Vývojem nových materiálů, jejich zkoušením a implementací do průmyslových realizací se Kloknerův ústav zabývá od počátku svého vzniku v roce 1921. Článek se zabývá návrhem, přípravou a výrobou unikátní tenkostěnné obloukové dvojitě zakřivené lávky vyrobené z moderního cementového ocelovými vlákny vyztuženého kompozitu, mezinárodně nazývaného zkratkami UHPC (Ultra High Performance Concrete) nebo také někdy UHPFRC (Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete).
Ultra vysokohodnotný vláknobeton UHPC (Ultra High Performance Concrete), případně UHPFRC (Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete), je nový perspektivní vysokohodnotný cementový materiál viz [1], [2], [3], [4], [5], [6], [13]. Jeho mechanické vlastnosti
(válcová pevnost v tlaku 110 až 200 MPa, tahu za ohybu cca 20–40 MPa) a zpracovatelnost (samozhutnitelný materiál), umožňují navrhovat speciální konstrukce, mimo jiné i tenkostěnné konstrukce. Zásadní pro využití UHPFRC je jeho velmi vysoká trvanlivost násobně převyšující požadavek na XF4 pro běžný beton. Důvodem takto vysoké odolnosti je i extrémně nízký vodní součinitel na úrovni 0,2–0,25, tj. cca poloviční oproti běžným betonům. Vývojem materiálu UHPC, vývojem návrhových metod a technologií zpracováním se Kloknerův ústav zabývá již řadu let. Pro větší rozšíření možností navrhování a aplikací tohoto materiálu v ČR byly již dříve zpracovány metodiky [7], [8], [9] dostupné na stránkách KÚ.
Jedním z unikátních aplikačních využití byl návrh, realizace a instalace tenkostěnné dvojitě zakřivené lávky. Lávku architektonicky a konstruk-čně navrhli Ondřej Císler a Petr Tej na základě objednávky města Kladna, na jehož předměstí, u obce Vrapice, je nyní již umístěna. Unikátní vlastnosti tohoto materiálu z hlediska mechanických pevností i z hlediska trvanlivosti umožnily návrh velmi subtilní konstrukce připomínající ve výsledné formě až konstrukci kovovou. Ve spolupráci s Kloknerovým ústavem ČVUT v Praze a společnosti KŠ PREFA s. r. o. byla na základě dalších výpočtů a experimentů týmem autorů článku navržena výroba, úpravy původního návrhu a detaily konstrukce a následně vyrobena lávka. Tvar lávky je patrný z obrázku 1. Lávka je navržena pro pěší s příčným řezem tvaru U, na rozpětí 10 m, světlé šířky 1,50 m. Tloušťka skořepinové konstrukce z UHPFRC oscilovala v intervalu 30–45 mm.
Lávka je navržena s dvojitým zakřivením – horizontálním i vertikálním. Ve svislém i příčném směru je kruhový oblouk s převýšením 0,4 m. Konstrukci lávky tvoří mostovka tloušťky 45 mm a bočních stěn 30 mm. Boční stěny tvoří zábrad-lí. Výška stěny je ve středu lávky rozpětí 1,1 m a 1,5 m v oblasti podpory. V místě konce lávky je provedeno zesílení spodní desky pro uložení na podpory.
Návrh lávky
U lávky bylo rozhodnuto nepoužít pro vyztužení nosnou ani jinou konvenční výztuž. K přenosu tahových namáhání je využito pouze vyztužení rozptýlenými ocelovými vlákny. Tomu bylo nutno přizpůsobit i postup statické analýzy konstrukce.
Posouzení možnosti tvaru lávky bylo provedeno nelineárními výpočty programem ATENA [15],[16] pro materiál třídy C 110/130 a charakteristické zatížení 4 kN/m2. Ilustrace výstupů analýz je na následujícím obrázku 2. Podrobnější informace jsou uvedeny v článku [12]. Z výpočtů vyšlo, že navržený tvar je pro požadované zatížení realizovatelný a bylo přistoupeno k jeho výrobě.
Optimalizace směsi UHPC a zkušební betonáž části lávky
Použitá směs UHPFRC byla vyvinuta a optimalizována v Kloknerově ústavu. Finální směs se skládá z cementu, jemného kameniva s maximální velikosti 2 mm, strusky, mikrosiliky a ocelových mikrovláken délky 13 mm. Objemový podíl vláken byl zvolen pro tuto aplikaci 1,5 %. Směs byla dobarvována černým pigmentem pro získání architektem požadovaného tmavého odstínu. Objem vody a superplastifikátoru byl optimalizován s ohledem na zpracovatelnost, která byla kontrolována pro každou záměs rozlitím Hägermannova kuželu. Zkouškami ověřená optimální hodnota rozlití byla stanovena na 310 mm. Optimalizace receptury během výroby zkušebního vzorku lávky zahrnovala nejen nastavení zpracovatelnosti, ale také stanovení vývoje mechanických vlastností materiálu v čase.
Jedním z hlavních problémů pro výrobu tvarově složité lávky je technologie betonáže. Zejména díky dvojitému zakřivení a velmi tenkým stěnám bylo rozhodnuto o odlití lávky „vzhůru nohama“. Vzhledem k relativně složité a pro cementové hmoty zcela neobvyklé tenkostěnné konstrukci bylo nutno prověřit možnosti výroby ověřovací betonáží na menším vzorku. Kontrolní betonáž byla provedena na segmentu lávky v délce 1,5 m. Hlavním cílem bylo ověření samotného procesu odlévání, výsledný stav povrchů prvku, ověření správné konzistence čerstvé směsi a schopnost formy odolávat tlakům od čerstvé směsi. Velmi podstatným parametrem bylo také sledování procesu tuhnutí a okamžiku možnosti uvolnění bednění pro snížení rizik spojených s objemovými změnami. Bednění bylo dřevěné s deskami s laminovaným povrchem. Bednění bylo nutno navrhnout tak, aby vydrželo tlak čerstvého betonu, který je vhledem k vysoké tekutosti hlavním zatížením při odlévání (obrázek 3). Pro získání zakřiveného tvaru při betonáži „vzhůru nohama“ bylo nutné kompletně veškeré povrchy uzavřít do bednění. To zahrnovalo potenciální problémy s kvalitou povrchů konstrukce uzavřené do bednění a proveditelnost zhotovení celé lávky pouze přes dva plnicí otvory.
Kontrolní betonáže:
– prokázaly možnost zcela vyplnit formu bez a makropórů,
– potvrdily možnost vytvořit hladké a velmi esteticky přijatelné povrchy na viditelných i skrytých plochách,
– prokázaly homogenní a esteticky velmi přijatelný spodní povrch konstrukce uzavřené do bednění.
Experimentální lávka číslo 1
Na základě úspěšně provedené kontrolní betonáže bylo navrženo a připraveno konečné bednění celé lávky včetně dvojitého zakřivení. Finálně bylo rozhodnuto připravit pouze dva otvory pro nalévání, na koncích v oblasti ložisek lávky. Bednění bylo vyrobeno, sestaveno a připraveno v Kloknerově ústavu. Vzhledem k délce mostu a možnosti přepravy do místa betonáže bylo rozděleno do čtyř částí. Velmi složitou konstrukci bednění bylo třeba optimalizovat z hlediska rychlého a snadného uvolnění a vyjmutí z formy. Důvodem bylo minimalizovat riziko působení objemových změn na možný vznik trhlin. Po celkové kontrole sestaveného bednění v KÚ bylo vše převezeno do závodu KŠ PREFA Štětí (obrázek 6) a zde byly všechny části bednění spojeny dohromady. Před sestavením byl na povrchy aplikován odbedňovací prostředek a forma byla uzavřena. Bednění bylo dostatečně vyztuženo systémem dřevěných trámů (obrázek 7), aby odolalo tlaku čerstvého betonu.
Betonáž lávky č. 1 proběhla za nízkých teplot v zimním období. Konečný objem směsi UHPFRC byl 1,4 m3 ve třech dávkách. Ty byly postupně lity z dvou krajních otvorů v oblasti uložení. Chladné prostředí mělo na konzistenci a počátek tuhnutí pozitivní vliv. Nevznikl problém s pracovními spárami mezi jednotlivými dávkami. Při samotném ukládání a hutnění nebyly použity žádné vibrátory. Bylo využito samozhutnitelného chování směsi. Odlévání celého elementu trvalo přibližně jednu hodinu. Vzhledem k nízké teplotě v hale byla po ukončení lití forma zateplena polystyrenovými deskami, překryta fólií a zahřívána spuštěnými přenosnými teplomety. Maximální teplota vně bednění nedosáhla 40 °C. Přídavné ohřívání probíhalo příštích 5 dnů. Po 4 dnech se teplota UHPFRC a okolí vyrovnaly. Odbedněná lávka v poloze vzhůru nohama je znázorněn na obrázku 8 a 9. Všechny povrchy tenkých desek včetně horního povrchu mostovky byly velmi hladké a s velmi dobrou kvalitou. Směs UHPFRC zcela bez problémů vyplnila celou tenkostěnnou strukturu bednění. Lávka byla vyvezena na skladovací místo mimo halu po 7 dnech od odlití. Prvek byl transportován jeřábem a byl umístěn na polystyrenové desky, aby byly umožněny objemové změny.
Po dosažení stáří vhodného pro otočení lávky do finální pozice byla lávka vyvezena na volné prostranství a otočena pomocí dvou jeřábů ve svislé pozici. Tato operace vyžadovala velmi striktní bezpečnostní podmínky. Manipulací s lávkou ve svislé pozici byla ověřena tahová únosnost příčného řezu – na lávce nebyl monitorován vznik dodatečných trhlin od manipulace. Lávka byla po otočení umístěna na pryžové podložky a přikotvena k železobetonovým panelům tak, aby bylo možné provést zatěžovací zkoušku. Zatěžovací zkouška byla provedena na provozovně KŠ PREFA
ve Štětí tak, že na lávku byly postupně v jednotlivých zatěžovacích krocích umístěny pytle s pískem. Během zkoušky byl měřen průhyb lávky uprostřed rozpětí a vychýlení svislých stěn taktéž uprostřed rozpětí. Zatížení bylo zvyšováno až do porušení lávky pro validaci výpočtových modelů.
Z provedených prací na lávce číslo 1 vyplynulo:
– Vlastnosti použitého UHPFRC, navržený tvar bednění a technologie betonáže lávky, i odbednění umožňují vyrobit složitý tenkostěnný tvar dvojitě obloukové lávky.
– Lávka je po zatvrdnutí stabilní a dostatečně dobře manipulovatelná.
– Z technologie výroby vyplynulo několik poznatků o ideální době odformování, náběhu pevností a vlivu zakřivení na vznik mikrotrhlin na jejím povrchu.
– Statická zatěžovací zkouška ukázala, že tuhost zábradelních stěn a jejich napojení na mostovku neodpovídá předpokladům modelu a je nutné provést úpravu tvaru lávky zesílením zábradelních stěn na 35 mm a úpravu poloměru zaoblení v místě napojení.
Všechny tyto poznatky byly pečlivě zkoumány a zapracovány do návrhu finálního tvaru lávky, výroby bednění a finálního postupu technologie betonáže tak, aby byla lávka vyrobena v maximální možné kvalitě. Tato první lávka nyní slouží pro zkoušky povrchových úprav, při kterých jsou na povrch UHPFRC aplikovány nátěry, povrch je upravován broušením a jsou zde prováděna další pozorování dlouhodobého charakteru. Tyto zkoušky mají za úkol rozšířit znalosti o chování materiálu a zejména povrchů, které jsou vystaveny běžným klimatickým podmínkám.
Finální lávka číslo 2
Navržená tvarová úprava plynoucí ze zatěžovací zkoušky lávky 1 vyvolala požadavek na novou úpravu již tak komplikovaného bednění. Zároveň byl upraven příčný řez rozšířením stěn a vytvořením náběhu s větším poloměrem v přechodu mezi deskou a svislými stěnami. Úprava stávajícího bednění byla provedena v Kloknerově ústavu, kde bylo finální bednění sestaveno za stejných podmínek jako v případě lávky číslo 1. Zkontrolované bednění bylo následně opět rozděleno na 4 části a převezeno do provozovny KŠ PREFA ve Štětí.
Samotná betonáž finální lávky probíhala ve stejném duchu jako lávka předchozí. Jediným znatelným rozdílem byla teplota ovzduší. Vzhledem k relativně příznivým podmínkám na hale nebylo nutno bednění před betonáží ani po ní proteplovat. Betonáž probíhala v časných ranních hodinách tak, aby teplota ovzduší korelovala s postupným vývojem teplot během hydratace betonu. Oproti první lávce bylo zapotřebí čtyř záměsí oproti třem při betonáži první lávky. Vzhledem k předchozím zkušenostem s návazností jednotlivých várek betonu nebyl při betonáži zaznamenán žádný problém. Náběhy pevností byly kontrolovány jednak pravidelnými zkouškami doprovodných těles a také byl monitorován vývoj teplot betonu. Tyto hodnoty byly porovnávány s daty získanými při betonáži první lávky, u které byl vývoj teplot monitorován velmi komplexně. Po vytvrzení UHPFRC a dosažení požadovaných hodnot pevností bylo přistoupeno k odbednění. Postup odbednění zahrnoval velmi složitou posloupnost jednotlivých úkonů a po odbednění byla lávka opět přepravena na plochu před výrobní halu.
Po cca 2 měsících ve venkovních podmínkách byla provedena kontrolní statická zatěžovací zkouška. Ta potvrdila správnost úpravy, návrhu a dostatečnou nosnost lávky.
Z kontrolních zkoušek materiálu vyplynulo, že pevnost použitého UHPFRC v tlaku splnilo požadavek návrhu a statického výpočtu na třídu C 110/130 a odpovídalo třídě C 130/150. Modul pružnosti dosahoval hodnoty 50 GPa. Pevnost v tahu za ohybu měřená na malých trámečcích 40 x 40 x 160 mm byla v průměru 28 MPa.
Závěr
Z provedených prací jednoznačně vyplývá, že lze při vhodném nastavení parametrů a vlastností UHPFRC vyrobit jeho litím velké a značně komplikované tenkostěnné (stěny 35 mm, mostovka 45 mm) staticky funkční skořepinové konstrukce. Materiál bez použití vibrátorů vyplnil velmi dobře složitou a velkou formu. Samozhutnitelné chování navrženého UHPFRC bylo jednoznačně potvrzeno a získaná kvalita povrchů byla velmi dobrá bez vysoké četnosti makropórů či kaveren. Na dílčích experimentech bylo vyzkoušeno množství složitých technologických postupů a inovací. Zatěžovacími zkouškami byly verifikovány a potvrzeny návrhové metody a únosnost vyrobené lávky. Lávka byla společností KŠ PREFA instalována a uvedena do provozu u obce Vrapice u Kladna přes Dřetovický potok. Následně realizace lávky z UHPC přes Dřetovický potok, Vrapice u Kladna, získala Českou cenu architektů – finalista za rok 2019 (https://ceskacenazaarchitekturu.cz/projekty/2019/).
Dalo by se říci, že kruh se uzavřel. Výsledky výzkumu a vývoje materiálu i konstrukčního řešení našly své uplatnění v reálné praxi. Kloknerův ústav však dále pracuje na vývoji a prosazování unikátní a nové technologie UHPC, chcete-li
UHPFRC, která má velmi vysoký potenciál posunout limity stavebního oboru. Aktuálně pracujeme na aplikaci UHPFRC metodou 3D tisku reálné umělecké instalace v rámci projektu Bořislavka na Praze 6, který financuje investiční skupina KKCG. Realizace probíhá ve spolupráci firem Studio Federico Diaz s. r. o., která je tvůrcem i výrobcem instalace, a společnosti PREMIX servis s. r. o. dodávající suchou směs VALUCEM 3D, což je UHPFRC modifikovaný pro 3D tisk.
Autor: MgA. Ondřej Císler, Ph.D. [Aoc architekti] – hlavní architekt, Ing. Petr Tej, Ph.D. [Kloknerův ústav ČVUT] – hlavní architekt, projektant
Technologie odlévání: doc. Ing. Jiří Kolísko, Ph.D., Ing. David Čítek
Výroba lávky: KŠ Prefa
Fotografie: BoysPlayNice
JIŘÍ KOLÍSKO, DAVID ČÍTEK, PETR TEJ, ONDŘEJ CÍSLER
Poděkování: Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného projektu ČVUT SGS20/149/OHK1/2T/31 3D tisk UHPFRC
doc. Ing. Jiří Kolísko, Ph.D. (*1965)
V období 1984 až 1989 studoval na Fakultě stavební ČVUT v Praze, obor konstrukce doprava. V Kloknerově ústavu pracuje od roku 1989, v roce 2010 se stal jeho ředitelem. Specializuje se na materiálové inženýrství v oblasti silikátových hmot (beton, speciální maltové směsi), na experimentální ověřování vlastností materiálů a konstrukcí v laboratoři nebo IN SITU. Dlouhodobě se zabývá diagnostikou staveb, vadami a poruchami staveb, technologiemi sanací vlhkých staveb a sanací betonu. Je autorem řady vědeckých publikací, popularizační textů, studií, expertních zpráv a znaleckých posudků. Je spoluautorem materiálového a technologického řešení
výroby lávky.
Ing. David Čítek (*19xx)
Vystudoval ČVUT v Praze, Fakulta stavební, obor Konstrukce a dopravní stavby. V současnosti pracuje v Kloknerově ústavu jako vědecko-výzkumný pracovník a vedoucí laboratoře technologie betonu. Zároveň zde dokončuje doktorské studium. U projektu lávky měl na starosti optimalizaci receptury materiálu UHPC, technologii výroby lávky a zkušebnictví od samotného materiálu po dílčí konstrukční části a zatěžovací zkoušku hotové lávky.
Ing. Petr Tej, Ph.D. (*1978)
Vystudoval architekturu na Akademii výtvarných umění a mostní inženýrství na Fakultě stavební ČVUT v Praze, pracuje jako vedoucí Oddělení mechaniky Kloknerova ústavu ČVUT v Praze. Je spoluautorem architektonického a konstrukčního
řešení lávky.
MgA. Ondřej Císler, Ph.D. (*1971)
Vystudoval architekturu na Akademii výtvarných umění v Praze, pracuje jako vedoucí ateliéru
AOC architekti (www.aoc.archi) a vede samostatný ateliér na Fakultě architektury ČVUT v Praze. Je spoluautorem architektonického a konstrukčního řešení lávky.
LITERATURA:
1. Kolísko, J., Tichý, J., Kalný, M., Huňka P., Hájek P. – Trefil, V.: Vývoj ultravysokohodnotného betonu (UHPC) na bázi surovin dostupných v ČR, BETON TKS samostatná příloha Betonové konstrukce 21. století betony s přidanou hodnotou, ročník 20. č. 6 samostatná příloha, s. 51–56, ISSN 1213-3116
2. Rydval, M., Kolisko, J. Huňka, P., Tichý, J.: Závislost únosnosti prvků vyrobených z UHPFRC na distribuci vláken. 20. Betonářské dny v Hradci Králové, 27.–28. 11. 2013, SBN 978-80-87158-34-0/978-80-87158-35-7 (CD)
3. Kolísko J., Rydval M., and Huňka P. UHPC – Assessing the Distribution of the Steel Fibre and Homogeneity of the Matrix. Tel Aviv, Israel: fib Symposium Tel Aviv, 2013.
4. Vítek, J. L., Coufal, R., Čítek, D.: UHPC – Development and Testing on Structural Elements. Concrete and Concrete Structures 2013, Žilina, 2013, University of Žilina, pp. 218–223
5. Abbas, S., Nehdi, M. L., Saleem, M. A.: Ultra – High Performance Concrete: Mechanical Performance, Durability, Sustainability and Implementation Challenges, International Journal of Concrete Structures and Materials, Vol. 10, No. 3, pp. 271–295, September 2016
6. Duque, L. F. M, Varga, I., Graybeal, B. A.: Fiber Reinforcement Influence on the Tensile Response of UHPFRC, First International Interactive Symposium on UHPC – 2016, Des Moines, IOWA, Jul. 18–20, 2016
7. Metodika 1 – Metodika pro návrh UHPC a materiálové zkoušky, výstup projektu TAČR TA 010110269, Kloknerův ústav ČVUT v Praze 2014
8. Metodika 2 – Metodika pro navrhování prvků z UHPC, výstup projektu TAČR TA 010110269, Kloknerův ústav ČVUT v Praze 2014
9. Metodika 3 – Metodika pro výrobu prvků z UHPC a pro kontrolu jejich provedení, výstup projektu TAČR TA 010110269, Kloknerův ústav ČVUT v Praze 2014
10. Kolísko, J., Čítek, D., Tej, P.: Technologie výroby tenkostěnné obloukové dvojitě zakřivené lávky z UHPFRC – 14. konference TECHNOLOGIE 2017, Jihlava 6–7. dubna 2017 Sborník přednášek Česká betonářská společnost ČSSI, ISBN 978-80-906097-9-2
11. Kolísko, J., Čítek, D., Tej, P., Rydval, M.: Production of Footbridge with Double Curvature Made of UHPC In: Fibre Concrete 2017, Bristol: IOP Publishing Ltd, 2017. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. vol. 246. ISSN 1757-899X.
12. Kabele, P., Sajdlová, T., Rydval, M., Kolísko, J.: Modeling of High-Strength FRC Structural Elements with Spatially Non-Uniform Fiber Volume Fraction, Journal of Advanced Concrete Technology. 2015, 13(6), 311-324. ISSN 1346-8014.
13. Blank, M., Tej, P., Kolísko, J., Vráblík, L.: Design of Experimental Suspended Footbridge with Deck Made of UHPC, 3rd International Conference on Mechanics and Mechatronics Research, ICMMR 2016; Chongqing; China; 15 June 2016 through 17 June 2016; ISSN: 2261236X MATEC Web of Conferences, Volume 77, 3 October 2016, Article number 08005, Code 124092
14. Červenka, V., Červenka, J., Pukl, R. (2002): “ATENA – A tool for engineering analysis of fracture in concrete”, Sadhana 27/4.
15. Červenka, J., Papanikolaou, V. K. (2008): “Three Dimensional Combined Fracture-Plastic Material Model for Concrete”. Int. Journal of Plasticity 24/12.
16. Kolísko, J., Čítek, D., Tej, P.: Unikátní tenkostěnná oblouková lávka z UPFRC, BETON TKS. č. 2/2018, s. 34–38, ISSN 1213-3116
Článek byl publikován v časopise Materiály pro stavbu 2/2021
