V praxi sa často stretávame s rekonštrukciami budov, v ktorých šmyková odolnosť lokálne podopretých stropných dosiek nie je dostatočná. Dôvodom zosilnenia za účelom nárastu šmykovej odolnosti stropnej dosky v pretlačení môže byť zmena využitia stavby, realizačná alebo návrhová chyba, sprísnenie v posudzovaní šmykovej odolnosti podľa súčasných noriem alebo nedostatočná odolnosť vzhľadom na zvýšené zaťaženie. Množstvo budov prechádza rekonštrukciou, ktorá býva často spojená so zmenou využitia stavby.
V súčasnosti je kladený veľký dôraz na konštrukčný systém budovy, ktorý musí splniť univerzálnosť využitia vnútorných priestorov, jednoduchosť, otvorenosť priestoru, efektivitu a ekonomickosť riešenia konštrukcie ako celku. Z toho dôvodu sú jedným z najpoužívanejších typov železobetónových stropných konštrukcií v parkovacích domoch a budovách lokálne podopreté stropné dosky (LBD). Na rozdiel od stropných dosiek s prievlakmi sa v nich sily prenášajú z dosky priamo do podpier (stĺpov). Výhodou bezprievlakových stropných dosiek je rovný podhľad, ktorý umožňuje variabilné a flexibilné dispozičné riešenie a vedenie inštalácií TZB bez obmedzení. S rovným podhľadom súvisí aj jednoduchá a rýchla realizácia bezprievlakovej stropnej dosky, odpadá debnenie a vystužovanie prievlakov, čo má za následok zníženie prácnosti a úsporu nákladov.
Veľkým negatívom je zvýšená koncentrácia šmykových a ohybových síl v mieste styku dosky a stĺpa. Ak detail styku dosky so stĺpom nie je dobre navrhnutý, môže dôjsť ku krehkému porušeniu stropnej dosky, ktoré je nazývané porušenie pretlačením. Vtedy doska zlyháva bez výrazných signálov na konštrukcii. Okrem iného sa tieto dosky vyznačujú veľkými deformáciami (priehybom). Potreba dodatočného zosilnenia bezprievlakovej dosky nastáva v prípadoch, keď je doska nesprávne navrhnutá či zhotovená, alebo v prípadoch zmeny využitia objektu, ak sa požaduje vyššia zaťažiteľnosť stropov. Dôraz sa kladie na šmykovú odolnosť, pretože šmykové porušenie má krehký charakter a môže spôsobiť náhle zrútenie konštrukcie.
Návrh zosilnenia existujúcej stavby by mal byť čo najúčinnejší, najhospodárnejší a zároveň by mal reflektovať požiadavky spojené s existujúcou stavbou. Cieľom príspevku je overenie, ktorý typ zosilnenia lokálne podopretej stropnej dosky má najväčší vplyv na zvýšenie jej šmykovej odolnosti pri zohľadnení všetkých aspektov takéhoto zosilnenia.
Šmyková Odolnosť Lokálne Podopretých Stropných Dosiek
Šmyková odolnosť nových lokálne podopretých stropných dosiek so šmykovou výstužou VRm,cs pozostáva z dvoch častí, a to zo šmykovej odolnosti stropnej dosky bez šmykovej výstuže VRm,c, ktorá je ovplyvnená hlavne geometriou dosky a množstvom ohybovej výstuže, a šmykovou odolnosťou stropnej dosky od príspevku šmykovej výstuže VRm,s. Šmyková odolnosť stropnej dosky je ešte limitovaná maximálnou šmykovou odolnosťou v líci stĺpa VRm,max. Vzdialenosť kontrolného obvodu pre výpočtový postup podľa EC2 bol uvažovaný vo vzdialenosti 2d, kde d je účinná výška prierezu stropnej dosky.
Metódy Zosilňovania Lokálne Podopretých Stropných Dosiek
Zvýšenie Hrúbky Stropnej Dosky (Nadbetonávka)
Typ zosilnenia lokálne podopretej stropnej dosky pomocou zvýšenia jej hrúbky je efektívny spôsob, ktorý zvyšuje účinnú výšku stropnej dosky a ohybovú odolnosť. Vytvorenie novej vrstvy z betónu a ohybovej výstuže zabezpečuje nárast šmykovej odolnosti bez šmykovej výstuže VRm,c ako aj maximálnej šmykovej odolnosti vypočítanej v líci podpery VRm,max. Zároveň okrem zvýšenia šmykovej odolnosti stropnej dosky sa zvyšuje aj ohybová odolnosť. Takéto zosilnenie je však podmienené úpravou podlahových konštrukcií. To môže mať za následok požiadavku na zväčšenie pôvodnej výšky dverných otvorov. Z hľadiska návrhu je potrebné venovať zvýšenú pozornosť pozdĺžnej oceľovej výstuži, ktorá sa pridáva do novej betónovej vrstvy, slúži ako prídavná ohybová výstuž, no zároveň prispieva k šmykovej odolnosti dosky.
Negatívum tohto zosilnenia je hlavne v jeho pracnom vyhotovení, kde je nutné najprv odstrániť podlahové vrstvy, zdrsniť horný povrch nosnej konštrukcie, zabezpečiť spolupôsobenie pôvodnej stropnej dosky s novou vrstvou „nadbetonávky“ pomocou dodatočne vloženej spriahovacej výstuže. Zosilnenie stropnej dosky pomocou vytvorenia „nadbetonávky“ nemá odvodené vzťahy pre výpočet, a preto pre posúdenie bol zvolený zjednodušený spôsob, kde nie je uvažované s pôvodnou výstužou stropnej dosky.
Zväčšenie Rozmerov Stĺpa alebo Vytvorenie Hlavice
Zosilnenie lokálne podopretej stropnej dosky za účelom zvýšenia šmykovej odolnosti v pretlačení pomocou zväčšenia rozmerov stĺpa je metóda, ktorá nezvyšuje hmotnosť dosky, a len mierne zvyšuje hmotnosť konštrukcie ako celku. Zväčšením podpery sa zaťaženie prenáša pomocou väčšej plochy, teda veľkosť lokálneho zaťaženia v líci podpery sa znižuje a zvyšuje sa šmyková odolnosť stropnej dosky v líci podpery VRm,max. Okrem zvýšenia šmykovej odolnosti sa zvyšuje aj únosnosť stĺpa. Pri zosilňovaní nie je nutné odstrániť podlahové vrstvy a podhľad na veľkej ploche.
Realizácia zväčšenia podpery môže prebehnúť buď obetónovaním prierezu stĺpa po celej jeho svetlej výške, lokálne, vytvorením hlavice alebo doskového zosilnenia zo železobetónu prípadne z ocele. Počas realizácie rozšírenia stĺpa po celej jeho výške (prípadne vytvorením hlavice) je potrebné povrchovú vrstvu stĺpa obnažiť, zdrsniť, aby sa zabezpečilo dostatočné spolupôsobenie. Pri realizácii zväčšenia rozmerov stĺpa je pri betonáži problematická najmä oblasť v mieste tesne pod stropnou konštrukciou. Nedôkladné prevedenie môže mať za následok nedostatočné spolupôsobenie novej a pôvodnej konštrukcie.
Inštalácia Dodatočnej Šmykovej Výstuže
Zvýšenie šmykovej odolnosti pomocou inštalácie dodatočnej šmykovej výstuže do stropnej dosky počas rekonštrukcie je často používaný spôsob zosilnenia. Inštalácia šmykovej výstuže neovplyvňuje ani tiaž konštrukcie a výrazne ani konštrukciu podlahy. Šmyková výstuž na báze CFRP (polyméry vystužené uhlíkovými vláknami) môže byť vo forme prútov, mriežok alebo vejárovito zakončených tkanín. Použitie CFRP je výhodné najmä z dôvodu jej vysokého modulu pružnosti, čo umožňuje aktiváciu výstuže už pri malých deformáciách.
Oceľové Svorníky a Lepené Kotvy
Pri inštalácii šmykovej výstuže v podobe lepených kotiev vôbec nie je nutné odstraňovať vrstvy podlahy v mieste zosilňovania a pred inštaláciou nie je nutné lokalizovať polohu ohybovej výstuže pri hornom povrchu. Často používaným typom výstuže sú okrem lepených kotiev aj svorníky, ktoré zaručujú dokonalé zakotvenie a možnosť úplného využitia ich ťahovej kapacity. Pri ich zabudovávaní je nutné lokálne odstrániť podlahu a podhľad. Počas inštalácie je nevyhnutné dohliadnuť, aby ohybová výstuž pri hornom povrchu nebola porušená pri vŕtaní otvorov. Použitie šmykovej výstuže vie spoľahlivo zabezpečiť zachytenie šmykových síl, no maximálna šmyková odolnosť v líci podpery VRm,max nie je týmto spôsobom zosilnenia zvýšená. Často sa stáva limitujúcim faktorom pre možnosť zvýšenia šmykovej odolnosti stropnej dosky.
Skrutkovacie Kotvy
Ostatnou inováciou v oblasti zvyšovania šmykovej odolnosti dosiek je použitie skrutkovacích kotiev do betónu ako dodatočne vloženej šmykovej výstuže. Pri overovaní boli ako šmyková výstuž použité dva typy kotiev: TSM B 16 a TSM B 22. Kotva si pri skrutkovaní vyreže v betóne vlastný závit. Kotvy sa skrutkovali zo spodného povrchu dosiek kolmo nahor do vopred vyvŕtaných otvorov priemeru 16 mm pre TSM B 16, resp. priemeru 22 mm pre TSM B 22. Skúšané boli aj vzorky zosilnené skrutkovacími kotvami v kombinácii s epoxidovým lepidlom. Výsledky výskumu preukázali, že systém zosilnenia bezprievlakových dosiek skrutkovacími kotvami zvyšuje odolnosť o 30 % pri osadení bez epoxidového lepidla, resp. o 50% s lepidlom. Výhodou systému, popri zvýšení odolnosti a deformačnej kapacity dosky, je tiež požiarna odolnosť, keďže skrutky sú kotvené nielen chemicky ale aj mechanicky.
Chystá Šimkovičová svoj najväčší stavebný kšeft
CFRP Výstuž
Použitie CFRP ako dodatočnej výstuže vyžaduje obnaženie oboch povrchov dosky a prevŕtanie celej hrúbky, čo môže byť v istých situáciách problém.
Vnesenie Predpätia
Predpätie do nadpodperových oblastí bezprievlakových stropných dosiek je možné vniesť pomocou šikmých CFRP pásov kotvených pod spodným povrchom dosky alebo pomocou oceľových lán kotvených súdržnosťou s betónom alebo kotvami. Podobne ako pri vložení šmykovej výstuže, aj v prípade predpätia sa zvyšuje nielen šmyková odolnosť dosky, ale aj deformačná kapacita. Výhodou vnesenia predpätia oproti iným spôsobom zosilnenia je zníženie priehybu i šírky trhlín a súčasne zvýšenie tuhosti dosky po vnesení predpätia. Nevýhodou je pomerne náročná inštalácia systému, nutnosť obnaženia oboch povrchov dosky a tiež zabratie priestoru pod stropnou doskou kotvami, resp. pásovou výstužou.
Porovnanie Účinnosti Metód Zosilňovania
Parametrická štúdia prezentovaná v tomto článku je zameraná na používané spôsoby zosilnenia a ich overenie podľa dostupných výpočtových postupov. Z výsledkov numerického výpočtu je možné vyvodiť záver, že najúčinnejšou metódou na zvýšenie šmykovej odolnosti lokálne podopretej stropnej dosky je zvýšenie jej hrúbky. Keď sa hrúbka referenčnej dosky (250 mm) zväčší s dodatočnou vrstvou betónu o hrúbku 100 mm, zvýši sa šmyková odolnosť v priemere o takmer 80 %. Menej účinné zosilnenie je zväčšenie rozmerov stĺpa na zvýšenie šmykovej odolnosti v pretlačení. Zväčšenie rozmerov o 100 mm na každú stranu stĺpa vie zvýšiť šmykovú odolnosť v priemere o 50 %.
Najlepším spôsobom ako zvýšiť šmykovú odolnosť, je pridať dodatočne vloženú šmykovú výstuž. V tejto parametrickej štúdii bola overovaná šmyková výstuž v podobe svorníka, ktorý má po svojej dĺžke závit a buď na jednom konci, alebo aj na oboch je upnutý pomocou momentového kľúča maticou na podložke. Referenčná doska má hrúbku 250 mm a je podopretá štvorcovým stĺpom s prierezom 150×150 mm. Pridaním 12 kusov svorníkov s priemerom 8 mm sa zvýši celková šmyková odolnosť o 23 % v porovnaní s referenčnou doskou. Zväčšením priemeru šmykovej výstuže z 8 na 12 mm vzrastie šmyková odolnosť až o 70 %.
Prvým faktorom v tejto časti parametrickej štúdie bola hrúbka stropnej dosky (meniaca sa v rozmedzí hodnôt 200 mm, 250 mm a 350 mm) pri zachovaní rovnakého pomeru vystuženia šmykovou výstužou pre všetky hrúbky (VRm,cs/VRm,c). Vidieť rovnakú tendenciu zvyšovania šmykovej odolnosti stropnej dosky v pretlačení pri všetkých hrúbkach dosiek. Dá sa však konštatovať, že čím je menšia hrúbka dosky, tým skôr rozhoduje o šmykovej odolnosti maximálna šmyková odolnosť v líci podpery (tlaková diagonála).
Zväčšenie rozmerov stĺpa (podpery) pozitívne vplýva na zmenšenie šmykového namáhania a na zväčšenie kontrolného obvodu. Zároveň však výrazne vplýva aj na účinok zosilnenia dodatočne vloženou šmykovou výstužou, a zároveň ovplyvňuje výšku účinného stupňa vystuženia šmykovou výstužou. Ak sa v doske s podperou 150 × 150 mm zdvojnásobí priemer šmykovej výstuže z 8 mm na 16 mm a zachová ich počet (12 kusov), tak sa zvýši odolnosť stropnej dosky takmer o 70 %.
Najmenší vplyv na účinky šmykovej odolnosti má stupeň vystuženia ohybovou (pozdĺžnou) oceľovou výstužou. Tendencia nárastu šmykovej odolnosti mierne poukazuje na skutočnosť, že pri nižšom stupni vystuženia ohybovou výstužou dochádza k výraznejšiemu účinku dodatočne vloženej šmykovej výstuže. Všetky výsledky parametrickej štúdie vychádzajú z návrhových modelov, ktoré boli odvodené pre nové konštrukcie. Pri zosilňovaní stropnej dosky v existujúcej konštrukcii je potrebné vziať do úvahy skutočnosť, že dodatočná šmyková výstuž je inštalovaná do stropnej dosky s určitou históriou zaťažovania.
| Metóda zosilnenia | Typická účinnosť (zvýšenie odolnosti) | Kľúčové výhody | Kľúčové nevýhody |
|---|---|---|---|
| Zvýšenie hrúbky dosky (nadbetonávka) | Až 80% (pri +100 mm) | Zvyšuje šmykovú aj ohybovú odolnosť, VRm,max | Pracné (odstránenie podláh), úprava dverných otvorov |
| Zväčšenie rozmerov stĺpa / hlavice | Až 50% (pri +100 mm na stranu) | Nezvyšuje výrazne hmotnosť dosky, zvyšuje únosnosť stĺpa, VRm,max | Problémová betonáž pod doskou, krehkejší charakter porušenia |
| Dodatočná šmyková výstuž (svorníky) | 23% (12x Ø8mm) až 70% (pri Ø12mm) | Nemení hrúbku dosky, zlepšuje deformačnú kapacitu | Nezvyšuje VRm,max, vyžaduje lokálne odstránenie podláh/podhľadov (svorníky) |
| Dodatočná šmyková výstuž (skrutkovacie kotvy) | 30% (bez lepidla) až 50% (s lepidlom) | Nemení hrúbku dosky, požiarna odolnosť, zvyšuje deformačnú kapacitu | Vyžaduje vŕtanie |
| Vnesenie predpätia (CFRP pásy/laná) | Zvyšuje šmykovú odolnosť aj deformačnú kapacitu | Znižuje priehyb, šírku trhlín, zvyšuje tuhosť | Náročná inštalácia, nutnosť obnaženia povrchov, zabraný priestor |
Dôležité Konštrukčné Zásady a Riešenie Problémov
Pri navrhovaní nosných železobetónových konštrukcií a vedení výstuže po dĺžke prvkov je potrebné dodržiavať konštrukčné zásady vystužovania. Umiestnenie a konštruovanie výstuže obecne musí zodpovedať uvažovanému výpočtovému modelu konštrukcie. Medzery medzi prútmi výstuže musia umožňovať, či už správne uloženie, ako tiež riadne zhutnenie betónovej zmesi a preto je nevyhnutné zabezpečiť aj primeranú súdržnosť výstuže s betónom. Pri určovaní minimálnych medzier medzi prútmi výstuže sa zohľadňuje tiež veľkosť maximálneho priemeru zrna kameniva, ktorý je potrebné udávať tiež pri označovaní navrhovaného betónu v projektovej dokumentácii.
Ďalšie kritérium na určovanie minimálnych medzier medzi prútmi vodorovnej výstuže, hlavne pri hornom povrchu tyčových prvkov je možnosť dokonalého spracovania ukladaného betónu. V miestach zakrivenia prútov výstuže je nevyhnutné dodržiavať hodnotu minimálneho vnútorného priemeru prúta tak, aby nedošlo k vzniku ohybových trhlín vo výstuži, ale tiež k drveniu či rozštiepeniu betónu vo vnútornej strane oblúka zakrivenia prúta výstuže. Podľa normy STN EN 1992-1-1 je potrebné splniť túto podmienku.
Aj napriek postupne sa zvyšujúcej kvalite betónových konštrukcií ako dôsledku zakotvenia prísnejších požiadaviek do nových európskych noriem v oblasti betónu sa v návrhu a zhotovovaní betónových konštrukcií aj v súčasnej betonárskej praxi pomerne často vyskytujú chyby a poruchy. Najčastejšími príčinami ich výskytu bývajú snahy zhotoviteľa o čo najrýchlejší postup výstavby nosnej betónovej konštrukcie. Najzávažnejšie chyby a poruchy však bývajú spravidla dôsledkom synergického efektu viacerých faktorov. V prvom rade ide o chybnú, respektíve nedostatočnú špecifikáciu čerstvého betónu, kde čerstvý betón s vyšším vodným súčiniteľom vykazuje väčšie zmrašťovanie, čoho dôsledkom bývajú trhliny v mladom betóne. Ďalšou skutočnosťou, s ktorou sa možno pomerne často stretnúť, je používanie rýchlotuhnúcich cementov na výrobu čerstvého betónu, čo vedie k uvoľňovaniu väčšieho množstva hydratačného tepla a náchylnosti na technologické trhliny. V druhom rade ide o nesprávne a nedostatočné ošetrovanie mladého betónu. Ďalším faktorom, ktorý vplýva na vznik a rozvoj zmrašťovacích trhlín v doskových konštrukciách, je vplyv prostredia, ako teplé a veterné počasie.
V prípade, že sa v stropných, respektíve balkónových monolitických železobetónových doskách objavia v procese zhotovovania technologické trhliny ako dôsledok uvedených faktorov a ich množstvo a šírka nezaručujú požadovanú spoľahlivosť nosnej železobetónovej konštrukcie, treba uskutočniť ich sanáciu. Osvedčeným spôsobom identifikácie technologických trhlín je poliatie horného povrchu stropnej dosky vodou. Na rozhodnutie o spôsobe sanácie stropnej dosky porušenej technologickými trhlinami vplýva množstvo faktorov. Okrem základných požiadaviek na účinnosť sanačných prác hrá v súčasnosti rozhodujúcu úlohu čas ich trvania. Preto sa v praxi používa aj injektovanie trhlín. Na injektovanie trhlín sa použil sanačný materiál vyrábaný firmou MC Bauchemie pod obchodným názvom MC DUR 1264 na báze epoxidovej živice. Trhliny v doskách sa vyčistili a zbavili prachu. V suchom stave sa trhliny postupne zalievali sanačným materiálom zhora opakovane dovtedy, pokiaľ trhlina nebola vyplnená až po horný povrch dosky. Po dvanástich hodinách tvrdnutia dosahoval sanačný materiál požadovanú pevnosť uvádzanú výrobcom. Na základe porovnania nameraných priehybov s teoretickými hodnotami sa dá usúdiť, že sanovaná stropná železobetónová doska spĺňa požiadavky pôvodného projektu statiky a platných noriem.
