Analýza soudržnosti výztuže s UHPC vystaveného vysokým teplotám
V Kloknerově ústavu byly provedeny experimenty, které podrobují materiál UHPC s výztuží vysokým teplotám. Článek zhodnocuje výsledky numerického statického modelování vytahovací zkoušky na zkušebních krychlích v programu Atena a porovnává je s výsledky experimentálních zkoušek. V modelech jsou zahrnuty změny vlastností zkušební krychle z UHPC vlivem ohřátí na vysoké teploty a následného ochlazení, které byly zjištěny experimentálně. Tyto dílčí výsledky jsou podkladem pro náročnější simulace konstrukčních prvků a konstrukcí namáhaných zvýšenou teplotou, u kterých je experimentální zkouška komplikovaná či zcela nemožná.
1. Úvod
Teplota prostředí je důležitým faktorem, jenž ovlivňuje chování stavebních konstrukcí, a neméně důležité je její působení na pevnost ultra vysokohodnotného betonu (UHPC) a jeho soudržnost s ocelovou výztuží. Teplota prostředí a její účinky na konstrukce by proto měly být zohledňovány při návrhu železobetonových konstrukcí vystavených právě působení vysokých teplot nejen z důvodu možného budoucího kolapsu konstrukce, ale také z důvodu zamezení vzniku nevratných poškození či poruch.
Použití UHPC pro různorodé druhy konstrukcí je ve stavebnictví stále častější. Praktický význam těchto cementových kompozitů je založen na jejich vysokých pevnostech, lomových parametrech, odolnosti proti nárazu a na trvanlivosti. Příznivé parametry materiálu jako nízká permeabilita, nasákavost a celkově velmi vysoká homogenita jemnozrnné směsi však mohou v některých situacích představovat vážné riziko. U betonových konstrukcí je toto riziko způsobeno vystavením konstrukce účinkům zvýšených teplot např. při požáru. Při působení vysokých teplot dochází v betonu k extrémnímu namáhání, které zejména u přirozeně vlhkého betonu vede až k explozivnímu odprýskávání a poškození povrchových vrstev.
Prvním z vlivů způsobujících destrukční projevy je teplotně-mechanický proces, při kterém je teplo přenášeno mezi jednotlivými komponenty matrice. Vzhledem k rozdílným teplotním roztažnostem pojivové složky a kameniva dochází k nerovnoměrné deformaci částí a k lokálnímu působení tahových sil v betonu. Tyto síly mohou mít za následek popraskání betonu.
Dalším významnějším vlivem na poškození betonu vystaveného vysokým teplotám je teplotně-vlhkostní proces, při kterém dochází k přeměně vázané vody v betonu na páru. Struktura matrice UHPC vzhledem ke své nízké pórovitosti neposkytuje dostatek prostoru pro expanzi vodních par a extrémní tlak těchto vodních par tak má za následek zvýšení tahových napětí, odprýskávání a poškození materiálu.
Redukci trhlin a zlepšení materiálových parametrů však lze docílit přidáním vhodného množství rozptýlené výztuže (ocel, sklo, kompozit). Aplikace různých druhů rozptýlené výztuže do betonu je v dnešní době již běžnou záležitostí, díky které lze docílit snížení smrštění a eliminaci případných trhlin. Přidáním rozptýlené výztuže do matrice vysokohodnotných betonů také získáváme významně lepší materiálové parametry, duktilitu a zpevnění materiálu po vzniku první trhliny. Nejčastěji používanou rozptýlenou výztuží v UHPC jsou ocelová vlákna o délce cca 6 až 12 mm. V této fázi experimentu byla použita směs UHPC se zastoupením 1,5 % objemu ocelových vláken délky 12 mm.
Tento článek je doplněním předchozího experimentu popsaného v [1] – nově navíc zhodnocuje výsledky numerického statického modelování vytahovací zkoušky na zkušebních krychlích v programu Atena a porovnává je s výsledky experimentálních zkoušek. V modelech jsou zahrnuty změny vlastností zkušební krychle z UHPC vlivem ohřátí na vysoké teploty a následného ochlazení, které byly zjištěny experimentálně.
2. Experimentální část
Obr. 1: Porovnání modelů soudržnosti UHPC s ocelí generovaných programem Atena na základě krychelné pevnosti
Jako vstupní parametry pro numerické modelování byly experimentálně zjištěny krychelná pevnost a modul pružnosti za referenční teploty (cca 20 °C) a dále při zvýšených teplotách 200, 400 a 600 °C. Teplota byla vyvozována automaticky v elektrické peci s rychlostí zatěžování 1 °C/min. Na dané teplotě byla pec temperována po dobu 1 h. Chladnutí pece nebylo řízeno. Vychladlé vzorky byly dále zkoušeny kvůli stanovení jednotlivých materiálových parametrů – ty jsou patrné z grafu na obr. 1.
Pomocí zjištěné krychelné pevnosti za dané teploty byly pak pomocí programu Atena vygenerovány další materiálové vlastnosti potřebné pro numerickou analýzu (válcová pevnost v tlaku, pevnost v tahu). Moduly pružnosti vygenerované programem Atena byly následně upraveny na základě experimentálního měření modulu pružnosti na skutečných vzorcích za vyšších teplot.
3. Numerické modelování
Numerický model uspořádání zkoušky soudržnosti na vytažení byl vytvořen a počítán v softwaru Atena 3D Engineering (obr. 3 a 4). Zkušební krychle z UHPC byla modelována jako dva standardní makroprvky – jeden o délce hrany 60 mm, v němž byla výztuž zakotvena, a druhý o délce hrany 90 mm s otvorem pro výztuž pro simulaci separace ocelového prutu (předpínacího lana). Zabetonované ocelové lano bylo modelováno jako prvek s označením Prutová výztuž s parametry shodnými se zkouškou v laboratoři. Mimo tyto prvky byly vymodelovány ještě pomocné makroprvky, a to krychličky na volných koncích ocelového prutu. Na tyto pomocné makroprvky bylo aplikováno zatížení posunem a monitory ke sledování posunu a působící síly, poněvadž program Atena neumožňuje aplikovat monitory a zatížení do koncového bodu položky Prutová výztuž. Schémata z programu Atena jsou zobrazeny na obr. 2.
Obr. 2: Numerický model testu soudržnosti – vlevo plný model se sítí konečných prvků; vpravo drátový model
Jako materiál zkušební krychle byl z knihovny programu Atena vybrán materiálový model 3D Nonlinear Cementitious 2. S jeho pomocí byly vygenerovány materiálové vlastnosti na základě experimentálně zjištěné krychelné pevnosti UHPC po ohřevu na příslušnou teplotu a ochlazení. Experimentálně zjištěné moduly pružnosti UHPC byly do vygenerovaných materiálových modelů dodatečně doplněny.
Obr. 3: Porovnání modelů soudržnosti UHPC s ocelí generovaných programem Atena na základě krychelné pevnosti
Jako materiál výztužného prutu byla zvolena položka s názvem Výztuž se středními hodnotami bilineárního pracovního diagramu v tahu. Soudržnost výztužného ocelového prutu byla modelována materiálovou položkou s názvem Soudržnost výztuže, jejíž parametry byly vygenerovány programem na základě profilu prutu, experimentálně zjištěné krychelné pevnosti UHPC v tlaku a odborně odhadnuté kvalitě soudržnosti (program nabízí možnosti: výborná, dobrá nebo špatná). Pomocné krychličky byly modelovány z materiálu Billinear Steel von Mises. Model soudržnosti je kvantifikován na grafu na obr. 3.
Obr. 4: Průběhy testů vytahování při určitých teplotách UHPC z numerické analýzy
Jako zatížení byl aplikován posun na jednom volném konci výztužného prutu (na pomocný makroprvek), a to v hodnotě 0,1 mm v každém kroku. Současně byl osazeným monitorem na opačném konci měřen posun tohoto konce výztužného prutu (podobně jako v experimentu). Dalším osazeným monitorem byla dopočítávána síla, která působící posun vyvolává, a tak byl vytvářen L-D diagram pro srovnání chování krychlí vystavených extrémním teplotám a krychle za referenční teploty (obr. 4). Jednotlivé makroprvky byly nasíťovány lineárními „tetrahedra“ konečnými prvky o velikosti hrany 10 mm.
4. Výsledky
Obr. 5: Porovnání výsledků numerického modelu a experimentu pro referenční vzorek a pro vzorky ohřáté na 200–600 °C
Pro jednotlivá teplotní namáhání byla provedena řada výpočtů, které byly kalibrovány z hlediska materiálových vlastností a okrajových podmínek. Pro jednotlivé teploty jsou zde prezentovány grafy závislosti síly na pokluzu. Z numerické analýzy vyplývá, že při ohřátí UHPC na teplotu do 200 °C nedojde v soudržnosti s ocelovou výztuží téměř k žádné změně. Výrazné změny v soudržnosti UHPC s výztužnou ocelí se projeví při ohřátí betonu na 400 a 600 °C, kdy se sníží jak krychelná pevnost v tlaku, tak statický modul pružnosti. Tyto skutečnosti se výrazně projeví na průběhu vytahovacího testu. Výsledné průběhy testů vytahování ocelového prutu ze zkušební krychle z UHPC při referenční teplotě (cca 20 °C) a při teplotách 200, 400 a 600 °C a porovnání výsledků numerických modelů a výsledků experimentálního měření znázorňují grafy na obr. 5.
5. Závěr
Z numerické analýzy testu vytahování ocelového prutu z krychle z UHPC vyplývá, že soudržnost UHPC s ocelovým prutem je téměř totožná při referenční teplotě 20 °C a při zvýšené teplotě do 200 °C. Teprve při ohřátí na 400 a 600 °C se model soudržnosti změkčuje v závislosti na zvyšující se teplotě. Snížení soudržnosti koreluje se snížením materiálových parametrů matrice UHPC.
Z porovnání výsledků numerické analýzy a výsledků experimentu je zřejmá shoda numerického modelování a experimentálního chování všech vzorků ohřátých na příslušné teploty. Na základě numerických modelů soudržnosti UHPC s ocelí použitých v numerické analýze lze říci, že po vystavení UHPC teplotě do 200 °C se materiálové vlastnosti a soudržnost UHPC s ocelí prakticky nezmění. Snížení hodnot materiálových vlastností a únosnosti v soudržnosti UHPC s ocelí se projeví až při ohřátí UHPC na teploty cca 400 °C, 600 °C a vyšší. Zatímco při zahřátí UHPC na teplotu 400 °C a následném ochlazení se krychelná pevnost sníží o cca 10 % hodnot ve srovnání s pevností krychlí při referenční teplotě a teplotě 200 °C, modul pružnosti se sníží o více než 50 %. Vzorek UHPC zahřátý na 600 °C a následně ochlazený vykázal pokles krychelné pevnosti 30 až 35 %, ale pokles hodnoty modulu pružnosti až cca 70 %. Poklesy hodnot soudržnosti UHPC s ocelí vykazují podobnost spíše s modulem pružnosti, kdy mezi hodnotami soudržnosti pro teplotu 200 °C a teplotu 400 °C je pokles 70 až 90 %. Pro teplotu 600 °C je pak pokles hodnot soudržnosti 90 až 95 %. Největší pokles smykového napětí v soudržnosti tedy nastane mezi teplotami 200 °C a 400 °C, při teplotě vyšší než 400 °C je další pokles hodnot v závislosti na zvyšující se teplotě již mírnější.
Lze tedy konstatovat, že chování UHPC v soudržnosti s ocelí za běžných teplot lze pro analýzu konstrukce uvažovat až do zahřátí či vystavení konstrukce teplotám do 200 °C. Pro konstrukce z UHPC vyztuženého předpínací výztuží vystavené teplotám vyšším než 200 °C se musí pokles hodnot soudržnosti zahrnout do statického návrhu či tato skutečnost řešit dalšími opatřeními.
Tyto dílčí výsledky jsou podkladem pro náročnější simulace konstrukčních prvků a konstrukcí namáhaných zvýšenou teplotou, u kterých je experimentální zkouška komplikovaná či nemožná.
V článku byly popsány výsledky výzkumného projektu GAČR 17-22796S. Zkoušky byly provedeny v laboratořích Kloknerova ústavu ČVUT v Praze.
Literatura
- ČÍTEK, D., KOLÍSKO, J., POKORNÝ, P. Teplotní namáhání UHPC – vliv na soudržnost předpínací výztuže. Beton TKS. 2019, roč. 19, č. 6, s. 60–61. ISSN 1213-3116.
- POKORNÝ, P. Vliv koroze zinkované oceli na soudržnost s betonem. Koroze a ochrana materiálu. 2012, 56(4), s. 19–135.
- ČÍTEK, D., HUŇKA, P., ŘEHÁČEK, S. KOLÍSKO, J. Investigation of Bond Behaviour of UHPC. Applied Mechanics and Materials. 2014, Vol. 617, pp. 225–228. Trans Tech Publications, Switzerland, 2014.
- ČÍTEK, D., KOLÍSKO, J., VÍTEK, J. L., HUŇKA, P. Vliv kotevní délky na soudržnost předpínací výztuže a UHPC. In: Sborník 12. konference Technologie betonu, Jihlava. ČBS, 2014. ISBN 978-80-903806-4-6.
- PHAN, L. T. High-Strength concrete at high temperature – an overview [online]. Dostupné z:
https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=860408 - ABRAMS, M. S. Compressive Strength of Concrete at Temperatures to 1 600 °F. ACI Special Publication. Vol. 25. Temperature and Concrete. Detroit, Michigan, 1971.
- Recommendation of RILEM TC 200-HTC: Mechanical concrete properties at high temperatures – modelling and applications, Part 1: Introduction – General presentation. Materials and Structures. 2007, Vol. 40, Issue 5, pp. 449–458. https://doi.org/10.1617/s11527-007-9285-2
- SCHNEIDER, U., SCHWESINGER, P. (eds) Mechanical testing of concrete at high temperatures. RILEM Transaction 1. February 1990, p. 72. ISBN 3-88122-565-X.
- SCHNEIDER, U. Properties of materials at high temperatures – Concretes. RILEM-Report 44-PHT. 2nd ed. Kassel, June 1986.
Předkládaný odborný příspěvek velmi přesně a exaktně popisuje experiment, jehož cílem bylo posoudit vliv vysokých teplot na úrovni +200 °C, 400 °C a 500 °C na soudržnost výztuže s vysokohodnotným betonem (UHPC). Popsaný experiment byl zároveň doprovázen modelováním pomocí softwaru ATHÉNA, takže bylo možné porovnat výsledky, zjištěné experimentem a softwarovým modelem. Vliv vyšších, resp. vysokých teplot na beton, se studuje desítky let zejména s ohledem na posuzování požární odolnosti železobetonových staveb, resp. na posuzování stavu konstrukcí po požáru. K tématice existuje bohatá zahraniční literatura, která se zabývá veškerými aspekty působení vysokých teplot, většinou souvisejících s požárem na železobeton, a to jak odděleně na beton, tak výztuž, tak na jejich vzájemnou soudržnost. Specifickým aspektem u UHPC je nepochybně jeho vysoká hutnost a nízká pórovitost tak, jak na to autoři upozorňují, což z hlediska teplotních i vlhkostních dilatací může mít obtížně předvídatelný vliv na jak pevnosti materiálu, tak i na jeho soudržnost s ocelí. Pro další využití UHPC jsou tedy provedené experimenty i počítačové modelování velmi cenné, protože posouzení požární odolnosti nosných železobetonových konstrukčních prvků je nedílnou součástí statického návrhu/posouzení objektu.
Vzhledem k tomu, že s ohledem na vysoké mechanické vlastnosti UHPC je možné konstrukční prvky výrazně zeslabit/zeštíhlit, bude problematika požární odolnosti ještě naléhavěji akcentována. Autoři čtenáři umožňují získat jak přehled o prováděných experimentech, tak počítačové modelování. Cenné jsou i získané výsledky, které se však v podstatě shodují s vlivem vysokých teplot na běžný beton. Obecně platí, že teploty do cca +200 °C nejsou pro beton ani železobeton až na výjimky kritické a k poklesu mechanických vlastností dochází spíše v jednotkách procent. V oblasti nad 200 °C již dochází k postupně výraznějšímu poklesu. Významným mezníkem je teplota +540 °C, při které přibližně dochází k rozkladu hydroxidu vápenatého, který je jednou z významných vazných součástí cementového tmele. Teploty na úrovni 600 °C jsou již tedy pro beton neakceptovatelné.
V případě požární odolnosti je však kromě postupného vzestupu teplot užitečné modelovat rychlé zchlazení prvků hasicí vodou. Obvykle při hasebním zásahu nedochází k postupnému vychladnutí konstrukce, ale naopak k jeho poměrně prudkému ochlazení, což má často významnější negativní dopady na stav konstrukce, než samotný požár. Nepochybně významným parametrem je i počáteční vlhkost betonu, resp. míra saturace volného kapilárního pórového systému vodou v okamžiku experimentu. Tento parametr by bylo užitečné co nejpřesněji sledovat a monitorovat. Zlepšení požární odolnosti technologickými zásahy do betonové směsi je velmi obtížné. Osvědčil se na základě zejména rakouských experimentů významný přídavek polypropylénových vláken, které při zvýšených teplotách odtávají a vytvářejí ve struktuře betonu prostory pro expanzi vznikající vodní páry. Tyto experimenty byly prováděny počátkem tohoto tisíciletí v souvislosti s několika dramatickými požáry v alpských tunelech. Posuzovaný příspěvek je velmi kvalitní odborná/vědecká publikace, která čtenáři může přinést řadu nových poznatků.
Experiments have been carried out at the Klokner Institute subjecting UHPC reinforcements to high temperatures. This paper evaluates the results of numerical static modelling of the pull-out test on test cubes in Atena and compares them with the experimental results. The models include the changes in the properties of the UHPC test cube due to heating to high temperatures and subsequent cooling, which were found experimentally. These partial results are the basis for more demanding simulations of structural elements and structures subjected to elevated temperature stresses, for which experimental testing is complicated or completely impossible.
