V následujícím článku se budeme zabývat problematikou zesilování zděných cihelných pilířů tenkou vrstvou textilního betonu. Pro potřeby experimentálního programu bylo zhotoveno pět cihelných pilířů ze zdiva běžné pevností třídy. Tenká zesilující vrstva jemnozrnného cementového kompozitu byla vyztužena dvěma vrstvami sklotextilní výztuže rezistentní vůči alkáliím (z produkce společnosti Saint-Gobain). Rovněž byl sledován vliv úpravy poloměru zakřivení rohů zděných pilířů na výslednou únosnost.
Ve stavební praxi se velmi často setkáváme s nutností zesilovat existující nosné prvky, a to z několika důvodů: zvýšení zatížení, změna statického schématu, degradace materiálu, změna účelu budovy atd. Zvolený způsob zesílení (technologie, materiál, rozsah atd.) ovlivňuje především materiál zesilované konstrukce, typ zatížení a způsob namáhání (ohyb, tlak, smyk, kmitání atd.).
Osvědčeným způsobem zesilování pilířů je použití ocelových úhelníků a pásků, které jsou vzájemně svařeny a případně předepnuty pomocí elektroohřevu. Výhodou tohoto řešení je snadná proveditelnost, nízká cena a ověřená účinnost. Nevýhoda spočívá v nízké požární odolnosti a nutnosti provádět dodatečné ochranné vrstvy [1]. Dalším ověřeným postupem je použití obetonávky ze železobetonu, případně vyztužené cementové malty.
S rozvojem nových materiálů a technologií se i v oblasti zesilování začaly uplatňovat materiály na bázi karbonu, skla či čediče. Především za posledních 20 let se řada výzkumných prací věnuje těmto materiálům do té míry, že jsou již běžně používány ve stavební praxi [2, 3]. S rozvojem materiálové základny a snahou o energetickou úsporu a efektivitu souvisí i rozvoj textilního betonu. Kromě tradičních oblastí využití (např. fasádní panely či tenkovrstvé skořepiny) se objevují i výzkumné práce zaměřené na oblast zesilování.
Vzhledem k progresivnímu vývoji v oblasti textilního betonu získává tento materiál své místo rovněž v oblasti zesilování, především zděných a železobetonových konstrukcí. V zemích s výskytem seismických jevů se výzkum zaměřuje na možnost stabilizace a zvýšení odolnosti zděných stěn vůči účinkům zemětřesení pomocí textilního betonu. Ve Spolkové republice Německo se vývoj a aplikace zaměřily především na zesilování železobetonových ohýbaných prvků. Rovněž v oblasti zesilování zděných konstrukcí (pilířů či kleneb) se začíná objevovat textilní beton.
Experimentální program
Hlavním cílem provedeného experimentálního programu je kvantifikovat přínos dodatečně aplikované tenké vrstvy textilního betonu na zděné pilíře o rozměrech cca 290×290×1040 mm. Rovněž byla provedena experimentální analýza vlivu úpravy rohů pilířů seříznutím cca 30 mm široké části a tím snížení poloměru zakřivení. Díky této úpravě se snížil průřez pilíře o cca 2 %, což by se v případě nezesíleného pilíře projevilo poklesem únosnosti pilíře jako celku. Popisovaná úprava byla zvolena z důvodu eliminace tahových napětí koncentrovaných v místě ohybu sklotextilní výztuže. Příznivý vliv seříznutí rohů zděných pilířů na výslednou únosnost prokázala studie [4], kde byly zkoušeny pilíře zesílené karbonovými lamelami.
Vlastnosti použitých materiálů
Standardní pálené cihly formátu 290×140×90 mm s průměrnou pevností v tlaku 35,0 MPa byly spojeny vápenocementovou maltou (cement, vápno a písek 0/4 mm v objemovém poměru 1 : 3 : 5). Průměrná pevnost v tlaku této malty byla 5,9 MPa a pevnost v tahu za ohybu dosahovala hodnoty 1,3 MPa. Použité zdivo dosahovalo charakteristické pevnosti v tlaku 5,3 MPa, která byla vypočtena v souladu s normou ČSN EN 1996-1-1.
Zesilující vrstva se sestávala z vysokopevnostního cementového kompozitu a textilní výztuže. Tyto dva základní prvky tvoří textilní beton. Vlastnosti použitého kompozitu (textilní beton jako celek, případně pouze cementové matrice) byly vyšetřovány v mnoha studiích, např. [5]. Složení použitého cementového kompozitu odpovídalo svým charakterem vysokopevnostnímu betonu. Pevnost v tlaku byla 91,8 MPa, zatímco pevnost v tahu za ohybu 15,2 MPa. Použitá výztuž R585 je znázorněna na obr. 1.
Proces zesilování
Proces zesilování začal cca dva měsíce po vyzdění pilířů, tedy v době, kdy lze již předpokládat vyzrálost použité malty. Povrch pilíře byl nejprve očištěn od hrubých nečistot a následně navlhčen vodou z rozprašovače. Na takto upravený a očištěný povrch byla nanesena tenká vrstva cementového kompozitu, která byla rovněž vtlačena do ložných a styčných spár. Do této vrstvy byla následně vtlačena sklotextilní výztuž po celé výšce pilíře. Druhá vrstva výztuže byla aplikována v patě, v hlavě a v polovině pilíře, a to opět do tenké vrstvy cementového kompozitu. Finální povrch zesíleného pilíře byl proveden opět tenkou vrstvou cementového kompozitu. Schéma uspořádání textilní výztuže a modifikovaný průřez je znázorněn na obr. 2. Po ukončení procesu zesilování byly pilíře obaleny polyetylenovou fólií. Celková tloušťka zesilující vrstvy dosahovala v průměru 8 mm. Proces zesilování je znázorněn na obr. 3.
Zkoušení pilířů
Referenční a zesílené pilíře byly zkoušeny v laboratořích Experimentálního centra Fakulty stavební ČVUT. Pro vyvození zatěžovací síly byl využit hydraulický lis Inova 2000 (viz obr. 4).
Samotná zatěžovací zkouška pilířů proběhla po třech měsících, kdy stáří zesilující vrstvy dosahovalo 30 dnů. Uspořádání zkoušky zesílených a nezesílených pilířů bylo identické, kdy zatížení ze zatěžovacího lisu bylo vnášeno přes roznášecí ocelovou desku umístěnou na vrcholu pilíře. V případě zesílených pilířů bylo zatížení vnášeno pouze do zdiva, nikoliv do zesilující vrstvy (došlo by k drcení zesilující vrstvy, která by nebyla řádně aktivována a využita). Zkouška byla řízena přírůstkem deformace v čase, a to hodnotou 0,004 mm/s. Společně s nárůstem síly byl zaznamenán i posun zatěžovací desky, a to vzorkovací frekvencí 10 Hz.
Výsledky
Maximální síla, odvozená z charakteristické pevnosti vypočtené dle ČSN EN 1996-1-1 nezesíleného zdiva odpovídá hodnotě 474 kN. Maximální síla při porušení referenčního pilíře bez zesilující vrstvy dosahovala 121 % síly odpovídající charakteristické pevnosti (575 kN). Zesílené pilíře standardního průřezu (I-1 a I-2) dosahovaly 144 %, resp. 123 %, maximální síly referenčního pilíře (100 %). Zesílené pilíře s modifikovaným průřezem (seříznuté rohy) vykazovaly výrazně lepší odolnost vůči účinkům vertikálního zatížení. Pilíře II-1 a II-2 dosahovaly 203 %, resp. 170 %, maximální pevnosti referenčních pilířů. Síla při porušení pilíře II-1 odpovídala více než dvojnásobku maximální síly při porušení referenčního pilíře běžného čtvercového průřezu. Výsledné hodnoty a porovnání účinku zesílení s referenčním pilířem jsou uvedeny v tabulce 1.
Na obr. 5 můžeme vidět závislost síly a deformace získané z průběhu provedených zatěžovacích zkoušek. Průběh deformace byl získán z datového záznamu posunu hydraulického válce, zatímco průběh síly byl kontinuálně snímán siloměrem. Porušení nezesíleného vzorku odpovídalo očekávanému standardnímu průběhu, popsaném v mnoha odborných publikacích [3] a ověřeném zkušební praxí. Základním předpokladem provedeného zesílení je dostatečné propojení zdiva pilíře a dodatečně provedené tenké vrstvy z cementového kompozitu. Soudržnost těchto dvou vrstev dosahovala excelentní úrovně, kdy po provedené zkoušce byly porušené zdicí prvky, nikoliv kontaktní zóna mezi zdicím prvkem a textilním betonem. Typ poškození zesilující vrstvy se lišil v závislosti na typu porušení pilíře jako celku. U pilířů standardního průřezu došlo ke vzniku první trhliny v zesilující vrstvě v rohu pilíře, kde dochází ke koncentraci tahového napětí a zároveň je výztuž částečně deformována vlivem nízkého poloměru ohýbání. Toto místo bylo zároveň místem porušení zesilující vrstvy. Trhlina vznikla rovnoběžně s délkovou osou pilíře.
Zcela odlišný typ porušení můžeme popsat v případě pilířů s modifikovaným průřezem. Porušení zesilující vrstvy lze lokalizovat ve středu pilíře a trhliny se postupně rozvinuly do tří stran pilíře. Trhlina v tomto případě vznikla a dále se rozvíjela ve směru přibližně kolmém na délkovou osu pilíře. Způsoby porušení jednotlivých pilířů ilustruje obr. 6.
Poškození obou pilířů (II-1 a II-2) s modifikovaným průřezem bylo obdobného charakteru. Největší výhodou úpravy rohů pilíře a tím vzniklému modifikovanému průřezu lze popsat ve větším využití potenciálu výztuže a celé zesilující vrstvy, kdy dochází k částečnému snížení tahového napětí v kontaktní zóně mezi zdivem a textilním betonem. Zvýšením účinnosti zesilující vrstvy dojde ke zvýšení triaxiální napjatosti v centrální části zesíleného pilíře a tím se zvýší únosnost vůči jednoosému zatížení aplikovanému v hlavě pilíře. Detail porušeného zdiva zesíleného pilíře je uveden na obr. 7.
Závěr
Příspěvek provedeného experimentálního programu spočívá v praktickém využití textilního betonu jako alternativy k běžně používaným materiálům při zesilování tlačených zděných pilířů. Celkem bylo testováno pět cihelných pilířů o rozměrech cca 290×290×1040 mm – jeden referenční bez zesílení, dva zesílené standardního čtvercového průřezu a dva zesílené s modifikovaným průřezem. Pilíře s odříznutými rohy vykazovaly vyšší odolnost vůči dostřednému tlakovému zatížení. Maximální dosažené síly u zesílených pilířů s modifikovaným průřezem dosáhly 1170 kN, resp. 970 kN, což odpovídá 203 %, resp. 170 %, maximální síly při porušení nezesíleného referenčního pilíře. Vliv oříznutých rohů spolu s textilním betonem výrazně zvýšil celkovou únosnost tlačeného pilíře – v průměru o 85 % oproti nezesílené variantě.
Pilíře s modifikovaným průřezem zároveň vykazovaly duktilní chování, především z důvodu místa vzniku první trhliny a jejího následného rozvoje (ve středu pilíře). Rovněž z hlediska technologie provádění bylo ověřeno, že popsaný způsob zesilování je proveditelný dostupnými stavebními prostředky. Pro detailnější studium chování bude nutné vytvořit rozsáhlejší soubor zkušebních vzorků a rovněž se zaměřit na samotný způsob zkoušení pilířů.
ONDŘEJ HOLČAPEK, PAVEL REITERMAN,
FILIP VOGEL
foto archiv autorů
Poděkování
Výsledky uvedené v příspěvku byly získány za podpory grantu SGS16/199/OHK1/3T/11.
Literatura:
1) FIRMO, J. P., J. R. CORREIRA A P. FRANCA. Fire behaviour of reinforced concrete beams strengthened with CFRP laminates: Protection systems with insulation of the anchorage zones. Composites Part B: Engineering, 2012, 43, p. 1545–1556.
2) WITZANY, J., T. ČEJKA a R. ZIGLER. Failure mechanism of compressed short brick masonry columns confined with FRP strips. Construction and Building Materials. 2014, 63, s. 180–188.
3) AIELLO, M. A., F. MICELLI A L. VALENTE. FRP Confinement of Square Masonry Columns, Journal of Composites for Construction. 2009, 13, s. 148–158.
4) KUBÁT, J a R. ZIGLER, Stabilization and strengthening of historic building´s stone masonry columns. 2014. Advanced Materials Research 923.
5) VOGEL, F., O. HOLČAPEK a P. KONVALINKA. Comparisson of stress-strain diagrams in -different age of the cement matrix for textile reinforced concrete. 2015, Material Science Forum 824.
Ing. Ondřej Holčapek (*1987)
absolvoval Fakultu stavební ČVUT v roce 2012. Pracuje v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT a ve znaleckém ústavu Equita Consulting, s. r. o. Zabývá se výzkumem a vývojem v oblasti cementových kompozitů se zaměřením na účinky vysokých teplot.
Ing. Pavel Reiterman, Ph.D., (*1983)
absolvoval Fakultu stavení ČVUT v roce 2008. Pracuje v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT a v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT. Specializuje se na trvanlivost stavebních materiálů a na vývoj a zkušebnictví v oblasti cementových kompozitů.
Ing. Filip Vogel, Ph.D., (*1988)
absolvoval Fakultu stavební ČVUT v roce 2013. V současné době pracuje ve společnosti Argun. Ve své odborné činnosti se specializuje na balistickou odolnost materiálů na bázi textilního betonu.
