Tužky, pneumatiky, šperky, lyže, prsteny, energetika

číslo 19 – ročník 2012

19 / 2012

1

Tužky, pneumatiky, šperky, lyže, prsteny, energetika………….

Obsah:

Začneme tentokrát lehkou hádankou. Copak to je? Lze s  tím rýt do skla i vrtat do betonu, současně tím můžete psát po papíře. Můžete s tím topit, pomáhá to při průjmových onemocněních, můžete do toho investovat peníze, za nepatrné kousky vsazené do zlata či platiny lze utratit ohromující peníze. Jednou je to černé neprůhledné a jindy průzračně čisté, jednou to měkké, jindy to figuruje na Mohsově stupnici na místě nejvyšší tvrdosti 10, někdy to vede elektrický proud, jindy se to chová jako polovodič a někdy zase jako izolant. Taje to při 3800 °K (nejvyšší teplota tání mezi všemi prvky), chcete-li to povařit,

Zesilování konstrukcí pomocí FRP v Řecku

musíte ještě přidat a ohřát to na teplotu 4500° K. Chcete-li vědět, kdy zemřel neandrtálec, kterého vykopete na zahrádce, pomůže Vám to odhadnout. Zřejmě není v Mendělejevově periodické tabulce prvků druhý prvek, který by vynikal tak extrémními vlastnostmi. A to nemluvíme o extrémních vášních, které vyvolávají některé jeho sloučeniny. V Beilsteinově databázi jich sice naleznete přes 10 000 000 (ano nespletl jsem se přes deset miliónů), ale ta sloučenina, ve které se předmět naší hádanky dal dohromady s pouhými 2 atomy kyslíku, vyvolává vášně zřejmě největší.

SANAČNÍ NOVINY, Čtvrtletník, Číslo 19 – 2012; vydáno 10. 6. 2012, ISSN 1803 – 7119 Vydává BETOSAN s.r.o., Na Dolinách 23, 147 00 Praha 4, IČ 48028177

Editorial Rozhovor s Ing. Janem Perlou

Inovativní kompozitní systém TYFO HM na bázi bazaltového vlákna pro zesílení zdiva a betonu Chování železobetonových desek zesílených FRP při požáru

19 / 2012 No ano, je to samozřejmě uhlík. Lehká hádanka, já vím. Ostatně zkuste se podívat na Wikipedii, tam se dozvíte další pozoruhodné informace. Uhlík nalézá díky svým unikátním vlastnostem uplatnění v  rozmanitých odvětvích, a jedním z těch odvětví je i stavebnictví. Zesilování pomocí uhlíkových lamel či kompozitů s  uhlíkovými sítěmi patří mezi velmi mladá využití uhlíku, současně je to určitě využití, které vyvolává jen malé vášně, o to více však zajímavých otázek. A tak jsme se vypravili tentokrát do Brna, abychom si o zesilování stavebních konstrukcí obecně a uhlíkovými lamelami zvlášť popovídali s Ing. Janem Perlou. Ing. Václav Pumpr, CSc.

2

Rozhovor s Ing. Janem Perlou Tentokrát jsme k rozhovoru přizvali člověka, který se věnuje podstatnou část profesní kariéry sanacím nejen betonových a železobetonových konstrukcí. Byl jedním z prvních v našich končinách, kdo využil k zesílení konstrukcí FRP lamely. Tou osobou je Ing. Jan Perla, který byl na letošním mezinárodním sympoziu SANACE 2012 oceněn jako osobnost roku. 1. Pane inženýre, příliš často se nevídáme, ale pokaždé, když se setkáme, tak na mne zapůsobí Váš elán, energie, kterou překypujete, a řekněme dobrá nálada. Začnu proto rozhovor od konce, čím se udržujete v dobrém rozpoložení? Samotná práce to asi nebude nebo se mýlím? Já jsem povahou optimista, protože pouze optimista ví, že jakákoli stávající konstrukce vydrží cokoli, jen ne statický výpočet, a každý problém má řešení (jenom nás to nemusí vždy napadnout). Práce statika je bohužel natolik stresující a závažnou činností, zvláště když je volán spíše k problematickým záležitostem, že je neustále jednou nohou v nebezpečí velkého maléru. Takže aby se z toho člověk nezbláznil, vše ostatní neustále zlehčuji, ironizuji a udržuji si odstup. A tím, že si i ze sebe dělám legraci, si udržuji mozek v kondici. Jinak jsem velký příznivec sauny (ta vás vždy příjemně naladí a skutečně se dá pravidelně absolvovat i vícekrát týdně), dobrého vína a logických her. 2. Vy jste statik a nepochybně je váš pracovní či odborný záběr, resp. Vaší projekční kanceláře, mnohem širší než zesilování při opravách či rekonstrukcích. Nicméně kolik pracovní náplně tvoří zesilování uhlíkovými páskami ve Vašem případě, pokud se to dá odhadnout? Jedná se o procenta nebo se jedná o větší podíl? Problematice oprav a zesilování konstrukcí se skutečně dlouhodobě věnuji (vždyť i pod projektem první aplikace zesílení uhlíkovými lamelami v ČR byl můj podpis) a firma ročně vyexpeduje i desítku projektů sanace, ale vlastní zesílení uhlíkem je obsaženo tak ve dvou až třech případech. Pokud bych to přepočetl do celkové pracovní náplně firmy, tak je to pouze pár procent a z mého vlastního času tak do pěti procent. 3. Technologie využívání FRP není nová, dá se říci, že má ve světě více než dvacetiletou historii. Přesto je na tuto technologie stále nahlíženo jako na novinku. Čím to? Je to určitou konzervativností projektantů či investorů? Nebo to má důvody řekněme ekonomické či technické? Jsem spíše zastáncem technických důvodů, protože podle vlastní zkušenosti se nejedná o konzervativnost, ale spíše neznalost - české normy tuto technologii neobsahují, ve vysokoškolských skriptech se příklady nevyskytují a bohužel většina projektantů v poslední době spíše používá „CTRL+C“ než vlastní hlavu.

RO ZH OVO R

19 / 2012

3

4. Jednou z  problematických stránek technologie FRP je nepochybně i malá znalost materiálových charakteristik používaných epoxidových pryskyřic u projektantů obecně. Často se setkáváme s podceněním teplotní odolnosti použitých (nebo navrhovaných) systémů. Kapitolou samo o sobě je správné navržení požární odolnosti. Není toto jednou ze zásadních překážek širšího využívání této technologie? Ano, zde jste trefil hřebíček na hlavičku. Prodejci i výrobci těchto materiálů skutečně technické veřejnosti dluží mnoho údajů a zatím jsem nezaznamenal jejich vyšší úsilí pro zvýšení povědomosti o možnostech pasivní požární ochrany těchto materiálů, nebo dokonce o možnosti statického posouzení požární odolnosti takto zesílených průřezů pro mimořádnou návrhovou situaci. Projektanti tuto problematiku buď z neznalosti podceňují anebo se jí zase naopak zbytečně bojí, což skutečně není pro tyto materiály příznivé. 5. Je známo, že technologie zajišťování vyšší seismické bezpečnosti železobetonových i jiných staveb využívá hojně uhlíkové tkaniny. Po ataku na WTC se tato technologie začala masivně využívat u veřejných staveb v USA jako ochrana před teroristickými útoky. Čeká nás něco podobného? Naštěstí máme u nás dosti odlišné historické zkušenosti a ve světě nejsme vnímáni jako světová velmoc, takže se nám velmi pravděpodobně tento boom vyhne. Nové normy ale doporučují navrhovat veřejné budovy i na možnost výbuchů (i teroristických). Nejsem však přesvědčen, že to projektanti dostatečně vnímají jako nutnost v dnešním zjitřeném světě.

Děkujeme za rozhovor Ing. Janu Perlovi z firmy JAPE – projekt spol .s r.o. ([email protected])

RO ZH OVO R

19 / 2012

4

Zesilování konstrukcí pomocí FRP v Řecku Michael J. KARANTZIKIS, MSc, Stavební inženýr, Fyfe Europe SA, Atény, Řecko Dimitris P. KOUTSOUKOS, Ph.D., P. E., Statik, vedoucí oddělení projektů systémů infrastruktury, ERGA OSE. S.A., Atény, Řecko Constantinos P. ANTONOPOULOS, Dr., Stavební inženýr, ReTech SA, Atény, Řecko Klíčová slova: mosty, nemocnice, infrastruktura, zdivo, armáda, sila, dodatečná seizmická modernizace, nádrže

1. ÚVOD První projekty staveb zesílených pomocí FRP v Řecku se objevily na konci 90. let minulého století. Rozšířené používání FRP v oblasti řeckého stavebnictví přišlo po ničivém zemětřesení v Aténách v roce 1999. Od té doby se realizovalo několik stovek projektů týkajících se staveb zesílených FRP. Zesíleno bylo několik typů staveb: obytné budovy, nemocnice, školy, hotely, obchodní centra, mosty, parkovací objekty, stadiony, ropovody, kostely, muzea, památkové budovy, sklady, továrny, sila, věže, nádrže, vojenské a citlivé stavby. Tato studie předkládá přehled nejzajímavějších projektů realizovaných v Řecku a na Kypru, při kterých byl použit kompozitní systém Tyfo® Fibrwrap® (dále jako „TFC systém“).

2. PŘÍPADY PODLE TYPU PROJEKTU 2.1 Stavby První projekt zesílení v Řecku, který počítal s využitím TFC systému, se realizoval v Soluni v roce 1998. Tento projekt zahrnoval seizmické zesílení sloupů v přízemí vícepodlažní budovy vlastněné bankou Agricultural Bank of Greece. Od té doby bylo zesíleno více než 200 budov a podobných staveb. Mezi nejběžnější typy takto zesílených staveb patří obytné budovy, banky, nemocnice, hotely, kancelářské budovy, školy, kina, obchodní centra, restaurace a automobilové salony. Státní nemocnice ve městě Sparta na jihovýchodě Řecka byla postavena před 30 lety. Rekonstrukce a seizmické zesílení nemocnice podle nejnovějších seizmických norem vyžadovaly dodatečnou seizmickou modernizaci sloupů uhlíkovým TFC systémem. Na obrázku 1 jsou znázorněny zesílené kruhové sloupy u balkonů nemocnice. Projekt byl dokončen v roce 2005.

Obr. 1 Státní nemocnice ve městě Sparta.

Obr. 2 Hotel „Kaningos 21“, Atény.

5

ZE S I LOVÁ N Í

19 / 2012

Jako příklad z relativně nedávné doby můžeme uvést zesílení a rekonstrukci Hotelu „Eretria“ v centru Atén (obrázek 2). Hotel „Eretria“ byl postaven v roce 1975 v centru Atén. Dva noví vlastníci se rozhodli hotel přejmenovat na „Kaningos 21“, kompletně ho zrekonstruovat a zvýšit třídu hotelu ze 3 na 4 hvězdičky pro olympijské hry v Aténách v roce 2004. Zvýšení třídy hotelu vyžadovalo kvůli zvýšenému zatížení seizmickou modernizaci a statické zesílení. Projektant deklaroval zvýšení meze kluzu a průtažnosti sloupů skleněným TFC systémem a zvýšení namáhání smykem a roztažnosti stropních desek a trámů v posledním patře TFC systémem s uhlíkovými pásky a skleněnými vlákny kvůli zvýšenému stálému a dynamickému zatížení terasy (střešní zahrada a bar). Podle pokynů ve věstníku Bulletin 14 [1] byla vyžadována dvouhodinová požární odolnost TFC systému u stropních desek v posledním patře. Toho se dosáhlo první instalací systému Tyfo® AFP (Advanced Fire Protection, pokročilá protipožární ochrana) (dále „AFP systém“) v Evropě na použité kompozity (obrázek 3). AFP systém byl schválen společností Underwriters Laboratory [2] jako jediný materiál pro protipožární ochranu FRP, který je aktuálně k dispozici. Třicet let stará obytná budova v aténské čtvrti Plaka má šest pater a nachází se přímo pod Akropolí s výhledem na Parthenón z horních podlaží (obrázek 4). Cena bytů v této exkluzivní rezidenční čtvrti typicky přesahuje 10 000 eur za metr čtvereční. Vlastník této budovy byl velice znepokojen tím, že při využití tradičních způsobů zpevnění, jako je stříkaný beton, by došlo k omezení volného místa. Aténská inženýringová společnost provedla statický výpočet. Budova byla původně postavena tak, aby splňovala řecký seizmický zákon z roku 1959. Rekonstrukce a modernizace by musely splnit přísnější zákony, které byly od té doby přijaty. Projektant vytvořil projekt zesílení, který v rozsáhlé míře obsahoval kompozitní systém. Cílem tohoto pojetí projektu bylo nejen zachovat vzácnou podlahovou plochu pro vlastníka, ale také snížit čas a náklady na rekonstrukční práce díky snadné aplikaci. Na sloupy, trámy, stropní desky, nosné stěny a otvory ve stropních deskách se v roce 2006 použily různé typy TFC systému. Na stropní desky a trámy zesílené vrstvenými uhlíkovými vlákny se kvůli zajištění požadované protipožární ochrany použil AFP systém.



Obr. 3 Použití AFP systému na uhlíkové pásky.

Obr. 4 Obytná budova ve čtvrti Plaka.

Obr. 5 Zesílení sloupů TFC systémem.

Obr. 6 Kancelářská budova poškozená zemětřesením.

6

ZE S I LOVÁ N Í

19 / 2012

Hotel „Three Seas“ v kyperské Larnace byl kompletně rekonstruován a seizmicky modernizován novým vlastníkem, mezinárodní společností provozující hotely a letoviska se sídlem v USA. Všechny sloupy se zesílily sklovláknovým TFC systémem (obrázek 5). Šestipatrová budova v Aténách, ve které má sídlo velká společnost obchodující s elektrospotřebiči (obrázek 6), byla v roce 1999 poškozena zemětřesením. Vlastník opravil a TFC systémem zesílil pouze poškozené betonové části v krátké době, aniž by došlo k přerušení provozu společnosti. Přesto se vlastník a jeho personál cítili při práci v této budově ne zcela v bezpečí. Kvůli růstu svého podnikání se společnost rozhodla postavit pro svou centrálu druhou budovu hned vedle té stávající a kompletně rekonstruovat, opravit a modernizovat své stávající sídlo. Projektant určil pro zesílení všech vnitřních sloupů a trámů TFC systém a rozhodl se, že po obvodu budovy postaví nové betonové stěny namáhané smykem. Projekt byl dokončen v roce 2001. Kancelářská výšková budova o 10 patrech, která se nachází na pobřežním bulváru v kyperském Limasolu (obrázek 7), postavil lodní dopravce jako své sídlo. Konstrukce výškové budovy se narušila před 15 lety. Původní projekt vycházel z ustanovení staršího seizmického zákona. Společnost se rozhodla vytvořit projekt a modernizovat betonovou nosnou konstrukci podle nejnovějších zákonů. Všechny kruhové sloupy a výtahová šachta byly zesíleny skelným TFC systémem. Projekt byl dokončen v roce 2003.

Obr. 7 Kancelářská výšková budova v kyperském Obr. 8 Zea marina, spojení sloupů s nosníky. Limasolu.

V úžasném přístavu Zea marina v Pireu, který je plný jachet, byla zesílena dvě patra 30 let staré budovy restaurace z železobetonu. Kvůli úžasnému výhledu na přístav se architekt rozhodl, že nepoužije žádné další nosné prvky, ani tradiční způsoby opláštění. Architekt schválil výhradně použití TFC systému kvůli tomu, že prakticky nepovede ke zvětšení rozměrů nosných prvků. Seizmické modernizace budovy podle aktuálních seizmických zákonů se dosáhlo zesílením sloupů, nosníků a betonových zdí. Nosné desky z předpjatého betonu byly kvůli zvýšenému dynamickému zatížení zesíleny uhlíkovými pásky na spodním líci a skelnou tkaninou ve tvaru „U“ na koncích kvůli řádnému ukotvení pásku (obrázek 9). Projekt byl do detailů rozpracován v oblasti spojení mezi sloupy a nosníky (obrázek 8). Projekt byl dokončen v roce 2005.

7

ZE S I LOVÁ N Í

19 / 2012

V jedné z oblastí s nejvyšší pravděpodobností zemětřesení, ve městě Kalamata na jihu Řecka, proběhla v roce 2006 kompletní rekonstrukce čtyřpatrového nákupního centra. Kvůli požadavkům na minimální dobu trvání zásahu do budovy za účelem jejího zesílení vybral projektant TFC systém jako unikátní způsob zesílení budovy. Konkrétně se tento způsob aplikoval pro zvýšení roztažnosti betonových stropů a namáhání nosníků a sloupů smykem (obrázek 10). Celková plocha nákupního centra činí 5 000 m2. Zesílení nákupního centra bylo dokončeno za 40 dnů v létě v roce 2006.

Obr. 9 Zea marina, zesílení nosníků a stropních desek.

Obr. 10 Nákupní centrum v Kalamatě, sloupy a nosníky.

2.2 Infrastruktura Důležité infrastrukturní stavby, jako jsou mosty, parkovací objekty, potrubí nebo budovy s atletickým vybavením, byly v posledních několika letech zesíleny TFC systémem. Některé z těchto projektů přiblížíme na následujících řádcích. Na zavěšeném mostě Rion-Antirion v Patrasu se TFC systém použil v roce 2004 k zesílení betonových spojů přenášejících smykovou sílu, které podpírají seizmické tlumiče přístupů k mostu (obr. 11). Třicet let starý most v Aténách (Maroussi Station), který vlastní Správa železnic, byl v roce 2006 zesílen podle dnešních vyšších projektovaných stupňů zemětřesení. Zesíleno bylo všech 160 pilířů a nástavbových nosníků v celé délce mostu (300 m). Ke zvýšení roztažnosti pilířů se použil TFC systém s uhlíkovými pásky řádně ukotvený na koncích TFC systémem se skelnou tkaninou (obr. 12). Jako další příklad můžeme zmínit zesílení starého betonového mostu z roku 1994 nad řekou Evinos nedaleko vesnice Poros v západním Řecku. Most byl zesílen v roce 2006 kvůli tomu, aby zvládl zvýšené zatížení automobilovou dopravou. Na spodní líc hlavních mostových nosníků (obr. 13) se použil TFC systém s jednosměrnou uhlíkovou tkaninou ve čtyřech vrstvách, který byl řádně ukotven na koncích kotvami z uhlíkových vláken kvůli předpokládaným vysokým konstrukčním deformacím FRP. PCCP část potrubí na pitnou vodu Aravissos byla v roce 2005 zesílena externí aplikací stejného uhlíkového TFC systému v Soluni na severu Řecka. Šlo o první pilotní projekt zesílení PCCP, který byl realizován v Řecku a možná i v celé Evropě. Jako poslední příklad uvedeme budovu, v jejíchž útrobách se skladovalo náčiní pro slalom kánoí pro olympijské hry v Aténách v roce 2004, která byla v roce 2004 zesílena TFC systémem (obr. 14).

8

ZE S I LOVÁ N Í

19 / 2012

Obr. 11 Most Rion-Antirion.



Obr. 13 Most přes řeku Euinos.

Obr. 12 Železniční most v Aténách.

Obr. 14 Budova, ve které se skladovalo náčiní pro slalom kánoí pro hry v roce 2004.

2.3 Tradiční a kulturní stavby Mnohé aplikace se týkají národních památek a historických památkových budov: kostely, muzea, vládní budovy, paláce, univerzity. U většiny těchto staveb se lze setkat s použitím různých materiálů a stavebních technik, jako jsou například kámen, keramické dlaždice, zdi z nepálených cihel, dřevěné stropní desky a střechy, kamenné klenby, krypty, klenuté chodby. Jako typický projekt můžeme zmínit třípatrovou památkovou kamennou zděnou budovu Aténské právnické univerzity, která byla v roce 2005 zesílena aplikací karbonového TFC systému na vrchní část budovy po celém jejím obvodu (obr. 15), čímž byly zesíleny kamenné zdi proti vertikálním trhlinám kvůli zvýšenému zatížení střechou a seizmickými silami. Dalším příkladem je (více než 100 let stará) památkově chráněná kamenná budova v Aténách, která byla v roce 1999 poškozena při aténském zemětřesení a zesílena aplikací TFC systému s uhlíkovými pásky na vnější povrch stěn v „X“ provedení (obr. 16).

Obr. 15 Zesílení Aténské právnické univerzity.

Obr. 16 Zesílení památkové budovy školy.

9

ZE S I LOVÁ N Í

19 / 2012

19 / 2012

10

Typem stavby, kde se široce využívají přednosti technologie FRP, jsou průmyslová zařízení. V Řecku a na Kypru byly realizovány některé unikátní a zajímavé projekty využívající TFC systém. Mezi takové stavby patří sklady, továrny, sila, zásobníky, nádrže, věže a mola. Mezi typy použitého zesílení patří statické zesílení v důsledku zvýšených provozních zatížení, seizmická modernizace, oprava koroze a ochrana před korozí, všeobecná oprava po poškození, zesílení po zemětřesení a požáru a dokonce i ochrana proti možným výbuchům v průmyslových zařízeních. Typickými příklady jsou následující dva projekty: (a) zesílení základových kruhů 4 betonových válcových sil o výšce 30 m na řeckém ostrovu Milos. Betonový plášť sil byl předtím opraven tak, aby odolal rozsáhlým poškozením vlivem koroze, a z vnější strany byl přidán nový betonový plášť. Zvýšená vlastní hmotnost způsobila praskliny v důsledku ohýbání v základových kruzích. Analýza sil byla provedena metodou FEA a kruhy byly zesíleny opláštěním karbonovým TFC systémem (obr. 17). Projekt byl dokončen v roce 2001. (b) Továrna na výrobu perlitu na řeckém ostrově Milos postavená v roce 1972 byla rozsáhle poškozena v důsledku koroze výztuh a karbonizace betonu. Tato pětipatrová továrna na výrobu perlitu o rozloze 4500 m2 je hlavním zařízením průmyslové linky na výrobu perlitu na ostrově. Případné poškození továrny vlivem zemětřesení by bylo pro vlastníka, společnost Silver & Baryte S.A., která je největším výrobcem perlitu na světě, zničující. Vlastník se rozhodl opravit a seizmicky modernizovat továrnu podle aktuálních seizmických norem. Konstruktér se rozhodl k rozsáhlému využití TFC systému nejen kvůli velmi omezenému prostoru dostupnému pro modernizaci v důsledku velkého počtu strojů a strojních systémů v továrně, ale také kvůli minimálnímu možnému prostoji v provozu továrny, který vlastník připustil. Projekt byl úspěšně dokončen podle plánu a ve stanoveném rozpočtu v roce 2001.

Obr. 17 Zesílení základových kruhů sil.

Obr. 18 Rekonstrukce továrny na výrobu perlitu.

2.5 Vojenské a citlivé stavby Použití TFC systému se ukázalo užitečné i v případě některých vojenských projektů. Obvyklá použití souvisejí s opravou po zemětřesení, seizmickou modernizací, statickým zesílením a ochranou proti korozi. Většina konstrukčního zesílení v této kategorii zahrnuje klasifikované stavby a souvisí se zmírněním nárazu tlakové vlny a ochranou proti výbuchu při teroristických útocích. S TFC systémem byly provedeny rozsáhlé zkoušky tlakových vln odpovídající skutečnosti a došlo k vytvoření speciální analýzy projektu a projektového softwaru.

ZE S I LOVÁ N Í

2.4 Průmyslové stavby

11

ZE S I LOVÁ N Í

19 / 2012



Obr. 19 Zesílení základových kruhů sil.

.

3. ZÁVĚRY FRP technologie se v posledních 10 letech v rozsáhlé míře používá v řeckém stavebním průmyslu k zesílení stávajících staveb. Podle názoru autorů však ještě FRP technologie nezískala na trhu zesílení staveb takový podíl, jaký si zaslouží, a to nejen kvůli nedostatečným národním směrnicím, zákonům a dostupnému komerčnímu projektovému softwaru, ale hlavně kvůli tomu, že většina stavitelů ještě není seznámena s touto technologií. Jedna věc je jistá: FRP technologie se již na celém světě osvědčila jako účinné a cenově dostupné řešení pro zesílení staveb, zejména v seizmicky aktivních oblastech. S touto skutečností by měli stavební inženýři, kteří se podílejí na projektech oprav a zesílení, počítat a získat související znalosti ke zvládnutí této progresívní technologie.

PODĚKOVÁNÍ Autoři by rádi vyjádřili své velké poděkování a uznání všem těmto lidem, kteří uplatnili průkopnické konstrukční a stavební metody v praxi a podíleli se tak na realizaci výše uvedených a dalších projektů v Řecku a na Kypru. LITERATURA [1] International Federation for Structural Concrete (FIB), „Externally bonded FRP reinforcement for RC structures“. Bulletin 14, 2001, Lausanne, Switzerland. [2] http://www.ul.com

INOVATIVNÍ KOMPOZITNÍ SYSTÉM TYFO® HM NA BÁZI BAZALTOVÉHO VLÁKNA PRO ZESÍLENÍ ZDIVA A BETONU INNOVATIVE COMPOSITE SYSTEM TYFO® HM ON THE BASIS OF BASALT FIBER FOR STRENGTHENING OF MASONRY AND CONCRETE Ing. Pavel Dohnálek, Ph.D., Betosan s.r.o., Na Dolinách 23, 147 00 Praha 4, tel.: 241431212, fax.: 241431215, e-mail: [email protected], www.betosan.cz

Michael J. Karantzikis MEng., Fyfe Europe S.A., Ithakis & Kordelliou street 51, 16561 Glyfada, Řecko, e-mail: [email protected]

Klíčová slova: beton, zdivo, zesilování, bazalt Anotace:

Článek popisuje výzkumně vývojový projekt Evropské Unie OPERHA, v  rámci něhož byl vyvinut materiálový systém TYFO® HM System na bázi bazaltového vlákna. Tento systém je inovativním způsobem pro zesílení cihelných, kamenných i betonových stavebních prvků, a to i v rámci historicky hodnotných staveb.

Abstract:

Article presents research and development project OPERHA, within which a new strengthening system TYFO® HM was developed on the basis of basalt fiber. This system is an innovative way for strengthening of masonry, stone masonry and concrete structural members, even in historically valuable structures.

1. ÚVOD V podvědomí laické i odborné veřejnosti je zesilování pomocí externí výztuže svázáno s ocelovým sepnutím sloupů, nebo s použitím uhlíkových pásků (lamel). Skutečná nabídka materiálů pro zesilování je daleko rozmanitější. Vedle pásků (lamel) jsou využívány i tkaniny, které mohou být aplikovány plošně. Vlákna mohou být nejen uhlíková, aramidová a skleněná, ale existují i další alternativy. Tkaniny mohou být navíc orientovány ve více směrech a tím mohou efektivněji vyztužit daný prvek. Vedle použití epoxidové matrice pro spojení jednotlivých nosných vláken kompozitu a pro jeho adhezi k zesilované konstrukci, lze stejně jako v případě výztužných vláken, využít i další materiály.

2. PŘEDSTAVENÍ PROJEKTU OPERHA V rámci výzkumu a vývoje inovativních kompozitních materiálů pro zesilování staveb se firma Fyfe Europe S.A., průkopník uhlíko-epoxidových kompozitů pro zesilování staveb, v letech 2006 až 2008 zúčastnila výzkumného projektu podporovaného Evropskou Unií pod jménem OPERHA (Open and fully compatible next generation of strengthening system for the rehabilitation of Mediterranean building heritage – Otevřený a plně kompatibilní zesilovací systém nové generace pro opravy středomořských památkových objektů). Jednalo se o mezinárodní projekt, jehož se zúčastnilo 12 univerzit, státních památkových ústavů a firem ze sedmi středomořských zemí. Cílem bylo, v relativně krátkém průběhu výzkumného projektu, vyvinout prakticky použitelný zesilovací systém pro využití zejména při opravě a zesílení památkově chráněných staveb.

12

ZE S I LOVÁ N Í

19 / 2012

Jako velmi perspektivní k  dalšímu vývoji bylo zvoleno řešení s  rovingovou tkaninou vyrobenou z pramenců bazaltových vláken spojenou s k tomuto účelu vyvinutou cemento-polymerní matricí. V začátcích projektu byly samozřejmě uvažovány i jiné materiálové kombinace (bez použití cementu, skelná vlákna atp.), které však nedosahovaly požadovaných pevností nutných pro zesilovací systém nebo požadované dlouhodobé trvanlivosti. Pro komerční využití byl tento vyvinutý systém pojmenován TYFO® HM, jenž je na evropském trhu nabízený firmou FYFE EUROPE S.A., která je na českém trhu zastoupená firmou Betosan s.r.o.

3. PŘEDSTAVENÍ BAZALTOVÝCH VLÁKEN Bazaltová vlákna byla zvolena pro použití v tomto typu zesilujícího systému díky jejich mnoha výhodám oproti například skelným vláknům, a to zejména: • Trvalá odolnost alkalickému prostředí • Vysoký modul pružnosti • Vysoká teplotní odolnost • Příznivá cena Jak již bylo řečeno, pro tento typ zesílení byla zvolena bazaltová vlákna utkaná do formy dvousměrné (0/90o) rovingové tkaniny s oky 25 x 25 mm, jež byla pojmenovaná TYFO® EP-B. Kombinací s cemento-polymerní maltou, TYFO® C-Matrix, dojde k vytvoření cementovláknitého kompozitního materiálu výborných mechanických a především trvanlivostních charakteristik (Obr. 1). Malta, která je matricí kompozitu spojující jednotlivá vlákna dohromady zároveň zajišťující přídržnost kompozitu k podkladu, je aplikována v tloušťce 10 – 20 mm. Po aplikaci první poloviny vrstvy malty je do jejího povrchu „vmáčknuta“ bazaltová tkanina, a následně je vše opět převrstveno cementovou maltou, tak aby bylo zajištěno dostatečné mechanické zakotvení vláknité výztuže (Obr. 3 a 4). Adhezivní zakotvení k podkladu může být v náročnějších aplikacích doplněno o tzv. vláknité kotvy, pojmenované TYFO® Fibrwrap® Basalt Anchors (Obr. 2), rovněž vyrobené z bazaltových vláken, které jsou jakousi vláknitou hmoždinkou pro vylepšení adheze kompozitní vrstvy ke konstrukci. Tím je zajištěno lepší spolupůsobení nové výztužné vrstvy s původním materiálem a tudíž vyšší míra využití nové výztuže.

Obr. 1 a 2: Schéma zesilovacího systému a ukázka vláknitých kotev

13

ZE S I LOVÁ N Í

19 / 2012

Obr. 3 a 4: Ukázka postupu aplikace zesilovacího systému – vtlačení tkaniny do první vrstvy malty a převrstvení druhou vrstvou malty

4. EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM PROJEKTU V rámci tohoto rozsáhlého vývojového projektu bylo provedeno velké množství zkoušek k optimalizaci a ověření navrženého zesilovacího systému. Konkrétně se jednalo o zkoušky samotných bazaltových rovingů (pramenců vláken), nezesílených a zesílených cihelných stěn (Obr. 5), cihelných kleneb (Obr. 6) a trámců vyrobených slepením (standardní maltou) dvou dutých betonových bloků (Obr. 7 a 8). V uvedených případech byly prováděny nejen zkoušky statické, ale také zkoušky cyklické a dynamické pro ověření vlastností systému v případě zemětřesení. Z dosažených výsledků vyplynulo, že navržený systém je ve všech zkoušených aplikacích velice účinný, například při zkouškách na trámcích vyrobených ze dvou dutých betonových bloků slepených maltou a zesílených na spodním líci kompozitním systémem, došlo ke zvýšení únosnosti o 23 % bez použití vláknitých kotev a za použití kotev došlo ke zvýšení únosnosti o 77 %. Dále při zkouškách zesílení cihelných kleneb bylo dosaženo 10ti násobného zvýšení únosnosti při zesílení pouze na spodním líci klenby a při zesílení z obou líců klenby bylo dosaženo více jak 25ti násobného zvýšení únosnosti.

Obr. 5 a 6: Cyklické zatěžování zesílené cihelné stěny a testování zesílení cihelné klenby

14

ZE S I LOVÁ N Í

19 / 2012

Obr. 7 a 8: Ukázka spodního líce trámce vyrobeného ze dvou maltou slepených dutých betonových bloků, zesíleného za použití systému včetně použití vláknitých kotev

5. VÝHODY VYVINUTÉHO SYSTÉMU Hlavní přednosti tohoto nově vyvinutého zesilovacího systému oproti systémům dosud dostupným jsou následující. Za prvé jde o relativně příznivou cenu zesilovacího systému, oproti kompozitním systémům sklo-epoxid nebo uhlík-epoxid, které jsou výrazně dražší, byť je nutné uvést, že tyto systémy mají výrazně vyšší mechanické vlastnosti, které však mnohdy nejsou ve všech případech prakticky využitelné. Tudíž je lepší zvolit novou alternativu s nižšími mechanickými vlastnostmi za příznivější cenu. Za druhé tento materiálový systém přináší snazší aplikaci proveditelnou i nekvalifikovanou pracovní silou. Zejména oproti výše zmiňovaným systémům na bázi dvousložkových epoxidových pryskyřic je tento nový systém snazší na zpracování, jelikož materiál cemento-polymerní matrice se pouze rozmíchává s vodou a jeho zpracování je podobné s ostatními maltovými výrobky a nevyžaduje tudíž speciálně zaškolenou pracovní sílu. Za třetí je u systému TYFO® HM eliminována hlavní nevýhoda kompozitních uhlíkových materiálů pojených epoxidovou pryskyřicí, kterou je nízká odolnost vůči vysokým teplotám a požáru, v případě epoxidových pryskyřic se kritická teplota pohybuje mezi 60 °C a 80 °C. Epoxidy pojené zesilovací prvky je proto nutné chránit dalšími vrstvami proti účinkům vysoké teploty, což představuje výrazné zvýšení nákladů na zesilovací zákrok. Čtvrtou, nezanedbatelnou výhodou, je možnost prostupu vodní páry skrz zesilující vrstvu. Zatímco epoxidová matrice, zcela uzavře povrch konstrukce proti prostupu prakticky všech kapalných i plynných médií, maltová směs TYFO® C-Matrix průchod par umožňuje. Bariérové vlastnosti jsou sledovány především u historických konstrukcí, které v mnoha případech již nemají k dispozici funkční hydroizolační vrstvu, a do nosné stěnové konstrukce vzlíná voda. V celé řadě případů je jediným možným řešením, umožnit této vodě odpar z povrchu konstrukce, jelikož úplná obnova hydroizolační vrstvy je prakticky nemožná. Výhodou je i zachování charakteru povrchu zesilované konstrukce, což je výhodou zejména u památkových objektů, u kterých je často vyžadováno zachování povrchového vzhledu konstrukce. Použití bazaltových vláken sebou přináší další výhody. Jejich pevnostní charakteristiky, resp. fyzikálně mechanické vlastnosti, přibližně odpovídají vlastnostem vláken skelných, jsou však přibližně o 10 % lepší. Zásadní ovšem je, že oproti vláknům skleněným nevyžadují vlákna bazaltová při styku s alkalickým prostředím, cementem pojených materiálů povrchovou úpravu, která by vlákna chránila, jako v případě skelných vláken, proti korozi vlivem alkálií. Tudíž jsou jejich mechanické vlastnosti trvalé a bez jakékoliv korozní degradace.

15

ZE S I LOVÁ N Í

19 / 2012

19 / 2012

16

V rámci projektu OPERHA také došlo k prvním aplikacím zesilovacího systému v praxi. Vzhledem k zaměření projektu se v první fázi jednalo o historické stavby ve středomořské oblasti. Konkrétně například o historickou pevnost z kamenného zdiva Qasr al-Kharanah v Jordánsku (Obr. 9 a 10), kde došlo ke stabilizaci a zpevnění obvodových stěn, dále pak o cihelný dům Galal v Egyptě (Obr. 11 a 12), kde bylo provedeno zesílení boční stěny. Následoval kamenný kostel Renedo de la Inera ve Španělsku, kde došlo k zesílení vrchního líce kamenných kleneb a například historický dům z kamenného zdiva El Qued v Alžírsku, kde bylo provedeno sepnutí věnce pomocí, z exteriéru lepeného, zesilovacího systému po celém obvodu budovy. V rámci projektu byly samozřejmě provedeny další praktické aplikace, ke kterým se v dnešní době přidávají první aplikace komerčního rázu.

Obr. 9 a 10: Pevnost z kamenného zdiva Qasr al-Kharanah v Jordánsku, aplikace vláknité kotvy

Obr. 11 a 12: Cihelný dům Galal v Egyptě, aplikace tkaniny na první vrstvu malty

7. ZÁVĚR Použití cementovláknitých kompozitů s bazaltovou orientovanou výztuží je vhodnou alternativou k zesilování pomocí kompozitů s uhlíkovými vlákny pojenými epoxidovými pryskyřicemi, a to zejména vzhledem k nižším materiálovým nákladům, snazší aplikaci, lepší teplotní odolnosti, dobré paropropustnosti, zachování charakteru povrchu a výborné korozní odolnosti, jak samotných vláken, tak celého materiálového systému, a tudíž jeho dlouhodobé trvanlivosti.

ZE S I LOVÁ N Í

6. REFERENČNÍ STAVBY PROJEKTU

CHOVÁNÍ BETONOVÝCH DESEK ZESÍLENÝCH TECHNOLOGIÍ FRP PŘI POŽÁRU 1

2

1

1

B. K. Williams , V. K. R. Kodur , L. A. Bisby a M. F. Green 1

Dept. of Civil Engineering, Queen’s University (fakulta stavebního inženýrství, Královnina univerzita) Ellis Hall, Kingston, Ontario, Kanada [email protected], [email protected], [email protected]

2

Institute for Research in Construction, National Research Council of Canada (Institut pro výzkum stavebnictví, Rada pro státní výzkum v Kanadě) 1200 Montreal Road, Ottawa, Ontario, Kanada [email protected]

ABSTRAKT: Pokračující pokrok v oblasti výrobních technik a technických parametrů polymerových materiálů zesílených vláknem (FRP) umožnil, aby FRP materiály přestaly plnit sekundární úlohu v občanské infrastruktuře a staly se skutečně realizovatelnou alternativou výstavby. Vzhledem k rozsáhlé databázi znalostí a pevně stanovených metod predikce požární odolnosti lze aplikaci FRP materiálů rozšířit na interiéry budov, kde je požár klíčovou obavou. Pokračující výzkumný program Královniny univerzity a Rady pro státní výzkum v Kanadě (NRC) má za cíl posoudit chování prvků zesílených technologií FRP při vysoké teplotě a vytvořit konstrukční pokyny pro bezpečné použití technologie FRP v budovách. Byly provedeny experimentální studie k posouzení chování maloplošných betonových desek zesílených FRP tkaninami a izolovaných unikátním dvoukomponentovým protipožárním systémem z hlediska přenosu tepla. Desky byly vystaveny standardnímu požáru podle ASTM E119 a pozorovalo se jejich celkové chování. Tloušťka izolace byla předtím stanovena jako parametr nezbytný pro požární odolnost vyztužených betonových prvků zesílených FRP materiály. Tloušťka izolace se měnila, aby se zjistilo, jaká je její schopnost zachovat nízké teploty v adhezivním spoji FRP materiálu, které jsou klíčové k zabránění štěpení FRP materiálu a izolace. K predikování teplot v izolaci, FRP materiálu a betonu během jejich vystavení požáru byl vytvořen model konečných diferencí. Predikce modelu se porovnaly s testovanými daty, aby se model potvrdil. Jak experimentální, tak analytická data jsou slibná v tom, že ukazují, že správně izolované betonové desky zesílené FRP technologií mohou poskytnout odpovídající odolnost vůči požáru.

Obrázek 3: Aplikace izolace VG postřikem

Obrázek 4: Usazování desky do pece

Celý článek opět najdete na http://novinybetosan.wz.cz.

17

ZE S I LOVÁ N Í

19 / 2012

PODLAHY A POVRCHOVÉ ÚPRAVY VE STAVEBNICTVÍ 2012 Společnost BETONCONSULT, s.r.o. připravuje 7. ročník odborné konference PODLAHY A POVRCHOVÉ ÚPRAVY VE STAVEBNICTVÍ. Termín konání je 19. a 20. 9. 2012 a místo opět Kulturní centrum Novodvorská v Praze 4. Odborný program bude složený ze dvou tématických okruhů: Podlahy a Povrchové úpravy ve stavebnictví. Letos bude referováno o aktuálním znění normy ČSN 74 4505 Podlahy, společná ustanovení vydaném v květnu 2012 a vzniklém právě na základě diskusí na minulých ročnících konference. Další příspěvky pak chtějí organizátoři nasměrovat tak, aby poskytovaly návod jak správně navrhovat (projektovat) nebo provádět jednotlivé konstrukční prvky. Chybět nebudou ani oblíbené příspěvky referující o častých vadách a reklamacích a příspěvky o novinkách v oblasti jak povrchových úprav, tak podlah. Cílem akce je poskytnout účastníkům komplexní přehled o problematice, včetně kontaktů na specialisty zabývající se jednotlivými tématy. Tradiční výhodou konference oproti psaným médiím je přímý kontakt s přednášejícími a možnost diskutování vlastních dotazů či připomínek. V minulých letech se konference každoročně zúčastnilo cca 180 až 220 odborníků, zejména z České republiky a Slovenska. Jednotliví účastníci pak přicestovali i z Německa a Polska. Možnosti firemní prezentace v rámci konference, ať už formou inzerce ve sborníku či účasti na doprovodném firemním workshopu, využívá obvykle cca 30 až 40 společností.

18

P O ZVÁ N K A

19 / 2012

Na letošním mezinárodním sympoziu SANACE 2012 byly představeny novelizované Technické podmínky Sdružení pro sanace betonových konstrukcí (TP SSBK III). Jedná se již o třetí vydání, které bylo přizpůsobeno aktuálně používaným normám ČSN EN 1504 – 1 až 10. Autorský kolektiv byl od minule rozšířen a tvoří jej tedy Prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc., Doc. Ing. Jiří Dohnálek, CSc., Doc. Ing. Jiří Bydžovský, CSc., Ing. Václav Pumpr, CSc., Ing. Amos Dufka, Ph.D. a Ing. Pavel Dohnálek, Ph.D. V TP SSBK, lze najít podněty k tomu, jak provést sanační zásah od diagnostiky až po samotnou realizaci a její kontrolu. Jistě stojí za to je prolistovat. K mání jsou u Sdružení pro sanace betonových konstrukcí např. na adrese [email protected]

19

P U BL I K AC E

19 / 2012