Návrh specifikace vyrobeného drátkobetonu
Je třeba rozšířit zkoušky drátkobetonu do oblasti tahových pevností. Diagram odolnosti, který je v článku uveden, je výchozím materiálem pro určení tahových pevností drátkobetonu. V článku jsou uvedeny vzorce pro výpočet napětí, podle kterých může výrobce drátkobetonu vystavit doklad o jeho pevnostní třídě při vzniku makrotrhliny a při dohodnutém průhybu δt,1 = 3,5 mm.
1. Úvod
Větší využívání drátkobetonu v betonovém stavitelství nutně vede k jejich výrobě na centrálních betonárnách. Způsob výroby drátkobetonu odebráním běžného betonu do mixu v požadované pevnostní třídě s následným nadávkováním vláken není vhodný pro výrobu konstrukčních vláknobetonů, zejména jsou-li užita vlákna ocelová.
Odebrání vláknobetonu vyrobeného přímo na mísících centrech betonáren nutně vyžaduje, aby betonárna deklarovala a garantovala pevnostní třídy typových drátkobetonů (SFRC), nejen charakteristickými pevnostmi SFRC v dostředném tlaku (válcová a krychelná pevnost), ale též charakteristickými pevnostmi v dostředném tahu, které jsou vázané alespoň na dva mezní průhyby (δtm,cr a δt,1) viz bod 2 (obr. 1).
Právě tato skutečnost, v případě vláknobetonu, se ukazuje komplikovaná pro betonárny, které výrobu vláknobetonu budou zajišťovat. Komplikovanost plyne ze skutečnosti, že vláknobeton lze navrhovat při jedné charakteristické pevnostní třídě v tlaku podle ČSN EN 206-1 a novější změny Z3 [1] současně ve více variantách charakteristických pevnostních tříd v tahu. Např.:
- FRC 40/50 – 2,4/0,6
- FRC 40/50 – 3,0/1,2
Pevnostní třídy v tahu jsou totiž ovlivňovány hmotnostní koncentrací vláken (kg/m3), typem vláken (délka, štíhlost, tvar), pevností vláken, ale současně i složením betonové matrice kompozitu.
Omezení vláknobetonu pouze na jeden druh užitých vláken (vyhovuje nabídce betonáren u typových konstrukčních vláknobetonů) zužuje charakteristiky vláknobetonu, který by obecně vláknobeton měl, bude-li se využívat většího sortimentu vyráběných vláken.
Jako reálná se ukazuje cesta deklarovat betonárnou pevnostní třídy vláknobetonu včetně jeho tahových charakteristik přímou nabídkou typových drátkobetonů. Jeho základní charakteristiky bude prokazovat podle obdobných zásad jako pro obyčejné betony podle [1]. Tato skutečnost nutně povede k omezení pevnostních tříd vláknobetonu, protože požadovat na betonárně pevnostní třídu drátkobetonů, kromě těch uvedených v katalogu, si vyžádá výrazně větší finanční náklady k tomu, aby betonárna mohla vyrobený drátkobeton deklarovat a garantovat.
V těchto případech lze postupovat tak, že betonárna vyrobí typový drátkobeton na přání investora a vydá výsledky průkazních zkoušek (tlak, tah) ze zkoušky ohybem trámců s odvozenými pevnostními třídami.
Podrobné vyhodnocení zkoušek a zatřídění vláknobetonu v souladu s Technickými podmínkami TP FC 1-1: Vláknobeton – Část 1 [2] a s připravovanými návrhy ČSN pro vláknobetony (2013-14) (např.: Vláknobeton (FRC) – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda; Zkoušení čerstvého FRC; Zkoušení ztvrdlého konstrukčního FRC) provede navrhovatel vláknobetonové nosné konstrukce (projektant statik).
2. Doplňující specifikace k vyráběným konstrukčním vláknobetonům
Vláknobetony pro nosné stavební konstrukce, které mají přispět k jejich bezpečnosti a spolehlivosti, vyžadují při navrhování rozšíření specifikace charakteristických hodnot pevnostních tříd a další požadavky na vlastnosti těchto vláknobetonů.
Pro prosté konstrukční vláknobetony (tj. FRC nevyztužené betonářskou a/nebo předpínací výztuží) je třeba, aby jejich výrobce garantoval charakteristické pevnostní třídy, které má ve výrobním programu v tzv. certifikátech.
Důležitou specifikací konstrukčního vláknobetonu je požadavek, aby charakteristická odolnost zkušebního trámce FRk,1 (obr. 1) při mezním průhybu δt,1 = 3,5 mm splnila podmínku
Obr. 1: Průměrný a charakteristický diagram odolnosti odvozený ze zkoušky ohybem normových trámců s vyznačeným vznikem makro-trhliny δtm,cr a při dohodnutém průhybu δt,1 = 3,5 mm
Doplňující specifikace u vláknobetonů tak musí navíc (oproti specifikaci běžného betonu) obsahovat záznamy průkazních ohybových zkoušek trámců (min. 6 ks).
Statistické vyhodnocení zkoušek ohybem normových trámců vede k získání průměrného (FRm,i / δt,i) a především charakteristického (5% kvantilu) diagramu odolnosti (FRk,i / δt,i) (obr. 1).
Výrobce drátkobetonu (betonárna) má kromě deklarování diagramů odolnosti, především určit z charakteristického diagramu odolnosti pro dva mezní průhyby (δtm,cr a δt,1) dvě charakteristické pevnosti v dostředném tahu:
- při vzniku makrotrhliny (mez vzniku trhliny) – ffc,tk,cr
- při mezním průhybu δt,1 = 3,5 mm (mez duktility vláknobetonu) – ffc,tk,eq,1
2a. Tahová pevnost při vzniku makrotrhliny normového trámce
Do průhybu δtm,cr, jak je patrné z obr. 1, lze chování vláknobetonu považovat za kvazilineárně pružné pro vyhodnocení jeho charakteristické pevnosti v tahu za ohybu ffc,tk,fl podle pružnostního vztahu (obr. 2) pro normový trámec.
Pro navrhování konstrukcí je však nutné odvodit obecnější hodnotu tj. charakteristickou pevnost vláknobetonu v dostředném tahu ffc,tk,cr pro zkušební normový trámec. Podle TP-FC 1-1 [2] jsou rozhodující rozměry normového trámce b = h = 0,15 m a rozpětí L = 0,6 m. Pro rozměrový součinitel (size effect) platí
Odvozená charakteristická pevnost se určí vztahem:
a betonárna ji může garantovat a zatřídit jako pevnostní třídu typového vláknobetonu v tahu při vzniku makrotrhliny.
Obr. 2: Napjatost průřezu normového trámce do vzniku makrotrhliny při kvazilineárně pružném chování
Obr. 3: Poměrná přetvoření a napjatost v kritickém průřezu při poměrném stlačení εfc,c1 ≤ 2 ‰
2b. Tahová pevnost při dohodnutém průhybu normového trámce δt,1 = 3,5 mm
Po vzniku makrotrhliny až do meze duktility normového trámce z prostého (nevyztuženého) vláknobetonu, lze chování vyjádřit v kritickém průřezu (obr. 3) jako:
- ekvivalentní rovnoměrné kvaziplastické v tažené oblasti průřezu,
- zpravidla kvazipružné v tlačené oblasti průřezu.
Tlačená oblast kritického průřezu se chová pružně pokud krajní tlačený okraj vláknobetonu nepřekročí poměrné stlačení εfc,c1 ≤ 2 ‰ při mezním poměrném protažení vláknobetonu εfc,tu,1 = 18 ‰ na taženém okraji kritického průřezu normového trámce (obr. 3).
Při mezní napjatosti podle obr. 3 je poloha neutrálné osy x1 závislá na poměru krajních poměrných přetvoření podle vztahu:
O porušení zkušebního trámce ohybem rozhoduje v tomto případě tahová oblast kritického průřezu (s makrotrhlinou), kde se uplatňují aktivovaná vlákna a jejich soudržnost s betonovou matricí při mezním průhybu δt,1 = 3,5 mm.
Charakteristický moment odolnosti normového trámce MRk,1 odpovídá momentu dvojice vnitřních normálových sil Nfc,tk,1 = Nfc,c1 (obr. 3) i ohybovému momentu od zatížení nosníku MFk,1.
kde:
- ohybový moment od zatížení nosníku
- rameno vnitřních sil
Charakteristická síla v tažené oblasti odpovídá tak vztahu:
Charakteristická mezní ekvivalentní pevnost v dostředném tahu při mezním průhybu δt,1 = 3,5 mm se určí ze vztahu:
Betonárna ji může garantovat a zatřídit do pevnostní třídy typového vláknobetonu v tahu při mezním průhybu δt,1 = 3,5 mm.
Kontrola napětí vláknobetonu u tlačeného okraje kritického průřezu při 
(obr. 3) se určí z podmínky:
která prokáže, že tlačená oblast průřezu se bude chovat kvazipružně.
3. Závěr
Uvedený článek by měl sloužit k diskusi odborné veřejnosti o certifikátech vydávaných k výrobě vláknobetonu betonárnou, tj. vláknobetonu vyrobeného přímo na betonárně. Rozšíření specifikací pevnostních tříd při výrobě drátkobetonu je v každém případě nezbytné pro jeho tahové charakteristiky.
Poděkování
Uvedený příspěvek byl zpracován za finanční podpory SGS13/040/OHK1/1T/11.
Literatura
- [1] ČSN EN 206-1: Beton – Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda; ČNI; 2001.
- [2] TP FC 1-1 Technické podmínky 1: Vláknobeton – Část 1 Zkoušení vláknobetonu Vyhodnocení destruktivních zkoušek a stanovení charakteristického pracovního diagramu vláknobetonu pro navrhování vláknobetonových konstrukcí (ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra betonových a zděných konstrukcí, Praha 2007).
- [3] ČSN EN 1990 Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí; ČNI; 2004.
Pro reálné zavedení betonů s vláknitou ocelovou výztuží do stavební praxe je nezbytné dokončit potřebné zkoušky vlastností těchto drátkobetonů. Určité odchylky v chování jak čerstvých drátkobetonů, tak zatvrdlých, se musí akceptovat při výběru konstrukcí, ve kterých se využije výborných vlastností těchto betonů. Ukazuje se, že způsob dávkování drátků do míchaček na automixech není vhodný z důvodů obtížné zpracovatelnosti drátkobetonu a zajištění optimálního rozptýlení vláken ve struktuře betonu. Změna Z3 základní ČSN EN 206-1 umožňuje navrhovat drátkobeton při jedné charakteristické pevnostní třídě v tlaku ve více variantách pevností a tahu. Tyto pevnostní třídy jsou ovlivňovány hmotnostní koncentrací vláken, délkou a tvarem vlákna a jeho pevností.
Článek je důležitým příspěvkem v problematice používání drátkobetonů. Poskytuje doplňovací specifikace k vyráběným konstrukčním vláknobetonům, které mají přispět k jejich bezpečnosti a spolehlivosti. Tyto doplňující specifikace musí navíc oproti běžným betonům obsahovat záznamy z průkazních zkoušek v ohybu na trámcích na nejméně 6 ks trámců. Výrobce drátkobetonu má kromě deklarování diagramu odolnosti určit z něho dvě charakteristické pevnosti v dostředném tahu, a to při mezi vzniku trhliny a při mezním průhybu o velikosti 3,5 mm (mez duktility). Rozdíl mezi těmito dvěma charakteristickými pevnostmi v tahu je vysvětlen na obrázcích a poměrně složitými výpočty, vyjadřujícími chování sledovaného vláknobetonu. Článek je určen k odborné diskuzi o certifikátech vydávaných výrobnou betonu. Poměrně složitými výpočtovými vztahy je zdůvodněno rozšíření nezbytných tahových charakteristik drátkobetonu. Tyto zkoušky si nechá provést výrobce betonu u příslušného zkušebního ústavu.
Lze konstatovat, že hodnocený článek přispěje k využívání tohoto nového, progresivního betonu ve stavební praxi.
In this paper is pointed out the need to extend the tests of SFRC (Steel Fibre Reinforced Concrete) about tensile strengths. Diagram of resistance, which is shown in this paper is the starting material for determining the tensile strength of steel fibre reinforced concrete. The following are the formulas for calculating the stress by which a manufacturer may expose proof about the strength class at the creation of macro-crack and at agreed deflection δt,1 = 3,5 mm.