preskočiť na hlavný obsah

Zosilňovanie železobetónových stĺpov

/up/images/featured/images/zosilnovanie_zelezo_betonovych_stlpov_0.PNG

V súvislosti s poruchami betónových a železobetónových konštrukcií, a pre zvýšené finančné nároky na novú výstavbu, čoraz častejšie v súčasnosti vystupuje do popredia aj požiadavka na zachovanie pôvodných konštrukcií s vyššou únosnosťou. Metóda zosilňovania vláknami vystuženými polymérmi (Fibre Reinforced Polymers, FRP) predstavuje pre stavebníctvo, popri klasických metódach zosilňovania betónových a železobetónových stĺpov, vhodnú alternatívu. Na rozdiel od klasickej metódy je menej prácna a pre svoj „suchý“ postup aj časovo menej náročná. V príspevku analyzujeme možnosti zvýšenia vzpernej únosnosti štíhlych stĺpov.

V súvislosti s poruchami betónových a železobetónových (ŽB) prvkov a konštrukcií a pre zvýšené finančné náklady na novú výstavbu často v súčasnosti vystupuje do popredia popri požiadavke na ich trvanlivosť, dlhú životnosť a nízke udržiavacie náklady, aj požiadavka zachovania pôvodných konštrukcií ale s vyššou únosnosťou. Popritom sa od každej konštrukcie požaduje aj zachovanie definovanej úrovne bezpečnosti, používateľnosti, a ich estetického vzhľadu. Táto skutočnosť podmienila výskum a následne aj rozvoj metód pre ich zosilňovanie, a to materiálmi s vysokou ťahovou pevnosťou a schopnosťou spolupôsobiť s povrchom pôvodnej konštrukcie. V posledných rokoch sa vo zvýšenej miere pre tento účel využívajú aj kompozitné materiály - vláknami vystužené polyméry (Fibre Reinforced Polymers, FRP), aplikované na povrch konštrukčných prvkov.

FRP kompozity

FRP patria do skupiny kompozitov, zahŕňajúcich materiálové systémy zložené z viacerých (najmenej dvoch) fáz, z ktorých aspoň jedna je pevná, a dosahuje vlastnosti, ktoré nemôžu byť dosiahnuté ktoroukoľvek zložkou (fázou) samostatne, ani ich sumáciou [2]. Typický FRP kompozit pozostáva z výstužných vlákien a matrice. Výstužné vlákna mu dávajú základnú pevnosť a matrica ich chráni pred mechanickým poškodením. Podieľa sa tiež na roznose namáhania do vlákien. Vlastnosti FRP kompozitov sú vo veľkej miere ovplyvnené použitým typom vlákien. V stavebných konštrukciách sa uplatňujú 3 typy: uhlíkové (carbon), sklené (glass) a aramidové (z aromatického polyamidu, aramid) (obr. 1). Pre účely zosilňovania sú najvhodnejšie uhlíkové vlákna, ktoré majú vysoký modul pružnosti, dosahujú veľké pevnosti, sú odolné proti mnohým chemickým vplyvom, odolávajú únavovému namáhaniu, nepodliehajú korózii a nepreukazujú žiadne známky dotvarovania a relaxácie.

Uhlíkovými vláknami vystužený polymér (Carbon Fibre Reinforced Polymer, CFRP) spája v sebe pevnosť a tuhosť s objemovou stálosťou. Dodáva sa vo forme lamiel alebo tkanín. V porovnaní s klasickou betonárskou výstužou medzi jeho výhody patrí: vysoká pevnosť, nízka hmotnosť, jednoduchá príprava povrchu, znížené nároky na kotvenie, trvanlivosť systému zosilnenia. Najväčšou nevýhodou je relatívne vysoká cena, náchylnosť na mechanické poškodenie a prenos zaťaženia len v smere vlákien.

Aplikácia na stĺpy

Stĺp ako nosný prvok namáhaný kombináciou osovej tlakovej sily a ohybového momentu musí byť navrhnutý tak, aby preniesol zaťaženie bez zlyhania spôsobeného vyčerpaním únosnosti – pevnosti materiálov a v prípade štíhlych stĺpov aj stratou stability. Rozlišujeme 2 prípady porušenia štíhlych tlačených prvkov: pevnostné porušenie spojené s prevažne tlakovým namáhaním a stabilitné porušenie pri prevažne ohybovom namáhaní. Podkladom pre teoretickú analýzu je preto výber vhodných metód pre zvýšenia pevnosti betónu v tlaku a množstva výstuže v priereze, ktoré sa významnou mierou podieľajú na zvyšovaní odolnosti stĺpov.

Celú konštrukciu alebo jej časť je potrebné zosilňovať z dôvodu: zvýšenia únosnosti konštrukcie, chýb pri navrhovaní alebo výstavbe, porušení betónu alebo výstuže v dôsledku korózie, požiaru, alebo iných mimoriadnych zaťažení. Doteraz sa FRP materiály uplatňovali najmä pri zosilňovaní stĺpov pre zvýšenie odolnosti prierezov. Táto metóda je používaná najčastejšie v 2 variantoch:
•    ovinutie tkaninou,
•    lepenie lamiel do vyfrézovaných drážok v betónovej krycej vrstve. Nejde pritom o novú metódu, aplikácia FRP výstužných materiálov je jej modernou alternatívou. Na rozdiel od klasickej je menej prácna a „suchý“ postup je časovo menej náročný. Navyše, na rozdiel od metód pri ktorých sa pridáva tuhá výstuž, ktorá prichádza do úvahy iba v priemyselných objektoch [3], môže byť zachovaná aj estetická hodnota konštrukcie. V literatúre sa uvádzajú viaceré modely návrhu zosilňovania, máloktoré z nich sa však zameriavajú na vyšetrovanie štíhlych stĺpov.

Zvýšenie pevnosti betónu v tlaku

Tlakovú pevnosť betónu môžeme zvýšiť obmedzením priečnej deformácie prierezu stĺpa, ktorú dosiahneme ovinutím. Do popredia sa dostáva modifikácia tohto poznatku, využívaného už v minulosti pri stĺpoch kruhového prierezu s priečnou oceľovou výstužou tvaru skrutkovice, a to ovinutím vláknami vystuženým polymérom vo forme tkanín alebo rohoží. Tlaková normálová sila vyvoláva v priereze tlakové napätie σ1. Priečna výstuž, ktorá obmedzuje priečne pretvorenie prierezu, vyvoláva priečne tlakové napätie σ2 (obr. 2). Toto napätie vyvolané ovinutím je závislé od deformačných vlastností materiálu ovinutia, t. j. diagramu σ - ε. Preto jednoduchá aplikácia modelov na výpočet účinkov ovinutia vyvinutých na priečnu oceľovú výstuž môže pri FRP výstuži viesť k preceneniu pevnosti a nebezpečného návrhu. Zásadným rozdielom je lineárne správanie sa FRP až do porušenia, kým v oceli sa po dosiahnutí medze klzu už napätie nezväčšuje, a tým aj tlak vyvinutý ovinutím zostáva konštantný (obr. 3). Keďže FRP je v priečnom reze stĺpa namáhané ťahom, predpokladalo sa, že pretrhnutie FRP nastáva, keď je dosiahnutá ťahová pevnosť FRP, získaná ťahovou skúškou. Rozsiahle experimentálne výskumy však preukázali, že ťahová pevnosť FRP nemôže byť v ovinutom betónovom priereze dosiahnutá, pretože namerané hodnoty pretvorení FRP pri porušení sú oveľa nižšie ako hodnoty získané z ťahovej skúšky materiálu. Pomer medzi pretvorením pri pretrhnutí FRP v ovinutom priereze a medzným pretvorením získaným z ťahovej skúšky sa mení v závislosti od druhu FRP. Porušenie nastáva pri 50 až 80 % hodnotách medzného pretvorenia zo skúšok ťahovej pevnosti. Táto redukcia má nasledovné príčiny:
1)    trojosový stav napätí v priereze ovinutom FRP,
2)    kvalita vyhotovenia - ak nie je povrch dôkladne upravený, časť pretvorení sa využije na natiahnutie vlákien,
3)    tvar zaoblenia ovinutého FRP - vlákna sa môžu na hranách prierezu porušiť,
4) vplyv rozmerov pri aplikácii viacerých vrstiev. [4]

Z predchádzajúceho je zrejmé, že na úroveň ovinutia má významný vplyv geometria stĺpa. Celý prierez je plne účinne ovinutý len pri kruhovom stĺpe. Vzhľadom na malú deformačnú kapacitu FRP materiálov pri hranatých prierezoch príde k porušeniu zvyčajne predčasným pretrhnutím vlákien na hrane. Účinok ovinutia stĺpov štvorcového alebo obdĺžnikového prierezu je možné zvýšiť zaoblením hrán prierezu.

Zvýšenie množstva výstuže v priereze

Účinnou alternatívou pridávania výstuže a betónu na zvýšenie odolnosti je zosilňovanie lepením FRP lamiel do drážok v betónovej krycej vrstve (obr. 4). Vloženie lamely do drážky prináša, pri porovnaní s lepením lamiel na povrch, viaceré výhody:
1.    zlepšené kotvenie (možnosť skrátenia kotevnej dĺžky) a zmenšené požiadavky na kvalitu podkladového betónu,
2.    lepšiu ochranu lamely proti mechanickému poškodeniu, účinkom požiaru a vandalizmu,
3. zabránenie efektu delaminácie od betónového podkladu.

Zvýšenie odolnosti štíhlych stĺpov

Aj keď metódy pre zvýšenie odolnosti v jednotlivých oblastiach namáhania sú známe, je dôležité nájsť spôsob pre ich preukázanie numerickou analýzou. Najefektívnejším spôsobom je overenie návrhovej odolnosti prierezu grafickým zobrazením podmienok spoľahlivosti tzv. „Interakčným diagramom prierezu“. Tento spôsob má význam iba v prípadoch, keď geometria stĺpa predurčuje pevnostné porušenie – t. j. porušenie materiálu v najviac namáhanom priereze. Pri štíhlych stĺpoch, kde stabilitné porušenie môže predchádzať pevnostnému, sa zohľadňuje aj vzperná odolnosť v interakčnom diagrame prierezu a upravuje na interakčný diagram stĺpa.

Diagram je potrebné upraviť tak, aby bolo možné zistiť únosnosť stĺpa bez pôsobenia prídavného zaťaženia účinkami II. rádu. Priemerná ohybová tuhosť (EI)r, vypočítaná na základe materiálových charakteristík ideálneho prierezu, so zohľadnením vplyvu trhlín, slúži na výpočet krivosti kritického prierezu. Tá sa výraznou mierou podieľa na priečnej deformácii II. rádu a je možné pomocou nej určiť veľkosť momentu II. rádu. Interakčný diagram stĺpa (obr. 5) je potom definovaný dvojicou veličín NR – MR,0 (kde NR je pôsobiaca tlaková osová sila a MR,0 je hodnota momentu I. rádu vypočítaná ako rozdiel celkového pôsobiaceho momentu a momentu II. rádu).

Z uvedeného interakčného diagramu, pri porovnaní odolnosti nezosilneného ŽB stĺpa, pri zvolenej porovnávacej excentricite e = 40 mm, je odolnosť stĺpa, bez pôsobenia prídavného zaťaženia účinkami II. rádu, vyššia o:
•    4 % - pri zosilnení lamelami v drážkach,
•    17 % - pri zosilnení ovinutím tkaninou,
•    24 % - pri zosilnení kombináciou ovinutia a lamiel v drážkach.

Pre overenie uvedených záverov a realizáciu zosilnenia v praxi sa pripravuje numerická simulácia a experimentálny projekt. Ten bude vychádzať zo 4 typov vzoriek: nezosilnené stĺpy, stĺpy zosilnené ovinutím CFRP tkaninou, stĺpy zosilnené CFRP lamelami v drážke a stĺpy zosilnené ovinutím tkaninou a lamelami CFRP v drážke. Prierez štíhleho stĺpu, obojstranne kĺbovo uloženého, bude 210 x150 mm a dĺžky 4 m.

Záver

Teoretickou analýzou možnosti zvýšenia vzpernej únosnosti štíhlych stĺpov a jej výsledkov vyplynulo 4 %-né zvýšenie odolnosti pri zosilnení lamelami v drážkach, 17 %-né ovinutím tkaninou a 24 %-né kombináciou ovinutia a lamiel v drážkach. Následne cieľom pripravovaného experimentálneho programu bude overiť účinnosť zosilňovania štíhlych stĺpov ovinutím CFRP tkaninou, vložením CFRP lamiel do drážok a ich kombináciou. Získané výsledky majú prispieť k určeniu vhodných spôsobov pre zosilňovanie štíhlych stĺpov, resp. pre výber metódy s najväčším prírastkom vzpernej odolnosti a tiež majú poskytnúť vstupné údaje pre ich aplikáciu do praxe. Vzhľadom na pomerne vysokú cenu je širšie uplatnenie CFRP materiálov v betónových a ŽB prvkoch a konštrukciách zatiaľ obmedzené. Používajú sa tam, kde klasické spôsoby zosilňovania nevyhovujú.

Obrázky:
Obr. 1 Porovnanie vlastností vlákien a ocele
Obr. 2 Napätia vyvolané v ovinutom betónovom stĺpe kruhového prierezu
Obr. 3 Diagram σ – ε oceľovej betonárskej výstuže a FRP
Obr. 4 Uloženie FRP lamely v drážke
Obr. 5 Porovnanie interakčných diagramov stĺpov: nezosilnený, zosilnený lamelami v drážkach, zosilnený ovinutím tkaninou, zosilnený kombináciou
Obr. 6 Laboratórium – pohľad na stĺp zosilnený ovinutím tkaninou (a), detail ovinutia (b) a pohľad na stĺp zosilnený lamelami v drážkach (c)


Prof. Ing. Juraj Bilčík, PhD. a Ing. Katarína Halászová, SvF STU v Bratislave
Recenzent: Doc. Ing. Ľubomír Bolha, CSc., SvF STU v Bratislave
Foto: archív autorov
Úvodné foto: B. Golejová

Literatúra:
[1] Halászová, K. – Bilčík, J.: Zvýšenie vzpernej odolnosti štíhlych stĺpov. Zborník z konferencie Betonárske dni 2008, Bratislava
[2] Bareš, R. A.: Kompozitní materiály. Praha, SNTL – NTL, N.P. 1988
[3] Bilčík, J.: Moderné metódy zosilňovania stĺpov. Zborník z konferencie Sanace 2003, Brno
[4] Setunge, S.: Review of Strengthening Techniques Using Externally Bonded Fiber Reinforced Polymer Composites. CRC Construction Innovation, 2002, 59 s.
[5] Teng, J. G. - Lam L.: Behavior and Modeling of Fiber Reinforced Polymer-Confined Concrete. Journal of Structural Engineering © ASCE, November 2004
[6] Matthys, S. - Toutanji, J. - Taerwe, L.: Stress–Strain Behavior of Large-Scale Circular Columns Confined with FRP Composites. Journal of Structural Engineering © ASCE, January 2006

zdroj: VYDAVATEĽSTVO EUROSTAV, spol. s r.o.­

Obsah textu nie je možné bez súhlasu autora / autorov ďalej šíriť a publikovať

Páčil sa vám článok?

áno: 164     nie: 179

Odporúč

pošli na vybrali.sme.sk

 

Odporúč známemu


logo © 2007 4-INDUSTRY, s.r.o. Všetky práva vyhradené. Ochrana údajov –  Podmienky poskytnutia služby