Výzkum kazetových železobetonových stropních desek

U trámových nebo žebírkových stropů zůstává tlačená oblast zachována (deska nad trámy), ale v tažené oblasti dochází k soustředění namáhání do jednotlivých trámů, kde je přebírá příslušná tahová výztuž. Ve srovnání s plnou deskou dochází ke koncentraci tahové výztuže z celé šířky desky do lokálních oblastí, to je do trámů či žebírek. V mezilehlých oblastech tak zůstává pouze tlačená horní deska. Tím je dosaženo značné úspory materiálu, díky které klesá cena a zároveň se snižuje působící vlastní tíha konstrukce. I přes zmíněné skutečnosti jsou plné desky často preferovány.

 

Vylehčení konstrukce se provádí prvky vkládanými dovnitř konstrukce (zabudovanými), nebo tvořícími vnější bednění. Jako příklad desky s trvale zabudovanými vylehčujícími prvky lze uvést systém s plastovými prvky U-Boot (obr. 1). Obdobný systém vytvářejí prvky z recyklovaného plastu firmy Transform, a. s., Lázně Bohdaneč (obr. 2). Další variantou prvků tvořících vylehčení střední části desky je systém „cobiax“ (obr. 3). Základním prvkem jsou plastové koule, které jsou pro jednodušší montáž a přepravu osazeny v příhradové kleci z výztuže.

 

Kazetové desky

V rámci výzkumu na VUT v Brně jsme se zaměřili na jeden konkrétní typ vylehčených konstrukcí, a to na tzv. kazetové desky. Jedná se o deskové konstrukce s nosnými žebry ve dvou na sebe kolmých směrech.

Nejprve jsme věnovali pozornost samotné geometrii a tvarům kazetové desky. Sledoval se vliv rozměrů a vyztužení na únosnost kazetové desky. Jako výchozí studijní konstrukce byla zvolena spojitá stropní deska přes více polí o rozponech 6 m. Na této konstrukci se stanovily hodnoty vnitřních sil pro různé úrovně užitného zatížení, na které se navrhly konkrétní varianty kazetových desek (materiál, vyztužení). Pro možnost porovnání byly pro studijní konstrukci navrženy i stropní desky plné a desky vylehčené vloženými (zabudovanými) bedničkami. Studovaná kazetová deska je patrná z obrázku 5. Na obr. 6 je uvedeno schéma základního bednicího prvku.

Z hlediska aplikace těchto konstrukcí se nezaměřujeme pouze na tradiční bytovou nebo administrativní výstavbu, ale na širší spektrum pozemních staveb, od skladových objektů až po výrobní haly. Jedná se tedy i o použití stropních konstrukcí tohoto typu pro případ vyšších hodnot užitného zatížení a větší rozpony. Toho lze dosáhnout zejména kombinací vylehčených desek se skrytými předepnutými průvlaky.

 

Studie byla provedena pro případ vnitřního pole o rozponu 6 m, s poměrem stran pole 1:1. Pro desku byl zvolen beton třídy C 30/37, výztuž z oceli 10505 (R). Užitné zatížení se uvažovalo ve 4 hodnotách – 1,5; 2; 3; 4 kN/m^2. Do celkového zatížení (mimo vlastní tíhu) bylo zahrnuto i stálé zatížení od podlahy – bylo uvažováno s odhadnutou hodnotou 1 kN/m².

  

Kazetová deska byla z hlediska únosnosti reprezentována soustavou nosníků, tzv. T-průřezů. Osová vzdálenost nosných žeber byla 600 mm. Tloušťka horní desky (z důvodu vložení sítě a zajištění krytí) odpovídá možnému minimu 60 mm.

Hlavní tahová výztuž je prezentována jedním profilem vloženým v každém žebru. Deska tl. 60 mm je vyztužena KARI sítí (Ø R 5 mm, oka 100x100 mm).

Některé výstupy, zobrazující vztahy mezi momentovou únosností, rozměry desky a její výztuží, jsou uvedeny na grafech. Vliv použitého profilu nosné výztuže (v žebru) na únosnost T-průřezu popisuje graf 1. Jednotlivé větve představují různé varianty tloušťky stropní konstrukce.

 

Pro ohybové momenty, určené statickou analýzou vzorového stropu, se hledaly konkrétní tloušťky stropní desky s příslušnou hlavní výztuží. Tato závislost je znázorněna na grafu 2. Výše uvedené vztahy veličin lze zobrazit společně i v prostoru, jak je vidět na grafu 3.

 

 

Environmentální aspekty

Kazetové desky oproti klasickým variantám šetří spotřebu samotného betonu. Tím dochází i ke snížení účinků od stálého zatížení, což se zpětně promítá do vnitřních sil a množství nutné výztuže.

Určitou nevýhodu kazetových desek představuje nutnost použití tvarově složitého bednění. Většinou se zhotovuje pomocí jednoduchých boxů (krabic), které jsou kladeny v pravidelném rastru. Mezery mezi dílci představují budoucí žebra. V poslední době se již na trhu objevují bednicí systémy, takže odpadají náklady na vlastní výrobu dílců.

Kromě samotné úspory na materiálu jsou možná i další opatření, zajišťující vyšší ochranu přírodních zdrojů a prezentující přístup v souladu s požadavky na udržitelnost výstavby. Bednicí prvky lze navrhovat tak, aby mohly být využívány opakovaně a nezůstaly trvalou součástí konstrukce. Jako materiál pro jejich výrobu lze použít recyklované suroviny (viz prvky Transform). Obdobně i vlastní betonovou směs lze volit s různými přísadami z odpadních látek či použít recyklovaný beton. Je zde ovšem nutné mít doloženy a zaručeny požadované fyzikálně--mechanické vlastnosti betonu. Kromě šetření zdrojů je tak možná i aplikace a opětovné využití některých odpadů.

Cenové porovnání železobetonových desek

Srovnání bylo provedeno dle spotřeby a ceny vlastního materiálu. Druhá varianta zahrnuje výši celkových nákladů na výrobu stropu. Dalším srovnávacím kritériem byla vázaná produkce CO₂ a SO_x. Vše bylo vyčísleno pro půdorysný výsek stropu o ploše 1 m². Porovnávali jsme tři varianty deskové konstrukce, viz obr. 7. Srovnání jednotlivých variant v závislosti na tloušťce desky bylo provedeno pro uvažované 4 úrovně užitného zatížení. Základní srovnání uvažovalo pouze se spotřebovaným množstvím materiálů – betonu a oceli. Cenové srovnání zobrazuje graf 4.

Graf 5 porovnává celkové náklady na výrobu stropní desky. Náklady za materiál obsahují i částky za uložení do bednění, svázání výztuže apod. Dále jsou přičteny náklady na zřízení a odstranění bednění, podpůrné konstrukce bednění a cena za povrchové úpravy (omítka).

Je patrné, že při uvažování nákladů za samotný materiál vycházejí kazetové stropy jednoznačně nejlépe v celém rozsahu uvažovaných tlouštěk a hladin užitného zatížení. Při srovnání celkových nákladů, potřebných pro zhotovení stropu, je již výhodnější varianta vylehčená vnitřními ztracenými tvarovkami. Kazetové stropy jsou druhé v pořadí, zejména díky vyšším nákladům na pracnější bednění a povrchové úpravy, a nejdražší je opět plná deska.

 

Dále byl proveden návrh desek a jejich cenové srovnání i pro konkrétní zadání. Jednalo se o stropní desky 6x7,8 m a 4,8x4,8 m s tloušťkou 250 mm. V tabulce 1 je uvedeno cenové srovnání kazetové a plné desky. Uvažované užitné zatížení nabývá hodnot 2,5; 5; 17 kN/m^2. Kromě číselných hodnot je uvedeno i srovnání cen v procentech, kde za 100 % je považována cena plné desky.

 

 

Pro ověření reálného chování kazetových konstrukcí jsou naplánovány i zkoušky. V současnosti je hotov experiment s kazetovým panelem o rozměrech 1,3x0,2x3,7 m. Beton panelu byl navržen třídy C30/37, hlavní výztuž 1 ØR10 v každém žebru a kari síť z drátů ØR5 s oky 100x100 mm. Panel se zkoušel čtyřbodovým ohybem. Dále se připravuje vzorek desky o rozměrech zhruba 3,7x3,7x0,2 m. Deska se bude zkoušet pro několik kombinací zatížení a nakonec se provede její zatížení až do úplné destrukce.

 

Geometrie použitého vylehčeného panelu pro zkoušku na ohyb odpovídá dříve určeným rozměrům z kazetové desky. Vlastní panel je představován dvěma řadami se šesti kusy vylehčujících prvků, tj. se třemi nosnými žebry v podélném směru. V rámci betonáže prvku byly zhotoveny kontrolní vzorky krychlí pro tlakovou zkoušku a sada trámků pro stanovení modulu pružnosti. Po jejich vyhodnocení byla zjištěna skutečná pevnost v tlaku 50,71 MPa s modulem pružnosti 31,25 GPa.

 

Zkouška byla provedena pomocí jednoho zatěžovacího lisu s roznosem sil do třetin rozpětí panelu. Uložení panelu bylo liniové na jeho obou koncích, v jednom případě bylo použito posuvné podepření. Zatížení se vnášelo také liniově v třetinách rozpětí, v místech příčného žebra panelu. Během zkoušky se sledovaly pohyby podpor, průhyby ve třetině a v polovině rozpětí panelu, dále velikost zatěžovací síly, napětí ve výztuži a napětí v tlačeném betonu. Napětí ve výztuži a v betonu se stanovovalo z hodnot přetvoření, které se měřily pomocí odporových tenzometrů. Lokální tlakové přetvoření betonu se sledovalo dodatečně lepenými tenzometry, ke sledování tahového přetvoření výztuže sloužil tenzometr osazený předem před vlastní betonáží.í.

K porušení panelu došlo výrazným rozvojem trhlin v celé tažené oblasti za současného růstu nadměrných deformací. V konečné fázi zkoušky byly tahové trhliny prokresleny kromě žeber i na spodním povrchu horní desky. Tlakové porušení v horní tlačené desce nebylo pozorováno. Panel zůstal i po porušení celistvý s plynulým průhybem po délce prvku, tj. beze zlomů (např. v místě působení sil).

Ze získaného pracovního diagramu (graf 6) je patrné pružně-plastické chování prvku. U plastické větve je viditelné zpevnění. Graf zobrazuje závislost mezi zatížením a průhybem v polovině a třetině rozpětí.

Součástí vyhodnocení zkoušky jsou i kontrolní výpočty únosnosti dle jednotlivých přístupů (ČSN, EC), ale i modelování zkoušky v programu Atena s využitím jejích nelineárních modelů pro beton a se zohledněním jeho křehkých vlastností, tj. vznik a rozvoj trhlin. Únosnost panelu stanovená pro experiment výpočtem z modelu v programu ESA-PT, bez uvažování dílčích součinitelů spolehlivosti, odpovídala přibližně 80 % skutečné únosnosti zjištěné během zkoušky. Vyhodnocení zkoušky dále probíhá a postupně se připravují další experimenty.

 

 

 

Výhledově je snaha přiblížit rozměry a geometrii kazetových desek skořepinovým konstrukcím, ideálně s využitím vysokopevnostních či jiných speciálních betonů. Tyto možnosti se zvažují již při přípravě experimentu s kazetovou deskou. Dalším krokem je návrh kazetové desky s FRP výztuží. Konečným cílem je návrh lokálně podepřených spojitých desek se skrytými průvlaky. Plné průvlaky (bez vylehčení) s předepnutou výztuží budou vynášet vylehčená pole s kazetovými deskami. Veškerá výztuž bude tvořena FRP materiály (uhlík, sklo), u kterých není potřeba dodržovat předepsané krytí pro ocelovou výztuž dle EC. Tím je možné zmenšit tloušťku konstrukce, případně zvýšit účinnou výšku v průřezu – osazení výztuže blíže k povrchu.