Vysokohodnotný beton a jeho využití v progresivních

Vysokohodnotný beton a jeho využití v progresivních

VYSOKOHODNOTNÝ BETON A JEHO VYUŽITÍ
V PROGRESIVNÍCH STROPNÍCH KONSTRUKCÍCH
HIGH-PERFORMANCE CONCRETE AND ITS UTILIZATION
IN PROGRESSIVE FLOOR STRUCTURES
Fiala, Ctislav
Faculty of Civil Engineering, Department of Building Structures, Thakurova 7, 166 29 Prague 6, Czech Republic
[email protected]
1.
Úvod
Introduction
On the threshold of millennium high-performance concrete has become a tool that enables a man
due to its technological characteristics the realization of not only more subtle, economical and
aesthetical constructions but especially more durable and solid constructions. The static reliability is
one of the most important criteria in construction design, in particular as a result of increasing
number of unusual situations occurring in the World in last years (disasters, explosions, fires, etc.)
The effort in research field leads to take advantage of new programmed mechanical characteristics
of high-performance concretes with optimized constitution and in primary extent in optimized
constructions to transfer them to common practical use in the form of i.e. sustainable construction,
so called construction respecting the basic criteria of sustainable development [1].
The optimization of shape and reinforced concrete structures is one of the partial tasks of
sustainable construction and it significantly influences the extent of resulting environmental impact
on designed constructions. Primarily the floor structure has a very important share in environmental
impact on supporting structures subsystem of constructions, because the dimensions of all
subsystems supporting structures depend on surface density of floor structure (in particular the
consumption of concrete and steel in supporting structure). The minimization of quantity of
concrete and reinforcing steel in construction is a subject for many researches and experiments
taking place in many states all over the World. The goal is to take advantage of mechanical
characteristics that high-performance concretes offer and to design such floor structures that would
by their character, shape, reinforcing, used materials, reliability and durability meet the principles of
sustainable construction and also to minimize the negative impacts on the environment in their
global life cycle (LCA – Life Cycle Assessment).
Vysokohodnotný beton se stal na přelomu tisíciletí nástrojem, který člověku umožňuje, díky jeho
technologickým vlastnostem, realizaci nejen konstrukcí subtilnějších, ekonomičtějších a estetičtějších, ale zejména, což je dnes v globálním pohledu nejpodstatnější, konstrukcí trvanlivějších
a spolehlivějších. Statická spolehlivost je jedním z nejdůležitějších kritérií v oblasti konstrukčního
návrhu a to právě v důsledku nárůstu mimořádných situací v posledních letech ve světě (živelné
katastrofy, exploze, požáry atd.). Snahou v oblasti výzkumu je využít nových, naprogramovaných
mechanických vlastností vysokohodnotných betonů s optimalizovaným složením a v zásadní míře
je v optimalizovaných konstrukcích přenést do běžné stavební praxe ve formě tzv. udržitelné
výstavby, tedy výstavby respektující základní kritéria udržitelného rozvoje [1].
Optimalizace tvaru a vyztužení betonových konstrukcí je jedním z dílčích úkolů trvale udržitelné
výstavby a má významný vliv na velikost výsledných environmentálních dopadů navržené
konstrukce. Právě stropní konstrukce se významnou měrou podílí na environmentálních dopadech
subsystému nosných konstrukcí objektu, neboť na plošné hmotnosti stropní konstrukce (tedy
zejména spotřebě betonu a oceli v nosné konstrukci) závisí dimenze všech podporujících konstrukcí
subsystému. Minimalizace objemu betonu a výztuže v konstrukci je předmětem mnoha výzkumů
a experimentů probíhajících v řadě států světa. Cílem je tedy využití mechanických vlastností, které
vysokohodnotné betony nabízejí a navrhnout takové stropní konstrukce, které budou svým
charakterem, tvarem, vyztužením, použitými materiály, spolehlivostí a trvanlivostí splňovat
principy trvale udržitelné výstavby a tím tak minimalizovat negativní vlivy na životní prostředí
v celém jejich životním cyklu (LCA - Life Cycle Assessment).
2.
Využití vysokohodnotných betonů (HPC) ve stavebních konstrukcích
Utilization of High-Performance Concrete (HPC) in Building Constructions
2.1 Vysokopevnostní beton (HSC)
High-Strength Concrete (HSC)
Charakteristika betonu: Jedná se o beton s vysokou pevností v tlaku, která může v praxi
prokazatelně dosahovat pevností okolo 200 MPa, laboratorně pak dokonce až 400–800 MPa.
Tabelárně jsou zpracovány betony C55/67 až C100/115. Jedná se o betony s velmi jemnou frakcí
kameniva doplněnou jemnými popílky, křemičitým úletem (Silika fume), zpravidla portlandským
cementem, nízkým vodním součinitelem a přísadami.
Zdroj (Source)
časopis (magazine)
BETON TKS 5/2002
Zdroj (Source)
http://skyscraperpage.com
Využití betonu: V oblasti pozemního stavitelství má uplatnění především u konstrukcí výškových
staveb (311 South Wacker Drive, Chicago, obr.1; Centrum Poseidon, Pardubice). V dopravním stavitelství se beton uplatňuje zejména u mostních konstrukcí, které jsou vystavené agresivnímu mořskému ovzduší, a v inženýrském stavitelství pak u vrtných plošin pro těžbu ropy a zemního plynu.
Obr. 1 Využití HSC-311 South Wacker Drive, Chicago
Obr. 2 Využití HSC–Parking C, Praha - Ruzyně
Fig. 1 Utilization of HSC-311 South Wacker Drive, Chicago Fig. 2 Utilization of HSC–Parking C, Prague - Ruzyne
2.2 Samozhutnitelný beton (SCC)
Self-Compacting Concrete (SCC)
Zdroj (Source)
časopis (magazine)
Beton TKS 5/2003
Zdroj (Source)
www.phila.k12.pa.us
Charakteristika betonu: Přednost betonu je v jeho schopnosti bez vibrace zaplnit složité tvary
bednění, a vyplnit tak všechna místa mezi jednotlivými pruty výztuže, aniž by docházelo k jeho
rozměšování. Vysoká tekutost je dosažena použitím speciálních superplastifikátorů na bázi
polykarboxilátů společně s vhodným složením kameniva a příměsí. Beton je pak hutný, homogenní
po celé výšce konstrukce a díky svému hladkému povrchu se stává trvanlivějším.
Obr. 3 Využití SCC – most Akashi Kaiko, Kobe
Obr. 4 Využití SCC–Sazka arena 2003, Praha
Fig. 3 Utilization of SCC – The Akashi Kaiko bridge, Kobe Fig. 4 Utilization of SCC – Sazka arena 2003, Prague
Využití betonu: Samozhutnitelný beton nachází široké uplatnění v pozemním a dopravním
stavitelství, podobně jako HSC byl použit na mnohých výškových budovách (Millenium Tower,
Wien) a řadě mostů po celém světě (most Akashi Kaiko u Kobe, obr. 3). V České republice byl
např. použit při stavbě mostů při vyústění tunelů Mrázovka na rychlostní komunikaci Praha –
Příbram. Široké uplatnění nachází SCC díky svým vlastnostem v prefabrikaci (Sazka arena obr. 4).
2.3 Vláknobeton
Fibre Concrete (FC)
2.3.1 Drátkobeton (SFC)
Steel Fibre Concrete (SFC)
Charakteristika betonu: Speciální druh vláknobetonů (prostý drátkobeton, železový drátkobeton,
předpjatý drátkobeton), jehož struktura je rovnoměrně vyztužena ocelovými vlákny různých délek
i profilací, jejichž úkolem je zlepšení užitných vlastností betonu, navýšení únosnosti betonu v tlaku
a zejména podstatné navýšení v oblastech objemových změn, tahových a smykových namáhání.
Obr. 5 Využití SFC-průmyslová podlaha, Krnov
Fig. 5 Utilization of SFC-industrial flooring, Krnov
Zdroj (Source) www.
.enginneredcomposites.com
Zdroj (Source)
www.compact-group.cz
Využití betonu: Asi ¾ celkového objemu monolitického drátkobetonu [4] se využívá pro
průmyslové podlahy (obr. 5), desky vozovek a letištních ploch. Další uplatnění nachází
u dynamicky namáhaných základových konstrukcí, tenkostěnných konstrukcí, vodohospodářských
staveb, v prefabrikaci atd. Stříkaný drátkobeton se nejčastěji uplatňuje u ostění tunelů, stabilizace
svahů, zesilování nebo rekonstrukcí stávajících konstrukcí atd.
Obr. 6 PVA-ECC ohybová zkouška, Kajima Corp., Japan
Fig. 6 PVA-ECC bending test, Kajima Corp., Japan
2.3.2 Vláknové cementové kompozity (FRCC)
Fibre Reinforced Cementitious Composites (FRCC)
Charakteristika betonu: Jedná se o cementové kompozity (betony) vyztužené skleněnými nebo
polymerovými vlákny. Polymerová vlákna se nejčastěji používají polypropylenová nebo
polyvinylalkoholová. Výzkum kompozitů vyztužených polymerovými vlákny (Engineered
Cementitious Composites (ECC)) i nadále probíhá a to zejména v Japonsku (obr. 6), na FSv ČVUT
se výzkumem zabývá Doc. Ing. Petr Kabele, PhD. Použitím polymerových vláken v cementovém
kompozitu dochází ke zvýšení duktility konstrukce a podobně jako u drátkobetonů lze dosáhnout
požadovaného chování kompozitu v tahu a smyku.
Využití betonu: Kompozity vyztužené vlákny mají podobné využití jako SFC, přidáním vláken do
betonu se beton stává houževnatějším, trvanlivějším a zvyšuje se adheze čerstvého betonu.
3.
Využití HPC v progresivních stropních konstrukcích
Utilization HPC in Progressive Floor Structures
3.1 Progresivní stropní konstrukce ve světě
Progressive Floor Structures in the World
Vývoj stropních konstrukcí s využitím vysokohodnotných betonů probíhá v celé řadě států světa,
zejména pak v Japonsku, USA s využitím ECC, Francii (Ductal – Ultra-HPC s obsahem ocelových
nebo organických vláken ve struktuře), Itálii – využití HPC pro stropní konstrukce (prefabrikovaná
podhledová deska stropní konstrukce a ztracené bednění z polystyrenu, obr. 7). Cílem vývoje
stropních konstrukcí ve světě je využít nově nabízených vlastností vysokohodnotných betonů
a minimalizovat tak objem betonu a výztuže v konstrukci, s prioritou zvýšení únosnosti,
spolehlivosti a trvanlivosti stropní konstrukce.
Obr. 7 Prefabrikovaná stropní deska (HPC) a ztracené Obr. 8 Prefa-monolitická stropní konstrukce v rámci příprav
bednění z polystyrenu (zdroj www.famsrl.it)
experimentu na FSv ČVUT (autoři P.Hájek, C.Fiala),
Fig. 7 Prefab floor slab (HPC) and sacrificial polystyrene
HPC a vložky z recyklovaného plastu
formwork (source www.famsrl.it)
Fig. 8 Prefab-monolithic floor structure within experiment
preparation at CTU (authors P.Hájek, C.Fiala), HPC
and recycled plastic filler
3.2 Návrh progresivních stropních konstrukcí, aplikace nových kompozitních a
recyklovaných materiálů ve stropních konstrukcích
Design of Progressive Floor Structures, Application of new Composite and Recycled
Materials in Floor Structures
Aplikace vysokohodnotných betonů v nově navrhovaných stropních konstrukcích umožňuje při
návrhu využít jeho nových naprogramovaných vlastností, které oproti běžným druhům betonů
umožňují navrhovat výrazně efektivnější konstrukce. Efektivnější zejména z hlediska konstrukčně
statického, kdy vlastnosti nových betonů umožňují při daných rozpětích konstrukce a její celkové
tloušťce dosáhnout snížení plošné hmotnosti konstrukce při její celkově větší spolehlivosti. Toho
lze dosáhnout kvalitním integrovaným návrhem a zejména multikriteriální optimalizací stropní
konstrukce, jež v sobě nese nejen optimalizaci tvaru a vyztužení konstrukce, ale i složení použitého
betonu a materiálů v konstrukci. Minimalizace rozměrů konstrukce, tedy zejména objemu betonu
a výztuže v konstrukci, pak vede k návrhům stropních konstrukcí trámového nebo lépe kazetového
charakteru a snižuje se tak spotřeba svázané energie potřebné k výrobě konstrukce, tedy celkový
dopad konstrukce na životní prostředí. Další významnou roli hrají aplikace recyklovaných materiálů
v konstrukci - např. experimentálně vyráběné vložky z recyklovaného směsného plastu. Ty plní
funkci ztraceného bednění na prefabrikované podhledové desce z vysokohodnotných betonů (např.
ECC) tloušťky cca 30 mm a svým tvarem umožňují vytvořit konstrukce trámového (obr. 8) nebo
kazetového charakteru. Cílem připravovaných experimentů je ověřit schopnost interakce a přenosu
smykových sil mezi prefabrikovanou a monolitickou částí stropní konstrukce a porovnat únosnost
a spolehlivost stropní konstrukce zjištěnou na výpočetním modelu a experimentálně.
This research has been supported by grant of GAČR 103/03/H089 „Sustainable Buildings and
Sustainable Urban Development”.
4.
Literatura
References
[1] Agenda 21 pro udržitelnou výstavbu, český překlad CIB Report Publication 237, ČVUT
v Praze, ISBN 80-01-02467-9, Praha, 2001
[2] Hájek, P.: Environmentální aspekty v navrhování betonových konstrukcí, seminář Koncepční
návrh betonových konstrukcí 2002, CBS, Praha, 2002
[3] Nedbal, F.; Mazurová, M.; Trtík, K.: Speciální betony, CZ SVB, s.r.o., 2001
[4] Krátký, J.; Trtík, K.; Vodička, J.: Drátkobetonové konstrukce, Informační centrum ČKAIT,
Praha, 1999