1. Tudományos Diákköri Konferencia
BME Építőmérnöki Kar
Építőanyagok Szekció
Budapest, 2014. november 11.
RÖGZÍTŐELEMEK VISELKEDÉSE
SZÁLERŐSÍTÉSŰ BETONBAN
Készítette: Marosi Bence BSc hallgató
Konzulensek:
Dr. Majorosné Dr. Lublóy Éva, egyetemi adjunktus, BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék
Hlavička Viktor, PhD. hallgató, BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék
Kovács-Sebestény Szabolcs, műszaki osztályvezető, FISCHER Hungária Bt.
2. SZÁLERŐSÍTÉS
- egyre inkább terjedő technológia
- szerteágazó alkalmazási terület
- hazai példák:
Nagyerdei Stadion (Debrecen)
3-as villamos pálya (Szeged)
Ülőkavicsok (Budapest, Corvin negyed)
RÖGZÍTÉSTECHNIKA
- változatos fogadóanyagok
- növekvő igény a nagyobb teherbírásra
- beton esetében a teherbírás felső korlátja
sokszor a fogadóanyag tulajdonságaiból adódik
Kérdés: a szálerősítés
alkalmazása
növeli-e a teherbírást?
Cél: a szálerősítés hatásának
igazolása, vagy cáfolása
a rögzítőelemek teherbírására
Eszközök: laboratóriumi
vizsgálatok
2
+=?
3. Mit vizsgáltunk pontosan?
RÖGZÍTÉSTECHNIKA
3 különféle, utólagos
rögzítésű elem viselkedését
és teherbírását
- FischerEM V 390 S epoxi
ragasztót
- Fischer FIS V 360 S vinilészter-hibrid
ragasztót
- Fischer FBN
nyomatékkontrollált
rögzítőelemet
SZÁLTÍPUSOK
2 eltérő anyagú, geometriájú és
funkciójú szálat
- 18mm hosszú, egyenes
polipropilén mikro szál
Adagolás: 1 kg/m3
- 35mm hosszú, hullámos acél
makro szál
Adagolás: 78,5 kg/m3
BETON
Egy korábbi diplomamunka
keverékét vettük alapul, így az
eredményeket össze tudtuk
hasonlítani a szálerősítés nélküli
értékekkel
Anyagminőség: C16/20
3
4. Vizsgálati módszerek
CSUKLÓ
ERŐMÉRŐ
CELLA CSUKLÓ
RÖGZÍTŐELEM
ELMOZDULÁS-MÉRŐ
BETON PRÓBATEST
CSUKLÓ
KIHÚZÓKÍSÉRLET
- terhelőgép: ISTRON 1197
- eredmények rögzítése: Catman
szoftverrel
- cél: tiszta húzás modellezése
- a vizsgálat tárgya:
- a tönkremenetelhez
tartozó maximális erők
- és a tönkremeneteli
módok
TOVÁBBI KÍSÉRLETEK
- nyomószilárdság
vizsgálat
- hajlító-húzószilárdság
vizsgálat
- látszólagos porozitás
vizsgálat
A vizsgálatok célja a szálerősítés
hatásának elemzése a fenti
paraméterekre
LESZORÍTÓ
KERET
4
5. A lehetséges tönkremeneteli módok
Acél szárszakadás (1)
Kihúzódás
- ragasztó elnyíródás
- tapadószilárdság kimerülése
- részleges elnyíródás (2)
Szakadókúp
- részleges szakadókúp (3)
- teljes szakadókúp
Próbatest felhasadása (4)
Rideg Duktilis
A kísérletek során mind a négy
fő típussal találkoztunk, a két
leginkább jellemző
azonban a
kihúzódás és a szakadókúp
volt
Általában cél a minél
duktilisabb tönkremenetel,
mert lassabb, ezért
könnyebben észrevehető, és
így biztonságosabb
5
(1)
(2)
(3)
(4)
8. Kísérleti eredmények III. – nyomatékkontrollált kapcsolat
Szálerősítés nélkül:
- tönkremeneteli mód: szakadókúp
Műanyag szálerősítés esetén:
- 13%-os teherbírás növekedés
- tönkremeneteli mód: szárszakadás
- kedvezőbb tönkremeneteli mód
Acél szálerősítés esetén:
- 10%-os teherbírás növekedés
- tönkremeneteli mód: szárszakadás
- kedvezőbb tönkremeneteli mód
13.58 13.94 13.26
16.65 16.80
14.58
15.87
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Szál nélkül Műanyag sz á l a s Acélszálas
Tönkremenetelhez tartozó erő [kN]
8
9. Kísérleti eredmények IV. – Műanyag szálerősítés hatása
EPOXI RAGASZTÁS
4%-os teherbírás növekmény
Eredetileg (szálerősítés nélkül
kialakuló) szakadókúpos
tönkremenetel helyett a próbatest
szakadt fel
Ridegebb tönkremenetel
Oka: a szálak egybetartották a
kialakulni akaró szakadókúpot, de
az egész próbatestet már nem
tudták
-
VINILÉSZTER-HIBRID
RAGASZTÁS
19%-os teherbírás csökkenés
Oka: a szálak adagolásával
növekvő porozitás miatti
lecsökkent betonszilárdság, a
ragasztó kis viszkozitása és a
műanyag szálak kis teherbírása
Kombinált tönkremenetel (nem
változott)
-
NYOMATÉKKONTROLLÁLT
KAPCSOLAT (FBN)
13%-os teherbírás növekmény
Jellemző tönkremenetel: acél
szárszakadás
Duktilisabb tönkremenetel
Oka: a szálak egybetartották a
kialakulni akaró szakadókúpot
annyira, hogy a rögzítőelem
teherbírása váljon mértékadóvá
+
9
10. Kísérleti eredmények V. – Acél szálerősítés hatása
EPOXI RAGASZTÁS
22%-os teherbírás növekmény
Eredetileg is szakadókúpos
tönkremenetel és acél szálerősítés
esetén is
Oka: a szálak képesek összetartani
a felszakadni akaró próbatestet, és
a menetes szár is kellően nagy
szilárdságú
+
VINILÉSZTER-HIBRID
RAGASZTÁS
48%-os teherbírás növekmény
Kombinált tönkremenetel
Oka: ez a tönkremenetel jellemző
a vinilészter-hibrid ragasztókra –
mivel a tönkremenetel a
ragasztóban indul el, így elértük
annak határteherbírását
+
NYOMATÉKKONTROLLÁLT
KAPCSOLAT (FBN)
10%-os teherbírás növekmény
Jellemző tönkremenetel: acél
szárszakadás
Duktilisabb tönkremenetel
Oka: a szálak egybetartották a
kialakulni akaró szakadókúpot
annyira, hogy a rögzítőelem
teherbírása váljon mértékadóvá
+
10
11. Eredmények összegzése – konklúzió I.
Szálerősítés
TÖNKREMENETELI MÓD
Műanyag szálerősítés: esetenként ridegebb, esetenként
duktilisabb tönkremenetelt okoz
Acél szálerősítés: általában a szálerősítés nélkülivel egyező,
esetenként duktilisabb tönkremenetelt okoz
KAPCSOLATI TEHERBÍRÁS
Műanyag szálerősítés: esetenként növeli, esetenként
csökkenti a teherbírást
Acél szálerősítés: kivétel nélkül minden esetben (legalább 10%,
maximum közel 50%-ban) növelte a teherbírást
Hatás Hatás
11
12. Eredmények összegzése – konklúzió II.
A műanyag mikro szálak
alkalmazásának hatása van a
kapcsolatok teherbírására és
tönkremeneteli módjára
egyaránt, azonban ez nem
mindig pozitív számunkra
Az acél makro szálak
alkalmazásának hatása mind
a teherbírásra mind a
tönkremeneteli módra
pozitív. Az előnyök inkább a
ragasztott kapcsolatoknál, azon
belül is legjobban a vinilészter-hibrid
ragasztásnál jelentkeztek.
„Cél: a szálerősítés hatásának
igazolása, vagy cáfolása
a rögzítőelemek teherbírására”
A hatás egyértelmű
igazolásával a TDK munka
elérte a célját.
További kérdések merültek
azonban fel, amiket nem
vizsgáltunk:
- a szálerősítés hatása a kialakuló
szakadókúpok méretére és
alakjára
- a kísérletek végeselemes
modellezése
12
13. További kutatási lehetőségek
Statikus vizsgálatok Dinamikus vizsgálatok, tűzhatás
Alapul véve a kapott
eredményeket új
kutatási irányok
nyíltak meg,
valamint hosszú
távon új célokat
fogalmaztunk meg.
Mivel az acél makroszálak tisztán
pozitív hatást mutattak, érdemes
megvizsgálni a műanyag
makroszálakat is
Különböző típusú és rögzítési
mélységű elemek viselkedésének
vizsgálata
A szálerősítésű betonban rögzített
elemek viselkedésének vizsgálata
különböző terhekre és hatásokra,
például tűzhatásra, vagy dinamikus
teherre.
Hosszútávú cél: olyan ipari
méretezési eljárás megalkotása,
amely képes figyelembe venni a
szálerősítés hatását a rögzítőelemek
teherbírására
Statikus vizsgálatok
Hosszú távú cél (ipari használat)
13
14. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
• Köszönöm Dr. Majorosné Dr. Lublóy Éva adjunktusnak, Hlavička Viktor PhD.
hallgatónak és Kovács-Sebestény Szabolcs mérnök Úrnak a segítséget és az
útmutató szakmai tanácsokat
• Külön köszönöm Dr. Salem George Nehme docens Úrnak a betonreceptúra
összeállítását
• Köszönöm továbbá a FISCHER Hungária Kft.-nek a vizsgálathoz biztosított termékeket
• Valamint köszönöm a BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék dolgozóinak
segítségét a labormunkákban
Köszöntöm a tisztelt Elnök urat a zsűritagokat, és a kedves érdeklődőket.
Marosi Bence vagyok, BSc-s építőmérnök hallgató, a TDK dolgozatom témája pedig a Rögzítőelemek viselkedése szálerősítésű betonban.
Az előadást a szálerősítés és a rögzítéstechnika – a két dolgozatban érintett szakterület – rövid áttekintésével kezdem.
A szálerősítés, A. Berard 1874-es szabadalma óta ismert, tömeges elterjedése azonban csak az 1960-as évek utántól jellemző. Ma Magyarországon is egyre inkább terjed a technológia, annak sokféle felhasználási lehetősége miatt.
Szálerősítést alkalmaztak például a debreceni Nagyerdei Stadion építésénél, a szegedi hármas villamos pályafelújításánál, sőt a budapesti Corvin negyed ülőkavicsainak kialakításánál is.
A rögzítéstechnika mára számos különböző fogadóanyag, rögzítőelem és rögzítési mód együttesét jelenti, amelyekkel szemben egyre nőnek az elvárások. Talán a legtriviálisabb igény a teherbírás növelése.
A ragasztott rögzítőelemek fejlődése mára odáig jutott, hogy a kapcsolati teherbírás sok esetben a beton fogadóanyag szilárdságának függvénye, így ha tovább szeretnénk növelni a teherbírást valahogyan meg kell növelnünk a beton szilárdságát.
Mivel a szálerősítés növeli a beton szívósságát és húzóvizsgálatok esetében csökkenti a próbatest felhasadásának valószínűségét, adódik a kérdés, hogy kihasználhatók-e ezek az előnyök a rögzítéstechnikában is.
A TDK dolgozat célja a szálerősítés hatásának igazolása vagy cáfolása az utólagosan rögzített elemek kapcsolati teherbírására. A kérdés eldöntésére laboratóriumi vizsgálatokat végeztem.
A vizsgálatok során három különböző utólagos rögzítési rendszert vizsgáltam: egy epoxi ragasztást, egy vinilészter-hibrid ragasztást és egy nyomatékkontrollált (FBN típusú) kapcsolatot.
A különböző rögzítési rendszerek mellett kétféle, lényegesen eltérő mechanikai tulajdonságú és felhasználású száltípust vizsgáltam. Egy 18mm hosszú, egyenes mikro műanyag száltípust (amely első sorban a friss beton tulajdonságait befolyásolja), és egy 35mm hosszú hullámos makro acél száltípust (ami a megszilárdult beton tulajdonságait javítja).
A beton receptúra állandó volt a vizsgálatok során, és úgy került megválasztásra, hogy egy korábbi diplomamunka eredményeivel (amelyben ugyan ezen rögzítőelemek viselkedését vizsgálta a szerző szálerősítés nélküli betonok esetében) összehasonlíthatók legyenek a most kapott eredmények.
A kísérleteknek tehát két változó paramétere volt: a száltípus és a rögzítési rendszer.
A legfontosabb kísérlet a TDK munkám során a kihúzókísérlet volt. Ennek elvi összeállítását szemlélteti az ábra. A vizsgálatot INSTRON 1197-es terhelőgéppel végeztük, az mért adatokat a CATMAN szoftverrel rögzítettük. Célunk a tiszta húzás modellezése volt, erre szolgálnak a csuklók (megmutatni). A 300x300x100 mm-es próbatesteket egy középen kör alakban kivágott leszorító kerettel rögzítettük, hogy a szakadókúp gátolatlanul létrejöhessen. A terhelés során a terhelő erőt és a kialakuló elmozdulásokat folyamatosan mértük és rögzítettük.
A kihúzókísérlet mellett végeztünk nyomószilárdság vizsgálatot, hajlító-húzószilárdság vizsgálatot, valamint látszólagos porozitás vizsgálatot is.
Mielőtt a kísérleti eredményeket bemutatnám, röviden beszélek a tönkremeneteli módokról, ugyanis ezeknek fontos szerepe lesz a későbbiekben.
Négy alapvetően eltérő tönkremeneteli módot különböztetünk meg: acél szárszakadást (ez a leginkább duktilis tönkremenetel), kihúzódást, szakadókúpot és a próbatest felhasadását, ami a legridegebb tönkremenetel.
A kihúzódáson belül három alcsoport van: a ragasztó elnyíródás, amikor a ragasztó nyírószilárdsága merül ki, a tapadószilárdság kimerülése, amikor a ragasztó és a fogadóanyag közötti tapadószilárdság merül ki, illetve a részleges elnyíródás, ahol ezek kombinálódnak. A szakadókúpos tönkremenetelen belül megkülönböztetünk részleges szakadókúpot, ahol a tönkremenetel valamilyen ragasztóban elinduló tönkremenetellel kombinálódik, és így a kialakuló kúp magassága kisebb, mint a rögzítési mélység, és teljes szakadókúpot.
Most pedig rátérek a kísérleti eredmények bemutatására.
A diagram az epoxi ragasztó hatását mutatja a tönkremenetelhez tartozó maximális erők alakulására a három alapesetben: szálerősítés nélküli, műanyag szálerősítésű és acél szálerősítésű esetben. (A szálerősítés nélküli értékek Hlavička Viktor diplomamunkájából származnak.)
Látható, hogy epoxi ragasztás és műanyag szálerősítés esetén átlagosan 4%-os teherbírás növekedést tapasztaltunk, viszont a próbatesteink az eredeti szakadókúpos tönkremenetel helyett felhasadással mentek tönkre, ami egy ridegebb tönkremenetel. Ennek oka az lehet, hogy a szálak összetartották a kialakulni akaró szakadókúpot, de az egész próbatestet már nem tudták.
Acél szálerősítés esetén azonban az epoxi ragasztással kialakított kapcsolatok 22%-os teherbírás-növekedést mutattak, és ismét szakadókúppal mentek tönkre, mert az acél szálak már kellően erősek voltak ahhoz, hogy egybetartsák és ne engedjék felhasadni a próbatestet.
Vinilészter-hibrid ragasztóval kialakított kapcsolatok esetében a tönkremeneteli módok változása nem figyelhető meg, viszont a teherbírás változása nagymértékű.
Műanyag szálerősítés esetén 16%-os teherbírás csökkenést tapasztaltunk, aminek az oka feltehetőleg a szálak bevitelével megnövekedett porozitással, és a ragasztó (epoxihoz képesti) kisebb viszkozitásával magyarázható, ugyanis a vinilészter-hibrid nem volt képest mélyen a fogadóanyag szerkezetébe hatolni megszilárdulása előtt.
Ugyanakkor acél szálerősítés esetén átlagosan 48%-os teherbírás növekedést mértünk, ami kiugróan magas érték. Ez a dolgozat során a legszemléletesebb eredmény.
A harmadik csoport a nyomatékkontrollált kapcsolatok csoportja. Itt egybe kezelem a műanyag és az acél szálerősítést, mert mérési hibahatáron belül egyező hatást gyakoroltak a kapcsolatra. Mindkét szálerősítés körülbelül 10%-kal növelte a teherbírást, és ezzel az eredetileg szakadókúpos tönkremenetelt szárszakadásra változtatta. Itt tehát nem egyértelmű, hogy a szálak csak 10%-nyi teherbírás növekményt képesek előidézni, csak a rögzítőelem szakítószilárdságának elérése miatt nem tudtunk pontosabb méréseket végrehajtani.
Most pedig áttérek a kísérleti eredmények egy másik szempontú kiértékelésére a szálerősítés függvényében.
A dián a műanyag szálerősítés hatását látjuk a három féle rögzítési rendszerre. Epoxi ragasztásnál nem okozott számottevő teherbírás növekményt, viszont egy ridegebb tönkremenetelt okozott, tehát itt negatív hatása volt a szálaknak.
Vinilészter-hibrid ragasztás esetén közel 20%-os teherbírás csökkenést okoztak a szálak, ami szintén negatív hatás. A tönkremenetel ebben az esetben nem változott.
Nyomatékbíró kapcsolatok esetében 13%-os teherbírás növekedéshez vezetett a műanyag szálerősítés alkalmazása, és a tönkremeneteli mód is duktilisabbá vált. Mindkét változás pozitív számunkra.
Látható tehát, hogy a műanyag mikro szálak alkalmazása az esetek többségében negatív hatással volt a kapcsolati teherbírás és a tönkremeneteli mód együttesére.
Ez a dia az acél szálerősítés hatásának összegzésével foglalkozik. Epoxi ragasztás esetén 22%-os teherbírás növekedést tapasztaltunk, míg a tönkremeneteli mód nem változott. Ez tehát pozitív hatás.
Vinilészter-hibrid ragasztás esetén 48%-os teherbírás növekményt mértünk kombinált tönkremeneteli mód mellett. Ebből látszik, hogy a tönkremenetel a ragasztóban indul el, tehát a szálerősítés nélküli teljes szakadókúphoz képest itt a teherbírás döntően nem a fogadóanyag függvénye.
Nyomatékkontrollált FBN kapcsolatoknál 10%-os a teherbírás növekménye, de egy duktilisabb tönkremenetel mellett merül ki a kapcsolat teherbírása, ami az acél szár szakadásával jár.
Látható tehát, hogy az acél szálerősítés minden esetben növelte a teherbírást, és a tönkremeneteli módot is csak előnyünkre változtatta (ha változtatta).
Következzen az eredmények összegzése.
A korábban bemutatott eredményekből látszik, hogy a szálerősítés alkalmazásának egyértelműen hatása van mind a tönkremeneteli módra, mind pedig a kapcsolati teherbírásra.
A tönkremeneteli módot a műanyag szálerősítés ridegebb és duktilisabb irányba is befolyásolhatja, az acél szálerősítés csak duktilisabb tönkremenetelt okozott.
A kapcsolati teherbírásnál hasonló a helyzet. A műanyag mikro szálak esetenként csökkentették, esetenként növelték a kapcsolati teherbírást, míg az acél makro szálak minden esetben növelték azt.
Itt utalnék vissza a TDK munka céljára: a szálerősítés hatásának igazolása a teherbírásra és a tönkremeneteli módra egyaránt megtörtént, ezzel a dolgozat elérte célját.
A munka során azonban merültek fel bennünk új, eddig megválaszolatlan kérdések, amiket nem vizsgáltunk, például, hogy hogyan befolyásolja a szálerősítés a kialakuló szakadókúpok térfogatát és alakját? Emellett érdekes lenne a kísérletek végeselemes modellezése is, a mechanikai viselkedés alaposabb megértése érdekében.
A felmerült és meg nem válaszolt kérdések, valamint a jelen dolgozat eredményei alapján felvázolhatók a további kutatási lehetőségek.
Statikus vizsgálatokkal érdemes lenne megvizsgálni a műanyag makro szálak viselkedését is, mivel az acél makro szálak minden esetben pozitív hatást gyakoroltak a kapcsolat jellemzőire.
Szintén statikus vizsgálatokkal eltérő típusú és rögzítési mélységű kapcsolatok vizsgálatára lenne szükség, hogy további adatok álljanak rendelkezésünkre.
A statikus mellett dinamikus vizsgálatok és a tűzhatás vizsgálata is érdekes téma lehet a rögzítéstechnikában, a hosszútávú cél azonban az iparhoz kötődik: olyan méretezési rendszert szeretnénk létrehozni, amely képes figyelembe venni a szálerősítés hatását a rögzítőelemek teherbírására, ezzel hatékonyabban működő, és nagyobb teherbírású kapcsolatok kialakítását téve lehetővé.
Végül szeretném megköszönni a segítséget és az útmutató szakmai tanácsokat konzulenseimnek, Dr. Lublóy Évának, Hlavička Viktornak és Kovács-Sebestény Szabolcsnak.
Külön köszönettel tartozom Dr. Salem George Nehme tanár úrnak a betonreceptúráért, a FISCHER Hungária Kft-nek a rendelkezésemre bocsátott termékekért, és az Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék munkatársainak a laboratóriumi munkában nyújtott segítségükért.
Köszönöm megtisztelő figyelmüket, és várom a kérdéseiket!
