Zesílení železobetonové desky železničního mostu prostřednictvím uhlíkových tkanin MBrace

• Foto

UHLÍKOVÉ TKANINY MBrace^®
Železobetonové konstrukční prvky se vždy dimenzují pro předpokládané zatížení. Různé okolnosti mohou vést během doby používání objektu/stavby k tomu, že přestanou platit původní předpoklady pro statiku objektu/stavby:

• změna využívání objektu;
• stárnutí stavebních hmot;
• koroze výztužných elementů;
• zemětřesení, požár;
• změněné normy (jiné návrhové a bezpečnostní koeficienty, jiný pohled na zatížení).

Nutnou podmínkou pro vypracování komplexního konceptu úprav zesílení je zjištění stavu a statické posouzení. Pro dodatečné statické zesílení železobetonových dílců jsou v zásadě tyto možnosti:

• přibetonování nebo nástřik betonu (stříkaný beton) s přídavnou výztuží;
• výztuž vkládaná do drážek;
• externí předepnutí;
• dodatečné vestavění opěr nebo podepření;
• přilepená ocelová výztuž.

Jako alternativu k těmto činnostem nabízí BASF Stavební hmoty ČR s. r. o. zesílení konstrukcí nalepením externí výztuže MBrace^®, tj. zesílením speciálními kompozitními materiály s uhlíkovými vlákny. Systémy externího zesílení konstrukcí MBrace^® se úspěšně používají v řadě zemí celého světa. Sortiment výrobků pro zesilování konstrukcí MBrace^® zahrnuje: MBrace lepidlo a laminační pryskyřice, MBrace^® uhlíkové lamely a tyče, MBrace^® rohože a tkaniny z uhlíkových nebo skleněných vláken. Uhlíkové tkaniny jsou základní součástí systému zesílení konstrukcí externě lepenou uhlíkovou výztuží.

Protože se uhlíkové lamely mnohdy nedají použít jako náhrada či doplnění smykové výztuže nebo jsou nevhodné pro ovinutí konstrukcí, je k dispozici široký sortiment tkanin pro ruční laminování na stavbě. To je i případ elegantního způsobu zesílení železobetonové desky zde uváděné konstrukce mostu.

Tkaniny se v zásadě aplikují pro zvýšení tuhosti stavebních dílců. Jako výchozí vlákno se používá vysokomodulární uhlíkové vlákno. Uhlíkové vlákno má tyto podstatné výhody:

• vysoký modul pružnosti (podle typu vlákna);
• minimální součinitel tepelné roztažnosti (asi 50krát menší než u oceli);
• vynikající parametry při únavě (únavové namáhání);
• vynikající odolnost vůči různým chemickým látkám;
• nekoroduje;
• odolnost proti střídavému zmrazování a rozmrazování, odolnost vůči rozmrazovacím solím;
• minimální přerušení provozu, jednoduchá manipulace i vlastní aplikace.

ŽELEZNIČNÍ MOST NA TRATI PLANÁ U MARIÁNSKÝCH LÁZNÍ – CHEB, KM 430,013
Základní popis opravy
Stáří původní konstrukce je 60 let. Konstrukce mostu byla navržena v roce 1948 a ve výpočtu nebyl například zohledněn vliv únavy smykové betonářské výztuže, i když zpětným výpočtem se nakonec neprojevil. V současné době platí pro navrhování mostů tohoto typu jiné předpoklady. Příkladem, kdy přestal platit původní předpoklad pro statiku stavby, je jiný pohled na nahodilé zatížení od jedoucího vlaku, kdy původní zatěžovací schéma vedlo k dynamickému součiniteli 1,19. Nové, současně platné zatěžovací schéma navyšuje dynamický součinitel na hodnotu 1,37.

Návrh nové konstrukce mostu vzešel z konstrukční kanceláře Valbek s. r. o, Plzeň. Stávající konstrukce byla odbourána až na původní železobetonovou desku, na kterou byla nabetonována nová spřažená deska. Zároveň byla navržena sanace opěr mostu.

Výpočet vnitřních sil
Při výpočtu vnitřních sil se uvažovala tíha původní desky, tíha spřažené desky a fakt, že těžiště spřažené desky neleží ve svislé rovině těžiště původní desky a následkem toho vznikají krouticí účinky. Krouticí účinky vznikají rovněž vlivem nerovnoměrného rozložení hmoty kolejového lože vůči těžišti původní desky (viz obr. 5 – osově nesouměrná nová spřažená deska).

Vliv na výsledné vnitřní síly mají dále navržené izolace, kolejnice, zatížení od vlaku, boční ráz a vítr. Na konstrukci opěry samozřejmě působí i zemní tlak.

Základní kroky při návrhu konstrukčních částí:

• A. Ověření vlivu únavy betonářské výztuže.
  Vliv únavy nepotvrzen.
• B. Ověření třídy betonu původní desky. Uvažována C12/C15.
  Ověřeno.
• C. Posouzení ohybové únosnosti dle DN. Výpočet napjatosti od vlastní tíhy původní desky, spřažené desky a zemního tlaku za opěrou se závěrem, že stávající průřez je v návrhu namáhán mimostředným tlakem s velkou výstředností, který vyvolává krouticí účinky.
• D. Smršťování. V důsledku spřažení dvou prvků různého stáří dochází ke vzniku napjatosti vlivem rozdílného smršťování. Výpočtem bylo zjištěno, že napjatost spřaženého průřezu v důsledku ohybových účinků vyhovuje.
• E. Posouzení na smyk. Při výpočtu bylo bezpečně uvažováno, že smykové účinky přenáší původní železobetonová deska a výpočet ukázal, že smyková únosnost vyhovuje.
• F. Kroucení.
  Maximální krouticí účinky vznikají v nadpodporových oblastech. Předpokladem pro výpočet bylo, že účinkům kroucení bude vzdorovat spřažený průřez. V původní konstrukci není z dnešního pohledu řádně navržená výztuž, která by mohla zachytit krouticí účinky (uzavřené třmínky, podélná výztuž v bocích, přesahy minimálně na kotevní délku). Proto bylo nutné na konstrukci umístit dodatečnou výztuž v podobě CF tkaniny (carbon fibre), která bezpečně přenese silové účinky od kroucení.

NÁVRH ZESÍLENÍ UHLÍKOVOU TKANINOU MBrace^®
Nahrazení absence konstrukční výztuže, která by zajistila přenos napětí od krouticích momentů, bylo navrženo pomocí uhlíkové tkaniny MBrace^® S&P C-Sheet 240 300 g/m², která byla aplikována na odtíženou původní železobetonovou desku.

V podélném směru bylo třeba aplikovat dodatečnou výztuž minimálně v místech, kde:

τ_q + τ_k > τ_DOV

τ_q napětí od posouvajících sil
τ_k napětí od kroucení
τ_DOV dovolené namáhání v hlavním tahu betonu

Výpočtem bylo zjištěno, že v jedné třetině délky původní betonové desky již napjatost způsobená posouvajícími silami a krouticími momenty vyhovuje a přenese ji původní železobeton.

Zároveň byl proveden orientační výpočet ohybového zesílení pomocí uhlíkové tkaniny MBrace^® S&P C-Sheet 240 300g/m²:

Moment únosnosti před zesílením 15 415 KNm
Moment únosnosti po zesílení 16 384 KNm
Ohybový moment od zatížení dle EC 15 770 KNm < 16 384 KNm

Základní parametry tkaniny MBrace^® S&P C-Sheet 240 300 g/m² pro návrh:

Modul pružnosti 240 GPa
Tahová pevnost 3 800 MPa
Váha vláken v hlavním směru 300 g/m²
Tahová síla 1 000 mm šíře pro navrhování 211 kN
Návrhové přetvoření 0,6 %

Tkanina byla navržena v krajních třetinách rozpětí ve dvou na sebe kolmých směrech na obou bocích i dolním povrchu (ve tvaru písmene U).

POPIS VLASTNÍ APLIKACE EXTERNÍHO ZESÍLENÍ KONSTRUKCE ŽELEZOBETONOVÉ DESKY MOSTU
Vlastní aplikace zesílení není příliš náročná. Vyžaduje však zkušenost a důslednost při provádění. Generálním dodavatelem stavby byla firma SMP CZ a. s., aplikátorem společnost Bögl a Krýsl k. s. Aplikace probíhala v říjnu 2009 ve spolupráci se zástupcem BASF jako dodavatelem potřebných komponent.

Stávající nosná konstrukce byla odtížena, původní deska opískována a lokálně provedena oprava a vyrovnání opravnými maltami Emaco^®. Konstrukce byla mechanicky očištěna a následně byla aplikována jednosměrná tkanina MBrace^® S&P C-Sheet 240 300 g/m² dle návrhu. Po provedení zesílení práce pokračovaly zhotovením nové spřažené desky, nutnými izolacemi, novým podložím pro kolejový svršek atd.

Důležitým faktorem při aplikaci externího zesílení je jeho provedení v odtíženém stavu.

Při vlastní aplikaci uhlíkové tkaniny MBrace^® byly splněny požadavky pro kvalitu povrchu zesilované konstrukce. Konkrétní požadavky jsou především tyto:

• pevnost nosného podkladu v tahu min. 1,0 MPa;
• nosný podklad musí být zdrsněn opískováním nebo přebroušením;
• zaoblení hran železobetonové konstrukce R > 1 cm;
• rovinatost podkladu (nerovnosti na lati o délce 2 m max. 5 mm);
• vlhkost podkladu před lepením musí být max. 4 %;
• teplota podkladu by neměla klesnout pod 3 °C a teplota okolí pod 8 °C.

Aplikace zesílení byla provedena vtlačením tkaniny MBrace^® S&P C-Sheet 240 do MBrace^® laminační pryskyřice.

Právě teploty při aplikaci na výše uvedené stavbě vyvolaly nutnost temperovat prostor aplikace pod plachtou, která výrazně zamezila tehdy silnému větru na lešení pod železobetonovou deskou a relativně nízkým teplotám v dopoledních hodinách. Při aplikaci se pohybovaly noční teploty kolem 2 °C a denní potom kolem 15 °C. Tato opatření byla nezbytná pro nutný náběh reakce laminační pryskyřice a pevné uchycení tkaniny k podkladu.

Příprava laminační pryskyřice je důležitým faktorem pro zdárný průběh zesilování. MBrace^® laminační pryskyřice je tixotropní dvousložková epoxidová pryskyřice, která splňuje náročná kriteria pro tento způsob zesilování konstrukcí. Příprava hmoty na stavbě tomu musí odpovídat. Nejprve se důkladně promíchají odděleně obě složky (složka A – pryskyřice, složka B – tvrdidlo) a následně se složka B přidá do složky A. Směs se důkladně míchá nízkootáčkovou elektrickou vrtačkou s nástavcem na mísení barev, dokud není stejnoměrná, homogenní. Směs se ještě několik minut pomalu promíchává, aby se do ní dostalo co nejméně vzduchu.

Mísicí poměr: Složka A : Složka B = 5,4 : 3,0 (hmotnostně)
Doba zpracovatelnosti: asi 45 minut při +20 °C
Spotřeba: 1 kg/m²

Po namíchání se MBrace^® laminační pryskyřice válečkem důkladně nanesla na vymezenou část podkladu. Do ještě nezatvrdlé vrstvy se přiložila a následně vtlačila tkanina MBrace^® S&P C-Sheet 240. Po zatlačení se důkladně laminačním válečkem odstranil vzduch z prostoru mezi tkaninou a podkladem a takto zatlačená tkanina se opětně důkladně nasytila laminační pryskyřicí. Vzhledem k reakci pryskyřice po cca 20 až 30 minutách bylo nutné řádně načasovat jednotlivé pracovní kroky a především míchat pouze množství, které lze  zpracovat a zamezit tak případným ztrátám. Vzhledem k aplikaci v podhledu byla upravena tixotropie směsi přimícháním speciálního přípravku PCI Stellmittel, který omezil skapávání pryskyřice.

Prakticky a na straně bezpečnosti byla po dohodě s projektantem na dolním povrchu:

1. vrstva provedena celoplošně. V krajních třetinách potom 2. vrstva kolmo do tvaru písmene U a na bocích v krajních třetinách 2. vrstva rovnoběžně s deskou.

Po dokončené druhé vrstvě zesílení byl proveden do čerstvé pryskyřice posyp jemným křemičitým pískem pro dobré napojení následné jemné stěrky Emaco^® R 305 od BASF. Tato stěrka byla aplikována ve vrstvě 2 až 4 mm až po celkovém vytvrzení MBrace^® laminační pryskyřice. To nastalo až po pěti dnech vzhledem k relativně nízkým teplotám v říjnu 2009.

Samotná aplikace tkaniny MBrace^® S&P C-Sheet 240 300 g/m² ve dvou vrstvách proběhla úspěšně a relativně rychle. Práce probíhaly z lešení cca šest dnů čistého času při šesti pracovnících. Vzhledem k nutné době vytvrzení první vrstvy byla tato doba rozložena do delšího úseku.

Uhlíkové tkaniny MBrace prokázaly efektivní a rychlý způsob zesílení konstrukce mostu.

Strengthening of reinforced concrete slab of the small railway bridge using Mbrace carbon fibers
The article describes a design of strengthening of the small railway bridge bonded external reinforcement and especially the process of applying reinforcement using carbon fibers MBrace^® S&P C-Sheet 240.

Autoři

• Ing. Hlisníkovský Libor
• Ing. Černý Miloš