Práce se zabývá stanovením zvolených pevnostních parametrů ztvrdlého betonu v tahu a hledáním vztahů mezi nimi. Jedná se především o pevnost v prostém tahu, pevnost v tahu ohybem a pevnost v příčném tahu. Součástí práce je popis jednotlivých zkušebních postupů pro zjištění tahových pevností betonu. Dále jsou zde uvedeny výsledky zkoušení na různých typech betonů (prostý beton, lehký beton, drátkobeton, vláknobeton s polymerními vlákny a vysokopevnostní beton). Závěr práce se věnuje odvození závislostí mezi pevnostmi betonu a porovnání hodnot získaných z dostupných vztahů s výsledky provedených zkoušek.
Přehled tahových pevností betonu a jejich význam
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. 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.
Podle dalších částí textu jsou klíčové i metody pro posouzení tahové pevnosti vláknobetonu a osového tahu, kde se kombinuje deformace materiálu a pracovní diagramy vláknobetonu, aby byla možné získat přímým způsobem pracovní diagram v prostém tahu. Dále je popsána osová zkouška, která sleduje chování materiálu i po vzniku makrotrhliny a umožňuje získat pracovní diagram vláknobetonu v tahu přímo z osového zatěžování.
Způsoby a uspořádání zkoušek pro tahové pevnosti
3. 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 - viz Obrázek 7. Správné vyhodnocení zkoušky je podmíněno přesnou polohou tahové síly, která musí působit v ose zkušebního tělesa.
4. 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 (Obrázek 9a a 9b). Jako přijatelné řešení byla nakonec zvolena dvoustupňová redukce průřezu tělesa (Obrázek 9c).
5. 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.
Význam a praktické aplikace vývojových diagramů a metod
Vývojové diagramy představují způsob, jak můžeme graficky reprezentovat postup nebo návod pro nějakou činnost. Takový postup může být například recept na bábovku, návod na sestavení skříně nebo i počítačový program. Každý příkaz programu (například přiřazení nebo výpis) reprezentujeme jako samostatný obdélník. Podmínky nebo obecně místa, kde se tok programu větví na více možných cest, značíme kosočtvercem. Podmínky mohou být použity pro samostatné větvení, nebo jako součást cyklu. Podmínku může mít cyklus na začátku, jak ukazuje diagram programu, nebo na konci, jak ukazuje příklad se zatloukáním hřebíku.
CSFM je moderní nelineární metoda pro analýzu D-oblastí a prvků, jejichž působení lze zjednodušit na rovinnou napjatost, tedy 2D model. Stále se ale vychází ze základního a bezpečného předpokladu norem: beton v tahu nepůsobí a veškeré tahy musí přenést výztuž. Cílem tohoto příspěvku je vysvětlit podstatu CSFM i za cenu dílčích zjednodušení. Princip CSFM lze vysvětlit na napjatosti základního rovinného elementu železobetonové konstrukce. Na obr. 3a je napjatost elementu, jak ji známe ze všech učebnic pružnosti a pevnosti. Pro případ našeho zhlaví to je např. napjatost v jednom bodě konstrukce, získaná například lineární, pružnou analýzou pomocí metody konečných prvků (MKP).
CSFM používá běžné jednoosé materiálové modely (pracovní diagramy), které jsou definované v návrhových normách. Pro posouzení MSU se potom používá standardní normový formát spolehlivosti - metoda dílčích součinitelů spolehlivosti. Metoda je tak díky své jednoduchosti vhodná pro inženýrskou praxi a je v souladu s návrhovou normou. I když se jedná o nelineární MKP analýzu, nemusí statik do výpočtu zadávat dodatečné materiálové vlastnosti a charakteristiky betonu, které ve stadiu návrhu ani nemůže mít k dispozici.
V praxi CSFM umožňuje posoudit hlavice hlavice mostního pilíře zobrazené na obr. 1 a demonstrovat souhrnné posouzení v mezním stavu únosnosti se zobrazením tlakových napětí v betonu, směry tlakových napětí a využití výztuže. Detailnější průběhy napětí v betonu a ve výztuži jsou potom dokumentovány na obr. 7b a 7c. Z výsledku výpočtu šířky trhlin je zřejmé, že MSP návrh nevyhovuje, a je nutné navýšit výztuž příčného táhla. CSFM byla vyvinuta zejména díky práci profesora Waltera Kaufmanna, vedoucího Chair of Structural Engineering na ETH Zürich.
Typy zkušebních těles a specifika zkoušek v osovém 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. Průřez vzorků je měřen s vysokou přesností a v souladu s normami. Vzorky lze třídit podle výsledků zkoušek pro pozdější vizuální kontrolu. Před zkouškou je třeba korunovat rovinnost vzorku a rovnoměrnost průřezu; průřez se určuje měřením délky a hmotnosti vzorku.
Pro zkušební tělesa v osovém tahu je klíčové dosáhnout rovnoměrného rozložení tahové síly z úchytu na hlavu zkušebního tělesa. Dále se popisuje konstrukce a způsob uchycení vzorků v testovacím zařízení, které umožňuje provést zkoušku v osovém tahu a odvodit pracovní diagram vláknobetonu z naměřených dat.
Obrazové zdroje a doprovodné prvky
Pro ilustraci a pochopení systému se v textu používají ilustrace a Obrázky 1-9; jejich cílem je objasnit tvary zkušebních těles, tvary úchytů, i průběhy napětí a deformací během zkoušky. Tyto prvky doplňují výklad a usnadňují aplikaci vývojových diagramů na praxi při posuzování nosných konstrukcí.
Praktická aplikace a závěry
Přesný záznam závislosti zatěžovací síly na délkové deformaci δ a následné určení materiálového přetvoření ε umožňuje přímo získat pracovní diagram vláknobetonu v tahu. Tento postup je výhodný zejména v praxi, kde je potřeba rychle a spolehlivě odhadnout tahové pevnosti pro návrh nosných konstrukcí z vláknobetonu. Závěry práce ukazují, že osová zkouška poskytuje hodnoty pevností v prostém tahu a že daný postup je obecně platný pro všechny typy vláknobetonů, a to při použití vláken kovových nebo syntetických.
Předností zkoušky je výroba zkušebních vzorků ve standardních ocelových formách trámců 150×150×700 mm a specifické uchycení pro přenos tažné síly do vzorku. Důraz je kladen na přesnost tvaru vzorku a přímkové rozložení tahové síly z úchytu na hlavu vzorku. Krátké shrnutí: nová zkouška v osovém tahu nabízí přímou cestu k tahovým pevnostem cementových a vláknobetonových kompozitů s ohledem na homogenitu materiálu a realistické chování při makrotrhlinách.