Príklady využitia dodatočne lepenej syntetickej FRP výstuže

Dodatočné vystužovanie stavebných konštrukcií pomocou externe lepenej syntetickej výstuže (Fibre Reinforced Polymers – FRP) je neoddeliteľnou súčasťou moderného staviteľstva a využíva sa predovšetkým pri rekonštrukciách a zvyšovaní nosnosti (zaťažiteľnosti) prvkov stavebných konštrukcií. Všeobecne sa na tento účel využívajú tri typy syntetických vlákien – sklené, aramidové a uhlíkové, z ktorých sa procesom lepenia a lisovania za tepla vyrába finálny produkt. Vstupný materiál je určujúci pre charakteristické vlastnosti finálneho produktu, predovšetkým modulu pružnosti a pevnosti v ťahu.

Rozdelenie FRP výstuže podľa typu vlákien
Najvyššie parametre zosilnenia možno dosiahnuť uhlíkovými vláknami, preto sa najmä ony používajú na výrobu výstužných lamiel a pásov, tyčí, konštrukčných profilov, prípadne tkanín. Všeobecne však možno povedať, že nie na každú aplikáciu treba používať materiály vyrobené iba z uhlíkových vlákien. Zosilňujúce prvky z uhlíkových vlákien patria z hľadiska pevnostných parametrov na prvé miesto medzi používanými typmi.

Vysoký modul pružnosti v ťahu (až 600 GPa) a vysoká pevnosť v ťahu (až 4 000 MPa) sú blízke pevnostným charakteristikám železobetónu, a z tohto dôvodu sú veľmi vhodným materiálom pri zosilňovaní týchto konštrukcií. Z hľadiska pevnostných parametrov sú na druhom mieste výrobky z aramidových vlákien, pri ktorých modul pružnosti v ťahu dosahuje hodnoty okolo 100 GPa a pevnosť v ťahu sa pohybuje okolo 2 000 MPa. Na poslednom mieste sa pri porovnaní týchto parametrov umiestňujú výrobky zo sklených vlákien, keď sa modul pružnosti v ťahu pohybuje okolo 60 GPa a pevnosť v ťahu okolo 1 000 MPa.

Najčastejšie použitie
Obyčajne sa výstužné prvky z kompozitných materiálov aplikujú formou externe lepenej výstuže na povrch už existujúcej konštrukcie, v niektorých prípadoch sa výstužné prvky aplikujú do drážok v konštrukcii. Zmieňované výstužné prvky sa v modernom staviteľstve najčastejšie používajú na zosilňovanie betónových, murovaných, drevených a oceľových konštrukcií, pri ktorých došlo napríklad k prekročeniu plánovanej nosnosti prvku. Často sa využívajú aj pri zosilňovaní konštrukcií z dôvodu plánovaného vyššieho namáhania spôsobeného rekonštrukciou a adaptáciou existujúcej konštrukcie. FRP materiály sa môžu využívať na zvýšenie ohybovej pevnosti pri trámoch a doskách. Pri aplikácii na bočné strany trámov zvyšujú odolnosť v šmyku, obalením stĺpov sa zaisťuje vystuženie a zvýšenie nosnosti v jednoduchom tlaku.

Ďalej možno nimi zvyšovať odolnosť proti účinkom seizmicity a vetra. Betónové potrubie môže byť vystužené na zvýšenie odolnosti proti pôsobeniu vnútorných tlakov; podobne možno vystužiť aj rôzne silá a nádrže. Rozsah použitia kompozitných materiálov v stavebných konštrukciách je veľmi široký a oproti štandardným metódam zosilňovania má mnohé výhody.

Medzi hlavné prednosti kompozitných materiálov patria: vysoká pevnosť v ťahu, nízka hmotnosť, antikorózne vlastnosti, ľahká manipulácia a doprava, odolnosť voči bludným prúdom a magnetická neutralita.

Aplikácia prvkov z kompozitných materiálov

Aplikácia výstužných systémov na báze externe lepenej výstuže sa skladá z dvoch základných krokov – prípravy podkladu a samotnej aplikácie na konštrukciu. Príprava podkladu zahŕňa hlavne odstránenie nesúdržných vrstiev vysokotlakovými metódami (čistenie pieskom, brokmi, vodou), brúsením alebo zrnovaním. Príprava podkladu by nemala porušiť celistvosť konštrukcie, neodporúčajú sa preto používať mechanické metódy (použitie búracích kladív a pod.) Aby sa úspešne aplikovali externe lepené FRP systémy je nutné zaistiť maximálnu rovinatosť podkladovej vrstvy.

 Najmä pri aplikácii tkanín je táto rovinnosť veľmi dôležitá, pretože vďaka flexibilite tkanín môže ľahko prísť k nedokonalej aplikácii tkaniny na podklad. V prípade väčších nerovností je preto nevyhnutné aplikovať na podklad vyrovnávací materiál. Takto pripravený povrch je nutné pred aplikáciou výstužného systému očistiť od prachu, zbaviť prebytočnej vlhkosti vnesenej prípadnou abráziou povrchu a odmastiť. Vlastná aplikácia systému záleží od typu použitého výstužného prvku – lamely a výstužné profily sa aplikujú väčšinou iba pomocou lepidla, výstužné tkaniny zasa prostredníctvom laminátovej živice.

Pre jednotlivé aplikácie a projekty je nutné spracovať presné technologické postupy, aby sa zaistila správna aplikácia zohľadňujúca špecifické problémy, a to tak z hľadiska statiky, ako aj z hľadiska špeciálnych pracovných postupov. V praxi sa už mnohokrát ukázalo, že aplikácia týchto typov výstužných systémov je podstatne rýchlejšia ako aplikácia konvenčných technológií zosilňovania, čo sa pozitívne prejavuje najmä pri vyhodnotení a rozhodovaní o spôsobe riešenia daného problému.

Praktické príklady použitia
1. Zosilňovanie stropnej konštrukcie priemyselného areálu
V rámci rekonštrukcie priemyselného areálu sa z dôvodu inštalácie novej technológie vyžadovalo zosilnenie konštrukcie stropu (výmera asi 300 m²). Vzhľadom na požiadavku minimálnej zmeny prierezovej plochy už existujúcich stropných prvkov, respektíve minimálne zníženie priechodného profilu z dôvodu vedenia potrubia, sa zvolila metóda zosilnenia dodatočne lepenou výstužou vo forme lamiel na stropné trámy. Lamely sa lepili vo dvoch radoch na spodnú časť trámov a na bočné strany na mieste podpôr (obr. 2 a 3).

Dohromady sa nalepilo asi 750 m lamiel. Časová náročnosť vrátane prípravy povrchu i vzhľadom na stiesnené podmienky pri aplikácii (časť technológie sa už nainštalovala) predstavovala sedem pracovných dní. Po ďalších siedmich dňoch potrebných na vytvrdenie lepiacej hmoty sa konštrukcia dala plne zaťažiť.

  
2. Zosilňovanie valcových nádrží/zásobníkov
Z dôvodu nedostatočne navrhnutého vystuženia steny valcovej nádrže ČOV došlo po vykonaní zátopovej skúšky ku vzniku trhlín na vnútornej strane plášťa. Jedným z možných spôsobov zosilnenia konštrukcie bola aplikácia výstužných prvkov z uhlíkových vlákien, a to buď tkanín, alebo lamiel. Vzhľadom na nutnosť dosiahnutia relatívne veľkého zvýšenia nosnosti konštrukcie sa navrhlo riešenie pomocou lamiel, ktoré umožnili spojité ovinutie valcovej konštrukcie nádrže.

Podľa statického výpočtu sa navrhlo aplikovať výstužné lamely celoplošným ovinutím v dolnej polovici nádrže. V hornej polovici sa navrhli tri oblasti aplikácie lamiel tak, aby sa zaistil optimálny prenos pôsobiaceho zaťaženia po celom obvode nádrže (obr. 4). V prípadoch, keď netreba zosilňovať konštrukciu na veľmi extrémne namáhanie, alebo v prípade nutnosti lokálneho zosilnenia konštrukcie, sa výhodne využívajú výstužné tkaniny (obr. 5). V oboch prípadoch je lepšie použiť syntetické výstužné prvky s minimálnou hmotnosťou a dodatočne lepenú výstuž, ktorá nekoroduje.

3. Zosilňovanie drevených konštrukcií
Zosilňovanie drevených konštrukcií naproti tomu rozšírené a známe nie je. Môže to byť spôsobené tak neznalosťou problematiky aplikácie kompozitných materiálov na drevených konštrukciách, ako aj zvyčajne vyššou cenovou náročnosťou zosilnenia. Pri čisto technickom pohľade na problematiku aplikácie FRP materiálov na drevo sú výhody evidentné – vzájomná kompatibilita a vzájomné dopĺňanie sa vlastností jednotlivých materiálov. Nízka hmotnosť drevenej konštrukcie nie je aplikáciou FRP nijako výrazne ohrozená (v porovnaní s aplikáciou drevených a oceľových prvkov).

Navyše, najväčšie nedostatky drevených prvkov (napr. výrazná nehomogenita dreva spôsobená napríklad nadmerným výskytom sukov) môžu byť výrazne alebo úplne eliminované aplikáciou a spolupôsobením FRP kompozitného materiálu. V určitých prípadoch – najmä pri pamiatkovo chránených alebo inak významných objektoch (obr. 6) – sa pri zosilňovaní drevených konštrukcií kladie dôraz na maximálne zachovanie pôvodných drevených prvkov konštrukcie.

V takomto prípade sa obyčajne vyžaduje aj zachovanie vzhľadu prvkov (prípadne minimálna zmena tvaru). Tieto požiadavky je bežnými metódami ťažké splniť, preto sa akceptujú riešenia pomocou kompozitných syntetických výstuží.

Využitie kompozitnej výstuže
Využitie vláknových kompozitných materiá­lov v stavebnej praxi sa počas posledných 15 rokov stalo overenou a pre svoje nesporné výhody aj vyhľadávanou metódou zosilňovania konštrukcií, najmä pri rekonštrukciách stavieb a zvyšovaní nosnosti (zaťažiteľnosti) prvkov stavebných konštrukcií. Kompozitné materiály a z nich zhotovené systémy externe lepenej výstuže sa v pozemnom staviteľstve používajú prevažne na zosilňovanie už existujúcich betónových a murovaných konštrukcií, v menšej miere drevených a oceľových konštrukcií. Význam týchto materiálov a systémov v stavebnej praxi je najmä v tom, že v krátkom časovom horizonte možno efektívne zosilniť konštrukcie pri minimálnych požiadavkách na priestorovú náročnosť riešenia. Tým sa jednak znižujú fixné náklady (čas pracovníkov na stavbe) a jednak vďaka rýchlosti prác na zosilnení je možné rýchlejšie pokračovať v ďalšej výstavbe či rekonštrukcii.

Okrem toho netreba mnohokrát komplikovane „kamuflovať“ zosilňujúce konštrukcie (hrúbka aplikovaných systémov z FRP výstuže sa pohybuje v milimetroch), respektíve zmeny dispozičného riešenia, ktoré vyplynuli z výrazného zmenšenia priestorov spôsobeného inštaláciou napríklad veľkých podperných oceľových profilov, nástrekom silnej vrstvy betónu kryjúceho dodanú výstuž a pod. V našom stavebníctve môže väčšiemu rozšíreniu zosilňovania konštrukcií metódou dodatočne (externe) lepenej výstuže brániť iba neznalosť týchto technológií medzi odbornou verejnosťou.

Ing. Ondřej Šilhan, PhD.
Foto: archív autora

Autor pracuje v spoločnosti Minova Bohemia, s. r. o., v Ostrave – Radvaniciach.

Článek bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.