Studie použití ocelí vyšších tříd a betonů vyšších pevností v ocelobetonových spřažených nosnících

V kategorii vysokohodnotných betonů je nejvíce rozšířen zejména beton s vysokou pevností v tlaku, ale vhodnou technologií a přidáním dalších složek lze získat i beton s vyšší pevností v tahu a obvykle také s lepšími přetvárnými vlastnostmi. Tím se vyznačují zejména různé druhy vláknobetonů, které obvykle současně vykazují i výrazně vyšší pevnost v tlaku ve srovnání s betony bez vláken. Kromě tradičních druhů vláknobetonů, jako je např. drátkobeton, se v posledním období stále více rozšiřuje použití sklovláknobetonu (dále jen SVB), jehož složení a technologie výroby jsou neustále průběžně zdokonalovány a nabízí se tedy jeho využití nejen v podružných částech konstrukcí (např. jako obkladové prvky), ale i v konstrukčních prvcích hlavních částí nosných stavebních konstrukcí. Pracoviště Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební VUT v Brně již řadu let spolupracuje s Výzkumným ústavem stavebních hmot a. s. Brno, který se zabývá vývojem SVB z hlediska jeho složení (receptury) i technologie výroby. Vyvíjený materiál byl zpočátku využíván zejména pro výrobu velkorozměrových fasádních obkladových panelů, avšak vzhledem k jeho dobrým pevnostním a přetvárným vlastnostem se ověřují možnosti jeho použití v ocelobetonových spřažených nosnících, příp. i v tlačených ocelobetonových prutech (trubky vyplněné SVB, otevřené profi ly obetonované SVB). V rámci ocelobetonových konstrukčních prvků se nabízí i kombinace SVB s ocelemi vyšších pevností.

K ÚNOSNOST OCELOBETONOVÝCH SPŘAŽENÝCH NOSNÍKŮ Z MATERIÁLŮ VYŠŠÍCH PEVNOSTÍ
Použití obou materiálů (oceli i betonu) vysokých pevností může vést k významnému zvýšení únosnosti ocelobetonových spřažených ohýbaných nosníků obvyklého konstrukčního řešení zejména při namáhání kladným ohybovým momentem, kdy je betonová deska převážně tlačená a lze tak využít vysoké pevnosti betonu v tlaku. V oblasti záporných momentů, kdy je beton tažen (např. nad vnitřní podporou spojitého nosníku), přebírá tahové namáhání výztuž. Betony s vyššími pevnostmi v tahu (např. vláknobetony, které však obvykle současně vykazují vysoké pevnosti v tlaku), se zpravidla využívají pro omezení šířky trhlin a jejich (ve srovnání s běžnými betony) výhodnější přetvárné vlastnosti se tak uplatní zejména v mezním stavu použitelnosti. Nabízí se však i případné částečné využití kapacity taženého betonu pro zvýšení odolnosti v mezním stavu únosnosti.

Teoretická analýza
Na pracovišti je v rámci řešení témat doktorských prací realizována studie možností použití ocelí a betonů vyšších pevností pro zvýšení únosnosti spřažených ocelobetonových nosníků. V teoretické části řešení je mj. zpracovávána parametrická studie vlivu pevnosti materiálů na únosnost. Pro účely studie byl zvolen ocelobetonový spřažený nosník typického uspořádání „ocelový průřez – betonová deska“ (viz obr. 1a) tří různých dimenzí obvyklých pro stropní konstrukce objektů pozemních staveb: ocelový průřez IPE 180, IPE 200 a IPE 220, ve všech případech s betonovou deskou tloušťky d = 100 mm spřaženou s nosníkem jednou řadou trnů o průměru 15,2 mm a výšce 80 mm umístěných ve vzdálenostech 100 mm; účinná šířka desky b_eff byla uvažována hodnotami 750, 875 a 1.000 mm, což odpovídá rozpětím jednoho pole spojitého nosníku L = 6, 7 a 8 m. První etapa studie byla zaměřena na sledování únosnosti průřezu při namáhání záporným ohybovým momentem (problematika únosnosti při namáhání kladným ohybovým momentem je řešena též, ale v tomto článku se jí nezabýváme). Moment únosnosti byl stanoven za předpokladu pružného působení pro náhradní průřez vypočtený pro poměr modulů pružnosti n = E_a / _Ect, kde E_ct je modul pružnosti betonu v tahu, který byl uvažován postupně od 15 do 25 GPa. Výpočet byl proveden pro oceli pevnostních tříd S 235, S 355, S 420 a S 460 a pro betony s pevností v tahu f_ct = 5, 10, 15 a 20 MPa. Protože cílem této etapy řešení (včetně následného experimentálního ověření) je zkoumání příspěvku pouze taženého betonu (bez výztuže) na ohybovou únosnost průřezu, byly momenty únosnosti určeny pro teoretický předpoklad, že veškerý tah v desce přenáší beton; předpokládaný odpovídající průběh napětí v průřezu ukazuje obr. 1b. Únosnost je dána stavem, kdy buď napětí v krajních vláknech betonové desky dosáhne pevnosti betonu v tahu, anebo napětí v krajních vláknech ocelového nosníku dosáhne meze kluzu oceli (viz též pozn. k obr. 2). Grafy na obr. 2 uvádí hodnoty momentů únosnosti (výběr výsledků) v závislosti na mezi kluzu oceli a pevnosti betonu v tahu pro betonovou desku účinné šířky b_eff = 1.000 mm a modul pružnosti betonu v tahu E_ct = 20 GPa. Jak bylo možno očekávat a jak je patrné i z grafů na obr. 2, při kombinaci jednoho materiálu vyšší pevnosti a druhého materiálu nízké pevnosti (za uvedených předpokladů) není materiál vyšší pevnosti využit. Naopak, zvyšování pevnosti obou materiálů přináší vyšší únosnosti, ovšem únosnost vzrůstá pomaleji než pevnost.

Experimentální ověření
V souvislosti s vyšetřováním možností využití SVB v prvcích ocelobetonových konstrukcí a jako experimentální ověření teoretických výpočtů byly provedeny zatěžovací zkoušky spřaženého nosníku se SVB deskou namáhaného záporným ohybovým momentem. Výsledky realizovaných testů slouží mj. pro porovnání s teoretickými výsledky stanovenými pro předpoklady uvedené v kapitole Teoretická analýza.  Experimentální ověření bylo provedeno celkem na 9 zkušebních tělesech daného uspořádání, pro každý profi l IPE vždy po 3 kusech. Ocelové profily byly vyrobeny z materiálu S 235, použitý SVB vykazoval pevnost v tahu fct = 4,02 MPa a pevnost v tahu za ohybu f_cbt = 13,4 MPa, odpovídající moduly pružnosti měly hodnoty E_ct = 19,7 GPa a E_cbt = 21,1 GPa; pro úplnost byla měřena též pevnost v tlaku na krychlích (f_cc = 85,8 MPa) včetně příslušného modulu pružnosti (E_cc = 24,4 GPa). V této fázi řešení byly prozatím provedeny zatěžovací zkoušky jen pro nosník z materiálů obvyklých pevností, účelem bylo zejména sledování příspěvku taženého betonu k ohybové únosnosti spřaženého nosníku a ověření teoretických výsledků a jejich porovnání s experimenty.

Porovnání teoretických a experimentálních výsledků
Porovnání teoretických a experimentálních výsledků pro vybraný příklad průřezu spřaženého nosníku s příslušnými materiálovými charakteristikami oceli a betonu ukazuje graf na obr. 3. V grafu jsou vyneseny momenty únosnosti odpovídající úplnému porušení zkušebních těles v porovnání s teoretickými (předpokládanými) momenty únosnosti určenými výpočtem, a to M_u,fct,teor pro pevnost betonu v prostém tahu f_ct, resp. M_u,fcbt,teor pro pevnost betonu v tahu za ohybu f_cbt, a příslušné moduly pružnosti E_ct, resp. E_cbt. Pro porovnání s ohybovou únosností ocelového nosníku s cílem zjistit příspěvek taženého betonu uvádí graf hodnoty elastických a plastických momentů únosnosti Ma,el, Ma,pl samotných ocelových profilů. Graf ukazuje, že experimentálně stanovené hodnoty momentů únosnosti spřaženého nosníku jsou vyšší nebo srovnatelné s hodnotami momentů únosnosti vypočtenými pro pevnost betonu v tahu za ohybu. V relaci k momentům únosnosti určeným z pevnosti betonu v tahu jsou experimentální hodnoty v průměru dokonce 2,5× vyšší. V porovnání s plastickou momentovou únosností samotných ocelových profilů je příspěvek taženého betonu v průměru až kolem 90 %. Je však nezbytné zdůraznit, že významný vliv má vznik, šíření a velikost trhlin v taženém betonu, což je jedním z rozhodujících aspektů při ověřování mezního stavu použitelnosti. V grafu na obr. 3 jsou vyneseny i hodnoty ohybových momentů zjištěných z experimentu pro zatížení odpovídající vzniku trhliny na horním okraji betonové desky, které je zřejmě třeba brát jako hladinu, při níž je v podstatě vyčerpána únosnost průřezu. Ve vztahu k plastickému momentu únosnosti ocelových profi lů pak tažená betonová deska přináší zvýšení únosnosti přibližně o 1/3. Problémy iniciace, rychlosti šíření a přípustné velikosti trhliny z hlediska mezního stavu použitelnosti však musí být dále samostatně zkoumány.

ZÁVĚR
Problematice teoretické a experimentální analýzy chování ocelobetonových konstrukčních prvků z materiálů vysokých pevností je na pracovišti nadále věnována pozornost. Zde prezentované informace jsou výsledky pouze dílčí části rozsáhlého programu zaměřeného na využití vysokopevnostních materiálů v ocelobetonových konstrukcích, na jehož řešení se značnou měrou podílejí studenti doktorského studijního programu. V rámci teoretických studií a souběžného experimentálního výzkumu je v současné době sledována ohybová únosnost spřažených nosníků s deskou ze SVB nejen při namáhání záporným ohybovým momentem, ale i při namáhání kladným ohybovým momentem. Pro porovnání různých konfigurací spřaženého průřezu a přínosu SVB ve srovnání s betonem bez vláken jsou postupně realizovány zatěžovací zkoušky těles různých typů: ocelový nosník se SVB deskou bez betonářské výztuže, ocelový nosník s deskou bez vláken a bez betonářské výztuže, ocelový nosník s deskou bez vláken s betonářskou výztuží, ocelový nosník se SVB deskou s betonářskou výztuží. Paralelně, v rámci teoretického řešení, probíhá tvorba numerických modelů s využitím softwaru ATENA, resp. ANSYS.

Článek byl vypracován v rámci řešení úkolů Výzkumného centra MŠMT č. 1M0579 „CIDEAS“, grantů GAČR reg. č. 103/07/0628 a zejména doktorského grantu č. 103/09/H085.

LITERATURA:

Melcher, J. J., Karmazínová, M. and Pozdíšek, J.: Experimental verification of behaviour of composite steel and glass-fibre-concrete beam, In Proceedings of the 9th International Conference on Steel-Concrete Composite and Hybrid Structures „ASCCS 2009“ held in Leeds, published by Research Publishing Services: Singapore, 2009, pp. 390–395, ISBN 978-981-08-3068-7

Karmazínová, M. and Melcher, J. J.: Possibilities of application of glass-fibre-concrete in composite steel-concrete beams, In Proceedings of the 9th International Symposium on Fiber-Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures „FRPRCS-9“ held in Sydney, University of Adelaide, 2009, p. 51 (book) + DVD, ISBN 978-0-9806755-0-4

Pozdíšek, J. and Karmazínová, M.: Analysis of composite steel-concrete beams using glass-fibre-concrete, In Proceedings of the International Symposium „Non-Traditional Cement & Concrete III“, VUT v Brně, 2008, pp. 577–581, ISBN 978-80-214-3642-8

Mindess, S. and Banthia, N.: Fiber Reinforced Cementitious Composites: Current Practice and Future Prospects, Concrete Technology, Past, Present, and Future (Ed. P. K. Mehta), ACI SP-144, American Concrete Institute, Detroit, 1994, pp. 417–446

Melcher, J. and Karmazínová, M.: Experimentální výzkum na Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební VUT v Brně – od historie k současnosti, In Sborník česko-slovenské konference EXPERIMENT 04, VUT v Brně 2004, CERM Brno, s. 315–326, ISBN 80-7204-354-4

Study of Utilising High-Class Steel and High-Strength Concrete in Steel-Concrete Composite Girders
The article deals with the issue of real impact, mechanisms of modification and destroying and bearing capacity of composite steel-concrete bended girders. It specifically focuses on assessment and verification of using materials with higher quality of features, i.e. both high-strength steel and mainly high-value concrete. In the particular case, what is being monitored is the usage of concrete with high strength in compression as well as strength in tension, or also with better reshaping features characterized by the elastic module. Within monitoring of this issue, also the bearing capacity is monitored of composite steel-concrete girder of the structural solution and dimensions typical for ceiling structures of civil engineering buildings, e.g. for girders. The article also mentions some partial results of parameter study and subsequent experimental verification.

Autoři

• Prof. Ing. Karmazínová Marcela CSc.
• Ing. Kaiser Petr
• Ing. Pozdíšek Jan Ph.D.