Vývoj nekovových výztuží do betonu 1

 

Hlavní výhodou výztuže na bázi FRP (Fiber Reinforced Polymers) je její odolnost vůči agresivním účinkům okolního prostředí. Použitím kompozitní výztuže lze proto eliminovat náklady jinak vynaložené na ochranu ocelové výztuže, příp. na dodatečné opravy již narušené konstrukce. Typickým příkladem může být např. vyztužování betonových konstrukcí v silně agresivním prostředí (příklady použití lze najít např. v Japonsku při vyztužování plovoucích betonových námořních konstrukcí nebo Rainbow Bridge v Tokiu – obr. 1), vyztužování tenkostěnných konstrukcí (obr. 2 – jeden z prvních kompozitních mostů, Aberfeldy Footbridge ve Skotsku), kde krytí představuje významný příspěvek k rozměru, a tedy i k vlastní tíze prvku, vyztužování v místech exponovaných z hlediska radiového vysílání nebo místech těžko dimenzovatelných vzhledem k indukci bludných proudů.

 

Ochrana ocelové výztuže je ve zmíněných případech zajištěna obvykle pouze dostatečnou krycí vrstvou betonu. V exponovaných případech se běžná ocelová výztuž nahrazuje buď tzv. povlakovanou výztuží (ocelová výztuž opatřená obvykle epoxidovým nátěrem či nástřikem), nebo ocelí nekorodující. Nerezová kovová výztuž je obvykle neúměrně nákladná. Tyto problémy lze vyřešit použitím FRP výztuží. Kompozitní materiál je odolný vůči agresivitě prostředí (pouze u výztuží na bázi skleněných vláken je třeba brát zřetel na citlivost některých druhů skel na alkalické prostředí) a přitom má mechanické vlastnosti, které vyhovují potřebám betonových konstrukcí (vysoká pevnost v tahu, malá objemová hmotnost, nevodivost).

Vnitřní výztuž konstrukcí ovšem není jedinou oblastí, ve které jsou kompozitní materiály používány pro vyztužování. Kompozitní prvky lze aplikovat na konstrukci rovněž jako externí FRP výztuž, která se využívá (dnes již celkem běžně) pro dodatečné zesilování konstrukcí namáhaných normálovou silou a ohybovým momentem, posouvající silou, kroutícím momentem nebo kombinací uvedených namáhání (obr. 3 – zesílení stropní desky kolem dodatečně vytvořeného otvoru). Efektivní variantou aplikace je výztuž umístěná v blízkosti povrchu (NSMR – Near Surface Mounted Reinforcement), tedy způsob vhodný opět převážně pro dodatečné zesilování konstrukcí.

 S ohledem na výhodné materiálové vlastnosti se nelze divit stále rostoucímu zájmu o tyto nové materiály a technologie. Použití těchto materiálů v našich podmínkách je však značně komplikováno vysokou pořizovací cenou ve srovnání s klasickou betonářskou výztuží a rovněž neexistencí předpisů, které by bylo možno použít pro návrh konstrukcí vyztužených kompozitní konstrukcí. Na Fakultě stavební VUT v Brně proto bylo a stále je v posledních letech řešeno několik výzkumných projektů zabývajících se vývojem, vlastnostmi a v neposlední řadě navrhováním konstrukcí vyztužených, resp. dodatečně zesílených nekovovou výztuží. Tento výzkum probíhá za úzké spolupráce přímo s domácím výrobcem FRP materiálů (Prefa Kompozity, a. s.). Díky této spolupráci bylo možné výrazně snížit cenu těchto materiálů, které je jinak potřeba dovážet ze zahraničí. Cílem výzkumu bylo vyvinout systém zesilování konstrukcí, a to jak dodatečného zesilování konstrukcí (vědeckovýzkumný projekt GAČR 103/02/0749 – Moderní metody zesilování zděných a betonových konstrukcí), tak zesilování za pomoci zabudovaných výztuží (projekt MPO Pokrok 1H-PK2/57 Trvanlivé betonové konstrukce nové generace se zvýšenou odolností vůči agresivním vlivům). Získané poznatky jsou představovány odborné veřejnosti v rámci centra CIDEAS (projekt MŠMT 1M0579 – Centrum integrovaného navrhování progresivních stavebních konstrukcí).

 

 

Základním krokem při vývoji kompozitních výztuží je volba vhodných komponent. Materiál vhodný pro vyztužování betonových prvků a konstrukcí musí být dostatečně chemicky odolný (jak vzhledem k předpokládané agresivitě aplikačního prostředí, tak i vzhledem k počáteční vysoké alkalitě betonu) a musí být vhodný pro předpokládanou technologii výroby. Při volbě materiálů a návrhu složení kompozitní výztuže se vycházelo z všeobecně známých vlastností základních materiálů a z laboratorních zkoušek. Během vývoje výztužných prvků jsou testovány různé druhy pryskyřic a nosných vláken.

Požadavkům na chemickou odolnost vyhovují matrice s chemickým složením založeným na nenasycených polyesterových pryskyřicích (typy s vyšší odolností), epoxyakrylátových (vinylesterových) pryskyřicích nebo epoxidových pryskyřicích. Byly odzkoušeny různé typy pryskyřic a posuzována jejich zpracovatelnost – viskozita, vytvrzovací teplota, vytvrzovací čas (gel test), vhodnost pro technologii pultruze, plnitelnost minerálními plnivy. Velice důležitým aspektem je kompatibilita s vyztužujícími vlákny, mechanické parametry vytvrzeného materiálu a jeho výsledná tepelná a chemická odolnost. Běžně používaným vyztužujícím materiálem bývají zejména vlákna skleněná – sklovina typu E. Tato vlákna však nejsou vhodná pro požadovanou aplikaci (dochází k jejich degradaci vlivem zásaditého prostředí v betonu), jako vhodnější se jeví skleněná vlákna typu AR, která mají vyšší odolnost.

 

Po nalezení vhodného složení kompozitních výztuží pokračoval výzkum optimalizací mechanických vlastností vyvinuté výztuže. V rámci zkoušek byla u výztuží zjišťována pevnost v tahu, modul pružnosti a pracovní diagram. Pozornost byla věnována především vlivu speciálních povrchových úprav na tyto sledované charakteristiky (ukázky několika povrchových úprav jsou na obr. 4). Speciální povrchové úpravy jsou na výztuži prováděny pro zvýšení soudržnosti výztuže s betonem.

Průměr zkoušených prutů byl 6 mm (výztuže na bázi uhlíkových vláken v epoxidové matrici – CFRP) a 14 mm (výztuže na bázi skleněných vláken v epoxidové matrici – GFRP). Největším problémem při této zkoušce bylo vytvoření dostatečně únosné oblasti, která by umožnila přenést relativně vysoké tahové zatížení ze zkušebního zařízení do výztuže. Vzhledem k malé odolnosti tyčí vůči tlakovému namáhání nebylo možno použít samosvorný mechanismus běžně používaný pro tahové zkoušky kovové výztuže. Nakonec se jako vhodný způsob ukotvení osvědčila tlustostěnná ocelová trubka s vyvrtanými otvory pro zlepšení soudržnosti. Schéma tahové zkoušky je na obr. 5. Výztuž byla do této trubky zalita epoxidovým lepidlem.

Porovnáním výsledků v tabulce 1 lze získat poměrně přesnou představu o vlivu povrchových úprav na pevnost výztuže. Navíc se tento vliv promítá i do způsobu porušení výztuží – čím vyšší stoupání ovinutí, tím dříve docházelo s přetržení ovinutého vlákna. Při výšce ovinutí rovné jednomu průměru tyče se ovinuté vlákno přetrhlo až při zatížení odpovídajícím cca 90 % celkové únosnosti. Naopak při výšce stoupání čtyři průměry docházelo k porušení už při 50% zatížení. Toto chování je způsobeno snahou vlákna ovinutého na povrchu kolem podélných uhlíkových či skleněných vláken narovnat se během tahové zkoušky. Průběžná podélná vlákna jsou při tom vystavena příčnému namáhání, vůči kterému nejsou tolik odolná, a dochází tak k jejich dřívějšímu poškození (obr. 6).

 

Pracovní diagramy výztuží odpovídají standardnímu chování FRP výztuží, tzn. lineární průběh deformace v závislosti na zatížení až do úplného a náhlého porušení. Na obr. 9 je srovnání naměřených hodnot s numerickým modelem.

 

Současně se zkouškami mechanických vlastností výztuží byla testována jejich soudržnost s betonem v závislosti na typu povrchové úpravy. Vzhledem k tomu, že v současnosti neexistuje v ČR platný předpis pro zkoušení soudržnosti nekovových výztuží, byly první zkušební vzorky testovány podle metodiky uvedené v ACI 440.3R-04 (zkoušení soudržnosti nekovových výztuží), v ČSN 73 1328 (zkoušení soudržnosti klasických ocelových výztuží) a jedna sada vzorků byla připravena kombinací těchto dvou předpisů. Jednotlivé sady se lišily uspořádáním betonových zkušebních bloků. Vzájemným srovnáním bylo zjištěno, že získané výsledky jsou v počáteční fázi působení srovnatelné [1], a proto byly pro další testy připravovány pouze vzorky dle metodiky ACI (obr. 7). Celkovým srovnáním výsledků tahových zkoušek (tj. mechanické vlastnosti výztuží) a zkoušek soudržnosti výztuže s betonem (obr. 8) byla stanovena optimální povrchová úprava výztuží – povrch jednosměrně ovinutý s malou výškou stoupání a dodatečně popískovaný. Jak vyplývá z výsledků, dodatečné pískování povrchu zlepšuje soudržnost výztuže s betonem, přitom náročnost výroby není výrazně ovlivněna. Dosažené mezní smykové napětí na kontaktu výztuž–beton pro tento typ GFRP výztuže je přibližně 18 MPa – je dokonce vyšší než kontaktní napětí klasické ocelové výztuže ve stejné třídě betonu, které dosahuje hodnoty přibližně 15 MPa.

Oficiálním výsledkem těchto fází vývoje bylo úspěšné podání užitného vzoru č. 2007-19083 Ovíjená výztuž z kompozitních materiálů.

 

 

 

Při řešení teoretické části projektů jsou využívány praktické poznatky a výsledky získané během experimentů. Snahou je vytvoření dostatečně přesného a přitom co nejjednoduššího matematického modelu popisujícího chování samotných FRP výztuží, chování výztuží v kontaktu s betonem a modely chování vyztuženého prvku. Dále je cílem vytvořit jednoduchý výstižný model vyztuženého prvku založený na metodice výpočtu uvedené v EC2, který bude možné použít pro navrhování konstrukcí vyztužených FRP výztuží.

Materiálový model chování nekovových výztuží lze odvodit díky jejich lineárnímu chování při namáhání tahem (porovnání experimentů a matematického modelu je na obr. 9). Tento materiálový model je dále využíván ve složitějších nelineárních modelech zkoušek soudržnosti [2]. Vstupní údaje materiálového modelu betonu vycházejí z reálných hodnot naměřených během zkoušek (uvažované ve středních hodnotách). Identifikace materiálových charakteristik pro hledaný kontaktní materiál probíhá srovnáváním výsledků výpočtu s výsledky z experimentů.

Univerzální model soudržnosti přitom musí zohlednit popsaný způsob chování a následně musí odpovídat i způsob porušení modelovaného případu. Pro verifikaci vytvořeného modelu je proto vhodné získat experimentální vstupní data pro různé kotevní délky. Doporučeny jsou alespoň 3 různé délky zakotvení, kdy jedna vystihuje lokální chování (krátká délka) a druhá délka slouží pro ověření lokálního modelu při délkách zakotvení blížících se l_lim. V obou těchto případech dochází k porušení vzorků překročením mezního kontaktního napětí mezi výztuží a betonem. Poslední, nejdelší vzorek by se měl blížit stavu, kdy k porušení dochází porušením pevnosti betonu ve smyku (obr. 11). 

 

Pro ověření funkčnosti vyvinutých nekovových výztuží bylo připraveno několik sad zkušebních betonových těles vyztužených různými typy nekovových výztuží a odpovídajících vzorků bez výztuže. V prvé řadě se jednalo o prvky pouze s podélnou tahovou výztuží. Zkoušky byly prováděny na betonových nosnících o rozměrech 350x100x2200 mm. Byly vyztuženy podélnou GFRP výztuží, která byla navržena tak, aby došlo k porušení nosníku při dosažení mezní únosnosti vlivem ohybového momentu. Rovněž byly připraveny vzorky nosníků bez výztuže, které sloužily pro získání referenčních výsledků (byly později využity při kontrole funkčnosti a přesnosti matematických modelů). Nosníky byly zkoušeny čtyřbodovým ohybem (obr. 13), kdy zatížení bylo aplikováno ve třetinách rozpětí nosníků. Během experimentu byly sledovány údaje o zatížení, průhybech a napětí ve výztuži.

 

U všech nosníků došlo ke kolapsu v důsledku překročení tahové pevnosti výztuže, což odpovídalo předpokladům při návrhu zkušebních prvků. Zároveň byl zjišťován vliv povrchových úprav na únosnost vyztužených prvků, když byly připraveny dvě sady s rozdílným typem výztuží (obr. 14).

 

Po vzniku trhlin ve smykové i ohybové zóně došlo k destrukci rozvojem smykových trhlin a k usmýknutí nosníku (obr. 16) [3].

Relativně velkou neznámou u FRP výztuží stále zůstává dlouhodobé chování nekovových výztuží vystavených působícímu zatížení a chování výztuží za vysokých teplot (např. při požáru). Pro plnou verifikaci účinnosti vyvinutého systému vyztužování byla proto připravena sada zkušebních těles (betonové nosníky s podélnou GFRP výztuží), které jsou vystaveny stálému zatížení (obr. 17). Úroveň tohoto dlouhodobě působícího zatížení se pohybuje od 10 (panel 5) do 70 % (panel 1) celkové únosnosti zkoušených prvků. Získaná data jsou průběžně zpracovávána (obr. 18) a poslouží k definování a upřesnění vztahů popisujících časově závislé vlastnosti FRP výztuží. Tyto vztahy jsou např. v ACI [4] nahrazeny omezujícím předpokladem, který povoluje využití FRP výztuží pouze do jisté výše své krátkodobé pevnosti v tahu v závislosti na typu použitých vláken (např. pro CFRP 90 % a pro GFRP 70 % krátkodobé únosnosti při uvažování působení v konstrukci po dobu 50 let).

 

Doposud všechny provedené experimenty ukazují, že vyvinutý systém, tzn. výroba a reálná aplikace nekovových výztuží v betonových prvcích, je funkční a je plně schopen přenášet zatížení, která mohou na konstrukci během její životnosti působit. Jak je ovšem patrné i z obr. 13, u takto vyztužených prvků se projevuje jedna z negativních vlastností FRP výztuží – malý modul pružnosti (45–60 GPa v případě GFRP v závislosti na použitých materiálech). Ten způsobuje větší deformace zatížených prvků v porovnání s klasickou ocelovou výztuží a brzký rozvoj trhlin.

Širší trhliny ani větší průhyby konstrukce sice přímo neovlivňují únosnost prvků vyztužených FRP, ale rozhodně způsobují problémy při posuzování konstrukcí dle mezních stavů použitelnosti. I když je posudek na vznik a šířku trhlin v případě nekovové výztuže diskutabilní (nehrozí koroze výztuže), velké množství relativně širokých trhlin na deformované konstrukci nepůsobí esteticky. Vizuální působení u skrytých prvků (předpokládá se mimo jiné nasazení těchto výztuží v kanalizačních potrubích a kolektorech, tzn. v agresivním prostředí) nevadí, ale u viditelných konstrukcí může sehrát rozhodující negativní roli v psychice lidí pozorujících konstrukci.

Jsou dva způsoby, jak tento problém vyřešit. Prvním je zvětšení plochy výztuže – to je z ekonomického hlediska nevýhodné, obzvlášť s přihlédnutím k ceně FRP výztuží. Druhým způsobem je předepnutí výztuží. Tomu se bude věnovat článek v dalším čísle Materiálů.

 

1) Horák, D. – Zlámal, M. – Štěpánek, P. – Fojtl, J.: Fibre Reinforced Concrete: Interaction between Reinforcement and Concrete. In Harnessing Fibres for Concrete Construction. Bracknell, IHS BRE Press, 2008. 

2) Horák, D. – Krůpa, P. – Štěpánek, P. – Interaction between non-metallic reinforcement and concrete. In Recent Developments in Structural Engineering, Mechanics and Computation. Rotterdam, Millpress, 2007. 

3) Janda, L. – Peslar, P. – Štěpánek, P. – Krůpa, P.: Matematické modelování prvků s nekovovou kompozitní výztuží. In EXPERIMENT `07, sborník, Akademické nakladatelství CERM, s. r. o., Brno, 2007.