WPROWADZENIE I ZAKRES ARTYKUŁU
Na przestrzeni dziejów materiały budowlane były wzmacniane różnymi dodatkami. W czasach starożytnych do wzmacniania zaprawy używano końskiego włosia, a do wzmacniania cegieł mułowych – słomy. W pierwszych dekadach XX wieku odkryto możliwości wykorzystywania włókien azbestu w betonie. Lata pięćdziesiąte XX wieku to czas pojawienia się materiałów kompozytowych, co zwróciło uwagę badaczy na materiał budowlany, jakim jest beton zbrojony włóknami. W nowoczesnym budownictwie, do poprawy właściwości kompozytów stosuje się włókna pochodzące z różnych materiałów, takich jak ceramika, tworzywa sztuczne, cement i wyroby gipsowe. 
W ostatnim czasie, w branży budowlanej obserwuje się rosnący trend wykorzystywania w zastosowaniach konstrukcyjnych i niekonstrukcyjnych betonu zbrojonego włóknami stalowymi (BWWS) w miejsce betonu tradycyjnego. Liczne badania wykazały, że BWWS posiada szereg zalet w porównaniu z tradycyjnym betonem, takich jak zwiększona wytrzymałość na rozciąganie, wyższa odporność na pękanie, zwiększona trwałość i zwiększona odporność na zmęczenie, uderzenia i ścieranie. Szereg dostępnych publikacji na ten temat wskazuje na konieczność dokładnego ustalenia działania systemów mocujących stosowanych z tego rodzaju specjalistycznym betonem. Jednakże, do niedawna rozwiązania kotwiące nie uzyskały jakiejkolwiek Europejskiej Aprobaty Technicznej (ETA). 
Dziś, firma Hilti oferuje pierwsze kotwy posiadające aprobatę do wykorzystania w BWWS. Cel niniejszego artykułu jest trojaki: podkreślenie znaczenia rosnącego trendu stosowania tego specjalistycznego betonu, przegląd istniejących przepisów dotyczących kotwienia w BWWS oraz przekazanie informacji na temat systemów Hilti aprobowanych do stosowania w BWWS: HAS-D z HIT-HY 200-A V3/-R V3 i HUS4 ze stali węglowej. 

ZNACZENIE ZAGADNIENIA
Aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na coraz szersze zastosowania, grupa ekspertów EOTA ds. mocowań (EGF) skupiła się ostatnio na włączeniu betonu zbrojonego włóknami stalowymi i pełnego zakresu klas wytrzymałości betonu określonych w normie EN 1992-4:2018 do europejskich dokumentów oceny (EAD) [1]. Najnowsze aktualizacje kwalifikacji elementów złącznych, takie jak dokument EAD 330499-02-0604 i wariantowy EAD 330232-01-0601-v05 [2] [3] wprowadzają programy testowe do kwalifikacji elementów złącznych zarówno w betonie zwykłym (C12/15 – C90/105, zgodnie z EN 1992-4:2018), jak i betonie zbrojonym włóknami stalowymi (BWWS; klasy wytrzymałości od C20/25 do C50/60). 
Dokumenty oceny EAD 330499-02-0604 i EAD 330232-01-0601-v05 zostały niedawno zatwierdzone przez Komisję Europejską. Przewidziane w ich ramach programy oparte są na metodologii badania betonu zwykłego, lecz uwzględniają dodatkowe serie prób w BWWS dla wykazania równoważności, a także zawierają wymóg zgodny z normą EN 14889, określający maksymalny limit objętości włókien stalowych w betonie wynoszący 80 kg/m³. 
Do celów projektowych w odpowiednich dokumentach ETA zostanie podane oświadczenie umożliwiające stosowanie przepisów normy EN 1992-4 w przypadku elementów mocujących odpowiednio kwalifikowanych do użytku w BWWS. Obciążenia statyczne/quasi-statyczne i sejsmiczne oraz ogniotrwałość są już uwzględnione w dokumencie EAD 330232-01-0601-v05, podczas gdy cykliczne obciążenia zmęczeniowe nie są obecnie uwzględnione w EOTA. 
W najbliższym czasie należy spodziewać się publikacji dokumentu EAD 330499-02-0604 oraz dokumentu wariantowego EAD 330232-01-0601-v05 w oficjalnym dzienniku Unii Europejskiej. Oceny ETA mogą być wydawane już obecnie.
Możliwość kwalifikacji na poziomie krajowym, na przykład w toku ogólnej aprobaty projektowej w Niemczech ("Allgemeine Bauartgenehmigung"), pozostaje dostępna w przypadku warunków nieregulowanych, takich jak cykliczne obciążenie zmęczeniowe. 
Trwająca rewizja Eurokodów w dokumencie będącym następcą normy EN 1992-1-1 obejmie projektowanie betonu zbrojonego włóknami stalowymi w nowym załączniku informacyjnym. W tym miejscu należy podkreślić, że nowe przepisy dotyczące elementów mocujących w betonie obejmują wyłącznie włókna stalowe, a nie inne rodzaje włókien, ani kombinacje włókien stalowych i innych rodzajów włókien.

BETON ZBROJONY WŁÓKNAMI STALOWYMI
Zwykły, niezbrojony beton posiada niską wytrzymałość na rozciąganie i niską odkształcalność przy zerwaniu. Zachowanie betonu przy pękaniu poprawić można poprzez dodanie do mieszanki włókien stalowych. Powoduje to przekształcenie kruchej matrycy konwencjonalnego betonu w materiał kompozytowy, wzmocniony losowo zorientowanymi, krótkimi i nieciągłymi włóknami stalowymi o określonej geometrii. Najważniejszymi właściwościami BWWS są: ulepszone właściwości nośne, ograniczenie rozwarcia pęknięć, zwiększona odporność na wstrząsy i ścieranie, zwiększona odporność na łuszczenie oraz wcześniejsza widoczność uszkodzeń. W przypadku rozpoczęcia pękania w BWWS, siły wewnętrzne są skutecznie przenoszone przez włókna, optymalizując rozdział naprężeń w przekroju elementu (patrz rysunki 1 i 2). Zalety te sprawiają, że BWWS znajduje coraz więcej zastosowań (np. posadzki przemysłowe) w środowiskach o wysokich obciążeniach statycznych i udarowych [4]. 
Ponadto, włókna stalowe mogą nawet do pewnego stopnia zastąpić standardowe zbrojenie prętami, ponieważ zbrojenie włóknami stalowymi jest procesem bardziej wydajnym przy wykonywaniu dużych powierzchni, np. posadzek przemysłowych.


Rysunek 1: Rozkład naprężeń w betonie zwykłym [5] Rysunek 2: Rozkład naprężeń w betonie zbrojonym włóknami stalowymi [5]
WŁÓKNA STLOWE
Włókna stalowe zwykle charakteryzowane są według ich kształtu, przekroju oraz długości, współczynnika kształtu i wytrzymałości na rozciąganie. Współczynnik kształtu, definiowany jako długość włókna podzielona przez równoważną średnicę włókna, wpływa na maksymalną objętość włókna na metr sześcienny betonu. W betonie zawierającym normalne ilości kruszywa grubego, przekroczenie 1% dawki włókien stalowych (około 80 kg/m3) jest rzadkie ze względu na interferencję i wpływ na urabialność między włóknami a kruszywem grubym. Zazwyczaj włókna stalowe stanowią od 0,3% do 0,6% całkowitej objętości betonu (od 25 do 45 kg/m3), przy czym większe dawki stosuje się w betonie specjalistycznym z minimalną ilością kruszywa grubego.
Norma EN 14889-1 "Włókna do betonu, Część 1: Włókna stalowe – Definicje, wymagania i zgodność" klasyfikuje włókna stalowe według pięciu grup [6]. Włókna z grupy I to – najczęściej stosowane – włókna stalowe:
• Grupa I: Drut ciągniony na zimno
• Grupa II: Cięte z blachy
• Grupa III: Ekstrahowane ze stopu
• Grupa IV: Drut skrawany ciągniony na zimno
• Grupa V: Frezowane z bloków


Rysunek 3: Przykład włókien stalowych

TYPOWE ZASTOSOWANIA
We współczesnym budownictwie konwencjonalny beton zbrojony włóknami (FRC), podobnie jak BWWS, jest szeroko stosowany w posadzkach przemysłowych. Jego głównym przeznaczeniem jest redukcja przedwczesnych pęknięć skurczowych i zwiększanie odporności na obciążenia udarowe lub ścieranie. W tego typu zastosowaniach wykorzystywane są również kotwy montowane w słupkach, zabezpieczające komponenty przemysłowe lub ciężkie maszyny. Występujący w BWWS mechanizm mostkowania pęknięć włókien i obniżona kruchość niszczenia betonu poprawiają nośność tego materiału, czyniąc go idealnym podłożem do montażu kotew betonowych [4]. 

Rysunek 4: Posadzki przemysłowe Rysunek 5: Budownictwo (prefabrykaty)

Około 60% wszystkich nowych posadzek przemysłowych jest obecnie wykonywanych przy użyciu betonu z włóknami stalowymi. Są one szczególnie popularne w miejscach, w których posadzki betonowe muszą wytrzymywać duże obciążenia mechaniczne, np. w magazynach wysokiego składowania, halach produkcyjnych lub centrach logistycznych.
Beton zbrojony włóknami stalowymi wykorzystywany jest także w budownictwie. Stosowanie włókien stalowych w fabryce prefabrykatów może znacznie zoptymalizować prowadzone procesy technologiczne, przynosząc znaczne oszczędności. Inne zastosowania SRFC mogą obejmować włókna wmieszane w cienkie elementy betonowe, na przykład w sektorze mieszkaniowym, torkretowania i zastosowania w konstrukcjach specjalistycznych.
Chociaż w tunelach stosowane są włókna stalowe, w większości przypadków zawierają one również część włókien polimerowych, zapobiegając odpryskom w przypadku pożaru.

ZATWIERDZONE SYSTEMY KOTWOWE HILTI

Rysunek 6: Zatwierdzone systemy kotwowe Hilti do stosowania w BWWS

Kotwy HAS-D z HIT-HY 200-A V3 oraz -R V3
Ocena ETA-18/0972 dla kotew HAS-D z systemami iniekcyjnymi Hilti HIT-HY-200-A, -R i -R V3 została uzupełniona w listopadzie 2023 r. o właściwości użytkowe systemu pod wpływem obciążeń statycznych i quasi-statycznych w BWWS z włóknami stalowymi grupy I, do maksymalnej zawartości włókien wynoszącej 80 kg/m3 [7].
W oparciu o tę aktualizację, kotwy HAS-D można obecnie projektować zgodnie z normą EN 1992-4 również w BWWS. Ponadto w marcu 2024 r. wydano niemiecką krajową aprobatę abG Z-21.3-2155 w celu oceny właściwości użytkowych HAS-D pod wpływem cyklicznego obciążenia zmęczeniowego, w odniesieniu do danych przedstawionych w ocenie ETA-18/0978 [8].


Rysunek 7: Ocena ETA 18/0972 HAS-D dotycząca obciążenia statycznego Rysunek 8: Ocena abG Z-21.3-2155 dla HAS-D dotycząca obciążenia zmęczeniowego

Kotwa wkręcana HUS4 
Ocena ETA-20/0867 dla kotwy wkręcanej Hilti HUS4 (wersja ze stali węglowej) została zaktualizowana w kwietniu 2024 r. w celu rozszerzenia jej dopuszczenia do stosowania w BWWS z włóknami stalowymi grupy I, do maksymalnej zawartości 80 kg/m3.


Rysunek 9: Ocena ETA 20/0867 kotwy wkręcanej Hilti HUS4
Ocena ETA obejmuje obciążenia statyczne i sejsmiczne C1, lecz nie obciążenia sejsmiczne C2. Odnośnie możliwości regulacji kotwy: podczas gdy w przypadku produktów HUS4 i normalnego betonu dopuszcza się regulację dwukrotną, w przypadku BWWS funkcja ta zakładana jest wyłącznie w średnicach 12, 14 i 16 [9].

Projektowanie w programie PROFIS Engineering
W związku z najnowszymi aktualizacjami ocen ETA wspomnianymi w poprzednim rozdziale, firma Hilti zaktualizowała również oprogramowanie PROFIS Engineering, uwzględniając BWWS jako nowy materiał podłoża, który można wybrać zarówno w wersji standardowej, jak i premium. Dla przypomnienia, standardowa licencja obejmuje wyłącznie sztywne płyty podstawy, podczas gdy wersja premium pozwala na bardziej złożone projekty połączeń stalowych, które uwzględniają również dostosowania płyty podstawy w oparciu o metodę elementów skończonych opartą na komponentach (CBFEM). 

Rysunek 10: Program PROFIS Engineering z możliwością konfiguracji betonu BWWS.

Rodzaj betonu można teraz wybrać za pomocą menu rozwijanego (patrz rys. 10 powyżej). Dla betonu zbrojonego włóknami stalowymi można wybrać beton zarysowany lub niezarysowany; dostępne są także te same kategorie wytrzymałości jak w przypadku zwykłego betonu. 

Raport z obliczeń
Raport projektowy generowany przez program PROFIS Engineering zostanie również przystosowany do scenariuszy założenia betonu zbrojonego włóknami stalowymi. Poniżej przedstawiono przykładowy raport z obliczeń.

Rysunek 11: Raport z programu PROFIS Engineering wskazuje na zastosowanie BWWS jako materiału podłoża.

WNIOSKI
Podsumowując, historyczna ewolucja materiałów budowlanych doprowadziła do obecnego trendu wykorzystywania betonu zbrojonego włóknami stalowymi (BWWS) w budownictwie, a stosowanie tego rodzaju specjalistycznego betonu staje się coraz bardziej powszechne. BWWS oferuje kilka zalet w porównaniu z betonem tradycyjnym, w tym zwiększoną wytrzymałość na rozciąganie i zwiększoną odporność na pękanie, zmęczenie, udar i ścieranie. Z tych powodów wykorzystanie BWWS w branży budowlanej stale rośnie.
Z drugiej strony, brak rozwiązań kotwiących z oceną ETA do mocowania w BWWS stanowił wyzwanie w przypadku zastosowań podlegających wymogom projektowym Eurokodu. 
Firma Hilti wprowadza dziś nowe aktualizacje oceny ETA dla prętów HAS-D z żywicą iniekcyjną HIT HY200-A, -R, -A V3 i -R V3 oraz dla HUS4.
W oparciu o oceny ETA 18/0972 i 20/0867 projekt tych rozwiązań kotwiących w BWWS może być wykonany zgodnie z normą EN1992-4. Obecnie firma Hilti pracuje nad rozszerzeniem tego podejścia na więcej technologii kotwienia, takich jak kotwy klinowe.
Rozwiązania firmy Hilti zatwierdzone do stosowania w BWWS będzie można wybrać w programie PROFIS Engineering, umożliwiając użytkownikowi łatwą identyfikację i projektowanie odpowiednich rodzin kotew w szybki i skuteczny sposób.

ODNIESIENIA
[1] EN 1992-4:2018, Eurokod 2 - Projektowanie konstrukcji z betonu - Część 4: Projektowanie zamocowań do stosowania w betonie, 2018. 
[2] EAD 330499-02-0601: Łączniki wklejane do stosowania w betonie, Bruksela: EOTA, 2022 r. 
[3] EAD 330232-01-0601: Łączniki mechaniczne do stosowania w betonie, Bruksela: EOTA, 2019. 
[4] B. B. A. S. Mate Toth, Anchorage in steel fiber reinforced concrete – concept, experimental evidence and design recommendations for concrete cone and concrete edge breakout failure modes., Stuttgart: Instytut Materiałów Budowlanych, Uniwersytet w Stuttgarcie, 2019 r. 
[5] M. T. A. S. Boglarka Bokor, Influence of steel fiber content on the load-bearing capacity of anchorages in concrete., Stuttgart: 3rd international Symposium on Connections between steel and concrete., 2017. 
[6] EN 14889-1 – 2007 – Włókna do betonu - Część 1: Włókna stalowe - Definicje, wymagania i zgodność, 2007. 
[7] ETA-18/0972: System iniekcyjny Hilti HIT-HY 200-A, HIT-HY 200-R, HIT-HY 200-A V3 oraz HIT-HY 200-R V3 z HAS-D, Berlin: DIBt, 2023 r. 
[8] abG Z-21.3-2155: Injektionssystem Hilti HIT-HY 200 mit HAS-D zur Anwendung in Stahlfaserbeton unter ermüdungsrelevanter zyklischer Beanspruchung, Berlin: DIBt, 2024 r. 
[9] ETA-20/0867: Kotwa wkręcana Hilti HUS4. Łączniki mechaniczne do stosowania w betonie, Berlin: DIBt, 2024 r. 

Katalog kotwy HAS-D: Pręt kotwy HAS-D - Pręty do kotew chemicznych i akcesoria - Hilti Polska
Katalog kotwy HUS4: Kotwa wkręcana HUS4-H 8/10/12/14/16 - Kotwy mechaniczne - Hilti Polska