PergolyZkoušení tahové pevnosti betonu a vláknobetonu
Beton patří ke kompozitním materiálům s výrazně rozdílnými pevnostmi v tlaku a tahu. Pevnost v tahu je obvykle pouze kolem 1/10 pevnosti v tlaku. Zvýšení pevnosti betonu v tahu je možné přidáním drátků do betonu. Drátkobeton patří do širší skupiny vláknobetonů. Vláknobeton existuje v celé řadě variant, které se liší použitým materiálem a tvarem vláken. V některých případech je výhodnější využití drátkobetonu ve srovnání s prostým betonem nebo železobetonem. Jedná se zejména o návrh průmyslových podlah a základů. V případě návrhu těchto konstrukcí je potřebný podrobný popis materiálových vlastností drátkobetonu. Vlastnosti drátkobetonu se prokazují zejména laboratorními zkouškami. Mechanické vlastnosti ovlivňuje kromě množství drátků také technologie zpracování, ošetřování a uložení. Je třeba věnovat pozornost ověřování vlastností a návrhu životnosti. Testování materiálových vlastností drátkobetonu se věnuje řada autorů.
Zkoušení pevnosti v tahu
Mezi klíčové materiálové vlastnosti drátkobetonu patří pevnost v tahu. Testování pevnosti betonu v jednoosém tahu je však náročné a často vzniká rozptyl naměřených hodnot. Mezi obvyklejší metody zkoušení patří testování pevnosti v tahu za ohybu. Konfigurace testů se liší rozměry zkušebních vzorků, metodou zkoušení a úpravou vzorků.
Pevnost betonu v prostém tahu
Pevnost betonu v prostém tahu (Direct tensile strength) je zkouška, která se provádí na trámci, vyjímečně na válci nebo na jádrových vývrtech. Vždy se zkouší minimálně tři tělesa. Před vlastní zkouškou se ověří geometrie zkušebního tělesa. Vzorky, které se nestandardně poruší se ze zkoušky vyloučí - předpokládá se u nich nějaká chyba. Zkouška betonu v prostém tahu se provádí jen vyjímečně. Její provedení komplikuje nutnost přilepení ocelových desek ke vzorku. Přilepení musí mít perfektní geometrii a pevnost vyšší než je pevnost zkoušeného betonu.
Pevnost betonu v tahu za ohybu
Pevnost betonu v tahu za ohybu (Tensile bending strength of concrete) je zkouška, která se provádí na betonovém trámci rozměrů 400x150x150 mm. Vždy se zkouší nejméně tři vzorky. Před zkouškou je potřeba ověřit geometrii tělesa a pak ho správně osadit do zkušebního zařízení - lisu.
Tříbodové a čtyřbodové uspořádání
Podle způsobu zatížení se jedná o tří nebo čtyřbodové uspořádání. Čtyřbodové uspořádání zkoušky má vyšší vypovídací hodnotu o pevnosti betonu v tahu za ohybu - těleso se poruší ve střední třetině mezi oběma silami od zatížení. Protože jsou v této části nosníku při uvedeném zatížení posouvající síly rovny nule, dojde k porušení v oblasti namáhání čistým ohybem. U tříbodového uspořádání zkoušky se vždy jedná o kombinaci ohybu a smyku.
Čtěte také: Pohledový beton a bednění
Zkouška v příčném tahu
Mezi nejrozšířenější způsoby testování pevnosti v tahu patří zkouška v příčném tahu. Je možné využít zkušebních těles ve tvaru krychle nebo válce. S ohledem na kapacitu laboratoře a provádění zkoušek bylo pro testování využito krychlí. Z výsledků testů je patrný nárůst pevnosti v tahu u vzorků s obsahem drátků. Pevnost v tahu se zvětšila o necelý 1 MPa, to je přibližně o 50 %. Nárůst tahové pevnosti u vyztužených vzorků je však už velice malý.
Pevnost betonu v tlaku
Pevnost betonu (Stress strenght of concrete) je velikost napětí dosaženého v místě porušení při zániku celistvosti betonu. Jednodušeji řečeno: je to pevnost betonu, při které se zkušební těleso poruší. Podle tvaru zkušebního tělesa, na kterém se zkouška provádí, jde buď o pevnost v tlaku krychelnou nebo válcovou. K rozdělení na třídy podle pevnosti v tlaku se používá tabulka 7 normy ČSN EN 206+A2 pro obyčejný a těžký beton a tabulka 8 téže normy pro lehký beton. Pevnost v tlaku fck,cyl se stanovuje po 28 dnech na válcích o průměru 150 mm a délce 300 mm, nebo fck,cube na krychlích o délce hrany 150 mm. Pevnost betonu v tlaku je základní mechanickou vlastností, která se určuje na krychlích 150×150×150 mm nebo válcích průměru 150 mm a výšky 300 mm. Pro širší možnost vyhodnocení bylo pro každou sérii zkoušek vyrobeno 6 krychlí a 3 válce. Vyhodnocením zkoušek krychelné a válcové pevnosti v tlaku je možné velmi dobře rozlišit příznivý vliv drátků. Pevnost v tlaku však velmi výrazně závisí také na orientaci vláken a ta může mít za následek, že výsledná pevnost v tlaku s množstvím přidaných drátků klesá. Tento problém je možné také nalézt u jiných experimentálních programů.
Použité materiály a metody pro drátkobeton
Článek se věnuje zkoušení a následnému stanovení tahové pevnosti drátkobetonu s podílem drátků 25, 50, 75 kg/m3. Testovaly se čtyři ucelené série, každá zkušební série zahrnovala více než 23 vzorků. V rámci testování bylo provedeno několik variant ohybových zkoušek. Při podrobnějším popisu mechanických vlastností drátkobetonu patří mezi časté problémy, že experimentální programy a zkoušky se zaměřují na vybranou materiálovou vlastnost. Vzniká zde také otázka homogenity a rozptylu naměřených hodnot.
Použitá betonová směs patří do skupiny běžných betonů určených pro konstrukční účely (např. základy, podlahy). Příprava směsi proběhla na betonárně specializované na transportbeton v průběhu roku 2016. Maximální zrno betonové směsi bylo 16 mm a vodní součinitel 0,6. Pro beton byl použit portlandský rychle tuhnoucí cement 42,5 MPa. Beton obsahuje také plastifikátor Stacheplast. Na základě průzkumu trhu a dostupnosti byl zvolen typ drátku Dramix 3D 65/60 BG. Tyto drátky patří k běžně dostupným v betonárnách a výrobnách betonových prvků v České republice, ale také ve světě (Evropa, Brazílie, Čína, Turecko).
Laboratorní program zkoušení byl rozdělen do čtyř částí. Zkušební série zahrnují vzorky bez drátků a vzorky s drátky s dávkováním drátků 25, 50, 75 kg/m3. Základní konfigurace jednotlivých zkoušek je patrná na obr. 2 až 4.
Čtěte také: Jídelní stůl MDF beton: Co zvážit?
Tříbodový a čtyřbodový ohyb u drátkobetonu
Mezi další běžné zkoušky patří tříbodový a čtyřbodový ohyb. Existují různé konfigurace, které se liší především rozpětím podpor, polohou zatížení nebo hloubkou zářezu. V rámci experimentálního programu byly vybrány čtyři varianty a každá zkouška se prováděla vždy pro dva vzorky. Výpočet pevnosti v tahu je ovlivněn předpokladem rozložení napětí po průřezu a nelineárním chováním betonu. Dochází zde k plastizaci betonu a vznikání mikrotrhlin.
Pro testování jsou zvoleny dvě varianty zkoušek. Zkouška označená 3B600 je pro trámec nominální velikosti 150×150×700 mm, rozpětí 600 mm a průřez má zářez vysoký 50 mm. V případě této zkoušky je lokalizováno místo vzniku trhliny. Druhá varianta označená 3B500 je pro trámec nominální velikosti 150×150×600 mm a rozpětí 500 mm. Místo vzniku trhliny se v tomto případě lokalizuje pod silou v místě, kde je nejmenší pevnost. Z provedených zkoušek je možné stanovit funkční závislost mezi množstvím drátků v betonu x a pevnosti v tahu za ohybu. K častým zkouškám zaměřených na tahovou pevnost patří také čtyřbodová zkouška na ohyb. Využívá se také například v doporučení/standardu [11]. V rámci experimentálního programu jsou opět navrženy také dvě varianty 4B600 a 4B500.
Zkouška označená 4B600 je pro trámec nominální velikosti 150×150×700 mm a rozpětí 600 mm. Vzdálenost mezi podporami a silami je 200 mm. Vznik trhliny se lokalizuje u dolního povrchu trámce mezi silami. Druhá varianta čtyřbodové zkoušky na ohyb je označená 4B500 a je určena pro trámec nominální velikosti 150×150×600 mm a rozpětí 500 mm. Zkouška se liší od předchozí umístěním sil. Z provedených zkoušek je možné stanovit funkční závislost mezi množstvím drátků v betonu x a pevnosti v tahu za ohybu. Porovnáním výsledných funkční závislostí mezi tří a čtyřbodovou ohybovou zkouškou se ukázalo, že nižší hodnoty mají tahové pevnosti čtyřbodové zkoušky. Důvodem je větší oblast, kde se tahová trhlina může lokalizovat.
Nové uspořádání zkoušky vláknobetonu v osovém tahu
Příspěvek se zabývá novým uspořádáním zkoušky vláknobetonu v osovém tahu. Popisuje specifický tvar zkušebního tělesa, způsob jeho výroby i speciální ocelové upínací zařízení pro uchycení zkušebního tělesa do zatěžovacího stroje. Uspořádání zkoušky umožňuje zaznamenávat závislost zatěžovací síly na délkové deformaci střední části tělesa a odvodit přímo pracovní diagram materiálu v tahu. Vláknobetonové kompozity procházejí v současné době rychlým vývojem, který je daný rozvojem výroby vláken a možnostmi širokého uplatnění vláknobetonu v praxi. Pokud jsou používány jako konstrukční materiály, musí být náležitě ověřeny jejich vlastnosti, aby byla při návrhu nosných konstrukcí správně vyjádřena jejich spolehlivost. Základními materiálovými charakteristikami vláknobetonu jsou pevnosti v tlaku a tahu, modul pružnosti, dále vlastnosti přetvárné (přetvoření při a po vzniku makrotrhliny) a reologické (dotvarování, smršťování). Hodnoty těchto parametrů se odvozují ze zkoušek a jsou do značné míry ovlivněny typem užité zkoušky. Pro určení tahových pevností betonu či vláknobetonu se nejčastěji používají zkoušky ohybem při tříbodovém nebo čtyřbodovém zatížení trámců. Výstupem zkoušek jsou diagramy F - w (závislost zatěžovací síly na šířce trhliny) nebo F - δ (závislost zatěžovací síly na průhybu tělesa uprostřed rozpětí). Hodnoty sil lze pomocí průřezových charakteristik tělesa převést na napětí resp. pevnosti. Z literatury [1, 2, 3, 4] je známo několik typů zkoušek, kterými lze vyšetřovat přímo pevnosti vláknobetonu v prostém tahu. Jejich uspořádání však často není univerzální pro širokou škálu kompozitních materiálů. Doporučené rozměry zkušebních těles mohou ovlivňovat rozmístění vláken ve struktuře, vytvořené zářezy definují místa porušení, která nemusí být z hlediska materiálových charakteristik nejslabší.
Zkušební těleso může být vyrobeno z prostého betonu nebo vláknobetonu s libovolným typem a délkou v současnosti vyráběných vláken. Zkušební tělesa se zhotovují v ocelových formách trámců o velikosti 150×150×700 mm pomocí vložek přiložených k podélným stranám forem. Ocelový přípravek (úchyt) slouží k upevnění zkušebního tělesa do zkušebního lisu a k přenosu tahové síly na zkušební těleso. K uskutečnění tahové zkoušky je třeba použít zkušební lis s možností řízené deformace, který vyvine tahovou sílu až 400 kN (možnost zkoušení kompozit s tahovou pevností až 25 MPa). Přesnost tvaru zkušebního vzorku je dána přesností ocelové formy trámce a vkládaných bočních vložek. Rovnoměrné přímkové rozložení tahové síly na zkoušený prvek (hlavu zkušebního tělesa) zajišťují lišty vyrobené z tvrdého dřeva, vložené mezi kruhový konec úchytu a zkušební vzorek. Tento způsob převedení síly z ocelových přípravků na nerovný povrch betonových vzorků je shodný s provedením zkoušky v příčném tahu. Předností navrhované zkoušky je pořízený záznam závislosti zatěžovací síly F na délkové deformaci δ sledované části zkušebního tělesa, který umožňuje pro zkoušený vláknobeton získat jednoduchým přepočtem přímo pracovní diagram v prostém tahu. Rozměry tělesa neovlivňují rozložení vláken ve struktuře materiálu a tvar tělesa nedefinuje přímo místo porušení.
Čtěte také: Beton Brož: Alternativa k pravému dřevu
Zkouška v osovém tahu je řízena nárůstem deformace středové části tělesa, což umožňuje sledovat chování materiálu i po vzniku makrotrhliny. V počátečních fázích zatěžování se materiál chová pružně, síla F je lineárně závislá na délkovém přetvoření. S rostoucí silou dochází ke vzniku a rozvoji mikrotrhlin, což má před vznikem makrotrhliny za následek výrazný odklon diagramu F - δ od lineárního průběhu. V oblasti kritického průřezu se snižuje tuhost a dochází k přerozdělení přetvoření po délce tělesa. Při vzniku makrotrhliny nastává náhlý pokles zatěžovací síly, způsobený vyřazením betonové matrice z působení. V případě použití nevhodného typu vláken nebo jejich malé dávky dojde k náhlému přetržení vzorku, obdobně jako u prostého betonu. Při užití vhodných vláken o vyšší dávce lze zaznamenat též reziduální část diagramu. Po vzniku makrotrhliny přenášejí normálová napětí v oblasti kritického průřezu vlákna přetínající trhlinu. Jejich množství a rovnoměrnost rozmístění ovlivňuje následné chování zkušebního tělesa. Takto vyčíslenou tahovou pevnost (v MPa na dvě desetinná místa) lze považovat za dostatečně bezpečnou, uvážíme-li, že bude statisticky upravena na pevnost charakteristickou a poté pomocí volených součinitelů na pevnost návrhovou. Záznamy dvojice snímačů, kterými se sleduje délková deformace δ středové části zkušebního tělesa, se využijí ke stanovení hodnoty přetvoření materiálu ε. Při vyhodnocení je třeba zohlednit rozdílnou tuhost tělesa mimo trhlinu B1 a v místě trhliny B2. Správné vyhodnocení zkoušky je podmíněno přesnou polohou tahové síly, která musí působit v ose zkušebního tělesa. Klíčový význam má přesnost tvaru vyrobeného zkušebního tělesa a zajištění přímkového rozložení tahové síly z úchytu na hlavu zkušebního tělesa. Přes veškerou přesnost dochází u některých zkoušek k nerovnoměrné deformaci tělesa, vlivem nehomogenity struktury vláknobetonu. Při malých rozdílech lze tuto skutečnost zanedbat (náhodná excentricita) a hodnotu přetvoření materiálu uvažovat jako průměr z dvojice naměřených hodnot.
Při vývoji tvaru a uchycení zkušebního tělesa bylo využito nelineárních numerických simulací zatěžování v programu ATENA 2D. Cílem bylo stanovit ideální tvar tělesa, který umožní spolehlivé přenesení zatěžovací síly a uchycení tělesa nebude ovlivňovat způsob porušení ani polohu trhliny. V případě jednoúrovňové redukce průřezu (testovány různé tvarové a rozměrové varianty) predikuje simulace vždy vznik makrotrhliny na přechodu mezi šikmou a přímou střední částí vzorku. Jako přijatelné řešení byla nakonec zvolena dvoustupňová redukce průřezu tělesa. Uvedený příspěvek představuje nové uspořádání zkoušky pro zjišťování tahových pevností cementových kompozit. Zatěžování zkušebních těles osovou tahovou silou poskytuje přímo hodnoty pevností v prostém tahu, které se běžně přepočítávají z hodnot pevností zjištěných při ohybu. Přestože z důvodu nehomogenity materiálu nelze v některých případech dodržet osové namáhání průřezu, je přesnost zjištěných pevností dostatečná pro využití v praxi při návrhu nosných vláknobetonových konstrukcí. Toto uspořádání je sice oproti běžně používané zkoušce v tahu za ohybu technicky náročnější, umožňuje však jednodušší stanovení pevnostně-deformačních parametrů materiálu. Výraznou předností zkoušky je zejména možnost přímé analýzy reziduální větve pracovního diagramu vláknobetonu v tahu. V příspěvku je popsáno doporučené uspořádání zkoušky a analyzována metodika zatěžování. Pozornost je zaměřena na kritické fáze zatěžovacího procesu a následné vyhodnocení výsledků. V rámci experimentů bylo pro konkrétní vláknobeton provedeno porovnání pevností a odpovídajících přetvoření materiálu, získaných při tříbodové a čtyřbodové ohybové zkoušce a zkoušce v osovém tahu.
Předpjatý beton a jeho chování
Pokud jde o limitní stav únosnosti, větší předpínací síla neznamená vždy vylepšení návrhu. Kontrola mezního stavu únosnosti udává, jak velké zatížení konstrukce snese, než dojde k její poruše. Stejně jako u železobetonových konstrukcí platí, že účinkům zatížení odolává dvojice vnitřních sil na určitém rameni. Nezáleží na tom, zda se jedná o předpjatý beton nebo železobeton. Při stejném množství oceli se stejnou mezí kluzu, odolají předpjaté i vyztužené konstrukce stejnému zatížení. Dodatečné tlakové napětí v předpjatém betonu neoddálí kolaps konstrukce. Předpětím přidáváme do betonu tlakové napětí, čímž výrazně měníme chování materiálu. Tvorba trhlin se oddaluje, protože prvnímu zatížení odolává rezerva napětí. Při dalších přírůstcích zatížení se beton dostává do stavu dekomprese. Později beton odolává tahu, dokud není překročena pevnost v tahu. K tvorbě trhlin tedy dochází mnohem později ve srovnání s železobetonem. Také vývoj trhlin je u předpjatého betonu při stejném zatížení pomalejší. Tento vývoj je výhodný hlavně vzhledem ke korozi výztuže. Souvisí to však také s tuhostí konstrukce. Vyšší tuhost předpjatých konstrukcí vede k menším deformacím. Pro lepší pochopení si to graficky znázorníme. Teoretické srovnání předpjatých a vyztužených prvků zatížených vnější osovou tahovou silou předpokládá, že předpínací tyče a výztuž jsou ze stejné oceli se stejnou mezí kluzu a jejich množství si také vzájemně odpovídá.
- Stav 1 - Je aplikován první přírůstek zatížení. Předpjatý beton využívá rezervu napětí.
- Stav 2 - Po překročení pevnosti v tahu v železobetonu se objeví trhliny. V té chvíli se zvyšuje využití výztuže spolu s napětím.
- Stav 3 - Jakmile je překročena pevnost v tahu v předpjatém betonu, dochází k trhlinám.
- Stav 4 - Je překročena mez kluzu oceli.
Z výše uvedeného vyplývá, že teoreticky dochází ke kolapsu současně u obou konstrukcí. Jinými slovy, dodatečné tlakové napětí nemá vliv na posudky MSÚ. Samozřejmě u vyztužené konstrukce by se při stejném zatížení objevily výrazné trhliny a deformace mnohem dříve než u konstrukce předpjaté. Konstrukce by nevyhověla kontrolám mezního stavu použitelnosti. Je také potřeba zmínit, že kromě výše uvedených výhod předpjatého betonu můžeme polohou předpjatých prvků ovlivnit rozložení vnitřních sil v konstrukci.
Teorie v praxi
V aplikaci IDEA StatiCa Detail byly sledovány dva příklady: předpjatý nosník a prostý železobetonový nosník. Na rozdíl od teoretického případu je nyní prvek zatížen také ohybovým momentem. Těsně před kolapsem bychom zaznamenali mnohem větší deformaci. Na obrázku níže je znázorněno využití betonu a výztuže. Obě konstrukce přenesou stejné zatížení (nacházíme se těsně před kolapsem konstrukcí).
Je nezbytné podotknout, že se jedná o teoretický příklad. V praxi bychom nemohli prvek vyztužit výztuží stejných vlastností. Také by nám nevyšla kritéria pro mezní stav použitelnosti. Správné pochopení chování předpjatého betonu zjednodušuje návrh prvku a následnou optimalizaci. Je zásadní, abychom se mohli rozhodnout, zda je lepší přidat předpínací sílu, nebo více předpjatých kabelů/tyčí. Nebo pozměnit průřez či případně statické schéma. A netrávili tak čas měněním parametrů, které nemají na požadovaný výsledek velký vliv. Se správnými znalostmi nám pak předpětí slouží k překonávání větších rozpětí s použitím elegantnějších tvarů s využitím menšího množství materiálu. Ať už v mostním inženýrství v případě mostů, nebo v případě předem předpjatých nosníků a dodatečně předpjatých desek. Pro navrhování obecných předpjatých prvků (předem nebo dodatečně předpjatých) můžete použít aplikaci IDEA StatiCa Beam.
Zkoušky betonářské oceli
Betonářské oceli pro výztuže se vyrábí z dlouhého polotovaru a jejich povrchový tvar se liší podle výrobní normy. Vzorek má po celé délce konstantní průřez. Kromě toho musí mít vzorek rovný tvar bez zakřivení. Zkřivené vzorky je nutné před zkouškou narovnat. Pro zkoušky tahem je důležitý průřez vzorku. Pro určení průřezu se změří délka a hmotnost vzorku. Betonářská ocel se vyrábí ve velkém množství a její kvalita musí být průběžně kontrolována. Společnost ZwickRoell vyvinula automatizované systémy, v nichž se vzorky nařezané na délku z tyčového materiálu nebo oddělené z rohoží a mřížek ručně vkládají do zásobníků a poté se zkoušejí zcela automaticky. Tento typ zkušebního systému může být rozšířen také o jednotku pro umělé stárnutí při teplotě 100 °C. Průřez vzorků je měřen s vysokou přesností a v souladu s normami. Vzorky lze třídit podle výsledků zkoušek pro pozdější vizuální kontrolu.
Tříbodový ohyb a zpětný ohyb
Tříbodový ohyb a zpětný ohyb jsou zkoušky pro určení způsobilosti v ohybu betonářské oceli. Při zkoušce ohybem podle normy EN ISO 15630-1 se betonářská ocel ohýbá do předem stanoveného úhlu (obvykle 90°). Průměr horního trnu a podpor a jejich vzdálenost jsou obvykle uvedeny v normě k výrobku a volí se podle jmenovitého průměru betonářské oceli. Poté se znovu provede zkouška ohybem, při níž se vzorek ohne zpět do původní polohy. Při této zkoušce se používají pohyblivé podpěry, které se při tlakovém zatížení bočně posouvají. Zkouška je platná, pokud vzorek nevykazuje žádné porušení nebo trhliny. Posouzení se obvykle provádí vizuálně. Zkouška ohybem se provádí při teplotě okolí.
Podle normy musí mít betonářská ocel definovanou únavovou pevnost nebo životnost, která musí být ověřena. Tyto únavové zkoušky se nejrychleji a nejekonomičtěji provádějí pomocí rezonančního pulzátoru Vibrophore. Pulzátor Vibrophore ZwickRoell nabízí ideální řešení pro zkoušky do 600 kN. Vzorky mohou mít průměr až 36 mm; od průměru 14 mm se musí zapouštět; k dispozici je potřebné zařízení. Protože vzorky z betonářské oceli mají po celé délce stejný průměr, jsou konce vzorku zapuštěny. Pokud hledáte zkušební stroj, který by odpovídal vašim požadavkům, kontaktujte nás. Rádi najdeme vhodné řešení na míru vašim potřebám. Neváhejte a ozvěte se našim specialistům.
tags: #beton #v #osovem #tahu #informace
