Zkušenosti z výroby spřažené dřevo-UHPC konstrukce
Článek prezentuje výsledky experimentálního vývoje inovativního mostního systému, který je tvořen trámy z lepeného lamelového dřeva spřaženými s mostovkou z prefabrikovaných panelů z UHPC. V článku je představen navržený mostní systém a realizovaný experimentální program, který zahrnoval mimo jiné ověření ohybové pevnosti tenkých desek z UHPC a také výrobu prototypu zkušební dřevobetonové konstrukce v měřítku 1:1 s následným provedením zatěžovací zkoušky celé konstrukce a následně i vlastních panelů mostovky z UHPC. Článek je zaměřen především na problematiku návrhu, výroby a zkoušení mostovky z UHPC.
1. Popis spřažené dřevo-UHPC konstrukce
Obr. 1 Vzorový příčný řez experimentální konstrukcí
Návrh mostního systému vycházel z předpokladu, že most bude sloužit jako lávka pro chodce pro zatížení chodci a cyklisty a přejezd záchranného či údržbového vozidla do 3,5 t, s volnou šířkou mezi zábradlím 3,00 m. Nosná konstrukce byla navržena jako dva dřevěné trámové nosníky z lepeného lamelového dřeva spřažené s deskou mostovky z UHPC. Celý systém je dobře patrný ze schématu vzorového příčného řezu realizované experimentální konstrukce, které je znázorněno na obr. 1.
Za účelem optimálního využití jednotlivých materiálů bylo zvoleno statické schéma prostý nosník. Mostovka je složena z příčných prefabrikovaných dílců konstantní tloušťky 60 mm typické skladebné délky 1,50 m a šířky 3,30 m. Segmenty mostovky lze univerzálně používat pro různá rozpětí mostu. Průřez dřevěných trámů je naopak uvažován variabilní v závislosti na rozpětí konstrukce. Dimenze jednotlivých trámů se stanoví na základě statického výpočtu pro konkrétní okrajové podmínky. Spřažení (obr. 2) je realizováno pomocí speciálních ocelových desek se smykovými trny, které jsou zabudovány do dřevěného trámu a upevněny dvojicí vrutů. Prefabrikované segmenty mostovky jsou opatřeny otvory pro spřahovací prvky.
Obr. 2 Detail osazení panelu na spřahovací prvky – ocelové desky s navařenými smykovými trny
Skrz otvory pro smykové trny prochází výztuž, která slouží pro manipulaci s dílci. Panely jsou k sobě lepeny materiálem na bázi epoxidu a ve styčné spáře jsou spojeny pomocí čtyř šroubových spojů zajišťujících přitlačení čel pro řádné vytvrzení lepidla a přenos tahových sil ve spáře vznikajících od teplotního zatížení. Všechny otvory se na stavbě po osazení panelů na dřevěné trámy s předem zabudovanými spřahovacími prvky zalijí zálivkou z UHPC.
2. Ohybová pevnost tenkých desek z UHPC
Jako podklad pro návrh mostovky z materiálu UHPC byla experimentálně ověřována ohybová únosnost tenkých desek z UHPC. Pro stanovení ohybové pevnosti UHPC byly provedeny zkoušky ve tříbodovém ohybu na trámcích 100 × 100 × 400 mm a 150 × 150 × 700 mm se zářezem podle ČSN EN 14651+A1 a ve čtyřbodovém ohybu na trámcích 150 × 150 × 700 mm, 100 × 100 × 400 mm podle ČSN P732452 a na trámcích 40 × 40 × 160 mm ve tříbodovém ohybu bez zářezu podle ČSN EN 12390-5, které jsou vzhledem k malému objemu těles s oblibou používány v praxi. V rámci experimentálního programu byla navržena také speciální zkušební tělesa půdorysných rozměrů 2 000 × 250 mm o tloušťkách 40, 50, 60, 70 a 80 mm, která byla testována ve čtyřbodovém ohybu s rozpětím podpor 1 900 mm (obr. 3 vlevo). Neporušené krajní třetiny nosníku byly po zkoušce ve čtyřbodovém ohybu dále použity na zkoušku ve tříbodovém ohybu s rozpětím 600 mm (obr. 3 vpravo). Polovina zkušebních těles byla zkoušena v poloze stejné jako při betonáži a druhá polovina horním povrchem dolů. Cílem zkoušek speciálních těles bylo vyhodnotit ohybové pevnosti pro konkrétní okrajové podmínky.
Obr. 3 Experimenty prováděné v Kloknerově ústavu – desková tělesa při zkoušce ve čtyřbodovém ohybu s rozpětím 1900 mm (vlevo) a ve tříbodovém ohybu s rozpětím 600 mm (vpravo)
Výsledky vyhodnocení ohybových zkoušek podle různých platných norem (tab. 1) potvrdily, že ohybová pevnost (pevnost v tahu za ohybu) UHPC se významně liší v závislosti na velikosti zkušebního tělesa a typu zkoušky. Trámce 40 × 40 × 160 mm vykazovaly cca 2,4× větší ohybovou pevnost než trámce 150 × 150 × 700 mm. Trámce 100 × 100 × 400 mm vykazovaly cca 1,4× větší ohybovou pevnost než trámce 150 × 150 × 700 mm. Tento výsledek potvrzuje skutečnost, že vliv size efektu a zejména stěnového efektu (usměrnění drátků o stěny formy) na mechanické vlastnosti je u malých těles naprosto zásadní. Rozdíly mezi tří- a čtyřbodovým ohybem u normových těles stejné velikosti byly zaznamenány okolo 8–9 % a jsou dány zejména skutečností, že v případě tříbodového ohybu je místo porušení pevně definováno, zatímco u čtyřbodového ohybu dochází k porušení v nejslabším místě ve vnitřní třetině rozpětí nosníku.
| Test č. | Typ zkoušky | Vyhodnocená průměrná ohybová pevnost [MPa] | Porovnání s testem č. 1 |
|---|---|---|---|
| 1 | 4-bod, 150 × 150 × 700 mm | 12,5 | 100 % |
| 2 | 3-bod, 150 × 150 × 700 mm se zářezem | 13,5 | 108 % |
| 3 | 4-bod, 100 × 100 × 400 mm | 17,5 | 140 % |
| 4 | 3-bod, 100 × 100 × 400 mm se zářezem | 19,1 | 153 % |
| 5 | 3-bod, 40 × 40 × 160 mm bez zářezu | 29,9 | 239 % |
| 6 | 4-bod, tl. 40–80 mm, rozpětí 1900 mm, normálně | 16,3 | 130 % |
| 7 | 3-bod, tl. 40–80 mm, rozpětí 600 mm, normálně | 20,4 | 164 % |
| 8 | 3-bod, tl. 40–80 mm, rozpětí 600 mm, obráceně | 17,0 | 136 % |
Při porovnání výsledků deskových těles (obr. 4) bylo možno pozorovat určitý trend rostoucí duktility a ohybové pevnosti se snižující se tloušťkou desky. Desky tl. 40 mm vykazovaly cca o 15 % vyšší ohybovou pevnost oproti deskám tl. 80 mm. Vyhodnocená ohybová pevnost ze zkoušek v tříbodovém ohybu u deskových těles byla o cca 25 % vyšší oproti čtyřbodovému ohybu. Rozdíly mezi oběma testy u deskových těles byly cca 2,5násobně vyšší oproti rozdílům zjištěným u normových těles (rozdíly 8–9 %), což je dáno výrazně vyšším rozpětím u deskových těles. Porušení v případě čtyřbodového ohybu může nastat v kterémkoliv místě na úseku cca 650 mm u deskových těles a na úseku cca 200 mm u trámců 700 × 150 × 150 mm. Ohybová pevnost u deskových těles betonovaných ve vodorovné poloze byla cca o 20 % nižší při zatěžování v obrácené pozici. Tento rozdíl byl dán zejména nerovnoměrným rozdělením drátků po výšce průřezu vlivem gravitace.
Obr. 4 Porovnání ohybové pevnosti vyhodnocené z testů na deskových pruzích
3. Výroba zkušební konstrukce
Pro verifikaci výrobních detailů a postupů navrženého systému spřažených dřevo-UHPC mostních konstrukcí se podařilo realizovat experimentální konstrukci v měřítku 1:1. Výroba zkušební konstrukce probíhala ve firmě KŠ-Prefa s.r.o. ve Štětí. Experimentální konstrukce byla realizována šířky 3,30 m a délky 10,24 m. Staticky se jednalo o prostě uloženou spřaženou dřevo-betonovou mostní konstrukci o jednom poli s teoretickým rozpětím 9,50 m.
Nosnou konstrukci tvořily 2 dřevěné nosníky obdélníkového průřezu výšky 450 mm a šířky 300 mm z lepeného lamelového dřeva třídy GL24h umístěné v osové vzdálenosti 1900 mm a spřažené s deskou mostovky tloušťky 60 mm z ultra-vysokohodnotného betonu UHPC 110/130 vyztuženého drátky v objemu 1,5 % a KARI sítí.
Obr. 5 Vlevo zkušební uložení panelů na trámy před instalací spřahovacích prvků, vpravo osazené spřahovací prvky do kapes na trámech v areálu firmy KŠ-Prefa s.r.o. ve Štětí
3.1 Zatěžovací zkouška zkušební konstrukce
Pro ověření únosnosti a chování konstrukce při zatížení byla realizována zatěžovací zkouška experimentální konstrukce. Zatěžovací zkouška byla provedena čtyřbodovým ohybem s teoretickým rozpětím 9,5 m do porušení, síly byly vnášeny ve vzdálenosti 4 m od podpor. Zatěžovací zkouška prokázala, že navržená konstrukce je bezpečná a její chování odpovídá předpokladům uvažovaným při návrhu. Konstrukce se i při návrhové kombinaci zatížení v MSÚ chovala stále elasticky. Skutečná únosnost konstrukce byla cca 5× vyšší než návrhové zatížení. Porušení nastalo tahovým porušením dřevěného trámu.
Obr. 6 Schéma zatěžovací zkoušky do porušení
3.2 Zatěžovací zkouška panelů mostovky
Po celkové zatěžovací zkoušce byly z konstrukce vyřezány tři segmenty šířky 1 m a byla na nich provedena zatěžovací zkouška mostovky v příčném směru. Segmenty byly postupně zatěžovány pomocí pytlů s pískem. Byly testovány různé zatěžovací stavy – charakteristické zatížení chodci, zatížení na konzole a v poli pro dosažení únosnosti. Během zkoušky byl zaznamenáván vývoj průhybů a zatížení pole a obou konzol v závislosti na čase. Výstupy měření byly porovnávány s teoretickým odhadem průhybů na základě lineárního výpočtu. Zatěžovací zkouška prokázala, že mostovka se chová v mezním stavu použitelnosti pružně, vývoj průhybů v lineární oblasti v zásadě odpovídal předpokládaným průhybům stanoveným na prutovém výpočetním modelu. Únosnost panelů mostovky výrazně překračovala návrhové zatížení, ani při aplikaci 3 silničních panelů a cca 2,5 t pytlů s pískem se ji nepodařilo dosáhnout.
Obr. 7 Vlevo simulace charakteristické hodnoty zatížení chodci – 5 kN/m2 pomocí pytlů s pískem, vpravo snaha o dosažení únosnosti mostovky – zatížení odpovídá cca 23 kN/m2
4. Závěr
V rámci vývoje mostního systému využívajícího spřažení dřeva a prefabrikátů z UHPC se za podpory grantu TAČR podařilo provést množství experimentů, které byly přínosné nejen z hlediska navrhování dřevo-UHPC spřažených konstrukcí, ale také z hlediska konstrukcí z UHPC obecně. Porovnání různých typů ohybových zkoušek zaměřených na stanovení ohybové pevnosti UHPC vyztuženého drátky pomohlo kvantifikovat rozdíly vyhodnocené ohybové pevnosti mezi různými typy zkoušek. V praxi běžně využívaná tělesa o rozměrech 40×40×160 mm cca dvojnásobně nadhodnocují pevnost v tahu za ohybu oproti doporučeným referenčním zkouškám ve tříbodovém ohybu na trámcích podle směrnice Technických pravidel ČBS [5]!
V rámci experimentálního programu byla dále realizována také experimentální konstrukce v měřítku 1:1, na které byly verifikovány výrobní detaily a postupy. Provedené experimenty prokázaly, že navržená konstrukce je realizovatelná a z hlediska výrobních nákladů konkurenceschopná k běžně používaným typům konstrukcí lávek pro pěší. Zatěžovací zkoušky ukázaly, že navržená konstrukce je bezpečná a její chování odpovídá výpočtovým předpokladům.
Článek byl napsán s podporou programu NAKI II ministerstva kultury České Republiky, č. projektu DG20P02OVV005.
Literatura
- Holý, M., Čítek, D., Tej, P., Vráblík, L.; Ohybová pevnost tenkých desek z UHPFRC, 25. Betonářské dny (2018), 2018, ISBN 978-80-906759-6-4.
- Holý, M., Čítek, D., Tej, P., Vráblík, L.; Material Properties of Thin UHPC Slabs Used for Timber-Concrete Composite Bridge, The 10th International Conference on Short and Medium Span Bridges (SMSB 2018), Quebec Canada, 2018.
- Holý, M., Čítek, D., Tej, P., Vráblík, L.; Experimentální stanovení ohybové pevnosti desek z UHPFRC, BETON TKS. 2019.
- Holý, M.; Optimization of Timber-UHPC Composite Bridges. Disertační práce, ČVUT v Praze, 2020.
- Coufal, R.; M. Kalný; J. Kolísko; Vítek J. L.; Technická pravidla ČBS 07 – Ultravysokohodnotný beton – UHPC. ČBS, 2022.
- Holý, M., Čítek, D., Tej, P., Vráblík, L.; The Experimental Timber–UHPC Composite Bridge, SUSTAINABILITY. 2021, 13(9), ISSN 2071-1050.
- Holý, M.; Vráblík, L.; Kolísko, J.; Lávka spřažená z dřevěných nosníků s prefabrikovanou mostovkou z desek z UHPC, MOSTY 2022 27. MEZINÁRODNÍ SYMPOZIUM sborník příspěvků. Ostrava: SEKURKON s.r.o., 2022.
- Holý, M.; Čítek, D.; Tej, P.; Kolísko, J.; Marek, J.; Vráblík, L.; Výroba zkušební kompozitní mostní konstrukce ze dreva a UHPC; Sborník ke konferenci 27. BETONÁŘSKÉ DNY. Praha 1: Česká betonářská společnost ČSSI, 2020.
The paper presents the results of the experimental development of an innovative bridge system consisting of glulam beams coupled with a bridge deck made of prefabricated UHPC panels. The paper presents the proposed bridge system and the experimental programme carried out, which included, among other things, the verification of the flexural strength of the thin UHPC panels and the production of a 1:1 scale prototype of the test timber-concrete structure, followed by a load test of the whole structure and subsequently of the UHPC bridge deck panels themselves. The paper is mainly focused on the design, fabrication and testing of the UHPC bridge deck.