Kompozitní materiály na ocelových lávkách a plošinách

1. Úvod

Obor vlákny vyztužených plastů či polymerů skrývajících se pod zkratkou FRP (fiber reinforced polymer) či GFRP (glass fiber reinforced polymer) není zatím legislativně a normativně zpracován tak, aby byly FRP prvky snadno použitelné v konstrukčním stavitelství v rámci soustavy norem EN. Samotný GFRP profil je tvořený rovnými vlákny (roving), výztužnými rohožemi, tkaninami a vlastní polymerní směsí (matrice). Mechanické vlastnosti profilu jsou závislé na kombinacích výše uvedených komponent a jejich přesném umístění v průřezu a jsou závislé i na samotné technologii výroby – pultruzi. Touto technologií kontinuální výroby se dají vytvořit rozmanité profily konstantního průřezu, obdobně jak je tomu s extruzí u hliníkových profilů.

Stejně tak, jako se ocel člení a značí podle hodnoty meze kluzu do pevnostních tříd (S235, S355, S420), tak se FRP profily zatřiďují dle ČSN EN 13 706 [1] do tříd E17 a E23 kde číslo za písmenem E udává efektivní modul pružnosti v ohybu v GPa (v oboru FRP materiálů se obecně rozlišuje modul pružnosti v tahu, tlaku a ohybu – často se však pro praktické výpočty uvažují stejnou hodnotou). V tomto příspěvku jsou prezentovány poznatky z vývoje a zkoušení některých směsí s vyšší hodnotou modulu pružnosti a z vývoje a zkoušení konstrukčních profilů z těchto směsí vyrobených.

2. Polyesterové a vinylesterové matrice

Mechanicko-fyzikální vlastnosti konkrétních směsí jsou ovlivněny i příměsemi přidávanými do matrice z důvodu splnění dalších požadavků na výsledný výrobek. Jsou to např. chování při požáru, odolnosti proti UV záření a odolnosti proti různým chemickým činitelům – do matrice se přidávají retardéry hoření či jiná aditiva a plniva.

V rámci projektu byly vyvinuty směsi se zaměřením na maximální hodnoty mechanických vlastností – modul pružnosti v ohybu a pevnosti v tahu, ohybu a ve smyku.

2.1 Základní deskové profily 100×3 mm, 150×3 mm a 150×3,5 mm

Na těchto profilech, ze kterých se standardně odebírají vzorky pro normové testy, byly vyvinuty základní směsi. Směsi založené na polyesterové matrici a E-skle (sklo s velmi nízkým obsahem alkalických látek) mají modul pružnosti v tahu E_t převyšující 33 GPa, směsi na bázi vinylesterové matrice s E-sklem pak mají E_t 37 GPa.

V případě použití rovingu z H-skla (dutá skelná vlákna, obecně má lepší vlastnosti ve srovnání s E-sklem) se hodnoty modulů pružnosti u směsí zvýšily o zhruba 5 GPa. Je třeba brát na zřetel, že profily byly vyztužené kromě rovingu povrchovými rohožemi. Obsah skla v profilu nepoklesl pod 50 % objemově a 65 % hmotnostně. Maximální hodnoty E = 45,5 GP bylo dosaženo s vinylesterovou matricí s 78 % hmotnostního obsahu skla.

2.2 Profil SQ 60×60×4

Na tomto profilu byly vybrané modifikované směsi ověřeny normovými testy efektivního modulu pružnosti, to znamená tříbodovým ohybem na rozpětí 1200 mm. Obecná sestava testu je uvedena na obrázku. Ostatní mechanické vlastnosti se určují dle norem z výřezů desek výše uvedených.

Na základě výsledků testů více druhů směsí s proměnným množstvím skla a s různými výztužnými rohožemi byly stanoveny moduly pružnosti uvedené v tabulce 2 (v tabulce jsou uvedeny průměrné hodnoty a 5% kvantily ze statistického vyhodnocení zkoušek podle [2]).

3. Mostovky a podlahové prvky

Kompozitní mostovky na ocelových prvcích byly poprvé v ČR použity při vývoji Modulárních lávek ML18 a ML36 v roce 2010. Jednalo se o deskové profily MD40 a HD40 z polyesterové matrice společnosti FIBERLINE. Zkušenosti s jejich desetiletým provozem na těchto provizorních lávkách vedly k myšlence vývoje lehčích a únosnějších deskových profilů na bázi vinylesterové matrice.

Využití takových deskových profilů, obecně značených PLANK, není jen v oboru mostovek lávek či plošin a stupňů na obslužných schodištích a přístupových plošinách, ale také jako podlahové nebo střešní prvky chladírenských věží, či jako podlahoviny obslužných lávkách železničních a technologických mostů.

3.1 Parametrická studie

V roce 2020 byla provedena parametrická studie geometrického tvaru průřezu mostovkového dílce z GFRP materiálu z hlediska jeho průřezových charakteristik a spotřeby materiálu [3]. Základními proměnnými pro parametrizaci byla výška průřezu, osová vzdálenost výztužných žeber a tloušťky jejich stojin a pásnic.

Volba optimální kombinace proměnných parametrů byla provedena podle principu „poměr cena/výkon“, kde „výkon“ je zastoupen průřezovými charakteristikami definujícími ohybovou tuhost a únosnost a únosnost ve smyku a „cena“ je zastoupena průřezovou plochou. Průřezové charakteristiky byly stanoveny na jeden běžný metr šířky.

Jednotlivými volitelnými kritérii mimo jiné byly poměry:

• W / A tj. co nejvyšší modul průřezu vůči co nejmenší průřezové ploše,
• I_y / A tj. co největší moment setrvačnosti vůči co nejmenší průřezové ploše a
• A_v / A tj. co největší smyková plocha vůči co nejmenší celkové průřezové ploše.

Na základě obsáhlé parametrické studie byl určen základní tvar průřezu pro výšky 40 mm a 50 mm a vzdálenosti stěn 50, 75 a 100 mm. Pro pilotní výrobu byla zvolena výška 40 mm, která se dá považovat za standardní výšku tohoto typu mostovek i podlahovin.

3.2 Pultruzní formy

Pro ověření závěrů parametrické studie byly vybrány zkušební profily o třech šířkách, které by byly v případě komerčního využití doplněny o profily se šířkou 500 mm.

Byly vyrobeny pultruzní formy a vyrobeny první varianty PLANK 40-300-100 lišící se rohožemi.

3.3 Výroba PLANK 40-300-100

Na začátku roku 2022 proběhla výroba ve výrobním závodě společnosti GDP KORAL v Tišnově. Bylo vyrobeno více než 100 m v jedné variantě a 30 m ve variantě druhé. Prokázalo se, že i takto složitý tvar průřezu je vyrobitelný ve variantě z vinylesteru a s uvažovaným vyztužením rohožemi.

Na výrobní test navázala sada zatěžovacích testů, z nichž některé stále ještě probíhají. Rozdělit je můžeme na testy mechanických vlastností a testy ostatních vlastností.

3.4 Zatěžovací ohybové a smykové testy

Ohybové i smykové zkoušky byly provedeny ve zkušebně nosných konstrukcí Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně.

3.4.1 Ohybové testy

Ohybové testy byly provedeny čtyřbodovým ohybem na zkušebních tělesech o teoretickém rozpětí 750, 1000, 1250, 1500 a 1750 mm – od každého rozpětí byly vyzkoušeny tři vzorky. Zatěžování bylo prováděno dvojicí břemen ve třetinách rozpětí, podpory i zatěžovací prvky byly kruhového průřezu o poloměru nejméně 50 mm. Zatěžování bylo řízené výsunem pístu elektrohydraulického zatěžovacího válce o rychlosti výsunu 10 mm/min. Během zatěžovací zkoušky byly kontinuálně měřeny průhyby dvou žeber zkoušeného profilu v polovině rozpětí a zatěžovací síla – schéma zatěžovací zkoušky je uvedeno na obr. 8 a obr. 9 vlevo.

U těles o teoretickém rozpětí 1250 mm a víc byl v pokročilé fázi zatěžování okem patrný jev boulení tlačené horní pásnice – v podélném směru je horní pásnice ztužena žebry, v příčném řezu bylo vyboulení tvořeno třemi půlvlnami, v podélném směru počet půlvln závisel na vzdálenosti mezi zatěžovacími prvky – viz obr. 9 vpravo.

Na obr. 10 jsou uvedeny P-Δ diagramy všech zkušebních těles (písmena A a B značí jiné složení GFRP kompozitu, číslice značí teoretické rozpětí). Závislost přetvoření na zatížení je téměř lineární až do konce zkoušky, kdy docházelo k lokálnímu porušení zkušebních těles. Z výsledků zatěžovacích zkoušek byly odvozeny hodnoty modulů pružnosti v ohybu a pevnosti v ohybu a výsledky byly statisticky vyhodnoceny.

3.4.2 Smykové testy

Smykové testy byly provedeny z důvodu ověření odolnosti mostovek proti lokálnímu zatížení silou 10 kN na ploše 100×100 mm podle ČSN EN 1991-2 [4]. Zkušební tělesa byla uložena jako prosté nosníky o teoretickém rozpětí 810 mm, přičemž zatěžovací blok o půdorysném rozměru 100×100 mm byl poblíž jedné podpory (přesně ve vzdálenosti 5 mm nebo 40 mm od hrany podpory). V příčném směru byl zatěžovací blok umístěn ve středu mostovky, tak aby zatěžoval dvě žebra, nebo byl umístěn asymetricky přesně nad jedním žebrem. Zatěžování bylo řízené výsunem pístu elektrohydraulického zatěžovacího válce o rychlosti výsunu 1 mm/min. Schéma zatěžovací zkoušky je uvedeno na obr. 11 a obr. 12 vlevo.

Mechanismus porušení se lišil podle vzdálenosti zatěžovacího bloku od hrany podpory – v případě vzdálenosti 5 mm docházelo k porušení stojiny žebra tlakem, v případě vzdálenosti 40 mm někdy docházelo k porušení stojiny žebra smykem. Typický tvar porušení je uveden na obr. 12 vpravo.

3.5 Tabulky zatížitelnosti

Na základě výše uvedených testů a dalších zkoušek budou pro užití ve stavební praxi připraveny tabulky zatížitelnosti. FRP materiály mají menší modul pružnosti než ocel (5× až 9× nižší) a vykazují tak při obdobných profilech vyšší hodnoty průhybu. Je na uvážení jaké limity MSP pro určitou konstrukci zvolit. Jak je patrné z následující tabulky č. 3, ani průhyby větší než L/100 nejsou pro konstrukci zatíženou ohybem limitující s ohledem na jeho únosnost. První praskliny se v profilu ozývaly při ohybovém testu mezi průhyby L/40 až L/25 v závislosti na rozpětí.

3.6 Protismykové a požární vlastnosti

3.6.1 Testy kvality protismykové úpravy mostovek

Pokud se uvažuje s profily jako s venkovní pochozí plochou, je nutné aplikovat na jejich povrch protismykovou úpravu, která zvýší její adhezi. Byly navrženy a otestovány dvě povrchové protismykové úpravy. Jedná se o vsyp do polyesterové pryskyřice s rozdílnou zrnitostí křemičitého písku. Obě varianty vyhověly požadavkům norem DIN 51130 [5] a ČSN P CENTI/TS 16165 [6] pro nejvyšší kategorii R13, sklon povrchu > 35°. Protismyková úprava může být provedena v barevných variantách.

3.6.2 Reakce na oheň

Reakce na oheň byla testována dle EN ISO 9239-1 [7]. Zkoušení reakce podlahových krytin na oheň bylo provedeno ve zkušebně PAVUS ve Veselí nad Lužnicí. Mostovkový dílec PLANK 40 společně s protismykovou úpravou vyhověl požadavkům normy a byl klasifikován stupněm B_fl- s1, což je kategorie, která umožňuje jeho použití jak pro mosty a lávky na silnici i železnici, tak i použití jako podlahové prvky schodišť, ramp a plošin.

4. Závěr

Kompozitní mostovky PLANK 40 splňují, kromě výše uvedených kritérií, také všechny podmínky vyhlášky č. 398/2009 [8]. V ní se udává, že mezera roštů ve směru chůze může být maximálně 15 mm, což na rozdíl od většiny běžně používaných pororoštů, tento celistvý a kompaktní protiskluzný povrch splňuje.

Po dokončení vývoje o spojovací a kotvící materiál bude na trhu v ČR existovat výrobek, který umožní realizovat plné pochozí plochy z vlákny vyztuženého plastu. Vlastní tíha samotného PLANK 40-100 je 7,34 kg.m⁻² což z něho činí jednu z nejlehčích mostovek.

Použitá literatura

1. ČSN EN 13 706-1 Vyztužené plasty (kompozity) – Specifikace pro tažené profily – Část 1: Označování, Praha: ÚNMZ, 2007
2. ČSN EN 1990 ed.2 Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí, Praha: ÚNMZ, 2021
3. Roční zpráva projektu FW01010443, Tišnov GDP KORAL, 2021
4. ČSN EN 1991-2 Zatížení konstrukcí – Část 2: Zatížení mostů dopravou, Praha: ÚNMZ, 2005
5. DIN 51130 Testing of floor coverings - Determination of the anti-slip property - Workrooms and fields of activities with slip danger - Walking method - Ramp test., 2014
6. ČSN P CENTI/TS 16 165 Stanovení protiskluznosti povrchu pro pěší – metody hodnocení, 2013
7. EN ISO 9239-1 Zkoušení reakce podlahových krytin na oheň – Část 1: Stanovení chování při hoření užitím zdroje sálavého tepla, Praha: ÚNMZ, 2010
8. vyhláška č. 398/2009 O obecných technických požadavcích zabezpečující bezbariérové užívání staveb

Závěrem nám dovolte poděkovat TAČR za podporu tohoto projektu č. FW01010443 a našim kolegům z obou společností za spolupráci na řešení projektu.