Kompozitné kari siete (GFRP) – moderné riešenie výstuže betónu pre 21. storočie
Kompozitné kari siete z GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) predstavujú nekorodujúcu výstuž do betónu, ktorá sa v praxi uplatňuje najmä tam, kde je dôležitá dlhá životnosť bez korózie, nízka hmotnosť, jednoduchšia manipulácia a elektrická nevodivosť. V tomto článku je dôraz na materiál a jeho mechanické správanie (nie na „koľko kusov kúpiť“).
Materiál GFRP v skratke: prečo je „iný“ než oceľ
GFRP je kompozitný materiál: nosnú časť v ťahu tvoria sklené vlákna, ktoré prenášajú napätie, a polymérna matrica zabezpečuje tvar, súdržnosť a ochranu. Prakticky to znamená: GFRP nekoroduje ako oceľ, ale má nižší modul pružnosti – teda pri rovnakom návrhu môže byť citlivejší na priehyb a šírku trhlín. Preto je správny návrh kľúčový.
Mechanické vlastnosti GFRP výstuže
V tomto príklade je prezentovaný zjednodušený statický výpočet betónovej dosky vystuženej oceľovou tyčou a pre porovanie tyčovou výstužou z GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) , modelovanej ako jednoducho podopretý prvok na dvoch stranách. Tento model predstavuje konzervatívny návrhový scenár z hľadiska priehybu a ohybového namáhania. Výpočet je vedený v súlade so zásadami návrhu betónových konštrukcií podľa normy STN EN 1992-1-1 (Eurokód 2) a odporúčaní pre návrh kompozitnej výstuže podľa ACI 440.1R-15 („Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars“).
Treba poznamenať, že skutočné podmienky, ako napríklad základové dosky uložené na zhutnenej vrstve, poskytujú kontinuálne plošné podopretie, čím nevzniká voľný priehyb ako pri doskách nad otvoreným priestorom. Tieto skutočnosti vedú k výrazne priaznivejším napäťovým a deformačným pomerom v reálnej prevádzke, čo znamená, že výpočtový model použitý v tejto analýze poskytuje bezpečne nadhodnotený návrh z pohľadu dimenzovania výstuže.
- ACI 440.1R-15 – Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars
- fib Bulletin 40 – FRP Reinforcement in RC Structures
- STN CEN/TS 19101 – Predbežná technická špecifikácia pre návrh betónových konštrukcií s nekovovou výstužou
GFRP výstuže majú vysokú ťahovú pevnosť – často vyššiu než oceľ:
- Typické hodnoty: 1000–1300 MPa (oceľ B500 má cca 500–600 MPa)
- Modul pružnosti (E-modul): 40–60 GPa (oceľ má cca 200 GPa)
To znamená, že GFRP tyče vydržia vysoké napätia v ťahu, no sú pružnejšie než oceľ – deformujú sa viac predtým, než sa pretrhnú. To treba zohľadniť v návrhu (napr. pri výpočte priehybov).
GFRP nie je určený ako primárna výstuž na prenos tlaku – tlakové napätia v konštrukcii prenáša betón. GFRP je optimalizovaný na ťahové zaťaženie, kde betón sám zlyháva.
Avšak:
- Tlaková pevnosť GFRP prútov je nižšia než ich ťahová – typicky 200–400 MPa.
- Preto sa neodporúča používať GFRP ako výstuž v stĺpoch alebo v oblastiach so značným tlakovým zaťažením, ak nie je starostlivo navrhnuté obalenie betónom.
- GFRP prúty majú nižšiu šmykovú pevnosť než oceľ, preto sa navrhujú s dôrazom na správne zakotvenie, prekrývanie a kotviace dĺžky.
- Výstuž nesmie byť obnažená alebo preťažená v šmyku, čo sa rieši správnym uložením do krycej vrstvy betónu (min. 20–25 mm krytie).
Ilustračný priklad výpočtu
Ilustračný priklad výpočtu:
(Príklad je pre základnú predstavu a nie ako návrh do reálneho projektu – ten musí byť overený projektantom)
- Doska: železobetónová, voľne uložená na dvoch stranách
- Rozmery: 4 m × 4 m, hrúbka 150 mm
- Zaťaženie: stála + úžitková záťaž 5 kN/m²
- Betón: C25/30
- Výstuž:
- A) oceľ B500, Ø8/150 mm
- B) GFRP, Ø8/150 mm (E = 50 GPa, fₜ = 1100 MPa)
Výpočet momentu a napätia
2. Potrebná výstuž pre oceľ:
Oceľová výstuž má:
- návrhovú pevnosť: fyd=500/1.15≈435 MPa
- návrhový momentový odpor: MRd=As⋅fyd⋅z⇒As=Mfyd⋅z (pri z = 0.9 d ≈ 0.9 × 130 mm = 117 mm)
3. GFRP výstuž:
- fₜ,GFRP = 1100 MPa
- E,GFRP = 50 GPa (→ väčší priehyb)
- Bez zníženia sa výpočet robí často podľa ACI 440 s bezpečnostným faktorom (napr. ffd≈650 MPa)
Porovnanie:
| Parameter | Oceľ B500 | GFRP Ø8/150 (alebo Ø8/200) |
|---|---|---|
| Požadovaná výstuž | 196 mm²/m | 131 mm²/m |
| Použitá výstuž | 335 mm²/m | 251 mm²/m |
| Rezerva | +71 % | +91 % |
| Priehyb | menší (tvrdá výstuž) | väčší (pružnejší materiál) |
➡️ Záver: V tejto doske GFRP výstuž úplne nahrádza oceľ a je dokonca s vyššou rezervou. Potrebné je však overiť priehyby a krytie betónu, keďže modul pružnosti GFRP je nižší.
Na čo si dať pozor v praxi (aby materiál splnil očakávania)
FAQ – kompozitné kari siete (materiál)
Prečo môže byť pri GFRP dôležitejší priehyb než pri oceli?
Pretože E-modul GFRP je nižší. Konštrukcia môže pri rovnakom statickom modeli vykazovať väčšie deformácie, a preto sa v návrhu posudzuje aj priehyb a prevádzkové kritériá, nielen únosnosť.
Je GFRP vhodný do vlhkého alebo chemicky agresívneho prostredia?
Odolnosť voči korózii je jednou z hlavných výhod GFRP. Pre konkrétnu aplikáciu je však dôležité postupovať podľa technických podkladov a projektu.
Prečo sa GFRP neodporúča ako primárna tlaková výstuž (stĺpy)?
V bežných doskách, platniach a základových konštrukciách výstuž pracuje predovšetkým v ťahu, pretože tlakové napätia prenáša betón. Preto je GFRP výborná voľba všade, no najmä tam, kde rozhoduje odolnosť voči korózii, manipulácia a životnosť. Pri prvkoch, kde výstuž významne pracuje aj v tlaku (napr. stĺpy), sa návrh rieši individuálne podľa projektanta a príslušných odporúčaní, pričom sa často konzervatívne uvažuje len obmedzený príspevok FRP v tlaku.
Čo mám pripraviť, ak chcem konzultáciu k návrhu?
Najviac pomôže výkres alebo popis konštrukcie (rozmery, hrúbka, uloženie, zaťaženie, požadované krytie). Pri veľkých projektoch ideálne PDF výkaz/výmer.