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 2014

Související rubriky

Reklama

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



Partneři oboru

logo FERMACELL
logo SLAVONA logo KNAUF

E-mailový zpravodaj

Nejnovější články