Moderní kompozitní materiály jako náhrada klasické výztuže do betonu

Při návrhu prvků v environmentálně velmi exponovaných prostředích je ekonomicky výhodné jako alternativu k tradičně používaným ocelovým výztužím zvážit využití moderních kompozitních výztužných materiálů. Ty lépe odolávají degradačním účinkům prostředí, a jsou tak přímou alternativou k drahým austenitickým ocelím. Jako náhrada vázané ocelové výztuže připadá v úvahu především nekovová FRP výztuž (z anglického Fibre Reinforced Polymers – výztuž tvořená nosnými vlákny vzájemně pojenými polymerní matricí), která díky svým fyzikálně-mechanickým vlastnostem nabízí výhodný poměr životnosti konstrukce k ceně za její pořízení a užívání. Tento článek si klade za cíl poukázat na výhody použití FRP výztuží, představit jejich základní fyzikálně-mechanické vlastnosti a též upozornit na vhodné aplikační oblasti, kde je využití tohoto moderního materiálu jako alternativy ke klasické betonářské výztuži ekonomicky výhodné.

Ocel je z historického hlediska jedním z nejpoužívanějších materiálů. Díky své dostupnosti a vlastnostem našla uplatnění ve všech průmyslových odvětvích. Vzájemným spojením výhodných vlastností betonu a oceli vznikl ve stavebnictví nejrozšířenější a nejvíce používaný kompozit současnosti – železobeton. Pro svou komplexnost jsou železobetonové prvky projektanty umísťovány ve všech typech prostředí a aplikačních oblastech, a to i tam, kde je životnost těchto prvků vlivem environmentálního namáhání značně omezená. Splnění normami požadované životnosti konstrukčních prvků (při zohlednění způsobu jejich užívání a působení negativních vlivů okolního prostředí) často vede nejen k navýšení pořizovací ceny, ale vlivem degradace materiálů během užívání prvku také k vynaložení nepřiměřených nákladů spojených s jejich údržbou a sanací. Ve specifických případech mohou náklady na udržovací a sanační práce přesáhnout pořizovací cenu nové konstrukce. Pro takovéto případy je využití FRP výztuží výhodné.

Vlastnosti FRP výztuží
FRP kompozity lze obecně popsat jako materiály tvořené dvěma složkami – nosnou složkou vyskytující se ve formě jednosměrně orientovaných vláken a pojivovou složkou tvořenou polymerní matricí. Výsledné vlastnosti kompozitu jsou dány především typem a vzájemným poměrem obou složek. Vhodnou kombinací těchto složek je možné získat různé vlastnosti výztuže, a pokrýt tak široké pásmo požadovaných fyzikálně-mechanických vlastností (tabulka 1). Důležitou vlastností FRP výztuží,  vyplývající z jejich fyzikální podstaty, je ortotropní chování – materiálové charakteristiky FRP výztuží dosahují rozdílných hodnot ve směru orientace nosných vláken a ve směru kolmém na tato vlákna. V podélném směru (tj. ve směru orientace vláken; obr. 1 a 3) jsou hodnoty výsledných vlastností dány zejména vlastnostmi vláken, zatímco ve směru příčném (kolmém na vlákna) je nositelem výsledných vlastností výhradně matrice. V konečném důsledku dosahují výsledné mechanické parametry určované ve směru vláken násobně (10x až 100x) lepších hodnot než ve směru kolmém na vlákna (patrné z obr. 1). Nejběžnějšími typy používaných vláken jsou vlákna skelná (vzhledem k alkalickému prostředí betonu je vhodnější použít alkaliresistentní (AR) sklo), uhlíková, čedičová a aramidová. Typem použitého nosného vlákna je dáno značení výsledného produktu jako GFRP (výztuž tvořena skelnými vlákny), CFRP (uhlíková výztuž), AFRP (aramidová výztuž) a v zemích bývalého SSSR často používaná BFRP (čedičová) výztuž (obr. 2). Všechny typy nosných vláken jsou lineárně elastické, ale zároveň křehce lámavé. Z tohoto důvodu jsou kompozitní výztuže při namáhání ve směru vláken lineárně elastické s křehkým lomem při dosažení mezního napětí a pracovní diagram má vždy lineární průběh až do porušení.

Jednotlivé typy nosných vláken je možné za účelem snížení nákladů a pro dosažení požadovaných parametrů kombinovat. Výsledkem jsou potom tzv. hybridní typy FRP výztuží. Do této skupiny patří například výztuž typu C-GFRP vyvinutá firmou PREFA Kompozity, a. s. Výztuž je tvořena dvěma druhy nosných vláken. Jádro je tvořeno únosnějšími uhlíkovými vlákny a ochranný obal je tvořen levnějšími vlákny skleněnými.

FRP materiály byly původně díky velmi dobrému poměru únosnosti ke své váze využívány především v leteckém a automobilovém průmyslu. V posledních dekádách ovšem nacházejí i širší uplatnění ve stavebnictví. Je to dáno především výhodnými fyzikálně-mechanickými a chemickými vlastnostmi tohoto materiálu. Kompozitní výztuže mají oproti výztužím ocelovým především podstatně vyšší odolnost vůči agresivním chemikáliím (kyseliny, chloridy apod.). Jsou korozivzdorné, velmi lehké, nevodivé a netečné k působení magnetického pole (nestíní radiový signál, jsou netečné vůči bludným proudům apod.). FRP výztuže mohou mít (s ohledem na zvolené složení) výrazně vyšší tahové pevnosti než klasické ocelové výztužné vložky (viz tab. 1). Je zřejmé, že s ohledem na výše uvedené odpadá nutnost respektovat doporučení normativních podkladů z hlediska trvanlivosti konstrukce. 

Tabulka 1: Typické základní mechanické vlastnosti FRP vnitřních výztuží (platí pro objemové množství vláken V_f = 50 až 75 %) a jejich srovnání s běžnou betonářskou ocelí (převzato z [5])

* pasivní výztužné vložky

Nespornou nevýhodou (především v očích investora) je vyšší pořizovací cena kompozitní výztuže. Tato nevýhoda je však z velké části eliminována při kalkulaci celého životního cyklu konstrukce a tím i všech nákladů, které musí investor vynaložit během životnosti konstrukce (především údržba a sanační práce). 

Vhodnou volbou aplikační oblasti, provedením správného návrhu anebo použitím jiných vhodných konstrukčních opatření lze uvedená negativa eliminovat. Například předepnutím FRP výztuže dojde ke snížení průhybu konstrukce (předepnutí zamezí vzniku nadměrných trhlin snižujících estetický vzhled a uživatelskou pohodu) při současném zvýšení její únosnosti. 

Možné oblasti použití FRP výztuže
Perspektivní aplikační oblastí pro použití kompozitní FRP výztuže jsou především betonové prvky vystavené působení agresivního prostředí, u nichž běžně dochází k rychlé depasivaci a následné degradaci (korozi) nosné ocelové výztuže. Jedná se především o konstrukce vystavené působení chloridů a síranů, konstrukce v oblasti výskytu bludných proudů, vyhnívací nádrže apod. Ideální aplikační oblasti představují především betonové prvky nacházející se v chemickém průmyslu, energetice (energokanály a potrubní kanály, kolektory) a v dopravě (působení solí vlivem zimní údržby). U těchto konstrukčních prvků je vyšší počáteční investice rychle vyvážena výrazně levnějším provozem konstrukce a její delší životností. Návrhová životnost prvku se správně navrženou nekovovou výztuží je teoreticky neomezená, prakticky ji determinuje kvalita provedení prvku a životnost betonových částí průřezu.

Při návrhu prvků vyztužených klasickou „měkkou“ betonářskou výztuží musí být v těchto agresivních prostředích výztuž chráněna buď bariérově (úprava betonové směsi, navýšení krycí vrstvy betonu, povlaková ochrana výztuže apod.) nebo použitím korozivzdorných (austenitických) výztuží. Každá z těchto úprav zvyšuje pořizovací cenu prvku. Použití FRP výztuže jako alternativy k ocelové výztuži by díky její odolnosti vůči vlivům agresivního prostředí umožnilo snížit staticky neúčinnou krycí vrstvu betonu navrženou z hlediska trvanlivosti. Toto opatření by vedlo nejen k úspoře materiálu, ale i k odlehčení prvku. Vzhledem ke korozivzdornosti FRP výztuže je možné krycí vrstvu betonu navrhnout pouze s ohledem na zajištění dostatečné soudržnosti a neřídit se požadavky normativních podkladů vyžadující dostatečnou ochranu výztuže z hlediska její trvanlivosti. V případě deskových konstrukcí znamená použití FRP výztuže úsporu nejen v objemu uložené betonové směsi, ale vlivem snížení vlastní váhy prvku také v možné úspoře navržené výztuže. 

Při návrhu betonových prvků vyztužených kompozitní výztuží je však nutno respektovat dostupná návrhová doporučení a zajistit požadovanou míru spolehlivosti prvku. Především je třeba dbát na dodržení požadovaných minimálních nároků na materiálové charakteristiky použité výztuže. Výrobce musí deklarovat nejen základní fyzikálně-mechanické parametry (tahová pevnost, modul pružnosti), ale také vhodnost pro použití do daného agresivního prostředí či prostředí s vysokým pH, soudržnost s betonem a v neposlední řadě i redukci tahové pevnosti s ohledem na dlouhodobou zatížitelnost výztuže.

Modelový příklad návrhu konstrukce s FRP výztuží
Jako modelová konstrukce pro aplikaci vnitřní FRP výztuže byla zvolena zákrytová deska nad prostory parovodů. Zákrytové desky svým umístěním v agresivním prostředí představují vhodnou aplikační oblast pro využití FRP výztuží. Tyto prvky jsou navrhovány jako krátké mostní jednopolové objekty, jež svým statickým působením odpovídají křížem vyztuženým po obvodě podepřeným deskám. Dominantní složku zatížení představuje cyklické zatížení přímým pojezdem kolového vozidla způsobujícího únavové namáhání prvku. 

Veškerá výztuž v desce byla navržena jako kompozitní – ohybovou výztuž tvořily FRP pruty typu PREFAREBAR [6], smykovou výztuž ortogonální rošty typu PREFAGRID [7] (vyztužení viz obr. 4). Návrh výztuže byl proveden podle pokynů uvedených v amerických standardech ACI 440.1R [1] při současném zohlednění požadavků vyplývajících z Bulletinu FIB No. 40 [2]. Prvek zákrytové desky svým zatříděním spadá do skupin prostředí XD3, XF4 (působení chloridů, resp. působení chloridů v kombinaci s opakovaným zmrazováním a rozmrazováním), pro které technická norma ČSN EN 206-1 [3] (se zřetelem na změnu Z3) stanovuje minimální třídu betonu C35/45 a hodnotu krytí z hlediska trvanlivosti pro klasickou betonářskou výztuž 50 mm (předpoklad konstrukční třídy S4 a bezpečnostního přídavku z hlediska provádění Δc_dev = 5 mm). Použití FRP výztuže díky jejím antikorozním vlastnostem dovoluje nerespektovat doporučení [3] a umožňuje stanovit výšku krycí vrstvy betonu pouze s ohledem na zajištění dostatečné soudržnosti, tzn. minimální hodnota krycí vrstvy je rovna hodnotě průměru výztuže. 

Funkčnost předkládaného řešení byla následně ověřována pomocí numerické simulace zatěžovací zkoušky (v programu založeném na metodě konečných prvků Atena 3D) a také jejím reálným provedením. Numerický model zatěžování kromě ověření predikovaného chování prvku umožnil prostřednictvím zatěžovací křivky definovat intenzity zatížení pro zatěžovací zkoušku. Jednalo se o hodnotu zatížení při vzniku trhlin (tedy oblast lineárního chování prvku), resp. o hodnotu maximální síly udávající únosnost zákrytové desky (patrné z obr. 5). Z důvodů certifikace výrobku byla zatěžovací zkouška prováděna pod záštitou Technického a zkušebního ústavu stavebního (TZÚS Praha, s. p., zkušebna Brno). 

Samotné provedení zatěžovací zkoušky plně respektovalo způsob uložení prvku i jeho dominantní způsob namáhání (definováno ČSN EN 1991-2 (73 6203) [4]) a sestávalo ze dvou částí (viz obr. 6 a 7). První část představovala simulaci nízkocyklického zatížení s maximální úrovní vnášené síly 300 kN. Její provedení spočívalo v opakovaném dosažení maximální síly s následným odtížením až na nulovou hodnotu. Intenzita zatížení byla volena v oblasti lineárního chování prvku, což umožnilo sledovat případný nárůst nevratné složky deformace. Druhá část zkoušky spočívala v maximálním přitížení vzorku (v ideálním případě až do porušení) a zjištění jeho mezní únosnosti. Maximální možné zatížení bylo determinováno kapacitou zkušebního zařízení – hodnotou 600 kN. Protože předpokládaná únosnost desky stanovená numerickým řešením přesahovala hodnotu 1000 kN, nebylo dosažení její únosnosti očekáváno. Tento předpoklad byl následně potvrzen. 

Z porovnání výsledků numerické simulace a zatěžovací zkoušky je patrná velmi dobrá shoda, kdy při maximálním zatížení o síle 600 kN docházelo k reálnému průhybu uprostřed desky okolo 6,12 mm, resp. k průhybu cca 5,85 mm obdržených nelineárním řešením úlohy (patrné z obr. 7). Provedená zatěžovací zkouška potvrdila funkčnost navrženého řešení. Lze konstatovat, že z hlediska spolehlivosti konstrukce se použití FRP výztuže jako náhrady za výztuž ocelovou jeví jako plnohodnotné řešení.

Závěr
S ohledem na získané zkušenosti z vývoje a rea-lizace prvků vyztužených vnitřní FRP výztuží se její použití v reálných aplikačních oblastech jeví jako opodstatněná a vhodná alternativa k měkké betonářské výztuži. Její využití je výhodné především ve specifických případech, kdy je v daném prostředí využití běžného železobetonového prvku podmíněno vyššími náklady na zajištění jeho trvanlivosti a požadované životnosti. Vnitřní kompozitní výztuž díky svým vlastnostem vhodně doplňuje klasické betonářské výztuže a poskytuje v určitých případech výrazně efektivnější řešení, především z pohledu dlouhodobého působení agresivních vlivů na konstrukci. Umožňuje tak ekonomicky navrhovat betonové prvky s velmi dlouhou životností i tam, kde to doposud nebylo možné. 

V současné době je u nás realizace betonových prvků vyztužených FRP výztuží ojedinělá (na rozdíl od zahraničí), což je zapříčiněno především několika klíčovými aspekty: nedůvěrou projekční praxe a investorů k použití moderních materiálů, která pramení z nízké informovanosti, malého počtu referenčních staveb a především z nedostatečné základny normativních předpisů pro navrhování, ověřování vlastností výztuže a samotného provádění. Probíhající experimentální výzkum však poskytuje dostatečné množství informací o vlastnostech a chování kompozitních výztuží, což umožňuje intenzivní tvorbu směrnic a návrhových norem. Druhou nespornou nevýhodou je pak vyšší pořizovací cena výztužných vložek. Ovšem při zohlednění celého životního cyklu konstrukce může být nevýhoda v podobě vyšší pořizovací ceny zcela vyvážena úsporou finančních prostředků vynaložených pro nutné opravy a sanace v průběhu užívání konstrukce a její vyšší životností.

Poděkování

Prezentované výsledky byly získány za finanční podpory projektu MPO TIP FR TI 4/159 – Light structures – progresivní konstrukce z moderních kompozitních materiálů a projektu TA03030851 Sanace tunelů – technologie, materiály a metodické postupy. Členové autorského týmu jsou podpořeni v rámci řešení projektů MŠMT CZ.1.07/2.3.00/30.0005 a CZ.1.07/2.3.00/30.0039.

FRANTIŠEK GIRGLE, DAVID HORÁK, VOJTĚCH KOSTIHA, JAN PROKEŠ, PETR ŠTĚPÁNEK
foto archiv autorů

Literatura:
1) ACI 440.1R-06: Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. American Concrete Institute, ACI Committee 440, 2006.
2) FIB Bulletin No. 40: FRP reinforcement in RC structures: technical report prepared by a working party of Task Group 9.3, FRP (Fibre Reinforced Polymer) reinforcement for concrete structures. Lausanne: International Federation for Structural Concrete, 2007. 
3) ČSN EN 206-1 (73 2403): Beton – Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Český normalizační institut, 2001.
4) ČSN EN 1991-2 (73 6203): Zatížení konstrukcí – Část 2: Zatížení mostů dopravou. Český normalizační institut, 2005.
5) GIRGLE, František. Analýza kotevní oblasti prvků předpjatých nekovovou výztuží. Disertační práce, Brno, 2011.
6) Vnitřní výztuž PrefaREBAR, výrobce Prefa Kompozity, a. s., [online]. Dostupné z: http://www.prefa-kompozity.cz/produkt/zesilovaci-systemy.
7) Pochůzné lité rošty PREFAGRID, výrobce Prefa Kompozity, a. s., [online]. Dostupné z: http://www.prefa-kompozity.cz/en/node/9.

Ing. František Girgle (*1983)
absolvoval VUT FAST v Brně, kde v současnosti působí na ústavu betonových a zděných konstrukcí jako výzkumný a akademický pracovník. Jeho hlavní specializací je navrhování odolných konstrukcí vyztužených převážně vnitřní nekovovou výztuží.

Ing. David Horák (*1980)
absolvoval VUT FAST v Brně, kde v současnosti působí na ústavu betonových a zděných konstrukcí jako výzkumný pracovník. Jeho hlavní specializací je vyztužování a zesilování konstrukcí nekovovými materiály.

Ing. Vojtěch Kostiha (*1986)
absolvoval VUT FAST v Brně, v současnosti je studentem doktorského studia na ústavu betonových a zděných konstrukcí. Specializuje se na vyztužování a zesilování konstrukcí nekovovými materiály.

Ing. Jan Prokeš (*1972)
absolvoval Univerzitu Pardubice, obor Polymerní materiály. Pracuje jako ředitel úseku vývoje a inovací ve firmě PREFA KOMPOZITY, a. s.

Prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc., (*1953)
absolvoval FAST VUT v Brně a PřF UJEP Brno – nyní Masarykova univerzita. Je autorizovaným inženýrem pro obor statika a dynamika. Pracoval jako statik v Keramoprojektu Brno. Je rektorem VUT v Brně a vedoucím ústavu betonových a zděných konstrukcí na Fakultě stavební.