1 ÚVOD Rozsah platnosti a oblasť použitia manuálu Predpisy pre stavebné výrobky Použité značky a skratky

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 structural concrete, 2007, Lausanne, Switzerland, ISBN 978-2-88394-080-2

[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 structural concrete, 2007, Lausanne, Switzerland, ISBN 978-2-88394-080-2

[3.5]

fib Model Code for Concrete Structures 2010, International federation for structural concrete, 2013, Lausanne, Switzerland, ISBN 978-3-433-03061-5

[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 a pravidlá pre budovy. Júl 2006, 200 str.

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 a pravidlá pre budovy. Júl 2006, 200 str. 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)

ASTM D7617 (vychází z [6.3]) 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).

Oba zkušební postupy jsou v zásadě 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 Ověřovaná vlastnost Dlouhodobé mezní napětí (Creep rupture) Odolnost proti působení alkalického prostředí

Zkušební metoda

Poznámka

ASTM D7337 (vychází z [6.3])

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 Oba zkušební postupy jsou v zásadě shodné (odlišnost je v počtu vzorků a úrovní zatížení, ACI komplexnější)

Oba zkušební postupy jsou v zásadě shodné (odlišnost je v počtu vzorků)

Tab. 6.2 (pokračovanie) Zkušební metody pro zkoušky dlouhodobých vlastností GFRP výztuží Ověřovaná vlastnost

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 min. tři sady (z různého času výroby) min. po pěti vzorcích (tj. 15 ks pro Ø)

NE

ANO

ANO

Smyk (střih; krátkodobá)

3

(a)

Testovat

min. (a)

3

různé

průměry , pro každý průměr

Pro každou dodávku na stavbu; sada po 3

(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)

min. tři sady (z různého času výroby) min. po pěti vzorcích (tj. 15 ks pro Ø)

vzorcích od každého dodávaného prů-

ANO

ANO

Testovat

min.

3

různé


měru(b)

Pro každou dodávku na stavbu; sada po 3 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


ANO Testovat min. 1 průměr, GFRP výztuže, min. tři sady (odebrané z různého času výroby) min. po třech vzorcích (tj. 9 ks celkem)

Zkoušky pouze na vyžádání

-

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

Manuál na navrhovanie GFRP výstuže do betónových konštrukcií 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)

Zkoušky pouze na vyžádání Sada o min. třech vzorcích

-

Zkoušky pouze na vyžádání Sada o min. třech vzorcích od požadovaného průměru

-

Zkoušky pouze na vyžádání 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 structural concrete, 2007, Lausanne, Switzerland, ISBN 978-2-88394-080-2 [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 concrete, 2013, Lausanne, Switzerland, ISBN 978-3-433-03061-5

69

1 ÚVOD Rozsah platnosti a oblasť použitia manuálu Predpisy pre stavebné výrobky Použité značky a skratky

Recommend Documents