Kotvenie betonárskej výstuže podla druhej generacie Eurokodov 2

1. Úvod

Prvá generácia Eurokódov bola publikovaná v rokoch 2002 až 2007 Európskym výborom pre normalizáciu (CEN). Eurokódy priniesli predovšetkým zjednotenie noriem, štandardov a návrhových metód pre všetky členské štáty patriace pod organizáciu CEN. S neustálym vývojom nových technológií, materiálov a s úmyslom zlepšiť návrhové postupy sa od roku 2015 začali pripravovať Eurokódy novej generácie, ktoré by na Slovensku mali byť prijaté do sústavy STN do konca septembra 2027. Platnosť prvej generácie Eurokódov 2 (EC) sa skončí do 30. 3. 2028, [1]. V novej „druhej“ generácii Eurokódov prešla úpravou časť o kotvení a stykovaní betonárskej výstuže, kde bola upravená metodika návrhu a pridané nové možnosti kotvenia betonárskej výstuže. Článok sa venuje návrhu kotvenia betonárskej výstuže podľa druhej generácie Eurokódov a porovnaniu dĺžky potrebného kotvenia medzi jednotlivými generáciami Eurokódov 2.

2. Pravidlá kotvenia výstuže podľa prvej generácie Eurokódov 2

Pravidlá pre kotvenie a stykovanie betonárskej výstuže sú uvedené v EN 1992-1-1:Časť 8 [2]. Prvá generácia EC okrem priamej koncovej úpravy betonárskej výstuže pripúšťa kotvenie ohybom, hákom, slučkou a privareným priečnym prútom (Obr. 1). Návrhová kotevná dĺžka betonárskej výstuže sa stanoví podľa (1), vzorec 8.4 v [2].

(1)

kde je

l_b,req

základná kotevná dĺžka potrebná na ukotvenie sily A_s σ_sd , určená výpočtom za predpokladu konštantného napätia súdržnosti f_bd , vzorec 8.3 v [2].

Súčinitele α₁ až α₅ zohľadňujú spôsob kotvenia a namáhania betonárskej výstuže, tvar a polohu betonárskej výstuže. Hodnoty súčiniteľov α₁ až α₅ sa berú s hodnotou 0,7 až 1,0. Presné hodnoty uvádza tabuľka 8.2 v [2].

Obr. 1: Prípustné spôsoby kotvenia podľa EN 1992-1-1 [2]

3. Pravidlá kotvenia výstuží podľa druhej generácie Eurokódov 2

Druhá generácia EC 2 (EN 1992-1-1:2023, časť 11.4 [3]) zavádza nové pravidlá pre kotvenie a stykovanie betonárskej výstuže. Zároveň zahŕňa nové možnosti kotvenia, konkrétne kotvenie výstuže s hlavou a dodatočne inštalované výstuže. Spôsoby kotvenia zahrnuté v novej generácii EC dokumentuje Obr. 2.

a) Kotvenie priamou koncovou úpravou

b) Kotvenie ohybmi a hákmi

c) Kotvenie U-slučkami

d) Kotvenie výstuže s hlavou

e) Kotvenie privarenou výstužou

f) Kotvenie dodatočne inštalovanou výstužou

Obr. 2: Spôsoby kotvenia podľa EN 1992-1-1:2023 [3]

3.1 Kotevná dĺžka priamou koncovou úpravou

Kotevnú dĺžku l_bd pre priamu koncovú úpravu je možné stanoviť dvoma spôsobmi:

1) Odčítaním hodnôt priamo z Tab. 1, ak sú splnené predpísané kritériá v 11.4.2 (2), [3] a národné prílohy nestanovia iné hodnoty. Stanovenie kotevnej dĺžky priamo pomocou tabuľky je možné pre rebierkovú výstuž s priemerom Ø < 32 mm a hladké tyče priemeru Ø ≤ 14 mm, kde nominálna hodnota krytia c_d ≥ 1,5 Ø, stanovená podľa vzťahu (2) a (Obr. 3). Návrhové napätie vo výstužnom prúte v mieste, odkiaľ sa určuje kotvenie je σ_sd = 435 MPa a sú splnené podmienky súdržnosti. V prípade nepriaznivých podmienok súdržnosti sa tabuľková hodnota kotevnej dĺžky upraví o 1,2-násobok.

Nominálna hodnota krycej vrstvy pre návrh kotvenia sa stanoví ako:

(2)

Obr. 3: Podmienky pre stanovenie c_d [3]

2) Presným výpočtom podľa vzorca (3), alebo ak nie sú splnené kritéria v 11.4.2 (2) [3] je možné použiť vzorec (3).

(3)

kde je

Ø

priemer kotvenej výstuže

f_ck

charakteristická pevnosť betónu v tlaku

c_d

nominálna hodnota krytia

σ_sd

návrhové napätie vo výstuži

n_σ

= 3/2

k_cp

koeficient vplyvu betonáže na podmienky súdržnosti;
k_cp = 1 koeficient pre dobré podmienky súdržnosti;
k_cp = 1,2 koeficient pre zlé podmienky súdržnosti;
k_cp = 1,4 v prípade, ak je použitý bentonit.

k_lb

= 50 pre trvalé a dočasné návrhové situácie

k_lb

= 35 pre mimoriadnu návrhovú situáciu

3.2 Kotvenie ohybmi a hákmi

Nové pravidlá Eurokódov [3] umožňujú skrátenie návrhovej kotevnej dĺžky l_bd o 15ϕ pri hákoch a ohyboch, ak sú v súlade s Obr. 4, naďalej platí kotevná dĺžka l_bd ≥ 10ϕ.

Obr. 4: Kotvenie hákom a ohybom v ťahu

3.3 Kotvenie výstuže s hlavou

Obr. 5: Príklad hlavovej výstuže PSB^® s rôznou konfiguráciou (zdroj: peikko.com/PSB® Headed Anchors)

Betonárska výstuž s jednostranne, alebo obojstranne rozkovanou hlavou predstavuje overený spôsob kotvenia v stavebnej praxi už niekoľko desaťročí (Obr. 5). Rôzne formy úpravy betonárskej výstuže s rozkovanou hlavou sa v súčasnosti využívajú ako štandardné konštrukčné prvky pri rezidenčnej výstavbe v zahraničí. Príkladom implementácie takýchto riešení je aj najvyššia budova Karlatornet v Göteborgu. Prvý mrakodrap v Škandinávii dosahuje výšku 247 m a pozostáva zo 74 nadzemných podlaží (Obr. 6).

Obr. 6: PSB^® Hlavová výstuž použitá ako šmyková výstuž v projekte Karlatornet vo Švédsku (zdroj: peikko.com/Karlatornet, Göteborg, Sweden)

Systém kotvenia výstuže s hlavou prináša viacero technických a praktických výhod:

• Skrátenie kotevnej dĺžky v porovnaní s tradičnými metódami, ako sú napríklad háky, vďaka vyššej efektivity prenosu napätia z výstuže do betónu. Táto efektivita vyplýva z minimálneho poklzu výstuže v betóne, čo je obzvlášť výhodné pri krátkych kotvách [4].
• Rýchlejšia a jednoduchšia inštalácia priamo do výstužného koša v porovnaní s použitím klasických strmienkov alebo hákov, čím sa znižuje časová náročnosť výstavby.
• Zlepšenie priestorových možností v prehustených konštrukčných detailoch monolitických betónových konštrukcií (napr. stĺpy, piliere, steny, rohy rámov, konzoly a základové dosky).

Obr. 7: Stanovenie kotevnej dĺžky pre výstuž s hlavou EN 1992-1-1:2023 [3]

Napriek týmto dlhodobo známym výhodám bolo kotvenie výstuže s hlavou oficiálne zahrnuté do návrhových predpisov až v novej generácii EC 2 [3]. Pravidlá pre navrhovanie a použitie tohto systému sú definované v prílohe C.7, pričom základnou požiadavkou je preukázanie súladu s European Technical Assessment (ETA).

Základný princíp návrhu spočíva v stanovení kotevnej kapacity hlavy. Dodatočná kotevná dĺžka sa vypočíta ako rozdiel medzi kotevnou kapacitou betonárskej výstuže a kotevnej kapacity hlavy.

Ak má hlava dostatočnú kotevnú kapacitu a prenesie všetky ťahové sily, potom dodatočná kotevná dĺžka nie je potrebná. Ak kotevná kapacita hlavy nie je dostatočná, je možné použiť vzorec (4) na stanovenie dodatočnej kotevnej dĺžky.

(4)

Pri použití hláv pre šmykovú výstuž a výstuž na ovinutie sa betonárska výstuž kotví iba cez hlavu. Ďalšia kotevná dĺžka nie je potrebná (viď. článok 11.4.7 (4) [3]). Napätie, ktoré prenesie hlava sa stanoví podľa vzorca (5)

(5)

kde je

k_h,A

pomer medzi plochou hlavy a plochou betonárskej výstuže

f_cd

návrhová pevnosť betónu v tlaku

a_d

nominálna vzdialenosť medzi výstužou a povrchom

v_part

= 11,0 pre betón bez trhlín v oblasti hlavy

v_part

= 8,0 pre betón s trhlinami v oblasti hlavy

d_dg

≥ 32 menovitý rozmer zrna kameniva

4. Porovnanie potrebných dĺžok kotvenia medzi prvou a druhou generáciou Eurokódov

Cieľom porovnania prístupu oboch noriem je identifikovať rozdiely v návrhových požiadavkách, ktoré vyplývajú z aktualizovanej metodiky a nových návrhových princípov zavedených v druhej generácii EC. Porovnanie je založené na výpočtoch kotevných dĺžok pre vybrané prípady, pričom sa zohľadňujú identické vstupné parametre, aby bolo možné objektívne vyhodnotiť vplyv zmien v normatívnych predpisoch.

Pre účely porovnania boli zvolené nasledovné vstupné parametre, ktoré reprezentujú bežné podmienky pri návrhu železobetónových konštrukcií:

• podmienky súdržnosti: dobré
• krytie a pozícia betonárskej výstuže c_d = 1,5 ∙ Ø
• krytie a pozícia hlavy výstuže: c_d = 1,5 ∙ Ø + Ø_h / 2
• trieda betónu: C 25/30 a C 30/37
• trieda výstuže B500B
• bez vplyvu ovinutia výstuže

V rámci analýzy boli porovnané kotevné dĺžky výstuží s priamou koncovou úpravou pre priemery od 10 do 32 mm, pre betón triedy C20/25 (viď. Obr. 8). Výsledky ukazujú, že v druhej generácii Eurokódov (EC2 G2) sú požadované dlhšie kotevné dĺžky, pričom rozdiely sú výraznejšie pri väčších priemeroch výstuže.

Obr. 8: Porovnanie kotevných dĺžok priamej koncovej úpravy medzi prvou generáciou Eurokódu (EC2 G1) a druhou generáciou Eurokódu (EC2 G1)

Potrebné kotevné dĺžky hákov podľa prvej (EC2 G1) a druhej generácie Eurokódu 2 (EC2 G2) pre triedu betónu C25/30 a C30/37 dokumentujú Obr. 9 a Obr. 10. Pre ilustráciu sú grafy doplnené o kotevné dĺžky výstuže s hlavou definované v druhej generácii Eurokódu 2. Táto forma kotvenia v prvej generácii absentuje. Pri výstužiach s menšími priemermi je rozdiel v požadovanej kotevnej dĺžke hákov medzi prvou a druhou generáciou EC2 minimálny. Pri priemeroch od 20 mm a vyššie sa tento rozdiel zväčšuje, pričom druhá generácia EC2 vyžaduje dlhšie kotevné dĺžky. Kotevná dĺžka výstuže s hlavovou je podstatne kratšia. Pri profiloch s priemerom 10 mm a menej je kotevná dĺžka výstuže s hlavou prakticky nevyčísliteľná (viď. Obr. 10).

Obr. 9: Porovnanie kotevných dĺžok výstuží s hákom a výstuží s hlavou pre betón triedy C 25/30

Obr. 10: Porovnanie kotevných dĺžok výstuží s hákom a výstuží s hlavou pre betón triedy C 30/37

5. Závery

Na základe porovnania jednotlivých normových prístupov k stanoveniu kotevnej dĺžky možno formulovať nasledovné odporúčania pre inžiniersku prax, ktoré reflektujú zistené rozdiely medzi prvou a druhou generáciou Eurokódu 2.

Kotvenie priamou koncovou úpravou

Nová generácia EC 2 [3] prináša nové systémy kotvenia, ako sú kotevné hlavy a dodatočne inštalované výstuže. Tieto systémy sa už dlhší čas úspešne používajú v stavebnej praxi, kde preukázali svoju efektívnosť a bezpečnosť. Zaradením do Eurokódov sa ich navrhovanie zjednotí a zjednoduší. Návrhové kotevné dĺžky podľa nového EC 2 [3] vychádzajú pri priamej koncovej úprave dlhšie, najmä pri priemeroch betonárskej výstuže od 20 mm. V prípade priemeru 32 mm je rozdiel ešte výraznejší.

Kotvenie výstuže s hlavou

Použitím kotevných hláv je možné výrazne skrátiť kotevné dĺžky betonárskej výstuže. Pri menších priemeroch a vyššej triede betónu vychádza kotevná takmer zanedbateľná. Model Code 2010 [5], ktorý je základ novej generácie EC 2, však stanovuje podmienku v 6.1.3.6 [4], kde vo všetkých prípadoch musí mať hlava dostatočné ukotvenie za najviac namáhaným prierezom betonárskej výstuže, aby sa zabránilo porušeniu vytrhnutím betónového kužeľa. Táto podmienka v novej generácii EC 2 absentuje a v prípade nulovej kotevnej dĺžky s použitím hláv neurčuje žiadne limity a okrajové podmienky pri použití vzorca (4). Jediná podmienka pre minimálnu kotevnú dĺžku je vo vzorci (3), ktorý platí pre kotvenie s priamou koncovou úpravou. Tento fakt môže viesť k navrhovaniu detailov, ktoré nie sú bezpečné.

6. Literatúra

1. Úrad pre normalizáciu, metrológiu a skúšobníctvo SR, [Online],
   https://www.normoff.gov.sk/stranka/661/eurokody/?csrt=17955119569709558760.
2. STN EN 1992-1-1+A1:2015. Eurokód 2. Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy.
3. BS EN 1992-1-1:2023. Eurocode 2. Design of concrete structures. Part 1-1: General rules and rules for buildings, bridges and civil engineering structures, 403 p., 2023.
4. BEUTEL, R.; HEGGER J.: The effect of anchorage on the effectiveness of the shear reinforcement in the punching zone, Cement & Concrete Composites 24, pp. 539-549, 2002.
5. fib Model Code for Concrete Structures 2010, fédération internationale du béton/International Federation for Structural Concrete (fib), 2013.
6. PEIKKO GROUP: PSB Headed Anchor - Technical manual, January 2024.