Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Textilní beton a zhodnocení jeho chování za zvýšené teploty

Textilní beton je nově vyvíjený materál, který lze v současné době použít jako alternativu tradičních železobetonových konstrukcí. Jedná se o kombinaci vysokohodnotného betonu, textilní výztuže (nejčastěji z uhlíkových vláken) a její syntetické matrice. Hlavními výhodami textilního betonu jsou jeho lepší mechanické vlastností při současném zachování subtilního charakteru konstrukce a výborná odolnost proti atmosférické korozi. Zatím je textilní beton používán primárně pro konstrukce nenosné, nicméně se předpokládá jeho širší využití u nosných konstrukcí. Tento článek představuje zhodnocení textilního betonu u nosných konstrukcí z pohledu požární bezpečnosti staveb a stanovení případných omezení vyplývajících z požadavků souboru norem řady ČSN 73 08xx.

1. Úvod

V současné době stavební konstrukce z betonu zaznamenaly významný vývoj, a to například v použití stále oblíbenějších kompozitních materiálů jako výztuže. Jedná se o materiály, u kterých jsou využity různé druhy alternativní výztuže, jako jsou například i textilní výztuže s jednotlivými rovingy (svazky nekonečně dlouhých vláken) z uhlíku, skla nebo čediče v kombinaci s matricí ze syntetických pryskyřic. Vysokohodnotný jemnozrnný beton (High performance concrete – HPC) dohromady spolu s touto kompozitní textilní výztuží vylepšující tahové mechanické parametry tvoří tzv. textilní beton z anglického ekvivalentu textile reinforced concrete (TRC) [1–4]. Pro zlepšení mechanických vlastností homogenizací svazku vláken jsou tato vlákna doplněna o impregnaci na bázi syntetických pryskyřic, která zajišťuje efektivnější redistribuci napětí do celého svazku vláken textilní výztuže a umožní tak využití jejího plného tahového potenciálu v betonovém prvku. TRC umožňuje realizaci výrazně subtilnějších konstrukcí, než jaké známe v provedení z tradičního železobetonu. To je dáno zejména výbornou trvanlivostí a odolností uhlíkové výztuže proti atmosférické korozi, v kombinaci s vysokou tlakovou pevností HPC. Tato vlastnost totiž umožňuje návrh krycí vrstvy s ohledem pouze na spolupůsobení mezi materiály a neplní funkci ochrany proti atmosférické korozi jako je tomu u tradičních železobetonových konstrukcí. Tyto krycí vrstvy se pak řádově pohybují v rozmezí 5–10 mm, i méně. Dalším z nezanedbatelných benefitů betonových konstrukcí z TRC je jejich vynikající výsledná pohledová kvalita užitím jemnozrnných samozhutnitelných vysokohodnotných betonů, také celková úspora primárních zdrojů surovin díky použití kvalitních materiálů s lepšími užitnými vlastnostmi při jejich výrobě a následné aplikaci.

Pro následnou efektivní realizaci nosných konstrukcí z tohoto materiálu je však nutné zhodnotit chování zejména z pohledu požární bezpečnosti staveb, neboť použité pryskyřice mají obecně nízkou teplotní odolnost, což může ovlivnit bezpečnost stavby jako celku. Proto byl textilní beton v požární laboratoři na UCEEB ČVUT v Praze podroben požárním experimentům, jejichž cílem bylo vyhodnotit rizikové oblasti TRC a zhodnotit jeho možná omezení vyplývající z normových požadavků české legislativy.

2. Motivace

V současné době se TRC využívá zejména pro nenosné konstrukce, designové prvky, nábytek nebo fasádní panely (obr. 1). V porovnání s tradičními železobetonovými konstrukcemi má tento kompozitní materiál za běžné teploty výborné mechanické vlastnosti, a proto by mohlo dojít k jeho širšímu využití i v nosných konstrukcích, u nichž je kladen větší důraz na únosnost a subtilitu, odolnost vůči atmosférické korozi, nebo pohledovou kvalitu konstrukce. TRC však obsahuje hořlavou složku v podobě matrice textilní výztuže [3], čímž se liší od tradičních železobetonových konstrukcí, u nichž tahovou výztuž tvoří nejčastěji ocelové pruty a sítě. Matrice textilní výztuže je v současné době nezbytnou součástí TRC kvůli zachování mechanických vlastností kompozitu. Jelikož ale syntetické pryskyřice v textilní kompozitní výztuži ani zdaleka nedosahují takových teplotních odolností jako samotné HPC nebo tradiční ocelová výztuž, je nízká odolnost proti zvýšeným teplotám hlavní problematickou častí TRC v nosných konstrukcích [5].

Obr. 1: Použití TRC u nenosných a designových konstrukcí: a) fasádní panely objektu [6]
a)
Obr. 1: Použití TRC u nenosných a designových konstrukcí: b) designová Smart lavička vyztužená uhlíkovou textilií [7]
b)

Obr. 1: Použití TRC u nenosných a designových konstrukcí:
a) fasádní panely objektu [6]; b) designová Smart lavička vyztužená uhlíkovou textilií [7]
Obr. 2: požární pec miniFUR na UCEEB ČVUT v Praze pro středněrozměrové indikativní požární zkoušky [10]
Obr. 2: požární pec miniFUR na UCEEB ČVUT v Praze pro středněrozměrové indikativní požární zkoušky [10]

Obecně lze konstatovat, že odolnost syntetických pryskyřic vůči zvýšené teplotě je velice nízká a při překročení přibližně 100–120 °C [8] dochází k značnému úbytku jejich mechanických vlastností, přičemž při vystavení přímému účinku plamene dojde i k jejich vzplanutí. V důsledku toho se pak poruší schopnost přenášet tahová napětí do celého svazku vláken a významně se ztrácí tahová pevnost. V rámci indikativních experimentů byly vytvořeny zkušební vzorky z TRC a umístěny do středněrozměrové požární pece (obr. 2), ve které byly zatíženy zvýšenou teplotou podle normové teplotní křivky ISO 834 [9]. Cílem bylo ověřit chování tohoto materiálu a relevantně zhodnotit možná omezení vyplývající z pohledu norem požární bezpečnosti staveb.

V návaznosti na požární experimenty byly vyhodnoceny rizikové oblasti, které by mohly negativním způsobem ovlivnit nosnou konstrukci z TRC za zvýšené teploty. Šlo zejména o dva projevy, a to odštěpení povrchových vrstev a vznícení epoxidové pryskyřice. Obecně je odštěpení betonových vrstev za zvýšené teploty známé [11] a je primárně zapříčiněno nízkým vodním součinitelem betonové směsi vysokohodnotného betonu [12]. Vzhledem k tloušťkám krycích vrstev znamená každá odštěpená vrstva výrazné oslabení konstrukce, neboť může dojít k obnažení textilní výztuže a následně i k jejímu vzplanutí, respektive ke vzplanutí epoxidové pryskyřice (obr. 3).

3. Omezení vyplývající z pohledu soboru norem řady ČSN 73 08xx

V současnosti platný soubor požárních norem řady ČSN 73 08xx klasifikuje tradiční konstrukce, které byly běžně používány v dobách jeho vzniku (rok 1977). Především jde o konstrukce železobetonové, dřevěné nebo zděné. Aktuálně používané technologie ve výrobě nosných konstrukcí oproti minulosti pokročily natolik, že klasifikace zejména moderních kompozitních materiálů podle této metodiky může v závislosti na jejich výkladu uvádět tyto materiály do nevýhodné situace. Jde zejména o požadavky na ně a z nich vyplývající legislativní omezení. Nově jsou čím dál častěji navrhovány konstrukce z kompozitních materiálů, v nichž hrají významnou roli hmoty na bázi plastů a syntetických materiálů. To vede k otázce, zda je na místě tyto konstrukce klasifikovat podle stávajících metodik za pomoci druhů konstrukcí a konstrukčních systémů.

Klasifikace druhu konstrukční části dle ČSN 73 0810

Z požárních experimentů bylo prokázáno, že TRC při použití syntetické matrice přispívá k rozvoji požáru (obr. 3) v době požadované požární odolnosti. Tudíž dle ČSN 73 0810 tato konstrukce nesmí být klasifikována jakožto konstrukce druhu DP1 nebo DP2. Proto by konstrukce z TRC měla být hodnocena jako konstrukce druhu DP3, z čehož vyplývají požadavky pro následnou klasifikaci konstrukčního systému objektu. Jedním z možných řešení je aplikace účinné požární ochrany, která by zabránila příspěvku k rozvoji požáru, a při volbě kvalitnějších pryskyřic s třídou reakce na oheň alespoň D lze klasifikovat konstrukce z TRC jako konstrukce druhu DP2. Další z možností je nahradit hořlavou matrici textilní výztuže nehořlavou variantou a umožnit tak klasifikaci jako druh DP1 stejně, jako pro tradiční železobetonové konstrukce.

Obr. 3: zkušebních deskové vzorky z TRC po ukončení požárního experimentu (pohled skrze ventilační otvor dovnitř zkušební pece) [10]
Obr. 3: zkušebních deskové vzorky z TRC po ukončení požárního experimentu (pohled skrze ventilační otvor dovnitř zkušební pece) [10]

Výškové omezení objektů s nosnými konstrukcemi z TRC

V návaznosti na druh konstrukční části potažmo konstrukční systém je nejzásadnější omezení požární výšky objektů, ve kterých by jako nosný prvek byly použity konstrukce právě z textilního betonu. V případě použití svislých nosných prvků (sloupy, stěny) z TRC i při klasifikaci konstrukce druhu DP2 je celý konstrukční systém zařazen do kategorie hořlavého konstrukčního systému (obr. 4) s následným uplatněním přísných výškových omezení, což v případě betonových konstrukcí může být značně diskutabilní.

Obr. 4: Druhy konstrukčních systémů budov (zjednodušené řezy objektem) a jejich orientační omezení z hlediska požární výšky h: a) nehořlavý – h bez omezení; b) smíšený – h ≤ 22,5 m; c) hořlavý – h ≤ 12 m [13]
Obr. 4: Druhy konstrukčních systémů budov (zjednodušené řezy objektem) a jejich orientační omezení z hlediska požární výšky h:
a) nehořlavý – h bez omezení; b) smíšený – h ≤ 22,5 m; c) hořlavý – h ≤ 12 m [13]

Stanovení odstupových vzdáleností

Ve stávajícím provedení TRC s matricí ze syntetické pryskyřice je vysoké riziko, že může dojít k příspěvku k rozvoji požáru, na rozdíl od tradičních železobetonových konstrukcí. Nejen že tento fakt dle ČSN 73 0810 zasahuje do klasifikace konstrukčního systému, ale díky tomu výrazně ovlivňuje i stanovení odstupových vzdáleností od požárně otevřených ploch objektu. Konkrétně se jedná o navýšení o 5 kg∙m−2 při smíšeném konstrukčním systému a o 10, popřípadě 15 kg∙m−2 při hořlavém konstrukčním systému. V houstnoucí zástavbě je stále kladen větší důraz na minimalizaci požárně nebezpečného prostoru od staveb a ve fázi návrhu objektů by mohlo být toto kritérium důvodem pro vyřazení TRC z použití ve výstavbě.

4. Závěr

Textilní beton (TRC) je nový kompozitní materiál skládající se ze tří hlavních částí, z vysokohodnotného betonu, textilní výztuže a její syntetické matrice. Tato kombinace materiálů má vysoký potenciál pro budoucí použití v konstrukčních prvcích, především jako prutové konstrukce (sloupy), případně plošné konstrukce (fasádní panely). Pomocí stávajícího technologického provedení s několika vrstvami textilní výztuže a matrice z epoxidové pryskyřice je dosaženo výborných mechanických vlastností za běžné teploty. V současné době je však praktické využití omezeno ne zcela ideální odolností vůči zvýšeným teplotám.

Při použití vysokohodnotného betonu jako hlavního materiálu TRC může docházek k masivnímu odštěpení svrchních betonových vrstev, což může zásadně oslabit celistvost konstrukce, popřípadě vlivem obnažení textilní výztuže umožnit její vzplanutí. V návaznosti na tato rizika reaguje česká legislativa přísnými omezeními, co se klasifikace druhu konstrukční části, výškového omezení stavby a ovlivnění požárně nebezpečného prostoru objektu týče. Pro komplexní a efektivní návrh nosných konstrukcí z textilního betonu je pro budoucí práci nezbytné zejména hlubší poznání použitých materiálů. To by umožnilo využití plného potenciálu všech materiálů, a zároveň by při použití požárně odolnější matrice textilního vlákna eliminovalo příspěvek k rozvoji požáru. V tomto případě by se dal využít plný potenciál kompozitního materiálu a konstrukce by se daly klasifikovat jako druh konstrukční části DP1.

5. Literatura

  1. LAIBLOVÁ, Lenka, Tomáš VLACH a Jakub ŘEPKA. Co je to textilní beton (TRC). TZB-info [online]. TZB-info, 2019 [cit. 2020-06-01]. Dostupné z: https://stavba.tzb-info.cz/beton-malty-omitky/18732-co-je-to-textilni-beton-trc
  2. VLACH, Tomáš. Adhesion of carbon and basalt composite reinforcement with UHPC. Prague, 2013. Diploma thesis. CTU in Prague.
  3. VLACH, Tomáš, Magdaléna NOVOTNÁ, Ctislav FIALA, Lenka LAIBLOVÁ a Petr HÁJEK. Cohesion of Composite Reinforcement Produced from Rovings with High Performance Concrete. Applied Mechanics and Materials [online]. 2015, 732, 397–402. ISSN 1662-7482. Dostupné z: https://www.scientific.net/AMM.732.397
  4. BRAMESHUBER, Wolfgang (ed.). Report 36: textile reinforced concrete-state-of-the-art report of RILEM TC 201-TRC. RILEM publications, 2006.
  5. Prague.Z. Kořínek, “Vlákna”, Kompozity, 2018. [Online]. Available: https://kompozity.webnode.cz/.
  6. Systemised construction solutions – HERING. 301 Moved Permanently [online]. Copyright © [cit. 17. 06. 2020]. Dostupné z: https://www.heringinternational.com/en/
  7. Vědci z ČVUT představí prototyp chytrých čidel i laviček – URBIS SMART CITY FAIR – Veletrhy Brno. Veletrhy Brno | Jednička ve střední Evropě – Veletrhy Brno [online]. Copyright © 2020, všechna práva vyhrazena [cit. 17. 06. 2020]. Dostupné z: https://www.bvv.cz/urbis/aktuality/aktuality-2019/vedci-z-cvut-predstavi-prototyp-chytrych-cidel-i-l/
  8. DUCHÁČEK, Vratislav a VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE. Polymery: výroba, vlastnosti, zpracování, použití. Praha: Vydavatelství VŠCHT, 2006. ISBN 978-80-7080-617-3.
  9. ČSN EN 1991-1-2:2004 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru. nedatováno.
  10. Fürst, R. Fire specifics of building load-bearing structures of textile reinforced concrete. Prague: CTU in Prague, 2019.
  11. PROCHÁZKA, Jaroslav, Radek ŠTEFAN, Jitka VAŠKOVÁ, ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE a STAVEBNÍ FAKULTA. Navrhování betonových a zděných konstrukcí na účinky požáru. V Praze: České vysoké učení technické, 2010. ISBN 978-80-01-04613-5.
  12. Aïtcin, P.-C., Česká komora autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě, Česká betonářská společnost, 2005. High-Performance Concrete. Pro Českou komoru autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě (ČKAIT) a Českou betonářskou společnost vydalo Informační centrum ČKAIT,
  13. POKORNÝ, Marek a Petr HEJTMÁNEK. Požární bezpečnost staveb: sylabus pro praktickou výuku. 2. přepracované vydání. V Praze: České vysoké učení technické, 2018. ISBN 978-80-01-06394-1.

Poděkování

Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.

 
Komentář recenzenta Ing. Petr Beneš, CSc., Stavební fakulta VUT v Brně

Nově vyvíjené stavební konstrukce a materiály, mezi něž jistě patří i tzv. textilní beton, se mnohdy z hlediska požární bezpečnosti staveb nejeví jako zásadně přínosné. Jemnozrnný beton s kompozitní textilní výztuží umožňuje oproti konstrukcím z tradičního železobetonu navrhování a provádění štíhlejších a mnohdy estetičtějších konstrukcí. Možnosti výraznějšího použití těchto konstrukcí jsou z hlediska požární bezpečnosti limitovány skutečností, že podle současné legislativy je nutno tyto konstrukce klasifikovat jako druh konstrukční části DP3. Konstrukční systém objektu je potom klasifikován jako hořlavý, z toho vyplývá zásadní omezení z hlediska maximální požární výšky navrhovaného objektu. Klasifikace moderních kompozitních materiálů podle současné legislativy z hlediska požární bezpečnosti velice omezuje jejich použití v konstrukcích nosných a požárně dělících. Je nutno položit si otázku, zda u těchto typů materiálů a konstrukcí není vhodné vytvořit pro jejich požární klasifikaci jiný (vhodnější) legislativní přístup.
Článek by mohl být jedním z podnětů pro rychlé zahájení odborné diskuse s následnými legislativními kroky.

English Synopsis
Textile-reinforced Concrete and its Behavior at Elevated Temperature

Textile-reinforced concrete is currently a newly developed material and can be used as an alternative to traditional reinforced concrete structures.It is a combination of high-performance concrete, textile carbon reinforcement, and its synthetic matrix. The main advantages of textile-reinforced concrete are its mechanical properties, while retaining a subtle structural character,and excellent resistance against atmospheric corrosion. Currently, textile-reinforced concrete is used mainly for non-load-bearing structures; however, more widespread usage in load-bearing structures is predicted. This article serves as an evaluation of textile-reinforced concrete in load-bearing structures from the fire safety of buildings‘ point of view as well asa stating prospective limitations resulting from the requirements of the set of standards series CSN 73 08xx.

 
 
Reklama