Zesilování stavebních konstrukcí dodatečně lepenou kompozitní výztuží

Vlákny vyztužované polymerní materiály jsou kompozity skládající se z vysokopevnostních vláken obalené polymerní matricí. Vlákna ve FRP materiálech jsou hlavním nositelem pevnostních vlastností a vykazují velmi vysokou pevnost a tuhost při namáhání tahem. FRP materiály ve formě desek, lamel, tyčí nebo tkanin se obvykle skládají z několika milionů těchto velmi tenkých vláken.
Polymerní matrice chrání vlákna před poškozením a zajišťuje polohu jednotlivých vláken a také roznáší působící namáhání na všechna vlákna, rozmístěná v tomto kompozitu. Existuje celá řada typů vláken a pryskyřic, které se používají pro výrobu těchto kompozitních materiálů. Vlákna jsou vybírána na základě pevnosti, tuhosti a trvanlivosti vyžadované pro danou aplikaci. Pryskyřice jsou pak vybírány na základě prostředí, kterému bude výsledný materiál vystaven, a také na způsobu výroby kompozitu. V pozemním stavitelství jsou nejčastěji používána vlákna uhlíková, skleněná a aramidová (kevlarová).

Prvky ze skleněných vláken

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 1000 MPa. Při výběru správného typu kompozitu - a tedy výběru vlákna - je nutné zvážit několik skutečností: materiály na bázi skleněných vláken poskytují vynikající parametry při zvyšování pevnosti prvků namáhaných např. seizmickým zatížením, eventuálně zatížením vyskytujícím se jen krátkodobě. V místech trvale namáhaných napětím (například ohybem nebo smykem) by se kompozity na bázi skleněných vláken neměly používat (nebo je nutné zajistit provozní namáhání na minimálních hodnotách) vzhledem k efektům porušení při tečení. Oproti tomu materiály na bázi uhlíku jsou pro tyto aplikace mnohem vhodnější. Obdobně také v exteriérových aplikacích budou materiály na bázi uhlíkového vlákna trvanlivější.

Zesilující prvky 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 4000 MPa) jsou blízké pevnostním charakteristikám železobetonu, a jsou z tohoto důvodu velmi vhodným materiálem při zesilování těchto konstrukcí.

Prvky z aramidových vláken

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 2000 MPa.

Aplikace kompozitních materiálů

Kompozitní materiály a z nich vycházející systémy externě lepené výztuže se v pozemním stavitelství používají převážně k zesilování stávajících konstrukcí betonových, zděných, dřevěných a ocelových. Konstrukce mohou vyžadovat zesilování z důvodů zhoršení stavu konstrukce, kvůli chybám v návrhu či provedení, změně užívání stavby, a tedy jejího zatížení, z důvodů seizmického namáhání apod. Kompozitní zesilující materiály mohou být využívány pro zvýšení ohybové pevnosti u trámů a desek, omezení vzniku smykových trhlin, obalením sloupů zajišťují ztužení a zvýšení prostorové tuhosti konstrukce. Možnosti zesilování betonových a zděných konstrukcí v pozemním stavitelství pomocí kompozitních materiálů jsou mezi odbornou veřejností již delší dobu známy, o čemž svědčí řada úspěšně zesílených konstrukcí průmyslových a občanských staveb, ale také mostních konstrukcí.
Mezi hlavní přednosti kompozitních materiálů patří:

• antikorozní vlastnosti;
• nízká hmotnost;
• vysoká pevnost v tahu;
• dobrá únavová odolnost;
• výhodný poměr tuhosti materiálu vzhledem k vlastní hmotnosti;
• odolnost proti poškození;
• lehká manipulace a doprava.

Nekorozivnost kompozitních materiálů je jedním z hlavním důvodů pro aplikaci v chemicky agresivních podmínkách, kdy je použitím nekorodujících výztužných prvků zajištěna dlouhodobá odolnost konstrukcí. Této vlastnosti lze s výhodou využít také při budování nových betonových pojížděných ploch, u kterých při použití kompozitní výztuže nehrozí např. vlivem používání rozmrazovacích prostředků koroze hlavní výztuže. Nízká hmotnost vlastních výztužných prvků je výrazným argumentem zejména při rekonstrukcích budov, kdy je nutno minimalizovat přitížení stávající konstrukce.
Oblast použití kompozitních materiálů při zesilování a vyztužování konstrukcí je velmi široká a zahrnuje například:

• nápravu návrhových/konstrukčních poruch a nedostatků;
• zesilování z důvodů změny působících zatížení;
• omezení vlivu seizmického namáhání;
• vyztužování betonových konstrukcí v tahem namáhané oblasti;
• vyztužování lícní strany desek nebo trámů pro zvýšení ohybové pevnosti;
• obalování sloupů pro zajištění stability a zvýšení průtažnosti;
• zesilování stěn (betonových nebo zděných) proti účinkům větru, seizmiky apod.;
• zesilování potrubí, sil a nádrží z vnější strany pro zajištění vyšší odolnosti proti působícím tlakům.

Vhodným použitím kompozitních materiálů při zesilování metodou externě lepené výztuže lze dosáhnout například:

• snížení průhybů (zvýšení tuhosti);
• limitace vzniku trhlin (zvýšení trvanlivosti a použitelnosti);
• zvýšení zatížitelnosti konstrukce;
• zvýšení hodnoty kritického zatížení (zvýšení bezpečnosti konstrukce).

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 potřeba 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 nutné na podklad aplikovat vyrovnávací hmotu. Takto připravený povrch se musí 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 potřeba zpracovat přesné technologické postupy, aby byla zajištěna správná aplikace zohledňující řešení specifických problémů, a to jak z hlediska statiky, tak z hlediska spe- ciálních 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.
Nejčastěji se v praxi používá zesilování konstrukcí pomocí lamel (obr. 5). Jedná se o velmi jednoduchý způsob zesílení, kterým je dosaženo např. zvýšení únosnosti konstrukce při minimálním nárůstu rozměrů vlastní konstrukce. Tloušťka aplikovaného sy- stému lamel se pohybuje v závislosti na tloušťce použité lamely a jejich případném vrstvení v rozmezí 4-8 mm. Lamely se používají zejména při zesilování stropních desek, trámů, průvlaků. Lamely lze aplikovat prostým nalepením na konstrukci (tzv. spící neaktivní lamely), nalepením a předepnutím prostřednictvím speciálních přepínacích lisů (tzv. aktivní lamely), eventuálně vlepením do drážek v konstrukci. Pro tento způsob se však lépe hodí ploché nebo tyčové profily.
Druhým nejčastějším použitím kompozitních výztužných systémů je aplikace výztužných tkanin. Aplikaci je možné provádět plnoplošně - bandážování sloupů, nosníků apod. (obr. 7) nebo lokálně - zesilování stropních desek, kleneb, konstrukcí na účinky seizmického namáhání (obr. 8). Především aplikace výztužných tkanin při plnoplošném bandážování sloupů se osvědčila jako efektivní a rychlý způsob zvýšení únosnosti sloupů a také jejich odolnosti proti nárazu (zejména u mostních konstrukcí). Tloušťka zesílení pomocí tkaniny se v závislosti na počtu aplikovaných vrstev pohybuje od 4 mm do 20 mm (1-6 vrstev). Takto tenká aplikační vrstva umožňuje vyřešit rychle a efektivně zesílení konstrukce v prostorech, kde je požadavek minimalizovat nárůst rozměrů nosné konstrukce (zesilování sloupů pro podzemní garáže apod.).
Posledním způsobem zesilování konstrukcí s využitím kompozitních materiálů je vlepování tyčových (event. plochých) výztužných profilů do drážek v konstrukci. Tato metoda, která je v posledních letech používána čím dál tím častěji, umožňuje provést zesílení konstrukce tak, aby dodatečně aplikovaná výztuž byla skryta v konstrukci a nedošlo tak ke změně tvaru konstrukce. Aplikace tyčových profilů do drážek se s výhodou využívá při zesilování zejména zděných staveb, kdy jsou profily vkládány přímo do ložných spár zdiva a následně zality polymercementovou maltou. Toto zesílení se provádí např. pro zvýšení únosnosti konstrukce na namáhání větrem, případně na namáhání dynamickými účinky způsobenými např. seizmickou aktivitou. Také tyčové profily lze podobně jako lamely v omezené míře předpínat a dosáhnout tak optimálnějšího využití pevnostních parametrů kompozitních materiálů.

Závěr

Dodatečné vyztužování stavebních konstrukcí pomocí externí syntetické výztuže je nedílnou součástí moderního stavitelství a je především využitelné při provádění rekonstrukcí a zvyšování únosnosti (zatížitelnosti) prvků stavebních konstrukcí. Přesto, že se jedná o poměrně novou a stále se vyvíjející oblast, neměly by být technologie využívající výhod uhlíkových, skleněných nebo aramidových vláken v praxi opomíjeny. Mohou umožnit jak plně funkční, tak zároveň elegantní a rychlé řešení problému, který by byl konvenčními způsoby řešen déle, komplikovaněji a v závislosti na tom také s vyššími finančními nároky.