvora AB zidova koristi se standardni pljosnati čelik Č0361, σv=240N/mm2
Potrebna površina poprečnih preseka traka-laminata i čeličnih flahova je dobijena na osnovu
potrebne armature koja je nastala dimezionisanjem AB zidova nakon formiranja projektovanih otvora.
Zid u osi 16:
Potrebna armatura 13.2 cm 2
iznad otvora. Nadoknađuje se karbonskim trakama-laminatima površne:
𝐴𝑡 =
𝐴𝑠𝜎𝑣𝑎
𝜎𝑣𝑠
=
13.3∗40
280
= 1.9𝑐𝑚2
(1)
Usvojena traka-laminat SikaCarbodur S1512. At=20*0.12=1.8 cm2
Potrebna armatura 9.0 cm2
u zidu pored otvora. Nadoknađuje se čeličnim flahovima površne:
𝐴č =
𝐴𝑠∗𝜎𝑣𝑎
𝜎𝑣𝑠
=
9.0∗40
24
= 15.0𝑐𝑚2
(2)
Usvojen čelični flah 150/12mm Ač=15*1.2=18.0 cm2
Zid u osi 17:
Potrebna armatura 12.2 cm2
iznad otvora. Nadoknađuje se karbonskim trakama-laminatima površne:
𝐴𝑡 =
𝐴𝑠𝜎𝑣𝑎
𝜎𝑣𝑠
=
12.2∗40
280
= 1.74𝑐𝑚2
(3)
Usvojena traka-laminat SikaCarbodur S1512. At=15*0.12=1.8 cm2
Potrebna armatura 7.14 cm2
u zidu pored otvora Nadoknađuje se čeličnim flahovima površne:
𝐴č =
𝐴𝑠∗𝜎𝑣𝑎
𝜎𝑣𝑠
=
7.14∗40
24
= 11.9𝑐𝑚2
(4)
Usvojen čelični flah 150/12mm Ač=15*1.2=18.0 cm2
Zid u osi 18:
Potrebna armatura 11.5 cm iznad otvora. Nadoknađuje se karbonskim trakama laminatima površne:
𝐴𝑡 =
𝐴𝑠𝜎𝑣𝑎
𝜎𝑣𝑠
=
11.5∗40
280
= 1.64𝑐𝑚2
(5)
Usvojena traka-laminat SikaCarbodur S1512. At=15*0.12=1.8 cm2
Potrebna armatura 5.12 cm2
u zidu pored otvora. Nadoknađuje se čeličnim flahovima površne:
𝐴č =
𝐴𝑠∗𝜎𝑣𝑎
𝜎𝑣𝑠
=
7.14∗40
24
= 11.9𝑐𝑚2
(6)
Usvojen čelični flah 150/12mm Ač=15*1.2=18.0 cm2
Tabela 4: Specifikacija karbonskih traka laminata Sika Carbo Dur Plates S1512 150/1.2mm
L (m) kom Ukupno(m)
TI 4,5 2 9
T2 3,15 1 3,15
T3 1,8 4 7,2

8. 8
T4 4,5 2 9
T5 6,2 2 12,4
T6 4,75 1 4,75
T7 3,6 2 7,2
Ukupno: 52,7
Tabela 5: Specifikacija karbonskih traka tkanina Sika Wrap 230C 0.131
L (m) kom Ukupno(m)
TT1 1,4 6 8,4
TT2 2,22 4 8,88
TT3 2,4 4 9,6
Ukupno: 26,88
4. ZAKLJUČAK
U savremenom građevinarstvu, sve više se primenjuju složeni materijali - kompoziti, u okviru kojih
su, zbog visokih performansi, posebno aktuelna karbonska vlakna ( karbonske trake i karbonske
tkanine). Razlozi za sve masovniju primenu karbonskih vlakana i njihovo preuzimanje uloge koju su
nekad imali čelicni limovi je činjenica da materijali na bazi karbonskih vlakana imaju veliku čvrstoću,
malu težinu, otpor na zamor i povoljna mehanička svojstva. Još jedna prednost ovih materijala je što
ne zahtevaju nikakvu antikorozivnu zaštitu.
Karbonska vlakna se primenjuju u području ojačanja i rehabilitacije betonskih, drvenih, zidanih i
raznih drugih konstrukcija, gde se ovi materijali postupkom lepljenja sprežu sa konstrukcijom koju
treba ojačati da bi prihvatila pojačano eksploataciono opterećenje. Pobrojane osobine omogućavaju
jednostavna i tehnički elegantna rešenja, što nesporno dovodi do pozitivnih finansijskih efekata i
skraćuje vreme izvođenja radova.
5. LITERATURA
Journal Papers:
[1] A.Borri, M.Corradi, A.Grazini, A method for flexural reinforcement of old wood beams with
CFRP materials, Composites: Part B, 36, 2005, 143-153.
[2] M.Muravljov, Praktičnaprimenakarbonskihtrakaitkaninazasanacijuiojačanjekonstrukcija, Zbornik
radova, Savremeni materijali i postupci sanacije građevinskih objekat, Beograd, 2013,31-54.
Books:
[3] A.Andre, ,Strengthening of timber structures with flax fibers, Licentiate thesis, Division of
Structural Engineering, Department of Civil and Environmental Engineering, Lulea University of
Technology, Lulea, Sweden, 2007.
[4] A.Carolin, ,Carbon fibre reinforced polymers for strengthening of structural elements, PhD thesis,
Department of Civil and Environmental Engineering, Chalmers University of Technology,
Gothenburg, Sweden, 2003.
[5] CNR Advisory Committee on Technical Recommendations for Construction. “Guide for the
design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening existing structures.
Materials, RC and PC structures, masonry structures.”CNR-DT 200/2004, Rome, Italy,2004.
[6] P. Morgan, Carbon fibers and their composites. Boca Raton: CRC Press Taylor & Frencis Group,
2005.