Znak Politechniki Warszawskiej

Most z materiałów kompozytowych – innowacyjne rozwiązania z PW

fot. Mostostal Warszawa

W laboratoriach Uczelnianego Centrum Badawczego Politechniki Warszawskiej na Wydziale Inżynierii Materiałowej naukowcy pracowali nad próbkami kompozytów, z których zostały wykonane elementy mostu w miejscowości Błażowa pod Rzeszowem. Zespołem naszych naukowców kieruje dr. inż. Rafał Molak – budowa mostu to nie koniec badań.

W ostatnich latach powstało kilka kładek dla pieszych, których elementy nośne wytworzono z kompozytów FRP (Fibre Reinforced Polimer), czyli włókien szklanych i węglowych, otoczonych syntetyczną żywicą. Jednym z najbardziej obrazowych przykładów zastosowania materiałów kompozytowych jest trwający od 2013 roku program budowy hybrydowego (betonowo-kompozytowego) mostu dla ruchu samochodowego Com-bridge, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu Demonstrator+. Most wykonany z kompozytów otwarto uroczyście w Błażowej 9 lutego 2016 roku

Co jest wyjątkowego w kompozytach FRP?

Kompozyty FRP przyciągają zainteresowanie inżynierów i architektów przede wszystkim  ze względu na ich wysoką wytrzymałość właściwą (duża wytrzymałość przy jednoczesnej relatywnie niskiej wadze). Posiadają dużą podatność na formowanie różnych kształtów elementów konstrukcyjnych, charakteryzują się dużą estetyką, niską przewodnością termiczną i niewielką emisją dwutlenku węgla w perspektywie cyklu życia. Włókna (w tym przypadku szklane i węglowe) nadają wytrzymałość i sztywności kompozytu. Natomiast osnowa z polimeru termoutwardzalnego (tutaj żywica epoksydowa) spaja włókna, przenosi obciążenia z włókna na włókno, a jednocześnie stanowi ochronę przed wpływem otaczającego środowiska.

Materiały te wielokrotnie udowodniły wyjątkową trwałość i odporność na korozję w porównaniu do konwencjonalnych materiałów konstrukcyjnych w zastosowaniach budowlanych. Kompozyty FRP nie ulegają naturalnemu rozkładowi jak drewno i nie ulegają korozji jak stal, a dodatkowo są z reguły bardzo odporne na czynniki chemiczne. Stosowanie ich do produkcji jachtów i łodzi pokazuje ich skuteczność w środowiskach, w których inne typowe materiały (np. metale) byłyby mało nieprzydatne. Kompozyty FRP powinny również wykazywać odpowiednią ognioodporność aby zapewnić bezpieczeństwo konstrukcji na wypadek pożaru.

Most w Błażowej podczas budowy

Wykorzystanie sprawdzonych rozwiązań

Powszechna wiedza o kompozytach FRP kształtowana przy projektowaniu i wytwarzaniu ich dla przemysłu lotniczego i szkutniczego pozwoliła naukowcom dobrać odpowiednie metody badań na potrzeby inżynierii mostowej. Zespół pod kierownictwem dr. Rafała Molaka skupił się m.in. na analizie wpływu wielkości próbek kompozytowych na otrzymywane właściwości mechaniczne. Wyzwaniem jest to, że w dużych konstrukcjach kompozytowych istnieje większe prawdopodobieństwo znalezienia krytycznych wad determinujących nośność elementu niż w małych próbkach laboratoryjnych.

Uczelniane Centrum Badawcze „Materiały Funkcjonalne” Politechniki Warszawskiej (UCB MF PW) wykonywało badania laboratoryjne próbek z materiałów wyjściowych oraz elementów konstrukcyjnych w skali rzeczywistej, zaprojektowanych wcześniej przez  firmę Promost Consulting i wytworzonych przez spółkę Mostostal Warszawa. Na podstawie badań laboratoryjnych wyznaczono właściwości mechaniczne kompozytów FRP niezbędnych do zaprojektowania mostu oraz obliczenia jego nośności opierając się na ustalonych normach i wytycznych gwarantujących bezpieczeństwo konstrukcji.  Natomiast dzięki wynikom badań elementów konstrukcyjnych w skali rzeczywistej, inżynierowie weryfikowali wartości wyznaczone obliczeniowo. W ten sposób sprawdzali, czy proces produkcyjny prowadzi do uzyskania takich samych właściwości, jak oczekiwane.

W przeprowadzonych pracach naukowo-badawczych zastosowano szeroki zakres badań materiałowych, m.in. badania wytrzymałościowe w temperaturach podwyższonych i obniżonych (statyczna próba rozciągania, ściskania i ścinania), tomografia komputerowa (CT), skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) oraz metody zaliczane do grupy badań nieniszczących (NDT) a mianowicie emisję akustyczną (AE) i badania ultradźwiękowe (UT). Do badań wykorzystywano materiały w stanie wyjściowym (bezpośrednio po wytworzeniu) oraz poddane oddziaływaniu czynników degradujących (m.in. promieniowanie UV, gradient temperatury, woda, sól drogowa, temperatura, naprężenia i inne). Doświadczenia były wspierane przez symulacje numeryczne klasycznych prób wytrzymałościowych (rozciąganie, ściskanie, ścinanie) oraz złożonych elementów konstrukcyjnych pod obciążeniem laboratoryjnym lub użytkowym.

Most kompozytowy w Błażowej, fot. Mostostal Warszawa

Czas na zmianę podejścia

Rozwiązania zapoczątkowane przez badaczy z Politechniki Warszawskiej to novum dla konstrukcji kompozytowych na rynku krajowym. To również wyjątkowa konstrukcja w skali światowej z uwagi na długość przęsła, która wynosi 21 m, jest to tym samym najdłuższa tego rodzaju konstrukcja na świecie. W tego typu rozwiązaniach przodują: Stany Zjednoczone, Kanada, Japonia, Hiszpania, Chiny czy Francja. Wciąż rosnące wymagania w stosunku do bardzo obciążonych konstrukcji, zwłaszcza w budownictwie, wymuszają stosowanie materiałów cechujących się jednocześnie lekkością, wytrzymałością i trwałością. Wszystkie te zalety łączą w sobie kompozyty FRP.

Naukowcy z Politechniki Warszawskiej przyznają, że środowisko konstruktorów i projektantów jak na razie dość sceptycznie podchodzi do kompozytów w zastosowaniach do dużych konstrukcji. Powodem jest zbyt mała ilość przykładów zastosowań kompozytów FRP do budowy samodzielnych konstrukcji, w tym mostowych. Doświadczenia z budowy w Błażowej i wyniki badań pierwszego polskiego mostu drogowego z kompozytów FRP potwierdziły jednak, że ten nowoczesny i innowacyjny materiał może być pełnowartościową alternatywą dla stosowanych powszechnie w budownictwie mostowym stali i betonu.

To nie koniec badań

Budowa mostu w Błażowej nie oznacza jeszcze zakończenia badań nad materiałami kompozytowymi. W ramach projektu Com-bridge planowane są jeszcze m. in. badania zmęczeniowe, badania pełzania, palność oraz wpływ innych czynników atmosferycznych na konstrukcję.

Projekt ten stał się źródłem jednej pracy dyplomowej i dwóch rozpraw doktorskich. Celem jednej z rozpraw doktorskich jest rozwój konstrukcji kompozytowych do zastosowań w inżynierii lądowej poprzez opracowanie systemu badawczego do modelowania i monitorowania wad  w realnych konstrukcjach inżynierskich.

W prace nad projektem zaangażowani byli:
dr inż. Rafał Molak, dr inż. Wojciech Spychalski, mgr inż. Łukasz Gołębiowski, mgr inż. Radosław Karczewski, mgr Katarzyna Balke , inż. Edyta Granica.

Autor: mgr inż. Łukasz Gołębiowski – członek zespołu badawczego.
Kontakt: dr inż. Rafał Molak, Rafal.Molak@wimpw.edu.pl, tel. 8724

Redakcja: Monika Bukowska