obsah 1 úvod - Armastek CSP

Transkript

Manuál na navrhovanie GFRP výstuže do betónových konštrukcií
OBSAH
1
ÚVOD................................................................................................................... 4
1.1
Rozsah platnosti a oblasť použitia manuálu.......................................................... 5
1.2
Predpisy pre stavebné výrobky ............................................................................... 6
1.3
Použité značky a skratky .......................................................................................... 7
1.4
Použité normy a smernice ...................................................................................... 10
1.5
Definície a príklady vhodných aplikačných oblastí GFRP výstuží .................... 11
1.5.1
Trvanlivosť vystuženého betónu ........................................................................ 11
1.5.2
Elektromagnetická neutralita .............................................................................. 12
1.5.3
Vysoká rezivosť pre dočasné konštrukcie a zakladanie.................................... 13
1.5.4
Zosilňovanie muriva a reštaurovanie pamiatok ................................................. 13
1.6
2
3
Literatúra .................................................................................................................. 13
Zásady navrhování........................................................................................... 17
2.1
Základní ustanovení .................................................................................................. 17
2.2
Návrhová životnost staveb s využitím GFRP výztuže .............................................. 19
2.3
Dílčí materiálové součinitele ...................................................................................... 19
2.4
Literatura .................................................................................................................... 20
Základní fyzikálně mechanické charakteristiky GFRP výztuže .................... 22
3.1
Základní materiálové složení GFRP výztuže ............................................................ 24
3.1.1
Vlákna ................................................................................................................. 24
3.1.2
Matrice ................................................................................................................ 25
3.1.3
Výroba ................................................................................................................ 26
3.2
Fyzikální vlastnosti .................................................................................................... 26
3.2.1
Součinitel teplotní roztažnosti ............................................................................ 26
3.2.2
Hustota ............................................................................................................... 27
3.2.3
Účinek teploty na GFRP..................................................................................... 27
3.3
Krátkodobé (okamžité) mechanické vlastnosti ......................................................... 28
3.3.1
Chování GFRP výztuže v tahu........................................................................... 28
1
3.3.2
Chování GFRP výztuže v tlaku .......................................................................... 31
3.3.3
Chování GFRP výztuže ve smyku ..................................................................... 31
3.3.4
Soudržnost ......................................................................................................... 32
3.4
Změny mechanických vlastností v čase (časově proměnné - dlouhodobé chování)
33
3.4.1
Dotvarování výztuže (creep) .............................................................................. 34
3.4.2
Výpočtový postup dle [3.4] pro určení dlouhodobého mezního napětí pro GFRP
výztuž
37
3.4.3
Únava ................................................................................................................. 39
3.5
4
Trvanlivosť a krytie GFRP výstuže (Bilčík) .................................................... 42
4.1
5
Literatura .................................................................................................................... 40
Trvanlivosť GFRP výstuže ..................................................................................... 43
4.1.1
Účinok vlhkosti a alkalického prostredia betónu ................................................ 44
4.1.2
Účinok teploty ..................................................................................................... 45
4.1.3
Účinok súčiniteľa teplotnej rozťažnosti .............................................................. 46
4.1.4
Účinok ultrafialového svetla ............................................................................... 46
4.1.5
Účinok korózie polymérnej matrice .................................................................... 47
4.1.6
Účinok zmrazovacích a rozmrazovacích cyklov ................................................ 47
4.1.7
Závery k hodnoteniu trvanlivosti GFRP výstuže ................................................ 47
4.1.8
Nátery na GFRP výstuž ..................................................................................... 48
4.2
Krytie GFRP výstuže ............................................................................................... 48
4.3
Literatúra .................................................................................................................. 50
KONŠTRUKČNÉ ZÁSADY A DETAILY (Bilčík, Hollý, Gažovičová) .............. 51
5.1
Medzné napätie v súdržnosti – kotevné dĺžky ..................................................... 51
5.1.1
Vplyv teploty na súdržnosť ................................................................................. 53
5.1.2
Súdržnosť GFRP výstuže pri environmentálnom zaťažení ............................... 54
5.1.3
Koncová úprava GFRP výstuže na zlepšenie súdržnosti s betónom ............... 54
5.2
Minimálne a maximálne vzdialenosti výstužných vložiek .................................. 55
5.3
Výpočet minimálnej a maximálnej plochy výstuže ............................................. 55
5.4
Skladovanie a manipulácia..................................................................................... 55
2
5.4.1
Skladovanie GFRP výstuže ............................................................................... 56
5.4.2
Manipulácia s GFRP výstužou ........................................................................... 56
5.5
Typické konštrukčné detaily .................................................................................. 57
5.5.1
6
Obmedzenia použitia GFRP výstuže [5.5] ......................................................... 57
5.6
Špeciálne požiadavky na ukladanie GFRP výstuže ............................................ 57
5.7
Literatúra .................................................................................................................. 58
kontrola a zkoušení gfrp výztuže .................................................................... 59
6.1
Zkušební postupy pro stanovení vlastností GFRP výztuží ....................................... 60
6.1.1
Zkoušky fyzikálních vlastností ............................................................................ 60
6.1.2
Zkoušky krátkodobých mechanických vlastností ............................................... 61
6.1.3
Zkoušky dlouhodobých mechanických vlastností .............................................. 62
6.2
Doporučení pro počáteční zkoušky typu a kontrolní zkoušky .......................... 64
6.4
Literatura .................................................................................................................... 68
3
1
ÚVOD
Kompozitná GFRP výstuž (Glas-fiber-reinforced polymer) sa uplatňuje v praxi pri vystužovaní
betónových konštrukcií a postupne dopĺňa a nahrádza klasickú oceľovú betonársku výstuž.
Niektoré vlastnosti GFRP výstuže ponúkajú výhody proti oceľovej výstuži. Najmä predlžujú
životnosť konštrukcií v agresívnych prostrediach vzhľadom na koróziu betonárskej výstuže.
Medzi najdôležitejšie patrí to, že sa jedná o trvanlivý materiál, ktorý nepodlieha korózii, nevedie
teplo, je elektrickým izolantom a nevedie elektrický prúd, je nemagnetický a teda nevytvára
prekážku pre prenikanie elektromagnetických vĺn. Má vysokú pevnosť v ťahu a nízku objemovú
hmotnosť [1.1]. Vzhľadom na rozdiely v materiálových vlastnostiach oproti betonárskej výstuži
je pre použitie v praxi dôležité mať k dispozícii manuál pre používanie kompozitných GFRP
výstuží. V niektorých krajinách, ako je Japonsko [1.27, 1.28], Kanada [1.22, 1.23, 1.24, 1.25.
1.26], USA [1.16, 1.17, 1.18, 1.19, 1.20, 1.21], Rusko [1.29], Ukrajina [1.30] sú spracované
manuály, smernice, resp. normy pre navrhovanie a konštruovanie GFRP výstuží na použitie
do vystužených betónových konštrukcií. Medzinárodná organizácia pre konštrukčný betón
fib (Fédération internationale du béton / International Federation for Structural Concrete) v roku
2007 vydala Bulletin 40 [1.34] spracovaný ako technická správa pracovnou skupinou TG 9.3,
ktorý je venovaný FRP výstužiam pre vystužený betón. Tento manuál je spracovaný na
základe znalostí a skúseností z experimentálneho a analytického výskumu, ale aj zo
skúseností z praktického používania FRP výstuží v krajinách, kde je používanie kompozitných
výstuží zavedené do zhotovovania betónových konštrukcií.
Obr. 1.1 Kompozitné GFRP výstuže do betónu
4
Predložený manuál pre navrhovanie GFRP výstuží je návodom a pomôckou pre projektantov
konštrukcií z vystuženého betónu pre oblasť plánovania, navrhovania, zhotovovania, ako aj
kontroly betónových konštrukcií, kde je potreba výstuže menšia ako minimálna výstuž.
Vzhľadom na to, že manuál pre používanie GFRP výstuží vychádza z aktuálnych znalostí
a skúseností, ako aj s ohľadom na kontinuálny vývoj v oblasti inovácií GFRP výstuží, je nutné
uvedené informácie pravidelne revidovať a zosúladiť s technickými osvedčeniami vydávanými
pre konkrétny stavebný výrobok v súlade s predpismi uvedenými v kap. 1.4 a v kapitole 6.
1.1
Rozsah platnosti a oblasť použitia manuálu
V krajinách, kde sú pre navrhovanie kompozitných výstuží (FRP) k dispozícii normy alebo
smernice (Japonsko, USA, Kanada, Rusko, Ukrajina) je možné použitie GFRP výstuží aj pre
navrhovanie nosných prvkov vystužených betónových konštrukcií. Cieľom tohto manuálu pre
použitie GFRP výstuží do betónu je aj definovať oblasti v ktorých je použitie GFRP výstuží
vhodné z hľadiska ekonomického, ekologického, ochrany pred koróziou, životnosti konštrukcií
a iných hľadísk, až do vydania príslušnej smernice pre navrhovanie GFRP výstuží v Európskej
únii alebo v niektorej z členských krajín Európskej únie. Vzhľadom na to, že mechanické
vlastnosti GFRP výstuží výrazne závisia od výrobného postupu a použitých surovín
jednotlivých výrobcov je nutné použitie tohto manuálu vždy uplatňovať s príslušnými
technickými osvedčeniami (viď kap.1.4, kap. 3 a kap. 6) daného výrobcu.
V niektorých členských štátoch Európskej únie sú spracované odborné publikácie, smernice
technické správy, technické osvedčenia s manuálmi (EU [1.34], Taliansko [1.42], UK [1.43],
Nemecko [1.39]) a medzinárodné normy [1.40, 1.41] pre navrhovanie GFRP výstuží. Pre
využitie GFRP výstuží v stavebnej praxi v krajinách EU je potrebné tento stavebný výrobok
certifikovať a vydať k nemu technické osvedčenie platné pre členský štát, prípadne európske
technické osvedčenie. Cieľom tohto manuálu nie je len definovať aplikačné oblasti použitia v
betónových konštrukciách, ale aj zásady navrhovania, ktoré spolu s potrebnými technickými
osvedčeniami otvoria cestu projektantom a zhotoviteľom pre využitie kompozitných výstuží
GFRP v praxi pre oblasti použitia definované v tomto manuáli. Manuál pre navrhovanie
kompozitných GFRP výstuží je spolu s príslušnými technickými osvedčeniami určený pre
použitie v častiach betónových konštrukcií, kde v prípade poruchy nehrozí priame
nebezpečenstvo ohrozenia zdravia a života ľudí ani veľké materiálne škody. Jedná sa hlavne
o betónové prvky a časti konštrukcií, v ktorých je potrebné vystuženie konštrukčnou výstužou
prípadne potreba výstuže je menšia ako definované minimálne stupne vystuženia a kde
v prípade degradácie výstuže nemôže dôjsť ku krehkým zlyhaniam ani k narušeniu statickej
funkcie príslušnej časti konštrukcie.
5
Využitie kompozitných GFRP výstuží významným spôsobom zvyšuje trvanlivosť nielen
v masívnych konštrukciách vystavených agresívnemu prostrediu, kde je zvýšené riziko korózie
oceľových výstuží. Výhodné uplatnenie je v konštrukciách a ich častiach, kde je potrebné
minimalizovať elektrickú vodivosť alebo zabezpečiť nerušený prechod elektromagnetických
vĺn. Ekonomický výhodné aj s ohľadom na trvanlivosť konštrukcie je vystuženie masívnych
betónových konštrukcií, kde masívne rozmery konštrukcie sú potrebné z konštrukčného
hľadiska a potrebná plocha výstuže je menšia ako požadovaná minimálna výstuž.
Manuál pre navrhovanie GFRP výstuží je určený pre navrhovanie výstuží umiestnených v
betónovom priereze a plne spolupôsobiacich s betónom po celej dĺžke [1.35, 1.36, 1.37, 1.38,
1.31, 1.32, 1.33].
Manuál pre navrhovanie kompozitných GFRP výstuží je určený aj pre navrhovanie podľa
medzných stavov únosnosti súboru A (EQU) a súboru C (GEO) podľa EN 1990 [1.35, 1.36],
pokiaľ sú v súlade s definíciami v tomto manuáli.
Manuál pre navrhovanie GFRP výstuží nie je určený pre navrhovanie podľa medzných stavov
používateľnosti podľa medzných stavov únosnosti súboru B (STR) podľa EN 1990 [1.35, 1.36].
V prípade potreby navrhovania nosných prvkov vystužených kompozitnými výstužami GFRP
pre medzné stavy únosnosti súboru B (STR) je s ohľadom na európske normy pre nosné
konštrukcie možné použiť návrhové postupy na základe experimentálneho vyhodnotenia
skúšok podľa kapitoly 5 a prílohy D normy EN 1990 [1.35, 1.36].
Manuál pre navrhovanie GFRP výstuží nie je určený pre použitie predpätých a rozptýlených
kompozitných výstuží, ani pre navrhovanie a posudzovanie prvkov vystužených externou
kompozitnou výstužou.
1.2
Predpisy pre stavebné výrobky
Pre členské štáty Európskej únie pri uvádzaní stavebných výrobkov na trh Európy platila
Smernica Rady č 89/106/EHS [1.3] z 21. decembra 1988 o aproximácii zákonov iných
právnych predpisov a správnych opatrení členských štátov vzťahujúcich sa na stavebné
výrobky.
Na Slovensku bolo uvádzanie stavebných výrobkov regulované zákonom č. 90/1998 Z. z.
o stavebných výrobkoch v znení neskorších predpisov [1.5] a vyhláškou MVRR SR č. 558/2009
[1.6]. V Českej republike bolo v platnosti „Nařízení vlády č.163/2002 Sb. [1.15] ve znění NV č.
312/2005 Sb., kterým jsou stanoveny technické požadavky na vybrané stavební výrobky“.
Od 01. júla 2013 vstúpilo do platnosti Nariadenie Európskeho parlamentu a Rady (EÚ) č.
305/2011 [1.4, 1.9, 1.10, 1.11], ktorým sa ustanovujú harmonizované podmienky uvádzania
6
stavebných výrobkov na trh a zrušuje sa smernica Rady 89/106/EHS [1.3]. Nariadenie
Európskeho parlamentu a Rady má na rozdiel od Smernice Rady priamu účinnosť a vyžaduje
si prispôsobenie národných právnych predpisov na jeho obsah.
Nadväzne na Nariadenie EP a Rady (EÚ) č. 305/2011 [1.4] na Slovensku vstúpil do platnosti
zákon č. 133/2013 Z. z. o stavebných výrobkoch a o zmene a doplnení niektorých zákonov
[1.7], ktorý zrušil dovtedajší zákon č. 90/1998 Z. z. o stavebných výrobkoch [1.5] a Vyhlášku
MVRR č. 558/2009 [1.6]. Súčasne vstúpila do platnosti Vyhláška MDVRR SR č. 162/2013 Z.
z. [1.8], ktorou sa ustanovuje zoznam stavebných výrobkov a systémy posudzovania
parametrov.
Adaptácia Nariadenia EP a Rady (EÚ) č. 305/2011 [1.4] do právneho poriadku ČR bola
uskutočnená Zákonom č. 100/2013 Sb., kterým se mení Zákon č. 22/1997 Sb. [1.12], o
technických požadavcích na výrobky. Účinnosť Zákona č. 100/2013 Sb. [1.14] bola stanovená
od 10.5.2013. K dátumu jeho účinnosti bolo zrušené Nariadenie vlády č. 190/2002 Sb. [1.13],
ktorým se určovali technické požiadavky na stavebné výrobky označované CE.
Režim zavádzania a dodávania tých stavebních výrobkov na trh, pre ktoré doteraz neboli
vydané harmonizované technické špecifikácie, je aj naďalej upravený vnútroštátne a riadi sa
Nariadením vlády č. 163/2002 Sb. [1.15], ktorým se určujú technické požiadavky na vybrané
stavebné výrobky. Tento zostáva v platnosti. Stavebné výrobky posudzované podľa tejto
národnej úpravy nesmie býť označený symbolom CE.
Nariadenie Európskeho parlamentu a Rady (EÚ) č. 305/2011 [1.4] z 9. marca 2011 ustanovuje
harmonizované podmienky uvádzania stavebných výrobkov na trh. Zavádza nové pojmy, ktoré
nahrádzajú pomenovania zavedené v smernici. Rieši posudzovanie a overovanie nemennosti
parametrov stavebných výrobkov (namiesto preukazovania zhody) a uvádzanie výrobkov na
trh prostredníctvom harmonizovaných technických špecifikácií, t.j. harmonizovaných EN a
európskych technických posúdení (ETA) vydaných na základe európskych hodnotiacich
dokumentov – na základe vykonaného posúdenia a overenia nemennosti parametrov výrobca
vydá vyhlásenie o parametroch a označí výrobok označením CE (nahradené pojmy: európske
technické osvedčenie, ETAG, CUAP, vyhlásenie zhody). Z hľadiska práva je Nariadenie o
stavebných výrobkoch priamo vykonateľné, preto sa nemusí transformovať do slovenského
právneho poriadku. To znamená, že zákon č. 133/2013 Z. z. [1.7] o stavebných výrobkoch
nerieši postupy, ktoré sú uvedené v Nariadení európskeho parlamentu a rady [1.4].
1.3
Použité značky a skratky
V tomto manuáli platia nasledujúce značky:
7
POZNÁMKA:
Použité označovanie vychádza z ISO 3898:1987.
index f
- vlastnosť prislúchajúca GFRP výstuži
index l
- pozdĺžny smer (longitudinal)
index r
- priečny smer (radiálny)
EQU
- medzný stav rovnováhy
GEO
- medzný stav poruchy alebo medzná deformácia základovej pôdy
STR
- medzný stav porušenia nosných prvkov vyčerpaním ich odolnosti
Veľké písmená latinskej abecedy
Ac
- plocha betónového prierezu
Ef,l
- modul pružnosti GFRP výstuže v pozdĺžnom smere
Efibre
- modul pružnosti nosných vláken
Ematrix
- modul pružnosti matrice
R10
- redukcia ťahovej pevnosti v percentách za logaritmickú dekádu
Tg
- teplota skleného prechodu
Vfibre
- objemový podiel vlákien v kompozite
Malé písmená latinskej abecedy
c
- hrúbka betónovej krycej vrstvy
fctd
- návrhová pevnosť betónu v ťahu
fctk,0,05
- charakteristická pevnosť betónu v ťahu (5% kvantil normálneho rozdelenia)
fctm
- pevnosť betónu v ťahu, stredná hodnota
ff,bd
- medzné napätie v súdržnosti, návrhová hodnota
ff,d
- návrhová dlhodobá pevnosť v ťahu
ff,k
- charakteristická dlhodobá pevnosť v ťahu
ff,k0
- charakteristická krátkodobá pevnosť v ťahu
ff,l,d
- návrhová pevnosť v ťahu v pozdĺžnom smere (0,1% kvantil normálneho
rozdelenia)
ff,l,k
- charakteristická pevnosť v ťahu v pozdĺžnom smere (5% kvantil normálneho
rozdelenia)
8
ff,l,m
- pevnosť v ťahu v pozdĺžnom smere, stredná hodnota
ff,s,d
- medzné napätie v priečnom šmyku (strihu), návrhová hodnota (0,1% kvantil
normálneho rozdelenia)
ff,s,k
- medzné napätie v priečnom šmyku (strihu), charakteristická hodnota (5% kvantil
normálneho rozdelenia)
ff,s,m
- medzné napätie v priečnom šmyku (strihu), stredná hodnota
fbf,l,d
- návrhová pevnosť v ťahu v pozdĺžnom smere ohnutej výstuže
fLTf,l,d
- dlhodobá návrhová pevnosť v ťahu v pozdĺžnom smere, t. j. očakávaná
návrhová ťahová pevnosť na konci životnosti konštrukcie
f1000hf,l,k
- charakteristická pevnosť v ťahu pri porušení výstuže v horizonte 1000 hodín pri
laboratórnej teplote (t. j. napätie, ktorým musí byť výstuž zaťažená, aby došlo
k porušeniu v horizonte 1000 hodín)
kD
- koeficient vplyvu trvanlivosti na medzné napätie v súdržnosti výstuže
kT
- koeficient vplyvu teploty na medzné napätie v súdržnosti výstuže
lb,min
- minimálna kotevná dĺžka
n
- exponent pre výpočet redukčného súčiniteľa zohľadňujúceho dlhodobé účinky
prostredia na pevnosť výstuže
nd
- vplyv priemeru výstuže pri výpočte dlhodobej pevnosti výstuže
nmo
- vplyv vlhkosti prostredia na dlhodobú pevnosť výstuže
nSL
- vplyv predpokladanej životnosti konštrukcie na dlhodobú pevnosť výstuže
nT
- vplyv teploty prostredia na dlhodobú pevnosť výstuže
rb
- polomer ohybu výstuže (pre určenie fbf,l,d)
Veľké písmená gréckej abecedy
Δcdev
- tolerančné zväčšenie betónovej krycej vrstvy
Malé písmená gréckej abecedy
f,l
- súčiniteľ teplotnej rozťažnosti (pozdĺžny smer)
f,r
- súčiniteľ teplotnej rozťažnosti (priečny smer)
c
- čiastkový (parciálny) materiálový súčiniteľ pre betón
9
f
- čiastkový (parciálny) materiálový súčiniteľ pre GFRP výstuž
εf,l,m
- medzné pomerné pretvorenie v pozdĺžnom smere odpovedajúce strednej
ťahovej pevnosti
εf,l,k
- medzné
pomerné
pretvorenie
v
pozdĺžnom
smere
odpovedajúce
charakteristickej ťahovej pevnosti
εf,l,d
- medzné pomerné pretvorenie v pozdĺžnom smere odpovedajúce návrhovej
ťahovej pevnosti
ε0
- okamžité (pružné) pretvorenie výstuže odpovedajúce vnesenému napätiu σ
ηenv,t
- redukčný súčiniteľ zohľadňujúci dlhodobé účinky prostredia
0
- vplyv štruktúry povrchu výstuže na medzné napätie v súdržnosti výstuže
1
- vplyv kvality podmienok súdržnosti a polohy výstuže počas betónovania na
medzné napätie v súdržnosti výstuže
2
- vplyv priemeru výstuže na medzné napätie v súdržnosti výstuže
ρf
- hustota GFRP výstuže
σf
- napätie v GFRP výstuži na určenie minimálnej plochy výstuže
Øf
- priemer GFRP výstuže
1.4
Použité normy a smernice
Na spracovanie tohto manuálu sa využili skúsenosti s GFRP výstužou z krajín, kde má
praktické využitie už niekoľko desaťročí: Japonsko, USA, Kanada, Rusko a ďalšie. Pri
spracovaní manuálu pre použitie výstuže GFRP na Slovensku a v Českej republike sa
vychádzalo aj z manuálov, smerníc a normových predpisov uvedených v tejto kapitole.
V decembri 1996 bola pri organizácii CEB (Comité euro-international du béton) založená
pracovná skupina pre nekovové výstuže do betónu s hlavnou úlohou vypracovať návrhový
manuál pre použitie FRP výstuží v betónových konštrukciách. Po zlúčení organizácií CEB
a FIP (Fédération internationale de la précontrainte) v roku 1998 do organizácie fib (Fédération
internationale du béton – The International Federation for Structural Concrete) táto pracovná
skupina pokračuje vo svojej činnosti ako TG 9.3 „FRP reinforcement for concrete structures“.
Pracovná skupina TG 9.3 je zastúpená odborníkmi z európskych univerzít, vedeckovýskumných organizácií a spoločností, ktoré sa zaoberajú výskumom nových kompozitných
materiálov pre využitie v oblasti stavebníctva a betónových konštrukcií. Prvou európskou
10
publikáciou pracovnej skupiny bol fib Bulletin 14 „ Externally bonded FRP reinforcement for
concrete structures“ publikovaný v roku 2001.
Pracovná skupina TG 9.3 pre vystužený betón vypracovala technickú správu, ktorá je
publikovaná ako fib Bulletin 40 „FRP reinforcement in RC structures“ pre FRP výstuže do
betónových konštrukcií [1.23]. Po spracovaní tejto technickej správy sa predpokladajú aktivity
tejto pracovnej skupiny zamerané na vydanie publikácie, ktorá by mala formát odporúčacej
modelovej normy.
Manuál pre navrhovanie GFRP výstuží vypracovaný autormi plne rešpektuje poznatky a
pravidlá publikované v [1.34].
1.5
Definície a príklady vhodných aplikačných oblastí GFRP výstuží
Vhodné a ekonomicky výhodné je použitie kompozitných GFRP výstuží hlavne pre
konštrukcie, kde sú na stavebné konštrukcie kladené zvýšené nároky na trvanlivosť, odolnosť
voči korózii výstuže, odolnosť voči chemickým vplyvom, nízku elektrickú vodivosť, na
priepustnosť elektromagnetických vĺn, na plánované rezanie veľkých otvorov v budúcnosti,
ako aj na stavebné konštrukcie s redukovaním rušivých efektov ocele na život a pobyt ľudí
[1.2].
Oblasť použitia manuálu pre navrhovanie GFRP výstuží je definovaná v kapitole 1.1. Niektoré
príklady použitia GFRP výstuží sú popísané v tejto kapitole. Manuál je určený pre navrhovanie
GFRP výstuže betónových prvkov a konštrukcií, kde z hľadiska namáhania je potrebná
konštrukčná výstuž, resp. výstuž menšia ako minimálna.
Trvanlivosti betónu vystuženého GFRP výstužou
Korózia oceľovej výstuže je častou príčinou porúch vo vystužených betónových konštrukciách,
čo má za následok zníženie návrhovej životnosti a potreba ďalších neplánovaných investícií.
V niektorých prípadoch môže viesť dokonca až k zlyhaniam konštrukcie. Tento proces môže
byť v niektorých prípadoch veľmi intenzívny hlavne, ak sa jedná o prostredia, kde je zrýchlený
proces karbonatácie betónu, chemicky agresívne prostredie, konštrukcie alebo ich časti, ktoré
sú vystavené chloridom, oblasti zvýšených namáhaní s očakávanou tvorbou trhlín v nosných
betónových častiach. Na ochranu týchto oblastí je potrebný návrh izolácie, zvýšenej betónovej
krycej vrstvy v závislosti od stupňa prostredia, návrh konštrukcie s redukovanou šírkou trhlín,
prípadne ďalšie opatrenia, ktoré by mali zabezpečiť požadovanú trvanlivosť konštrukcie pre
návrhovú dobu životnosti. Použitím GFRP výstuže v týchto konštrukciách sa značne zvýši ich
trvanlivosť a zabezpečí dlhodobá odolnosť betónových prvkov voči agresívnemu prostrediu.
11
1.5.1
Aplikačné oblasti z hľadiska agresívnosti prostredia
Betón vystavený chloridom:

Dosky mostov – horná výstuž

Chodníky a rímsy mostov

Dopravné bariéry – betónové zvodidlá

Prechodové dosky

Soľné sklady

Prefabrikáty

Kryty prielezov

Priepusty

Železničné priepusty, kanály, rámy

Stratené debnenie spriahnutých mostovkových dosiek
Betón vystavený morským chloridom:

Morské hrádze

Lodenice

Prístaviská a suché doky

Pobrežné stavby vystavené soľnej hmle

Prístavné zástery

Zariadenia na odsoľovanie
Betóny náchylné ku korózii výstuže:
1.5.2

Nádrže a potrubia čistiarní odpadovych vôd

Úpravne vody

Rafinérie
Aplikačné oblasti z hľadiska elektromagnetickej neutrality
Výstuž do betónu, kde nie je možné použiť oceľové výstužné prúty z dôvodu
elektromagnetickej indukcie.
Betón vystavený vysokým napätiam a elektromagnetickým poliam:

Železnice

Železničná izolácia

Snímkovanie magnetickou rezonanciou

Rozvodne vysokého napätia
12
1.5.3

Káblové kanály

Hliníkové hute a oceliarne

Oblasti citlivé na radiové frekvencie

Výber mýta na dialniciach

Nevodivé podlahy v elektrárňach alebo stavbách s vysokým napätím
Aplikačné oblasti z hľadiska vysokej rezivosti pre dočasné konštrukcie a zakladanie
GFRP výstuž je ideálna pre použitie vystuženia v tuneloch alebo podzemných stenách, kde je
nutné rezať otvory do betónu. Náradie na rezanie betónu sa pri tom nepoškodzuje.
1.5.4
1.6
[1.1]

Budúce otvory v podzemnych stenách

Hĺbkové zakladanie

Sekvenčná výkopová metóda – Nová rakúska tunelová metóda (NATM)

Horninové kotvy
Aplikačné oblasti pre zosilňovania muriva a reštaurovania pamiatok

Zosilňovanie keramického a betónového muriva

Reštaurovanie pamiatok

Drobná záhradná a mestská architektúra

Malé betónové kryty

Architektonické betónové prvky

Ochrana pamiatok
Literatúra
Pilakoutas, K. and Guadagnini, M, (2001), Shear of FRP RC: a Review of the State of
the Art. In E.Cosenza, G. Manfredi and A. Nanni (eds.), Proceedings of the International
Workshop Composites in Construction: A reality, capri Italy, ASCE Special Publication,
Virginia, 173-182.
[1.2]
GlasFiber Reinforced Polymer (GFRP) rebar – Aslan 100 series FIBERGLASS
REBAR.
Hughes Brothers, Inc.
210 N.
13th Street
Seward NE
68434.
www.aslanfrp.com
[1.3]
Smernica Rady 89/106/EHS z 21. septembra o zbližovaní právnych predpisov
a administratívnych opatrení členských štátov, ktoré sa týkajú stavebných výrobkov
v znení smernice Rady 93/68/EHS z 22. júla 1993
13
[1.4]
Nariadenie Európskeho parlamentu a Rady (EÚ) č. 305/2011 z 9. marca 2011, ktorým
sa ustanovujú harmonizované podmienky uvádzania stavebných výrobkov na trh.
[1.5]
Zákon č. 90/1998 Zb. z. SR z 10. februára 1998 o stavebných výrobkoch v znení
neskorších predpisov
[1.6]
Vyhláška MVRR SR č. 558/2009 Zb. z. SR z 27. novembra 2009, ktorou sa ustanovuje
zoznam stavebných výrobkov, ktoré musia byť označené, systémypreukazovania
zhody a podrobnosti o používaní značiek zhody
[1.7]
Zákon č. 133/2013 Zb. z. SR o stavebných výrobkoch a o zmene a doplnení niektorých
zákonov
[1.8]
Vyhláška MDVRR SR č. 162/2013 Zb. z. SR, ktorou sa ustanovuje zoznam stavebných
výrobkov a systémy posudzovania parametrov
[1.9]
DELEGOVANÉ NARIADENIE KOMISIE (EÚ) č. 568/2014 z 18. februára 2014, ktorým
sa mení príloha V k nariadeniu Európskeho parlamentu a Rady (EÚ) Ā. 305/2011,
pokiaľ ide o posudzovanie a overovanie nemennosti parametrov stavebných výrobkov
[1.10] DELEGOVANÉ NARIADENIE KOMISIE (EÚ) č. 574/2014 z 21. februára 2014, ktorým
sa mení príloha III k nariadeniu Európskeho parlamentu a Rady (EÚ) Ā. 305/2011 o
vzore, ktorý sa použije na vypracovanie vyhlásenia o parametroch pre stavebné
výrobky
[1.11] DELEGOVANÉ NARIADENIE KOMISIE (EÚ) č. 157/2014 z 30. októbra 2013 o
podmienkach, za ktorých možno sprístupniť vyhlásenie o parametroch stavebných
výrobkov na internetovej stránke.
[1.12] ZÁKON 22/1997 Sb. ČR ze dne 24. ledna 1997, o technických požadavcích na výrobky
a o změně a doplnění některých zákonů, ve znění pozdějších předpisů
[1.13] Nařízení č. 190/2002 Sb. ČR Ze dne 10. dubna 2002. Kterým se stanoví technické
požadavky na stavební výrobky označované CE.
[1.14] ZÁKON 100/2013 Sb. ČR ze dne 21. března 2013, kterým se mění zákon č. 22/1997
Sb., o technických požadavcích na výrobky a o změně a doplnění některých zákonů,
ve znění pozdějších předpisů
[1.15] Nařízení vlády č.163/2002 Sb. ČR ve znění NV č. 312/2005 Sb., kterým jsou stanoveny
technické požadavky na vybrané stavební výrobky
[1.16] ACI 440.1R-06: Guideforthe Design and Construction of Structural Concrete
Reinforcedwith FRP Bars. February 2006, 44 pp. ISBN 978-0-87031-210-6
14
[1.17] ACI 440.3R-12: Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites
for Reinforcing or Strengthening Concrete Masonry Structures. ISBN 978-0-87031781-1
[1.18] ACI 440.5-08: Specification for Construction with Fiber-Reinforced Polymer
ReinforcingBars. ISBN 978-0-87031-286-1
[1.19] ACI 440.6-08: Specification for Carbon and Glass Fiber-Reinforced Polymer Bar
Materials for Concrete Reinforcement. ISBN 978-0-87031-289-2
[1.20] ACI 440R-07:2007 Report on Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Reinforcement for
Concrete Structures. ISBN 978-0-87031-259-5
[1.21] AASHTO LRFD:2009 Bridge Design Guide Specifications for GFRP Reinforced
ConcreteBridge Decks and Traffic Railings. ISBN 1-56051-458-9
[1.22] CAN/CSA-S6-06:2006 Fibre Reinforced Structures, Canadian Highway Bridge Design
Code,Page 693-728. ISBN 978-1-55324-482-6
[1.23] CAN/CSA-S806-12:2012 Design and Construction of Building Components with FibreReinforced Polymers. ISBN 978-1-55491-931-4
[1.24] CAN/CSA-S807-10:2010 Specification for Fibre- Reinforced polymers. ISBN 978-155491-394-7
[1.25] ISIS Manual No. 3 (Version 2):2006 – Reinforcing Concrete Structures with Fibre
Reinforced Polymers. ISBN 0-9689006-6-6
[1.26] ISIS Manual No. 5:2007 – Prestressing Concrete Structures with FRPs.
[1.27] Design Guidelines of FRP Reinforced Concrete Building Structures. Journal of
Composites for Construction, Vol. 1, No. 3, August 1997, pp. 90-115.
[1.28] JSCE - Recommendation for Design and Construction of Concrete Structures using
Continuous Fiber Reinforcing Materials. June 1998
[1.29] GOST 31938-2012 - Fiber-reinforced polymer bar for concrete reinforcement. General
specifications. 1.1.2014
[1.30] DSTU-N B V.2.6-185:2012 - Instruction for design and production of concrete
structures with nonmetallic composite reinforcement based on basalt and glass roving
[1.31] 21 fib Model Code for Concrete Structures 2010. October 2013, 434 pp.
[1.32] STN EN 13501-1+A1: Klasifikácia požiarnych charakteristík stavebných výrobkov a
prvkov stavieb. Časť 1: Klasifikácia využívajúca údaje zo skúšok reakcie na oheň.
01.02.2010.
15
[1.33] CSN EN 13501-1+A1: Požární klasifikace stavebních výrobků a konstrukcí staveb –
Část 1: Klasifikace podle výsledků zkoušek reakce na oheň. 01.02.2010.
[1.34] 23 fib Bulletin no. 40, “FRP reinforcement in RC structures”, International federation for
structural concrete, 2007, Lausanne, Switzerland, ISBN 978-2-88394-080-2
[1.35] STN EN 1990:2009; Eurokód: Zásady navrhovania konštrukcií.
[1.36] CSN EN 1990:2004; Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí.
[1.37] STN EN 1992-1-1: Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá
a pravidlá pre budovy. Júl 2006, 200 str.
[1.38] CSN EN 1992-1-1:2006; Eurokód: Navrhování betonových konstrukcí - část 1-1:
Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby.
[1.39] Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-1.6-238: Bewehrungsstab Schöck ComBAR
aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Juni 2014, 18 S.
[1.40] ISO 14484:2013 Performance guidelines for design of concrete structures using fibrereinforced polymer (FRP) materials
[1.41] ISO 10406-1:2008 Fibre-reinforced polymer (FRP) reinforcement of concrete -- Test
methods -- Part 1: FRP bars and grids
[1.42] CNR-DT 203/2006 Guide for the design and construction of concrete structures
reinforced with FRP bars. Rome June 2007
[1.43] Interim guidance on the design of reinforced concrete structures using fibre composite
reinforcement. 1999. ISBN 1-874266-47-6
16
ZÁSADY NAVRHOVÁNÍ
2
V souladu s aplikačními oblastmi definovanými v rámci kapitoly 1 tohoto manuálu, jsou zásady
uvedené v této kapitole platné pouze pro konstrukce vyztužené GFRP výztuží, u nichž nehrozí
(v případě poruchy) bezprostřední ohrožení na lidských životech či značné materiální škody.
Jedná se především o nenosné aplikační oblasti, dále pak prvky v nichž je výztuž navržena
konstrukčně (například masivní betonové prvky, jejichž statická funkce není narušena
v případě degradace výztuže1), drobné prvky zahradní a městské architektury aj. Podrobněji
definuje možné oblasti použití kapitola 1 tohoto manuálu. Uvedené zásady jsou svým
rozsahem přizpůsobeny těmto aplikačním oblastem.
2.1
Základní ustanovení
Betonové konstrukce vyztužené vnitřní nekovovou výztuží musí být (shodně s prvky
s klasickou ocelovou výztuží) navrženy v souladu s platnými normativními dokumenty,
především normou EN 1990 ([2.2], resp. [2.3]) a EN 1992-1-1 ([2.6], resp. [2.7]). Konstrukce
musí být navržena a provedena tak, aby během předpokládané životnosti stavby (s příslušnou
mírou spolehlivosti a hospodárnosti) odolala všem zatížením a vlivům, které se mohou
vyskytnout při jejím provádění a používání. Konstrukce vyztužená vnitřní GFRP výztuží proto
musí být navržena tak, aby měla dostatečnou odolnost, použitelnost a trvanlivost. S ohledem
na rozsah a zaměření manuálu se předpokládá, že odolnost a použitelnost konstrukce není
dominantně zajištěna GFRP výztuží. Prvky, kde je GFRP výztuž klíčová pro zajištění jejich
mechanické odolnosti a stability, je možno navrhovat např. dle doporučení [2.1] či [2.5]2, návrh
těchto prvků je nad rámec předkládaného manuálu.
Návrh je proveden metodou dílčích součinitelů v souladu s předpoklady uvedenými v [2.2]
a [2.3]. Při návrhu založeném na pravděpodobnostních metodách lze postupovat dle
doporučení podkladu [2.4] (kapitoly 8 a především přílohy B). Normou [2.2] a [2.3] požadovaná
1
Tj. prvky, u nichž jsou rozhodující mezní stavy EQU a GEO dle EN 1990 u nichž vlivem selhání
GFRP výztuže nemůže dojít ke křehkému porušení průřezu. Podrobněji viz další text.
2
Při návrhu prvků dle doporučení ACI 440.1R-06 nebo CSA S806-12 je však třeba uvážit odlišný
koncept pro stanovení návrhových hodnot zatížení a odolnosti průřezu. Tyto směrnice jsou založeny
převážně na poznatcích získaných z experimentů a nejsou plně kompatibilní
s polopravděpodobnostním přístupem EN norem. Nelze (bez zohlednění těchto odlišností) např.
kombinovat posouzení odolnosti průřezu dle těchto norem se stanovením zatížení dle soustavy
norem EN 1991. Projektant musí tuto skutečnost při návrhu uvážit.
17
úroveň spolehlivosti bude dosažena (při zohlednění plánované doby životnosti a s ohledem
na odolnost a použitelnost konstrukce) při dodržení následujícího:
-
návrh je proveden dle mezních stavů metodou dílčích součinitelů dle EN 1990 [2.2] (včetně
v téže normě uvedeného managementu spolehlivosti);
-
zatížení je stanoveno v souladu s normami řady EN 1991. Kombinace zatížení je
doporučeno uvažovat v souladu s doporučeními uvedenými v [2.2] a [2.3]3;
-
vlastnosti materiálů a geometrické údaje mají respektovat údaje uvedené v EN 1990
(kapitola 4.2 a 4.3 v [2.2], [2.3]) a v tomto manuálu (vlastnosti GFRP výztuží, kapitola 3);
-
návrhové veličiny materiálových charakteristik GFRP výztuže musí být uváženy
s přihlédnutím k očekávané degradaci a omezení z hlediska působení trvalého zatížení
(viz kapitola 2.3, 3 a 4 tohoto manuálu)4;
-
materiálové charakteristiky betonu včetně dílčích materiálových součinitelů platí shodně s
EN 1992-1-1, viz [2.6], [2.7];
-
v případech relevantních k aplikačním oblastem definovaným dle tohoto manuálu platí
ustanovení uvedená v kapitole 2 normy EN 1992-1-1 [2.6] a [2.7] (není-li uvedeno jinak);
-
je nutno zohlednit údaje uvedené v kapitole 4 manuálu (trvanlivost včetně volby návrhové
životnosti dle kapitoly 2.2 manuálu, respektive normy [2.2]);
-
je třeba uvážit předpokládaný způsob porušení konstrukčního prvku. V rámci skupiny
mezních stavů únosnosti5 se (v rámci tohoto manuálu) předpokládá rozhodující vliv
mezních stavů GEO a EQU6.
Mezní stavy použitelnosti nejsou v rámci aplikačních oblastí uvážených dle tohoto manuálu
relevantní.
Navrhování prvku vyztužených GFRP výztuží lze (a je doporučeno) podpořit zkouškami
(v souladu s přílohou D normy [2.2] a [2.3]).
3
Posouzení limitního zatížení z hlediska dlouhodobé odolnosti GFRP výztuže je doporučeno provést
pro kvazistálou kombinaci zatížení stanovenou dle pravidel uvedených v [2.2] a [2.3].
4
Při návrhu je nutno vždy uvážit očekávanou dlouhodobou pevnost GFRP výztuže s přihlédnutím
k plánované životnosti konstrukce - tj. pevnost pro časový okamžik definovaný na základě plánované
životnosti. Pro výpočet v rámci první skupiny mezních stavů má být uvážena výpočtová hodnota této
pevnosti.
5
Jsou uváženy mezní stavy dle normy EN 1990. V rámci tohoto manuálu platí shodná terminologie.
6
Tj. mezní stavy EQU a GEO jsou dosaženy před vyčerpáním mechanické odolnosti průřezu (limitního
stavu STR).
18
Při návrhu konstrukcí vyztužených GFRP výztuží v případech, kde je projektem uvažováno
požární zatížení, je třeba požární odolnost zajistit dodatečnými (sekundárními) protipožárními
opatřeními. Návrh konstrukcí vyztužených GFRP výztuží na účinky požáru je nad rámec
platnosti manuálu. Předpokládá se, že v průběhu požadovaného času požární odolnosti prvku
není na povrchu GFRP výztuže překročena běžná provozní teplota7.
Návrhová životnost staveb s využitím GFRP výztuže
2.2
Doporučená návrhová životnost staveb (kategorie návrhé životnosti) je uvážena shodně
s ustanovením kapitoly 2.2 normy EN 1990 [2.2], resp. [2.3] (viz tab. 2.1). Údaje uvedené
v rámci tab. 2.1 jsou platné i pro konstrukce vyztužené GFRP výztuží.
Tab. 2.1 Indikativní návrhová životnost (převzato z [2.2] a [2.3])
Kategorie návrhové
životnosti
Indikativní návrhová
životnost (v letech)
1
10
2
10 až 25
Vyměnitelné konstrukční části
3
15 až 30
Zemědělské a obdobné stavby
4
50(2)
Budovy a další běžné stavby (i jejich součásti)
5
100
Monumentální stavby, mosty a jiné inženýrské
konstrukce (i jejich součásti)
Příklady
Dočasné konstrukce (1)
Konstrukce nebo jejich části, které mohou být demontovány s předpokladem dalšího použití, se nemají
považovat za dočasné.
(1)
(2)
Dle NA je nutno pro kategorii návrhové životnosti 4 uvážit 80 let.
Nutným (nikoliv však postačujúcim , viz výčet předpokladů uvedený v rámci kapitoly 2.1)
předpokladem pro dosažení požadované návrhové životnosti stavby je respektování
doporučení a návrhových postupů zohledňujících délku působení agresivního prostředí a stálé
složky zatížení na GFRP výztuž, které jsou uvedeny v rámci kapitol 3 a 4 tohoto manuálu.
2.3
7
Dílčí materiálové součinitele
Teplota definovaná výrobcem. Jedná se o teplotu, jíž je možno jednorázově výztuž zatížit aniž by
došlo k jejímu trvalému (nevratnému) poškození a tím významným změnám fyzikálně-mechanických
vlastností této výztuže.
19
Hodnoty dílčích součinitelů jednotlivých materiálů (tj. beton, GFRP výztuž) pro ověření
mezního stavu únosnosti musí být uváženy následujícím způsobem:
-
parciální součinitel c pro beton dle kapitoly 2.4.2.4. normy EN 1992-1-1 [2.6], [2.7];
-
parciální součinitel f pro GFRP výztuž je nutno uvážit dle očekávaného způsobu porušení
prvku (tah, tlak, smyk)8. Je doporučeno výpočtovou hodnotu dané charakteristiky stanovit
na základě statistického vyhodnocení dat získaných ze zkoušek vzorků (postup pro určení
základních mechanických charakteristik GFRP výztuže uvádí kapitola 6 manuálu)
Poznámka:
Relevantní podklady pro návrh GFRP výztuží (především [2.4] a [2.8]) uvádí pro výpočet
návrhové hodnoty pevnosti v tahu parciální součinitel f = 1,25 (v případě trvalých
a přechodných návrhových stavů) a f = 1,00 (v případě mimořádného zatížení).
2.4
[2.1]
Literatura
ACI 440.1R-06. Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP
bars, American Concrete Institute (ACI), 2006, Farmington Hills, Mich., ISBN: 978-087031-210-6
[2.2]
ČSN EN 1990; Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí; březen 2004
[2.3]
STN EN 1990; Eurokód: Zásady navrhovania konštrukcií; srpen 2009
[2.4]
fib Bulletin no. 40, “FRP reinforcement in RC structures”, International federation for
[2.5]
S806-12 - Design and construction of building structures with fibre-reinforced polymers
(2012), 206 pp.
[2.6]
ČSN EN 1992-1-1; Eurokód: Navrhování betonových konstrukcí - část 1-1: Obecná
pravidla a pravidla pro pozemní stavby; listopad 2006
[2.7]
STN EN 1992-1-1; Eurokód: Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1:
Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy; červenec 2006
[2.8]
fib Model Code for Concrete Structures 2010, International federation for structural
concrete, 2013, Lausanne, Switzerland, ISBN 978-3-433-03061-5
8
Výsledky experimentálních činností ukazují na skutečnost, že parciální součinitel pro GFRP výztuž
bude nutno modifikovat dle způsobu porušení vzorku. Tj. hodnota parciálního součinitele platná pro
tahové porušení nemusí být dostatečná pro porušení ve smyku apod.
20
[2.9]
Weber, A.: From national approval to an European Standard - Ways to a safer and
wider application of FRP rebars; 11th International Symposium on Fiber Reinforced
Polymers for Reinforced Concrete Structures (FRPRCS11). Guimaraes2013. 2013
21
3
ZÁKLADNÍ FYZIKÁLNĚ MECHANICKÉ CHARAKTERISTIKY GFRP VÝZTUŽE
Existuje mnoho modifikací a typů využívaných výztužných kompozitních prvků určených pro
aplikace jako vnitřní nepředpjatá výztuž do betonu. Společným prvkem všech vnitřních FRP
výztuží je spojení vláknové výztuže (vláken) a polymerní matrice v jednom produktu.
Kombinací vlastností vláken a polymerní matrice vzniká kompozitní materiál s jedinečnými
vlastnostmi, kdy výsledné charakteristiky FRP výztuže determinuje směsný poměr, vlastnosti
dílčích součástí kompozitu (základní nosná vlákna, použitá matrice atp.) a postup výroby. Vždy
záleží na procentním podílu jednotlivých složek. Výsledné vlastnosti kompozitu v neposlední
řadě ovlivňuje velikost průřezu (viz závěry uvedené v [3.3] nebo [3.4]), kontrola kvality a též
okolní teplota a vlhkost prostředí při výrobě kompozitu a dále pak historie zatěžování a typ
působícího zatížení (statické, cyklické – únavové).
FRP kompozit vyráběný pultruzí vykazuje ortotropní chování – tj. jiné hodnoty materiálových
charakteristik ve směru orientace vláken a ve směru kolmém. Hlavní podélná osa je shodná
se směrem orientace vláken (osa 1(l), viz obr. 3.1). V podélném směru jsou materiálové
charakteristiky převážně určovány vlastnostmi vláken, naproti tomu vlastnosti kompozitu
v příčném směru vždy určují vlastnosti matrice. Výsledné mechanické parametry ve směru
vláken dosahují násobně (10x až 100x) lepších hodnot než ve směru kolmém na vlákna.
Obr. 3.1 Idealizovaný příčný řez typické FRP výztuže se zobrazením hlavních os;
1(l) – podélná osa; 2(r) a 3(r) – příčné osy
Nosná vlákna kompozitu jsou elastická, ale zároveň při dosažení pevnosti v tahu křehce
lámavá. Z tohoto důvodu se kompozitní výztuže při namáhání ve směru vláken chovají pružně
s křehkým porušením při dosažení mezního napětí. Pracovní diagram má vždy lineární průběh
až do porušení (viz obr. 3.2).
22
Obr. 3.2 Idealizovaný pracovní diagram GFRP výztuže včetně základních materiálů
kompozitu
Text tohoto manuálu se zabývá využitím GFRP materiálů pro vyztužování betonových
konstrukcí. Hlavním nosným prvkem GFRP kompozitu jsou skleněná vlákna9. Materiálové
charakteristiky prezentované v předkládané kapitole jsou z tohoto důvodu platné pro výztuže
složené ze skleněných vláken a termosetové pryskyřice (matrice). Využití termoplastických
pryskyřic pro výrobu GFRP výztuží není v rámci tohoto manuálu dovoleno.
Mechanické charakteristiky GFRP výztuží silně závisí na výrobním postupu a využitých
surovinách a jsou proto odlišné u každého komerčně dostupného produktu. Při návrhu
konstruce vyztužené GFRP výztuží je proto nezbytné vycházet z aktuálních (příslušnými
certifikačními orgány ověřených) údajů z technického listu výrobce. V kapitole 3.3 jsou proto
uvedeny pouze očekávané hodnoty základních materiálových (fyzikálních i mechanických)
charakteristik pro výztuže určené do betonových prvků při zohlednění projektované životnosti
konstrukce. Kapitola 3.4 uvádí bezpečné (konzervativní) hodnoty redukčních součinitelů
z hlediska zabránění nežádoucího přetržení výztuže jejím dotvarováním. Kapitola 6 manuálu
uvedené očekávané hodnoty dále doplňuje o požadavky na určení těchto charakteristik
pomocí zkoušek a uvádí i minimální doporučené hodnoty.
S ohledem na velké množství komerčně dostupných produktů GFRP výztuží o různé kvalitě je
vždy nutno, aby použitá FRP výztuž byla v rámci projektu podrobně specifikována - tj. aby byla
9
S ohledem na rozsah a zaměření manuálu zde další možná výztužná vlákna (tj. vlákna aramidová,
uhlíková či bazaltová aj.) nejsou podrobněji prezentována. Čtenář je při zájmu o tuto problematiku
odkázán na zahraniční odbornou literaturu (viz seznam literatury na konci této kapitoly).
V rámci využití tohoto manuálu je však možno využívat výztuže složené z dvou typů vláken, ovšem
dominantní pro určení materiálových charakteristik musí být vlákna skleněná (tj. skleněná vlákna
mají v průřezu vyšší než poloviční zastoupení).
23
kromě obchodního názvu FRP výztuže minimálně uvedena i projektem uvažovaná tahová
pevnost (krátkodobá i dlouhodobá) a modul pružnosti; případně podrobněji definovány i další
charakteristiky, se kterými projekt uvažoval (podrobněji tuto problematiku zpracovává kapitola
6 tohoto manuálu).
3.1
3.1.1
Základní materiálové složení GFRP výztuže
Vlákna
Základním - nosným - prvkem GFRP výztuže jsou dlouhá skleněná vlákna, jejichž hlavní
složkou je sloučenina oxidu křemičitého (SiO2). Existuje velké množství typů skleněných
vláken, která jsou využívána v průmyslové výrobě. Jednotlivé typy skleněných vláken se od
sebe odlišují svojí chemickou kompozicí. Ve stavebním průmyslu jsou využívána především
skleněná vlákna typu E (tzv. E-glass, electrical glass), A (A-glass, window glass), AR (AR glass
- alcali resistant glass) a S (S-glass, structural/high strength glass).
Všechny typy vláken se při tahovém namáhání chovají lineárně pružně až do porušení.
Skleněná vlákna jsou při konstantní vysoké hladině zatížení náchylná k dotvarování (tj.
přírůstku deformace při konstantním zatížení) a následnému náhlému porušení přetržením
(creep rupture). Skleněná vlákna jsou obecně výbornými tepelnými a elektrickými izolanty,
mají vysokou pevnost v tahu a z používaných typů vláken jsou nejméně finančně náročná.
Jsou ovšem značně citlivá na vlhkost a pH okolního prostředí (především E vlákna), kdy při
dlouhodobém vystavení vlákna alkalickému prostředí dochází k výraznému úbytku jejich
pevnosti v tahu. AR vlákna mají zvýšenou odolnost vůči působení alkálií. Podrobnosti
o chemickém složení, výrobě a vlastnostech jednotlivých vláken je možno nalézt například
v [3.6]. Základní fyzikálně-mechanické údaje k jednotlivým výše uvedeným typům skleněných
vláken jsou uvedeny v tab. 3.1.
Tab. 3.1 Typické mechanické vlastnosti skleněných vláken (údaje čerpány z [3.7], [3.4], [3.3])
Typ skleněných
vláken
Hustota
Modul pružnosti
Tahová pevnost
Teplota tavení
[kg/m3]
[GPa]
[MPa]
[°C]
E
≈ 2500
72,5
≈ 3400
A
≈ 2500
73,0
≈ 2750
AR
≈ 2300
70 - 76
1800 - 3500
S
≈ 2500
≈ 86
≈ 4600
1100 - 1550
24
3.1.2 Matrice
Matrice zajišťuje celistvost kompozitu, váže k sobě jednotlivá nosná vlákna, přenáší tahové
namáhání z betonu do vláken a také chrání vlákna před vlivem okolního prostředí
a mechanickým porušením. Dává finální tvar kompozitu a především společně s typem
a množstvím použitých vláken určuje výsledné fyzikálně-mechanické vlastnosti kompozitu.
Polymerní matrice jsou výrazně poddajnější než vlákna, pevnost v tahu je u všech matric
menší než pevnost v tahu vláken (u polymerních matric až o dva řády). Při výrobě FRP výztuží
jsou používány matrice na bázi organických (či anorganických) polymerů.
Pro GFRP výztuže do betonu se využívají termosetové matrice na bázi epoxidové pryskyřice,
nenasycené polyesterové pryskyřice nebo vynilesterové pryskyřice (typické vlastnosti těchto
matric uvádí tab. 3.2).
Polymerové matrice jsou dobré izolanty (nepřenáší tepelnou a elektrickou energii), ovšem při
dlouhodobém konstantním napětí se dotvarovávají, některé typy jsou náchylné k poškození
UV zářením. Nejsou odolné vůči vyšším teplotám (dle obvykle do max. 180 °C, podklad ovšem
též uvádí, že lze vyrobit termosetovou matrici s odolností až 450 °C). Rozhodující je tzv. teplota
skelného přechodu Tg, při které dochází k fyzikálně-chemickým změnám, které následně
způsobují změny v mechanických vlasnostech matrice (matrice měkne). Tuto negativní
vlastnost je možno částečně eliminovat přidáním retardérů hoření či jiných ochranných
prostředků10 přímo do průřezu čímž je ovšem zvyšována nehomogenita průřezu. U běžných
materiálů a výrobních postupů se Tg pohybuje kolem 130 až 140 °C (viz a též [3.5]). Přesný
údaj musí definovat výrobce kompozitu.
Tab. 3.2 Mechanické vlastnosti nejčastěji používaných matric (převzato z [3.4])
Typ matrice
Vlastnost
Polyesterová
Epoxidová
Vynilesterová
1200 - 1400
1200 - 1400
1150 - 1350
Tahová pevnost [MPa]
34,5 - 104
55 - 130
73 - 81
Modul pružnosti [GPa]
2,10 - 3,45
2,75 - 4,10
3,00 - 3,50
Poissonovo číslo
0,35 - 0,39
0,38 - 0,40
0,36 - 0,39
55 - 100
45 - 65
50 - 75
Objemová hmotnost [kg/m3]
Koeficient teplotní roztažnosti [10-6 /°C]
10
Retardéry hoření nemění vlastní Tg matrice, pouze upravují chování matrice pod napětím při těchto
zvýšených teplotách.
25
3.1.3
Výroba
GFRP výztuže jsou vyráběny pultruzí případně kombinací pultruze a technologie ovíjení - tzv.
pullwinding. V průběhu výrobního procesu musí dojít k dokonalému spojení nosných vláken a
matrice. Jde o automatizovaný postup kontinuální výroby prutových konstrukčních prvků
(výztuží, nosníků konstantního průřezu apod.).
Při klasické pultruzi jsou nejdříve jednotlivá nosná vlákna srovnána (aby bylo zajištěno
konstantní rozložení vláken po průřezu), následně je výztuž kontinuálně impregnována tekutou
polyesterovou, vinylesterovou nebo epoxidovou pryskyřicí a vtahována do tvarovače. V
ohřívané části vytvrzovací formy je pryskyřice vytvrzena a hotový profil je odtahován pásy
nebo dvojicí střídavě popojíždějících táhel a řezán na potřebnou délku. V případě technologie
pullwinding se jedná opět o kontinuální technologický proces, který kombinuje ovíjení a
pultruzi. Výhodou jsou vyšší příčné pevnosti výztuže. Podrobněji lze čerpat například z [3.7].
Fyzikální vlastnosti
3.2
3.2.1
Součinitel teplotní roztažnosti
Součinitel teplotní roztažnosti  GFRP výztuže je odlišný v příčném a podélném směru ( f,l pro
podélný směr; f,r pro příčný směr) a jeho hodnota závisí na objemovém podílu vláken a typu
použité matrice. V podélném směru je součinitel určován vlastnostmi vláken, ve
směru příčném pak vlastnostmi matrice. GFRP výztuž má v podélném směru tepelnou
roztažnost přibližně shodnou s betonem, avšak v příčném směru je tato hodnota cca
dvojnásobná. Literatura [3.9] uvádí vztahy pro teoretický výpočet součinitele teplotní
roztažnosti. Tab. 3.3 uvádí typické rozpětí hodnot f,l a f,r pro GFRP výztuž (převzato z [3.4]
a [3.3]) a jejich srovnání s běžnou ocelovou výztuží. Údaje uvedené v rámci tab. 3.3 mají
informativní charakter, pro projektanta jsou směrné údaje uvedené na technickém listu výrobce
daného produktu.
Tab. 3.3 Součinitel teplotní roztažnosti  pro GRFP výztuž, údaje platné pro objemové
množství vláken 50 až 75% a běžnou provozní teplotu (převzato z [3.4] a [3.3])
Součinitel teplotní roztažnosti  (x10-6/°C)
26
3.2.2
Orientace
GFRP
Ocel
Podélný směr f,l
6 až 10
11
Příčný směr f,r
21 až 23
11
Hustota
Hodnota hustoty GFRP kompozitu ρf závisí (shodně s dalšími základními vlastnostmi
kompozitní výztuže) na procentním podílu vláken a typu matrice (případně obsah plniv). Lze
na její výpočet využít směsného pravidla, tj. na základě objemového podílu jednotlivých složek
a znalosti jejich objemové hmotnosti stanovit objemovou hmotnost výsledného kompozitu.
Obecně platí, že hustota GFRP výztuže je cca čtvrtinová v porovnání s ocelí, což ve srovnání
s běžnou výztuží usnadňuje manipulaci na stavbě. Tab. 3.4 uvádí rozptyl typických hodnot pro
GFRP výztuž, přesné údaje musí být uvedeny v technickém listu výrobce daného produktu.
Tab. 3.4 Hustota ρf GRFP výztuže, údaje platné pro objemové množství vláken 50 až 75%
(převzato z [3.4])
Hustota ρ (x103 kg/m3)
3.2.3
GFRP
Ocel
1,75 - 2,1511
7,85
Účinek teploty na GFRP
GFRP výztuž v případě vystavení zvýšeným teplotám (shodně i s dalšími materiály) mění své
materiálové a mechanické vlastnosti. Změna mechanických vlastností FRP závisí hlavně na
složení a vlastnostech matrice méně pak na vlastnostech výztužných vláken. Velmi důležitý je
především charakter teplotního zatížení, který na GFRP výztuž působí 12. Fyzikální
i mechanické vlastnosti kompozitu se zásadně mění, pokud posuzovaná výztuž dosáhne
teploty skelného přechodu matrice Tg (podrobněji o této charakteristice pojednává kapitola
3.1.2).
11
Hodnoty hustoty vyšší než cca 2000 kg/m 3 obvykle indikují použití inertních plniv v rámci matrice.
12
Vliv má především časový průběh teplotního zatížení a dosahovaná úroveň působící teploty. Je třeba
rozlišovat, zda-li se jedná o běžný provozní stav (tj. například části konstrukce trvale vystavené
provozonímu teplotnímu zatížení) či o mimořádné např. požární zatížení.
27
V případě vystavení kompozitu teplotám nižším než-li Tg je zajištěna celistvost kompozitu
(a tedy i soudržnost s okolním betonem). Dochází k urychlení chemických reakcí, které v tělese
výztuže probíhají (stárnutí, dotvarování apod.), avšak k nepodstatné krátkodobé změně
tahových vlastností výztuže. Při překročení teploty Tg kompozit postupně ztrácí svou tuhost,
matrice přestává přenášet smyková napětí a dochází ke snížení tahové pevnosti, modulu
pružnosti a především k velmi výrzané degradaci kontaktu mezi výztuží a okolním betonem (tj.
ke ztrátě soudržnosti). Celkový kolaps výztuže nastává v případě, že teplota výztuže dosáhne
teploty degradace výztužných vláken.
Předkládaný manuál není určen pro navrhování GFRP výztuží v konstrukčních prvcích
vystavených mimořádným zatížením, tj. i při působení požáru. Nejsou zde proto podrobněji
uváděny bližší údaje potřebné pro pochopení chování výztuže vystavených vyšším teplotám
než-li Tg, neboť tato problematika přesahuje rámec jeho platnosti. Informace lze nalézt
například v [3.29] nebo [3.30]. Problematiku vlivu zvýšené teploty (tj. teploty do Tg) na chování
GFRP výztuže podrobněji řeší kapitola 4.1.2 manuálu.
3.3
Krátkodobé (okamžité) mechanické vlastnosti
Chování GFRP výztuží při statickém zatížení (a rovněž i při dynamickém zatížení, což však
není předmětem tohoto manuálu) silně závisí na výrobním postupu a využitých surovinách
a jsou proto odlišné u každého komerčně dostupného produktu. Je proto nezbytné vycházet
z aktuálních údajů z technického listu výrobce, kde jsou uvedeny zkouškami stanovené
hodnoty pro daný výrobek a též by měl být uveden i zkušební postup (předpis), dle kterého
byly hodnoty získány. Podrobněji se experimentálnímu stanovení mechanických charakteristik
GFRP výztuží věnuje kapitola 6 manuálu. Pro předběžné určení některých krátkodobých
mechanických vlastností je možno využít vztahů uvedených například v literatuře [3.4]
(rozsáhlejší studie k výpočtu mechanických charakteristik viz také například [3.7], [3.15]).
Teoretické vztahy vždy závisí na směru namáhání prutu.
V této kapitole jsou uvedeny "očekávané/běžné" hodnoty mechanických charakteristik výztuží,
které jsou určeny pro aplikace v betonových konstrukcí (výčet přípůstných aplikačních oblastí
pro využití GFRP výztuže navrhované dle tohoto manuálu je uveden v rámci kapitoly 1).
3.3.1
Chování GFRP výztuže v tahu
Vlastnosti GFRP výztuže v tahu ve směru hlavní (podélné) osy (viz obr. 3.1) jsou
determinovány vlastnostmi použitých vláken, jejich zastoupením v průřezu výztuže a jejich
orientací (přímá, navíjená apod.). Velký vliv má rovněž způsob výroby (vytvrzení matrice,
28
narovnání vláken, homogenita průřezu) a skladování daného produktu. Výsledné vlastnosti
kompozitu v neposlední řadě ovlivňuje velikost průřezu (větší průměr výztuže obvykle indikuje
horší mechanické vlastnosti než by vykazoval stejný kompozit nižšího průměru, viz [3.3], [3.10]
nebo [3.26]).
Výztuž složená z jednoho typu vláken má při osovém namáhání vždy lineární pracovní diagram
až do porušení (závislost napětí na přetvoření; viz idealizovaný obr. 3.2). V celém jeho rozsahu
platí Hookův zákon. U méně kvalitních produktů je možno se setkat s počátečním měkčím
chováním výztuže, kdy dochází k postupnému rovnání vláken v průřezu a tedy i vyšší
počáteční deformaci, než by odpovídala výpočtu dle Hookova zákona (idealizovaný průběh viz
obr. 3.3). Toto chování není pro výztuž určenou do betonových konstrukcí žádoucí.
Obr. 3.3 Idealizovaný průběh závislosti napětí na přetvoření u a) kvalitní výztuže bez
rovnání vláken; b) u produktu s nižší kvalitou s postupným rovnáním vláken; v počátku je
průběh pro zvýraznění rozdílů převýšen
Základními charakteristikami popisujícími krátkodobé chování GFRP výztuže v tahu jsou
modul pružnosti13 Ef,l, mezní pevnost v tahu ff,l (střední (index m), charakteristická (k), návrhová
13
Modul pružnosti Ef,l je dále v textu uvažován ve střední hodnotě. V případě, že je nutno zohlednit
případný rozptyl hodnot pro vyloučení nežádoucího chování konstrukce (například určení bezpečné
šířky trhliny apod.), musí být projektantem v závislosti na konkrétní situaci uvážena i hodnota 0,05 a
0,95 kvantilu normálního rozdělení. Příslušné hodnoty musí být získány z podkladů daného výrobce.
29
(d))14 a mezní poměrné přetvoření f,l odpovídající uvedené pevnosti v tahu. V souladu se
závěry četných výzkumných skupin [3.3] lze uvažovat rozložení četnosti získaných výsledků
dle normálního (Gaussova) rozdělení.
GFRP výztuž vyráběná pultruzí vykazuje (obvykle) nejvyšší tahové vlastnosti při osovém
namáhání ve směru vláken, odklon směru namáhání od podélné osy způsobuje snížení
únosnosti výztuže (ortotropní chování výztuže). Únosnost výztuže dramaticky klesá při větším
odklonu výslednice od osy než 15° [3.4]. Je proto výhodné navrhovat GFRP výztuž
namáhanou pouze centrickým tahem bez kombinace účinku smykové síly. V opačném případě
dochází k odklonu směru namáhání od podélné osy výztuže a je nutno tuto skutečnost při
určení únosnosti GFRP výztuže zohlednit. Teoretický přístup je uveden v rámci podkladu [3.4].
GFRP výztuže vyráběné z termosetových matric nelze po vytvrzení dále ohýbat, došlo by
k porušení výztuže. Při požadavku na výrobu ohýbaných prutů je toto nutno provést již ve
výrobně. V případě ohybu výztuže je dle [3.3] nutno z důvodu nehomogenity rozprostření
vláken a jejich nestejnoměrnému využití při vnášení zatížení uvažovat s redukcí tahové
pevnosti na cca 40 až 50% původní hodnoty přímého prutu. Přesná hodnota závisí především
na poměru poloměru ohybu ku průměru výztuže [3.13]. Redukční vztah lze uvažovat ve tvaru


r
f b f, l, d   0,05  b  0,3  f f, l, d  f f, l, d ,
f


(1)
kde
f bf,l,d
je návrhová pevnost GFRP výztuže průměru Øf v místě ohybu o poloměru rb.
Vztah (1) je převzat z Japonského návrhového podkladu [3.13] a v nezměněné formě jej
používá i směrnice [3.3].
Materiálové charakteristiky v tahu, jež jsou pro GFRP výztuže obvyklé, jsou prezentovány
v tab. 3.5. Tabulka obsahuje pro srovnání i typické parametry dosahované u měkké betonářské
výztuže.
Tab. 3.5 Obvyklé krátkodobé tahové charakteristiky GRFP výztuže, údaje platné pro
objemové množství vláken 50 až 75% (převzato z [3.3] a [3.4])
14
Charakteristická, respektive návrhová hodnota tahové pevnosti by měla odpovídat 0,05, resp. 0,001
kvantilu normálního rozdělení. Výše uvedené vychází z ČSN EN 1990.
Dle ACI 440.1R-06 je návrhová hodnota určena jako rozdíl zkouškami stanovené střední hodnoty
a trojnásobku směrodatné odchylky. Výsedná hodnota garantuje, že s 99,87% pravděpodobností
nebude dosažena nižší hodnota (při experimentálním programu s 25 a více vzorky). Návrhová
(zaručená) hodnota dle ACI 440.1R-06 je ve shodě s hodnotou získanou dle EN 1990.
30
Vlastnost
GFRP
Ocel
Modul pružnosti (podélný směr) Ef,l [GPa]
35 - 60
200
450 - 1600
450 - 600
1,2 - 3,7
5 - 20
Mezní napětí v tahu (podélný směr) ff,l,m [MPa]
Mezní přetvoření v tahu f,l [-]
3.3.2
Chování GFRP výztuže v tlaku
V současnosti pro návrh GFRP výztuží pužívané podklady [3.3], [3.4] nebo např. [3.14]
nedoporučují uvažovat při návrhu s jejich tlakovou únosností. U GFRP výztuží s ortotropními
vlastnostmi je chování v tlaku a tahu odlišné. V tlaku je dosahováno obecně nižších modulů
pružnosti i mezních pevností. Určením krátkodobých mechanických charakteristik GFRP
výztuže v tlaku se zabývá několik vybraných zahraničních prací, ovšem - především z hlediska
popisu dlouhodobého chování - nejsou k dispozici relevantní údaje, které by umožňovaly jejich
bezpečný návrh.
3.3.3
Chování GFRP výztuže ve smyku
Lze rozlišit dva základní způsoby porušení GFRP kompozitu smykem: interlaminární (podélný)
smyk a příčný smyk (střih). Interlaminární smykové porušení je pro GFRP výztuže zabudované
v konstrukci méně pravděpodobné (vyjma porušení kotevní oblasti při vytažení výztuže) 15. V
odborné literatuře (např. [3.15] nebo [3.7]) jsou dostupné teoretické vztahy pro určení této
odolnosti.
V betonových prvcích může nastat druhý způsob smykového porušení výztuže - porušení
střihem (příčným smykem), toto porušení se vyskytuje např. u smykových trnů. Pro případ
porušení příčným smykem je mezní napětí zjišťováno pro čisté střihové namáhání průřezu
výztuže. Při určení mezního napětí ve smyku ff,s je tedy vycházeno z předpokladu, že v příčném
řezu výztuže (ve smykové rovině) nevznikají normálová napětí a v posuzovaném řezu existuje
stav čistého (prostého) smyku - výztuž je "ustřižena". Zkoušky stanovení mezního smykového
napětí ve střihu výztuže jsou zmíněny v kapitole 6.
Chování GFRP výztuží při smykovém namáhání je vždy dominantně řízeno vlastnostmi
matrice. U čistého střihu však nelze vyloučit sekundární vliv použitých vláken a závislost
výsledné pevnosti na modulu pružnosti - je pravděpodobné, že pro výztuž s vyšším modulem
15
Hodnota interlaminární smykové odolnosti je často skryta za mezním napětím v soudržnosti, kdy při
porušení kotevní oblasti dochází k podélnému usmýknutí povrchové vrstvy výztuže.
Interlaminární smykové odolnosti se také velmi často využívá při testech degradace výztuže, kdy dle
zjištěných výsledků je usuzováno na míru degradace matrice.
31
pružnosti bude dosaženo i vyšší mezní střihové odolnosti. Vliv na výslednou hodnotu má též
orientace vláken. V případě použití ovíjení vnějšího povrchu výztuže vlákny pod úhlem
s významným odklonem od hlavní podélné osy dochází i ke zlepšení hodnot střihové odolnosti
([3.4]).
S ohledem na výše uvedené a nedostatek dostupných relevantních zdrojů je třeba v případě
návrhu výztuže namáhané střihem vycházet z hodnot dodaných výrobcem navrženého
produktu, který musí uvést i způsob (zkušební postup), jakým byla daná hodnota stanovena.
Je třeba též upozornit na skutečnost, že (shodně s charakteristikami v tlaku) nelze bezpečně
usuzovat na dlouhodobé chování vzorku ve střihu, čehož si projektant při návrhu musí být
vědom.
Soudržnost
3.3.4
Zajištění soudržnosti GFRP výztuže s okolním betonem je zcela klíčové pro návrh betonových
prvků vyztužených tímto moderním materiálem. Mechanismus přenosu zatížení z betonu do
výztuže ovlivňuje chování konstrukce - průhyb, šířky a vzdálenost trhlin, potřebnou minimální
tloušťku krycí vrstvy a především nutnou kotevní délku. Soudržnost je závislá především na
povrchové úpravě výztužných vložek, dále pak na mechanických charakteristikách samotné
výztuže (modul pružnosti, typ matrice apod.) a vnějších podmínkách, které mohou negativně
ovlivňovat výslednou hodnotu soudržnosti.
Při kotvení výztuže v betonu dochází k přenosu tahové síly následujícími způsoby:
-
chemickou adhezí povrchu výztužné vložky k betonu;
-
třením při posunu mezi výztuží a okolním betonem;
-
mechanickým zaklesnutím nerovností povrchu výztuže do okolního betonu.
Prováděný výzkum (např. [3.16], [3.17], [3.18]) zaměřený na chování výztuží s různými
povrchovými úpravami ukazuje, že způsoby porušení a chování kontaktu GFRP výztuže jsou
obecně odlišné od klasických ocelových výztužných vložek s žebírky. Největším rozdílem je
pravděpodobně skutečnost, že zde nehraje zásadní roli třída betonu. Publikované experimenty
[3.19] ukazují, že k porušení FRP výztuže dochází přetržením (v případě dostatečné kotevní
délky) a nebo vytržením z betonu. V obou případech nedochází k žádnému či pouze
minimálnímu poškození okolního betonu. Je zřejmé, že nejslabším článkem je smyková
únosnost matrice (v podélném smyku), neboť ta omezuje únosnost kotvené výztuže [3.14].
Toto zjištění je klíčové i z hlediska dlouhodobého chování kontaktu.
Únosnost kotevní oblasti je tak dominantně řízena kontaktem mezi GFRP výztuží a okolním
betonem. Pozitivním přínosem je snížení rizika vzniku příčných sil v kotevní oblasti a v jejich
32
důsledku pak vzniku trhlin podél výztuže. I díky tomu je možné snížit tloušťkou krycí vrstvy bez
nebezpečí snížení únosnosti [3.20].
Pro dosažení dostatečné únosnosti kontaktu je nutná adekvátní povrchová úprava GFRP
výztuže. Dle tohoto manuálu nesmějí být navrhovány hladké GFRP výztuže bez povrchové
úpravy. Vhodnými povrchovými úpravami jsou pískování, žebírka, ovinutí vystupujícími vlákny
apod. Příklad vhodné povrchové úpravy je patrný na obr. 3.4 (převzato z [3.14]).
Obr. 3.4 Příklad povrchové úpravy GFRP výztuže (nahoře: žebírka; uprostřed: pískování;
dole: ovíjení a pískování); [3.14]
Existuje mnoho zkušebních postupů pro určení soudržnosti GFRP výztuže s betonem.
Konfigurace testu značně ovlivňuje dosažené hodnoty napětí v soudržnosti. Je proto nezbytně
nutné, aby dodavatel produktu, z jehož údajů bude při návrhu kotevní délky čerpáno,
specifikoval i metodiku zkoušky, ze které byl získán potřebný údaj o soudržnosti. Blíže o
doporučených postupech testování pojednává kapitola 6 tohoto manuálu. Stanovením
mezního napětí v soudržnosti, resp. výpočtem kotevní délky GFRP výztuže, se podrobně
zabývá kapitola 5 manuálu.
3.4
Změny mechanických vlastností v čase (časově proměnné - dlouhodobé chování)
GFRP výztuž se od klasické ocelové odlišuje především v čase proměnnými vlastnostmi.
Z hlediska bezpečného návrhu s ohledem na plánovanou životnost konstrukce je zcela
nezbytné popsat toto chování a při návrhu jej zohlednit.
Odstavec 3.4.1 obsahuje hodnoty mezního napětí přípustného z hlediska dlouhodobě působící
složky zatížení. Tyto limitní hodnoty jsou konzervativní a vycházejí ze směrnic [3.3] a [3.4],
33
jejichž závěry jsou založeny povětšinou na urychlených degradačních testech16. Avšak
prezentované výsledky studií in-situ [3.1], [3.2] poukazují na skutečnost, že redukční
koeficienty stanovené za pomoci těchto testů jsou velmi konzervativní a s ohledem
na dosažené výsledky neopodstatněné. Při absenci přesnějších a experimentálně ověřených
hodnot je však nutno tyto limity pro dlouhodobě působící zatížení při návrhu uvážit.
Problematiku degradace výztuže podrobně řeší kapitola 4 manuálu.
V odstavci 3.4.2 je popsán postup pro určení dlouhodobé (zůstatkové) pevnosti v podobě
navrhované dle [3.4]. Tento postup je však pouze postupem informativním. Závazný pro návrh
je údaj garantovaný výrobcem daného produktu a to i s uvedením metodiky, jakou byla
hodnota získána. Podrobněji se metodikou zkoušení dlouhodobé pevnosti GFRP výztuže
zabývá kapitola 6.
3.4.1
Dotvarování výztuže (creep)
GFRP výztuže vystavené dlouhodobému působení zatížení17 vykazují nárůst deformace
v čase - dochází k dotvarování výztuže18 - a mohou i při hladinách zatížení nižších, než-li je
jejich krátkodobá pevnost ff,l,d, náhle selhat. Tento jev je v odborné literatuře [3.4] nazýván
"creep rupture". U GFRP výztuží je třeba sledovat nejen přetvoření, ale především
dlouhodobou tahovou pevnost výztuže, tj. aby pro definovanou hladinu zatížení bylo zajištěno,
že nedojde k náhlému porušení/přetržení výztužných prutů před dosažením plánované
životnosti konstrukce.
Průběh dotvarování v čase lze u kompozitních výztuží rozdělit do tří fází (viz obr. 3.5). Po
vnesení zatížení a tomu odpovídající okamžité elastické deformaci proběhne během relativně
krátkého časového intervalu po zatížení konstrukce časově závislá deformace (dotvarování)
s klesající intenzitou (podobný průběh lze nalézt u dotvarování betonu) - fáze I. Tento jev lze
vysvětlit postupným přerozdělením vneseného zatížení z celého kompozitu na jednotlivá
16
Nevýhoda využití pevně definovaných limitních hodnot (koeficientů) pro omezení dlouhodobě
působícího napětí ve výztuži (tj. postup dle ACI 440.1 a CSA 806) spočívá především v chybějícím
statistickém vyhodnocení získaných výsledků. Normy navíc nikterak neomezují velikost působícího
nahodilého zatížení v čase.
Další nevýhodou se ukazuje také chybějící motivace pro výrobu a vývoj výztuží s lepšími
dlouhodobými parametry, neboť v těchto směrnicích není umožněno upravit limitní koeficient
s ohledem na reálně získané výsledky z provedených a statisticky vyhodnocených dlouhodobých
testů.
17
Dlouhodobě působícím zatížením je myšlena kvazistálá kombinace zatížení - tj. stálé zatížení +
dlouhodobá složka nahodilého zatížení.
18
Z hlediska dlouhodobého chování GFRP výztuže je dotvarování nepružnou deformací narůstající
v čase při konstantní hladině působícího zatížení.
34
vlákna. Platí, že okamžitě po vnesení zatížení lze počáteční přetvoření 0 vypočítat (při uvážení
homogenity průřezu) jako
0 

Ef, l


Efibre Vfibre  E matrix  1  Vfibre 
,
(2)
kde
Efibre
je modul pružnosti nosných vláken;
Vfibre
objemový podíl vláken;
Ematrix modul pružnosti matrice.
Po vnesení zatížení však dochází k dotvarování matrice a přerozdělení působícího napětí z
matrice pouze na nosná vlákna. Přetvoření se tedy zvýší díky postupné redukci příspěvku
matrice na celkový modul GFRP výztuže (viz vztah (2)). Tato redukce probíhá pro většinu
polymerních materiálů lineárně vzhledem k logaritmu času [3.4]. Redistribuce napětí z matrice
do vláken je pro nízké hladiny přetvoření vratná, tj. po odtížení vzorku dochází k postupnému
vymizení přetvoření způsobeného dotvarováním kompozitu [3.23]. Pro kompozitní materiály s
vysokým podílem vláken je velikost přetvoření od dotvarování v této fázi nízká [3.5].
Druhá fáze dotvarování je charakterizována pozvolným (velmi mírným) nárůstem přetvoření
po dlouhou dobu. Zde již řídí celý proces dominantě nosná vlákna. V této oblasti by se správně
navržená GFRP výztuž měla pohybovat po celou dobu životnosti konstrukce. Dostane-li se
dotvarování výztuže do terciální fáze, nastane prudký nárůst deformace, jenž vyústí
v nečekané křehké selhání vláken kompozitu. Je proto důležité definovat takové hodnoty
dlouhodobě působícího zatížení (stanovit poměr dlouhodobě působícího zatížení ku
jednorázové únosnosti), aby se po dobu plánované životnosti konstrukce výztuž nedostala do
třetí fáze a nedošlo tak k náhlému přetržení výztuže a kolapsu konstrukce.
35
Obr. 3.5 Idealizovaný nárůst deformace (dotvarování) GFRP výztuže v závislosti na čase,
převztato z [3.4]
Z výše uvedeného je zřejmé, že "odolnost/životnost" GFRP výztuže roste, pokud klesá poměr
mezi dlouhodobě aplikovaným zatížením a jednorázovou odolností. Přímý dopad má
kompozice GFRP výztuže, především objemový podíl vláken (s vyšším podílem vláken je
výztuž méně náchylná k dotvarování) a též způsob (směr) zatížení. V případě způsobu
zatěžování, kdy dominantní roli v odolnosti hraje matrice, dochází k vyšší hodnotě dotvarování
kompozitu, neboť klesá příznivý vliv vláken a vše je více řízeno chováním matrice [3.22].
Publikované články se shodují, že existuje lineární závislost mezi pevností při přetržení vlivem
dotvarování (dlouhodobá tahová pevnost; creep rupture strength) a logaritmem času a to pro
všechny úrovně aplikovaného zatížení. Z toho je zřejmé, že pro vysoké hladiny zatížení blížící
se mezní krátkodobé tahové pevnosti vzorku dochází k velmi rychlému porušení dotvarováním
v řádu jednotek hodin, v případě nižších hladin působícího zatížení je však výztuž schopna
tomuto zatížení odolávat desítky let.
Neoddělitelný vliv na výsledné hodnoty dlouhodobé tahové pevnosti pro požadovanou
životnost konstrukce má míra agresivity okolního prostředí, tj. v jakém prostředí se zatížená
GFRP výztuž nachází. Dominantní z tohoto hlediska je především vliv alkality okolního
prostředí a také teplota, zmrazovací cykly a též vlhkost [3.22], [3.23].
Negativními vlivy okolního prostředí na výsledné charakteristiky GFRP výztuže se podrobně
zabývá kapitola 4. Z tohoto důvodu je v této části textu téma pouze stručně shrnuto a to
především s ohledem na stanovení dlouhodobých tahových charakteristik.
Literatura [3.22], [3.23] sumarizuje výsledky dosažené z krátkodobých experimentů (délka cca
100 hodin) ověřujících chování GFRP výztuží malých průměrů19 při aplikované hladině
zatížení. Testy byly prováděny bez vlivu vlhkosti, alkality a teploty. Získaná data byla
extrapolována pro životnost konstrukce cca 50 let. Z testů vyplynulo, že GFRP výztuž může
být zatížena na cca 29 až 55% krátkodobé pevnosti. Oproti tomu jsou prezentovány závěry
studie [3.24], v rámci které byly testovány vzorky GFRP výztuže vystavené cca 38%
jednorázového (krátkodobého) zatížení po dobu 104 hodin. Vzorky byly testovány v mokrém
prostředí o pH = 7.0 a pH = 12.8. Výsledky studie poukazují na významně lepší zbytkové
pevnosti, než jsou očekávány dle [3.3].
19
Vliv průměru na rychlost degradace nelze zanedbat. V kapitole 3.4.2 uvedený postup stanovení
dlouhodobé pevnosti GFRP výztuže při výpočtu vliv průměru zohledňuje, přičemž platí, že u menších
průměrů jsou výsledné časově závislé charakteristiky nižší.
36
Závěry prezentované v [3.22] poukazují na skutečnost, že způsob porušení při dotvarování
závisí na okolním prostředí a hladině působícího zatížení. Pokud je úroveň dlouhodobě
působícího zatížení na vzorcích uložených v roztoku NaOH cca 20 až 30% mezního
jednorázového zatížení, dochází k poškození vláken. V případě uložení ve vlhkém betonu,
dochází k poškození kontaktu mezi vlákny a matricí. V případě vysokých hladin působícího
zatížení (přes 55%) vzorky selhávají porušením vláken i matrice.
Z výše uvedeného vycházejí doporučené limity pro GFRP výztuž z hlediska omezení
dlouhodobě působícího zatížení. Uvedeny jsou hodnoty převzaté z [3.3] a [3.5]:
-
dle ACI 440.1R-06 [3.3] pro vlhké prostředí (0,7 x 0,2) = 0,14 ffu ≈ 0,14 ff,l,d ;
pro suché prostředí (0,8 x 0,2) = 0,16 ffu ≈ 0,16 ff,l,d (životnost 100 let s vlivem prostředí,
srovnává se charakteristická hodnota působícího zatížení);
-
dle MC 2010 [3.5] je možno uvážit 0,30 ff,l,d (životnost 50 let; není uvedeno, zda s vlivem
či bez vlivu prostředí).
Zahraniční studie [3.25], [3.22] se shodují, že modul pružnosti výztuže není v dlouhodobém
měřítku působícím zatížení podstatně ovlivněn a může být tedy po celou životnost konstrukce
uvažován ve shodné hodnotě. Je třeba pouze uvážit, že toto konstatování platí pro běžnou
teplotu. Některé testy poukazují na mírné snížení hodnoty modulu pružnosti při vystavení
vzorků vysoce alkalickým roztokům.
3.4.2
Výpočtový postup dle [3.4] pro určení dlouhodobého mezního napětí pro GFRP
výztuž
V kapitole 3.4.1 uvedené hodnoty vycházejí z provedených experimentů a jsou pro značný
rozptyl získaných výsledků těžko tabelovatelné do několika málo limitujících hodnot. Mezní
přípustné napětí stanovené dle [3.3] v úrovni cca 0,14 návrhové tahové pevnosti ff,l,d je proto
značně konzervativní a pro většinu komerčně dostupných produktů neekonomické, navíc
nevychází
ze
statistického
vyhodnocení
experimentálních
dat
zohledňujícího
pravděpodobnost dosažení sledované veličiny a není proto plně kompatibilní s metodikou
návrhu dle EN norem. V rámci fib Bulletinu no.40 [3.4] je proto navržen nový postup k určení
mezního přípustného napětí, který zohledňuje významné parametry ovlivňující tuto hodnotu,
jako je vlhkost, teplota či požadovaná délka životnosti konstrukce. Tím umožňuje stanovit
přesnější hodnotu více odpovídající podmínkám, v jakých bude výztuž umístěna. Návrh, jenž
musí vycházet z podkladů výrobce/dodavatele produktu (degradační zkoušky daného typu
výztuže), je tak ve svém důsledku méně konzervativní a dovoluje více využít potenciál GFRP
výztuže.
37
Návrhová dlouhodobá (tj. pro požadovanou životnost konstrukce) pevnost v tahu je určena na
základě vztahu
f f,LT
l, d 
f f, l, d
env, t
,
(3)
kde
ηenv,t
je redukční součinitel zohledňující dlouhodobé účinky prostředí. Jedná se o poměr mezi
krátkodobou a dlouhodobou pevností GFRP výztuže v daném prostředí.
Redukční součinitel ηenv,t je možno stanovit dvěma způsoby. Výběr vztahu závisí na
skutečnosti, zda-li je k dispozici experimentálně stanovená hodnota napětí f1000hf,l,d. Jedná se
o napětí, kterým musí být vyztuž zatížena, aby došlo k jejímu porušení v horizontu 1000 hodin
při laboratorní teplotě. Hodnota by neměla pocházet z teplotně urychleného testu. Pokuď je
tato hodnota známa, pak lze součinitel stanovit dle vztahu
f f,1000h
l, d
 env, t 
f f, l, d
100  R10  / 100n
.
(4a)
V případě, že hodnota mezního zatížení při porušení v 1000 hodinách známa není, využije se
vztah
env, t 
1
100  R10  / 100n 2
.
(4b)
Ve výše uvedených vztazích značí R10 redukci tahové pevnosti v procentech za logaritmickou
dekádu. Je získána z degradačních testů vlivu okolního prostředí (podrobněji bude tyto testy
specifikovat kapitola 6 manuálu). Exponent n je složen ze čtyř dílčích členů
n  nmo  nT  nSL  nd
(5)
kde:
nmo
zohledňuje vlhkost prostředí, kde bude výztuž zabudována. Může nabývat hodnoty -1
(pro suché prostředí - RH cca 50%, tj třída prostředí XC1 dle [3.27], resp. [3.28]);
0 (konstrukce občas v kontaktu s vodou s průměrnou vlhkostí - RH cca 80%, tj. třída
XC3, XD1, XD3, XS1, XS3) a nebo +1 (pro mokré prostředí s RH = 100%, třídy XC2,
XC4, XD2, XS2);
nT
zohledňuje teplotu prostředí. Nabývá hodnot -0,5 (pro střední roční teplotu v místě
obvyklou nižší než +5°C); 0 (teplota od +5°C do +15°C); +0,5 (+15°C až +25°C) a +1,0
(+25°C až +35°C);
38
nSL
zohledňuje předpokládanou životnost konstrukce. Nabývá hodnot +1 (životnost 1 rok);
+2 (10 let); +2,7 (50 let) nebo +3 (100 let);
nd
zohledňuje případnou rozdílnost průměru výztuže oproti testovanému vzorku. Může
nabývat hodnoty 0 (větší průměr než byl testovaný); 0 (shodný průměr); +0,5 (průměr
je nižší, cca 75% testovaného) nebo +1,0 (průměr je nižší, cca 50% testovaného).
3.4.3
Únava
Únavu lze dle [3.25] popsat jako narušení celistvosti materiálu (v homogenním prostředí
materiálu vznikají mikrotrhliny) v důsledku vysokého počtu opakujících se zatěžovacích cyklů,
jež vedou ke zhoršení mechanických vlastností jako je pevnost nebo tuhost. Proto dostupné
směrnice ([3.4], resp. [3.3]) při cyklickém zatížení pracují s pojmy jako únavová pevnost či
únavová tuhost. Literatura [3.25] definuje pojem „únavový limit“, což je hodnota napětí, po
kterou může být výztuž bez porušení cyklicky namáhána. Dostupné podklady se dominantně
zabývají chováním kompozitní výztuže při vysokocyklickém zatížení (tj. pro cca 2.106 cyklů).
Zkušební postupy pro ověření chování výztuže při opakovaném zatížení jsou normovány,
podrobněji viz kapitola 6.
Stanovení únavové pevnosti kompozitní výztuže je vzhledem ke způsobům porušení, jež
mohou nastat, vždy komplexní úloha. Dle [3.25] může dojít k únavovému porušení matrice
(trhliny v matrici), nosných vláken (přetržení vlákna), kontaktu mezi vlákny a matricí
(delaminace) či kombinací předchozích způsobů porušení. Literatura [3.22] uvádí, že únavové
charakteristiky více ovlivňuje matrice než-li vlákna.
Podklady [3.22] a [3.3] uvádí, že existuje pouze limitované množství studíí ověřujících únavové
chování vnitřních GFRP výztuží, přičemž získané výsledky značně variují. Podklad [3.22]
uvádí závěr studie, ktará poukazuje na fakt, že mostovka vyztužená GFRP výztuží má
významně vyšší únavový limit než kosntrukce z běžného železobetonu. Oproti tomu [3.25]
prezentuje výsledky, které uvádějí, že kompozity na bázi skleněných vláken jsou na únavové
zatížení značně citlivé.
Dle [3.25] dochází vždy pro desetinásobné zvýšení cyklů díky
únavovému zatížení k poklesu limitní tahové pevnosti o cca desetinu z původní krátkodobé
tahové pevnosti.
Z tohoto důvodu směrnice [3.3] započítává napětí ve výztuži vyvolané únavovým zatížením do
napětí vyvolaného stálým zatížením a zároveň konzervativně omezuje napětí ve výztuži od
dlouhodobého zatížení (a tedy i únavového zatížení) na maximálně 14% respektive 16% (viz
kapitola 3.4.1 z krátkodobé tahové pevnosti GFRP výztuže.
39
fib Model Code 2010 [3.5] konstatuje, že GFRP výztuže jsou k únavě citlivější než-li ocelové
výztuže. V rámci [3.5] je uvedeno, že mezní rozkmit napětí pro dosažení 2.106 cyklů je pro
GFRP výztuž vyrobenou z epoxidové pryskyřice a E-vláken cca 75 MPa, pro GFRP výztuž
z polyesterové pryskyřice a E-vláken pak cca 60 MPa. Údaje jsou uvedeny pro maximální
aplikované napětí na úrovni přibližně 50 % z charakteristické pevnosti materiálu.
3.5
[3.1]
Literatura
Mufti A, Onofrei M, Benmokrane B, et al. Durability of GFRP reinforced concrete in field
structures. ACI Spec Publ 2005; 230: 1361–1378.
[3.2]
Mufti, A., Onofrei, M., Benmokrane, B., Banthia, N., Boulfiza, M., Newhook, J., Tadros,
G., Bakht, B., Brett, P. (2005) Studies of Concrete Reinforced with GFRP Specimens
from Field Demonstration Projects. ISIS Canada Research Network Technical Report.
Winnipeg, Manitoba, Canada.
[3.3]
American Concrete Institute (ACI). (2006). Guide for the design and construction of
concrete reinforced with FRP bars, ACI 440.1R-06, Farmington Hills, Mich.
[3.4]
fib Bulletin no. 40, “FRP reinforcement in RC structures”, International federation for
[3.5]
fib Model Code for Concrete Structures 2010, International federation for structural
[3.6]
Schwartz, M. M.: „Composite materials, Vol. I. a II.“, 1997, New Jersey, USA, ISBN 9780070-55819-9
[3.7]
Bank, L. C.: „Composites for construction: Structural design with FRP materials“, 2006,
New Jersey, USA, ISBN 978-0471-68126-7
[3.8]
Sawpan, M.A., Holdsworth, P.G., Renshaw, P.: Glass transitions of hygrothermal aged
pultruded glass fibre reinforced polymer rebar by dynamic mechanical thermal analysis.
Materials and Design 42 (2012), pp. 272-278
[3.9]
Schapery, R.A.: Thermal Expansion Coefficients of Composite Materials Based on
Energy Principles, Journal of Composite Materials (1968), 2 (3), pp. 380-404
[3.10] Faza, S. S., GangaRao, H. V. S.: "Glass FRP Reinforcing Bars for Concrete", FiberReinforced-Plastic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures: Properties and
Applications, Developments in Civil Engineering, V. 42, A. Nanni, ed., Elsevier,
Amsterdam, pp. 167-188
[3.11] ČSN EN 1990; Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí; březen 2004
40
[3.12] STN EN 1990; Eurokód: Zásady navrhovania konštrukcií; srpen 2009
[3.13] Japan Society of Civil Engineers (JSCE), Recommendation for Design and
Construction of Concrete Structures Using Continuous Fiber Reinforcing Materials,
Concrete Engineering Series No. 23
[3.14] Nanni, A.; De Luca, A.; Zadeh, H. J.: Reinforced Concrete with FRP Bars: Mechanics
and Design; 2014; ISBN: 978-0-41577-882-4
[3.15] P. K. Mallick. Fiber reinforced composites, materials, manufacturing, and design. New
York, 1988, ISBN: 978-0-8493-4205-9
[3.16] Itoh, S., Maruyama, T., Nishiyama, H.: Study of bond characteristics of deformed fiber
reinforced plastic rods, Proceedings Japan Concrete Institute 11 (1), 1998, p.777-782,
ISSN 1347-7560
[3.17] Makitani, A., Irisawa, I., Nishiura, N.: Investigation of bond in concrete member with
fibre reinforced plastic bars, ACI International symposium on FRP reinforcement for
concrete structures, SP-138, Vancouver, 1993, p. 315-332
[3.18] Benmokrane, B., Tighiouart, B., Chaallal, O.: Bond strength and load distribution of
composite GFRP reinforcing bars in concrete, ACI Materials Journal 93 (3), 1996,
p. 246-253, ISSN 0889-325X
[3.19] Nanni, A.; Bakis, C. E., Boothby, T. E.: Test methods for FRP-concrete systems
subjected to mechanical loads: state-of-the-art review, Journal of Reinforced Plastics
and Composities. 1995 (14), p. 524-558, ISSN 0731-6844
[3.20] Horák, D.: Kotevní oblasti vnitřních nekovových výztuží, Disertační práce, VUT v Brně,
Fakulta stavební, 2011, 117 str.
[3.21] ISIS Canada research network, Design Manual No. 3 - Reinforcing Concrete Structures
with Fibre Reinforced Polymers, 2007, ISBN 0-9689006-6-6
[3.22] Benmokrane, B., Mohamed, H. M.: Durability Issues of FRP for Civil Infrastructure, 11th
International Symposium on Fiber Reinforced Polymers for Reinforced Concrete
Structures (FRPRCS11). Guimaraes2013. 2013. p. 11-4.
[3.23] Karbhari, V. M. (Ed.). Durability of composites for civil structural applications, Elsevier,
2007, ISBN 978-0-8493-9109-5
[3.24] Nkurunziza, G., Benmokane, B., Debaiky, A. S., Masmoudi, R. (2005) Effect of
sustained load and environment on long-term tensile properties of glass FRP
reinforcing bars, ACI Structural Journal, vol 102, no 4, p. 615-621.
41
[3.25] Ceroni, F.; Cosenza, E.; Gaetano, M.; Pecce, M.: „Durability issues of FRP rebars in
reinforced concrete members“, Cement & Concrete Composites 28, 2006, p. 857 – 868,
ISSN 0958- 9465
[3.26] CSA S807-10 - Specification for fibre-reinforced polymers, Canadian Standards
Association (CSA), 2010, ISBN: 978-1-55491-394-7
[3.27] ČSN EN 206 (73 2403): Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda; 2014
[3.28] STN EN 206-1 (73 2403): Betón. Časť 1: Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda; 2002
[3.29] WANG, Y.C.; WONG, P.M.H.; Kodur, V.: "An experimental study of the mechanical
properties of fibre reinforced polymer (FRP) and steel reinforcing bars at elevated
temperatures", Composite Structures, Volume 80, Issue 1, September 2007, 131-140,
ISSN 0263-8223. http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2006.04.069
[3.30] SAAFI, M.: "Effect of fire on FRP reinforced concrete member", Composite Structures,
Volume
58,
Issue
1,
October
2002,
11-20,
ISSN
0263-8223,
http://dx.doi.org/10.1016/S0263-8223(02)00045-4
4
TRVANLIVOSŤ A KRYTIE GFRP VÝSTUŽE (BILČÍK)
Betón a v betóne zabudovaná GFRP výstuž sú v konštrukcii vystavené nielen priamym
a nepriamym zaťaženiam, ktoré v nich vyvolávajú napätia, ale aj environmentálnym
zaťaženiam (fyzikálne, chemické a biologické účinky prostredia). Pre použitie GFRP výstuže
sa preto nevyžaduje iba dodržiavanie podmienok spoľahlivosti zohľadňujúce ich počiatočné
a dlhodobé mechanické vlastnosti, ale aj dlhodobých účinkov prostredia (starnutie). Pri
hodnotení dlhodobého chovania GFRP výstuže v stavebníctve sa rozlišujú tieto mechanizmy
porušovania: nasiakavosť a jej vplyv na fyzikálne a mechanické vlastnosti, dotvarovanie
a relaxácia napätí,únava spojená s účinkami prostredia, zvetrávanie. Všetky tieto mechanizmy
môžu byť považované za dôsledok útoku vonkajších činiteľov: vlhkosti a vodných roztokov,
tepelných účinkov (vysoké teploty, zmrazovacie a rozmrazovacie cykly), dlhodobých
a únavových zaťažení, alkalických alebo kyslých roztokov, UV žiarenia, požiaru [4.1].
Uvedené mechanické, fyzikálne a chemické účinky zmenšujú dlhodobú pevnosť GFRP
výstuže. Pomer medzi dlhodobou pevnosťou (po 57 rokoch) a počiatočnou pevnosťou, zistený
na základe lineárnej extrapolácie laboratórnych skúšok po 100 h je podľa ACI 440.1R [4.2]:
0,29 pre GFRP, 0,47 pre AFRP a 0,93 pre CFRP výstuž. Malá hodnota pomeru pre GFRP
42
výstuž zvýrazňuje význam overovania trvanlivosti GFRP výstuže. Vzhľadom na to, že na
výrobu GFRP výstuže sa používajú rôzne typy sklenených vlákien, napr. E-sklo, AR-sklo,
Advantex, polymérnych matríc (epoxidová, vinylesterová, polyesterová a ich kombinácie),
technológie výroby a povrchové úpravy, čo má významný vplyv ako na počiatočnú, tak aj
nadlhodobú pevnosť, nemôže jedna hodnota (napr. 0,29) dostatočne reprezentatívne
vyjadrovať pomer pre všetky typy a priemery GFRP výstuže.
V krajinách EU bolo dohodnuté, že vzhľadom na veľkú variabilitu vyrábaných GFRP výstuží,
bude navrhovanie na environmentálne zaťaženia súčasťou stavebno-technického osvedčenia
výrobcu a nie smerníc (noriem). V smernici na navrhovanie GFRP výstuže budú pre každý
materiál definované iba všeobecné a bezpečné charakteristické hodnoty. Parametre uvedené
v stavebno-technickom osvedčení pre daný typ GFRP výstuže majú prednosť pred
všeobecnou smernicou. Tými sú v tomto prípade dlhodobé odolnosti [4.3]. Navyše sa účinky
priamych a environmentálnych zaťažení vyšetrujú súčasne. Kombinácia oboch účinkov sa
overuje jednou skúškou, to znamená, že vzorka vystavená agresívnemu prostrediu je zároveň
pod napätím, ktoré zodpovedá dlhodobej pevnosti GFRP vo vlhkom betóne. Keďže GFRP
výstuž je kompozitný materiál, ktorý má 60 až 65 %-ný objem sklenených vlákien [4.4]
a zodpovedajúci podiel polymérnej matrice, treba pri zisťovaní trvanlivosti analyzovať obe
zložky kompozitu.
V úvode tejto kapitoly treba spomenúť skutočnosť, že technológia výroby FRP výstuže sa
kontinuálne rozvíja a informácie tu uvedené bude treba pravidelne revidovať, aby sa udržal
krok s vývojom nových vlákien a matríc, ako aj pokrokom výrobných technológií.
4.1
Trvanlivosť GFRP výstuže
Vonkajšie prostredie sa vyznačuje mnohými fyzikálnymi a chemickými účinkami, ale len
niektoré z nich majú významný degradačný vplyv na FRP výstuž, zhoršujú jej mechanické
vlastnosti a skracujú životnosť konštrukcie. Vlákna sú hlavný nosný prvok jednosmerne
vystužených FRP prútov. Je preto zrejmé, že poškodenie vlákien alebo kontaktnej oblasti
matrica/vlákna od účinkov agresívneho prostredia môže spôsobiť významné zmenšenie
pevnosti a tuhosti FRP výstuže. Úlohou matrice je chrániť vlákna pred mechanickým
poškodením a chemickými účinkami prostredia, zabezpečiť polohu a orientáciu vlákien
a prenos zaťaženia na jednotlivé vlákna. Na tento účel sa v stavebníctve používajú
termosetové matrice na báze vinylesterových, epoxidových a polyesterových živíc [4.4].
Matrica musí mať požadovanú tepelnú odolnosť a rozmerovú stabilitu aj pri zvýšených
teplotách, nízku nasiakavosť, chemickú odolnosť, vysokú mechanickú pevnosť a tuhosť.
43
Najdôležitejšie účinky na trvanlivosť GFRP výstuže sú diskutované v nasledujúcom texte, aj
keď ich vplyv závisí na type kompozitného materiálu (druh vlákien a živice).
4.1.1
Účinok vlhkosti a alkalického prostredia betónu
Jeden z hlavných problémov GFRP výstuže je prenikanie vlhkosti a vodných roztokov alebo
kontakt s alkalickým prostredím.
Rýchlosť rozkladu polymérnych kompozitov vystavených kvapalinám je úmerná rýchlosti
absorpcie tekutiny. Nasiakavosť polyméru alebo polymérneho kompozitu závisí na druhu
a koncentrácií kvapaliny, teplote, veľkosti napätia v ťahu, stave poškodenia, chemickej
štruktúre matrice a rozhrania vlákno/matrica. Účinky vlhkosti alebo alkalického roztoku sú
závislé na spomínaných premenných a môžu spôsobiť pokles pevnosti a tuhosti GFRP výstuže
[4.1].
Všetky sklenené vlákna sú citlivé na alkalické prostredie, čo je v prvom rade dôsledok
prítomnosti oxidu kremičitého v sklenených vláknach. Tieto závery boli urobené na základe
urýchlených skúšok, pri ktorých sa GFRP výstuž ponorila do koncentrovaných alkalických
roztokov so zvýšenou teplotou [4.4]. Takto získané výsledky treba porovnať s výsledkami
krátkodobých skúšok v reálnom prostredí.
Pri hydratácií cementu v betóne vzniká hydroxid vápenatý a alkalické hydroxidy, takže pórový
roztok v cementovom kompozite má, v závislosti od zloženia betónu a druhu cementu,hodnotu
pH medzi 10,5 až 13,5. Nižšie hodnoty pH a tým aj zmenšenie agresivity betónu voči GFRP
výstuži sa dosiahne použitím cementov s čiastočnou náhradou portlandského slinku
v cemente prímesami II. typu. Kombinácia alkalického prostredia, hydroxylačných produktov
a vlhkosti môže spôsobiť poškodenie sklenených vlákien [4.1]. K poškodeniu vlákien dochádza
kombináciou dvoch degradačných procesov [4.5]:
1. chemickou koróziou sklenených vlákien v alkalickom prostredí;
2. koncentráciou a zväčšovaním objemu hydratačných produktov medzi jednotlivými
vláknami.
Polymérna matrica poskytuje vláknam čiastočnú ochranu proti uvedenému poškodeniu,
nezabráni však migrácií roztokov s vysokou hodnotou pH a alkalických solí cez matricu (póry,
trhliny) k povrchu vlákien. Viaceré publikácie [4.1], [4.2], [4.6] uvádzajú výsledky skúšok
potvrdzujúce, že kým vynilesterové živce majú dobrú odolnosť proti prenikaniu vlhkosti, tak
polyesterové živice neposkytujú skleneným vláknam potrebnú ochranu voči prenikaniu
alkalických iónov. Nedokonalá výroba a ťahové napätie môže byť príčinou zvýšeného výskytu
pórov, kazov, mikrotrhlín a oblastí kde vlákna nie sú obalené živicou. Spomínané imperfekcie
44
uľahčujú prienik vlhkosti a alkalických iónov k vláknam a urýchľujú porušenie kontaktnej zóny
vlákno-matrica, resp. koróziu sklenených vlákien. Významným činiteľom odolnosti GFRP
výstuže proti alkalickému prostrediu je aj typ použitých sklenených vlákien. V literatúre sa
uvádza zmenšenie pevnosti GFRP výstuže v ťahu od 0 do 75 % pôvodnej pevnosti [4.2]. Na
základe uvedeného, prebieha rozsiahly výskum zameraný na vývoj alkalite betónu lepšie
odolávajúcich sklenených vlákien (napr. Advantex a ARcoteX), ochranných náterov na GFRP
výstuž, ako aj zlepšenie výrobného procesu s cieľom zvýšiť trvanlivosť GFRP výstuže.
Novšie výskumy trvanlivosti GFRP výstuže 5 až 8 rokov starých betónových konštrukcií
mostov [4.7] sú v rozpore s vyššie uvedenými závermi o trvanlivosti GFRP výstuže zistené
z urýchlených skúšok v koncentrovaných alkalických roztokoch. Výsledky analýzy vzoriek
GFRP výstuže odobrané z mostov, ktoré boli vystavené zmenám vlhkosti, zmrazovacím
a rozmrazovacím cyklom, morskému prostrediu a rozmrazovacím soliam potvrdili, že obavy
o trvanlivosti GFRP výstuže v alkalickom prostredí betónu sú neopodstatnené. Dôvodom môže
byť menšia pohyblivosť OH+ iónov v betóne v porovnaní s roztokmi. Na základe týchto
výsledkov došlo k zmene kanadskej normy pre navrhovanie diaľničných mostov vystužených
FRP, ktorá povolila používanie GFRP ako hlavnej aj predpätej výstuže. Druhým dôvodom
zmeny normy je skutočnosť, že v medzných stavoch používateľnosti je limitná hodnota
pevnosti pre GFRP výstuž 25% medznej hodnoty [4.7].
4.1.2
Účinok teploty
Medzi dôležitými vplyvmi vonkajšieho prostredia treba uviesť zmeny tepelných podmienok. Na
zvýšenie teploty GFRP výstuže citlivejšie reagujú vlastnosti polymérnej matrice, ako vlastnosti
sklenených vlákien.
Vplyv teploty na polymérnu matricu možno rozdeliť na krátkodobý a dlhodobý účinok.
Krátkodobý účinok je všeobecne fyzikálny a po návrate teploty do východzej hodnoty je vratný.
Po dlhodobom účinku dochádza k nevratnej chemickej zmene, tento účinok sa označuje ako
starnutie [4.4]. Z hľadiska účinku zvýšených teplôt na vlastností polymérnej matrice sú
významné tieto hodnoty: teplota skleného prechodu, teplotná rozťažnosť a teplotná vodivosť.
Teplota, pri ktorej dochádza k mäknutiu polymérnej matrice a významnej zmene jej fyzikálnych
vlastností sa označuje ako teplota skleného prechodu (glass transition temperature - Tg) [4.4].
Hodnota Tg je závislá na type polymérnej matrice a spôsobe spracovania. Pri vysokých
teplotách vytvrdzované polyestery, vinylestery a epoxidy (továrensky spracované) začínajú
mäknúť a porušovať sa pri teplotách 130 až 140 °C. Za studena vytvrdzované polymérne
matrice (tuhnúce pri bežnej teplote prostredia) majú hodnotu Tg v intervale od 50 do 80 °[8].
Teplota nástupu skleného prechodu modulu pružnosti je prakticky použiteľná veličina pre
45
navrhovanie konštrukcií, nakoľko predstavuje limitnú hodnotu stability nosných vlastností
GFRP výstuže [4.9].
Sklenené vlákna majú väčšiu odolnosť ako polymérne matrice, k zhoršovaniu vlastností
sklenených vlákien dochádza pri teplotách od 300 do 500 °C [4.10].
Pri nižších teplotách (100 až 200°C) FRP kompozity mäknú, dotvarujú a deformujú sa. Pri
vyšších teplotách (300 až 500°C) dochádza k rozkladu polymérnej matrice a uvoľňovaniu tepla
a prchavých toxických látok [4]. Výsledky skúšok preukázali, že pri teplotách okolo 250 °C
dochádza k zmenšeniu ťahovej pevnosti o viac ako 20 %. Niektorí autori odporúčajú pre
navrhovanie konštrukcií, aby GFRP výstuž mala hodnotu Tg o 30 °C vyššiu ako je maximálna
očakávaná teplota konštrukcie. V betónových konštrukciách vystužených GFRP výstužou sú
z hľadiska jej súdržnosti s betónom dôležité najmä vlastnosti polymérnej matrice na povrchu
výstuže. Pri teplotách blízkych hodnote Tg polymérna matrica nie je schopná prenášať
šmykové napätia z betónu do vlákien. Lokálne zmenšenie alebo zlyhanie súdržnosti môže
vyvolať zväčšenie šírok trhlín a priehybov konštrukcie. K náhlemu zrúteniu konštrukcie môže
dôjsť, ak sa vysoké teploty vyskytujú v koncovej oblasti kotvenia GFRP výstuže [4.2].
4.1.3
Účinok súčiniteľa teplotnej rozťažnosti
Súčiniteľ teplotnej rozťažnosti GFRP výstuže závisí od typu vlákien, polymérnej matrice
a objemu vlákien v kompozite a je rozdielny v pozdĺžnom a priečnom smere prútov. Pre
súčiniteľ teplotnej rozťažnosti v pozdĺžnom smere sú dominantné vlastnosti vlákien, kým
v priečnom smere rozhodujú vlastnosti matrice. Keďže súčiniteľ teplotnej rozťažnosti
sklenených vlákien je podstatne menší ako matrice, aj hodnota súčiniteľa GFRP výstuže
v pozdĺžnom smere je výrazne menšia (αf,l = 6,0 až 10 . 10-6 K), ako v priečnom smere (αf,r =
21,0 až 23,0 . 10-6 K-1) [4.2]. To znamená, že v priečnom smere má súčiniteľ teplotnej
rozťažnosti GFRP výstuže približne dvojnásobnú hodnotu ako betón.
4.1.4
Účinok ultrafialového svetla
Ultrafialové (UV) svetlo zo slnečného žiarenia je dostatočne silné na štiepenie kovalentnej
väzby organických polymérov, spôsobujúce ich žltnutie a krehnutie [4.4]. Pri skúškach bol
zistený 8 % pokles pevnosti v ťahu po 500 h expozície. Kombinácia vlhkosti a UV svetla
vyvolala zníženie pevnosti v intervale od 0 do 40 %. Odolnosť GFRP výstuže proti UV svetlu
a podmienky uskladnenia by mal deklarovať výrobca. Účinky UV svetla poškodzujú GFRP
výstuž počas skladovania, po uložení do betónu sa neprejavujú. Na zvýšenie odolnosti GFRP
výstuže sa do polymérnej matrice pridávajú stabilizátory UV svetla.
46
4.1.5
Účinok korózie polymérnej matrice
Odolnosť polymérnej matrice voči chemickej korózii závisí na jej chemickom zložení a väzbe
v monomére. Ako polymérne matrice pre GFRP výstuž sa používajú termosetové polyméry,
ktoré môžu degradovať viacerými mechanizmami. Degradáciu možno rozdeliť do dvoch
hlavných kategórií: fyzikálna a chemická.
Fyzikálna korózia je interakcia termosetových polymérov s obklopujúcim prostredím, ktoré
spôsobuje zmenu jeho vlastností, pričom nedochádza k žiadnej chemickej reakcii.
Chemická korózia prebieha vtedy, keď väzby polyméru sú rozdelené chemickou reakciou
s prostredím. Počas tohto procesu môže nastať skrehnutie, zmäkčenie, spálenie, delaminácia,
odfarbenie polyméru alebo tvorba bubliniek, čo sú obyčajne nezvratné reakcie. Dobré
vytvrdnutie polyméru je dôležitý predpoklad na zmiernenie týchto degradačných účinkov.
Termosetové polyméry majú zlú odolnosť voči koncentrovanej kyseline sírovej a dusičnej.
Účinok vodných roztokov je spojený s hydrolýzou polyméru, pričom vlhkosť degraduje väzby
polymérnych molekúl. Polyméry s vysokou kryštalinitou/hustotou alebo vysokým stupňom
zosieťovania majú všeobecne nízku priepustnosť, takže plyny a ďalšie drobné čiastočky len
ťažko prenikajú k vláknam [4.4].
4.1.6
Účinok zmrazovacích a rozmrazovacích cyklov
Zmrazovacie a rozmrazovacie cykly môžu vyvolať trhliny v betóne, čím sa urýchli prístup
rôznych roztokov k GFRP výstuži. Roztoky môžu vyvolať degradáciu polymérnej matrice,
resp. matrica sa stane krehkejšia. Zmrazovacie a rozmrazovacie cykly bez zvýšenia vlhkosti
betónu, v ktorom je GFRP výstuž uložená, významnejšie neovplyvňujú mechanické
vlastnosti GFRP výstuže [4.1], [4.11].
4.1.7
Závery k hodnoteniu trvanlivosti GFRP výstuže
Uvedené hodnotenie trvanlivosti je v svojej podstate veľmi všeobecné a kvantitatívne
nešpecifikuje podiel identifikovaných účinkov prostredia na pokles vlastností GFRP výstuže.
Bulletin fib No. 40 [4.12] uvádza konzervatívnu kvantifikáciu vplyvu najvýznamnejších
parametrov prostredia na návrhovú dlhodobú pevnosť GFRP výstuže v ťahu:
ff,d = ff,k,0 / (ηenv,t . γf)
(1)
kde:
ff,d
je návrhová dlhodobá pevnosť v ťahu GFRP výstuže;
47
ff,k,0
započítaná (charakteristická) hodnota pevnosti v ťahu;
ηenv,t
redukčný súčiniteľ zohľadňujúci dlhodobé účinky prostredia (vlhkosť betónu, priemerné
ročné teploty a životnosť konštrukcie);
súčiniteľ materiálu pre GFRP výstuž, γf = 1,25.
γf
Na podrobnejší postup pri výpočte dlhodobých pevností v ťahu a súdržnosti sa odkazuje na
literatúru [4.12].
Na základe v dostupných normách a literatúre zistených rozdielov v hodnotení trvanlivosti
GFRP výstuže je problematické dospieť k jednotnému hodnoteniu ich trvanlivosti. Aj vzhľadom
na veľkú variabilitu vyrábaných GFRP výstuží možno preto pre potreby manuálu prijať záver,
že hodnotenie ich trvanlivosti bude súčasťou stavebno-technického osvedčenia výrobcu a nie
smerníc (noriem). V smernici na navrhovanie GFRP výstuže budú pre každý materiál
definované iba všeobecné a bezpečné charakteristické hodnoty.
Nátery na GFRP výstuž
4.1.8
Na GFRP výstuž sa môžu použiť nátery za účelom zvýšenia:
-
odolnosti proti alkalickej korózii;
-
odolnosti pri požiari;
-
súdržnosti s betónom.
Na zvýšenie súdržnosti GFRP výstuže s betónom môže výrobca použiť epoxidové nátery
presypané drobným kremičitým pieskom. Táto úprava na zvýšenie súdržnosti vyvoláva menšie
priečne ťahy na betónovú kryciu vrstvu ako vytvorenie umelých nerovností na povrchu GFRP
výstuže.
Na výstuž sa môže použiť iba náterový systém odporúčaný výrobcom GFRP výstuže.
4.2
Krytie GFRP výstuže
Úlohou betónovej krycej vrstvy v prvkoch vystužených GFRP výstužou je zabezpečenie
súdržnosti
a
adekvátnej
ochrany
proti
požiaru.
GFRP
výstuž,
na
rozdiel
od
oceľovej,nevyžadujeochranu proti korózii vyvolanej vonkajšími vplyvmi. Ak konštrukcia nie je
ohrozená požiarom jemožné zmenšiť hrúbku betónovej krycej vrstvy. Pri návrhu hrúbky
betónovej krycej vrstvy treba zohľadniťzloženieGFRP výstuže, typ prvku a environmentálne
podmienky. Hrúbka krycej vrstvy c má významný účinok na:
48
-
požiarnu odolnosť GFRP výstuže;
-
kotvenie GFRP výstuže súdržnosťou v betóne;
-
šírku trhlín.
V tab. 4.1 sú uvedené minimálne hrúbky betónovej krycej vrstvy GFRP výstuže podľa rôznych
predpisov.
Tab. 4.1 Minimálna hrúbka betónovej krycej vrstvy GFRP výstuže [4.10]
Norma
(smernica)
Min. hrúbka
1)
ACI 440k
2 Øf1)
CAN/CSA-
fib Technical
S806-12 [14]
Report
1,5 až 1,8 Øf1)
25 až 35 mm
CNR DT [7]
25 až 35 mm
Øf je priemer GFRP výstuže v mm
Ak je krytie c menšie ako priemer výstuže môže nastať porušenie betónu v priečnom ťahu
[4.12]. V tabuľke 4.1 možno interval 25 až 35 mm chápať tak, že prvá hodnota je minimálna
požiadavka a druhá hodnota je min. požiadavka upravená o tolerančné zväčšenie Δcdev =
10 mm. Hodnotu Δcdev možno v istých situáciách redukovať [4.12]. Uvedené hodnoty sa
odporúča aplikovať na tyčové prvky. Pre plošné prvky možno hrúbku betónovej krycej vrstvy
uvažovať c = max {1,5 Øf; 20 mm}. Pri požiadavke na menšiu hrúbku krycej vrstvy, resp. pri
použití GFRP výstuže so zvýšenou citlivosťou a/alebo v extrémnych environmentálnych
podmienkach treba kontaktovať výrobcu GFRP výstuže.
Špeciálny prípad predstavujú prvky, ktoré majú v konštrukcií dočasnú funkciu (napr. stratené
debnenie). V týchto prípadoch možno pri návrhu zanedbať požiadavku na trvanlivosť
a požiarnu ochranu a hrúbku betónovej krycej vrstvy obmedziť na zabezpečenie súdržnosti.
Odporúčaná hodnota hrúbky krytia v prvkoch s dočasnou funkciou c = max {Øf; 10 mm}.
Vysoká hodnota priečneho súčiniteľa teplotnej rozťažnosti GFRP prútov môže vyvolať priečne
ťahové napätia v betónovej krycej vrstve, riziko vzniku trhlín je čiastočne eliminované malým
modulom pružnosti GFRP výstuže v priečnom smere. Rozsiahla analýza vzoriek odobratých
z konštrukcií vystužených GFRP potvrdila, že konštrukcie s minimálnym krytím, po 6 až 8
ročnej prevádzke nevykazovali žiadne trhliny [4.6]. Zároveň neboli zistené ani škody v
dôsledku zmrazovacích a rozmrazovacích cyklov. Na základe uvedeného je reálne
49
predpokladať, že v prostredí s bežnou teplotou vyšší súčiniteľ teplotnej rozťažnosti v priečnom
smere nevyžaduje zvýšenie hrúbky krycej vrstvy.
4.3
[4.1]
Literatúra
Micelli, F, Nanni, A: Durability of FRP rods for concrete structures. Construction and
Building Materials 18 (2004), pp. 491–503
[4.2]
ACI 440.1R-06: Guide for the Design and Construction of Structural Concrete
Reinforced with FRP Bars. February 2006, 44 pp.
[4.3]
Weber, A.: Short Term, Medium Term, and Long Term Design for Internal FRP
Reinforcement. CICE Conference, Vancouver, Canada, August 20-22.2014
[4.4]
Hollaway, L.C.: A review of the present and future utilisation of FRP composites in the
civil infrastructure with reference to their important in-service properties. Construction
and Building Materials 24 (2010), pp. 2419–2445
[4.5]
Benmokrane, B. et al.: Durability of Glass Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars
in Concrete Environment. Journal of Composites for Costruction. August 2002, ASCE,
pp. 143-153
[4.6]
Mufti, A. A. et al.: Report on the studies of GFRP durability in concrete from the field
demostration structures. Composites in Construction 2005. Third International
Conference, Hamelin, Lyon, France, July 11-13, 2005,
[4.7]
Mufti, A. A. et al.: New Canadian Highway Bridge Design Code design provisions for
fibre-reinforced structures. Canadian Journal of Civil Engineering. Volume 34 (2007),
pp. 267-283
[4.8]
Sawpan, M.A., Holdsworth, P.G., Renshaw, P.: Glass transitions of hygrothermal aged
pultruded glass fibre reinforced polymer rebar by dynamic mechanical thermal analysis.
Materials and Design 42 (2012), pp. 272-278
[4.9]
fib Model Code for Concrete Structures 2010. October 2013, 434 pp.
[4.10] Ceroni, F. et al.: Durability issues of FRP rebars in reinforced concrete members.
Cement & Concrete Composites 28 (2006), pp. 857–868
[4.11] Chen, Y:Accelerated aging tests for evaluations of durability performanceof FRP
reinforcing bars for concrete structures. Composite Structures 78 (2007),pp 101–111
[4.12] STN EN 1992-1-1: Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá
50
5
5.1
KONŠTRUKČNÉ ZÁSADY A DETAILY (Bilčík, Hollý, Gažovičová)
Medzné napätie v súdržnosti – kotevné dĺžky
Na trhu je v súčasnosti k dispozícii niekoľko typov GFRP výstuže od viacerých výrobcov
a s rôznymi parametrami povrchovej úpravy. Stanovenie jej súdržnosti s betónom je preto
v porovnaní s klasickou oceľovou výstužou odlišné. Okrem toho je známe, že dlhodobé
vlastnosti GFRP výstuže sú ovplyvnené aj pôsobením rôznych roztokov, vlhkosti a zvýšenej
teploty [5.1].
Súdržnosť medzi betónom a výstužou (oceľovou alebo FRP) je jednou zo základných
podmienok spolupôsobenia oboch materiálov. Prenos síl medzi profilovanou výstužou
a betónom zabezpečujú nasledovné mechanizmy: adhézia (priľnavosť), trenie a mechanické
zaklinenie kameniva [5.2]. Súdržnosť profilovanej oceľovej výstuže s betónom zabezpečuje
predovšetkým zaklinenie rebierok výstuže do okolitého betónu (zámkový efekt). Adhézia
a trenie nie sú síce zanedbateľné, ale ich podiel na celkovej súdržnosti je menší [5.1]. Pri
použití GFRP výstuže nedochádza k vzniku chemickej väzby medzi výstužou a okolitým
betónom, takže adhézia sa nepodieľana prenose síl v súdržnosti [5.1]. GFRP výstuž má
výrazne menší modul pružnosti a menšie profilovanie povrchu, čo sa prejavuje zmenšením
vplyvu zaklinenia. Najväčší podiel na súdržnosti GFRP výstuže s betónom má trenie. Účinnosť
trenia je možné zvýšiť opieskovaním povrchu výstuže pri finálnej úprave GFRP výstuže u
výrobcu.
Zlyhanie súdržnosti medzi GFRP výstužou a betónom môže nastať dvoma spôsobmi:
1) vytiahnutím výstuže z betónu alebo 2) porušením krycej vrstvy. Pri dostatočnej hrúbke krycej
vrstvy, malej kotevnej dĺžke alebo pri obmedzení priečnej deformácie betónu (priečna výstuž,
51
strmene) dochádza k porušeniu kotvenia vytiahnutím výstuže z betónu. Druhý spôsob
porušenia – odštiepením betónu - nastáva pri malej hrúbke krycej vrstvy a/alebo, ak nie je
obmedzená priečna deformácia betónu (priečny ťah) pri namáhaní výstuže ťahom. Strata
súdržnosti medzi betónom a výstužou nastáva vo väčšine prípadov v dôsledku odštiepenia
betónu. Pozitívny účinok priečnej výstuže na súdržnosť GFRP výstuže s betónom bol
potvrdený aj skúškami [5.3].
Návrhová hodnota medzného napätia v súdržnosti ff,b,d GFRP výstuže sa vypočíta zo vzorca:
ff,b,d = 0 . 1 . 2 . kT . kD . fctd < fb,d,FRP
(1)
kde:
0
je súčiniteľ zohľadňujúci štruktúru povrchu výstuže. Hodnotu súčiniteľa stanoví výrobca
GFRP výstuže na základe výsledkov skúšok (pre každý typ výstuže);
1
súčiniteľ zohľadňujúci kvalitu podmienok súdržnosti a polohu výstuže počas
betónovania podľa STN EN 1992-1-1 [5.4] (pozri obr. 5.1):
1 = 1,0
ak sa jedná o dobré podmienky;
1 = 0,7
pre všetky ostatné prípady a pre prúty výstuže v nosných prvkoch
zhotovovaných s použitím posuvného debnenia;
2
fctd
súčiniteľ zohľadňujúci priemer výstuže:
2 = 1,0
pre Øf ≤ 32mm
2 = (132 - Øf) / 100
pre Øf > 32mm
návrhová hodnota pevnosti betónu v ťahu, určená ako fctk,0.05 / C. Z dôvodu zvýšenia
krehkosti betónov vyšších pevnostných tried môže výrobca GFRP výstuže stanoviť
maximálnu pevnostnú triedu betónu;
fb,d,FRP návrhová hodnota medzného napätia v súdržnosti na povrchu GFRP výstuže, hodnotu
stanoví výrobca na základe výsledkov skúšok (pozri ods. 6.1.2);
kT
modifikačný súčiniteľ pre teplotu (tab. 5.1);
kD
modifikačný súčiniteľ pre trvanlivosť.
52
α
h
a) 45° ≤ α ≤ 90°
b) h ≤ 20mm
300
250
d) h > 600mm
c) h > 250mm
a) a b)
h
h
„dobré“ podmienky súdržnosti pre všetky prúty
„dobré“ podmienky pre súdržnosť
c) a d)
„zlé“ podmienky pre súdržnosť
Obr. 5.1 Definícia podmienok súdržnosti pre určenie súčiniteľa 1 [5.4]
Minimálna kotevná dĺžka lb,min sa stanoví z rovnice lb,min = 10 Øf ≥ 160 mm. Ak sa výstuž kotví
v oblasti „zlé“ podmienky pre súdržnosť platí lb,min = 14 Øf ≥ 224 mm [5.5].
5.1.1
Vplyv teploty na súdržnosť
Pri zvýšených teplotách dochádza k zmene štruktúry matrice GFRP výstuže, čo môže viesť
k zhoršovaniu interakcie medzi GFRP výstužou a betónom. Výsledky experimentálneho
výskumu potvrdili nepriaznivý účinok teploty na súdržnosť. Pri teplotách do 100°C má pokles
súdržnosti podobný charakter ako pri oceľovej výstuži. Pri teplotách nad 200°C kleslo napätie
v súdržnosti na 10% pôvodnej hodnoty [5.6].
Tepfers [5.7] uvádza pri výpočte návrhovej hodnoty napätia v súdržnosti modifikačný súčiniteľ
pre teplotu kT, ktorý zohľadňuje už spomínaný nepriaznivý účinok teploty na napätie
v súdržnosti. Približné hodnoty súčiniteľa kT sú uvedené v tab. 5.1. Pre stanovenie konkrétnych
hodnôt treba urobiť ďalší výskum v spolupráci s výrobcami GFRP materiálov.
Tab. 5.1 Hodnoty modifikačného súčiniteľa kT v závislosti od teploty [5.7]
Teplota
Napätie v súdržnosti
kT
53
5.1.2
(°C)
(%)
(-)
20
100
1,0
100
35 - 80
0,35 - 0,8
150
20 - 40
0,2 - 0,4
220
10 - 20
0,1 - 0,2
Súdržnosť GFRP výstuže pri environmentálnom zaťažení
Vplyv environmentálneho zaťaženia pri výpočte návrhovej hodnoty medzného napätia
v súdržnosti GFRP výstuže v betóne možno zohľadniť pomocou modifikačného súčiniteľa pre
trvanlivosť kD, pokiaľ už nie je zohľadnený v ťahovej pevnosti výstuže, udávanej výrobcom
[5.6].V súčasnosti nie je k dispozícii dostatok experimentálnych dát popisujúcich vplyv rôznych
druhov obklopujúceho prostredia (environmentálne zaťaženie) na vývoj súdržnosti medzi
GFRP výstužou a betónom [5.1]. Ďalší výskum v tejto oblasti je preto potrebný.
5.1.3
Koncová úprava GFRP výstuže na zlepšenie súdržnosti s betónom
Na zlepšenie súdržnosti GFRP výstuže s betónom sa používa aj koncová úprava prúta
pomocou liatej hlavice (obr. 5.2). Hlavica sa vytvára z polyméru použitého ako matrica na
výrobu GFRP výstuže a zmesi jemného kameniva (obr. 5.2a), alebo z iného vhodného
materiálu, napr. polymérbetónu (obr. 5.2b) s vyššou pevnosťou v tlaku ako betón. Maximálny
priemer hlavice je 2,5 násobok priemeru GFRP prúta. Na obrázku znázornená geometria
koncovej úpravy skracuje kotevnú dĺžku a zmenšuje priečne ťahové napätia v okolí koncovej
hlavy [5.8].
54
Obr. 5.2 Koncová úprava GFRP výstuže pomocou liatej hlavice: a) z materiálu matrice
GFRP prúta, b) z polymérbetónu, c) detail liatej hlavy [5.8]
5.2
Minimálne a maximálne vzdialenosti výstužných vložiek
Pre osové vzdialenosti prútov výstuže platí ods. 8.2 z STN EN 1992-1-1.
5.3
Výpočet minimálnej a maximálnej plochy výstuže
Pre GFRP výstuž neplatia ods. 9.2.1.1 a 9.2.4 v STN EN 1992-1-1 pre minimálne a maximálne
plochy výstuže, resp. povrchovú výstuž nosníkov. Pri návrhu minimálnej výstuže na
zabezpečenie duktilného chovania nosných prvkov podľa ods. 5.10.1 v STN EN 1992-1-1 sa
pre moment na medzi vzniku trhlín uvažuje stredná hodnota pevnosti betónu v ťahu fctm z tab.
3.1 a napätie v GFRP výstuži σf = 0,83 . ff,k, kde ff,k je charakteristická hodnota dlhodobej
pevnosti GFRP výstuže v ťahu [5.5].
Maximálne započítateľná prierezová plocha GFRP výstuže pre navrhovanie prierezov na ohyb
je 0,0035 Ac [5.5].
5.4
Skladovanie a manipulácia
Vlastnosti GFRP výstuže závisia aj od kvality povrchu výstuže. Pri jeho porušení sa môžu
významne zhoršiť vlastnosti výstuže. Pôsobením alkalického prostredia v betóne dochádza
k strate trvanlivosti výstuže [5.9]. Požiadavky na uskladnenie, manipuláciu alebo ukladanie
GFRP výstuže určuje výrobca a je dôležité sa s nimi pred použitím výstuže zoznámiť [5.5].
55
5.4.1
Skladovanie GFRP výstuže
GFRP výstuž by mala byť uskladnená v čistom prostredí, chránená pred olejmi, prachom,
chemikáliami alebo inými znečisťujúcimi látkami. Nemôže byť uložená priamo na zemi [5.5]
alebo na drsnom povrchu [5.10]. Kvôli ochrane pred nečistotami a lepšej manipulácii by mala
byť uložená na paletách. Prístup k nej by mal umožniť jednoduchú kontrolu výstuže [5.5].
Výstuž musí byť chránená pred pôsobením vysokej teploty, otvoreného ohňa a úletom iskier
[5.10]. Zatiaľ čo sklenené vlákna sú odolné voči korózii, väčšina polymérnych matríc vystavená
dlhodobému pôsobeniu ultrafialového žiarenia je náchylná na degradáciu. Ak je výstuž
uskladnená vo vonkajšom prostredí treba ju zakryť nepriesvitnou ochranou (napr. plastovou
fóliou) [5.5].
GFRP výstuž netreba chrániť pred vlhkosťou [5.5], ale pred chemickými látkami, ktoré
poškodzujú jej povrch (rozpúšťadlá, benzín a pod.) [5.9].
Obal, v ktorom je výstuž uložená, musí zabezpečiť jej ochranu pred mechanickým poškodením
počas transportu [5.10].
Ak sa GFRP výstuž skladuje viac ako 4 týždne, musia byť splnené tieto požiadavky:

skládka musí byť suchá a krytá;

teplota uskladnenia musí byť v intervale od -20 °C do +40 °C;

výstuž nebude vystavená priamemu slnečnému žiareniu [5.10].
5.4.2
Manipulácia s GFRP výstužou
Na manipuláciu s GFRP výstužou sa musia použiť ochranné rukavice, lebo vlákna alebo ostré
hrany môžu spôsobiť poranenie pokožky [5.9]. Odporúča sa použiť ochranné rukavice určené
pre ťažké prevádzkové podmienky [5.5]. Prúty výstuže sa nesmú vyťahovať zo zväzku prútov,
aby sa nepoškodil ich povrch [5.10].
Ak je výstuž v kontakte s látkami, ktoré kontaminujú jej povrch alebo znižujú jej súdržnosť
s betónom, treba pred ju pred uložením do debnenia očistiť pomocou čistiaceho prostriedku
odporúčaného výrobcom. Na tento účel nie sú vhodnénapríklad destilovaná voda, benzín,
sírouhlík, tetrachlórmetán ani etylmetylketón [5.9].
Olej na povrchu výstuže zhoršuje jej súdržnosť s betónom, pred uložením výstuže musí byť
preto znečistený povrch očistený výrobcom odporúčaným rozpúšťadlom [5.10].
Potrebu ochrany povrchu GFRP výstuže pred alkalickým prostredím betónu špecifikuje
výrobca. Ten odporučí aj typ ochrany.
56
GFRP výstuž je ľahšia a poddajnejšia ako oceľová výstuž, preto pri jej zdvíhaní a ukladaní sa
vynaloží menšia námaha. Niekedy treba pri zdvíhaní použiť zdvíhaciu traverzu, aby kvôli nízkej
tuhosti výstuže nevzniklo nežiaduce ohybové namáhanie. Pred zdvíhaním by mali byť
pracovníci oboznámení s pokynmi na manipuláciu s GFRP výstužou [5.5].
Prúty výstuže sa môžu rezať iba vysokorýchlostnou diamantovou pílou (minimálne 600 ot/min)
[5.9]. GFRP výstuž sa nemôže strihať, aby sa predišlo poškodeniu vlákien a vytvoreniu trhlín
v polymérnej matrici. Kvôli úletu úlomkov vlákien počas rezania prútov výstuže treba používať
osobné ochranné pracovné pomôcky: respirátory, rukavice a okuliare. Zatavenie koncov
prútov sa zvyčajne nepožaduje [5.5].
GFRP výstuž obsahuje termosetickú polymérnu matricu, preto sa nedovoľuje jej dodatočné
ohýbanie. Ak sa požadujú ohyby alebo háky treba ich vytvoriť počas výroby výstuže.
V porovnaní s oceľovou výstužou majú ohyby GFRP výstuže väčší polomer. Pri použití ohybov
s menším polomerom sa významne zmenšuje pevnosť v ťahu GFRP výstuže. Minimálny
polomer je 3,5 až 4-násobok priemeru použitej výstuže, pri takomto polomere sa pevnosť v
ťahu zmenšuje až o 50 % [5.10]. Polomer a spôsob výroby ohybov sa určí na základe skúšok,
pri ktorých sa zistí veľkosť zmenšenia pevnosti v ťahu. Polomer by mal byť preto čo najväčší
[5.11].
5.5
Typické konštrukčné detaily
Obmedzenia použitia GFRP výstuže [5.5]
5.5.1
GFRP výstuž sa nesmie použiť ako nosná výstuž tlačených prvkov. Pripúšťa sa kotvenie
GFRP výstuže alebo jej umiestnenie ako konštrukčnej výstuže v tlačených oblastiach
ohybovým momentom vystavených prvkov.
V prvkoch, kde sa požaduje výpočtom stanoviť šmykovú výstuž sa nepripúšťa použitie GFRP
výstuže.
Teplota betónového prvku nesmie byť väčšia ako 40 °C, pokiaľ projektant nepreukáže
možnosť zvýšenia teploty. Teplota môže byť krátkodobo prekročená, napríklad počas tvrdnutia
betónu, keď GFRP výstuž ešte nie je využitá.
5.6
Špeciálne požiadavky na ukladanie GFRP výstuže
Požiadavky na uloženie GFRP výstuže do debnenia sú podobné ako pri oceľovej výstuži.
GFRP výstuž musí byť uložená na dištančných telieskach, ich typ určí projektant [5.9]. Pri
ukladaní výstuže je dôležité, aby sa prúty nepoškriabali alebo inak neporušili počas ich
57
presunu. Mohlo by to spôsobiť zmenšenie pevnosti v ťahu [5.10]. Ak je povrch výstuže
porušený alebo prút GFRP výstuže je nadmerne ohnutý, vystavený vysokým teplotám, dlhšiu
dobu uskladnený vo vonkajšom prostredí, musí byť vyradený [5.11].
Ak sa požaduje odolnosť výstuže voči korózii v celej konštrukcii, použijú sa dištančné telieska
a viazací drôt vyrobené z plastu, nylónu, prípadne iného nekorodujúceho materiálu. Ak sa
nepožaduje odolnosť voči korózii v celej konštrukcii, môže sa použiť aj oceľový viazací drôt,
lebo GFRP výstuž galvanicky nekoroduje [5.10].
Ak treba výstuž spájať, je povolené stykovanie presahom. Dĺžka presahu závisí od druhu
a pevnosti betónu, krytia, priemeru a povrchu výstuže, ako aj od vzájomnej vzdialenosti prútov
[5.9]. Stykovanie výstuže zváraním a mechanickými spojkami nie je dovolené [5.10].
Výskumom sa zistilo, že betón dobre prenáša silu vznikajúci medzi stykovanými prútmi GFRP
výstuže. Najväčšia odolnosť betónového nosníka vystuženého GFRP výstužou sa dosiahla pri
stykovacej dĺžke, ktorá bola 1,6-násobok kotevnej dĺžky. Vtedy sa predpokladá, že vo výstuži
sa dosiahne napätie na úrovni pevnosti GFRP výstuže v ťahu. Keďže v GFRP výstuži sa
nedosahuje takéto napätie, postačuje, ak sa minimálna dĺžka presahu stanoví ako 1,3násobok kotevnej dĺžky [5.12].
Kvôli malej objemovej hmotnosti GFRP výstuže (je približne o 75 % ľahšia ako oceľová výstuž)
treba prúty zabezpečiť proti posunu a vyplaveniu počas betónovania a zhutňovania (napr.
pomocou viazacieho drôtu, jeho typ určí projektant). Počas zhutňovania betónu je dôležité
zabrániť porušenie výstuže (použiť vibrátor s plastovým povrchom). Pred betónovaním sa
môže chodiť po výstuži uloženej v debnení, pracovníci však musia byť poučený o jej možnom
poškodení [5.10].
5.7
[5.1]
Literatúra
Zhou, J., Chen, X., and Chen, X.:Effect of Different Environments on Bond Strength of
Glass Fiber-Reinforced Polymer and Steel Reinforcing Bars. Journal of Civil
Engineering, Vol. 16, No. 6, (2012). pp. 994-1002
[5.2]
Bilčík, J., Fillo, Ľ., Halvonik, J., 2005. Navrhovanie betónových konštrukcií. Bratislava:
Betoning 2005, 315 s., ISBN: 80-8076-032-2.
[5.3]
Harajli, M., Abouniaj, A.:Bond Performance of GFRP Bars in Tension: Experimental
Evaluation and Assessment of ACI 440 Guidelines, Journal of Composites for
Construction, No. 14, (2010), pp. 659-668
[5.4]
STN EN 1992-1-1: Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá
58
[5.5]
Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-1.6-238: Bewehrungsstab Schöck ComBAR
aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Juni 2014, 18 S.
[5.6]
Kodur, V. et al.: Fire Performance of FRP Systems for Infrastructure: A State-of-theArt Report. National Research Council, Ottawa. March 2005. 59 p.
[5.7]
Tepfers, R.: Bond clause proposal for FRP-bars/rods in concrete based on CEB/FIP
Model Code 90 with discussion of needed tests, Chalmers University of Technology,
Göteborg, Sweden, 2004, 29 p.
[5.8]
Hossein, A, et all: Anchorage Capacity of Concrete Bridge Barriers Reinforced with
GFRP Bars with Headed Ends. Journal of Bridge Engineering. ASCE 2014, pp.
[5.9]
ACI 440.1R-06: Guide for the Design and Construction of Structural Concrete
Reinforced with FRP Bars. February 2006, 44 pp.
[5.10] ISIS Canada Design Manual No. 3: Reinforcing Concrete Structures with Fiber
Reinforced Polymers, December 2006, 151 pp.
[5.11] Japan Society of Civil Engineers (JSCE): Recommendation for Design and
Construction of Concrete Structures Using Continuous Fiber Reinforced Materials.
Septembre 1996, 64 pp.
[5.12] Tighiouart, B., Benmokrane,B., Mukhopadhyaya, P.: Bond strength of glass FRP rebar
splices in beams under static loading. Construction and Building Materials, Vol. 13, No.
7, (1999). pp. 383-392.
6
KONTROLA A ZKOUŠENÍ GFRP VÝZTUŽE
Díky odlišným fyzikálním a mechanickým vlastnostem ocelové a GFRP výztuže je třeba i ke
stanovení jejich fyzikálně-mechanických vlastností využívat odlišné zkušební postupy, než
jaké jsou běžné pro klasické ocelové výztuže. Z tohotu důvodu text kapitoly velmi stručně
shrnuje zkušební postupy, které je možno pro dané zkoušky aplikovat. Doporučované
zkušební metody a postupy vychází z aktuálního stavu znalostí, především z postupů
uvedených v rámci platných normativních dokumentů [6.2], [6.4] a [6.5] s přihlédnutím k dnes
již neplatné příručce [6.3]. S ohledem na dynamický rozvoj v oblasti vývoje GFRP materiálů je
však třeba sledovat aktuální vývoj v oblasti jejich testování a nové poznatky zohlednit při
plánování a provádění příslušných zkoušek.
59
Kapitola je rozdělena na dvě části. Část 6.1 uvádí výčet zkoušek pro určení mechanickofyzikálních vlastností (krátkodobých, dlouhodobých) GFRP výztuží určených jako vnitřní výztuž
do betonových konstrukcí. V části 6.2 jsou pak uvedeny doporučené postupy pro počáteční
zkoušky typu (včetně požadavku na minimální počty zkušebních těles) a též kontrolní zkoušky
ověřující kvalitu v průběhu výroby (ověření shody). Z důvodu rozsahu manuálu zde jednotlivé
metody nejsou podrobně popsány. Čtenář je odkázán pouze na relevantní dokument.
Počáteční zkoušky typu musí být doplněny certifikátem výrobku v souladu s platnou
legislativou, tj. zejména nařízeními, kterými jsou stanoveny technické požadavky na vybrané
stavební výrobky. Stručný přehled v současnosti platných nařízení a zákonů týkajících se
uvádění výrobků na trh je uveden v rámci kapitoly 1.4 tohoto manuálu.
Zkušební postupy pro stanovení vlastností GFRP výztuží
6.1
Zkušební postupy, na něž je v této kapitole odkazováno, vždy obsahují i informaci o nutném
počtu a konfiguraci vzorků. Doporučené počty zkušebních těles v rámci definovaných postupů
je však třeba brát jako dostatečné v případě kontrolních a ověřovacích měření, nikoliv při
typových zkouškách při zavádění výrobku na trh. Podrobněji danou problematiku - potřebný
počet vzorků pro definované zkušební postupy - rozebírá kapitola 6.2.
Vždy je nutno respektovat pravidla pro korektní statistické vyhodnocení dané sady vzorků.
U všech zde uvedených zkušebních metod (není-li uvedeno jinak) je předpokládáno normální
(Gaussovo) rozložení četnosti získaných výsledků. U mechanických charakteristik je nutno
stanovit střední, charakteristické (5% kvantil) a návrhové (0,1% kvantil) hodnoty měřených
veličin. Postupy pro vyhodnocení získaných výsledků mohou vycházet například z přílohy
D normy [6.6] či [6.7], či normalizovaného postupu [6.8] a musí zohlednit počet zkušebních
vzorků.
6.1.1
Zkoušky fyzikálních vlastností
Technická dokumentace výrobce musí obsahovat údaje o následujících fyzikálních
charakteristikách GFRP výztuže:
-
objemový podíl nosných vláken (Vfibre) a jejich typ20, typ použité matrice;
-
koeficient teplotní roztažnosti ( f,l pro podélný směr;  f,r pro příčný směr);
-
hustota kompozitu ρ;
-
teplota skelného přechodu Tg;
20
Je-li využito více typů vláken, je nutno specifikovat všechny využité typy včetně jejich dílčích podílů.
60
-
průřezová plocha21 a geometrická přesnost výztuže.
Zkušební postup pro určení výše uvedených fyzikálních vlastností není v rámci manuálu
definován. Je na zvážení výrobce, jaký postup pro určení dané charakteristiky zvolí. Zvolený
zkušební postup však musí být v technické dokumentaci uveden.
6.1.2
Zkoušky krátkodobých mechanických vlastností
Přehled zkušebních postupů pro určení krátkodobých mechanických charakteristik je uveden
v tab. 6.1. Uvedené zkušební postupy vychází z v současnosti platných normativních
dokumentů a směrnic užívaných v rámci EU, USA a Kanady22. Většina uvedených zkušebních
postupů vychází z poznatků prezentovaných v rámci série doporučených zkušebních postupů
JSCE vydaných v roce 1997 [6.9]. Tyto zde nejsou citovány, neboť jejich závěry jsou (většinou
včetně zohlednění nových poznatků) zapracovány do směrnic ACI či norem ASTM a ISO.
Technický podklad výrobce k dodávanému produktu musí (pro oblasti použití definované tímto
manuálem v kapitole 1) obsahovat alespoň následující základní krátkodobé mechanické
charakteristiky:
-
tahové charakteristiky (tahová pevnost, modul pružnosti, mezní přetvoření)23 včetně
uvedení zkušebního postupu a počtu vzorků;
-
soudržnost (musí být uveden zkušební postup, počet vzorků).
Další (viz výčet v tab. 6.1) má být uvedeno, je-li relevantní.
Tab. 6.1 Zkušební metody pro zkoušky krátkodobých vlastností GFRP výztuží
Ověřovaná vlastnost
Tahová pevnost, modul
pružnosti, mezní protažení
(ve směru vláken)
Zkušební metoda
ASTM D7205 (vychází z [6.3])
ISO 10406-1 (kap 6)
Poznámka
Oba zkušební postupy jsou v zásadě
shodné.
21
Určení průřezové plochy by měl být v souladu se zvoleným zkušebním postupem pro stanovení
okamžité tahové pevnosti výztuže - tj. musí být určen dle postupu uvedeného ve shodné normě.
22
Několik zkušebních postupů, které byly vyvinuty ACI a uvedeny ve směrnici 440.3-R4 [6.3] je
v současnosti přeřazeno do samostatné ASTM normy a v aktuálně platné verzi směrnice 440.3R-12
[6.2] již nefigurují.
23
Předpokládá se uvedení hodnot po statistickém vyhodnocení ve formátu charakteristické (0,05
kvantil) a návrhové (0,001 kvantil) hodnoty. Pro jednoznačnost definice uvedených hodnot je třeba
uvést, dle jaké metody bylo statistické vyhodnocení provedeno. Je možné též uvést střední hodnotu
a variační koeficient.
61
ACI 440.3R-12 (B3)
Soudržnost
ISO 10406-1 (kap 7)
ASTM D7913
Smyk (příčný, tj. střih)
ISO 10406-1 (kap 13)
Ohyby výztuže (snížení
tahové pevnosti v ohybu)
ACI 440.3R-12 (B5, případně
Tlaková pevnost a modul
pružnosti v tlaku
ASTM D695
6.1.3
B11)
Podstatné odlišnosti mezi ACI (resp.
ASTM) a ISO (rozdílná konfigurace
vzorků, počet vzorků).
shodné (odlišnost v počtu vzorků)
Volba metody dle konfigurace vzorku a
požadovaného
poloměru
(třmínek,
hlavní výztuž apod.)
Není přesně pro GFRP výztuž
Zkoušky dlouhodobých mechanických vlastností
Přehled zkušebních postupů pro určení dlouhodobých (časově závislých) mechanických
charakteristik je uveden v tab. 6.2. Shodně s uvedeným v kapitole 6.1.2 vychází prezentované
zkušební postupy z v současnosti platných postupů využívaných v rámci EU, USA a Kanady.
Všechny dostupné podklady uvádí pouze dlouhodobé tahové zkoušky ve směru vláken.
Tlakové zkoušky či zkoušky soudržnosti nejsou normalizovány.
Je doporučeno, aby technický podklad výrobce obsahoval následující základní časově závislé
mechanické charakteristiky:
-
odolnost výztuže proti působení alkalického prostředí s vlivem zatížení (tj. kombinovaný
test s vlivem prostředí o pH vyšším než 12,5 a působení napětí - test B6, postup B nebo C
dle [6.2]), nebo
-
výsledky oddělených testů prokazujících odolnost proti alkalickému prostředí (test B6,
postup A dle [6.2]) a dotvarování (creep rupture; test dle ASTM D7337) a doporučení, jak
tyto oddělené jevy kombinovat pro dosažení bezpečné hodnoty dlouhodobé tahové
pevnosti.
Výztuže je třeba podrobit zkouškám v prostředí co nejblíže odpovídajícímu předpokládaným
podmínkám, ve kterých se bude v průběhu své životnosti výztuž nacházet.
V případě, že nejsou ke konkrétnímu produktu k dispozici výsledky výše uvedených testů, je
nutno vycházet z hodnot uvedených v kapitole 3 manuálu.
Další (viz výčet v tab. 6.2) musí být uvedeno, je-li relevantní.
62
Tab. 6.2 Zkušební metody pro zkoušky dlouhodobých vlastností GFRP výztuží
Dlouhodobé mezní napětí
(Creep rupture)
Odolnost proti působení
alkalického prostředí
Zkušební metoda
Poznámka
Zkušební postupy jsou v zásadě shodné
(odlišnost v počtu vzorků, ASTM
přesněji definuje hladiny napětí). CSA
uvádí delší průběh zkoušky.
ISO 10406-1 (kap 12)
CSA S807-10
ACI 440.3R-12 (B6 - postup A)
ISO 10406-1 (kap 11)
(bez zatížení)
Odolnost proti působení
alkalického prostředí
ACI 440.3R-12 (B6 - postup B
(se zatížením)
ISO 10406-1 (kap 11)
nebo C)
ACI 440.3R-12 (B7)
Únava
ISO 10406-1 (kap 10)
ACI 440.3R-12 (B9)
Relaxace
ISO 10406-1 (kap 9)
ACI výrazně podrobněji definuje
zkušební podmínky, odlišný čas
expozice, odlišný roztok
ACI výrazně podrobněji definuje
zkušební podmínky (ISO pouze zmiňuje,
že lze zkoušet i pod napětím), odlišný
čas expozice, odlišný roztok;
doporučené přetvoření dle ACI [6.2]
2000μm/m; [6.5] doporučuje 3000μm/m
shodné (odlišnost je v počtu vzorků
a úrovní zatížení, ACI komplexnější)
shodné (odlišnost je v počtu vzorků)
Tab. 6.2 (pokračovanie) Zkušební metody pro zkoušky dlouhodobých vlastností GFRP
výztuží
K
Zkušební metoda
Poznámka
Soudržnost
není
Zkušební postup není normalizován.
Doporučení viz [6.10].
Tlaková pevnost a modul
pružnosti v tlaku
není
Zkušební postup není normalizován.
prokázání
dlouhodobých
tahových
vlastností
mohou
být
použity
i
jiné,
zde
neuvedené/nenormované, postupy (např. urychlené degradační testy s vlivem napětí). Tato
skutečnost však musí být v technickém podkladu výrobce uvedena. Kritériem je doložení
degradační křivky pro celou dobu plánované životnosti konstrukce a průkaz, že pro výztuž
uvedená, experimentálně stanovená, hodnota je bezpečná - tj. doložení příslušného
statistického vyhodnocení na počtu vzorků určených dle kapitoly 6.2.
63
Výrobce musí doložit též průkaz, že bude zajištěna dostatečná soudržnost výztuže s okolním
betonem po celou dobu plánované životnosti a nedojde k podstatné degradaci kontaktu
matrice a adhezní vrstvy (viz [6.10]). Metoda pro prokázání mezního napětí v soudržnosti
s vlivem degradace a dotvarování není normalizována (viz např. [6.10]). Výrobce proto musí
specifikovat použitou zkušební metodu v rámci technického listu výrobku.
6.2
Doporučení pro počáteční zkoušky typu a kontrolní zkoušky
Kapitola uvádí doporučení ke stanovení potřebného počtu zkušebních vzorků pro zkoušky
GFRP výztuží, jejichž výčet byl proveden v rámci kapitol 6.1.2 a 6.1.3 (tab. 6.3 a tab. 6.2).
U charakteristik, kde je to relevantní, jsou též uvedeny nejnižší přípustné hodnoty pro aplikace
GFRP výztuže v souladu s tímto manuálem (výčet viz kapitola 1). V tab. 6.3 uvedené limitní
hodnoty jsou převzaty z doporučení normy [6.5] pro výztuže určené do betonových konstrukcí.
Počet vzorků je definován v závislosti na skutečnosti, zda-li se jedná o počáteční zkoušky typu,
nebo o kontrolní zkoušky sloužící k prokázání shody.
Při určení počtu vzorků je vycházeno z platných doporučení, především CSA S807-10 [6.5]
a ACI 440.3R-12 [6.2], dále pak [6.4], [6.9] a [6.10]. Potřebný počet vzorků pro danou zkoušku
i doporučené minimální hodnoty jsou uvedeny v tab. 6.3. Limitní hodnoty jsou platné při
respektování normalizovaných zkušebních postupů uvedených v tab. 6.3 a 6.2. Závěry
uvedené v tab. 6.3 (především limity hodnot) nelze paušalizovat na další typy FRP výztuží!
Tab. 6.3 Počet vzorků a limitní hodnoty pro testy GFRP výztuže
Ověřovaná
vlastnost
Tahová pevnost;
Modul pružnosti;
Mezní protažení
(ve směru vláken,
krátkodobá)
Počáteční zkouška typu
Kontrolní
zkouška(g)
ANO
ANO
Testovat všechny dodávané
Pro každou dodávku
na stavbu; sada po 3
vzorcích od každého dodávaného prů-
průměry(a), pro každý průměr
min. tři sady (z různého času
výroby) min. po pěti vzorcích
(tj. 15 ks pro Ø)
měru(b)
Limitní hodnota(d)
Minimální tahová pevnost:
pro Ø < 20 mm 600 MPa;
pro Ø >20 mm 500 MPa.
Minimální modul 35 GPa
Minimální protažení 1,2%
ANO
Soudržnost
(krátkodobá)
Testovat
min.
Minimálně 8 MPa
různé
průměry , pro každý průměr
(tj. 15 ks pro Ø)
NE
ANO
ANO
Smyk (střih;
krátkodobá)
3
(a)
Testovat
min.
(a)
3
různé
průměry , pro každý průměr
(pull-out test(c), určeno pro
hutný
beton
běžných
objemových tříd)
Minimálně 150 MPa
64
Ohyby výztuže
(snížení tahové
pevnosti v ohybu)
Tlaková pevnost;
modul pružnosti
(krátkodobá)
Dlouhodobé
mezní napětí
(Creep rupture)
(tj. 15 ks pro Ø)
vzorcích od každého dodávaného prů-
ANO
ANO
Testovat
min.
3
různé
(tj. 15 ks pro Ø)
měru(b)
vzorcích od každého dodávaného průměru(b)
Zkoušky pouze na vyžádání
Sada o pěti vzorcích od požadovaného průměru
ANO
Testovat min. 1 průměr, GFRP
výztuže, min. tři sady (odebrané
z různého času výroby) min. po
třech vzorcích (tj. 9 ks celkem)
Maximální redukce tahové
únosnosti o 55% oproti přímému vzorku (tj. únosnost
≥ 0,45 ff,l)
NE
-
Maximální redukce tahové
únosnosti o 65% oproti
krátkodobé
zkoušce
(tj.
únosnost ≥ 0,35 ff,l) (e)
Tab. 6.3 (pokračovanie) Počet vzorků a limitní hodnoty pro testy GFRP výztuže
Ověřovaná
vlastnost
Odolnost proti
působení
alkalického
prostředí
(bez zatížení)
Odolnost proti
působení
alkalického
prostředí
(se zatížením)
Únava
24
Počáteční zkouška typu
Kontrolní
zkouška(g)
Limitní hodnota(d)
ANO
NE
Viz poznámka 24
NE
Viz poznámka 25
Testovat
min.
3
různé
výroby) min. po pěti vzorcích (tj.
15 ks pro Ø)
ANO
Testovat min. 1 průměr, GFRP
výztuže, min. tři sady (odebrané
z různého času výroby) min. po
třech vzorcích (tj. 9 ks celkem)
-
Podklad [6.5] uvádí maximální redukci tahové únosnosti o 30% oproti krátkodobé zkoušce (tj. únosnost
≥ 0,7 ff,l). Při uvážení této limity nutno uvážit další okrajové podmínky zkoušky. (f)
25
Podklad [6.5] uvádí maximální redukci tahové únosnosti o 40% oproti krátkodobé zkoušce (tj. únosnost
≥ 0,6 ff,l). Při uvážení této limity nutno uvážit další okrajové podmínky zkoušky. (f)
65
Od požadovaného průměru ve čtyřech hladinách
zatížení vždy sada o třech vzorcích (tj. 3 ks pro
každou hladinu)
Relaxace
Soudržnost
(dlouhodobá)
Tlaková pevnost;
modul pružnosti
(dlouhodobá)
Sada o min. třech vzorcích
-
Sada o min. třech vzorcích od požadovaného
průměru
-
Sada o min. třech vzorcích od požadovaného
průměru
-
Poznámky k údajům uvedeným v tab. 6.3:
(a) volba průměru testovaných vzorků by měla být provedena tak, aby pokryla pokud možno
rovnoměrně výrobní sortiment výrobce (závisí na výrobním sortimentu daného výrobce);
(b) každý průměr = všechny průměry navržené v daném projektu;
(c) dle [6.11] je třeba uvážit skutečnost, že mezní napětí v soudržnosti určené dle pull-out
testů (viz [6.4] a [6.2]) bez vlivu okraje je cca 3 až 3,5 vyšší než napětí stanovené dle testů
s vlivem okraje. Uvedená minimální hodnota je proto platná pro výsledky získané z pullout testů bez vlivu okraje (podrobněji viz kapitola 3, respektive 5);
(d) limitní hodnoty jsou uváděny jako charakteristické a doporučené (není-li v příslušném
zkušebním postupu uvedeno jinak);
(e) limita je definována pro výsledek extrapolovaný do času 1.106 hodin (tj. životnost cca 110
let);
(f) limita je platná pro délku trvání testu, tj. v případě využití předpisu [6.2] je délka trvání
zkoušky cca 6 měsíců při teplotě okolního prostředí 60°C. Při uvážení teplotně
urychleného testu (tj. vlivu teploty na rychlost chemické reakce) lze usuzovat na popis cca
10 leté životnosti (srovnej s poznámkou (e)). Pro dosažení stejného časového období je
třeba provést lineární extrapolaci dosažených výsledků;
(g) hodnoty uvedené v tomto sloupci jsou pouze doporučené bez zohlednění reálného
rozsahu stavby. Požadavek na kontrolní zkoušku a její rozsah musí specifikovat projektant
zodpovědný za realizovanou zakázku s uvážením její náročnosti (tj. celková metráž
využité GFRP výztuže, povaha konstrukce, prostředí atd.).
66
Dokument [6.17] v kapitole 5.5.2 uvádí požadavek na nutnost pravidelných kontrol kvality
výroby daného produktu ze strany výrobce. Výrobce by měl mít zpracován pro tuto činnost
plán kontrol (hodnocení kvality). Systém řízení výroby musí odpovídat příslušné technické
dokumentaci a musí zabezpečit, aby výrobky uváděné na trh splňovaly požadavky stanovené
příslušným technickým osvědčením v souladu s platnými nařízeními a zákony.
6.3
Údaje uvedené v rámci technického listu a expedičním listu výrobku
Na základě výše uvedeného je možno shrnout, že technický list výrobku určeného pro
aplikační oblasti definované v kapitole 1 manuálu musí obsahovat následující informace:
-
údaje o použitých materiálech v rozsahu:
a. typ použitých vláken a matrice včetně uvedení jejich procentního podílu
(objemově či hmotnostně);
b. způsob výroby GFRP výztuže (např. pultruze);
c. dodávané průměry a délky.
-
fyzikální vlastnosti v rozsahu požadovaném dle kapitoly 6.1.1 toho manuálu;
-
krátkodobé mechanické charakteristiky minimálně v rozsahu definovaném dle kapitoly
6.1.2;
-
dlouhodobé mechanické charakteristiky minimálně v rozsahu definovaném dle kapitoly
6.1.3;
-
odolnost proti působení agresivních vlivů minimálně v rozsahu dle kapitoly 4 manuálu.
U všech vlastností uvedených v rámci technického listu výrobku musí být definováno, na
základě jakého zkušebního postupu byly uvedené charakteristiky stanoveny (včetně uvedení
počtu vzorků). Dále musí být provedeno statistické vyhodnocení s uvedením charakteristické
hodnoty a návrhové hodnoty dané veličiny, respektive střední hodnoty a variačního koeficientu
dané veličiny. V rámci výstupu by měl být též uveden typický způsob porušení vzorků při
dosažení limitní hodnoty. V případě, že testy nebyly provedeny přesně v souladu
s normalizovanými postupy, je třeba přesně specifikovat odchylku od tohoto postupu.
V rámci expedičního listu výztuže musí být dále uvedeno především:
-
typové označení výztuže, které odpovídá zatřídění v technickém listu s uvedením výše
požadovaných vlastností;
-
identifikační údaje dané šarže (číselné označení nesoucí údaj o termínu výroby, metráži
apod.), původ každého výrobku musí být jasně identifikovatelný;
67
-
potvrzení o výstupní kontrole (kontrolní zkoušce v rozsahu dle tab. 6.3 včetně uvedení
získaných výsledků).
6.4
[6.1]
Literatura
ACI 440.1R-06. Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP
bars, American Concrete Institute (ACI), 2006, Farmington Hills, Mich., ISBN: 978-087031-210-6
[6.2]
ACI 440.3R-12,. Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for
Reinforcing or Strengthening Concrete Structures, American Concrete Institute (ACI).
2012, Farmington Hills, Mich., ISBN: 978-0-87031-781-1
[6.3]
ACI 440.3R-4,. Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for
Reinforcing or Strengthening Concrete Structures, American Concrete Institute (ACI).
2004, Farmington Hills, Mich., ISBN: 978-0-87031-781-1 (dnes neplatná)
[6.4]
ISO 10406-1:2008, Fibre-reinforced polymer (FRP) reinforcement of concrete -- Test
methods -- Part 1: FRP bars and grids; 2008; Geneva, Switzerland
[6.5]
CSA S807-10 - Specification for fibre-reinforced polymers, Canadian Standards
Association (CSA), 2010, ISBN: 978-1-55491-394-7
[6.6]
ČSN EN 1990; Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí; březen 2004
[6.7]
STN EN 1990; Eurokód: Zásady navrhovania konštrukcií; srpen 2009
[6.8]
ISO 12491:1997, Statistical methods for quality control of building materials and
components, 1997; Geneva, Switzerland
[6.9]
JSCE - Recommendation for Design and Construction of Concrete Structures using
Continuous Fiber Reinforcing Materials, 1997, Test method JSCE-E 531-1995 až
JSCE-E 540-1995 (volně dostupné na www.jsce.or.jp), Japonsko
[6.10] fib Bulletin no. 40, “FRP reinforcement in RC structures”, International federation for
[6.11] fib Bulletin 72, Bond and anchorage of embedded reinforcement: Background to the fib
Model Code for Concrete Structures 2010, 2014, Lausanne, Switzerland, ISBN 978-288394-112-0
[6.12] ASTM D7205/D7205M-06, Standard Test Method for Tensile Properties of Fiber
Reinforced Polymer Matrix Composite Bars, 2011, ASTM International, DOI:
10.1520/D7205_D7205M-06R11
68
[6.13] ASTM D7913/D7913M-14, Standard Test Method for Bond Strength of FiberReinforced Polymer Matrix Composite Bars to Concrete by Pullout Testing, 2014,
ASTM International, DOI: 10.1520/D7913_D7913M-14
[6.14] ASTM D7617/D7617M-11, Standard Test Method for Transverse Shear Strength of
Fiber-reinforced Polymer Matrix Composite Bars, 2011, ASTM International, DOI:
10.1520/D7617_D7617M-11
[6.15] ASTM D695-10, Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics,
2010, ASTM International, DOI: 10.1520/D0695-10
[6.16] ASTM D7337/D7337M-12, Standard Test Method for Tensile Creep Rupture of Fiber
Reinforced Polymer Matrix Composite Bars, 2012, ASTM International, DOI:
10.1520/D7337_D7337M-12
[6.17] fib Model Code for Concrete Structures 2010, International federation for structural
69

obsah 1 úvod - Armastek CSP

Transkript

Podobné dokumenty

Rošty - Ronn

Katalog ke stažení

Masterflow® 920 SF - Severní stavební, as

6. I. ÚDRŽBA A POUŽÍVÁNÍ „OKNOPLAST

SPŠ na Proseku 5-1 Ing. Lukáš Procházka