Vývoj nekovových výztuží do betonu 2

13. 4. 2009

V minulém díle jsme se zabývali charakteristikou nekovových výztuží do betonu na bázi FRP (Fiber Reinforced Polymers) a představili jsme systém vyvinutý na VUT v Brně. Bylo prokázáno, že výroba a reálná aplikace nekovových výztuží v betonových prvcích je funkční a systém je plně schopný přenášet zatížení, která mohou na konstrukci během její životnosti působit. Problémem je malý modul pružnosti (45–60 GPa v případě GFRP v závislosti na použitých materiálech), který způsobuje větší deformace zatížených prvků v porovnání s klasickou ocelovou výztuží a brzký rozvoj trhlin. Řešení jsou možná dvě – zvětšení plochy výztuže nebo předepnutí výztuží.

Zvětšení plochy výztuže je z ekonomického hlediska nevýhodné, obzvlášť s přihlédnutím k ceně FRP výztuží. Předepnutí výztuží je elegantnějším řešením, které navíc dále zvyšuje únosnost prvků. V rámci vývoje se podařilo vyvinout systém kotvení nekovových výztuží, který doposud není ve světě používán a je velice jednoduchý na provedení (národní patentová přihláška PV 2008-475 Nekovová stavební výztuž, zejména pro předpjaté stavební konstrukce, a způsob její úpravy).

Současný stav předpínání FRP výztuží ve světě

V současnosti je celosvětově používáno několik způsobů předpínání a kotvení nekovových výztuží. Běžný způsob kotvení předpínacích výztuží spočívá v použití kotevních kuželíků – při jejich použití vzniká ve výztuži podélné tahové napětí, podélné smykové napětí a příčný tlak od sevření kuželíky. Protože není možné přenést tak vysoké tlakové napětí do FRP výztuže, musel být tento systém modifikován. V podstatě lze tyto modifikace rozdělit do dvou druhů, v závislosti na způsobu zakotvení:

● využití smykové síly mezi předpínaným lanem a kotevním zařízením (tzv. wedge system) [1],

● využití soudržnosti mezi lanem a injektážní směsí (grout system) [2].

Wedge system vychází ze způsobu kotvení klasických ocelových předpínacích lan. Síla ve výztuži se přenáší třením mezi kotevním kuželíkem a kotveným lanem. Kotevní kuželíky však nejsou na vnitřní straně profilované, ale pouze zdrsněné pro zvýšení smykové únosnosti. Tělo kotvy (kotevní objímka) může být vyrobeno buď z nerezové oceli, nebo z vysokopevnostních kompozitů.

Používají se dvě varianty tohoto kotvení. První varianta spočívá v přímém sevření lana kotevním kuželíkem, který má upraven kontaktní povrch tak, aby nedocházelo k velkému lokálnímu namáhání předpínacího lana a jeho tlakovému porušení (obr. 1).

Systém kotvení vyvinutý na VUT

V případě vyvinutého kotevního systému jde o vytvoření dodatečné roznášecí plochy na konci výztuže, která umožní kvalitní a spolehlivý přenos předpínací síly z výztuže do okolního betonu. Roznášecí plocha je vytvořena nalepením jednoho nebo více válečků (tvořených ze speciální zálivky) většího průměru na výztuž. Materiál válečku má větší soudržnost s výztuží než jiné běžné stavební materiály, čímž je umožněn přenos tahové síly (resp. smykové síly mezi válečkem a výztuží) na kratším úseku. Díky většímu průměru válečku vzniká na výztuži tlačená ploška, která slouží pro přenos tlakové síly do okolního prostředí. Celková únosnost vzniklé koncovky výztuže je pak dána kombinací smykové únosnosti povrchu kotevního válečku a otlačení přední strany válečku (obr. 4). Kotevní válečky lze samozřejmě kombinovat – ať už pro zvýšení maximální kotevní síly, nebo pro zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti kotevního systému.

Samotná výroba kotevních válečků je velice jednoduchá a neklade velké nároky na provádění systému kotvení. Výztuž s kotevní koncovkou je možné připravit jak předem ve výrobně, tak přímo na staveništi.

V první fázi vývoje byly zkoušeny různé varianty provedení kotevních válečků a různé typy zálivek. Snahou bylo vytvořit takový prvek, který by vyhovoval požadavkům na pevnost v tlaku (otlačení čelní plochy), měl výbornou soudržnost s nekovovou výztuží a který by umožňoval jednoduché provedení. Po vyhodnocení řady variant provedení byl nakonec zvolen jednoduchý válcový tvar. Jako vhodné zálivkové směsi se ukázaly pryskyřice s minerálními plnivy. Doplněním těchto směsí o nekovová vlákna (rozptýlená nebo usměrněná) se dále zvyšuje pevnost koncovky, a tím se snižuje pravděpodobnost příčného roztržení kotevních válečků.

První experimenty prováděné s kotevními válečky spočívaly ve zkouškách soudržnosti s vyvinutou výztuží. Během zkoušky byly válečky na výztuži opřeny pouze čelní stranou (tzn. nebylo bráněno jejich příčné deformaci) a byla sledována síla potřebná k vytržení výztuže z válečku. Jednalo se o obdobu zkoušky soudržnosti výztuže s betonem. Při těchto zkouškách se projevil problém – válečky samy o sobě nejsou schopny přenést vznikající příčné síly a dochází k jejich příčnému roztržení (obr. 5). Při experimentech proto bylo dosaženo maximální hodnoty na úrovni pouze cca 60 % celkové tahové pevnosti použité GFRP výztuže.

Tento způsob namáhání je sice u stavebních konstrukcí méně častý (předpokládá se, že nastane v případech dodatečného předepínání konstrukcí, kdy výsledná kotva – kotevní váleček – nebude obalena vrstvou betonu), nicméně může v praxi nastat. Problém lze vyřešit poměrně jednoduše přidáním povrchové vrstvy s větší pevností v tahu, která zabrání porušení roztržením. Významného zlepšení bylo dosaženo omotáním válečku uhlíkovou tkaninou nebo zalitím válečku do kompozitní trubky s velkou pevností v tahu. Jinou možností, jak zabránit porušení válečku roztržením, je zajistit sevření betonem.

Další sada experimentů proto zkoumala chování kotevního systému v případě předem předpjatých konstrukcí, tj. situací, kdy bude kotevní váleček obalen vrstvou betonu, která brání jeho příčnému roztržení. Při tomto způsobu kotvení lze již s použitím jednoho kotevního válečku dosáhnout zakotvení výztuže namáhané napětím na mezi pevnosti použité výztuže.

V počáteční fázi byl kladen důraz na zjištění vlivu délky kotevních válečků na mezní tahovou sílu, kterou je schopen takto vytvořený systém přenést. Při experimentech byla použita vyvinutá GFRP výztuž o průměru 14 mm a kotevní válečky o vnějším průměru 40 mm. Kotevní koncovky byly zality do betonových vzorků o rozměrech 300x300x300 mm. Provedení zkoušky se blíží způsobu zkoušení soudržnosti výztuže s betonem. Z vyhodnocení zkoušek se jako vhodná délka kotevního válečku pro kotvení GFRP výztuží jeví délka 70 mm. Ve všech případech došlo k porušení na rozhraní materiálů GFRP výztuž–kotevní váleček. Tlačená plocha přitom nevykazovala žádná tlaková porušení. Předpokládá se i modifikace tohoto způsobu kotvení pomocí většího množství válečků kratších a s menším průměrem.

Po vyhodnocení experimentů s kotevními oblastmi předepjaté výztuže byly vytvořeny první zkušební vzorky betonových panelů s předem předepnutou GFRP výztuží (obr. 6). Předpínací síla v každém prutu byla cca 30 % celkové únosnosti předpínací výztuže v tahu. Při zatěžovací zkoušce předepnutého prvku došlo k výrazné změně chování oproti jeho nepředepnutým variantám. Jedná se především o odsunutí momentu vzniku první trhliny, kdy předepnuté panely vykázaly více než dvojnásobnou únosnost ve chvíli vzniku trhlin (obr. 7). Následný rozvoj dalších ohybových trhlin ve střední části panelů potvrdil kladný přínos předpětí na chování vyztužených prvků – trhliny byly výrazně méně rozevřené a jejich celkový počet byl rovněž nižší. Celková deformace při porušení je potom u nepředepnutých prvků téměř čtyřikrát vyšší než u prvků předepnutých. Použití předepnutých výztuží tedy přináší požadované účinky a značně rozšiřuje možnosti uplatnění nekovových výztuží.

Obr. 6: Výztuž připravená pro betonáž zkušebního prvku s předepnutou GFRP výztuží

Obr. 7: Vyhodnocení zkoušek předepnutých panelů

Obr. 8: Trhliny na zkušebním trámu při experimentu, úroveň zatížení 60 % celkové únosnosti prvku

Spojkování výztuží

Další využití kotevního válečku je v oblasti spojkování výztužných prutů. Napojované pruty se spojí na sraz a tento spoj se překryje kompozitním trubkovým přípravkem. Ten se následně vyplní vhodnou zálivkou. Pro zesílení spoje lze aplikovat na spojovací prvek dodatečné vrstvy uhlíkových tkanin prolévaných epoxidovou pryskyřicí (obr. 9, 10). Alternativně lze využívat i předem vyrobené spojovací válečky, do kterých se výztuž vlepuje.

Obr. 9, 10: GFRP spojka s dodatečným zesílením uhlíkovou tkaninou

Obr. 11: Výsledné pevnosti spojů v závislosti na provedení spojky a typu zálivky

Výzkum se v první řadě zabýval vlivem typu zálivky ve spojovacím prvku. Po vybrání vhodné záměsi (velkou roli při výběru hraje tekutost zálivky, rychlost tuhnutí a samozřejmě samotná soudržnost se spojovanou výztuží) se další experimenty soustředily na nalezení minimální potřebné délky pro dosažení dokonalého napojení výztuží. Spoj by měl přenášet sílu odpovídající 100 % tahové pevnosti spojované výztuže. Na základě vyhodnocení dat z experimentů (obr. 11) lze říci, že při vhodně zvolené zálivce je postačující délka spojky 550 až 600 mm, přičemž spoj výztuží je umístěn v polovině spojky. Uvedený příklad přitom platí pro GFRP výztuž o průměru 14 mm a vnitřní průměr spojky 25 mm. Spojka byla vytvořena z GFRP materiálů, které svou vysokou pevností v tahu vyhovovaly požadavkům na pevnost, aby nedocházelo k příčnému porušování (jak bylo pozorováno u kotevních válečků neobalených betonem). Jedna sada vzorků byla navíc dodatečně na svém povrchu zesílena vrstvou CFRP tkaniny. Jak vyplývá z výsledků, toto zesílení již nemá vliv na zvýšení únosnosti spojky, použitý materiál je dostatečně pevný a odolává silám vznikajícím při tahovém namáhání. Dodatečná vrstva CFRP, případně celé provedení spojky z uhlíkových materiálů, tedy nemá význam (v prvním případě se komplikuje výroba a ve druhém případě se výrazně zvyšuje cena přípravku).

K poruše u spojkované výztuže dochází dvěma způsoby – přetržením výztuže mimo samotný spojovací kus, nebo vytažením výztuže se zálivkou z korpusu spojky. Druhý typ porušení signalizuje krátkou kotevní délku nebo nevhodné složení zálivky.

Závěr

Obr. 12: Dlouhodobá tahová zkouška GFRP výztuží

Poznatky a zkušenosti získané během experimentů jednoznačně ukazují, že byl vyvinut systém nekovových výztuží, který je funkční a může být použit při výstavbě nových konstrukcí. Uchovává všechny přednosti nekovových systémů a přitom nabízí nespornou výhodu „domácího“ výrobku – výrazně nižší cenu oproti běžně dováženým zahraničním materiálům. V průběhu výzkumu a následného vývoje se navíc podařilo zjednodušit metodu kotvení předpínaných nekovových výztuží. To umožňuje ještě větší rozsah aplikací a výrazně zkvalitňuje takovéto výrobky (podařilo se omezit deformace a rozvoj trhlin, které mohou být v řadě případů silně nežádoucí, a tím pádem mohou tvořit limitující faktor, znemožňující použití FRP výztuže). Původní předpokládané možnosti nasazení prvků s nekovovou výztuží v agresivním prostředí s omezeným pohybem osob (důsledek „problémů“ s mezními stavy použitelnosti – větší průhyby a trhliny), se nyní vzhledem ke zjednodušení předpínání výrazně rozšiřují a zahrnují například i subtilní prvky z vysokopevnostního betonu, u kterých je výrazným problémem tloušťka krycí vrstvy výztuže. Klasickým příkladem aplikace může být železobetonový prefabrikát pro protihlukové stěny, u kterých se vyskytuje riziko působení agresivních rozmrazovacích prostředků na beton – trvanlivost prvku bývá obvykle zajišťována velkým objemem balastního materiálu (dostatečnou krycí vrstvou výztuže). Tato vrstva sice brání korozi výztuže, ale současně zvyšuje cenu výrobku a ze statického hlediska nepřináší žádný užitek.

Velkým přínosem pro konstrukce a především pro následnou kontrolu konstrukcí v provozu je možnost průběžného monitoringu stavu napjatosti konstrukce. Taková kontrola je možná při použití speciálně vyrobených nekovových výztuží, které jsou opatřeny zabudovanými měřicími senzory, snímajícími jak globální stav napjatosti (optická vlákna zabudovaná po celé délce výztuže), tak napětí výztuže v předem definovaných místech (lokálně umístěné odporové tenzometry v jádru výztuže). Oba uvedené způsoby monitoringu (postup a výrobky jsou chráněny užitným vzorem č. 17847 – Zařízení pro monitorování konstrukcí z kompozitních materiálů) zjednodušují posouzení aktuálního stavu konstrukcí, u kterých je potřeba okamžitě a přesně posoudit možnost zvýšit zatížení bez rizika překročení pevnosti materiálu.

Probíhající výzkum si ovšem neklade za cíl pouze vytvoření a zavedení nových stavebních materiálů. Data získaná během experimentů jsou shromažďována a vyhodnocována a slouží jako podklad pro další teoretickou práci. Cílem je odvození a ověření návrhových vztahů, které bude možno použít při návrhu konstrukcí vyztužených obecně jakoukoliv FRP výztuží. Tyto vztahy přitom vycházejí ze současných platných normativních doporučení používaných v ČR pro návrh běžných stavebních konstrukcí. Lze říci, že část prací je v současné době ve fázi verifikace (vyhodnocování tahových zkoušek, zkoušek soudržnosti, návrh dostatečné kotevní délky pro nepředepnuté nekovové výztuže).

Souběžně s přípravou návrhových doporučení a postupů probíhá několik dlouhodobých experimentů, které poskytnou podklady pro další upřesnění, resp. rozšíření návrhových algoritmů. Ty by ve výsledné podobě měly poskytnout postupy pro přesný, bezpečný a přitom ekonomický návrh konstrukcí, včetně zahrnutí vlivů, jako jsou dlouhodobé působení prvků v konstrukci nebo opakované namáhání.

Dále jsou v přípravě experimenty, které umožní definovat maximální přípustnou hladinu namáhání výztuže v závislosti na teplotě okolního betonu, a tedy dosažení požadované požární odolnosti konstrukce.

DAVID HORÁK, PETR ŠTĚPÁNEK

foto archiv autorů

Poděkování

Vývoj popsaných materiálů a systémů a uvedené výsledky byly získány za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci výzkumného projektu MPO Pokrok 1H-PK2/57 Trvanlivé betonové konstrukce nové generace se zvýšenou odolností vůči agresivním vlivům a projektů MŠMT CIDEAS (1M0579) a Progresivní spolehlivé a trvanlivé nosné stavební konstrukce (MSM0021630519).

Literatura:

1) Karbhari, V. M.: Use of Composite Materials in Civil Infrastructure in Japan. In WTEC Study on Use of Composite Materials in Civil Infrastructure in Japan. University of California, San Diego, 1998.

2) Nordin, H.: Strengthening structures with externally prestressed tendons. In Technical Report. Luleå University of Technology, 2005.

3) ACI 440.3R-04 Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures.

4) ČSN 73 1328 Stanovení soudržnosti oceli s betonem.

5) ČSN EN 1992-1-1 Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby.

Ing. David Horák (*1980)

absolvoval VUT FAST v Brně, kde v současnosti působí na ústavu betonových a zděných konstrukcí jako výzkumný pracovník. Jeho hlavní specializací je vyztužování a zesilování konstrukcí nekovovými materiály.

Prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc., (*1953)

absolvoval FAST VUT v Brně a PřF UJEP Brno – nyní Masarykova univerzita. Je autorizovaným inženýrem pro obor statika a dynamika. Pracoval jako statik v Keramoprojektu Brno. Je děkanem FAST VUT v Brně, kde působí na ústavu betonových a zděných konstrukcí. Kromě toho je technickým ředitelem projekční a expertizní statické kanceláře BESTEX.