Zbrojenie niemetaliczne. Rodzaje i charakterystyka, zasady obliczeń

Do zbrojenia konstrukcji budowlanych od dawna wykorzystuje się elementy metalowe, jednak równocześnie od wielu lat prowadzone są badania nad zbrojeniem niemetalicznym, zwanym również kompozytowym, wytwarzanym z różnego rodzaju włókien o wysokiej wytrzymałości. Tego typu materiały w postaci siatek i prętów początkowo budziły wiele kontrowersji, ale obecnie zainteresowanie nimi zdecydowanie wzrasta.

Spis treści

1. Historia i rozwój zbrojenia w konstrukcjach budowlanych
2. Rodzaje i cechy materiałów FRP
3. Formy zbrojenia niemetalicznego i ich zastosowanie
4. Zasady obliczeń konstrukcji zbrojonych prętami niemetalicznymi - normy i regulacje 
5. Podsumowanie

Historia i rozwój zbrojenia w konstrukcjach budowlanych

Historia wykorzystania zbrojenia w konstrukcjach budowlanych sięga czasów starożytnych. Suszone na słońcu cegły wykonywano z błota wzbogaconego o ciętą słomę i inne materiały włókniste, które zapewniały stabilność świeżej mieszanki, powtarzalność kształtów i wymiarów elementów. Ponadto zapobiegały skurczowemu pękaniu, a ostatecznie poprawiały właściwości mechaniczne produktu – nośność i trwałość konstrukcji. Identyczne przesłanki przyświecają dzisiejszym inżynierom budownictwa, którzy świadomie wprowadzają zbrojenie w różnej postaci do materiałów i konstrukcji budowlanych.

Ponad 4000 lat rozwoju inżynierii materiałowej i technik budowlanych przyniosło wiele nowych materiałów i narzędzi, które czynią wznoszone konstrukcje bezpieczniejszymi i trwalszymi, ale też lżejszymi, łatwiejszymi w wykonawstwie oraz utrzymaniu i w końcu – tańszymi. Jednym z najważniejszych punktów zwrotnych w historii budownictwa było wprowadzenie przez François Coignet’a w 1852 roku zbrojenia metalicznego do betonu konstrukcyjnego, co rozpoczęło nową erę w historii budownictwa. Powszechne obecnie konstrukcje żelbetowe z wrażliwym na korozję zbrojeniem metalicznym podlegają degradującym je zjawiskom reologicznym, silnym wpływom środowiskowym, zmęczeniowym i innym.

W latach 30. XX w. pojawiły się pierwsze nowoczesne materiały włókniste – włókna szklane, a trzy dekady później – węglowe. To obecnie dwa najpowszechniejsze materiały bazowe zbrojeń niemetalicznych w budownictwie. W kolejnej dekadzie dołączyły do nich włókna aramidowe.

Pod koniec lat 80. XX w. materiały te zaczęły pojawiać się na rynku budowlanym w postaci zewnętrznych wzmocnień biernych konstrukcji, kilka lat później jako sprężenia w formie niemetalicznych cięgien i w końcu, w 1996 roku, jako zbrojenia niemetaliczne w formie prętów.

Nowe materiały, wykorzystujące polimerowe włókna wysokiej wytrzymałości, zanurzone w żywicznej osnowie, nazwano w Polsce kompozytami włóknistymi. Ta nazwa nie przyjęła się, jednak poza światem nauki i również w naszym kraju wykorzystuje się angielski termin Fibre Reinforced Polymers, a w zasadzie to skrót tej nazwy – FRP. Materiały te wchodziły na rynek budowlany z towarzyszącym im powątpiewaniem, dotyczącym głównie ich trwałości, lecz po niemal 40 latach ich stosowania stały się powszechne, zwłaszcza w obszarze wzmocnień konstrukcji. W ostatnich latach można także zaobserwować zwiększone zainteresowanie wewnętrznym zbrojeniem niemetalicznym w postaci prętów zbrojeniowych.

Rodzaje i cechy materiałów FRP

Rozwój inżynierii materiałowej przyniósł bardzo szeroką gamę włókien o wysokiej wytrzymałości, wykorzystywanych również w budownictwie, jednak największą popularność zyskały następujące włókna:

• szklane – Glass Fibre Reinforced Polymers – GFRP;
• węglowe – Carbon Fibre Reinforced Polymers – CFRP;
• aramidowe – Aramid Fibre Reinforced Polymers – AFRP;
• bazaltowe – Basalt Fibre Reinforced Polymers – BFRP.

Zbrojenie wykonane z materiałów FRP charakteryzuje się:

• wysoką wytrzymałością na rozciąganie, dochodzącą do 6000 MPa;
• niskimi wartościami odkształceń granicznych;
• możliwością doboru materiału do zbrojenia lub wzmocnienia o wysokiej wartości modułu Younga;
• znakomitą odpornością na wpływy dynamiczne i procesy zmęczeniowe;
• wysoką odpornością na większość czynników korozyjnych;
• brakiem właściwości magnetycznych;
• niskim ciężarem;
• łatwością kształtowania, umożliwiającą produkcję dowolnych elementów: siatek, taśm, mat, prętów, cięgien i kształtek o złożonym przekroju;
• nielimitowaną długością materiałów;
• możliwością pokrywania posypkami, co pozwala na poprawienie przyczepności.

Szczegółowe dane dla wybranych włókien przedstawiono w tab. 1 i na rysunku poniżej.

Formy zbrojenia niemetalicznego i ich zastosowanie

Pręty zbrojeniowe FRP

Najpowszechniej stosowanymi produktami FRP są zewnętrzne nakładki wzmacniające w postaci taśm i mat. Akcydentalnie stosuje się je także jako pierwotne zbrojenie konstrukcji, jednak – ze względu na marginalny charakter tego rozwiązania – niniejszy tekst koncentruje się na wewnętrznym zbrojeniu konstrukcji betonowych.

Najważniejszą grupą wykorzystywanych do tego celu produktów FRP są niemetaliczne pręty o przekroju kołowym i pobocznicy ukształtowanej w sposób zbliżony do prętów stalowych. Jest to bardzo dynamicznie rozwijający się sektor, a asortyment prętów niemetalicznych jest już w Polsce bardzo bogaty. Dość powiedzieć, że wielką rolę na tym rynku pełnią polscy producenci zbrojeń, którzy zyskali silną pozycję w kraju i rozszerzają swoje wpływy w innych krajach.

Najczęściej spotykane w Polsce produkty i ich właściwości opisano w tabeli 2. Ze względu na trudność kształtowania prętów o złożonej geometrii bezpośrednio na placu budowy producenci oferują również pręty odginane, strzemiona oraz elementy zakotwień prętów. Zakłady prefabrykacji zbrojenia oferują także scalone prefabrykowane przestrzenne szkielety zbrojenia.

Przeczytaj również:

• Czy beton może być niskoemisyjny? Rozwój i przyszłość cementów niskoemisyjnych
• Czy będziemy budować z betonu bez cementu? Co może zastąpić cement?

Tekstylia wykonane z włókien wysokiej wytrzymałości

Pręty FRP są najczęściej wykorzystywanym materiałem do niemetalicznych zbrojeń konstrukcji, niemniej na rynku pojawiają się kolejne, wytwarzane z wykorzystaniem włókien o podwyższonej wytrzymałości, które wzbudzają zainteresowanie projektantów i wykonawców.

Do tej grupy zbrojeń należą materiały tekstylne wykonane z filamentów włókien szklanych, węglowych, bazaltowych i innych (tabeli 3). Są to wyroby tkane, plecione lub łączone w inny sposób, o wątkach jedno- lub wielokierunkowych, stworzonych z jednego lub kilku typów włókien. Materiały te są chętnie stosowane przy wzmacnianiu i naprawach wzmacniających konstrukcje już istniejące, ale coraz częściej wykorzystuje się je również do zbrojenia nowych konstrukcji betonowych. Na świecie określane są jako Textile Reinforced Concrete (TRC) oraz Textile Reinforced Cementitious Matrix (TRCM), a w Polsce funkcjonuje już nazwa Teksbet. Mimo dużego potencjału siatki z niepodatnych na korozję włókien o wysokiej wytrzymałości dość rzadko stosowane są w Polsce do zbrojenia strukturalnego. Wykorzystuje się je raczej do warstw drugorzędnych, niekonstrukcyjnych i wykończeniowych. 

Zasady obliczeń konstrukcji zbrojonych prętami niemetalicznymi - normy i regulacje 

W przypadku zbrojeń niemetalicznych rzeczywistość znacząco wyprzedziła odpowiednie uregulowania prawne. Polska należy do czołowych producentów tego typu zbrojenia w skali europejskiej, a polscy projektanci chętnie korzystają z dostępnej gamy produktów za przyzwoleniem, a często też z inspiracji inwestora i wykonawców. Mimo podjętych prób przez polskie środowisko, nie powstały jeszcze polskie normy regulujące projektowanie i wykonawstwo zbrojonych w ten sposób konstrukcji.

Ustandaryzowane procedury obliczeń konstrukcji żelbetowych zbrojonych prętami niemetalicznymi pojawiają się na świecie od kilku dekad, powstały m.in. w Japonii (już w 1997 roku), Wielkiej Brytanii, Stanach Zjednoczonych i we Włoszech. Jednym z najważniejszych dokumentów, który uwzględniał specyfikę projektowania z wykorzystaniem zbrojenia polimerowego, był Model Code 2010 („Pre-norma Konstrukcji Betonowych. fib Model Code 2010. Polish National fib Group”, red J. Walraven, tłum. A. Ajdukiewicz, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2014), wydany przez fib (Fédération internationale du béton – Międzynarodową Federację Betonu Konstrukcyjnego). Dokument ten stał się podstawą do tworzenia m.in. europejskich zaleceń do projektowania takich konstrukcji.

Ogólnie zasady projektowania bazują na metodologii znanej z projektowania konstrukcji żelbetowych z wykorzystaniem tradycyjnego zbrojenia. Bazuje ona na następujących założeniach:

• obowiązuje hipoteza płaskich przekrojów;
• w przypadku rozciągania zakłada się znane modele materiałowe dla betonu i stali oraz idealnie sprężysto-liniowy model dla materiałów FRP;
• zakłada się idealną współpracę między betonem a zbrojeniem;
• pomijana jest wytrzymałość betonu na rozciąganie;
• graniczne odkształcenie betonu w strefie ściskanej wynosi maksimum 3,5‰;
• nie zaleca się uwzględniania prętów kompozytowych w obliczeniach nośności w strefie ściskanej w stanie granicznym nośności (CNR-DT 203/2006 „Guide for the Design and Construction of Concrete Structures Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Bar”, National Research Council, Rzym).

Aktualnie kończą się prace nad europejską normą prCEN/TS 19101 „Design of Fibre-polymer composite structures”, której publikacja planowana jest na 1 kwietnia 2023 roku, a proces jej tłumaczenia na języki narodowe rozpocznie się we wrześniu 2023 roku. Równolegle w kraju przy Polskim Komitecie Normalizacyjnym prowadzone są prace Komitetu Technicznego ds. projektowania konstrukcji budowlanych z kompozytów polimerowych (KT 329). Współpracuje on ściśle z zespołem Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego CEN/TC 250/WG 4 („Fibre reinforced polymer structures”) oraz CEN/TC 250/SC 2/WG 1/TG 1 („Task Group 1 Strengthening and reinforcing with fibre reinforced polymers”). Komitet zajmuje się projektowaniem, wykonawstwem oraz badaniem konstrukcji i materiałów budowlanych z kompozytów polimerowych.

Nieocenioną pomoc dla polskich projektantów w wymiarowaniu elementów żelbetowych stanowi obszerny przewodnik przygotowany w 2018 roku przez prof. Renatę Kotynię, w którym omawia ona specyfikę projektowania elementów żelbetowych w różnych sytuacjach wytrzymałościowych, a także podaje przykłady obliczeń wybranych przypadków (R. Kotynia, „Wymiarowanie i kształtowanie wybranych konstrukcji betonowych ze zbrojeniem niemetalicznym”, XXXIII Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, 2018, s. 295–408).

Podsumowanie

Włókna niemetaliczne o wysokiej wytrzymałości podbiły świat konstrukcji budowlanych. Obecnie trudno wyobrazić sobie lepszą i efektywniejszą metodę wzmocnień konstrukcji niż przy użyciu nakładek w postaci mat i taśm FRP. Pomimo wielu wątpliwości głośno wyrażanych ponad dwadzieścia lat temu przez środowisko (zarówno naukowców, jak i projektantów oraz wykonawców), obecnie nikt już nie kwestionuje trwałości i niezawodności tych materiałów.

Wydaje się, że polski rynek budowlany dojrzał już do rozszerzenia palety zastosowań materiałów FRP o niemetaliczne zbrojenie i zaczął je wykorzystywać jako pełnoprawny materiał budowlany. Świadczą o tym poważne inwestycje zrealizowane z wykorzystaniem tej techniki w budownictwie infrastrukturalnym i drogowym, jak pierwszy kompozytowy most w Błażejowej, czy np. inwestycje w budownictwie przemysłowym lub militarnym.

Niniejszy artykuł nie porusza wszystkich obszarów związanych z wykorzystaniem zbrojenia niemetalicznego. Należy jednak pamiętać o jego bardzo szerokim polu zastosowań w postaci zbrojenia rozproszonego do poprawienia własności mieszanki betonowej oraz cech wytrzymałościowych zbrojonego w ten sposób betonu, które wymagałoby odrębnego i obszernego omówienia. Warto również zwrócić uwagę na inne, ciekawe, niewystępujące jeszcze w Polsce elementy takiego zbrojenia, np. w formie deskowań traconych stropów płaskich.

Poważnym problemem, zniechęcającym polskich projektantów do stosowania zbrojenia niemetalicznego, jest brak odpowiednich norm i regulacji krajowych. Wobec wytężonych prac Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego i równoległych grupy KT 329 przy PKN istnieją realne przesłanki, że po wielu latach oczekiwań na normy regulujące wymiarowanie i stosowanie zarówno wzmocnień, jak i zbrojenia wewnętrznego FRP, polscy projektanci dostaną do ręki taki dokument w 2024 roku.

Należy również podkreślić, że fib kończy prace nad nowoczesnym Model Code 2020, który przypuszczalnie stanie się podstawą do kolejnych uregulowań europejskich. Można więc założyć, że w następnych latach nastąpi znaczące przyspieszenie w rozwoju tego sektora, a zbrojenie niemetaliczne uzyska status pełnoprawnego materiału konstrukcyjnego.