Nekovové vláknové kompozity FRP v betónových, sprchnutých a hybridných FRP – betónových konštrukciách

• Foto

V súčasnosti vysoká cena, nedostatok skúseností s navrhovaním, tvarovateľnosť (požadovaný tvar je potrebné zabezpečiť už pri výrobe výstuže) obmedzuje použitie FRP výstuží v konštrukciách z predpätého a vystuženého betónu. Väčšina aplikácií v súčasnosti je obmedzená na prípady, kedy je použitie FRP materiálov nevyhnutné. Takéto aplikácie zahŕňajú konštrukcie stropov a základov, ktoré prenášajú zariadenia citlivé na magnetizmus a konštrukcie vystavené agresívnemu prostrediu (morské prostredie, chemické prevádzky). Základné materiálové charakteristiky a „využiteľnosť“ výstuže FRP v porovnaní s oceľou sú zrejmé z obrázka 1. V nasledujúcom texte sú stručne uvedené niektoré výsledky výskumu autorov – betónové nosníky s pasívnou a predpätou výstužou, veľmi tenká betónová doska strateného debnenia s výstužou GFRP a hybridný GFRP-betónový nosník.

BETÓNOVÉ NOSNÍKY S PASÍVNOU ALEBO PREDPÄTOU VÝSTUŽOU GFRP [1], [2]
Teoretickou a experimentálnou analýzou boli v prvej fáze dlhodobého výskumu overované možnosti a reálne predpoklady použitia výstuže z tyčí GFRP v betónových, ohybom namáhaných nosníkoch jednoducho vystužených (nepredpätých). Na grafe 1 je porovnané správanie sa takýchto nosníkov v porovnaní so železobetónovými nosníkmi. V tomto výskume boli použité GFRP tyče s pevnosťou 600 MPa a modulom pružnosti 40 GPa. Veľmi nízky modul pružnosti výstuže je príčinou veľkých priehybov, ktoré sú sprevádzané širokým roztváraním trhlín. Keďže však výstuž GFRP nie citlivá na koróziu, možno povedať, že jediným limitujúcim kritériom používateľnosti zostáva priehyb. 

Aj z uvedeného konštatovania vyplýva, že na zníženie neakceptovateľne veľkých priehybov (cca 1/75 L pri nosníku s GFRP v porovnaní s ~ 1/290 L pre žb. nosník) je vhodným riešením aktivovanie výstuže GFRP. V druhej sérii experimentálneho programu [1] preto boli teoretickej aj experimentálnej analýze (pri pôsobení krátkodobého statického zaťaženia) podrobené betónové nosníky s rovnakým stupňom vystuženia výstužou GFRP, ale táto bola predopnutá.

Na hladine namáhania zodpovedajúcej teoretickej únosnosti boli zistené priehyby cca 1/770 L – ako je to vidieť z grafu 2. Na tomto obrázku možno tiež pozorovať, že teoretická únosnosť stanovená podľa STN EN 1992 je asi o 4 % nižšia ako únosnosť podľa STN 73 1201 (teda pôvodnej československej normy). Možno tiež konštatovať, že použitím výkonného softvéru (LUSAS, ATENA) možno dosiahnuť veľmi dobrú simuláciu skutočného pôsobenia betónového nosníka predpätého tyčami GFRP.

VEĽMI TENKÉ BETÓNOVÉ DOSKY S PASÍVNOU VÝSTUŽOU GFRP
Podstatná vlastnosť výstuže FRP – jej korózna odolnosť sa najvýraznejšie prejaví v navrhovaní a realizácii tenkých betónových dosiek. Potrebná krycia vrstva betónu je determinovaná len statickou požiadavkou (zabezpečenie prenosu síl z výstuže do betónu). Takto dosiahnuté zníženie vlastnej tiaže sa dá vyjadriť niekoľkými desiatkami percent, čo má viacnásobný priaznivý efekt (úspora materiálu, dopravných a manipulačných nákladov, vzhľad,…).

Na vydebnenie medzier medzi prefabrikátmi sa v minulosti používali azbestocementové dosky, neskôr tenké železobetónové dosky s oceľovou výstužou. Po sprísnení kritérií trvanlivosti sa stratené debnenie z „mohutných“ železobetónových dosiek (s veľkou krycou vrstvou betónu) stali neefektívnymi. A práve tu nachádza uplatnenie výstuže GFRP mimoriadne veľký význam. Použitím jemnozrnného betónu a výstuže GFRP možno navrhnúť a vhodne uplatniť veľmi tenké dosky strateného debnenia, ktorých jednou z najdôležitejších výhod je možnosť ručnej manipulácie. Obr. 2 približuje tvar a rozmery takejto dosky, ktorá bola podrobne teoreticky a experimentálne analyzovaná.

Získané výsledky sú veľmi priaznivé a sľubné. Nosná funkcia dosiek je krátkodobá – do doby zatvrdnutia betónu dosky spriahujúcej prefabrikované nosníky (napr. mostné prefabrikované nosníky), čo je niekoľko hodín. Jeden z hlavných problémov GFRP (ktorý môže ovplyvniť aj betónové nosné prvky s výstužou GFRP), intenzívne dotvarovanie, sa tu vôbec neprejaví a je úplne nepodstatný. Pracovný diagram (teoretický a experimentálny) – graf 3, ako aj fotografická ilustrácia na obrázku 2 podporujú predchádzajúce tvrdenia.

HYBRIDNÉ GFRP – BETÓNOVÉ NOSNÉ PRVKY [2], [3]
Výhody strateného debnenia z profilov GFRP vyplývajú z jeho troch funkcií: je samonosným debnením počas betonáže, spolupodieľa sa na nosnej funkcii betónového nosného prvku a napokon trvalo zabezpečuje ochranu betónu, ako aj prípadnej vnútornej oceľovej výstuže. Usporiadanie krátkodobej zaťažovacej skúšky hybridného GFRP-betónového nosníka vidno na obrázku 3. Z pracovného diagramu (graf 4) vidno, že príspevok GFRP v nosnej kapacite hybridného nosníka je asi 100 % v porovnaní so železobetónovým nosníkom. Profil GFRP tu pôsobí ako externá, na povrchu betónu súdržná výstuž.

ZÁVER
Aj uvedené príklady dokumentujú, že materiály FRP sú reálnym a perspektívnym alternatívnym riešením v modernom betónovom staviteľstve. Jedným z podstatných prínosov je možnosť zníženia vlastnej tiaže z dôvodu možnosti zníženia betónovej krycej vrstvy, čo sa najvýraznejšie prejaví v tenkých betónových doskách (primárna úspora materiálu, sekundárna úspora na doprave a manipulácii…). V súčasnosti je cena GFRP výstuže vyššia (alebo vysoká) v porovnaní s oceľovou výstužou. Napríklad výstuž GFRP s návrhovou pevnosťou 435 MPa, tyč priemeru 5 mm s opieskovaným povrchom môže mať cenu asi 0,25 €/bm, ale cena tyče priemeru 8 mm s periodickým povrchom v najvyššej kvalite (aj s dôrazom na trvanlivosť) môže byť okolo 1,4 €/bm. Aj napriek tomu, alebo vďaka iným, priaznivým vlastnostiam, existuje viacero praktických aplikácií GFRP v rôznej funkcii a na rôznych typoch stavieb.

PRÍKLADY POUŽITIA GFRP VÝSTUŽÍ

• Schiessbergstrasse Bridge (Leverkusen Nemecko 1991)
  – trojpoľový doskový most predpätý GFRP výstužou (27 káblov v každom 19 drôtov Polystal)
• Nötsch Bridge (Rakúsko, Korutánsko 1992)
  – trojpoľový doskový most predpätý GFRP výstužou (41 káblov v každom 19 drôtov Polystal)
• Morristown Bridge (Vermont USA 2002)
  – jednopoľový spriahnutý oceľovo betónový most s mostovkovou doskou vystuženou GFRP výstužou pri oboch povrchoch
• Wotton Bridge (Quebec Kanada 2001)
  – jednopoľový nosníkový most s rozpätím 30,6 m, betónová mostovka vystužená GFRP a CFRP výstužou. Spojite vystužená betónová vozovka (Západná Virgínia, USA 2007) – experimentálny projekt betónovej vozovky so spojitou GFRP výstužou
• Refugio County Bridge (Texas, USA 2007)
  – jednopoľový most s hybridnou FRP-betónovou nosnou konštrukciou

Článok vznikol s podporou grantu VEGA č. 1/4201/07 Pôsobenie konštrukčných prvkov z nekovových vláknových kompozitov FRP v  betónových, spriahnutých a hybridných FRP-betónových konštrukciách.

LITERATÚRA:
[1] Naď, Ľ. a kol.: Kompozity zo sklenených vlákien ako prostriedok na zvýšenie efektívnosti a trvanlivosti betónových konštrukcií. Grant VEGA č. 1/0356/03, SvF TU Košice 2003–2005
[2] Naď, Ľ. a kol.: Konštrukčná adaptácia železničných mostov na vysokorýchlostnú prevádzku – príspevok k rozvoju zaostávajúceho regiónu. Úloha vedy a výskumu MVRR SR – Inžinierske stavby, a. s. Košice – SvF TU Košice, 2004–2006
[3] Naď, Ľ., Špernoga, B., Bajzecer, A.: Structural stay-in-place GFRP formwork-concrete deck, new type of composite structure. FRPRCS-8, 8th International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures, Patras, Greece, July 16–18, 2007

Prof. Ing. Ľudovít Naď, CSc., od roku 2007 pracuje v projektovokonzultačnej spoločnosti Alfa 04 a. s. Bratislava a venuje sa projektovaniu dopravných stavieb s hlavným dôrazom na mosty. Predtým, takmer 30 rokov pôsobil na Stavebnej fakulte TU v Košiciach, kde sa okrem iného, venoval konštrukčnej a technologickej analýze betónových mostov a mnoho rokov aj výskumu so zameraním na alternatívne vystužovanie betónových konštrukcií s využitím FRP materiálov.

Ing. Anton Bajzecer, od roku 2007 pracuje v projektovokonzultačnej spoločnosti Alfa 04 a. s. Bratislava a venuje sa projektovaniu mostov. Dovtedy 7 rokov pôsobil na Stavebnej fakulte TU v Košiciach a vo výskume sa zameriaval na uplatnenie materiálov FRP v betónových konštrukciách.

Non-metal Fiber Composites FRP in Concrete, Coupled and Hybrid FRP – Concrete Constructions
The paper is focused on possible use of new structural material, non-metallic fiber composites – FRP. FRP elements are in concrete construction generally used in the form of ordinary reinforcing bars, prestressing units, or as structural profiled elements. Presented results of theoretical as well as experimental investigations were obtained during long time research of the authors. First, concrete beams reinforced and/or prestressed with GFRP bars were tested. Then, extremely thin concrete plates reinforced also with GFRP rods were designed for stay-in-place formwork between two adjacent precast prestressed concrete beams in bridge construction. In the third part, hybrid GFRP – concrete structural elements were analyzed, using GFRP three-dimensional profiles as multifunctional elements.

Autoři

• Ing. Bajzecer Anton
• Prof. Ing. Naď Ľudovít CSc.