Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad VYUŽITÍ TECHNICKÝCH TEXTILIÍ JAKO ALTERNATIVNÍ VÝZTUŽE DO SUBTILNÍCH FASÁDNÍCH PANELŮ Z VYSOKOHODNOTNÉHO BETONU Lenka Laiblová 1),2), Tomáš Vlach 1),2), Michal Ženíšek 1),2) 1) Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT, Buštěhrad 2) Katedra konstrukcí pozemních staveb, Fakulta stavební, ČVUT, Praha 6 ANOTACE Vysokohodnotný beton (HPC) byl v minulých letech používán převážně kvůli jeho vysokým pevnostem v tlaku i v tahu za ohybu. Textilní beton (TRC) byl doposud využíván hlavně pro skořepinové konstrukce různých tvarů a zesilování stávajících konstrukcí. Aplikace TRC na fasádní panely přišla až před několika málo lety. Hlavní myšlenkou je vytvářet velmi subtilní prvky, a tím značně snížit spotřebu betonu a s tím spojenou environmentální stopu. Tradiční ocelová výztuž neumožňuje vytvářet dostatečně tenké prvky kvůli potřebě krycí vrstvy oceli. Textilní výztuž nabízí v tomto směru velmi zajímavé možnosti, protože krycí vrstva může být minimální. Je tedy možné vytvářet velmi subtilní elementy s velkou pevností. SUMMARY High performance concrete (HPC) has been developed in recent years and mostly used because of its high compressive and tensile strength. Textile concrete (TRC) was mainly used for shells with different shapes or for strengthening of existing structures. Application of TRC for the facade panels started a few years ago. The main idea is to create a very subtle structures to reduce consumption of concrete and thus reduce the environmental footprint. Traditional approach of reinforcing by steel reinforcement is not applicable for thin element because the cover layer of steel against corrosion is necessary. Textile reinforcement offers new possibilities on this field. It is possible to design very subtle elements because of noncorrosive properties of textile reinforcement with very high mechanical properties. ÚVOD Jedním ze základních cílů specifikovaných v Agendě 21 pro udržitelnou výstavbu [1] je redukce spotřeby neobnovitelných materiálů. Mnoho výsledků výzkumu ukázalo, že vývoj betonových konstrukcí v průběhu posledních dvaceti let vedl k posunu kvality technických parametrů a také souvisejících nižších dopadů na životní prostředí. Nové typy betonů mají výrazně lepší vlastnosti z hlediska mechanické odolnosti, trvanlivosti a odolnosti vůči extrémnímu zatížení. Umožňují realizovat prvky se sníženou spotřebou materiálu a energie. Beton se postupně stává stavebním materiálem s vysokým potenciálem pro nastávající snížení dopadů na životní prostředí [2]. Použití vysokohodnotných betonů (HPC) se stává častější především díky jeho vysokým pevnostem a možnosti vytvářet jemnější, estetické a spolehlivé prvky či konstrukce. Vývoj HPC spadá do počátku 70. let minulého století, kdy aplikace nových typů plastifikátorů umožnila snížit vodní součinitel pod hodnotu 0,35 a tím dosáhnout vyšších pevností [3,4]. Byly provedeny četné studie o vlastnostech HPC aplikací [5,6,7]. Přestože HPC má velmi vysokou pevnost v tahu než jiné běžně používané betony, je potřeba dalšího materiálu k přenosu zatížení v tahu. K těmto účelům je v běžném betonu 155
používána ocel s velmi vysokou pevností v tahu. Ocelová výztuž však potřebuje minimální krycí vrstvu proti korozi. Z tohoto důvodu ji není možné použít při návrhu tenkých fasádních panelů. Textilní výztuž je schopna velmi dobře doplnit nízkou pevnost betonu v tahu a netrpí problémy s korozí, a tedy nepotřebuje silné krycí vrstvy. To je hlavní důvod, proč začalo být TRC značně používáno pro tyto typy aplikací [8, 9, 10], pro skořepinové konstrukce různých tvarů [11,12], či pro zpevnění různých typů konstrukcí [13-16]. Bylo provedeno několik případových studií, které obsahují podrobné LCA (posouzení životního cyklu) a které podporují předpoklad, že konstrukce z HPC, TRC nebo TRHPC při vhodné aplikaci podstatně snižují environmentální dopady, a tudíž tento přístup může přispět k celosvětovým udržitelným cílům [17,18]. Tři zkušební vzorky TRC o rozměrech 300x700 mm a tloušťce 25 mm a 3 referenční vzorky běžného betonu C30/37 (OPC) o rozměrech 300x700 mm a tloušťce 50 mm byly odlity a zkoušeny čtyřbodovým ohybem. Alkalivzdorná 3D skleněná textilie byla uložena uprostřed v jedné vrstvě. Cílem bylo zjištění chování obou materiálů (betonu a textilní výztuže), jejich vzájemné spolupůsobení a porovnání s běžným betonem C30/37 (OPC). MATERIÁLY Beton Směs HPC použitá v tomto experimentu byla vyvinuta a optimalizována v posledních 5 letech na Fakultě stavební ČVUT v Praze. Jedná se o samozhutnitelnou směs, která se skládá z cementu CEM I 42,5 R, dvou technických křemičitých písků, křemenné moučky, mikrosiliky a kombinace dvou typů plastifikátorů na bázi polykarboxilátů. Použitá směs neobsahuje žádná vlákna. Vodní součinitel je optimalizován na hodnotu 0,25. Pevnost v tahu použitého HPC je experimentálně stanovena na 5,0 MPa dle ČSN 73 1318. [19] Pevnost v tahu za ohybu je stanovena na 16,8 MPa na hranolech 40 x 40 x 160 mm se vzdáleností podpor 100 mm dle ČSN EN 12390-5. [20] Pevnost v tlaku je 106 MPa stanovena na krychlích o hraně délky 100 mm, dle ČSN EN 12390-3 [21]. Referenční běžný beton C30/37 použitý na vzorky desek s ocelovou kari sítí se skládá ze štěrku, technických písků, cementu CEM II 32.5 a plastifikátoru. Tato směs OPC má vodní součinitel 0.43 (Tab. 1). Tab. 1 Jednotlivé složky HPC směsi a OPC referenční směsi Složky HPC [kg/m 3 ] Složky OPC [kg/m 3 ] technické písky 979 štěrk 810 cement I 42.5R 693 technické písky 1150 křemenná moučka 332 cement II 32.5 360 mikrosilika 178 superplastifikátory 2,7 superplastifikátory 29,6 voda 155 voda 174 celkem 2 385,7 celkem 2477,7 156
Textilní výztuž Na experiment byly použity 3D textilie ze speciálního skla odolného alkáliím (AR skla), kde jednotlivé rovingy (svazky nekonečně dlouhých vláken) jsou opatřeny matricí z epoxidové pryskyřice. Délková hmotnost těchto rovingů je 2400 g / km (= 2400 tex), pevnost v tahu 475 MPa a modul pružnosti 33,25 GPa [22]. Charakteristika použité textilie je uvedena v Tab. 2. Tab. 2 Charakteristika použitých textilních výztuží název oka sítě vlákna tloušťka hmotnost [mm] [tex] [mm] [g/m 2 ] Standards Glass 3D, V.Fraas, SITgrig 10/18 2400 12 1051 EXPERIMENT Tlaková zkouška Testování probíhalo v souladu s ČSN EN 12390-3 [21] na zkušebním lisu Inova. Testování bylo prováděno jednoosým zatížením na krychlích o hraně délky 100 mm. Rychlost zatěžování byla zvolena 0,2 mm / min. Zkouška čtyřbodovým ohybem Testování fasádních prvků v tahu za ohybu bylo provedeno za použití standardního testu ČSN EN 12390-5 [20] s použitím sběrnice dat Dewetron 500. Zkouška byla prováděna na třech vzorcích fasádních panelů s textilními výztužemi o rozměrech 300 x 700 x 25 mm a na třech vzorcích referenčního běžného betonu o rozměrech 300 x 700 x 50 mm. Rozpětí mezi podpěrami bylo 600 mm a vzdálenost mezi zatěžovacími prvky byla 200 mm (viz obr.1). Lineární část deformace byla měřena za použití tenzometrů na spodní straně desky. Obr. 1 Schéma zatěžování čtyřbodovým ohybem 157
VÝSLEDKY Panely vyztužené textiliemi TRC3D1, TRC3D2 a TRC3D3 vykazují během testování čtyřbodovým ohybem velmi podobné chování s podobnou maximální silou při porušení. Přestože zatížení i okrajové podmínky jsou nastaveny stejně, některé z desek vykazují větší šířku trhliny než jiné, což může být způsobené nehomogenitou betonu. Z grafu na Obr.2, který vyjadřuje závislost síly na posunutí, jsou zřejmé 3 fáze porušení. V první fázi do hodnoty cca 1,5kN dochází ke vzniku první trhliny. Beton charakterizuje elastické chování a výztuž se vzhledem k malé ploše příliš nezapojuje. V druhé fázi dochází k rozvoji trhlin, textilní výztuž se chová lineárně a jsou patrné maximální možnosti betonu v tahu za ohybu. Ve třetí fázi dochází k plastické deformaci textilní výztuže a následnému kolapsu desky. Na Obr. 3 je pro porovnání chování klasické ocelí vyztužené desky z běžného betonu. Obr. 2 Výsledky zkoušky čtyřbodového ohybu na fasádních panelech z HPC s textilní výztuží Obr. 3 Výsledky zkoušky čtyřbodového ohybu na fasádních panelech z OPC s klasickou ocelovou výztuží 158
ZÁVĚR Všechny tři fasádní panely s textilními výztužemi vykazují výborné výsledky z hlediska pevností ve srovnání s referenční běžným betonem (OPC). Pevnost v tahu za ohybu subtilních prvků z TRC je vysoká a tloušťka poloviční oproti běžnému betonu. I přes to, že první trhlina se objeví na hodnotě cca 1,5 kn, stále existují pevnostní rezervy až do úplného kolapsu při průměrné hodnotě 2,5 kn. Rozdíly mezi únosnosti panelů mohou být způsobeny rozdílnou dobou lití, vibrace a nedokonalostmi betonáže. LITERATURA [1] CIB., Agenda 21 on sustainable construction. Rotterdam: CIB, 1999. ISBN 9063630158. [2] HAJEK, P., NOVOTNA, M., FIALA, C. Sustainable Concrete for Sustainable Buildings Proceedings of SB13 Munich Sustainable Building Conference, Munich, Germany. (2013): 1467-1473 [3] AI TCIN, P. High-performance concrete. New York: E. & F.N. Spon, 1998, Modern concrete technology series (E. & F.N. Spon), 5. ISBN 0419192700. [4] HAJEK, P., NOVOTNA, M., FIALA, C., Subtle frame from high performance concrete for energy efficient buildings. Proceedings of Fourth International fib Congress 2014, Mumbai. India. 2014. [5] BHARATKUMAR, B. H., et al. Mix proportioning of high performance concrete.cement and concrete composites, 2001, 23.1: 71-80. [6] HEGGER, J., DÖINGHAUS, P. High performance steel and high performance concrete in composite structures. In: Proceedings of the 4th International Conference on Composite Construction in Steel and Concrete, Canada. 2002. p. 41-58. [7] KHAN, M. I.; LYNSDALE, C. J. Strength, permeability, and carbonation of highperformance concrete. Cement and Concrete Research, 2002, 32.1: 123-131. [8] HEGGER, J.; ZELL, M.; HORSTMANN, M. Textile Reinforced Concrete Realization in applications. In: proceedings: International fib Symposium Tailor Made Concrete Structures: New Solutions For Our Society. 2008. p. 357-362. [9] HEGGER, J., et al. Exterior cladding panels as an application of textile reinforced concrete. ACI Special Publication, 2004, 224. [10] KOSTELECKÁ, M., Proceedings of the Conference on the Rehabilitation and Reconstruction of Buildings CRRB 2013: selected, peer reviewed papers from the 15th International Conference on Rehabilitation and Reconstruction of Building (CRRB 2013), November 14-15, 2013, Prague, Czech Republic. Zurich, Switzerland: TTP, 2014, 1 online zdroj (236 pages). Advanced materials research, Volume 923. ISBN 978-3-03826-464-4. [11] CAUBERG, N., et al. Shell elements of textile reinforced concrete using fabric formwork: a case study. Advances in Structural Engineering, 2012, 15.4: 677-690. [12] TYSMANS, T., et al. Structural analysis of small span textile reinforced concrete shells with double curvature. Composites science and technology, 2009, 69.11: 1790-1796. [13] GRAF, W., et al. Analysis of textile-reinforced concrete structures under consideration of non-traditional uncertainty models. Engineering Structures, 2007, 29.12: 3420-3431. [14] SCHLADITZ, F., et al. Bending load capacity of reinforced concrete slabs strengthened with textile reinforced concrete. Engineering structures, 2012, 40: 317-326. [15] BRÜCKNER, A.; ORTLEPP, R.; CURBACH, M. Textile reinforced concrete for strengthening in bending and shear. Materials and structures, 2006, 39.8: 741-748. 159
[16] TSESARSKY, M., et al. Strengthening concrete elements by confinement within textile reinforced concrete (TRC) shells Static and impact properties.construction and Building Materials, 2013, 44: 514-523. [17] HÁJEK, P., FIALA, C., KYNČLOVÁ, M., Life cycle assessments of concrete structures a step towards environmental savings.structural Concrete, 2011, 12.1: 13-22. [18] FIALA, C., KYNČLOVÁ, M. Methodology of Life Cycle Assessment of Structures from High Performance Concrete. Konference Speciální betony: vlastnosti, technologie, aplikace : sborník příspěvků. Praha: Sekurkon, 2002. ISBN 978-80-86604-58-9. 55 62 [19] ČSN 73 1318. Stanovení pevnosti betonu v tahu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 1987. Třídící znak 731318. [20] ČSN EN 12390-5. Zkoušení ztvrdlého betonu - Část 5: Pevnost v tahu ohybem zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2009. Třídící znak 731302. [21] ČSN EN 12390-3. Zkoušení ztvrdlého betonu - Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2009. Třídící znak 731302. [22] Cem-FIL 5325, Product Data Sheet [online]. [cit. 2015-09-15]. Dostupné z: http://www.ocvreinforcements.com/uploadedfiles/reinforcement/cemfil/doc/10010 692-D_CemFil_5325_ww_12_2010_Rev7_EN_A4.pdf. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla za podpory studentského grantu SGS SGS14/116/OHK1/2T/11 Optimalizace směsi UHPC a alternativní druhy vyztužení a za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 160