Uplatnenie FRP výstuží v betónových konštrukciách

Úvod

Obr. 1 Podmienky pre koróziu oceľovej výstuže

Tradičným materiálom na vystužovanie betónových konštrukcií je oceľ, ktorá je chránená proti účinkom korózie vysokou alkalitou betónu. V železobetónových konštrukciách vystavených agresívnemu prostrediu dochádza znižovaním alkality betónu, resp. prítomnosťou chloridov ku korózii oceľovej výstuže. Korózia oceľovej výstuže prebieha, ak sú splnené tieto podmienky (obr. 1):

• betón v okolí výstuže je depasivovaný (pH < 9,5), resp. v okolí výstuže sú chloridové ióny,
• betón je dostatočne vlhký, aby bol umožnený elektrolytický proces,
• je umožnený prístup kyslíka ku katóde korózneho článku.

Jedná sa napr. o parkovacie garáže, mosty, haly s vlhkou prevádzkou. Korózia oceľovej výstuže spôsobuje zmenšenie prierezovej plochy výstuže a stratu súdržnosti s betónom.

V takýchto podmienkach môže byť výstuž z polymérov vystužených vláknami plnohodnotnou náhradou oceľovej výstuže. V súčasnosti sa zvyšuje dopyt po kompozitnej výstuži, každoročne sa jej použije viac ako 10 miliónov metrov. Možno uviesť viaceré výhody použitia FRP (Fibre Reinforced Polymers – FRP) výstuže v betónových konštrukciách. Hlavne je to zvýšená trvanlivosť FRP výstuže, vzhľadom na jej odolnosť voči korózii. Medzi ďalšie výhody patria malá objemová hmotnosť, vysoká pevnosť v ťahu, či elektromagnetická neutralita [1]. Z vlastností materiálu vyplýva vhodnosť a ekonomická efektívnosť jeho použitia pri výstavbe nových alebo pri zosilňovaní starších konštrukcií.

Zloženie a rozdelenie FRP kompozitov

Obr. 2 Porovnanie vlastnosti diagramu σ-ε pre oceľ a FRP materiály [5]

FRP kompozit je zložený z vlákien, ktoré sú vložené do polymérovej matrice. Vlákna tvoriace výstuž v FRP kompozite sú nositeľmi dôležitých vlastností tohto materiálu. Zabezpečujú pevnosť a tuhosť, elektromagnetickú neutralitu, odolnosť voči korózii či malú objemovú hmotnosť FRP výstuže [2]. Tvoria 50 až 70 % z objemu kompozitu [3]. Matrica má nízky modul pružnosti, zabezpečuje polohu a orientáciu vlákien a chráni ich pred poškodením počas výroby, manipulácie a vplyvom vonkajšieho prostredia. Zabezpečuje aj roznos zaťaženia na jednotlivé vlákna [4]. Najpoužívanejším výrobným procesom FRP kompozitov je pultrúzia, pri ktorej sú nosné vlákna impregnované tekutou polymérovou matricou.

FRP kompozity sa delia podľa typu vlákien, z ktorých sú zhotovené. Používajú sa uhlíkové vlákna (CFRP), sklenené vlákna (GFRP), aramidové vlákna (AFRP) alebo vlákna z čadiču (BFRP). Jednotlivé typy FRP majú rozdielne fyzikálne a mechanické vlastnosti vyplývajúce z použitého druhu vlákien a matrice. Pre ich použitie ako výstuže do betónu sú významné najmä pevnosť v ťahu, modul pružnosti, či hodnota medzného pomerného pretvorenia. Na obr. 2 je znázornený vzťah medzi napätím a pomerným pretvorením rôznych druhov výstužných vlákien v porovnaní s oceľovou výstužou.

Z obrázku je zrejmé, že FRP výstuž nie je, na rozdiel od oceľovej výstuže, duktilná. Tento nedostatok je čiastočne kompenzovaný vyššou pevnosťou v ťahu.

Vlastnosti FRP kompozitov

FRP kompozity patria medzi anizotropné materiály, ktorých fyzikálne vlastnosti sa menia podľa smeru, v ktorom sa skúšajú.

Hlavné činitele, ktoré ovplyvňujú vlastnosti FRP výstuže sú typ a objem vlákien, typ matrice, orientácia vlákien, tvar a kvalita zhotovenia [2]. V tab. 1 sú na porovnanie uvedené vlastnosti ocele, ako aj najpoužívanejších druhov vlákien do FRP výstuže.

Najčastejšie používaným druhom výstužných vlákien v polymérovej matrici sú sklenené vlákna. Môžu byť vyrobené z E-skla, S-skla a AR-skla (Alkali-Resistant glass – AR-sklo). Sklenené vlákna z E-skla sú najlacnejšie sklenené vlákna a z toho dôvodu majú najširšie uplatnenie. S-sklo má vyššiu pevnosť v ťahu a modul pružnosti ako E-sklo. Pridaním zirkónu vznikne AR-sklo, ktoré je odolné proti pôsobeniu alkalického prostredia betónu. So zvyšujúcou sa teplotou sa znižuje pevnosť v ťahu sklenených vlákien, ale môže byť považovaná za konštantnú v rozsahu teplôt, ktorým je bežne vystavená polymérová matrica. Pevnosť v ťahu sa tiež znižuje vplyvom chemickej korózie ako aj pôsobením dlhodobého zaťaženia [4].

Uhlíkové vlákna majú vyššiu pevnosť v ťahu a modul pružnosti v porovnaní s inými druhmi výstužných vlákien. Sú aj menej citlivé na agresivitu prostredia, resp. vyššie teploty. Ďalším zvyšovaním modulu pružnosti (high modulus – HM) dochádza k zníženiu pevnosti v ťahu i pomerného pretvorenia pri porušení. Ich nevýhodou je vyššia cena – sú 10 až 30krát drahšie ako sklenené vlákna [4].

Najlepší pomerom pevnosti v ťahu ku hmotnosti majú aramidové vlákna. Tieto vlákna majú najnižšiu objemovú hmotnosť zo všetkých typov používaných vlákien.

Čadičové vlákna majú lepšie fyzikálno-mechanické vlastnosti ako sklenené vlákna a zároveň sú podstatne lacnejšie ako uhlíkové vlákna. Medzi hlavné výhody čadičových vlákien patria: zvýšená odolnosť pri požiari a v chemicky agresívnom prostredí [4].

Použitie FRP kompozitov

Vhodnosť a možnosť použitia FRP výstuží závisí od vyššie uvedených vlastností. FRP kompozity našli uplatnenie pri výstavbe nových, ale aj pri zosilňovaní starších konštrukcií.

Nové konštrukcie

FRP výstuže sú vhodné najmä na stavebné konštrukcie so zvýšeným environmentálnym zaťažením (zvýšené nároky na odolnosť voči korózii výstuže a chemickým vplyvom), resp. pri požiadavke aplikácie elektromagneticky neutrálnej alebo elektricky nevodivej výstuže.

V prostredí so zvýšenou vlhkosťou alebo obsahom chloridov je častou príčinou porúch železobetónových konštrukcií korózia oceľovej výstuže. Spôsoby ochrany týchto konštrukcií sú rôzne, napr. zvýšenie betónovej krycej vrstvy, použitie náterových systémov, návrh konštrukcie s menšou šírkou trhlín. Príklady, keď môže byť FRP vhodnou náhradou oceľovej výstuž, sú [7]:

• betón vystavený chloridom z posypových solí:
  
  • dosky, chodníky, rímsy a prechodové dosky mostov;
  • dopravné bariéry – betónové zvodidlá;
  • priepusty, kanály, žľaby
  • stratené debnenie spriahnutých mostovkových dosiek;
• betón vystavený chloridom z morskej vody:
  
  • morské hrádze, prístavné múry a suché doky;
  • pobrežné stavby vystavené soľnej hmle;
  • zariadenia na odsoľovanie morskej vody;
• betón náchylný ku korózii výstuže:
  
  • rafinérie;
  • nádrže a potrubia čistiarní odpadových vôd;
  • sklady agresívnych materiálov.

Elektromagnetická neutralita FRP výstuže sa využíva v oblastiach, kde nie je možné použitie oceľovej výstuže z dôvodu jej elektromagnetickej indukcie. Medzi vhodné príklady použitia patria [7]:

Obr. 3 Zhotovenie novej vozovky autobusovej stanice v Toronte [8]

• železnice;
• stavby na snímkovanie magnetickou rezonanciou;
• rozvodne vysokého napätia;
• káblové kanály a šachty;
• oblasti citlivé na rádiové frekvencie;
• nevodivé podlahy v elektrárňach alebo stavbách s vysokým napätím.

Možnosti použitie FRP výstuže do konštrukcií namáhaných tlakom alebo šmykom treba vopred overiť.

Vysoká pevnosť CFRP a AFRP výstuže sa využíva aj v predpätom betóne. GFRP výstuž nie je vhodná z dôvodu napäťovej korózie. Nízka objemová hmotnosť FRP kompozitov je výhodná aj ak sa jedná o vystužovanie konštrukcií v ťažko prístupných alebo stiesnených pomeroch. Ľahšia rezivosť GFRP výstuže sa uplatní v konštrukciách, kde sa počíta s vytváraním dodatočných otvorov (napr. podzemné steny, tunely).

Zosilňovanie betónových konštrukcií

V stavebnej praxi sa vyskytujú viaceré dôvody na dodatočné zosilňovanie betónových konštrukcií, napr. [9]:

• potreba zvýšenia únosnosti konštrukcie z dôvodu nárastu zaťaženia;
• chyby pri navrhovaní alebo zhotovovaní konštrukcie;
• degradácia stavebných materiálov;
• porušenie betónu alebo výstuže v dôsledku mimoriadnych zaťažení (požiar, seizmicita).

Najčastejšie používané metódy na zosilňovanie nosných prvkov sú [9]:

• zväčšenie prierezu;
• zmena konštrukčného systému;
• dodatočné predpätie.

Zvýšenie odolnosti bez podstatného zväčšenia prierezu sa dá dosiahnuť použitím pridanej oceľovej výstuže. Jedná sa o tradičný spôsob zosilňovania. Jeho moderným variantom je použitie kompozitného materiálu vo forme tkaniny alebo lamiel.

Najvhodnejším kompozitným materiálom na statické zosilňovanie nosných prvkov betónových konštrukcií sú polyméry vystužené uhlíkovými vláknami v jednom smere. Medzi ich prednosti v porovnaní s oceľou patria:

• veľká pevnosť v ťahu;
• vysoký modul pružnosti, ktorý umožňuje aktiváciu výstuže už pri malých deformáciách;
• odolnosť proti mnohým chemickým vplyvom;
• odolnosť voči únavovému namáhaniu;
• žiadne známky dotvarovania a relaxácie.

Nevýhodou CFRP výstuže v porovnaní s oceľovou výstužou je vyššia cena, náchylnosť na mechanické poškodenie a prenos zaťaženia v jednom smere [9].

Existujú dva typy CFRP kompozitov: s vysokou pevnosťou (CFRP HS) a s vysokým modulom pružnosti (CFRP HM). Ich rozdielne správanie je zobrazené na obr. 2. CFRP HS dosiahnu vysokú pevnosť pri väčších pretvoreniach. Následkom môžu byť širšie trhliny. CFRP HM sú vhodnejšie na dodatočné zosilňovanie, lebo na dosiahnutie vysokej pevnosti treba menšie pomerné pretvorenia CFRP výstuže.

a

b

c

Obr. 4 Spôsoby zosilňovania železobetónového prierezu CFRP výstužou: a) lamely lepené v drážkach, b) lamely lepené na povrchu prierezu, c) ovinutie prierezu tkaninou [10]

Medzi spôsoby použitia FRP výstuže na zosilňovanie nosných prvkov patria: lepenie a ovinutie. FRP vo forme lamiel sa lepia na povrch betónového prvku alebo do vopred vyfrézovaných drážok v betónovej krycej vrstve. Polyméry vo forme tkaniny sa ovíjajú okolo prierezu betónového stĺpa v podobe strmeňov alebo skrutkovice (obr. 4).

Obr. 5a) Zosilnenie mostného trámu CFRP lamelami

Obr. 5b) Zosilnenie stĺpa ovinutou CFRP tkaninou

Lamely sa započítavajú do odolnosti prierezu v podobe prídavnej výstuže, ktorá prenáša ťahové sily. Dôvodom zvýšenia odolnosti prierezu ovinutého tkaninou je zvýšenie pevnosti betónu obmedzením priečnej deformácie [11].

Lineárne pružné chovanie až do porušenia predstavuje dôležitú vlastnosť FRP kompozitov, preto nemožno uvažovať s redistribúciou ohybových momentov. Ťažnosť betonárskej výstuže by mala umožniť za medzného stavu únosnosti duktilný spôsob porušenia zosilneného prvku i napriek možnosti náhleho roztrhnutia FRP výstuže – postupné drvenia betónu v tlaku alebo zlyhanie súdržnosti. Zabezpečenie spolupôsobenia medzi materiálmi (FRP výstuž, pôvodný železobetónový prierez) závisí od účinnej aktivácie kompozitného materiálu, ktorá sa dosiahne buď maximálnym odľahčením prvku alebo jeho provizórnym podoprením pred lepením. Na obr. 5 sú zobrazené príklady aplikácie CFRP lamiel, resp. CFRP tkaniny na dodatočné zosilnenie betónových prvkov.

Záver

Korózia oceľovej výstuže predstavuje celosvetový problém v železobetónových konštrukciách vystavených najmä agresívnemu prostrediu. Uvedený nedostatok sa dá vhodne odstrániť nahradením ocele polymérmi, ktoré sú vystužené rôznymi typmi vlákien (uhlíkové, sklenené, aramidové, čadičové). Jedná sa o trvanlivý nekorozívny materiál, ktorý disponuje vysokou pevnosťou v ťahu či elektromagnetickou neutralitou. Jeho vlastnosti ho predurčujú na použitie v prostrediach so zvýšeným obsahom chloridov z posypových solí, resp. morskej vody či v prostrediach, kde nie je možné použitie oceľovej výstuže z dôvodu jej elektromagnetickej indukcie. Polyméry vystužené uhlíkovými vláknami majú rozsiahle uplatnenie aj v oblastiach zosilňovania betónových konštrukcií.

V tlači je Manuál na navrhovanie GFRP výstuže do betónových konštrukcií, ktorý bol vypracovaný pracovníkmi Katedry betónových konštrukcií a mostov SvF STU Bratislava a Ústavu betonových a zděných konstrukcí FAST VUT Brno.

Viacej o zásadách zosilňovania betónových konštrukcií lepenou CFRP výstužou poskytuje literatúra, napr. [12].

Poďakovanie

Príspevok vznikol za podpory výskumného projektu VEGA 1/0583/15 „Analýza spoľahlivostných rizík navrhovania a zhotovovania betónových konštrukcií“.

Literatúra

• [1] PILAKOUTAS, K. – RODOPOULOS C.: Composites in Concrete Construction in Gdoutos A. In: Failure Analysis of Industrial Composite Materials, 2010, 449–497 pp.
• [2] ACI 440.1R-06: Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. February 2006, 48 pp.
• [3] CNR-DT 203/2006: Guide for the Design and Construction of Concrete Structures Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Bars. 2006, 39 s.
• [4] fib No. 40: FRP reinforcement in RC structures. September 2007, 176 pp.
• [5] CAROLIN, A. Carbon Fibre Reinforced Polymers for Strengthening of Structural Elements: dizertačná práca. Lulea: Lulea University of Technology, 2003, 194 s.
• [6] OLIVOVÁ, K. Zosilňovanie betónových stĺpov lamelami a tkaninou z uhlíkových vlákien: dizertačná práca. Bratislava: Slovenská technická univerzita, 2007, 207 s. M
• [7] GlasFiber Reinforced Polymer (GFRP) rebar – Aslan 100 series FIBERGLASS REBAR. Hughes Brothers, Inc. 210 N. 13^th Street Seward NE 68434. www.aslanfrp.com
• [8] SALIB, S. – MCCAKK, J.: Versatility of FRP applications in structural projects – Case studies. In 7^th International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE 2006). Vancouver, 2014. ISBN 978-1-77136-308-2.
• [9] GAJDOŠOVÁ, K. Zosilňovanie štíhlych železobetónových stĺpov použitím polymérov vystužených vláknami: dizertačná práca. Bratislava: Slovenská technická univerzita, 2010, 130 s.
• [10] KAMIŃSKI, M. – TRAPKO, T.: Experimental behaviour of reinforced concrete column models strengthened by CFRP materials. In: Journal of Civil Engineering and Management [online]. 2006, vol. 12, no. 2.
• [11] BILČÍK, J. – GAJDOŠOVÁ, K. – OLIVOVÁ, K.: Zosilňovanie stĺpov polymérmi vystuženými uhlíkovými vláknami. In: Inžinierske stavby, ročník 58, 2010, č. 2, s. 145–149.
• [12] BILČÍK, J. – GAJDOŠOVÁ, K.: Zásady zosilňovania betónových konštrukcií lepenou CFRP výstužou. In: BETON TKS, 2014, č. 3, s. 12–16.