Spřahovací prostředek pro prefabrikované dřevobetonové konstrukce
Dřevobetonové stropy se dosud používaly především pro zesilování stávajících stropů s dřevěnými stropními nosníky. Velkou perspektivu však mají v současné době u dřevobetonových stropů novodobých dřevostaveb včetně vícepodlažních. Provedením betonové desky, kterou spojíme s dřevěnými nosníky spřahovacími prostředky, výrazně zvýšíme tuhost i únosnost stropní konstrukce.
Dřevobetonové stropní konstrukce mají též lepší parametry kročejo- vé a vzduchové neprůzvučnosti i požární odolnosti oproti tradičním dřevěným stropům. U průmyslově vyráběných dřevostaveb vyvstal požadavek vyrábět stropy alespoň částečně prefabrikované, v lepším případě zcela prefabrikované, aby se vyloučil mokrý proces na stavbě, urychlila se celková doba montáže a tím zefektivnil i zlevnil celý proces výstavby. Vznikl tak požadavek na návrh a výrobu nového spřahovacího prostředku, jehož vlastnosti umožní rychlou prefabrikaci a jenž bude mít dobré mechanické vlastnosti. Spřahovací prostředek v dřevobetonovém dílci zajišťuje vzájemné spolupůsobení dřeva a betonu tím, že přenáší síly vzniklé na rozhraní těchto materiálů. Pro toto spojení se doposud používaly především klasické spojovací prostředky kolíkového typu, jako jsou hřebíky, kolíky, vruty a dále též tesařské skoby, tyče betonářské výztuže a lepení. V Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v uplynulých dvou letech proběhl vývoj nového deskového spřahovacího prostředku pro prefabrikované dřevobetonové stropy, který je popsán v tomto článku.
Výroba spřahovacích prostředků
Na základě již zmíněných požadavků na prefabrikaci byl ve spolupráci s firmou BOVA Březnice spol. s r.o. vytvořen nový spřahovací prostředek poskytující současně spojení dvojice dřevěných nosníků oboustranně prolisovanými trny a jejich propojení s betonem, do kterého zasahuje část s elipsovitými otvory umožňujícími uložení betonářské výztuže a vybetonování stropní desky, viz obr. 1 vlevo. Pro výrobu byl použit ocelový žárově pozinkovaný plech s mezí kluzu 280 MPa a tloušťkou 1,5 mm (S280GD + Z275). Na obr. 1 vpravo je zobrazen spřahovací prostředek před zalisováním do dřeva při výrobě zkušebního tělesa pro účely protlačovací zkoušky.
Při výrobě zkušebních těles byly při zalisování spřahovacího prostředku použity další menší spony s oboustranně prolisovanými trny, aby se jasně vymezila spára mezi dřevěnými prvky. Trny spřahovacího prostředku jsou dlouhé 15 mm a jsou prolisovány v řadách střídavě do jeho boků. Prezentovaný způsob spřažení dřeva a betonu je výhodný také z hlediska požární odolnosti stropní konstrukce. V případě požáru je ocelový prvek vůči zvýšené teplotě ze spodu chráněn dřevěným nosníkem a shora betonovou deskou. Dřevo sice řadíme podle klasifikační normy ČSN EN 13501-1+A1 [1] mezi hořlavé materiály, avšak na rozdíl od oceli během požáru neztrácí svou pevnost i tuhost, jeho zbytkový průřez si zachovává své vlastnosti a je stále schopen přenášet zatížení. Velkou výhodou je, že teplota pod vrstvou zuhelnatělého dřeva rychle klesá, a dřevo tak spřahovací prostředek chrání před vysokými teplotami.
Únosnosti a prokluz spřažení dřeva a betonu
Při navrhování kompozitních dřevobetonových stropních konstrukcí je důležité znát únosnost a modul prokluzu pro použitý spřahovací prostředek. Tyto dvě hodnoty lze získat protlačovací zkouškou (obr. 2). Pro tento účel byla vyrobena zkušební tělesa sestávající z dvojice dřevěných trámků, spřahovacího prostředku a betonové desky vyztužené kari sítí Ø 8 o velikosti ok 150/150 mm. Tato tělesa byla vsazena do zkušebního přípravku, který umožnil volný posun dřevěné části tělesa. Aby bylo zabráněno tření mezi dřevem a ocelovým rámem během zkoušky (obr. 2), byly na oba povrchy přivrtány polyetylenové destičky, které zajistily snadný posun tělesa ve zkušebním přípravku. Rozměry dřevěných trámků byly 2× 60/240/430 mm a rozměry betonové desky 600/430/80 mm.
Následně byly provedeny protlačovací zkoušky, při kterých zatěžování zkušebních těles probíhalo v souladu s postupem popsaným v normě ČSN EN 26891 [2]. Zatěžovací diagram je patrný z obr. 3. Nejdříve byla odhadem stanovena maximální únosnost dvojice dřevěných trámků – tělesa Fest hodnotou 50 kN. Pro aplikaci zatěžovacího diagramu na obr. 3 byly vypočteny hodnoty zatížení 0,1 × Fest, 0,4 × Fest a 0,7 × Fest, podle nichž byl sestaven konkrétní zatěžovací diagram. Pro první zkušební těleso těmto hodnotám odpovídaly síly 5, 20 a 35 kN. Při zkoušce v prvních dvou minutách lineárně narůstalo zatížení až na 40 % očekávané maximální únosnosti, na této hodnotě se udržovalo 30 vteřin. Poté nastalo odtěžování na hodnotu 10 % očekávané maximální únosnosti, které se dosáhlo v čase čtyři minuty. Na této hodnotě se zatížení opět udržovalo 30 vteřin, dále následovalo zatěžování na hodnotu 70 % × Fest v čase osmi minut a poté bylo těleso plynule zatěžováno až do porušení.
Zkušební tělesa byla z obou stran osazena potenciometry měřícími svislý posun mezi betonovou deskou a dřevěným trámem, z těchto výsledků byl pro vyhodnocení zkoušky vypočten průměr. Dále byly navíc použity potenciometry měřící posun mezi dřevem a betonem ve směru kolmém ke spáře beton – dřevo pro případ, že by bylo potřeba zaznamenat odklon betonové desky, avšak ten při zkouškách nenastal. Maximální únosnost prvního zkušebního tělesa byla cca 35 kN a vzhledem k tomu, že se od předpokládaných 50 kN lišila o více než 20 %, byla v souladu s ČSN EN 26891 [2] stanovena nová maximální únosnost Fest hodnotou 40 kN. Z této hodnoty pak byly opět vypočteny hodnoty zatížení 0,1 × Fest, 0,4 × Fest a 0,7 × Fest (4, 16 a 28 kN), podle kterých pak byl upraven diagram zatěžování dalších šesti zkušebních těles.
Jak již bylo uvedeno výše, při zkouškách byly sledovány tyto charakteristiky spřažení: maximální únosnost, svislý posun mezi dřevem a betonem i způsob porušení zkušebních těles. Výsledky protlačovacích zkoušek jsou vyjádřeny pracovními diagramy na obr. 4. Nejvyšší únosnosti 39,8 kN bylo dosaženo při zatěžování tělesa č. 5. Obecně lze říci, že se maximální únosnost jednotlivých zkušebních těles od sebe nijak výrazně nelišila a v celé sérii zkoušek se hodnoty pohybovaly mezi 33,5 až 40 kN.
Výsledky protlačovacích zkoušek
U spojení dřeva a betonu spřahovacími prostředky je vždy důležité, jakým způsobem dojde k porušení zkušebních těles během protlačovací zkoušky. V zásadě mohou nastat tři základní způsoby porušení, případně jejich kombinace. Může dojít pouze k vytržení spřahovacího prostředku z betonu či ze dřeva, nebo se může přetrhnout samotný spřahovací prostředek. V případě vytržení spřahovacího prostředku z betonu bývá často také deformován. V tomto případě probíhalo porušení dřevobetonových zkušebních těles během protlačovacích zkoušek následovně. Dřevěná ani betonová část zkušebního tělesa po celou dobu zkoušky nejevila žádné známky porušení. Po dosažení zatížení přibližně 30 kN byl pozorován rychle narůstající prokluz mezi dřevěnou a betonovou částí zkušebního tělesa a následně byly tyto dvě části od sebe odtrženy. U všech zkušebních těles došlo k naprosto stejnému způsobu porušení. Po ukončení protlačovací zkoušky byla všechna zkušební tělesa rozebrána, aby byl zjištěn způsob porušení spřažení. Na obr. 5 je zobrazena rozebraná dřevěná část zkušebního tělesa po odtržení betonové desky.
Je vidět, že trny spřahovacího prostředku zůstaly zalisované ve dřevu a k porušení došlo na rozhraní betonu a dřeva, respektive v první řadě prolisovaných trnů. Na obr. 6 je fotografie betonové desky, která po protlačovací zkoušce zůstala zcela neporušená, jen došlo k odtržení spřahovacího prostředku. Takto celistvá betonová deska zůstala po protlačovací zkoušce u většiny zkušebních těles, pouze u vzorku č. 3 a č. 6 se odštěpila část betonu v místě uložení na ocelový rám. Toto odštěpení však bylo způsobeno nerovností spodní hrany betonové desky a následně koncentrací napětí vlivem nerovnoměrného opření o ocelový zkušební přípravek. Ze způsobu porušení zkušebních těles lze vyvodit závěr, že nejslabším článkem kompozitního průřezu je ocelový spřahovací prostředek (v úrovni první řady prolisovaných trnů).
Z výsledků protlačovacích zkoušek byl vytvořen jeden průměrný pracovní diagram, viz obr. 7. Z tohoto pracovního diagramu jsou patrné charakteristiky spřahovacího prostředku (jeho únosnost a prokluz). Dále byl pro průměrný pracovní diagram vypočten průměrný mo- dul prokluzu K04,mean a 5% kvantil modulu prokluzu K04,5%, viz obr. 7. Modul prokluzu Kser podle Eurokódu 5 (ČSN EN 1995-1-1 [3]) pro navrhování dřevěných konstrukcí odpovídá hodnotě Ks zjištěné zkouškou podle ČSN EN 26891 [2].
Z výsledků protlačovacích zkoušek byla podle normy ČSN EN 14358 [4] stanovena charakteristická hodnota únosnosti spřahovacího prostředku Fv,Rk a modulu prokluzu Ks. Hodnota charakteristické únosnosti spřahovacího prostředku Fv,Rk je 30,7 kN a hodnota modulu prokluzu Ks je 22,5 kN/mm.
Závěr
Poznatky získané z provedených zkoušek ukazují na použitelnost spřahovacího prostředku v případě prefabrikovaných dřevobetonových stropních dílců pro výstavbu např. rodinných domů na bázi dřeva. Použití spřahovacího prostředku v prefabrikovaném stropním dílci umožňuje vyloučit mokrý proces na stavbě, urychlit celkovou dobu montáže a tím zefektivnit a zlevnit celý proces výstavby. Další výzkum bude zaměřen na možné úpravy spřahovacího prostředku, jakými by mohlo být např. použití oceli vyšší pevnosti, použití větší tloušťky plechu spřahovacího prostředku či úprava jeho tvaru v zájmu dosažení takových parametrů prefabrikovaného dřevobetonového dílce, které by umožnily jeho použití i v provozech s většími nároky na zatížení a rozpon stropní konstrukce. Pokračující výzkum bude zaměřen i na vytvoření numerického modelu umožňujícího modelovat chování kompozitního dřevobetonového dílce pod zatížením a též optimalizaci provedení spřahovacího prostředku.
Poděkování
Tento článek byl zpracován za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.
Zdroje:
[1] ČSN EN 13501-1+A1 (73 0860): Požární klasifikace stavebních výrobků a konstrukcí staveb – Část 1: Klasifikace podle výsledků zkoušek reakce na oheň. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, Praha, 2010.
[2] ČSN EN 26891 (732070): Dřevěnékonstrukce: Spoje s mechanickými spojovacími prostředky – Všeobecné zásady pro zjišťování charakteristik únosnosti a přetvoření. Český normalizační institut, Praha, 1994.
[3] ČSN EN 1995-1-1 (73 1701): Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Český normalizační institut, Praha, 2006.
[4] ČSN EN 14358 (73 1705): Dřevěné konstrukce – Výpočet a ověřování charakteristických hodnot. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, Praha, 2017.
[5] MAREČEK, J., J. SAMEC a J. STUDNIČKA. Numerical Analysis of Perforated Shear Connector. In: Advanced Engineering Design 2004. Advanced Engineering Desing – 4th International Conference, Glasgow, 2004-09-05/2004-09-08. Praha: Orgit, 2004. s. C 2.01. ISBN 80-86059-41-3.
[6] KUKLÍK, P., P. NECHANICKÝ a A. KUKLÍKOVÁ. Development of Prefabricated Timber-Concrete Composite Floors. In: Materials and Joints in Timber Structures. RILEM International Symposium on Materials and Joints in Timber Structures, Stuttgart, 2013-10-08/2013-10-10. Dordrecht: Springer, 2014. s. 463–470. RILEM Bookseries, ed. 2014. ISSN 2211-0844. ISBN 978-94-007-7810-8.
