Vliv tažnosti betonářské oceli na únosnost trámových prvků
Příspěvek uvádí řadu výsledků zkoušek ohybem, které byly prokázány na trámcích z vláknobetonu vyztužených dvěma typy betonářské výztuže. Uspořádání zatížení na trámcích bylo cíleno na únosnost trámků ohybovou a smykovou. Prezentované záznamy zkoušek ohybem zřetelně ukazují na rozdílnost chování a únosnosti vláknobetonových trámků při užití betonářské výztuže různé duktility. Ze záznamu zkoušek je též vidět rozdíl při užití různých typů vláken ve vláknobetonovém kompozitu. Výsledky zkoušek ohybem jsou doplněny výsledky testů základních charakteristik užitých vláknobetonů a betonářských ocelí. Rozbor výsledků zkoušek, který je hlavní náplní příspěvku, je zaměřen především na vliv vyztužení užitou betonářskou ocelí ve vláknobetonovém kompozitu, v tomto případě při dominantním ohybovém a smykovém namáhání testovaných trámců.
1. Úvod
Využití vláknobetonu při návrhu nosných vláknobetonových konstrukcí nutně vyžaduje zabývat se nejprve výzkumem interakce vláknobetonových kompozit s betonářskými výztužemi a jejich vlivem na chování a spolehlivost hotových konstrukcí. Klasické železobetonové konstrukce s aplikací vláknobetonu jsou cestou k rozšíření smysluplnému využívání vláknobetonu s efekty úspor při výstavbě konstrukcí i ke zvětšení odolnosti konstrukcí vůči mechanickému namáhání i prostředí, ve kterém se konstrukce budou nacházet.
Uvedený příspěvek ukazuje výsledky experimentálních zkoušek trámových prvků z vláknobetonu, vyztužených klasickou betonářskou výztuží při užití vláknobetonů s vybranými typy vláken a betonářskou výztuží s malou a velkou tažností.
V první části příspěvku jsou typy uskutečněných zkoušek současně s vlastnostmi užitých vláknobetonů a užitých betonářských výztuží.
Betonářská ocel s vysokou tažností, která byla pro projekt užitá, byla získaná od firmy Epstal. Tato firma jako jediná v té době poskytla pro řešitele projektu ocel B500SP s charakteristickým poměrným přetvořením až 80 promile při charakteristické pevnosti oceli vyšší než 600 MPa.
Ve druhé části příspěvku jsou prezentovány zkoušky trámců o velikosti 100/150/1800 mm a získané výsledky. Uspořádání zatížení trámců bylo cíleno k prokázání jejich ohybové a smykové únosnosti, tj. do míst kde interakce vláknobetonu s betonářskou výztuží se může nejvíce projevit na únosnosti trámků a jejich chování při postupném zatěžování. Uvedené výsledky zkoušek, jsou z důvodu rozsahu příspěvku pouze výběrem ze široké databáze výsledků, mají vypovídající hodnoty z hlediska únosnosti a chování trámců podle užitých typů vláknobetonů a betonářské výztuže.
Ve třetí části příspěvku, tj. v diskusi k výsledkům, se autoři zabývají zhodnocením výsledků zkoušek a vyvozením závěrů, které by měly být respektovány, bude-li aplikován drátkobeton současně s klasickou betonářskou výztuží do nosných vláknobetonových konstrukcí.
2. Zkoušky a základní charakteristiky užitých materiálů:
2.1. Betonářská výztuž
Evropská norma definuje pro betonářské oceli tři třídy duktility (tažnosti) A, B a C. Pro zkoušky byly vybrány betonářské oceli A a C, aby se na výsledcích zkoušek trámců s vláknobetony co nejvíce projevil vliv právě zmíněné duktility.
Obr. 1: Tahová zkouška betonářské výztuže
Obr. 2: Přetržená betonářská výztuž
Obr. 3: Záznamy ze zkoušek tahem vždy pro tři vzorky užitých betonářských ocelí B500A a B500C (B500SP)
2.2. Vláknobeton (FRC)
Všechny užité vláknobetony pro zkoušky se lišily pouze typem užitých vláken, případně hmotnostními koncentracemi jejich dávkování.
Obr. 4–6: Výroba čerstvého vláknobetonu
Obr. 7: Doporučené uspořádání zkoušky trámku rozměrů 150/150/700 mm ohybem při zatěžování dvěma břemeny uprostřed ve třetinách rozpětí (čtyřbodové zatěžování)
Obr. 8: Diagram odolnosti (FR-δt) ze zkoušek trámků ohybem a vyhodnocení průměrných a charakteristických hodnot odolnosti trámků FR při deformaci δti
| – | RC – 2Ø10 | SFRC – 2Ø10 + steel fibers D30 | ||
|---|---|---|---|---|
| Typ ocelových vláken | – | D 80/30 | ||
| Objemové procento vyztužení vlákny | ρv,f [%] | – | 0,5 | |
| Charakteristické pevnosti RC a SFRC v osovém tlaku a tahu [MPa] | Třída tlakové pevnosti RC a SFRC | Beton třídy | C 55/67 | – |
| Pevnostní třída vláknobetonu | – | FC 67/75 | ||
| Tah za ohybu | fck,t | 3,0 | – | |
| ffck,t | – | 3,8 | ||
| Poměr [%] | ffc,kc / fc,k | 100 | 122 | |
| ffc,kt / fck,t | 100 | 127 | ||
3. Výroba, zkoušky a výsledky zkoušených trámců
3.1. Výroba
Několik následujících obrázků ukazuje, jak proběhla výroba zkušebních trámců v laboratorních podmínkách Experimentálního centra ČVUT v Praze, Fakulty stavební. V laboratorní míchačce s nuceným mícháním s ručním dávkováním vláken se uskutečnila výroba čerstvého vláknobetonu. Po vložení betonářské výztuže 2× profil 10 mm do dřevěné formy trámce byly trámce separátně betonovány, neboť kapacita míchačky, ani rozměry vibračních ploch neumožnily soustředit betonáž trámců.
Obr. 9–11: Výroba zkušebních těles – vyztužených trámců rozměrů 100/150/1800 mm3.2. Zkoušky
Uspořádání zatížení trámců bylo cíleno na jejich ohybovou a smykovou únosnost, jak plyne z dále uvedených obrázků.
3.3. Výsledky plynoucí ze zkoušek trámců
Pro oba případy zkoušek, tj. zkoušek zaměřených na ohybovou a smykovou únosnost trámců prezentují výsledky záznamů síla/průhyb (F/δ) uvedené v grafech. Grafy jsou doplněny celkovými pohledy na trámce před zahájením zkoušky a detaily v místech posouzení trámců. Protože uvedené výsledky jsou opět pouze výběrem z databáze všech získaných výsledků zkoušek, je přesto zřejmé, který z materiálů (vláknobeton, nebo betonářská výztuž) rozhodují o porušení při daném, namáhání. Rovněž tak z grafu je zřejmé chování trámců až do porušení (záznam duktility) a možnost odečtu maximálního zatížení v závislosti na dosaženém průhybu, kterých bylo při zkouškách dosaženo.
Obr. 12: Uspořádání zatížení pro případ porušení ohybem
Obr. 13: Zkouška ohybem trámku při čtyřbodovém uspořádání zátížení
Obr. 14: Zkoušky trámků z vláknobetonu vyztužených 2Ø12 z oceli B500A (označení – modrá AB) a B500C (označení červená CB)
Obr. 15b: Nahoře – porušení trámku (AB), dole – porušení trámku (CB)
Obr. 16: Uspořádání zatížení (4bodové uspořádání) pro posouzení smyku
Obr. 17: Foto uspořádání zatížení (4bodové uspořádání) pro posouzení smyku
Obr. 18: Porovnání železobetonového trámku s ocelí třídy A s vláknobetonovým trámkem s výztuží stejné třídy ductility A
Obr. 19–20: Porušení železobetonových trámků bez ocelových vláken: vzorek 6 – smykem za ohybu (CP drcení tlačeného betonu), vzorek 1 – smykem (CP – porušení betonu šikmou smykovou trhlinou po ztrátě soudržnosti podélné výztuže s betonem – ztráta zakotvení výztuže), vzorek 7 – smykem (AP – porušení pouze smykovou trhlinou)
4. Diskuse k výsledkům zkoušek
Uvedené výsledky zkoušek mohou sloužit pro tvorbu zásad navrhování vláknobetonových konstrukcí vyztužených betonářskou výztuží. Jako vstupní hodnoty pro navrhování jsou nutné charakteristické hodnoty vstupujících konstrukčních materiálů, v tomto případě vláknobetonu a betonářské výztuže. Z uvedených obrázků porušení trámců v ohybu i smyku je vidět, který z konstrukčních materiálů se podílí více na destrukci zkoušených trámců. Rovněž je vidět i vliv užitého vláknobetonu na celkové chování trámců i jejich únosnosti.
Zcela jednoznačně výsledky zkoušek prokázaly, že při namáhání trámců ohybovým momentem se trámce neporuší náhle ani při výrazné deformaci nosného prvku užije-li se betonářská výztuž s vysokou tažností (např. firmy Epstal) a současně vláknobeton, který před porušením v tlaku je schopen přijmout větší deformace.
Z výsledků zkoušek je možné rozpoznat i rozdíl velikosti vlivu vláknobetonu na ohybovou i smykovou únosnost. Vliv na ohybovou únosnost, byť není velký, je stále větší, než na smykovou únosnost.
V každém případě, pokud se použije místo obyčejného betonu vláknobeton (zvláště s ocelovými vlákny vhodných tvarů, pevností a délek ve vztahu ke struktuře kameniva) lze zabránit destrukci nosné prutové konstrukce i při jiném namáhání a zatížení např. při mimostředném tlaku, a nebo interakci posouvající síly s ohybovým momentem v rozhodujícím průřezu vláknobetonové konstrukce.
5. Závěr
Uvedené experimentální zkoušky a výsledky, které stručně shrnují výsledky dvou rozsáhlých grantových projektů v trvání šesti let je třeba považovat jako vklad do poznání vlivu vláknobetonu na spolehlivost vláknobetonových konstrukcí vyztužených betonářskou výztuží.
Využití vláknobetonu ve formě s vyztužením betonářskou výztuží, eventuálně s výztuží předpjatou, je v současné době nastoupená cesta pro budoucnost. Příprava a tvorba norem, kterými bude upřesněn nejen návrh vláknobetonových konstrukcí, ale i jejich výroba, je stále v počátcích. Výsledky zkoušek, které příspěvek obsahuje ukazují jak mohou vláknobetony přispět ke spolehlivosti konstrukcí, jsou-li konstrukční materiály vhodně vybrány.
Poděkování
Uvedený příspěvek byl zpracován za finanční podpory Technologické agentury České republiky (TAČR) TE1020168 a SGS15/036/OHK1/1T/11.
Literatura
- [1] Jiří Krátký, Jan Vodička, Jitka Vašková, Hana Hanzlová: Chování vláknobetonových trámů vyztužených pruty z oceli různé duktility; ČVUT v Praze, Stavební fakulta, Katedra betonových a zděných konstrukcí; vypracování CPJS – Centrum Podpory Kvality Oceli.
Článek shrnuje výsledky dlouhodobého a zřejmě rozsáhlého výzkumu v oblasti možnosti využití vláknobetonů. Provedené experimenty a jejich výsledky tvoří velmi cenný podklad jak pro budoucí navrhování vláknobetonových konstrukcí, tak pro posuzování vlivu přítomnosti vláken v betonu na jeho vlastnosti. Právě tato problematika je v současné době velmi žádaná a řešená nejen u nás, ale prakticky v celém světě. Z tohoto pohledu je třeba příspěvek hodnotit velmi pozitivně a ocenit rozsah prací, které pracoviště autorů provedlo, stejně tak rozsah a úroveň výsledků.
The paper presents the results of large series of bending tests which were demonstrated on beams of size 150/150/1800 mm (theoretical span of 1500 mm) made from fibre reinforced concrete (FRC) reinforced with two types of reinforcement B500A and B500C (companies EPSTAL). The arrangement of the load on beams was targeted on bending resistance (1st stage) and shear resistance (2nd stage).
Presented records from bending tests (F/δ – so called diagrams of resistance) quite distinctly show the diversity of behaviour and resistances of FRC beams with use of various reinforcement with different ductility. The records of the tests show a distinct difference in the use of different types of fibres in FRC composites. The results of the tests are complemented by results of the other tests which were done to obtain the basic characteristics of the used FRC and concrete reinforcements.
Analysis of the test results, which is the primary concern of this paper, is mainly focused on the influence of applied steel reinforcement in the FRC composite, in this case with the dominant bending and shear loading.