Reklama

Materiálové charakteristiky GFRP výztuže při extrémních teplotách

21.9.2026

Ing. Jakub Ježek, doc. Ing. František Girgle, Ph.D., Ing. David Vašátko, Ing. Dorde Čairovic, Ph.D., Ing. Martin Zlámal, Ph.D., prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc., dr. h. c.

Recenzovaný

Přehrát audio verzi

Materiálové charakteristiky GFRP výztuže při extrémních teplotách

00:00

0.25x
0.5x
0.75x
1x
1.25x
1.5x
2x

Foto: Pexels

Příspěvek se zabývá chováním GFRP (glass fiber reinforced polymer) výztuže při extrémních teplotách. Nová generace norem FprEN 1992-1-1 umožňuje návrh FRP výztuže do vybraných nosných konstrukcí, avšak norma pro návrh betonových konstrukcí na účinky požáru FprEN 1992-1-2 s FRP výztuží nepracuje. Z tohoto důvodu byla sestavena databáze experimentálních výsledků a odvozeny křivky redukce tahové pevnosti a modulu pružnosti GFRP výztuže v závislosti na teplotě. Výsledky ukazují zásadní rozdíly oproti ocelové výztuži a potvrzují, že pro návrh konstrukcí s GFRP výztuží při požáru tabulkovou metodu použít nelze. Při posuzování betonové konstrukce vyztužené vnitřní FRP výztuží na účinky požáru lze využít zónovou metodu s upravenými materiálovými charakteristikami, s přihlédnutím k zajištění funkčního kotvení výztuže, kde teplota nesmí překročit teplotu skelného přechodu výztuže.

Reklama

1. Úvod

S příchodem nové generace EN norem, jmenovitě FprEN 1992-1-1 [1], bude možné navrhovat vnitřní nekovovou výztuž ve vybraných železobetonových konstrukcích. Norma uvádí standardizovaný postup pro navrhování dvou typů kompozitní výztuže – výztuže ze skleněných vláken (GFRP) a výztuže z uhlíkových vláken (CFRP). Podrobný návrhový postup v souladu s novou normou je popsán v příspěvku Štěpánka a kol. [2], který přehledně sumarizuje problematiku složení FRP výztuže, její materiálové vlastnosti, výhody, nevýhody, možnosti použití a zásady návrhu z hlediska mezního stavu použitelnosti a mezního stavu únosnosti. Na základě dosavadních poznatků nachází FRP výztuž nejširší uplatnění především v konstrukcích vystavených agresivnímu prostředí, jako jsou například nádrže, jímky nebo mostní konstrukce, a to zejména díky jejím nekorozivním vlastnostem. U těchto typů konstrukcí zpravidla není požadováno posouzení na účinky požáru.

S nástupem nové generace Eurokódů bude možné navrhovat FRP výztuž také do jednoduchých konstrukcí pozemních staveb, u nichž je posouzení na požární situaci vyžadováno. Jedná se například o parkovací domy, kde lze rovněž využít výhod FRP výztuže [3]. Z tohoto důvodu je nezbytné zabývat se také chováním konstrukcí s FRP výztuží při požárním zatížení a odpovídajícími zásadami jejich navrhování. Příspěvek proto popisuje základní vlastnosti GFRP výztuže při extrémních teplotách.

2. Normový přístup návrhu FRP výztuže na účinky požáru

Jediná normová zmínka ve středoevropském regionu týkající se návrhu FRP výztuže při zvýšených teplotách je uvedena v příloze R nové generace normy FprEN 1992-1-1 [1]. Norma požaduje, aby byla pro návrhovou životnost konstrukce stanovena maximální i minimální teplota, kterou FRP výztuž nesmí po dobu své životnosti přesáhnout. Stanovení teploty je možné buď na základě nákladných experimentálních zkoušek, nebo použitím konzervativního přístupu. Dostupná odborná literatura doporučuje, aby teplota FRP výztuže nepřekročila hodnotu přibližně o 30 °C nižší, než je teplota skelného přechodu matrice (T_g), která se u FRP výztuží s termosetickou matricí pohybuje okolo 100 °C [4]. Uvedené doporučení významně omezuje možnosti použití FRP výztuže v nosných konstrukcích, u nichž je vyžadováno posouzení na účinky požáru. V literatuře lze však dohledat experimenty, kdy prostě podepřená deska vyztužená GFRP výztuží (s teplotou T_g = 100 °C a krytím 25 mm) byla schopna odolávat účinkům požáru dle standardní požární křivky ISO 834 po dobu delší než 3 hodiny při zatížení na úrovni 60% mezní únosnosti. Teplota v GFRP výztuži přitom přesáhla 500 °C [5], [6]. Tyto experimenty však byly záměrně koncipovány tak, aby požárem nebyla ovlivněna kotevní oblast, což nemusí být u reálné konstrukce obecně platné.

Norma pro navrhování betonových konstrukcí na účinky požáru, FprEN 1992-1-2 [7], problematiku navrhování konstrukcí s FRP výztuží neřeší. Norma obsahuje tabulkovou metodu, která je určena výhradně pro betonové konstrukce s ocelovou výztuží. Pro konstrukce vyztužené FRP výztuží lze jako alternativní přístup využít například zónovou metodu. Její aplikace však vyžaduje úpravu materiálových parametrů ve výpočtových vztazích, které byly odvozeny pro teplotně závislé vlastnosti ocelové výztuže. Norma současně neuvádí žádné materiálové charakteristiky FRP výztuže při zvýšených teplotách. Na rozdíl od oceli, pro kterou stanovuje redukční součinitele pevnosti a modulu pružnosti v závislosti na teplotě [7]. Pro posouzení konstrukcí s FRP výztuží na účinky požáru je proto nezbytné tyto charakteristiky stanovit experimentálně, převzít z technických podkladů výrobce nebo využít hodnot publikovaných v odborné literatuře.

3. Teplotní fáze GFRP výztuže

Na základě dostupných zdrojů a literatury byly definovány čtyři základní teploty, které obecně popisují chování GFRP výztuže s termosetickou matricí za vysokých teplot. Jedná se o: teplotu skelného přechodu pryskyřice T_g, teplotu degradace pryskyřice T_d, teplotu měknutí nosných vláken T_s a teplotu tavení vláken T_m [3], [8].

T_g – teplota skelného přechodu. Kolem teploty skelného přechodu začne polymerní matrice přecházet z tuhé sklovité formy na formu měkkou (z elastické fáze na viskoelastickou). Výztuž díky tomu začne měnit své materiálové vlastnosti – matrice přestane plnit ochranou funkci a dojde ke zhoršení přenosu zatížení mezi jednotlivými svazky vláken, díky tomu poklesne pevnost v tahu a postupně dochází ke ztrátě soudržnosti. Pro běžné termosetické matrice se teplota pohybuje v rozmezí 60–150 °C [3], [8].
T_d – teplota degradace pryskyřice. Při překročení této teploty dochází k degradaci a odhoření pryskyřice a úplné ztrátě její funkce. V průřezu již nedochází k rovnoměrnému rozdělení napětí a pevnost zajišťují pouze nosná vlákna, která mají oproti matrici vyšší teplotní odolnost. Obvykle se pro termosetické matrice tato teplota pohybuje v rozmezí 250–400 °C [3], [8]. Ukázka tahového porušení, kdy začíná degradovat matrice, je znázorněna na obrázku 1. Stav, kdy již pryskyřice zcela odhořela, je zřejmý z obrázku 2.

Obr. 1: Tahové porušení GFRP výztuže při teplotě 249 °C [8]

Obr. 2: Tahové porušení GFRP výztuže při teplotě 501 °C [8]
T_s – teplota měknutí nosných vláken. Nosná vlákna začnou snižovat svoji viskozitu, po překročení této teploty se očekává ztráta jejich nosné funkce a tahové pevnosti. Dojde k prudkému poklesu tahové pevnosti a modulu pružnosti výztuže. Pro GFRP výztuž se jedná o teplotu okolo 700 °C, pro CFRP kompozit je teplota vyšší [8]. Názorná ukázka tahového porušení při dosažení teploty měknutí vláken je na obrázku 3.

Obr. 3: Tahové porušení GFRP výztuže při teplotě 799 °C [8]
T_m – teplota tavení vláken. Dochází k roztavení nosných vláken a úplnému zničení výztuže. Výztuž už by neměla vykazovat žádnou pevnost ani modul pružnosti. Pro GFRP se jedná o teplotu okolo 1200 °C [8].

Z popsaných teplotních fází vyplývá, že chování GFRP výztuže při zvýšených teplotách se významně liší od chování klasické ocelové výztuže, která si přibližně do teploty 300 °C zachovává své počáteční mechanické vlastnosti [7]. Jedna z klíčových teplot pro FRP výztuž je teplota skelného přechodu (T_g), při níž dochází ke ztrátě soudržnosti mezi výztuží a betonem. Z tohoto důvodu vyplývá požadavek, aby teplota FRP výztuže nepřekročila hodnotu (T_g), v případě, kdy tomu tak není, aby byla kotevní oblast výztuže umístěna v tzv. „studených zónách“, kde soudržnost nebude ovlivněna účinky zvýšené teploty [9].

4. Tahová pevnost GFRP výztuže při extrémní teplotě

Pro správnou aplikaci zónové metody podle FprEN 1992-1-2 při posuzování požární odolnosti konstrukcí s GFRP výztuží je nezbytné stanovit závislost redukce tahové pevnosti GFRP výztuže na teplotě [7]. Ve studii Ježek a kol. [10] byla systematicky sestavena robustní databáze dostupných výsledků tahových zkoušek GFRP výztuže při zvýšených teplotách, která byla následně statisticky vyhodnocena. Za účelem zajištění požadované úrovně bezpečnosti byla v souladu s EN 1990 [11] stanovena charakteristická křivka poklesu tahové pevnosti v závislosti na teplotě, definovaná jako 5% kvantil. Tento kvantil byl určen dvěma postupy – metodou kvantilové regrese a metodou rozdělení dat do teplotních intervalů. Stejným způsobem byla odvozena také průměrná křivka. Obě křivky byly následně porovnány s teplotní závislostí pevnosti ocelové výztuže, jak je znázorněno na obrázku 4.

Obr. 4: Redukce tahové pevnosti GFRP výztuže v závislosti na teplotě [10]

Charakteristická funkce redukce tahové pevnosti GFRP výztuže v závislosti na teplotě [10] lze popsat vztahy:

Průměrná funkce redukce tahové pevnosti GFRP výztuže v závislosti na teplotě [10] je pak popsána závislostí:

5. Modul pružnosti GFRP výztuže při extrémní teplotě

Vzhledem k tomu, že FRP výztuž vykazuje pouze lineárně elastickou odezvu bez plastické oblasti pracovního diagramu, je pro výpočet únosnosti konstrukce nezbytné znát také modul pružnosti a mezní přetvoření výztuže. Studie Wang a kol. [12] prokázala, že pracovní diagram GFRP výztuže zůstává lineárně elastický i při zvýšených teplotách. Na základě tohoto poznatku byla opět sestavena databáze všech dostupných výsledků zkoušek modulu pružnosti GFRP výztuže v závislosti na teplotě. Z těchto dat byla následně odvozena průměrná křivka poklesu modulu pružnosti do teploty přibližně 350 °C. Od této teploty je křivka redukce modulu pružnosti rozdělena na dvě. Teplota 350 °C odpovídá přibližnému okamžiku roztavení polymerní matrice, při kterém dochází ke ztrátě její schopnosti zajišťovat přenos napětí mezi jednotlivými vlákny. Rozdělení křivky bylo provedeno tak, aby byl zachován fyzikální a matematický význam. Charakteristická křivka tahové pevnosti totiž dosahuje nulové hodnoty přibližně při teplotě 550 °C. Ve stejném bodě musí k nule konvergovat také odpovídající křivka modulu pružnosti. Obě stanovené křivky jsou vyobrazeny na obrázku 5 a opět porovnány s ocelovou výztuží.

Obr. 5: Procentuální pokles modulu pružnosti GFRP výztuže v závislosti na teplotě [10]

Charakteristická funkce redukce modulu pružnosti GFRP výztuže v závislosti na teplotě:

Průměrná funkce redukce modulu pružnosti GFRP výztuže v závislosti na teplotě

6. Závěr

V rámci příspěvku bylo stručně popsáno chování GFRP výztuže při zvýšených teplotách. Na základě dostupných experimentálních dat byly pro tento typ výztuže odvozeny křivky redukce tahové pevnosti a modulu pružnosti v závislosti na teplotě. Charakteristická křivka redukce tahové pevnosti byla stanovena v souladu s požadavky EN 1990 na požadovanou úroveň spolehlivosti. Navrhované křivky mohou sloužit jako podklad pro navrhování konstrukcí s GFRP výztuží na účinky požáru.

Odvozené křivky byly dále porovnány s teplotně závislými charakteristikami ocelové výztuže. Z porovnání vyplývá, že tahová pevnost GFRP výztuže začíná klesat již od počátku působení zvýšených teplot a charakteristická křivka dosahuje nulové hodnoty přibližně při 550 °C. Ocelová výztuž si při této teplotě zachovává více než 50 % své původní pevnosti. Naproti tomu pokles modulu pružnosti GFRP výztuže vykazuje obdobný trend jako u ocelové výztuže, avšak s dřívějším dosažením nulové hodnoty.

Výsledky potvrzují, že chování GFRP výztuže při požárním zatížení se zásadně liší od chování ocelové výztuže. Pro navrhování betonových konstrukcí s vnitřní GFRP výztuží není možné použít tabulkovou metodu podle EN 1992-1-2 ani přímo převzít materiálové charakteristiky určené pro ocelovou výztuž. Jako vhodný postup lze využít zónovou metodu, avšak s upravenými materiálovými parametry odpovídajícími teplotně závislým vlastnostem GFRP výztuže. Současně je nezbytné zajistit, aby kotevní oblasti výztuže byly umístěny ve studených oblastech konstrukce, kde teplota výztuže během požární situace nepřekročí teplotu skelného přechodu (T_g) a nedojde tak ke ztrátě soudržnosti mezi výztuží a betonem. Při návrhu je dále nutné respektovat požadavky přílohy R normy EN 1992-1-1, zejména správné stanovení materiálových charakteristik, návrhových požadavků a příslušných bezpečnostních součinitelů.

Poděkování

Příspěvek je vypracován za podpory VUT z projektu č. „FAST-S-26-8945 – Pokročilé analýzy stávajících betonových a zděných konstrukcí“ a TA ČR, projekt č. „TH82020005 – Novel bendable thermoplastic rebars for improved durability and sustainability of concrete structures“.

Literatura

EN 1992-1-1 Eurocode 2-Design of concrete structures-Part 1-1: General rules and rules for buildings, bridges and civil engineering structures. Brussel: European committee for standardization, 2023.
P. Štěpánek, F. Girgle, a I. Láníková, „Navrhování betonových konstrukcí s FRP výztuží podle Eurokódů“, TZB-info, bře. 2026, Viděno: 1. červenec 2026. [Online]. Dostupné z:
https://stavba.tzb-info.cz/beton-malty-omitky/29631-navrhovani-betonovych-konstrukci-s-frp-vyztuzi-podle-eurokodu
I. C. Rosa, J. P. Firmo, a J. R. Correia, „Experimental study of the tensile behaviour of GFRP reinforcing bars at elevated temperatures”, Constr. Build. Mater., roč. 324, bře. 2022, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126676.
V. M. Karbhari et al., “Durability Gap Analysis for Fiber-Reinforced Polymer Composites in Civil Infrastructure”,
https://www.researchgate.net/publication/228850764_Durability_Gap_Analysis_for_Fiber-Reinforced_Polymer_Composites_in_Civil_Infrastructure.
E. Nigro, G. Cefarelli, A. Bilotta, G. Manfredi, a E. Cosenza, “Fire resistance of concrete slabs reinforced with FRP bars. Part I: Experimental investigations on the mechanical behavior”, Compos. B Eng., roč. 42, č. 6, s. 1739–1750, zář. 2011, https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2011.02.025.
E. Nigro, A. Bilotta, G. Cefarelli, G. Manfredi, a E. Cosenza, “Bond models for FRP bars anchorage in concrete slabs under fire”, in Applied Mechanics and Materials, 2011, s. 533–538. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.82.533.
EN 1992-1-2 Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-2: General rules - Structural fire design. Brussel: European committee for standardization, 2023.
Jan Prokeš et al., „Závěrečná zpráva z projektu TAČR TH04020431“, 2022.
E. Nigro, G. Cefarelli, A. Bilotta, G. Manfredi, a E. Cosenza, “Guidelines for flexural resistance of FRP reinforced concrete slabs and beams in fire”, Compos. B Eng., roč. 58, s. 103–112, 2014,
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.10.007.
J. Ježek, F. Girgle, D. Vašátko, Đ. Čairović, M. Zlámal, a P. Štěpánek, “Design Characteristics of GFRP Reinforcements at Extreme Temperatures”, in Concrete Structures and Technology (known as Concrete Days), 2025, accepted for publication., 2025.
EN 1990 Eurocode - Basis of structural and geotechnical design. Brussel: European Committee for Standardizaton, 2023.
Y. C. Wang a V. Kodur, “Variation of strength and stiffness of fibre reinforced polymer reinforcing bars with temperature”, Cem. Concr. Compos., roč. 27, č. 9–10, s. 864–874, říj. 2005,
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2005.03.012.

English Synopsis

The article focuses on the behaviour of GFRP (glass fibre reinforced polymer) reinforcement at extreme temperatures. The new generation of standards FprEN 1992-1-1 allows for using FRP reinforcement in certain load-bearing constructions, however, the standard FprEN 1992-1-2 does not include FRP. Therefore, a database of experimental results has been created, from which reduction curves of GFRP’s tensile strength and modulus of elasticity as a function of temperature have been derived. The results differ significantly from steel reinforcement and confirm that the table method is not suitable for designing GFRP-reinforced constructions under fire. To design FRP-reinforced concrete constructions exposed to fire, adjusted zone method can be used, while also considering that the reinforcement’s functional anchoring does not exceed the reinforcement’s glass transition temperature.