Experimentální testování prefabrikovaných schodišť z kompozitních materiálů na bázi cementu a organických vláken

1. Úvod

Kompozitní desky na bázi cementu a organických vláken (označovány jako cementovláknité desky) jsou dnes environmentálním, univerzálním a trvanlivým stavebním materiálem. Slouží jako náhrada přírodního dřeva a výrobků ze dřeva, jako jsou například překližky, nebo desky s orientovanými vlákny (OSB). Vlastnosti cementovláknitých desek, jako stavebního materiálu umožňují různorodá použití v širokém spektru stavebních konstrukcí. Mezi ty nejčastější patří fasádní obklady větraných fasád pro rekonstrukce i novostavby, vnitřní a vnější podhledy, obklady vnitřních a vnějších konstrukcí, kabelové mosty či konstrukce požární ochrany.

Jednou z teoreticky možných oblastí použití cementovláknitých desek je využití v rámci konstrukcí pozemních staveb ve formě interiérových schodišť [1], na která je kladena řada požadavků. Tyto požadavky jsou v České republice dány obecně závaznými předpisy [2], [3].

2. Literární přehled/popis současného stavu

Základními požadavky na stavby, tedy i na schodiště stanovuje v České republice vyhláška č. 268/2009 Sb., [2], která uvádí, že konstrukce musí být navržena a provedena tak, aby byla vhodná při respektování hospodárnosti pro zamýšlené využití a aby současně splnila (při běžné údržbě a působení běžně předvídatelných vlivů po dobu předpokládané existence) základní požadavky, kterými jsou:

• Mechanická odolnost a stabilita,
• požární bezpečnost,
• ochrana zdraví, zdravých životních podmínek a životního prostředí,
• ochrana proti hluku,
• bezpečnost při užívání,
• úspora energie a ochrana tepla.

Současně je v [2] uvedeno, že konstrukce schodiště nesmí způsobit náhlé nebo postupné zřícení nebo destruktivní poškození vlastní, nebo přilehlé stavby a nesmí dojít k nepřípustnému přetvoření, které může narušit stabilitu, mechanickou odolnost, trvanlivost nebo uživatelnost. Řídící pokyn pro evropská technická schválení pro prefabrikované schodišťové sestavy [3] uvádí, že konstrukce schodiště musí být navržena a provedena takovým způsobem, aby zatížení, která na ni budou pravděpodobně působit v průběhu výstavby a užívání, neměla za následek:

• Zřícení celé stavby nebo její časti,
• větší stupeň nepřípustného přetvoření,
• poškození jiných částí stavby nebo technických zařízení nebo instalovaného vybavení v důsledku většího přetvoření nosné konstrukce,
• poškození v případě, kdy je rozsah neúměrný původní příčině.

Statickou únosnost schodiště lze prokázat numerickou analýzou, nebo statickou zatěžovací zkouškou (full-scale) jako Pěnčík v [4], kde bylo analyzováno dřevěné segmentové schodiště z buku lesního (Fagus sylvatica), dubu zimního (Quercus petrea), borovice lesní (Pinus sylvestris) a smrku (Picea abies). Podle Sachse [5] je mimo statického zatížení konstrukce schodiště, často věnována pozornost i vibracím vyvolaným člověkem, tzn. dynamické účinky na konstrukci. Hodnocení dynamického chování ocelových schodišť na přítomnost osob publikoval Cappellini v [6], kde aplikovali metodiku kvantifikace změn modálních parametrů v důsledku přítomnosti pasivních lidí na štíhlé konstrukci [7]. Dynamické testy lze považovat za pokročilý stupeň analýzy konstrukce, kterým předchází statická zatěžovací zkouška, full-scale experiment, nebo numerická simulace. Full-scale experiment lze považovat za jednu z nejpřesnějších metod pro ověření chování konstrukce, nebo materiálu. Ve výzkumu v oblasti stavebnictví metoda ověření full-scale experimentem velmi oblíbená, což potvrzuje řada nedávných vědeckých publikací [8], [9] a [10]. Průběh full-scale experimentu prezentují autoři i v rámci této publikace.

3. Metodika

Prezentovaná metoda experimentálního testování konstrukcí segmentových schodišť za účelem ověření statické únosnosti uvažuje hodnoty zatížení a dílčích součinitelů bezpečnosti materiálů γ_M podle ČSN EN 1991-1-1 – Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-1: Obecná zatížení – Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb [2] a řídícího pokynu pro evropská technická schválení pro prefabrikované schodišťové sestavy [3]. Prezentovaná metodika byla aplikována na konstrukci jednoramenného segmentového schodiště z cementovláknitých desek na bázi cementu a organických vláken. Metodika je zaměřena na interiérová schodiště, tzn. že jsou uvažovány běžné podmínky vnitřního prostředí s teplotami kolísajícími mezi + 5 °C až + 30 °C a relativními vlhkostmi kolísajícími mezi 30 % až 70 %.

Zatěžovací zkouška je ze statického hlediska prováděna za nejméně příznivých podmínek. Schodišťové rameno je řešeno jako prostý nosník s kloubovým uložením v horní části, kde kloubové uložení simulují prolisované L-úhelníky z pozinkované, nebo nerezové oceli o rozměrech minimálně 65 × 90 × 90 × 2,5 mm se závitovými tyčemi o průměru 10 mm, viz Obr. 1. Posuvnou podporou v patě simuluje ocelová tyč o průměru 10 mm. Ke kontinuálnímu zaznamenávání svislých posunů při statickém zatěžování se doporučuje použití potenciometrických lankových snímačů s měřícím rozsahem 0–500 mm [11], měřící rozsah je možné prodloužit pomocí nerezového ocelového lanka [11].

Svislý posun U_γ je zaznamenáván na nosných prvcích (schodnicích) schodiště, minimálně v 1/3, 1/2 a 2/3 délky nosného prvku a u kloubové podpory z důvodu záznamu jejího poklesu. Alternativním způsobem zaznamenávání svislých posunů schodnic je aplikace systému prostorového měření v reálném čase [12].

Obr. 1 Kloubové uložení schodišťového ramene pomocí ocelového L-úhelníku (A), posuvná podpora v patě schodiště (B), sada potenciometrických lankových snímačů dráhy (C)

Zatížení na konstrukci schodiště o vlastní hmotnosti G_k je uvažováno jako rovnoměrné spojité. V reálném případě je obtížné rovnoměrné spojité zatížení simulovat. Největším přiblížením reálného stavu je zatěžování konstrukce pomocí vaků naplněných kapalinou o známé hmotnosti. Alternativním způsobem je krokové zatěžování vaky s pískem frakce 0/4 mm, nebo kačírkem frakce 4/8 mm, které jsou postupně ukládány do OSB boxů o rozměrech stupnice.

Hmotnost zatěžovacích vaků, je stanovena na základě plošného rozměru schodiště, zatížení stanovené podle [2] je V = 3,0 kN/m². Hodnota koeficientu γ_M [−] je podle [3] závislá na materiálu konstrukce schodiště. Pro výrobky ze dřeva a na bázi dřeva je uvažována hodnota γ_M = 1,3, pro betonové prvky pojené cementem nebo pryskyřicí je γ_M = 1,5, pro ocelové konstrukce schodiště je γ_M = 1,1. Na základě hodnoty součinitele γ_M je stanoveno zatěžovací schéma.

Statická zatěžovací zkouška je rozdělena do dvou fází – zatěžování a odtěžování. Cyklus zatížení a odtížení je nezbytné opakovat celkem dvakrát. Mezi jednotlivými fázemi, resp. mezi jednotlivými zatěžovacími kroky, tj. 1,0 × V, 1,3 × V a 1,5 × V je přestávka v délce 15 minut, které je uvažována z důvodu ustálení konstrukce schodiště, resp. ustálení svislých posunů U_γ [mm] a možnosti sledovat relaxaci konstrukce v čase. První a druhé zatěžování probíhá podle schématu: G_k → 1,0 × V → 1,3 × V → 1,5 × V → 1,3 × V → 1,0 × V → G_k. V případě stanovení maximálního možného zatížení, tzn. do ztráty stability se postupuje podle zatěžovacího schématu: G_k → 1,0 × V → 1,3 × V → 1,5 × V → zhroucení konstrukce. Příklad rozdělení zatěžovacích vaků pro jednoramenné schodiště o 9. stupních se stupnicemi o plošných rozměrech 900 × 300 mm je uveden v Tab. 1.

Schodišťové stupně jsou v každém zatěžovacím kroku zatěžovány na základě optimalizačního výpočtu. Cílem je umisťovat zatěžovací boxy v takovém pořadí, aby se průběh ohybového momentu od působícího zatížení co nejvíce přiblížil průběhu ohybového momentu od spojitého rovnoměrného zatížení, tj. parabola druhého stupně s maximální hodnotou v polovině rozpětí. Příklad zatěžování jednoramenného schodiště o 9 stupních je uveden na Obr. 2.

Obr. 2 Příklad postupného zatěžování jednoramenného schodiště s 9 stupni – zatížení (červeně), odtížení (modře)

4. Vyhodnocení experimentu

Výstupy ze zatěžování konstrukce schodiště podle uvedené metodiky jsou rozděleny do kategorií:

• Mechanická odolnost/únosnost a stabilita,
• Chování při zatížení/posuvu.

Únosnost je uváděna jako přepočtená hmotnost na jeden schodišťový stupeň, resp. stupnici v kN. Současně je výstupem přepočtené zatížení na celé schodišťové rameno v kN při porušení konstrukce, nebo jako prokázání dosažení požadovaných hodnot.

Chování při zatížení, resp. posuvu je uváděno v mm vztaženo k měřícímu bodu na konstrukci. Vyhodnocuje se průhyb konstrukce při odpovídajícím zatížení v odpovídajícím zatěžovacím kroku a výsledný průhyb konstrukce při maximálním zatížení. Při provozních zatíženích se průhyb schodiště uvádí ve vztahu ke středové čáře ramene l [mm]. Průhyb nesmí přesáhnout hodnotu l / 200. Únosnost spojovacích prostředků je předmětem samostatného měření.

Poděkování

Příspěvek vznikl za podpory projektu FAST-J-22-7907 „Stanovení koeficientu spolupůsobení složeného průřezu z kompozitního materiálu na bázi cementu a organických vláken v závislosti na způsobu spojení“ a FAST-S-22-8000 „Studium 3D tištěných konstrukcí pozemního stavitelství 4.0“.

Použité zdroje

1. NESPĚŠNÝ, Ondřej, Jan PĚNČÍK, David BEČKOVSKÝ, Jan VYSTRČIL a Karel ŠUHAJDA. Determination of material and elasticity constants of cement fibre boards to extend field of application. Construction and Building Materials. 2021, 306. ISSN 09500618. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124821
2. ČSN EN 1991-1-1-1 – Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-1: Obecná zatížení – Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb. Praha, 2004.
3. ETAG 008: Prefabricated Stair Kits. Brusel: European Organisation for Technical Approvals, 2000.
4. PĚNČÍK, Jan, Miloš LAVICKÝ, Pavel KRAL a Zdeňka HAVÍŘOVÁ. Analysis of Behaviour of Prefabricated Staircases with One-Sided Suspended Stairs. Drvna industrija. 2015, 66(2), 147-156. ISSN 00126772. Dostupné z:
   https://doi.org/10.5552/drind.2015.1338
5. SACHS
6. CAPPELLINI, A., S. MANZONI, M. VANALI a A. CIGADA. Evaluation of the dynamic behaviour of steel staircases damped by the presence of people. Engineering Structures. 2016, 115, 165-178. ISSN 01410296. Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.02.028
7. BUSCA, G., A. CAPPELLINI, S. MANZONI, M. TARABINI a M. VANALI. Quantification of changes in modal parameters due to the presence of passive people on a slender structure. Journal of Sound and Vibration. 2014, 333(21), 5641-5652. ISSN 0022460X. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2014.06.003
8. FLEMING, Patrick H. a Michael H. RAMAGE. Full-scale construction and testing of stress-laminated columns made with low-grade wood. Construction and Building Materials. 2020, 230. ISSN 09500618. Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.116952
9. ZUO, Zibo, Jian GONG, Yulin HUANG, Yijian ZHAN, Ming GONG a Lulu ZHANG. Experimental research on transition from scale 3D printing to full-size printing in construction. Construction and Building Materials. 2019, 208, 350-360. ISSN 09500618. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.02.171
10. LI, Bin, Hongyuan FANG, Hang HE, Kangjian YANG, Can CHEN a Fuming WANG. Numerical simulation and full-scale test on dynamic response of corroded concrete pipelines under Multi-field coupling. Construction and Building Materials. 2019, 200, 368-386. ISSN 09500618. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.12.111
11. MICRO-EPSILON [online]. 2021 [cit. 2021-12-04]. Dostupné z:
    https://www.micro-epsilon.cz/download/products/cat--wireSENSOR--en.pdf
12. X-SIGHT [online]. 2021 [cit. 2021-12-04]. Dostupné z: https://www.xsight.eu/dicsystems/