Dřevobetonové stropy pro lehké skelety dřevostaveb

Datum: 18.6.2012  |  Autor: Ing. Anna Kuklíková, Ph.D., Ing. Pavel Nechanický, Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí, Stavební fakulta ČVUT v Praze  |  Recenzent: doc. Ing. Petr Kuklík, CSc.

Dřevobetonové stropy se používají především při zesilování stávajících stropů s dřevěnými stropními nosníky. Velkou perspektivu však mají i v případě prefabrikovaných dřevobetonových stropů vícepodlažních dřevostaveb. Provedením betonové desky, kterou spřáhneme s dřevěnými nosníky pomocí různých spřahovacích prostředků, výrazně zvýšíme tuhost i únosnost stropní konstrukce. Dřevobetonové stropní konstrukce mají též lepší parametry kročejové a vzduchové neprůzvučnosti a požární odolnosti oproti tradičním dřevěným stropům.

Úvod

V České republice i v celém středoevropském regionu sledujeme v posledních letech zvyšující se zájem o výstavbu z ekologicky šetrných materiálů. Mezi tyto materiály můžeme jistě zařadit dřevo, výrobky na bázi dřeva i kompozity na bázi dřeva. Přestože se v České republice zvyšuje nejen zájem, ale i počet realizací staveb na bázi dřeva, je jejich podíl na celkové výstavbě rodinných domů přibližně desetiprocentní a u výstavby vícepodlažních staveb pro bydlení a občanskou vybavenost prakticky nulový. V souladu s evropskou směrnicí 31/2010/EU, která stanovuje společný cíl snížit do roku 2020 spotřebu energie v budovách o 20 % při současném zvýšení podílu využití obnovitelných zdrojů energie na 20 % a snížení produkce skleníkových plynů o 20 %, je tato oblast stavebnictví vysoce perspektivním oborem. Aby perspektiva mohla být naplňována, je třeba poskytnout specializovaným výrobcům dřevostaveb dostatek pádných, věcných a přesvědčivých argumentů a nástrojů pro jednání s investory, orgány státní správy, architekty a projektanty.

Konstrukčních systémů, které se uplatňují při výstavbě budov na bázi dřeva, je celá řada, ale u každého vždy najdeme jisté nevýhody nebo omezení, které znemožňují realizaci staveb na bázi dřeva většího rozsahu. Nejpoužívanějším způsobem výstavby vícepodlažních staveb na bázi dřeva v České republice je montáž z velkoplošných prefabrikovaných stropních a stěnových dílců na bázi lehkého dřevěného skeletu (obr. 1). Se zvyšující se výškou se ovšem začínají vyskytovat zásadní problémy ovlivňující především celkovou prostorovou tuhost objektu, dlouhodobé přetvoření vlivem dotvarování dřeva a pevnosti dřeva v otlačení kolmo k vláknům, což jsou hlavní nevýhody tohoto systému i v případě realizace nižších staveb. Mezi výhody naopak patří průmyslová výroba dílců s vysokým stupněm prefabrikace ve standardizovaných podmínkách výrobní haly, výstavba velmi úsporných staveb s minimální tloušťkou stěn a ve vysoké kvalitě, vysoká rychlost výstavby, celková nízká hmotnost výsledné stavby.

Obr. 1Obr. 1 Montáž domu z dílců na bázi lehkého dřevěného skeletu a příklad realizované stavby.

Prioritou pro úspěšné zvýšení konkurenceschopnosti v oblasti výstavby dřevostaveb, je možnost stavět více než dnes standardní tři podlaží. K tomu je nutné nalézt alternativu především v oblasti řešení stropních nosných konstrukcí. Jako ideální řešení se nabízí využití dřevobetonových konstrukcí. Dřevobetonové stropy jsou velmi vhodné pro budovy na bázi dřeva. Provedením betonové desky, kterou spřáhneme s dřevěnými nosníky pomocí různých spřahovacích prostředků, výrazně zvýšíme tuhost i únosnost stropní konstrukce. Je ověřeno, že dřevobetonové stropní konstrukce mají též lepší parametry kročejové a vzduchové neprůzvučnosti (v případě vhodně vyřešených konstrukčních detailů) a požární odolnosti oproti tradičním dřevěným stropům, či moderním systémům na bázi prefabrikace z velkoplošných dílců.

Spojovací prostředky kolíkového typu

Na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební ČVUT v Praze je již dlouhodobě velká pozornost věnována výzkumu dřevobetonových konstrukcí, se zaměřením na chování standardně používaných spřahovacích ocelových prostředků kolíkového typu a na celkové působení dřevobetonových konstrukcí.

Na základě provedeného výzkumu spřahovacích prostředků, viz dále, bylo zjištěno, že především tuhost, určovaná podle technických norem, je cca o 20 % nadhodnocována, neboť normy předpokládají, že spřahovací prostředek je v betonu dokonale vetknut a při zatížení nedochází k jeho zatlačení do betonu. Důležitým poznatkem provedeného výzkumu též je, že jakost betonu má vliv na únosnost spřahovacích prostředků ve spojích dřevo-beton, ale nikoliv již na jejich tuhost.

Pro stanovení únosnosti spřahovacích prostředků kolíkového typu ve spojích dřevo-beton byly zpracovány následující výpočetní postupy vycházející z předpokladů pro spoje dřevo-dřevo. Jestliže budeme předpokládat, že se spřahovací prostředek kolíkového typu ve spoji dřevo-beton s mezivrstvou deformuje podle obr. 2 vlevo, můžeme zapsat rovnici rovnováhy (1) k bodu A pro mezní stav únosnosti spřahovacího prostředku – viz obr. 2 vpravo.

Obr. 2
Obr. 2 Deformovaný tvar spřahovacího prostředku kolíkového typu se dvěma plastickými klouby
vzorec 1 (1)
 

kde

fh,t
– pevnost dřeva v otlačení;
fh,c
– pevnost betonu v otlačení;
My
– plastický moment únosnosti spřahovacího prostředku.
 

Za předpokladu, že

vzorec 2 (2)
 

platí

vzorec 3 (3)
 

Únosnost spřahovacího prostředku podle Johansenovy teorie se potom rovná:

vzorec 4 (4)
 

V případě spřažení bez mezivrstvy (t = 0) se vztah pro Rv zjednoduší na vztah:

vzorec 5 (5)
 

Uvedené vztahy platí pro spřahovací prostředek, u kterého se současně vytvoří dva plastické klouby. To nastane za předpokladu, že:

vzorec 6 (6)
 

vzorec 7 (7)
 

Při navrhování spřahovacích prostředků kolíkového typu se dvěma plastickými klouby je proto třeba dodržet délky jejich průniku do dřeva a betonu:

vzorec 8 (8)
 

vzorec 9 (9)
 

Vztahy (4) a (5) řeší únosnost spřahovacích prostředků pouze podle Johansenovy teorie. Při deformačním tvaru (obr. 2) však spřahovací prostředek bude též namáhán osovou silou, která vzniká od jeho ohybu a ukotvení do dřeva a betonu.

Tato osová síla bude k sobě přitlačovat betonovou desku a dřevěný nosník a zvyšovat tak únosnost spřahovacího prostředku. Na zvýšení únosnosti spřahovacího prostředku se též bude podílet složka osové síly ve skloněné části spřahovacího prostředku, působící rovnoběžně se spárou mezi dřevem a betonem.

Kalibrací experimentů se ukazuje, že nárůst únosnosti spřahovacího prostředku namáhaného příčně nejlépe vystihuje tento vztah:

vzorec 10 (10)
 

kde

Rv
– únosnost spřahovacího prostředku podle Johansenovy teorie;
Rax
– únosnost spřahovacího prostředku na vytažení ze dřeva.
 

Podmínkou pro použití odvozených vztahů je znalost pevnosti betonu v otlačení fh,c. Při řešení tohoto problému byly využity výsledky výzkumu spřažených konstrukcí beton-beton.

Z rozboru těchto výsledků vyplynulo, že hodnotu pevnosti betonu v otlačení fh,c je možné uvažovat jako čtyřnásobek průměrné hodnoty válcové pevnosti betonu v tlaku fcm. Tomuto odpovídá též deformační tvar hřebíku na obr. 1, neboť ltlc (obr. 2) odpovídají předpokladům rovnic (2) a (3).

V případě, kdy bude jako spřahovací prostředek použit ocelový kolík, je možné použít následující vztahy pro pevnost dřeva v otlačení fh,t a plastický moment únosnosti My. Únosnost kolíků na vytažení je tak malá, že se zanedbává.

fh,t = 0,082 (1 − 0,01d ) ρ (11) [MPa]
 

kde

ρ
– hustota dřeva [kg/m3];
d
– průměr kolíku [mm].
 

My = fu d 2,6 (12) [Nmm]
 

kde

fu
– pevnost oceli v tahu [MPa];
d
– průměr kolíku [mm].
 

Poznámka:
Plastický moment únosnosti ocelového kruhového průřezu se určuje ze vztahu vzorec  . U ocelových spřahovacích prostředků za studena tvářených mez kluzu fy není tzv. vyznačena a rovná se přibližně 80 % meze pevnosti fu. U dřevěných konstrukcí se proto pro určení plastického momentu únosnosti kolíku často používá vztah vzorec  . Protože podle tohoto vztahu vycházejí hodnoty plastického momentu únosnosti vyšší než podle ohybových zkoušek, je možné též používat konzervativnější vztah (12).

Spojovací prostředek plošného typu

Obr. 3
Obr. 3 Inovativní spřahovací prostředek BV15/0

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 a zlevnil celý proces výstavby. Této problematice se se dosud věnovala celosvětově jen malá pozornost a vzniklo jen několik málo použitelných technik.

Ve spolupráci s firmou BOVA Březnice spol. s r.o. byla vyvinuta první verze inovativního spřahovacího prostředku pro spojení dřeva a betonu a též se podařilo vyrobit a odzkoušet první sadu zkušebních (funkčních) vzorků (obr. 4).

Obr. 4 Zkušební těleso a jeho chování při protlačovací zkoušce

Souběžně s vývojem spřahovacího prostředku byla zpracována idea pro vlastní aplikaci do kompozitního průřezu tak, aby byl splněn základní požadavek snadné a ekonomické průmyslové výroby. Podstata tohoto technického řešení spočívá ve spojení dvojice dřevěných nosníků z rostlého dřeva obdélníkového průřezu pomocí ocelových desek s oboustranně prolisovanými trny takovým způsobem, aby část ze šířky ocelové desky přečnívala přes horní okraj dřevěných nosníků (obr. 5). Tento přesah je následně zalit směsí z hutného betonu, čímž vznikne kompozitní dřevobetonový průřez. Dimenze dřevěných nosníků a tloušťka betonové desky vychází ze statického a dynamického výpočtu konstrukce. Dimenze, počet ocelových desek a jejich umístění po délce nosníků a výškové umístění desky v průřezu vychází ze statického a dynamického výpočtu konstrukce. K zalisování ocelových desek se používá speciální lisovacího zařízení.


Obr. 5 Příkladové řešení inovativního spřažení dřevo-beton včetně MKP modelace chování spřažení
(1 – beton, 2 – dřevo, 3 – spřahovací prostředek)
 

Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektů ČVUT v Praze MSM 6840770001 „Spolehlivost, optimalizace a trvanlivost stavebních materiálů a konstrukcí“ a SGS11/146/OHK1/3T/11 „Prefabrikované kompozitní dřevobetonové stropní konstrukce pro vícepodlažní budovy“ ve spolupráci s firmou BOVA Březnice spol. s r.o.

Literatura

  • [1] Dias, A – J.W.G.Kuilen – Cruz, H.: Mechanical properties of timber-concrete joints made with steel dowels, Coimbra University, 2003;
  • [2] Hrdoušek, V. – Krátký, J. – Křečan, J. – Kukaň, V. – Procházka, J. – Šmerk, P: Spřažené konstrukce beton-beton, ČVUT Praha, 1993;
  • [3] Johansen, K. W.: Theory of timber connections. International Association of Bridge and Structural Engineering. Publication No. 9:249-262. Bern, 1949;
  • [4] Koželouh, B.: Zkoušky těles spřáhnutých ze dřeva a betonu, ŠDVU Bratislava, 1975;
  • [5] Kuklík, P.: Navrhování dřevěných konstrukcí, Technická knižnice autorizovaného inženýra a technika, ČKAIT, Praha, 1997;
  • [6] Kuklíková, A.: Kompozitní dřevobetonové konstrukce, ČVUT v Praze, 2004;
  • [7] Whale, L. R. J. – Smith, I. – Larsen, H. J.: Design of nailed and bolted joints, proposals for the revision of existing formulae in draft Eurocode 5 and CIB code, Paper 20-7-1, Proceedings CIB – W18 meeting, Dublin, Ireland 1987;
  • [8] ČSN EN 26891: Dřevěné konstrukce. Spoje s mechanickými spojovacími prostředky. Všeobecné zásady pro zjišťování charakteristik únosnosti a přetvoření (732070), ČSNI, Praha, 1994;
  • [9] ČSN EN 1992-1-1 Navrhování betonových konstrukcí. Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 2006;
  • [10] ČSN EN 1995-1-1 Navrhování dřevěných konstrukcí, Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby , ČNI, Praha, 2006;
  • [11] ČSN EN 1995-2 Navrhování dřevěných konstrukcí Část 2: Mosty, ČNI, Praha, 2006
 
English Synopsis
Wood-concrete ceilings for lightweight skeletons of wooden buildings

Wooden-concrete ceilings are used especially in strengthening the existing ceilings with wooden ceiling beams. They have great potential also as precast concrete ceilings of multi-storey wooden buildings. They significantly increase the stiffness and resistance of the ceiling structure. Wood-concrete ceiling structure parameters are also better in the field of impact and airborne sound insulation and fire resistance, more than traditional wooden ceilings.

 

Hodnotit:  

Datum: 18.6.2012
Autor: Ing. Anna Kuklíková, Ph.D., Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí, Stavební fakulta ČVUT v PrazeIng. Pavel Nechanický, Katedra ocelových a dřevěných konstrukcí, Stavební fakulta ČVUT v PrazeRecenzent: doc. Ing. Petr Kuklík, CSc.



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


Projekty 2015

Související rubriky

Reklama

Adresář výrobců a dodavatelů dřevostaveb
Ročenka PROFIspeciál - profesionálům z oboru dřevostaveb




Partneři oboru

logo RIGIPS
logo KNAUF
logo FERMACELL

E-mailový zpravodaj

WebArchiv - stránky archivovány národní knihovnou ČR

Nejnovější články

 
 
 

Aktuální články na ESTAV.czNa co si dát pozor při výběru plastového okna?Co dělat, aby nám voda neutíkala?Největší výšková stavba ze dřeva bude ve Vídni