Příklady využití dodatečně lepené syntetické FRP výztuže

7. července 2009

Partneři sekce:

Dodatečné vyztužování stavebních konstrukcí pomocí externě lepené syntetické výztuže je nedílnou součástí moderního stavitelství, především využitelné při provádění rekonstrukcí a zvyšování únosnosti (zatížitelnosti) prvků stavebních konstrukcí. Obecně jsou pro tento účel využívány tři typy syntetických vláken – skelné, aramidové a uhlíkové, ze kterých je procesem lepení a lisování za tepla vyráběn finální produkt. Vstupní materiál je pak určující pro charakteristické vlastnosti finálního produktu, především modulu pružnosti a pevnosti v tahu.

Rozdělení FRP výztuže podle typu vláken
Nejvyšších parametrů zesílení lze dosáhnout s uhlíkovými vlákny, a proto jsou zejména tyto používány pro výrobu výztužných lamel a pásů, tyčí, konstrukčních profilů a případně tkanin. Obecně lze však říci, že ne pro každou aplikaci je potřeba využívat pouze materiály vyrobené z uhlíkových vláken. Zesilující prvky z uhlíkových vláken patří z hlediska pevnostních parametrů na první místo mezi používanými typy. Vysoký modul pružnosti v tahu (až 600 GPa) a vysoká pevnost v tahu (až 4 000 MPa) jsou blízké pevnostním charakteristikám železobetonu, a jsou z tohoto důvodu velmi vhodným materiálem při zesilování těchto konstrukcí.

Z hlediska pevnostních parametrů jsou pak na druhém místě výrobky z aramidových vláken, u kterých modul pružnosti v tahu dosahuje hodnot kolem 100 GPa a pevnost v tahu se pohybuje kolem 2 000 MPa. Na posledním místě se při srovnání těchto parametrů umísťují výrobky ze skleněných vláken, kdy se modul pružnosti v tahu pohybuje kolem 60 GPa a pevnosti v tahu kolem 1 000 MPa.


Uhlíkové výztužné kruhové profily	Aramidové výztužné kruhové profily

Nejčastější použití
Obvykle se výztužné prvky z kompozitních materiálů aplikují formou externí lepené výztuže na povrch stávající konstrukce, v některých případech jsou výztužné prvky aplikovány do drážek v konstrukci. Zmíněné výztužné prvky se v moderním stavitelství nejčastěji používají k zesilování betonových, zděných, dřevěných a ocelových konstrukcí, u kterých došlo například k překročení plánované únosnosti prvku. Často se také využívají při zesilování konstrukcí z důvodu plánovaného vyššího namáhání způsobeného rekonstrukcí a adaptací stávající konstrukce. FRP materiály mohou být využívány pro zvýšení ohybové pevnosti u trámů a desek.

Při aplikaci na boční strany trámů pak zvyšují odolnost ve smyku, obalením sloupů se zajišťuje ztužení a zvýšení únosnosti v prostém tlaku. Dále lze zvyšovat odolnost proti účinkům seizmiky a větru. Betonová potrubí mohou být vyztužena pro zvýšení odolnosti proti působení vnitřních tlaků; obdobně lze vyztužovat i různá sila a nádrže. Rozsah použití kompozitních materiálů ve stavebních konstrukcích je velmi široký a oproti standardním metodám zesilování má řadu výhod.

Hlavní přednosti kompozitních materiálů:

vysoká pevnost v tahu
nízká hmotnost
antikorozní vlastnosti
lehká manipulace a doprava

Aplikace prvků z kompozitních materiálů
Aplikace výztužných systémů na bázi externě lepené výztuže se skládá ze dvou základních kroků – přípravy podkladu a samotné aplikace na konstrukci. Příprava podkladu zahrnuje zejména odstranění nesoudržných vrstev vysokotlakými metodami (otryskání pískem, broky, vodou), broušením nebo opemrlováním. Příprava podkladu by neměla porušit celistvost konstrukce, nedoporučují se proto používat mechanické metody (použití bouracích kladiv apod.) Pro úspěšnou aplikaci externě lepených FRP systémů je nutno zajistit maximální rovinatost podkladní vrstvy. Zejména při aplikaci tkanin je tato rovinatost velmi důležitá, protože díky flexibilitě tkanin může lehce dojít k nedokonalé aplikaci tkaniny na podklad.

V případě větších nerovností je proto nutno na podklad aplikovat vyrovnávací hmotu. Takto připravený povrch je nutno před aplikací výztužného systému očistit od prachu, zbavit přebytečné vlhkosti, vnesené případným tryskáním povrchu, a odmastit. Vlastní aplikace systému záleží na typu použitého výztužného prvku – lamely a výztužné profily se aplikují většinou pouze pomocí lepidla, výztužné tkaniny pak prostřednictvím laminační pryskyřice.

Pro jednotlivé aplikace a projekty je nutno zpracovat přesné technologické postupy, aby byla zajištěna správná aplikace zohledňující řešení specifických problémů, a to jak z hlediska statiky, tak z hlediska speciálních prováděcích postupů. Již mnohokrát bylo v praxi prokázáno, že aplikace těchto typů výztužných systémů je podstatně rychlejší než aplikace konvenčních technologií pro zesilování, což se pozitivně projevuje zejména při vyhodnocení a rozhodování o způsobu řešení daného
problému.

Praktické příklady použití
1. Zesilování stropní konstrukce průmyslového areálu
V rámci rekonstrukce průmyslového areálu bylo z důvodu instalace nové technologie vyžadováno zesílení konstrukce stropu (výměra cca 300 m²).

Vzhledem k požadavku na minimální změnu průřezové plochy stávajících stropních prvků, respektive minimální snížení průchodného profilu z důvodu vedení potrubí, byla zvolena metoda zesílení dodatečně lepenou výztuží ve formě lamel na stropní trámy. Lamely byly lepeny ve dvou řadách na spodní líc trámů a na boční strany v místě podpor (obr. 2 a 3). Celkem bylo nalepeno cca 750 m lamel.

Časová náročnost včetně přípravy povrchu a vzhledem ke stísněným podmínkám při aplikaci (část technologie byla již nainstalována) činila sedm pracovních dnů. Po dalších sedmi dnech potřebných k vytvrzení lepicí hmoty byla konstrukce plně zatížitelná.

2. Zesilování válcových nádrží a zásobníků
Z důvodu nedostatečně navrženého vyztužení stěny válcové nádrže ČOV došlo po provedení zátopové zkoušky ke vzniku trhlin na vnitřní straně pláště. Jedním z možných způsobů zesílení konstrukce byla aplikace výztužných prvků z uhlíkových vláken, a to buď tkanin, nebo lamel. Vzhledem k nutnosti dosažení relativně velkého zvýšení únosnosti konstrukce bylo navrženo řešení pomocí lamel, které umožnily spojité ovinutí válcové konstrukce nádrže.

Podle statického výpočtu bylo navrženo aplikovat výztužné lamely plnoplošným ovinutím v dolní polovině nádrže. V horní polovině pak byly navrženy tři oblasti aplikace lamel, tak aby byl zajištěn optimální přenos působícího zatížení po celém obvodu nádrže. V případech, kdy není potřeba zesilovat konstrukci na velmi extrémní namáhání, eventuálně v případě nutnosti lokálního zesílení konstrukce, jsou s výhodou využívány výztužné tkaniny. V obou případech je lepší použít syntetické výztužné prvky s minimální hmotností a dodatečně lepenou výztuž, která nekoroduje.

3. Zesilování dřevěných konstrukcí
Zesilování dřevěných konstrukcí není příliš známé a rozšířené. Tento fakt může být způsoben jak neznalostí problematiky aplikace kompozitních materiálů na dřevěných konstrukcích, tak obvykle vyšší cenovou náročností zesílení. Při čistě technickém pohledu na problematiku aplikace FRP materiálů na dřevo jsou výhody evidentní – vzájemná kompatibilita a doplňování se vlastností jednotlivých materiálů. Nízká hmotnost dřevěné konstrukce není aplikací FRP nijak výrazně ohrožena (ve srovnání s aplikací dřevěných a ocelových prvků). Navíc mohou být největší nedostatky dřevěných prvků (např. výrazná nehomogenita dřeva způsobená třeba nadměrným výskytem suků) výrazně či zcela eliminovány aplikací a spolupůsobením FRP kompozitního materiálu.

V určitých případech – zejména u památkově chráněných či jinak významných objektů (obr. 5 a 6) – je při zesilování dřevěných konstrukcí kladen důraz na maximálním zachování původních dřevěných prvků konstrukce. V takovém případě je také obvykle požadováno zachování vzhledu prvků (případně minimální změna tvaru). Tyto požadavky bývá běžnými metodami obtížné splnit a řešení pomocí kompozitních syntetických výztuží bývá řešením akceptovatelným.

Výhody kompozitní výztuže
Využití vláknových kompozitních materiálů ve stavební praxi se v průběhu posledních 15 let stalo ověřenou a pro své nesporné výhody také vyhledávanou metodou zesilování konstrukcí, zejména při provádění rekonstrukcí staveb a zvyšování únosnosti (zatížitelnosti) prvků stavebních konstrukcí. Kompozitní materiály a z nich vycházející systémy externě lepené výztuže se v pozemním stavitelství používají převážně k zesilování stávajících konstrukcí betonových a zděných, v menší míře pak u konstrukcí dřevěných a ocelových. Význam těchto materiálů a systémů ve stavební praxi je především v tom, že je umožněno efektivní zesílení konstrukce v krátkém časovém horizontu při minimálních požadavcích na prostorovou náročnost řešení.

Tím bývají snižovány jednak fixní náklady (čas pracovníků na stavbě) a jednak je vlivem rychlosti prací na zesílení umožněno včasnější pokračování následných kroků výstavby či rekonstrukce. Dále není potřeba mnohdy komplikovaně „kamuflovat“ zesilující konstrukce (tloušťka aplikovaných systémů z FRP výztuže se pohybuje v milimetrech), respektive změny dispozičního řešení, které vyplynuly z výrazného zmenšení prostor způsobeného instalací například velkých podpěrných ocelových profilů, nástřikem silné vrstvy betonu kryjícího dodanou výztuž apod. V českém stavebnictví může většímu rozšíření zesilování konstrukcí metodou dodatečně (externě) lepené výztuže bránit neznalost těchto technologií mezi odbornou veřejností.