Czy zbrojenia niemetaliczne będą coraz popularniejsze?

Stal i beton, dziś najpopularniejsze materiały budowlane, stosunkowo niedawno, gdy pojawiły się pierwsze wybudowane z nich obiekty, wzbudzały powszechną nieufność, a nawet protesty, nie tylko branżystów. Dziś uśmiechamy się jednak tylko, słysząc stare historie o kontrowersjach po wzniesieniu wieży Eiffla czy o przygodach Maksa Berga przy rozformowywaniu żelbetowej konstrukcji Hali Stulecia.

W Polsce, mimo początkowej wielkiej podejrzliwości branży budowlanej w latach 90. XX w., podstawową, wręcz domyślną, techniką wzmocnień konstrukcji stały się przyklejane nakładki FRP (ang. Fibre Reinforced Polymer). Wielu inżynierów być może pamięta zarzuty o nietrwałość tych nowoczesnych wówczas rozwiązań. FRP sprawdza się w budownictwie i zajmuje kolejne obszary. Po klejonych do konstrukcji zewnętrznych nakładkach przyszedł czas na pręty zbrojenia betonu, elementy konstrukcji i całe nowe konstrukcje.

W wielu miejscach na świecie, również w Polsce, powstają nowoczesne, kompozytowe konstrukcje mostowe, a prof. Urs Meier – szwajcarski naukowiec, któremu zawdzięczamy obecność materiałów FRP w budownictwie – roztacza przed nami wizje wysokościowców, jak Carbon Tower, czy wielkich transkontynentalnych mostów między Europą i Afryką wykonanych w całości z niemetalicznych materiałów FRP. Wydaje się, że materiały FRP są materiałami przyszłości.

Fot. 2. Zbrojenie płyty mostu w Błażowej [3]

Fot. 3. Most w Błażowej, pierwszy polski most kompozytowy wykonany z materiałów FRP [2]

Mimo wielkiej popularności nakładek FRP do wzmacniania konstrukcji w naszym kraju idea wykorzystania włókien do innych celów w budownictwie nie znalazła zbyt wielu entuzjastów. Niemniej jednak tworzy się grupa przedsiębiorców, producentów, inżynierów i naukowców, którzy coraz chętniej korzystają z ogromnych możliwości tych materiałów. Jednym z głównych dziś obszarów ich zainteresowania są pręty niemetaliczne.

Pierwsze udane realizacje sprężania za pomocą niemetalicznych cięgien miały miejsce w 1991 r. w Japonii, a pierwszą kładkę dla pieszych w całości zbrojoną prętami FRP zrealizowano w 1996 r. Od tego czasu pręty niemetaliczne wykorzystywane są coraz częściej i chętniej, szczególnie w tych obszarach budownictwa, które wykorzystują w pełni ich zalety, m.in. takie jak wysoka wytrzymałość na rozciąganie przy niskim ciężarze, pełna odporność korozyjna, duża trwałość. Być może dzięki takim właściwościom, a też wobec konieczności sprostania wymogom środowiskowym stalowe pręty zostaną częściowo zastąpione przez niemetaliczne.

Rys. 1. Zestawienie krzywych σ – ε dla włókien z materiałów FRP (Górski, et al. 2018)

Charakterystyka materiałów FRP stosowanych do produkcji prętów niemetalicznych

Pręty kompozytowe wytwarzane są przez otulenie włókien żywicą, najczęściej epoksydową. Następnie pręty dojrzewają w warunkach podwyższonej temperatury, a ich powierzchnia poddawana jest zabiegom mającym na celu zwiększenie przyczepności do betonu. Podstawowe właściwości materiałów, z których wykonywane są pręty FRP przedstawiono na rys. 1 i w tab. 1.

Tab. 1. Wybrane właściwości omawianych włókien (Górski et al. 2018)

Najpowszechniej stosuje się pręty FRP oparte na następujących włóknach wysokiej wytrzymałości (fot. 1):

• szklanych (fot. 1a),
• węglowych (fot. 1b),
• aramidowych (fot. 1c),
• bazaltowych (fot. 1d).

Fot. 1. Pręty zbrojeniowe z włókien: a) szklanych, b) węglowych, c) aramidowych, d) bazaltowych [1]

Włókna szklane

Włókna szklane stanowią najpopularniejszy rodzaj włókien głównie ze względu na niski koszt produkcji. Są materiałem w pełni izotropowym i wykazują właściwości alkaliczne. Ze względu na tę drugą właściwość włókna szklane nie nadawały się do kojarzenia z zaczynem cementowym. Dlatego stworzono włókna AR odporne na alkalia (Alkaline Resistant). Główną wadą włókien szklanych jest ich podatność na wilgoć i działanie temperatury. Są natomiast łatwe w obróbce i wykazują wysoką przyczepność do większości rodzajów żywic.

Włókna węglowe

Włókna węglowe stanowią grupę materiałów popularną przy wykonywaniu wzmocnień mimo stosunkowo wysokiej ceny. Wytwarzane są na bazie smoły lub w procesie termicznej dekompozycji poliakrylonitrylu. Włókna wytwarzane każdą z tych metod mają odmienne średnice, a co za tym idzie różnią się właściwościami mechanicznymi. Włókna węglowe osiągają najlepsze parametry mechaniczne wśród materiałów FRP są odporne na agresję środowiskową i zmiany temperatury. Przewodzą prąd elektryczny.

Włókna aramidowe

Włókna aramidowe są pochodzenia organicznego, znane też pod nazwą Kevlar. Wyróżniają się najniższą gęstością własną spośród włókien zbrojących (na poziomie 1400 kg/m³), co w połączeniu z wysoką wytrzymałością na rozciąganie (rzędu 3000 MPa) daje bardzo korzystny stosunek wytrzymałości do masy. Aramid ma wysoką odporność na czynniki środowiskowe oraz podwyższone temperatury. Jest dobrym izolatorem termicznym oraz elektrycznym. Włókna są wrażliwe na promieniowanie UV oraz wykazują zdolności absorbcji wilgoci, co może znacząco wpływać na pogorszenie właściwości mechanicznych.

Włókna bazaltowe

Włókna bazaltowe pochodzą ze stopionych, a następnie wyciągniętych fragmentów skał wulkanicznych. Są stosunkowo nowym materiałem, jeśli chodzi o zastosowania w kompozytach włóknistych. Przy wytrzymałości na rozciąganie 2800-3200 MPa oraz module sprężystości 85-90 MPa plasują się między włóknami szklanymi a węglowymi. Są przy tym znacznie tańsze niż włókna węglowe. Największą zaletą włókien bazaltowych jest ich bardzo wysoka odporność na podwyższone temperatury i na agresywne chemicznie środowisko.

Do najważniejszych zalet prętów kompozytowych należą:

• wysoka wytrzymałość na rozciąganie,
• niskie wartości odkształceń granicznych,
• wysoka odporność na zmęczenie i wpływy dynamiczne,
• wysoka odporność na czynniki korozyjne,
• neutralność magnetyczna,
• neutralność elektryczna (z wyjątkiem włókien węglowych),
• neutralność cieplna,
• wysoka trwałość,
• duża swoboda kształtowania, jednak tylko podczas produkcji,
• łatwy montaż.

Głównymi wadami prętów kompozytowych są: niska odporność pożarowa, brak możliwości gięcia prętów w warunkach budowy, liniowosprężysta praca materiału.

Asortyment prętów niemetalicznych dostępnych w Polsce jest już dość bogaty, a oferta poszerza się z każdym rokiem. Warto zwrócić uwagę, że na rynku pojawiają się nie tylko importowane produkty, rośnie również oferta firm krajowych. Najczęściej spotykane w Polsce produkty i ich właściwości opisano w tab. 2.

Tab. 2.Wybrane typy prętów kompozytowych dostępnych w Polsce (ceny dla prętów o średnicy 10 mm)

Producenci zbrojenia niemetalicznego, ze względu na brak możliwości gięcia prętów in situ, oferują również gięte strzemiona, siatki i inne prefabrykowane elementy. W ofercie znajdują się także zakotwienia specjalne, tuleje i głowice kotwiące. Pręty na placu budowy łączone są za pomocą opasek zaciskowych.

Obliczenia konstrukcji zbrojonych prętami niemetalicznymi

Podstawowym problemem polskich projektantów jest brak odpowiedniego uregulowania w zakresie obliczeń wytrzymałościowych konstrukcji zbrojonych prętami niemetalicznymi. Wydaje się, że to może być jeden z głównych problemów współdecydujących o braku masowego stosowania takiego zbrojenia.

Procedury obliczeń konstrukcji żelbetowych zbrojonych prętami kompozytowymi opracowano w formie norm i wytycznych w Japonii, Norwegii, Wielkiej Brytanii, Kanadzie, Stanach Zjednoczonych i Włoszech. Powstały także wytyczne fib oraz aneks do Eurokodu 2: CEN/TC 250/SC 2/WG 1/TG 1 N 110: Draft Reinforcing with FRP.

Procedury zaproponowane w dostępnych wytycznych i normach opierają się w większości na modyfikacji algorytmów znanych z konstrukcji żelbetowych. Najważniejszym czynnikiem branym pod uwagę jest sprężysta praca zbrojenia kompozytowego. W związku z tym każda z norm wprowadza wiele dodatkowych współczynników bezpieczeństwa zmniejszających wytrzymałość materiałów. Problem sprężystej pracy materiałów FRP zmienia sposób analizy konstrukcji, w której nie można uwzględnić plastycznej redystrybucji, jak ma to miejsce w przypadku zbrojenia tradycyjnego.

Wytyczne uwzględniają uwarunkowania środowiskowe, nie dają jednak miarodajnych wskazówek pozwalających na uwzględnienie pożaru. Polscy projektanci
wciąż czekają na taki dokument. Nadzieję daje powołany przez PKN już w 2017 r. Komitet Techniczny ds. Projektowania Konstrukcji Budowlanych z Kompozytów Polimerowych.

Czytaj: Spawanie prętów do zbrojenia betonu – nowa jakość i wymagania

Zastosowania prętów FRP

Pręty FRP mogą znaleźć zastosowanie w konstrukcjach narażonych na oddziaływanie czynników agresywnych i korozyjnych, takich jak chemikalia, wody gruntowe, środowisko narażone na wpływy wody morskiej.

Pręty z włókien FRP zaczęto początkowo stosować do wzmocnień istniejących konstrukcji, szczególnie tych narażonych na agresywne środowisko. Znaczącym segmentem wykorzystania zbrojenia niemetalicznego stało się budownictwo portowe, zarówno do ich napraw, jak i potem do wykorzystania jako pierwotne zbrojenie konstrukcji. Drugim bodaj najważniejszym segmentem budownictwa, w którym stosuje się pręty niemetaliczne, jest mostownictwo i budownictwo infrastrukturalne. Dawniej pręty z włókien FRP wykorzystywano głównie do wzmocnień istniejących konstrukcji (szczególnie popularną w niektórych krajach techniką NSM), a następnie do wykonywania nowych obiektów. Ze względu na wysoką wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość zmęczeniową oraz odporność na korozję pręty stały się znakomitą opcją dla tego typu konstrukcji, umożliwiając znaczące redukcje zużytego betonu, kosztów wykonawstwa i kosztów utrzymania oraz potencjalnych napraw wynikających z działania agresywnego środowiska i korozji.

Pręty FRP stały się również, z tych samych co powyżej powodów, popularne w budownictwie publicznym i kubaturowym. Ich wykorzystanie gwarantuje większe rozpiętości przy smuklejszej i lżejszej konstrukcji.

Wysoka odporność na korozję sprawia, że pręty pojawiły się również jako zbrojenie podłóg na gruncie i w obiektach przemysłowych, takich jak przede wszystkim oczyszczalnie ścieków i stacje uzdatniania wody, a także silosy, zbiorniki i chłodnie.

Dzięki neutralności magnetycznej, elektrycznej i cieplnej materiałów FRP pręty te można zastosować w elementach kolei magnetycznych lub konstrukcjach branży telekomunikacyjnej. Pręty te wykorzystywane są również masowo w obudowach pomieszczeń szpitalnych mieszczących urządzenia do rezonansu magnetycznego.

Znane są przykłady stosowania tego typu prętów w konstrukcjach fundamentów specjalnych, pali wielkośrednicowych i konstrukcjach geotechnicznych.

Pręty kompozytowe na bazie włókna szklanego znalazły także swoje ciekawe zastosowanie w technologii wykonywania tuneli tzw. Soft-Eye. Metoda ta polega na zastosowaniu prętów zbrojenia GFRP w konstrukcjach ścian szczelinowych zamiast tradycyjnej stali zbrojeniowej w miejscach planowanych otworów wykonywanych maszynami z tarczami wiertniczymi.

Z kolei zbrojenia aramidowe ze względu na ich znakomitą retencję obciążenia wybuchem stosowane są w konstrukcjach schronów, skarbców i tzw. rooms, czyli strategicznych pomieszczeń, które powinny ocalić życie ludzi nawet po katastrofie budynku.

Zobacz: Płyta konstrukcyjna z betonu zbrojonego włóknami stalowymi

Zbrojenia niemetaliczne. Podsumowanie

Rozwój wiedzy teoretycznej, a także praktyczne doświadczenia z realizacji konstrukcji zbrojonych prętami kompozytowymi w połączeniu z rosnącą liczbą dostępnych produktów doprowadzą w przyszłości do wzrostu popularności tego typu rozwiązań.

Analizy rynkowe i prognozy przeprowadzone przez ekspertów z Global Market Insights wskazują na stały wzrost zarówno globalnej produkcji, jak i wartości rynku prętów kompozytowych na całym świecie (rys. 2) i we wszystkich typach budowli (rys. 3).

Rys. 2. Rynkowa wartość i produkcja prętów kompozytowych wraz z prognozami (GMI 2020)

Rys. 3. Struktura rynku wykorzystania prętów kompozytowych na świecie na podstawie dostępnych danych i prognoz (GMI 2020)

Przedstawione wykresy dowodzą tego, że materiały FRP w postaci prętów zbrojenia zyskały uznanie przemysłu budowlanego, wzbudzają zaufanie projektantów, inwestorów i użytkowników.

Dla wzrostu popularności zbrojenia niemetalicznego nie bez znaczenia może być również strategia ochrony środowiska przyjęta w Europie i realizowana w procesach inwestycyjnych. Ten wciąż nowy w Polsce typ zbrojenia pozwala na zmniejszenie zużycia i produkcji stali, a więc na bardziej zrównoważoną gospodarkę ważnymi surowcami i zmniejszoną emisję CO2 przy produkcji stali. Ze względu na właściwości mechaniczne tych materiałów znacząco zmniejsza się zużycie betonu przez wykorzystanie smuklejszych przekrojów o większych rozpiętościach, co również ma wpływ na obniżenie emisji CO2 przy produkcji cementu, a także zmniejszenie zużycia wody i odpadów budowlanych. Znakomita trwałość przy wpływach zmęczeniowych i agresywnym środowisku wpływa znacząco na redukcję kosztów utrzymania i napraw konstrukcji, przedłużając okres jej eksploatacji.

Poważną barierą wstrzymującą projektantów i wykonawców przed masowym stosowaniem takiego zbrojenia jest wciąż brak uregulowań normatywnych. Polska historia wzmocnień FRP uczy jednak, że mimo braku normy regulującej ich obliczenia technika ta stała się najpopularniejszą metodą wzmocnień. Projektanci, wykonawcy i inwestorzy, widząc ogromne zalety stosowania materiałów FRP i ich długowieczność, zaczęli je masowo stosować. Czy tak będzie z prętami FRP? Jest wiele przesłanek, by tak sądzić.

Literatura

1. Górski, B. Kotala, R. Białozor, Rodzaje i właściwości zbrojenia niemetalicznego, XXXIII Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 2018.
2. Siwowski, D. Kaleta, M. Kulpa, Projekt pierwszego polskiego mostu drogowego z kompozytów FRP, „Inżynieria i Budownictwo” nr 71 (9)/2015.
3. Siwowski, M. Rajchel, A polish ap- proach to FRP bridges, „SSP – Journal of Civil Engineering”, vol. 12, Issue 2, 2017.
4. Global Market Insights: https://www.gminsights.com/industry-analysis/fiber-reinforced-polymer-frp-rebars-market, 2020.

dr inż. Marcin Górski
mgr inż. Eryk Goldmann

Sprawdź: Produkty budowlane