Špecifické aspekty pôsobenia GFRP výstuže v betónových konštrukciách

Kompozitné materiály zvyšujú svoje zastúpenie aj v stavebníctve, napríklad ako náhrada konštrukčnej ocele alebo oceľových prútov na vystužovanie betónových prvkov. Príspevok sumarizuje aktivity členov Katedry betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty STU v Bratislave v oblasti experimentálneho výskumu pôsobenia GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymer) výstuže v betónových konštrukciách za posledné obdobie.

Zameriava sa na odlišnosti v porovnaní so železobetónovými konštrukciami. Obsahuje časti venované základným materiálovým vlastnostiam GFRP výstuží, jednoduchému pôsobeniu v ohybe a šmyku, súdržnosti s betónom, analýze trhlín a priehybov, ako aj dlhodobému pôsobeniu zaťaženia.

Časť experimentov sa venuje výskumu pretlačenia lokálne podopretých dosiek vystužených GFRP výstužou. Posledná oblasť zahŕňa skúšky aplikácie GFRP výstuží s recyklovaným betónom. Katedra betónových konštrukcií a mostov na SvF STU pokračuje vo výskume pôsobenia betónových prvkov vystužených GFRP prútmi, ktoré predstavujú náhradu za bežnú oceľovú výstuž.

Napreduje v získavaní vedomostí z navrhovania a posudzovania týchto konštrukcií, ktoré sa stáva v súčasnosti veľmi aktuálnym. Hlavnou metódou pri napĺňaní tohto cieľa je aj v tomto prípade experimentálny výskum.

Príkladom vhodnej aplikácie GFRP výstuže sú betónové prvky vystavené vysokému environmentálnemu zaťaženiu, prípadne prvky, na ktoré sa kladú špeciálne požiadavky – napríklad nevodivé materiály alebo materiály neovplyvňujúce magnetické pole.

Ďalšími výhodami GFRP kompozitov sú vysoká odolnosť proti agresívnym chemikáliám, vyššia hodnota pevnosti v ťahu v porovnaní s oceľovou výstužou, nižšia hmotnosť a eliminácia požiadaviek na minimálnu hodnotu krycej vrstvy z hľadiska trvanlivosti.

Súdržnosť GFRP výstuže s betónom

Základnou podmienkou fungovania vystuženého betónového prierezu je zabezpečenie súdržnosti výstuže s betónom. Úprava povrchu klasickej oceľovej rebierkovej výstuže a jej spolupôsobenie s betónom sú dobre známe a podložené normovými výpočtami. Pri GFRP výstuži sú odlišné nielen jej mechanicko-fyzikálne vlastnosti, iný je aj spôsob zhotovenia a povrchová úprava.

Práve to má výrazný vplyv na zabezpečenie súdržnosti s betónom. Na overenie aplikácie známych výpočtových postupov na určovanie kotevných dĺžok je potrebné poznať rozvoj napätia v súdržnosti pre GFRP výstuž dostupnú v oblasti našej krajiny.

Na overenie súdržnosti sa vybrali dva typy výstuže – s opieskovanou povrchovou úpravou (s priemerom 8 a 10 mm) a s povrchovou úpravou ovinutím (s vnútorným priemerom 7 mm) –, ktoré sa porovnávali vždy s oceľovou výstužou (s priemerom 6 mm).

Na overenie výsledkov sa využili dve experimentálne metódy – vyťahovacie skúšky (spolu 12 kociek) a nosníkové skúšky súdržnosti (spolu 12 nosníkov). Usporiadanie skúšok je na obr. 1a a 1b. Výsledky experimentálnych skúšok súdržnosti sú uvedené v tab. 1. Na ich základe možno konštatovať, že povrchová úprava GFRP výstuže má výrazný vplyv na závislosť napätia v súdržnosti a poklzu.

Nosníkové skúšky preukázali, že zväčšením priemeru výstuže sa pri GFRP výstuži znižuje napätie v súdržnosti. Zároveň nosníkové skúšky preukázali dosiahnutie vyšších hodnôt napätí v súdržnosti ako vyťahovacie skúšky, takže častejšie realizované vyťahovacie skúšky sú na bezpečnej strane.

Šmyková odolnosť betónových prvkov vystužených GFRP prútmi bez šmykovej výstuže

Šmyk je jedným zo základných spôsobov namáhania konštrukčných prvkov. Pozornosť z pohľadu navrhovania železobetónových prvkov si získava svojím krehkým charakterom porušenia oproti duktilnému ohybovému zlyhaniu.

Napriek tomu, že faktory ovplyvňujúce šmykovú odolnosť prierezov sú veľmi dobre známe, modely na predikciu šmykovej odolnosti sú často empirické a stanovené na základe vyhodnotenia množstva experimentov. Takto bola stanovená aj šmyková odolnosť prvkov bez šmykovej výstuže podľa súčasne platných spoločných európskych noriem Eurokód 2.

Cieľom experimentálnej kampane [3] bolo zistiť šmykovú odolnosť nosníkov bez šmykovej výstuže v širšom spektre vystuženia, pričom jedna séria nosníkov bola vystužená oceľovou výstužou a druhá séria nosníkov GFRP výstužou. Spolu bolo vyrobených 26 nosníkov, z toho 14 železobetónových a 12 s GFRP výstužou.

Z každého stupňa vystuženia boli vyrobené dva nosníky tak, aby bolo možné získať štyri hodnoty odolnosti pre každý stupeň vystuženia. Základnou požiadavkou pri návrhu rozmerov nosníkov bolo ich porušenie v šmyku predchádzajúce ohybovému porušeniu. Pre uvažovanú zaťažovaciu schému sa zvolil priečny rez nosníkov so šírkou b = 95 mm a výškou h = 125 mm.

Pri vyšších stupňoch vystuženia bolo nevyhnutné umiestniť výstuž do dvoch radov tak, aby sa zachovala účinná výška nosníka, takže výška týchto nosníkov sa zvýšila na 145 mm. Účinná výška bola pri všetkých nosníkoch navrhnutá ako d = 100 mm. Pri nosníkoch s oceľovou výstužou sa zvolili nasledujúce vystuženia (stupne vystuženia): 3ø6 (0,89 %), 2ø8 (1,06 %), 2ø8 + 1ø6 (1,36 %), 2ø10 (1,65 %), 2ø10 + 1ø6 (1,95 %), 2ø12 (2,38 %) a 2ø8 + 2ø6 (1,65 %) pri vystužení v dvoch radoch.

Pri nosníkoch s GFRP výstužou sa zvolili takéto vystuženia (stupne vystuženia): 2ø10 (1,34 %), 3ø10 (2,01 %), 3ø12 (3,00 %), 2ø16 (3,72 %) a 2ø16 + 2ø10 (5,06 %), 2ø16 + 2ø16 (7,44 %) pri vystužení v dvoch radoch. Výsledky experimentov (obr. 2b) sa porovnali s predikciou odolnosti podľa súčasne platného Eurokódu 2 (EC2), ako aj modelov, ktoré vystupujú v jeho druhej generácii (prEC2).

Výsledky sú vyhodnotené aj vo forme pomeru nameranej šmykovej odolnosti a teoretickej výpočtovej šmykovej odolnosti pre jednotlivé predikcie na stanovenie spoľahlivosti jednotlivých modelov (tab. 2). Na základe týchto hodnôt možno konštatovať, že najbližšie k experimentálne nameraným hodnotám pri oboch typoch nosníkov sa priblížil výpočtový vzťah podľa draftu EC2.

Pretlačenie

Mnohé súčasné návrhové prístupy na stanovenie odolnosti v pretlačení sú odvodené na základe experimentálne odskúšaných dosiek vystužených oceľovou výstužou. Návrhové modely, ktoré boli odvodené z experimentov s použitím oceľovej výstuže, nemôžu byť priamo použité pre prvky vystužené GFRP výstužou z dôvodu odlišných vlastností.

Hlavným cieľom experimentálneho programu je skúmanie vplyvu GFRP výstuže na odolnosť v pretlačení výseku lokálne podopretej stropnej dosky vystuženej GFRP výstužou v dvoch navzájom kolmých smeroch bez použitia šmykovej výstuže. Odskúšané boli tri dosky s rozmermi 2,5 × 2,5 × 0,2 m (obr. 3a), pričom každá mala iný stupeň vystuženia. Sila bola vnášaná hydraulickým lisom zdola nahor.

Rozmer stĺpika bol definovaný oceľovou platňou s rozmermi 200 × 200 mm. Všetky vzorky boli zhotovené s krytím výstuže 40 mm. Osová vzdialenosť prútov pozdĺžnej výstuže dosiek bola 50, 80 a 170 mm. Použitý priemer prúta ø 16 bol rovnaký pri všetkých troch vzorkách. Dosky zlyhali v pretlačení bez ohľadu na stupeň vystuženia pozdĺžnou výstužou.

Skúmané veličiny, ktoré sa pri skúšaní zaznamenávali, boli priehyby dosiek, pomerné pretvorenia betónu pri spodnom povrchu, pootočenia dosiek a sila v lise. Vertikálne premiestnenia dosiek boli zaznamenávané LVDT snímačmi (obr. 3b).

Pri spodnom povrchu sa merali pomerné pretvorenia nalepenými tenzometrickými páskami. Okrem toho sa zaznamenávali osové sily v jednotlivých kotevných tyčiach elektromagnetickými snímačmi. Na kontrolu premiestnení dosky v jednotlivých bodoch bola použitá viacsnímková konvergentná fotogrametria (obr. 3c).

Z odskúšaných experimentov sa dá predpovedať, že dosky s GFRP výstužou majú nižšiu odolnosť v pretlačení oproti betónovým doskám vystuženým oceľovou výstužou pri porovnateľnom stupni vystuženia. Pomer modulu pružnosti GFRP k oceli je približne 0,25. Relatívne nízky modul pružnosti GFRP materiálov oproti oceli zapríčiňuje aj nižšiu odolnosť v pretlačení betónových prvkov.

Dlhodobá pevnosť

Ďalšia časť prebiehajúceho experimentálneho programu je zameraná na overenie dlhodobo pôsobiaceho zaťaženia na betónové prvky vystužené GFRP výstužou. Doskové nosníky majú prierez s výškou 75 mm a šírkou 150 mm a vystužené sú dvoma prútmi GFRP výstuže s povrchovou úpravou ovinutím s vnútorným priemerom (bez ovinutia) 7 mm.

Prvá séria nosníkov bola porušená okamžitou štvorbodovou skúškou mesiac po vybetónovaní bez predchádzajúceho zaťaženia a jej výsledky budú slúžiť ako porovnávacie. Ďalšie série nosníkov sa budú skúšať jeden, tri a desať rokov po kontinuálnom zaťažení. Spôsob aplikácie dlhodobého zaťaženia je na obr. 4.

Dlhodobé pôsobenie predpätých dosiek

Popri sledovaní účinkov dlhodobo pôsobiaceho zaťaženia na prvky vystužené GFRP výstužou sa sleduje aj dlhodobo pôsobiace zaťaženie na predpäté GFRP vystužené doskové prvky. Experimenty na overenie dlhodobých účinkov zaťaženia sú v dostupných zdrojoch realizované a vyhodnocované len na základe krátkodobých skúšok s extrapoláciou výsledkov na dlhší čas.

Dlhodobým experimentálnym programom sa od roku 2018 sleduje šesť vopred predpätých dosiek, ktoré boli zaťažené po charakteristickú úroveň zaťaženia predpokladanú pri ich využití formou strateného debnenia, následne boli odľahčené a v septembri 2018 znova zaťažené na sledovanie dlhodobých vlastností GFRP výstuže.

Dosky majú rozmery 2 060 x 250 × 40 mm, vystužené sú v pozdĺžnom smere GFRP výstužou 2ø10. Krytie výstuže je 10 mm. Každá doska je zaťažená statickým zaťažením s hmotnosťou 300 kg (obr. 5), čo predstavuje približne charakteristickú úroveň projektovaného zaťaženia.

Hladina dlhodobého zaťaženia bola stanovená tak, aby napätie v najviac tlačenom vlákne betónu nepresiahlo hodnotu 0,6 fck. Cieľom dlhodobých skúšok je zistiť efektívnym spôsobom pokles napätia vo výstuži od dlhodobého zaťaženia. V súčasnosti prebieha monitoring, meranie priehybu a pretvorenia horného okraja betónu.

Recyklovaný betón

V spolupráci s firmou Skanska, a. s., a ERC-TECH, a. s., sa realizuje experimentálna kampaň, ktorej cieľom je overiť aplikáciu recyklovaného kameniva pre konštrukčné betóny s nosnou funkciou. Overenie sa týka recyklovaného betónu vyrobeného nahradením prírodného kameniva recyklátom z betónových a murovaných konštrukcií.

Tento ekologický materiál má špecifické vlastnosti, ktoré sa overujú v konfrontácii s referenčným obyčajným betónom. Skúma sa deformačná odozva, ako aj celková odolnosť vystužených prierezov v namáhaní na ohyb, šmyk a excentricky pôsobiacu tlakovú silu.

Vzorky predstavujú jednoduché prvky bez šmykovej výstuže. Nosníky skúšané na ohyb a šmyk majú priečny rez 100 × 125 mm s dĺžkou 1,5 m. Excentricky pôsobiaca tlaková sila sa skúša na hranoloch s priečnym rezom s rozmermi 150 × 200 mm s dĺžkou 0,5 m.

Vzorky sú vyrobené pre dva odlišné stupne vystuženia. V experimentálnej kampani sa posilnil ekologický rozmer pridaním alternatívneho spôsobu vystuženia pomocou kompozitnej GFRP výstuže, celková štúdia preto zahŕňa výsledky z 96 vystužených betónových prvkov, ktoré skúšali študenti a doktorandi v laboratóriách Stavebnej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave.

Záver

Uvedené príklady aplikácie GFRP výstuže v betónových konštrukciách sú dôkazom možnosti náhrady oceľovej výstuže pomocou FRP materiálov. Výskum aj aplikácie v oblasti FRP kompozitov sa po celom svete vyskytujú v čoraz väčšej miere, pričom zavedením druhej generácie spoločných európskych noriem (eurokódov) na ich návrh sa FRP kompozity stanú rovnocennou alternatívou klasickej oceľovej výstuže.

Výskum realizovaný na Stavebnej fakulte STU v Bratislave prispieva svojou časťou k rozšíreniu databázy informácií o správaní FRP výstuže pri rôznych spôsoboch namáhania betónových prvkov, ako aj o ich vzájomnom spolupôsobení.

Príspevok vznikol s finančnou podporou Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-17-0204 a za podpory Grantovej agentúry Ministerstva školstva, vedy a športu Slovenskej republiky a Slovenskej akadémie vied číslo VEGA č. 1/0645/20

Literatúra:

1. GAJDOŠOVÁ, K. – SONNENSCHEIN, R. – BLAHO, S.: Deflection of GFRP-reinforced concrete beams. In Journal of Composite Materials. Vol. 55, no. 21 (2021),
p. 2939 – 2951. ISSN 0021-9983.
2. GAJDOŠOVÁ, K. – SONNENSCHEIN, R. – BLAHO, S. – KINČEKOVÁ, S. – PECKA, J.:
Durability of FRP Reinforcements and Long-Term Properties. In Slovak Journal
of Civil Engineering. Vol. 28, no. 2 (2020), p. 50 – 55. ISSN 1210-3896.
3. LÁNIOVÁ, D. – BORZOVIČ, V.: Shear resistance of steel and GFRP reinforced beams. In Advances and Trends in Engineering Sciences and Technologies III:
proceedings of the 3rd International Conference on Engineering Sciences and
Technologies (ESaT 2018). Tatranské Matliare, Slovak Republic, 12. – 14. september 2018. 1. Ed. London: CRC Press,Taylor & Francis Group, 2019, p. 173 –
178. ISBN 978-0-367-07509-5.