Vláknobetón – vlastnosti a možnosti, část II.

Použitie

Pre zaistenie správnej funkcie vláknobetónovej konštrukcie a zamedzenie vzniku jej potenciálnych neskorších vád je potrebné rozlišovať aspoň dve zásadné oblasti použitia vlákien do betónov. Prvou je oblasť statická. Vlákna navrhnuté v určitejdávke majú úplne alebo čiastočne nahradiť oceľovú prútovú alebo sieťovú výstuž. Vychádzajúc z materiálových charakteristík ocele, ktorú vlákna nahrádzajú, je potrebné, aby i tieto vlákna dosahovali vysokú pevnosť v ťahu, vysokú ťažnosť, vysoký modul pružnosti a vysokú súdržnosť s cementovým tmelom. Odhliadnuc od najnovších dvojzložkových vlákien sú pre toto použitie vhodné len oceľové vlákna (STN EN 14889-1). Samozrejme ani v prípade oceľových vlákien nie je vlákno ako vlákno, a preto treba brať do úvahy pozdĺžny tvar vlákna, tvar a priemer jeho priečneho rezu, dĺžku vlákna ako aj technológiu výroby, s ktorou úzko súvisí drsnosť povrchu a súdržnosť s cementovým tmelom. Všetky tieto charakteristiky majú zásadný vplyv na spracovateľnosť čerstvého vláknobetónu a na mechanické vlastnosti zatvrdnutého vláknobetónu nepriamo prostredníctvom spracovateľnosti (a súvisiacej homogenity),ale aj priamo, a to prostredníctvom účinnej plochy prierezu vlákien. Oceľové vlákna sa teda navrhujú na statické pôsobenie v betóne. Ich účelom je prenos statických
i dynamických zaťažení pôsobiacich krátkodobo a/alebo dlhodobo na konštrukciu. Pre tieto účely a bežné zaťaženia sa odporúčajú navrhovať v dávkach od cca 30 do 90 kg/m3. Vláknobetón s takouto dávkou vlákien bezpečne zaistí prenos napätí vyvolaných zaťažením i v prasknutom priereze, tj. po prekročení medze úmernosti,a zaisťuje tak tzv. reziduálnu (zostatkovú) pevnosť.

Druhú oblasť použitia zameranú na celistvosť a trvanlivosť konštrukcie možno bez akýchkoľvek pochybností vztiahnuť priamo na syntetické (polymérové) vlákna (STN EN 14889-2). Syntetické vlákna sa rozdeľujú podľa technológie výroby na monofilamentné a fibrilované. Zatiaľ čo monofilamentné sú na prvý pohľad jemné a pripomínajú vlákna buničiny, fibrilované vlákna sa vyrábajú sekaním „fólie“ polyméru na vlákna požadovaných rozmerov. Technológia výroby a súvisiace
rozmerové vlastnosti sú kľúčové pre rovnomernosť distribúcie vlákien počas miešania a tým aj pre účinnosť pri obmedzovaní prejavov objemových zmien betónu.

Ak by sme teda účel použitia polymérových vlákien chceli zjednodušiť, potom by sme ich navrhovali na obmedzovanie vzniku zmrašťovacích trhlín v betóne. Logicky by sa teda mohli pridávať do betónu tých konštrukcií, ktoré budú realizované v letnom období, špeciálne ak budú veľkou plochou vystavené prostrediu s nízkou relatívnou vlhkosťou. Zvláštnu pozornosť a zváženie použitia syntetických vlákien si vyžadujú tie konštrukcie, ktoré budú mať celospoločenský význam, resp. očakáva sa od nich dlhá životnosť, a to obzvlášť ak budú vystavené agresívnemu prostrediu, ktoré by degradáciu konštrukcie prostredníctvom zmrašťovacích trhliniek rapídne urýchľovalo. Vo všeobecnosti sa odporúča dodržať dávkovanie min. 0,9 kg/m3, no ukazuje sa, že so zvyšujúcou sa jemnosťou vlákien (hlavne u monofilamentných) je možné bezpečne znížiť dávku na cca 0,6 kg/m3.

Návrh vláknobetónových konštrukcií

Návrh vláknobetónovej dosky podlahy je odlišný už samotným účinkom idealizovane všesmerne rozptýlenej výstuže, ktorá zvyšuje duktilitu a reziduálnu pevnosť v ťahu aj po vzniku trhliny, a teda plastického kĺbu. Typické chovanie napätia v závislosti od pomerného pretvorenia prostých vláknobetónov vystihuje charakteristický pracovný diagram na obr. 4 a návrhová schéma na obr. 5.
Uvedené pevnosti sa stanovujú preukaznými skúškami. Oblasť ťahových pevností pri a po vzniku trhliny sa doporučuje skúšať na trámcoch vystavených namáhaniu ťahom za ohybu podľa STN EN 14651, ktorej zaťažovaciu schému popisuje obr. 6.

Vláknobetónový prvok má schopnosť prenášať zaťaženie ohybovým momentom ME (1) i po vzniku

trhliny, t. j. po prekročení medze úmernosti (LO P – Limit of Proportionality) podľa vzťahu 2, kde FL je zaťaženie na medzi úmernosti, l je rozpätie, b je šírka prierezu a hsp je účinná výška prierezu.

 

 

Po vzniku trhliny dochádza k plynulému, no prudkému posunu neutrálnej osi k tlačenému okraju prierezu (obr. 5), a teda rastie aj šírka trhliny. Reziduálna pevnosť prvku v ťahu za ohybu fR (resp. účinnosť vlákien podľa vzťahu 3) sa určuje pri určitých deformačných stupňoch CMODj (Crack Mouth Opening Displacement) 0,5; 1,5; 2,5 a 3,5 mm, reprezentujúcich otvorenie trhliny, ako to zachytáva obr. 7.

 

 

 

Ak plochu EA (vzťah 4) pod diagramom (obr. 7) vyjadrujúcu energiu absorbovanú telesom počas zaťažovania nahradíme rovnakou obdĺžnikovou plochou, môžeme určiť medzné charakteristické

ekvivalentné zaťaženie FRk, eq (vzťah 5) a príslušný moment MRk, eq. Vo vzťahu 5 vystupuje premenná

CMODU vyjadrujúca medznú šírku trhliny alebo premenná äU vyjadrujúca medzný priehyb, pričom medzi CMOD a δ platí korelačný vzťah 5.20 (6).

 

 

 

Rovnako ako u bežne vystužených prierezov i tu musia platiť podmienky rovnováhy síl (obr. 5).

 

 

 

Návrh celkového množstva rozptýlenej výstuže prenášajúcej dané zaťaženia by potom vychádzal z idealizovaného predpokladu rovnomerne rozptýlenej a orientovanej výstuže v celom objeme kompozitu. Tento predpoklad sa však ukázal jako nesprávny. Výsledná pevnosť je totiž priamo (lineárne) úmerná efektívnemu množstvu vlákien v priereze (obr. 8), ktorý je nelineárne závislý od celkového množstva vlákien (obr. 9). Všeobecne platný návrhový model pre dimenzovanie vláknobetónov nebol doposiaľ zhotovený vzhľadom na veľkú variabilitu charakteristík vlákien, vplyv receptúry betónu a samozrejme aj významný

vplyv miešania. Pri návrhu vláknobetónu sa preto treba spoliehať na výpočtový model poskytnutý výrobcom (predajcom) vlákien a odporúča sa overiť výpočet aj skúškami vláknobetónov.

 

Fotogalerie:
Obr. 4: Pracovný diagram vláknobetónov (a – skutočný priebeh, b – zjednodušený priebeh)
Obr. 5: Návrhová schéma vláknobetónu po vzniku trhliny
Obr. 6: Zaťažovacia schéma pri zisťovaní reziduálnej pevnosti v ťahu za ohybu [STN EN 14651]

Zdroj: Materiály pro stavbu 3/2010