Experiment pro sledování charakteristik vláknobetonu v režimu čistého smyku

1 Úvod

Moderní beton už není jen kompozitním materiálem skládajícím se ze tří složek: vody, cementu a plniva. Ve snaze zlepšit některé mechanické vlastnosti betonu, bylo experimentální cestou zkoušeno přidávat do betonu různé látky, přísady, příměsi, nebo rozptýlenou výztuž. Právě rozptýlená výztuž s dostatečně velkým modulem pružnosti může přispět ke zlepšení některých mechanických vlastností betonu. Nejpříznivěji se rozptýlená výztuž podepisuje na houževnatosti betonu, kdy přidání ocelových drátků (vláken) zvyšuje lomovou energii – charakteristiku, která snižuje křehkost porušení a zvyšuje duktilitu. Zkouškami ohybem (jak při čtyřbodovém, tak tříbodovém uspořádání) byl tento fakt mnohokrát ověřen. Nutno podotknout, že ohybovými zkouškami byl beton porušen rozštípnutím – mód I.

Reálné aplikace vláknobetonu jsou však nejčastěji uzpůsobeny tak, že ohybové účinky jsou zachyceny výztuží nebo předpětím a rozptýlená výztuž by měla přenášet smykové účinky. A právě žádný uskutečněný experiment zatím neověřoval chování vláknobetonu v čistě smykovém namáhání (z hlediska lomové mechaniky se jedná o módy II. a III.) bez doprovodných ohybových vlivů. Realizace těchto specifických účinků na nosníku, který je zatížený příčným svislým zatížením, není možná. Bylo tedy nutné vymyslet experiment netradičního uspořádání. Jako vhodné řešení se ukázalo navržení velkorozměrných trub a v nich vyvodit prosté kroucení.

Navržené vláknobetonové trubky jsou po délce konstantní tloušťky – smyková napětí jsou pak v jednotlivých řezech stejná. Byla snaha trubky navrhnout jako tenkostěnné při velkém poloměru trubek, aby smyková napětí na vnitřním a vnějším líci stěny trubek si byla podobná. Pro tento požadavek byla ovšem velmi omezující technologická proveditelnost. Tloušťka stěny betonové trubky musí mít nějakou minimální hodnotu zohledňující velikost použitých ocelových drátků (vláken). Větší drátky vyžadují tlustší stěnu – ideálně min 1,5násobek délky drátku, aby drátky v betonu nebyly usměrněny. Návrh tlustší stěny při požadavku na tenkostěnnost by ovšem vyústil na trubky velkých poloměrů – technologicky jen obtížně proveditelné. Tyto protichůdné požadavky vedly na kompromisní řešení uvedené v dalších odstavcích.

2 Popis zkušebního prvku

Vláknobetonový zkušební prvek se skládá ze střední části (trubky) a koncových oblastí (konzoly kolmé na osu trubky). Konzoly umožní zkušební prvek vhodně podepřít a zároveň vnést do trubky torzní účinky. Zkouška bude probíhat ve vodorovné poloze (viz obr. 1 a 2). Na volném konci jedné konzoly bude působit hydraulický lis, přičemž osa trubky a druhá konzola budou prostorově fixovány. Na každou konzolu bude tak působit dvojice sil vyvozující krouticí účinky na trubku. Celkem tedy budou na zkušební prvek působit 4 síly, přičemž jedna síla je akce z hydraulického lisu a zbylé tři jsou reakce. Bylo nutné celou trubku staticky určitě podepřít. Na obrázku 1 je nakreslené schéma zkušebního prvku včetně reakcí ze staticky určitého podepření. Nenulové reakce by měly být pouze všechny tři svislé reakce Rz. Celkem je odebíráno 6 stupňů volnosti a zároveň je zaručeno, aby se nejednalo o výjimkový případ.

Obr. 1 Zkušební prvek a odebrané stupně volnosti

Obr. 2 Prostorová vizualizace zkušebního prvku včetně podepření

Podpora A představuje kloub posuvný ve směru osy y. Podpora B je elastomerové ložisko umožňující posun ve směru osy x. Podpora C je realizována táhlem přenášejícím pouze svislou tahovou složku.

3 Výroba

Vzhledem ke složitosti tvaru zkušebního prvku a množství výztuže uvnitř okrajových konzol bude betonáž probíhat ve svislé poloze, ve dvou fázích (viz obr. 3).

Obr. 3 Fáze betonování a pohled na vybetonované těleso

Nejprve bude betonována spodní konzola, a to otvorem v bednění k tomuto účelu zřízeným. Poté bude otvor uzavřen a beton se bude hnát horní konzolou do trubky. Vnější bednění trubky bude papírové, vnitřní bednění bude tvořeno polystyrenovým válcem (viz obr. 4).

Obr. 4 Řezy zkušebním prvkem

Obr. 5 Prostorové rozmístění vázané výztuže zkušebního prvku

Při celém procesu betonáže bude muset být kladen zvláštní důraz na technologickou kázeň a mimořádnou kvalitu provedení. Především bude nutné přesně fixovat (pomocí průchozí tyče) polystyrenový válec tvořící bednění vnitřního líce trubky, ale i přesně osadit vyvázané armokoše, které budou přenášet zatížení z konzol do mezikruží (viz obr. 5).

Vázaná výztuž bude v modelu zajišťovat přenos zatížení z konzol do mezikruží.

Po vytvrdnutí betonu bude polystyren vyjmut. Do vzniklého otvoru bude během zkoušení umístěna podpora A. Pro manipulaci a transport bude zkušební prvek osazen transportními úchyty.

Obr. 6 Vizualizace podpor (podpory A, B a C)

Součástí přípravy experimentu je i svaření a montáž podpůrné ocelové konstrukce, která bude během zkoušení podporovat betonový prvek. Jednotlivé podpory jsou zobrazeny na obrázku 6. Podpora A bude působit jako kloub – umožňující mírný posun ve směru y díky volnému prostoru mezi otvorem v trubce a touto podporou. Jako podpora B bude sloužit elastomerové ložisko s usměrněným pohybem. Podpora C bude realizována táhlem kotveným k ocelovému svařenci. Jelikož táhlo podpory C má přenášet pouze osovou sílu, je nutné – aby otvor v betonové konzole byl větší než profil táhla. Ocelový svařenec je dále nutné kotvit k podlaze.

4 Průběh zkoušky a výstupy

Zatížení bude realizováno hydraulickým lisem a bude přenášeno do betonové trubky přes vyčnívající konzolové rameno. Díky vhodně uspořádanému podepření vznikne na každé straně trubky dvojice sil vyvozující v trubce krouticí moment. Aby nedošlo k porušení betonu na hranici mezi trubkou a okrajovou konzolou, bude tento přechod vyztužen výztuží (viz obr. 5). Tato výztuž bude v trubce ukončena ve dvou příčných řezech, aby změna tuhosti nebyla skoková a náchylná k porušení.

Zatěžování bude probíhat řízenou deformací. Cílem bude naměřit závislost mezi působícím krouticím momentem a poměrným zkroucením trubky a to včetně sestupné (post-peakové) křivky pracovního diagramu. Během provádění experimentu bude nutné monitorovat deformace povrchu trubky. Povrch trubky bude v pravidelných roztečích osazen tenzometry. Měření bude probíhat řízeně počítačem a bude nutné zaznamenávat ve stejném čase sílu z hydraulického lisu a k ní příslušné posuny povrchu trubky. Z naměřených dat bude vypočítán vztah mezi působícím krouticím momentem a poměrným zkroucením trubky. Výstupem celého experimentu bude závislost mezi smykovým napětím a smykovou deformací materiálu vláknobetonu.

5 Závěr

Je navrženo uspořádání experimentu, umožňující sledování mechanických vlastností vláknobetonu v režimu čistého smyku. V praktických realizacích se vláknobeton přitom často navrhuje za účelem přenesení smykových účinků. Uskutečnění experimentů tohoto typu je nezbytné pro obecnější porozumění chování vláknobetonu.

6 Poděkování

Uvedený projekt byl vypracován v rámci řešení projektu Centra kompetence CESTI podporovaného TAČR (č. projektu TE01020168) a SGS15/036/OHK1/1T/11.