A NALÝZA M E C H A N I C K Ý C H VLASTNOSTÍ T Y Č Í GFRP

Transcription

1 A NALÝZA M E C H A N I C K Ý C H VLASTNOSTÍ T Y Č Í GFRP Z H Ľ A D I S K A ICH POUŽITEĽNOSTI AKO PREDPÍNACÍCH J E D N O T I E K V B E T Ó N O V Ý C H NOSNÍKOCH ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES OF G F R P BARS FROM THE PERSPECTIVE OF THEIR APPLICABILITY AS PRESTRESSING E L E M E N T S I N CONCRETE B E A M S Ľ UDOVÍT NAĎ, ANTON BAJZECER V článku sa pojednáva o mechanických vlastnostiach GFRP výstuží z hľadiska ich použitia ako predpínacích jednotiek v betónových nosníkoch. Z mechanických vlastností sú najdôležitejšie pozdĺžna pevnosť v ťahu a modul pružnosti v ťahu. Z pohľadu kotvenia predpínacej výstuže hrajú významnú úlohu najmä priečna pevnosť v tlaku a interlaminárna šmyková pevnosť. Dôležitá je odolnosť voči alkalickému prostrediu betónu a riziko porušenia dotvarovaním výstuže pri dlhodobom namáhaní. Na spoľahlivé poznanie je potrebný veľký rozsah experimentálnych údajov. V článku sú prezentované niektoré výsledky pracoviska autorov. This article is aimed to examine mechanical properties of GFRP reinforcement given their utilization as prestressing elements in concrete beams. The most important mechanical properties include longitudinal tensile strength and modulus of elasticity in tension. Viewing the anchorage of the prestressing reinforcement, the most important properties include splitting compressive strength and interlaminar shear strength. Resistance to alcalic environment of concrete and risk of failure as a result of reinforcement creep under long-term loading are also of major importance. Reliable knowledge requires a large scope of experimental data. This paper presents some outcomes achieved at the authors workplace. Obr. 1 Pracovné diagramy kompozitných materiálov a ich porovnanie s oceľou Fig. 1 Working diagrams of composite materials and their comparison with steel Použitie kompozitných materiálov z vláknom vystužených plastov (FRP Fiber Reinforced Plastics) má v ostatných dvoch desaťročiach vzrastajúcu tendenciu. Postupne sa rozrastalo poznanie ich vlastností. Na výrobu vláknových kompozitov sa prakticky používajú najmä sklenené, aramidové a uhlíkové vlákna, ktoré poskytujú vhodnú kombináciu pevnosti, tuhosti, odolnosti voči korózií a ceny, čo vedie k názoru, že je to vhodný konštrukčný materiál. Označujú sa ako GFRP (so sklenenými vláknami), CFRP (s uhlíkovými vláknami), AFRP (s aramidovými vláknami). Materiály FRP sa vo vystuženom a predpätom betóne používajú ako náhrada ocele, čo sa prejavilo aj v ich vývoji. Značné množstvo výskumných aktivít bolo vynaložené na to, aby výstužné tyče z vláknových kompozitov (FRP) vyzerali ako betonárska alebo predpínacia výstuž, a to hlavne úpravou tvaru povrchu s výhľadom na výmenu jedného materiálu za druhý. Avšak namiesto toho by sa mal klásť dôraz na to, aby sa táto výstuž použila s ohľadom na ich osobité vlastnosti. V tomto článku sa pojednáva o mechanických vlastnostiach GFRP výstuží z hľadiska ich použitia ako predpínacích jednotiek v betónových nosníkoch. Z mechanických vlastností sú najdôležitejšie najme pozdĺžna pevnosť v ťahu (v smere vlákien) a modul pružnosti v ťahu. Z pohľadu kotvenia predpínacej výstuže hrajú významnú úlohu najmä priečna pevnosť v tlaku a interlaminárna šmyková pevnosť. Ďalším dôležitým hľadiskom (v prípade GFRP vo vopred predpätom betóne) je vplyv alkalického prostredia betónu na mechanické vlastnosti kompozitných výstuží a porušenie dotvarovaním výstuže pri dlhodobom namáhaní (problém statickej únavy ). Vláknom vystužené plasty (FRP) sú anizotropný materiál. Činitele ako typ a obsah vlákien a živice, orientácia vlá kien a kontrola kvality počas výroby majú výrazný vplyv na výsledné mechanické charakteristiky materiálu. V súčasnosti je vo svete dostupný široký výber komerčne vyrábaných FRP výstuží (u nás sa nevyrábajú), počnúc od jednoduchých hladkých tyčí, tyčí s upraveným povrchom pre zlepšenie súdržnosti, až po laná (sedem a viac drôtové laná) atď. Preto je lepšie pochopenie mechanických vlastností FRP materiálov nevyhnutné pre rozumný prístup k návrhu konštrukcií vystužených, a/alebo predpätých týmto materiálom. P REHĽAD VLASTNOSTÍ Všetky tieto nové materiály pozostávajú z vlákien, ktoré majú vysokú pevnosť pri relatívne nízkej hmotnosti (sklenené vlákna kgm -3, uhlíkové vlákna kgm -3 ) a polymérnej matrice. Majú v ťahu aj tlaku lineárne pružné správanie sa až do porušenia bez medze klzu. FRP materiály používané ako výstuž betónových konštrukcií majú vysokú orien táciu vlákien jednosmerné kompozity. Ich vlastnosti v priečnom smere sú výrazne horšie ako v smere vlákien. Vlákna sú spojené matricou do použiteľnej formy bez toho, aby vyvolali veľké napätia. Mechanizmus výroby a mechanizmus prenosu sily do vlákien predstavuje úplne odlišný problém ako pri oceli. B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 4/

2 Číslo vzorky Pevnosť [MPa] Číslo vzorky Pevnosť [MPa] Číslo vzorky Pevnosť [MPa] 1 755, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Tab. 1 Tab. 1 Výsledky skúšok pevnosti v ťahu GFRP výstuží 8 mm Results of tests of tensile strength of GFRP reinforcement 8 mm Na obr. 1 sú zobrazené typické pracovné diagramy vláknových kompozitov vyrobených z troch druhov vlákien. Pre porovnanie sú uvedené aj pracovné diagramy predpínacej a betonárskej ocele. Všetky pracovné diagramy jednosmerných vláknových kompozitov sú lineárne pružné, bez plasticity, ale s vysokou pevnosťou a veľkou kapacitou pretvorenia. Tieto hodnoty je možné brať len ako reprezentatívne. Výsledné mechanicko-fyzikálne vlastnosti závisia od veľkého počtu kompozitných a výrobných faktorov. Rôzne spôsoby výroby majú za následok, že tuhosť a pevnosť sa môže líšiť až dvojnásobne. Základné materiály ako sú živice, druh a objemový podiel vlákien v kompozite taktiež spôsobujú premenlivosť týchto hodnôt, avšak premenlivosť v konkrétnom produkte býva malá. Základne mechanické vlastnosti vláknových kompozitov, ako je ich pevnosť, tuhosť apod., závisia od vlastností ich zložiek (ich rozloženia a fyzikálnej či chemickej interakcie, teda od ich štruktúry) a predovšetkým od množstva a orientácie spevňujúcej fázy v základnej matrici. Podielové množstvo spevňujúcej fázy v kompozite sa môže vyjadriť jej hmotnostným alebo objemovým podielom v kompozite. Vlastnosti kompozitov sa určujú experimentálne. Ak zmeníme niektoré premenné kompozitného systému, ako je napríklad objemové zastúpenie zložiek, alebo zmeníme ich vlastnosti či technológiu výroby, sú potrebné ďalšie experimentálne údaje. Maximálne objemové percentuálne zastúpenie vlákien valcovitého tvaru môže byť v kompozite až 91 %, obvykle sa zhoršujú výsledné vlastnosti po prekročení 80 % obsahu vlákien. V bežne komerčne vyrábaných kompozitných materiáloch sa pohybuje objemový po diel vlákien v rozmedzí 50 až 70 %. Pevnosť v ťahu Matematický model popisujúci pozdĺžne vlastnosti, ako je pevnosť v ťahu a modul pružnosti jednosmerných kompozitov, je exaktný a presný. Pri výpočte pevnostných charakteristík jednosmerných kompozitov spevnených vláknami sa vychádza z predpokladu, že vlákna sú tak geometricky, ako aj fyzikálne homogénne, sú nekonečné, rovnobežné a rovnomerne rozdelené v celom priereze použitej matrice. Ďalším predpokladom je, že medzi vláknom a matricou existuje dokonalá väzba, takže na medzifázovom rozhraní medzi matricou a vláknami nenastáva posun a pomerná deformácia vlákien ε f, matrice ε m a kompozitu ε c je rovnaká, a teda platí: ε f = ε m = ε c (1) Na základe uvedených predpokladov je možné odvodiť [1] tzv. zmiešavacie pravidlo pre teoretické stanovenie výslednej pevnosti vláknových kompozitov R c = R f V f + R m V m (2) kde R c je výsledná pevnosť kompozitu R f, R m sú pevnosti vlákien respektíve matrice a V f a V m sú ich objemové podiely. Obr. 2 Štatistické spracovanie výsledkov skúšok pevnosti v ťahu Fig. 2 Statistic processing of the results of the tests of tensile strength Na Katedre betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty TU v Košiciach prebieha dlhodobý výskum mechanických vlastností výstuží GFRP. Na jednom príklade priemyselne vyrábaných tyčí GFRP možno demonštrovať nutnosť veľmi rozsiahlych experimentálnych skúšok na spoľahlivé stanovenie ich mechanických vlastností. Objemový podiel vlákien v kompozite udávaný výrobcom sa pohyboval v rozmedzí od 53 do 57 %. Pevnostné charakteristiky jednotlivých zložiek kompozitu t.j. vlákien a matrice tak, ako ich poskytol výrobca, boli pevnosť vlákien R f = MPa a pevnosť matrice R m = 65 MPa. Ak by sme na základe zmiešavacieho pravidla stanovili teoretickú pevnosť výsledného kompozitného materiálu, táto pevnosť by bola: R c = R f V f + R m V m = , ,47 = [MPa] pri objemovom podiele vlákien 53 % a R c = R f V f + R m V m = , ,43 = [MPa] pri objemovom podiele vlákien 57 %. V tabuľke 1 sú uvedené výsledky skúšok pevnosti GFRP výstuží priemeru 8 mm. Ako je vidieť z výsledkov skúšok, získané pevnosti sú výrazne nižšie ako je teoretická pevnosť týchto výstuží stanovená na základe zmiešavacieho pravidla. Rozdiely môžu byť spôsobené jednak tým, že pevnosť vlákien pri zabudovaní do kompozitu je nižšia ako uvádzaná tzv. panenská pevnosť vlákien. Skutočné pevnosti pred zabudovaním vlákien do kompozitu sa pohybujú okolo MPa [1]. Pri uvažovaní tejto pevnosti vlákien by bola teoretická pevnosť kompozitu MPa. Ďalšou skutočnosťou, ktorá môže spôsobiť to, že uvedené pevnosti sú nižšie ako je jej teoretická hodnota, je spôsob uchytenia vzorky pri skúške. Pri skúške sa očakáva, že vzorka sa poruší na volnej dĺžke, v našom prípade sa porušenie iniciovalo v uchytení. Na obr. 2 je štatistické spracovanie vý sledkov skúšok pevnosti v ťahu vo forme histogramu s uvedením strednej hodnoty a smerodajnej odchýlky. Výrobcom udávaná medza pevnosti v ťahu rovnobežne s vláknami je 750 MPa. Stredná hodnota pevnosti na základe výsledkov skúšok je 847 MPa. Ako charakteristická pevnosť výstuží pre navrhovanie vystužených a predpätých betónových konštrukcií sa podľa niektorých predbež- 48 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 4/2006

3 ných návrhových smerníc [2] a [3] môže použiť hodnota, ktorá sa rovná 5 percentilu alebo hodnote, ktorá sa vypočíta ako stredná hodnota mínus 3 krát smerodajná odchýlka. Tieto hodnoty na základe našich skúšok by boli: 5 percentil = 755,98 MPa a stredná hodnota 3x smerodajná odchýlka = 847, ,11 = 682,3 [MPa]. Modul pružnosti v ťahu Pozdĺžny modul pružnosti GFRP tyčí tvorí približne 25 % z modulu pružnosti ocele. Modul pružnosti CFRP kompozitov, kde sa používajú zvyčajne tuhšie vlákna, je vyšší ako u GFRP kompozitov. Pri použití vysokomodulových vlákien je možné dosiahnuť modul pružnosti porovnateľný s oceľou, ba aj vyšší. AFRP kompozity majú len o niečo vyšší modul pružnosti ako GFRP. Teoreticky stanoviť modul pružnosti jednosmerných vláknových kompozitov je možné jednoducho na základe hore uvedených predpokladov [1] pomocou tzv. zmiešavacieho pravidla. E c = E f V f + E m V m (3) kde E c je modul pružnosti kompozitu, E f, E m sú moduly pružnosti vlákien resp. matrice a V f, V m sú objemové podiely vlákien resp. matrice. Ak by sme na základe uvedeného vzťahu stanovili teoretickú hodnotu modulu pružnosti GFRP výstuží, ktoré boli použité vo výskume, bola by táto hodnota rovná: E c = E f V f + E m V m = , ,47 = [MPa] alebo E c = E f V f + E m V m = , ,47 = [MPa]. Keďže výrobca udáva modul pružnosti sklenených vlákien E f v rozsahu až MPa. Hodnota modulu pružnosti, ktorú udáva výrobca je MPa a experimentálne bola zistená hodnota MPa. V tab. 2 sú uvedené nie ktoré mechanické vlastnosti vybraných druhov kompozitných výstuží a ich porovnanie s betonárskou a predpínacou oceľou. Priečna pevnosť v tlaku Jednosmerný kompozitný materiál podrobený priečnemu tlakovému namáhaniu sa obvykle porušuje šmykovým porušením matrice, čo je sprevádzané oddeľovaním zložiek alebo rozdrvením vlákien. Experimentálne výsledky [7] z oblasti výskumu polymérnych kompozitov spevnených uhlíkovými vláknami ukázali, že pri namáhaní kompozitu tohto typu v priečnom smere stlačením nastáva v ňom šmykové porušenie v smere kolmom na vlákno, v rovinách rovnobežných s vláknami pri očakávaných uhloch. Taktiež sa zistilo, že porušeniu kompozitu predchádza porušenie väzieb medzi vláknami a matricou. Priečna pevnosť v tlaku je nižšia ako pozdĺžna pevnosť v tlaku. Napr. kompozitná výstuž zo sklenených vlákien s objemovým podielom vlákien 46 % a pevnosťou v ťahu rovnobežne s vláknami MPa mala pevnosť v tlaku kolmo na vlákna (v priečnom tlaku) len 138 MPa, zatiaľ čo pevnosť v tlaku rovnobežne s vláknami bola 600 MPa [1]. Teda pevnosť v priečnom tlaku predstavuje len asi 12,5 % z pevnosti v ťahu a pevnosť v tlaku rovnobežne s vláknami predstavuje asi 55 % z pevnosti v ťahu. Ak zabránime deformácii v smere kolmom na rovinu určenú smerom zaťaženia a osami vlákien, môžeme dosiahnuť priečnu pevnosť porovnateľnú s pozdĺžnou pevnosťou v tlaku. Vzrast pevnosti je zistiteľný, pretože porušenie v tomto prípade vzniká strihom vlákien, ktorých pevnosť je väčšia než pevnosť matrice a väčšia než pevnosť väzieb. Pri strihovom porušení vlákien sa pozorovalo, že priečna pevnosť pri stlačení zrastá s rastúcim podielom vlákien. V PLYV ALKALICKÉHO PROSTREDIA NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI FRP materiály v súčasnosti používané v zahraničí ako výstuž v betónových konštrukciách vykazujú vo všeobecnosti vysokú odolnosť voči vplyvom prostredia, ktoré spôsobujú koróziu bežne používanej oceľovej predpätej a nepredpätej výstuže. Avšak ich odolnosť voči alkalickému prostrediu, teda voči samotnému betónu, ktorým sú vlastne v konštrukcii obklopené, je hlavne pri GFRP kompozitoch bez špeciálnej úpravy matrice výrazne nižšia a spôsobuje časovo závislý pokles ich pevnostných vlastností. Existujú presvedčivé dôkazy, že rozsah znehodnocovania (degradácie) polymérnych kompozitov vystavených kvapalnému prostrediu je spojený so stupňom sorpcie kvapaliny. Pochopenie procesu šírenia (difúzneho procesu), ako aj činiteľov, ktoré ho ovplyvňujú, je rozhodujúce pre stanovenie stavu materiálu. Stručne môžeme povedať, že sorpčné vlastnosti polymérov alebo polymérnych kompozitov závisia od druhu a koncentrácie tekutiny, teploty, pôsobiaceho napätia, stavu primárneho poškodenia, chemického zloženia matrice a rozhrania vlákno/matrica [4]. Vplyv sorpcie vlhkosti alebo alkalického roztoku v GFRP výstužiach sa mení so spomenutými premennými a spôsobuje stratu pevnosti a tuhosti. Štúdia pôsobenia alkalického prostredia má veľký význam pre použitie FRP v betónových konštrukciách. FRP výstuž je ponorená v cementovom prostredí. Zistilo sa, že takéto prostredie pôsobí agresívne na GFRP materiály. Spôsobuje to vysoká úroveň ph (ph = 13,5) vodného roztoku obsiahnutého v póroch a prítomnosť alkalických iónov. Alkalický roztok spôsobuje krehnutie sklenených vlákien a poškodenie na úrovni medzifázového rozhrania pôsobením chemických vplyvov a nárastom hydratačných produktov. Tieto vplyvy vedú k strate ťahovej pev- Tab. 2 Porovnanie mechanických vlastností (v pozdĺžnom smere) (ACI ) Tab. 2 Comparison of mechanical properties (in longitudinal direction) (ACI ) Betonárska oceľ Predpínacia oceľ GFRP tyče GFRP predpínacie drôty CFRP predpínacie drôty AFRP predpínacie drôty Pevnosť v ťahu [MPa] 483 až až až až až až 2068 Medza klzu [MPa] 276 až až 1396 Nie je Modul pružnosti v ťahu [GPa] až až až až až 74 Maximálne predĺženie [mm/mm] >0,10 >0,04 0,035 až 0,05 0,03 až 0,045 0,01 až 0,015 0,02 až 0,026 Pevnosť v tlaku, [MPa] 276 až až Koef. teplotnej roztiažnosti [10-6 / C] 11,7 11,7 9,9 9,9 0,0-1,0 Objemová hmotnosť [g/cm 3 ] 7,9 7,9 1,5 až 2,0 2,4 1,5 až 1,6 1,25 Poznámka: Všetky vlastnosti popisujú jednosmerne vystužené kompozity Vlastnosti sa menia s obsahom vlákien (45 až 70 %), priemerom vlákien, priemerom výstuže,... B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 4/

4 ε Obr. 4 Modul pružnosti GFRP výstuže 16 mm vystavenej pôsobeniu alkalického prostredia Fig. 4 Modulus of elasticity of GFRP reinforcement 16 mm exposed to alcalic environment impact Obr. 5 Tri fázy dotvarovania [5] Fig. 5 Three phases of creep [5] ε Obr. 3 Pevnosť v ohybe GFRP výstuže 16 mm vystavenej pôsobeniu alkalického prostredia Fig. 3 Bending strength of GFRP reinforcement 16 mm exposed to alcalic environment impact nosti a zníženiu interlaminárnych vlastností v priečnom smere. Štúdia skutočného dlhodobého správania sa kompozitných materiálov by si vyžiadala taký dlhý skúšobný test, ako je životnosť konštrukcie. Z toho dôvodu sú potrebné zrýchlené skúšobné postupy pre skúmanie problémov trvanlivosti. Proces starnutia uvažovaný počas zrýchlených testov trvanlivosti FRP materiálov je možné rozdeliť do troch tried: (1) účinky starnutia spojené so živicou, (2) s vláknami, (3) so zmenami na medzifázovom rozhraní vlákno/matrica. Na simulovanie starnutia v urýchlených testoch sa najčastejšie používa zvýšená teplota a vysoký obsah alkálií, pretože výskumy ukázali, ako teplota ovplyvňuje sorpciu a difúzne vlastnosti alkalických roztokov. Porovnaním prirodzeného starnutia a výsledkov urýchlených testov je možné vytvoriť závislosť na stanovenie vzťahu medzi teplotou a časom v zrýchlenom teste a skutočnými podmienkami. Na výpočet tejto závislosti je možné použiť rovnicu (4) [13]. N/C = 0,098 e (0,0558 T), (4) kde N je čas v dňoch v skutočných podmienkach, T teplota pri urýchlenom teste starnutia [ F], C je dĺžka trvania zrýchleného testu v dňoch pri teplote T. Na našom pracovisku sa na overenie vplyvu alkalického prostredia uskutočnili urýchlené skúšky starnutia na priemyselne vyrobených GFRP tyčiach (polyesterová živica, vlákna z E skla). Na simulovanie starnutia v urýchlenom teste bola použitá zvýšená teplota 70 C a roztok s vysokým obsahom alkálií. Priemerná hodnota ph 12. V roztoku, pri zvýšenej teplote, boli vzorky výstuže 8 a 16 mm uložené po dobu 4, 8 a 16 týždňov. Vzorky neboli zaťažené. Po vybratí z roztoku bola stanovená ich zostatková pevnosť a modul pružnosti. Výsledky skúšok výstuží 16 mm sú zobrazené na obr. 3 a 4. Najväčší pokles pevnosti bol zaznamenaný na vzorkách, ktoré boli v roztoku 16 týždňov, a to 28 % z krátkodobej pevnosti. Pokles modulu pružnosti bol o 19,5 %. Podľa výsledkov niektorých výskumov pomocou urýchleného starnutia môže alkalické prostredia zapríčiniť zníženie pevnosti GFRP výstuží až do 70 % z krátkodobej pevnosti v závislosti od Tab. 3 Tab. 3 Teoretická doba životnosti GFRP Theoretical lifetime of GFRP typu matrice. Najvhodnejšie sú epoxidové a vinyl-esterové živice. D OTVAROVANIE A PORUŠENIE DOTVAROVANÍM Porušenie dotvarovaním je porušenie materiálu vystaveného vysokej hladine namáhania po určitom časovom období a vyskytne sa vtedy, keď sa vyčrpá pretvárna kapacita materiálu (dosiahne sa kapacita pretvorenia). V súčasnej dobe používaná oceľová predpínacia výstuž je schopná prenášať vysoké ťahové napätia (až 75 % zo svojej charakteristickej krátkodobej pevnosti) počas celého obdobia života konštrukcie. Pravda iba vtedy, ak je dostatočne chránená pred koróziou, prípadne inými nežiadúcimi vplyvmi, ktoré môžu mať za následok jej silné poškodenie a následne aj vyradenie z prevádzky. V prípade GFRP výstuže (a vo všeobecnosti aj ostatných druhov FRP výstuže) je však situácia odlišná. Pod účinkom dlhodobo pôsobiacej a dostatočne veľkej ťahovej sily dochádza k porušeniu výstuže (a tým aj prvku) vplyvom jej dotvarovania. Ide o jav, ktorý je všeobecne známy u väčšiny konštrukčných materiálov. Správanie sa jednosmerných kompozitov, akými sú aj výstuže GFRP, namáhaných dlhodobým statickým zaťažením možno vyjadriť krivkou podľa obr. 5. Úplná krivka dotvarovania pozostáva z troch častí: primárnej, sekundárnej a terciárnej. Primárne a sekundárne dotvarovanie to sú známe reologické javy popisujúce nárast pretvorenia zaťaženého konštrukčného prvku v čase. Primárna fáza nastáva okamžite po aplikovaní zaťaženia. Sekundárna časť sa vyskytuje počas dlhého časového úseku. Počas tohto úseku sa môžu porušiť niektoré slabšie vlákna, ale trenie alebo priľnavosť živice medzi vláknami prenáša zaťaženie do priľahlých vlákien. Ak je hladina namáhania dostatočne nízka, poškodenie vlákien sa týka iba sekundárnej úrovne dotvarovania a výstuž má neobmedzenú prevádzkovú životnosť. Pre väčšinu konštrukčných materiálov platí, že sa krivka dotvarovania asymptoticky blíži ku tzv. konečnej hodnote dotvarovania. Pre využiteľné hladiny namáhania sa do terciárnej časti dotvarovanie vôbec nedo- κ [-] 0,64 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 t u [roky] 98,26 57,11 4,27 0,38 14,55 1) 41,83 2) 5,66 2) 51,17 3) Poznámka: 1) hodnota t u [dni], 2) hodnota t u [hod], 3) hodnota t u [min] 50 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 4/2006

5 porušenia, t 0 čas rovný 1 hodine, B parameter veľkosti poškodenia FRP materiálu, stanovený na základe skúšok, n parameter materiálu, stanovený na základe skúšok. Na základe vzorca (7) sa dá zostrojiť krivka porušenia vplyvom dotvarovania V tab. 3 sú podľa vzťahu (7) vypočítané časy t u pre jednotlivé hladiny κ. Ak sa požaduje doba životnosti t u 100 rokov, potom z tab. 3 vyplýva, že hladina namáhania κ môže nadobudnúť maximálne hodnotu 0,64. Pri vyšších hladinách je reálny predpoklad, že nastane porušenie výstuže (a teda aj konštrukcie) počas prevádzky. Obr. 6 Pretvorenie výstuže v čase vplyvom dotvarovania pre rôzne hladiny namáhania Fig. 6 Reinforcement strain in time as a result of creep for different load levels stane. Terciárna fáza predstavuje prudko narastajúce porušenie vlákien až po porušenie výstuže. Tvar krivky dotvarovania na obr. 5 je najviac ovplyvnený hladinou namáhania κ, tj. pomerom pôsobiaceho zaťaženia F cl k zodpovedajúcej krátkodobej statickej pevnosti výstuže F cu κ = F cl /F cu (5) F cl = konšt. F cu (6) Pri relatívne nízkych hodnotách κ sa tretia časť krivky, ako to už bolo vyššie naznačené, pri GFRP výstuži (a vo všeobecnosti ani pri iných materiáloch) ani nevyskytne, čo znamená, že k porušeniu pôsobením dlhodobého zaťaženia počas reálnej doby prevádzky nedôjde. Na obr. 6 sú znázornené krivky dotvarovania GFRP výstuží, ktoré boli získané v rámci výskumného projektu na pracovisku autorov. Jednotlivé krivky sú pre rôzne hladiny namáhania. Pre návrh je potrebné vedieť na koľko percent z medzného zaťaženia môže byť výstuž zaťažená tak, aby terciárna fáza nebola nikdy dosiahnutá. Treba jednoznačne určiť veľkosť hladiny namáhania κ, resp. veľkosť konštantne pôsobiaceho napätia F cl. Treba stanoviť ako dlho je schopná predpínacia výstuž spoľahlivo prenášať toto zaťaženie, to znamená určiť dobu t s, počas ktorej je schopná plniť svoju funkciu plnohodnotne, ale aj dobu t u, ktorá vyjadruje celkovú dobu jej životnosti. Z experimentálnych údajov je potrebné získať tzv. charakteristickú krivku životnosti označenú napríklad v [6] ako F clk (t u ) a tiež tzv. strednú krivku životnosti označenú ako F clm (t u ); (obr. 7) [6]. Čas t u predstavuje dobu životnosti, resp. okamih, kedy dôjde pôsobením konštantnej sily F cl, ktorej zodpovedá napätie R cl, k porušeniu výstuže (v prípade F clk ide o porušenie 5 zo 100 a v prípade F clm 50 zo 100 vzoriek súboru). A práve z toho dôvodu, že čas t u vykazuje mimoriadne veľký rozptyl (bol pozorovaný koeficient variácie 50 až 100 %!), je nevyhnutné urobiť za účelom získania spoľahlivých hodnôt t u relatívne veľké množstvo skúšok. Na základe uvedených faktov sa napríklad v [6] odporúča, aby sa takéto skúšky robili prinajmenšom s tromi výrazne odlišnými hladinami namáhania κ (napríklad pre κ = 0,6; 0,7 a 0,8). Pomocou krivky F clk (t u ) sa ďalej zisťuje aj tzv. charakteristická sila pri porušení v čase t s označovaná ako F clk (t s ), ako aj zostatková pevnosť R cr, resp. jej zodpovedajúca zostatková sila F cr pri porušení v čase t e (obr. 7). Podľa [6] možno vyjadriť čas do porušenia t u pomocou vzťahu n = = (7) kde F cl je konštantná pôsobiaca sila menšia ako F cu, F u sila potrebná na porušenie pri krátkodobej statickej skúške, t u čas do Z ÁVERY Na to, aby sa tieto nové materiály mohli bezpečne používať ako výstuž (či už pasívna alebo predpätá) betónových konštrukcií, je potrebné dokonale poznať ich mechanické vlastnosti, a to jednak krátkodobé, ale hlavne ich dlhodobé vlastnosti. Kvôli ich veľkej deformačnej kapacite (nízkemu modulu pružnosti) by sa mali GFRP výstuže používať skôr ako predpätá výstuž než pasívna výstuž, aby sa zabezpečilo efektívnejšie využitie týchto výstuží. Otázka použitia týchto výstuží vo vopred alebo dodatočne predpätých konštrukciách je pomerne dôleži- Pokračování článku na str. 61 Obr. 7 Charakteristická a stredná krivka porušenia dotvarovaním FRP výstuže [6] Fig. 7 Characteristic and mean curve of failure as a result of creep of FRP reinforcement [6] B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 4/

6 vá ložiska. Na nižší straně, t. j. směrem k 50m polím, tato ložiska musí přenášet i tahové síly vznikající od podélných seismických účinků. Prefabikovaná pole délky 50 m mají hmotnost t. Tyto prefabrikáty jsou předem předpjaté. Pole jsou osazována na dočasná ložiska v místě vnitřních podpor spojitého nosníku a na definitivní neoprenová ložiska na koncích dilatačních dílů. Po zmonolitnění spar tloušťky 250 mm a předepnutí volných kabelů spojitosti a podélných tyčí příčníku bude konstrukce přesazena na pevná hrncová ložiska. Mosty v oblasti vybírání mýtného jsou navrženy vzhledem k nepravidelnému půdorysu z prefabrikovaných tyčových prvků s monolitickou deskou. Pro montáž všech prefabrikovaných elementů počínaje ztraceným bedněním pilotových prahů, zvedání celých polí, či montáže podporových segmentů letmé montáže byl sestrojen plovoucí jeřáb o nosnosti t. Nejtěžším zvedaným prvkem je polovina ztraceného bednění pilotového prahu hlavního pylonu, které i přes rozdělení na poloviny přesahuje t. Všechny prefabrikáty jsou vyráběny ve stavebním dvoře situovaném jižně od východního konce stavby na území získaném zásypem mělkého moře. Zde bylo pro účely stavby vybudováno přístavní molo (obr. 4). (Zásypem moře jsou zde získávány ohromné prostory pro rostoucí satelitní města Incheon a Songdo.) Vzhledem k mělkému moři, a tedy nedostatečnému ponoru na koncích mostu, probíhá celá výstavba od hlavního mostu. Segmenty pro letmou montáž s výjimkou podporového dílu osazeného plovoucím jeřábem budou zvedány z dopravních bárek přímo montážním jeřábem na konci konzoly. První dvě 50m pole od letmo montovaného viaduktu jsou osazena přímo plovoucím jeřábem (obr. 9). Oba paralelní mosty jsou montovány současně. Na první dvě pole bude osazen zavážecí most a transportér. Zavážecí most je na celou šířku přes obě poloviny, transportér je sice užší, ale pohybuje se v ose dálnice a zatěžuje tak každou konstrukci pouze 50 %. Celý projekt se vyznačuje smělostí a technickou dokonalostí. Přesnost výstavby pilot o průměru 3 m a délky až 75 m či osazování prefabrikovaných částí konstrukce je úžasná. Ovšemže menší problémy se objevují i zde, ale postup výstavby se zatím Obr. 9 Osazení prvního 50m pole (19. června 2006) neodchyluje od stanoveného harmonogramu, a tak věříme, že most bude v roce 2009 dokončen. Ing. Pavel Hustoles Mott MacDonald Praha, spol. s r. o. Národní 15, Praha 1 tel.: , fax: mottmac@mottmac.cz Dokončení článku ze str. 51 tá najmä kvôli ich citlivosti na alkalické prostredie. Niektoré návrhové predpisy ich odporúčajú používať len pre dodatočne predpäté konštrukcie necementovou injektážou. Článek byl lektorován Doc. Ing. Ľudovít Naď, CSc. Ing. Anton Bajcezer Katedra betónových konštrukcií a mostov Stavebná fakulta TU v Košiciach Letná 9, Košice ludovit.nad@tuke.sk Literatúra: [1] Naď Ľ. a kol.: Nekovové kompozity ako výstuž betónových konštrukcií, Vydavateľstvo ELFA, Košice, 2001, 101 s. [2] ACI 440.1R-03: Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars., March 2003 [3] CHBDC (Canadian Highway Bridge Design Code), final draft, July 1996 [4] Micelli F., Nanni A.: Material Properties and Durability of FRP Rods, Center for Infrastructure Engineering Studies University of Missouri Rolla. Report No CIES, March 2001 [5] Donald Ch. W., Hamilton III H. R., Bakis Ch. E., Nanni A.: Design Recommendations for Concrete Structures Prestressed with FRP Tendons, FHWA Contract DTFH61-96-C-00019, Final report, August 2001 [6] Bundelmann H., Rostásy F. S.: Creep Rupture Behavior of FRP Elements For Prestressed Concrete Phenomenon, Results and Forecast Models, ACI Internat. Symp. on FRP Reinforcement for concrete structure, Vancouver, Canada, 1993 [7] Bhagwan D. Agarwal, Lawrence J. Broutman.: Vláknové kompozity SNTL Praha 1987 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 4/