Napísal: Peter Briatka a Marek Ďubek
Uverejnené: 09. júl 2018
S vláknobetónom pracujeme už asi desať rokov. Ostatné roky sme veľa času venovali riadeniu usmerneniaoceľových vlákien v betóne. Na to, aby sme ho však vedeli usmerňovať, potrebujeme vedieť, ako ho vyhodnotiť. Pracovali sme na niekoľkých projektoch zameraných na hodnotenie orientácie vlákien pre neskoršie riedenie ich usmernenia. V práci sme pokročili a posúvame sa bližšie k širšiemu uplatneniu vláknobetónu v stavebnej praxi a využitiu jeho potenciálu.
Obr. 1: Ilustračný obrázok – realizácia priemyselnej podlahy
Obr. 2: Ilustračný obrázok – priemyselná podlaha (Košice)
Rozsah použitia vláknobetónu sa za ostatné roky nijako dramaticky nezmenil. Jeho potenciál úspory nákladov na ľudskú prácu pri vystužovaní nosných konštruckií sa nepodarilo využiť. Je však jasné prečo. Nepodarilo sa zatiaľ úspešne usmerňovať oceľové vlákna tak, aby boli orientované v smere prevládajúcich ťahových napätí.
V súčasnosti platné metódy výrobno-kontrolných skúšok (podľa STN EN 14721+A1: 2008), definujúce ±10 % toleranciu od projektovanej dávky vlákien s ťažkosťou zabezpečujú čo i len homogénnosť distribúcie vlákien na „makroúrovni“, nie to ešte rovnomernosť orientácie alebo naopak usmernenie orientácie vlákien.
Pri snahe o riadené usmerňovanie distribúcie a orientácie oceľových vlákien v betóne potrebujeme najskôr vyvinúť a ustáliť funkčnú a spoľahlivú metodiku skúšania a hodnotenia. Až následne bude účelné hľadať metódy, ktorými cielene vplývať na distribúciu vlákien do miest s vyššími ťahovými napätiami a orientovať vlákna do žiadaného smeru. Dostali sme sa do fázy, kedy sa nám podarilo vytvoriť metodiku hodnotenia homogenity prvého rádu (priestorová distribúcia) a automatizovať ju vo forme softvérovej aplikácie. V ostatnom období sme vytvorili nadstavbu, ktorá hodnotí priestorovú orientáciu vlákien, teda homogenitu druhého rádu.
Analytický softvér sa rozšíril o novú funkcionalitu. Je ňou určenie orientácie prerezaného vlákna v tvaru jeho rezanej plochy. Pri prerezaní vlákna môžu nastať 3 varianty, aké prierezy vlákna získame. Prvým je kruh. Značí to, že vlákno sa prerezalo kolmo na jeho os a je jasné, že je orientované v smere normály roviny rezu. Druhým je úsečka. Značí to, že vlákno sa prerezalo pozdĺž jeho hlavnej osi. Tretím je elipsa. Reprezentuje väčšinu prípadov. Orientácia hlavnej a vedľajšej osi elipsy a ich veľkosti vypovedajú o orientácii pôvodného vlákna v priestore. Po zapracovaní tejto funkcionality sa softvér nazýva „ConAn 4.0“ a je schopný s určitou presnosťou analyzovať smery pootočenia vlákien a prepočítať rozklad síl prenášaných vláknami do jednotlivých osí. To je elementárny predpoklad pre neskoršie navrhovanie nosných vláknobetónových konštrukcií.
Funkčnosť softvéru a metodiky sa overovala experimentálne. Za týmto účelom sa vyrobili dve sady vzoriek. Jedna sada mala formu laboratórne vyrobených trámcov s rozmermi 150x150x550 mm. Tie sa priečne narezali segmenty s dĺžkou 100 mm. Rezané plochy (obr. 3 a 4) segmentov sa snímkovali a spracovala sa analyzovali v ConAn 4.0. Pre porovnanie vplyvu výroby vláknobetónových konštrukcií a merania rozptýlenia vlákien sa neskôr z hotových vláknobetónových konštrukcií získali vývrty – druhá sada vzoriek. Tie reprezentovali overenie metodiky a kontrolu homogenity vlákien v vláknobetóne vyrobenom štandardnými postupmi.
OBR. 3: Schéma rezania trámcových vzoriek
OBR. 4: Rezná plocha
Homogenita prvého rádu, index rovnomernosti rozptýlenia vlákien v betóne sa opiera o základy stereológie. Ak máme zjednodušenie vysvetliť ako funguje, tak jeho výpočet je založený na pomere medzi kumulatívnou plochou štvorcov opísaných každému vláknu (stred štvorca v ťažisku vlákna) bez zarátavanie prekrývajúcich sa plôch štvorcov k celkovej ploche prierezu vzorky. Čím je pomer menší, tým je index rovnomernosti nižší pretože vlákna sú umiestnené v zhluku a im opísané štvorce sa navzájom prekrývajú.
OBR. 5: Princíp analýzy homogenity prvého rádu
Homogenita druhého rádu sa určila z pomerov dĺžok osí eliptických prierezov vlákien. Ak je dĺžka jednej osi elipsy väčšia ako 1,311 násobok kratšieho rozmeru „priemeru vlákna vyjadreného pixelmi“, je priradená danej osi „z alebo y“. Tento násobok je vyjadrený rovinou pretínajúcou vlákno o menej než 45 stupňov. V prípade, že je identifikované vlákno s menším pomerom strán alebo kruhového priemetu, priradí sa osi „x“. Podľa uhla pootočenia dlhšej osi elipsy „ß“ identifikovaného vlákna priradí softvér vlákno osi „z“ alebo osi „y“. Rozhodujúce je pootočenie väčšie alebo menšie ako 45 stupňov.
OBR. 6: Identifikácia orientácie vlákien v reznej ploche
OBR. 7: Príklad reznej plochy a identifikácie vlákien
Záver
Zistený index rovnomernosti ir dosahoval v priemere hodnotu 0,48. Počet vlákien vo vzorkách vyrobených v laboratórnych podmienkach dosahoval v priemere 51 ks na snímku, čo predstavuje dávkovanie vlákien s hodnotou 32.8 kg/m3. Počet vlákien vo vzorkách získaných jadrovým vývrtom dosahoval v priemere 24 ks na snímku, čo predstavuje dávkovanie vlákien na hodnotu 15.2 kg/m3. Dávkovanie bolo v obidvoch postupoch výroby stanovené na 30 kg/m3.
Pomer síl k jednotlivým osiam, bol pri laboratórnych vzorkách x:y:z v priemere 52:37:44. To potvrdilo vplyv plnenia formy vláknobetónom na finálnu polohu vlákien. Pri vývrtoch z podlahovej konštrukcie boli pomery x:y:z v priemere 38:33:37. Vlákna sú v betóne orientované homogénnejšie, pretože ukladanie betónu nebolo tak výrazne ovplyvnené trením o ako tomu je v prípade trámcových foriem.
Presnosť metódy je rozhodujúca pre pomerne flexibilné použitie v stavebníctve. Preto sa v ďalšom postupe bude ešte konfrontovať s metódou priemyselnej tomografie.
Experimentálne overenie a laboratórne skúšky sa vykonali aj vďaka finančnej podpore Slovenskej Technickej Univerzity v Bratislave, a to v rámci riešenia projektu Fib-Index.
Obr. 8: Príklad výstupu priemyselnej tomografie
Literatúra a súvisiace odkazy:
[1] VLASÁK, O., 2009, Kontrola množství drátků v betonové směsi na stavbách průmyslových podlah z drátkobetonu, Materiály pro stavbu.
[2] DUPPOND, D., 2003, Modelling and experimental validation of the constitutive law (σ–ε) and cracking behaviour of steel fibre reinforced concrete, Dissertation thesis, Department of Civil Engineering, University of Lueven.
[3] GETTU, R. – GARDNER, D.R. – SALDIVAR, H. – BARRGÁN, B.E., 2005, Study of the distribution and orientation of fibers in SFRC specimens, RILEM, Materials and Structures 38.
[4] STÄHLI, P., 2008, Ultra-Fluid oriented Hybrid-Fibre-Concrete, Dissertation thesis, Swiss Federal Institute of Technology Zurich, Switzerland, ISBN 978-3-9523454-0-5.
[5] ZHU YT, BLUMENTHAL WR, LOWE TC (1997) Determination of non-symmetric 3-D fiber orientation distribution and average fiber length in short-fiber composites. J Compos Mater 31(13):1287–1301.
[6] RUDZKI M, BUGDOL M, PONIKIEWSKI T, 2013, Determination of steel fibers orientation in SCC using computed tomography and digital image analysis methods. Cem Wapno Beton 80:257–263.
[7] PONIKIEWSKI T, GOLASZEWSKI J, 2012, The new approach to the study of random distribution of fibres in high performance self-compacting concrete. Cem Wapno Beton 17(3):165.
[8] KALOUSOVÁ, A. Počátky geometrické pravděpodobnosti a stereologie, Praha, 24.4.2009.
[9] YONG-ZHI, L., 2000, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton im DIN Deutsches Institut für Normung e.V. 494DAfStb-Heft 494; Tragverhalten von Stahlfaserbeton, Beuth Verlag GmbH, ISBN: 9783410656944,
[10] HEMMY, O. 2004, Zum Gebrauchs- und Tragverhalten von Tunnelschalen aus Stahlfaserbeton und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Beuth Verlag GmbH, ISBN-10: 3410657495, ISBN-13: 978-3410657491.
[11] STN EN 14889-1: 2006 Vlákna do betónu. Časť 1: Oceľové vlákna. Definície, špecifikácie a zhoda.
[12] STN EN 14651+A1: 2008 Skúšobné metódy na betón vystužený kovovými vláknami. Meranie pevnosti v ťahu pri ohybe (medza úmernosti (LOP), zostatková pevnosť). (Konsolidovaný text).
[13] STN EN 14721+A1: 2008 Skúšobné metódy na betón vystužený kovovými vláknami. Meranie obsahu vláken v čerstvom a zatvrdnutom betóne. (Konsolidovaný text).
[14] STN EN 14845-1: 2007 Skúšobné metódy pre vlákna v betóne. Časť 1: Porovnávané betony. Bradski, G.. (2000). The OpenCV Library Dr. Dobb’s Journal of Software Tools.
[15] EBERHARDT, C., CLARKE, A., 2001, Fibre orientation measurements in short-glassfibre composites. Part I: automated, high-angular-resolution measurement by confocal microscopy. Composites Sciences and Technology, 61, 1389-1400.
[16] GOSSLA, U. 2000, Tragverhalten und Sicherheit betonstahlbewehrter Baustahlfaserbetonteile Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Beuth Verlag GmbH, ISBN 978-3-410-65701-9.
