Kontrola šířky trhliny pomocí kombinované výstuže

Postupy navrhovania vystuženého betónu, napr. podľa STN EN 1992-1-1 zvýrazňujú práve aspekty trvanlivosti a používateľnosti. To samozrejme vedie k požiadavke limitovať šírku trhliny dostupnými spôsobmi. Táto je závislá predovšetkým od pevnosti v ťahu betónu, betónovej krycej vrstvy, hrúbky betónového prvku, priemeru a množstva výstuže, vrátane oceľových vlákien.

Úvod

Najdôležitejším parametrom je pevnosť betónu v ťahu v čase vzniku trhlín. Keďže je to vlastnosť závislá od časového zrenia betónu, je veľmi dôležité vedieť ako a kedy bude prebiehať vznik a šírenie trhlín. V niektorých prípadoch, keď je dominantná deformácia zapríčinená zvýšeným vývojom hydratačného tepla, je nutné uvažovať s kritickým dvoj- až päťdňovým procesom zrenia betónu. Pevnosť v ťahu betónu po 28 dňoch možno redukovať až o 50 %, čo má významný vplyv na požadované množstvo výstuže. Keď nie je možné limitovať proces vzniku a vývoja trhlín v čase zrenia betónu do 28 dní, je nutné uvažovať s pevnosťou v ťahu vyzretého betónu, čo má za následok zvýšené množstvo výstuže s menšou osovou vzdialenosťou prútov. Dôsledkom môže byť zmenšená súdržnosť medzi betónom a výstužou a problémy s ukladaním a zhutňovaním betónu. Projektant musí navrhnúť vhodný typ a množstvo výstuže, ktoré budú spĺňať požiadavky trvanlivosti ale aj zhotovovania betónového prvku.

Príspevok oceľových vlákien k návrhu kombinovanej výstuže

Použitie betónu s oceľovými vláknami je jednou z možností prekonať vyššie popísaný rozpor so zvýšeným množstvom výstuže na kontrolu šírky trhlín. Betón s rozptýlenou oceľovou výstužou zmierňuje klesajúcu vetvu pracovného diagramu betónu. Po vzniku trhlín sú tieto premostené oceľovými vláknami, ktoré prenášajú časť sily v ťahanom betóne pred vznikom trhliny. Pre štandardné dávkovania vlákien je pevnosť betónu na klesajúcej vetve vždy nižšia než pevnosť pri vzniku prvej trhliny [1]. Preto by mohol byť betón s oceľovými vláknami považovaný za betón s podkritickým množstvom výstuže. Len použitím vysoko výkonných oceľových vlákien a ich vyššom dávkovaní (napr. 50 kg/m3 vlákna Dramix RC 80/60 BN) je pri skúške betónu v ťahu za ohybu pevnosť na medzi porušenia v priereze s trhlinami vyššia než v priereze bez trhlín. Pevnosť v ťahu po vzniku trhlín bude vždy nižšia.

Na základe týchto faktov nie je možné kontrolovať šírku trhliny pod 0,3 mm v betóne s oceľovými vláknami bez prútovej výstuže. Výnimkou sú prípady existencie permanentnej tlakovej oblasti (predpäté prvky alebo prvky s tlakovou osovou silou). Použitím betónu s oceľovými vláknami, bez prútovej výstuže, vznikajú v betónovom prvku menšie trhliny ako v prvku z prostého betónu. Popri preukázateľnom vplyve oceľových vlákien na šírku trhlín, pozitívne ovplyvňujú priestorovo rozptýlené vlákna aj tvar a geometriu trhliny.

Oceľové vlákna obvykle nepremosťujú trhlinu pod pravým uhlom, pri malej šírke trhliny dochádza jej otvorením k ohnutiu vlákna. Následkom lokálne zvýšeného trenia sú tlakové napätia paralelné so stenami trhliny. Výsledkom je vznik ťahových napätí kolmých na trhlinu s následným vznikom sekundárnej trhliny (obr. 2). Tieto mikrotrhliny možno porovnávať s trhlinami v klasicky vystuženom betóne, v oblasti okolo prútovej výstuže. V betóne s oceľovými vláknami sú mikrotrhliny pozorovateľné v celej časti prierezu prvku so vzniknutou trhlinou [2].

Následne dochádza k väčšiemu zakriveniu trhlín. Takto sa zvyšuje odolnosť proti prenikaniu predovšetkým tekutých látok. Priemyselné podlahy z betónu s oceľovými vláknami bez rezaných dilatácií sa používajú stále častejšie. Pre obmedzenie deformácie na minimum si vyžadujú komplexný návrh a doriešenie technologických detailov. Aj keď vznik mikrotrhlín nie je možné úplne eliminovať, prax preukázala, že môže dôjsť k vzniku mikrotrhlín šírky 0,3 až 0,5 mm. Predpokladom je použitie vysokovýkonných oceľových vlákien (napr. 30 kg/m3 RC 65/60 BN), správny návrh a zodpovedná realizácia všetkých technologických detailov. Kvalita takýchto priemyselných podláh je na vysokej úrovni, nakoľko nie je redukovaná únosnosť dosky a prenos síl cez prípadné mikrotrhliny je overený praxou. Na rozdiel od dosiek s rezanými dilatáciami nedochádza k poškodzovaniu hrán rezaných dilatácií.

Šírka trhlín sa kontroluje a obmedzuje aj v iných nosných prvkoch. Ako príklad možno uviesť konštrukcie, kde je potrebné zabrániť korózii klasickej výstuže, priesaku vody, prípadne chrániť podkladové vrstvy proti nebezpečným chemickým látkam. V takýchto prípadoch oceľové vlákna výrazne zlepšujú účinnosť prútovej výstuže. Prenášajú časť ťahových síl v trhline a zároveň redukujú časť energie uvoľnenej pri vzniku trhliny. Napr. ak je pevnosť betónu v ťahu 3 MPa, a použitím oceľových vlákien sa dosiahne ekvivalentná ohybová pevnosť (po vzniku trhlín) 1 MPa, možno pri návrhu výstuže uvažovať so zníženou ťahovou silou, ktorá sa prisúdi prútovej výstuži. Tým sa ušetrí časť prútovej výstuže. Podmienkou zmenšenia plochy prútovej výstuže je použitie vysokovýkonných oceľových vlákien. Keďže šírka trhliny je funkciou pevnosti betónu v ťahu, rovnica uvádzaná v STN EN 1992-1-1[4], prípadne iných normách, môže byť modifikovaná odpočítaním ekvivalentnej ťahovej pevnosti fct,eq od efektívnej pevnosti v ťahu betónu fct,eff [5]:

wmax = f(fct,eff - fct,eq)

Do rovnice je potrebné dosadiť hodnoty pevnosti v rovnakom čase zrenia betónu. Ako príklad možno uviesť vznik trhlín od poklesu hydratačného tepla, keď obe hodnoty fct,eff a fct,eq možno znížiť približne o 50 %. Takto získanú hodnotu pevnosti v ťahu betónu fct(t) možno použiť vo výpočte v zmysle [4] na stanovenie šírky trhlín pre prvok s kombinovanou výstužou.

Realizované projekty

V uplynulom období bolo v zahraničí ale aj v SR realizovaných množstvo projektov betónových prvkov s kombinovanou výstužou. Uvádzame niekoľko príkladov pre zvýraznenie okrajových podmienok a výhod pridania oceľových vlákien do železobetónu:

1) Povrch podlahy prevádzky SPP bol poškodený 10-ročnou prevádzkou. Vyfrézovaná 80 mm poškodená vrstva (olej, mechanické opotrebenie) bola nahradená novou 80 mm vrstvou s kombinovanou výstužou (obr. 3). Nová doska bez rezaných škár s celkovou výmerou 1 800 m2 bola odseparovaná dvojitou polyetylénovou fóliou, rozmery dilatačných celkov sú 30 x 15 m. Kari sieť 8 x 8 x 100 x 100 mm bola kombinovaná z 30 kg/m3 oceľových vlákien RC 65/60 BN (ohnuté konce, L = 60 mm, D = 0,9 mm). Vypočítaná šírka trhliny 0,1 mm bola aj reálne dosiahnutá. Naviac bola zjednodušená, zrýchlená a zlacnená realizácia. Keďže autodomiešavač sa dostal až k miestu uloženia betónu, nebolo nutné použiť čerpadlo na betón, pričom ukladanie kari siete prebiehalo zároveň s betonážou [6].

2) Pre priemyselnú podlahu výrobnej prevádzky Getrag Ford, Kechnec (obr. 4), na ploche 30 000 m2 bola stanovená prísna požiadavka odolnosti betónovej podlahy proti priesakom ropných látok, daná kritériom šírky trhliny 0,1 mm. Doska hrúbky 200 mm bola zhotovená na dvojitej separačnej PE fólii za účelom redukcie napätí od zmrašťovania pre dilatačné celky 30 x 30 m, bez rezaných škár. Horná kari sieť Q513 bola kombinovaná z 20 kg/m3 výstuže RC 80/50 BN (ohnuté konce, L = 50 mm, D = 0,62 mm). Namiesto husto uloženej prútovej výstuže s veľkým priemerom bola použitá kombinácia ľahšej kari siete s najvýkonnejšími oceľovými vláknami, čím sa výrazne znížil čas ukladania prútovej výstuže. Použitím zariadenia Laser screed a dávkovača povrchového vsypu sa dosiahlo skrátenie celkového času realizácie a zvýšenia kvality podlahy [6].

3) V roku 2004 bola použitá kombinovaná výstuž pri realizácii 2. etapy čelných stien vodnej priehrady s minimálnou výškou 146,5 m v Longshou, Čína (obr. 5). Priehrada sa nachádza v seizmicky aktívnej zóne, klimaticky suchej a veľmi chladnej lokalite s veľkými teplotnými rozdielmi noc – deň. Alternatívne boli realizované betónové panely (dĺžka = 75 m max., hrúbka 35 – 60 cm) len s klasickou výstužou a panely s kombinovanou výstužou, pričom množstvo prútovej výstuže v pozdĺžnom smere predstavovalo 0,4 %, v priečnom smere 0,35 % a dávdávkovanie oceľových vlákien (RC 80/60 BN) bolo 35 kg/m3. Použilo sa celkom 1 440 m3 betónu, pričom pri paneloch s prútovou výstužou sa v krátkom čase objavili trhliny s neprípustnou šírkou, zatiaľ čo prvky s kombinovanou výstužou odolávajú aj seizmickému namáhaniu bez viditeľných trhlín [7].

4) Vo Valencii (Španielsko) bola využitá kombinovaná výstuž v tenkom strešnom škrupinovom prvku na budove oceánografického parku (obr. 6). Výstuž pozostávala z 50 kg/m3 oceľových vlákien RC 80/35 BN (ohnuté konce, L = 35 mm, D = 0,45 mm) a jednej kari siete 8 x 8 x 150 x 150 mm umiestnenej v strede hrúbky prvku. Vzhľadom na zakrivenie strechy a jej ohraničenú hrúbku 60 až 120 mm by bolo veľmi komplikované ukladanie pôvodne vyžadovaných dvoch vrstiev prútovej výstuže s požadovanou presnosťou uloženia a bezpečnosti práce. Zvolené kombinované riešenie spĺňalo podmienky návrhu na medzný stav používateľnosti a únosnosti [8].

Závery

Betón s oceľovými vláknami v kombinácii s klasickou výstužou umožňuje zmenšenie šírky trhlín resp. množstva prútovej výstuže. Zvyšuje sa kvalita betónového prvku v dôsledku zlepšených vlastností a spracovateľnosti betónu. Dosahuje sa časová úspora zhotovenia. Pre použitie kombinovanej výstuže je možné využiť existujúce, modifikované návrhové postupy, ktoré sú overené skúškami. Technológia kombinovanej výstuže sa uplatňuje stále v širšom spektre aplikácií, ako napr. veľkorozmerové celky bez dilatácií a konštrukcie nepriepustné pre vodu a nebezpečné látky.

Ing. Juraj Dojčák, PhD., Bekaert Hlohovec a. s. Ing. Gerhard Vitt, Bekaert Deutschland GmbH Recenzent: prof. Ing. Juraj Bilčík, PhD., SvF STU Bratislava

Literatúra:

[1] The Concrete Society: Technical Report No. 63: Guidance for the design of steel-fibre reinforced concrete, March 2007 [2] Winterberg, R.: „Untersuchung zum Reissverhalten von Stahlfaserbeton und stahlfaserverstärken Stahlbeton“, Dissertation, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Ruhr - Universität Bochum, 1998 [3] Schriftenreihe des Instituts für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz der TU Braunschweig (iBMB): Schnütgen B., Stahlfaserbeton für den Umweltschutz, Fachbeitrag zum Heft 100 der Schriftenreihe des iBMB, Eigenverlag, Braunschweig [4] STN EN 1992-1-1: Navrhovanie betónových konštrukcií Časť 1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy, júl 2006, s. 200 [5] Brite-Euram: BRPR-CT98-0813, Test and design methods for steel fibre reinforced concrete [6] P. Guirguis, J. Dojčák: Kombinovaná výstuž – vplyv oceľových vlákien pri výpočte limitovanej šírky trhliny, konf. Betonárske dni, Bratislava, 2010 s. 345 – 350 [7] G. Vitt: Combined reinforcement – practical experiences: BEFIB 2008, p. 17 – 19, Sept. 2008, Chennai [8] Domingo A., Serna P., Lazaro C.: Estudio del comportamiento del hormigon con fibras de acero en elementos laminares de peque_o espesor y su comportamiento post-fisuracion, Hormigon y Acero, n 233,3 Trimestre 2004