Sloupy s multispirálním vyztužením pro ekonomickou a ekologickou výstavbu

S průměrnou roční produkcí 2,5 t na člověka je beton nejvíce používaným materiálem hned po vodě. Jedna ze současných výzev je snížení emisí CO2 svázaných s výrobou cementu při pokrytí potřeb pro produkci betonu. Poznatky z výzkumu, který již šest let probíhá na Fakultě stavební ČVUT v Praze a ve firmě Červenka Consulting v rámci mezinárodního projektu s Národní tchajwanskou univerzitou, firmou RUENTEX a laboratoří NCREE, podporovaného Technologickou agenturou České republiky, ukazují slibné výsledky v oblasti efektivnějšího využití vlastností betonu v tlaku. Dosažení požadovaných mechanický vlastností, ač v delším časovém horizontu procesu hydratace, se zdá být možné i při využití ekologičtějších (směsných) cementů ve stejném objemu.

ZLEPŠENÍ MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ BETONU OVINUTÍM

Experimentální data i výsledky numerických simulací naznačují, že nejvýznamnějších úspor ve spotřebě oceli a portlandského cementu lze dosáhnout změnou návrhového přístupu železobetonových sloupů, a to jak monolitických, tak i prefabrikovaných. Klíčem k úspěchu je zvýšení využití potenciálu betonu. Pokud je bráněno příčnému roztahování betonu zatíženému v tlaku, dochází ke vzniku příčného tlakového napětí (ve stavební praxi tzv. ovinutí). Důsledkem vzniklé trojosé napjatosti je výrazné zlepšení mechanických vlastností betonu, především tlakové pevnosti a schopnosti disipovat energii.

U železobetonových konstrukcí se nejčastěji uplatňuje tzv. pasivní sevření, které v betonu vzniká jako odezva na aktivaci vodorovné výztuže způsobené příčným rozpínáním betonu. V oblasti provozního zatížení, tj. do cca 40 % pevnosti betonu, je chování betonu přibližně lineární a k příčnému roztahování dochází pouze vlivem Poissonova efektu. Při dalším zatěžování se chování betonu stává nelineární, začínají vznikat plastické deformace a mikrotrhlinky, které mají za následek nárůst objemové deformace, a tudíž i akceleraci příčného roztahování, které přispívá k plné aktivaci příčné výztuže.

Jako příčnou výztuž je možné uplatnit jak konvenční ocelovou výztuž, tak i kompozitní materiály, které jsou imunní vůči vlivům agresivního prostředí, čímž snižují požadavky na tloušťku i odolnost betonu krycí vrstvy. Mechanické vlastnosti příčné výztuže mají zcela zásadní vliv na odezvu a únosnost stavebního prvku. Kompozitní materiály na bázi skla nebo uhlíku se zpravidla chovají lineárně pružně až do okamžiku dosažení mezního tahového přetvoření, které je následováno křehkým porušením. Značná tuhost kompozitních materiálů sice může vést k vyšší hodnotě příčného sevření, čehož je ale dosaženo při poměrně nízké hodnotě poměrného přetvoření. Přetržení příčné výztuže, a tedy náhlá absence sevření, vede k okamžitému kolapsu tlačeného prvku. Kompozitní materiály jsou nicméně atraktivní pro dodatečné zesilování stávajících konstrukcí. Oproti tomu vysoce duktilní betonářská výztuž (protažení až 10 %) umožňuje dosáhnout tlakového přetvoření sloupu až zhruba 5 %, což je mnohonásobně více než u konvenčně vyztužených sloupů s třmínky bez nosné funkce, u nichž je únosnosti dosaženo při tlakové deformaci 0,2 % a porušení při 0,35 %.

Vztah mezi velikostí příčného sevření a únosností betonu je známý téměř 100 let (Richart 1928). Přibližně platí, že nárůst tlakové pevnosti betonu je roven čtyřnásobku příčného sevření. To znamená, že sevřením 5 MPa získává beton C30/37 tlakovou pevnost třídy C50/60, navíc s mezním přetvořením cca 3 %. Při mezi kluzu výztuže 500 MPa je pro vytvoření tohoto sevření potřeba stupeň vyztužení v příčném směru 2 %. Pro lepší představu, toto je typická hodnota vyztužení sloupů v podélném směru, které přispívá k únosnosti pouze 8 MPa, tedy 2,5× méně. Je však nutné poznamenat, že pro plnou aktivaci kovové výztuže je potřeba podélná deformace, která je vyšší než mezní přetvoření nevyztuženého betonu (0,2 %). To znamená, že při statickém posouzení mezního stavu únosnosti nelze počítat s příspěvkem betonu krycí vrstvy.

MULTISPIRÁLNÍ VYZTUŽENÍ PRO FLEXIBILNÍ A ROBUSTNÍ NÁVRH

Až donedávna bylo využití sevřeného betonu spjato s kruhovými sloupy vyztuženými spirálou (šroubovicí), která vnáší sevření mnohem efektivněji než třmínky a spony ve sloupech pravoúhlého průřezu. U spirály současně roste efektivita využití oceli (absence kotvení délky) a zvyšuje se efektivita výroby s možností vysoké automatizace. Problematickým aspektem kruhových sloupů ale zůstává obtížnější využití v konstrukčních systémech, pro něž bývají vhodnější sloupy pravoúhlého průřezu.

Průlom nastal v roce 2004, kdy Samuel Yin představil koncept tzv. multispirálního vyztužení sloupů, které kombinuje spirály (šroubovice) stejného stoupání, ale různých průměrů. Tímto způsobem lze vyztužit sloupy téměř libovolného průřezu, tedy i pravoúhlého, což přináší větší volnost ve stadiu architektonického návrhu a současně vede k úsporám materiálu. Typický návrh pro sloupy čtvercového průřezu kombinuje jednu centrální šroubovici velkého průměru a čtyři šroubovice malého průměru umístěné v rozích (obr. 2), čímž je bráněno jejich odprýsknutí. Integrita armokoše je zajištěna konvenční podélnou výztuží. Menší spirály umístěné v rozích významně přispívají ke zvýšení ohybové tuhosti a únosnosti průřezu (obr. 1), protože hodnota sevření roste s klesajícím půdorysným průměrem spirály. Navíc je beton v oblasti malých spirál stejnoměrně deformovaný i při vysoké excentricitě působící síly. Vysokou automatizací výrobního procesu se podařilo snížit výrobní náklady o více jak 40 % a podobným poměrem i nároky na výztuž, a to vše při zlepšení mechanické odezvy. Porovnání odezvy zmenšeného sloupu s multispirálním vyztužením a prostého betonu (vzorky ze stejné záměsi) ukazuje obr. 2.

 

Obr. 1 – Výpočet rozložení normálového napětí po průřezu sloupů bez a s multispirálním vyztužením v okamžiku maximálního zatížení mimostředným tlakem.

Obr. 2 – Porovnání odezvy tlakové zkoušky prostého betonu a zmenšeného sloupku s multispirálním vyztužením, nárůst pevnosti je daný především příčnou výztuží, podélná výztuž zajišťuje pouze integritu armokoše.

Výhodou a současně i úskalím multispirálního vyztužení je vysoký počet parametrů, jež definují jeho topologii (průměry výztuže, půdorysný průměr krajních spirál, stoupání spirály, průměr, počet prutů a rozmístění podélné výztuže), což znesnadňuje nalezení optimální konfigurace vhodné pro různé druhy zatížení jak z hlediska únosnosti, tak i s uvážením schopnosti disipovat energii. Je zřejmé, že s přihlédnutím k časové a ekonomické náročnosti jednotlivých experimentů (půdorysné rozměry sloupů pro testování na stroji MATS v laboratoři NCREE se šesti nezávisle řízenými stupni volnosti a s kapacitou 60 MN (!!!) jsou 600 × 600 mm) a s uvážením variability změřené odezvy nelze postupovat ryze experimentální cestou. V rámci česko-tchajwanské spolupráce proto byly stávající experimenty doplněny o pokročilé výpočetní modely, které byly nakalibrovány na základě dostupných dat. Tyto modely pak posloužily pro predikci mechanické odezvy pro rozdílné konfigurace vyztužení, materiálové vlastnosti a historie zatížení.

EXPERIMENT PRO EFEKTIVNÍ STANOVENÍ MATERIÁLOVÝCH PARAMETRŮ

Pro popis chování betonu v konečněprvkových simulacích v programu OOFEM (www.oofem.org) byl použit materiálový model CDPM2 (Grassl 2013). Tento model obsahuje celkem 15 materiálových parametrů, z nichž pouze některé mají svůj přímý fyzikální význam, ostatní je potřeba nakalibrovat nepřímo na základě experimentálních měření. Vzhledem k dominantní napjatosti by byla nejvhodnější data z triaxiální zkoušky, v níž je nejprve plášť betonového válce zatížen hydrostatickým tlakem předepsané hodnoty, která je konstantní po celou délku trvání experimentu, a následně je válec axiálně stlačován. Provedení tohoto experimentu však vyžaduje speciální vybavení, je časově náročné, chování vzorku nelze během zkoušky kontrolovat a jeho instrumentace je komplikovaná.

Obr. 3 – Experimentální těleso (100 × 200 mm) pro stanovení pevnosti a vývoje podélné i příčné deformace pasivně sevřeného betonu. Dvanáct hliníkových kroužků šířky 9 mm a tl. 2 mm vyvozuje efektivní sevření 3,98 MPa.

Proto byl navržen a realizován experiment, pro jehož provedení postačuje lis s dostatečnou kapacitou (cca 1 MN) a umožňující řízení zkoušky posunem. Měření byla provedena na válcích 100 × 200 mm (obr. 3), jejichž příčnému roztahování zabraňují rovnoměrně rozmístěné hliníkové prstence. Geometrie prstenců je navržená s ohledem na zamýšlenou hodnotu příčného sevření, v konkrétním případě se efektivní hodnota sevření pohybovala v závislosti v intervalu 2,5 a 6 MPa. Tento experiment má řadu výhod. Především jde o velmi snadnou a finančně nenáročnou přípravu experimentu a rychlou realizaci měření. Prstence jsou nařezány z běžně dostupné trubky s vnějším průměrem 100 mm, jejichž souosost při betonáži garantuje standardní ocelová forma a správné rozestupy zajišťují vytištěné plastové mezikroužky. Další výhodou je vývoj napjatosti, který je sice složitější než v případě triaxiální zkoušky, vystihuje však lépe odezvu železobetonové konstrukce. Posledním benefitem je možnost měření jak podélné (standardní extenzometry délky 100 mm), tak i příčné deformace (bezkontaktní měření roztažení kroužků s využitím volně šiřitelného SW pro korelaci digitálního obrazu http://mech.fsv.cvut.cz /~nezerka/DIC). Ze sekvence pořízených fotografií je možné jednoduše identifikovat vzorky, které je nutné vyřadit z důvodu nesymetrického chování. Rozptyl změřené odezvy se snižuje s velikostí sevření a data velmi dobře odpovídají klasickým modelům z norem a doporučení (obr. 4). S využitím těchto experimentálních dat a pomocí vysoce efektivního výpočetního přístupu (low– a high–fidelity MKP modely a jejich aproximace metamodelem) bylo možné nejen stanovit citlivost na jednotlivé parametry, ale pomocí Bayesovské identifikace určit i jejich pravděpodobnostní rozdělení.

Obr. 4 – Závislost nárůstu tlakové pevnosti betonu v závislosti na velikosti pasivního sevření. Porovnání experimentálních dat s tradičními modely z literatury a norem.

EFEKTIVNÍ NÁVRH A POSOUZENÍ SLOUPŮ S MULTISPIRÁLNÍM VYZTUŽENÍM

Pro rychlý návrh železobetonového sloupu s multispirálním vyztužením a efektivní posouzení únosnosti ve formě interakčního diagramu (tj. obálky pevnosti pro kombinaci zatížením normálovou silou a jedním ohybovým momentem) byl vyvinut program MALCOLM (multi–spiral column simulation module, https://github.com/oofem-apps/Malcolm). S využitím tohoto nástroje lze snadným způsobem navrhnout sloupy s alternativním způsobem vyztužení, které v betonu vyvozuje sevření, a tím lépe využívá jeho potenciál. Změnou charakteru vyztužení lze docílit snížení třídy betonu při zlepšení odezvy výsledného stavebního prvku. Tímto přístupem se otevírá prostor pro vyšší stupeň náhrady portlandského cementu jak druhotnými surovinami s pomalejší hydratací, tak i jemnými inertními složkami. Nedávná experimentální měření ukazují, že vyšší pevnost a tuhost betonu způsobují křehčí chování za vrcholem pracovního diagramu sevřeného betonu.

ZÁVĚR

V současnosti, kdy je velká snaha snížit exhalace CO2, se přechází ke směsným cementům, které mají pomalejší nárůst pevnosti. Popisovaná technologie multispirálního vyztužení betonových sloupů umožní dosáhnout s betony ze směsných cementů srovnatelné únosnosti jako při použití CEM I s výrazně nižším ekologickým dopadem. Vzhledem k vysokému objemu spotřeby betonu a s ohledem na skutečnost, že výroba cementu představuje zhruba 8 % generace CO2, přispívá využití multispirálního vyztužení k lepšímu ekologickému pohledu na betonové konstrukce.

PODĚKOVÁNÍ

Předkládaný příspěvek vznikl za podpory projektu TAČR TM04000013 Virtuální modelování po návrh konstrukce ze zeleného betonu – konstrukce s novými multi-spirálními sloupy a ocelovými nosníky.

LITERATURA

• Havlásek, P., Nežerka, V., Bittnar, P., Padevět, P., Jirásek, M., and Bittnar, Z. (submitted to Materials and Structures). Efficient approach to measuring strength and deformation of passively confined concrete.