Dodatočné zvýšenie odolnosti bezprievlakových stropných dosiek proti pretlačeniu

1. Úvod

Bezprievlakové stropné dosky sú v súčasnosti veľmi rozšíreným typom stropných konštrukcií. Na rozdiel od tradičných stropných dosiek podopretých prievlakmi (obr. 1a), pri ktorých sa zaťaženie dosky prenáša pomocou prievlakov do stĺpov, sa v prípade bezprievlakovej dosky (obr. 1b) zaťaženie prenáša z dosky priamo do stĺpa. Výhodou bezprievlakových stropných dosiek je rovný podhľad, ktorý umožňuje variabilné a flexibilné dispozičné riešenie a vedenie inštalácií TZB bez obmedzení. S rovným podhľadom súvisí aj jednoduchá a rýchla realizácia bezprievlakovej stropnej dosky, odpadá debnenie a vystužovanie prievlakov, čo má za následok zníženie prácnosti a úsporu nákladov. Kritickou oblasťou je styk stĺpa a dosky, kde dochádza ku koncentrácii veľkých nadpodperových ohybových momentov a šmykových síl. Hrúbku bezprievlakovej dosky ovplyvňujú práve najviac namáhané oblasti okolo stĺpov. Pre menej zaťažené stropy sa navrhuje bezprievlaková doska konštantnej hrúbky. Pri väčšom zaťažení, resp. rozpätí stropov vychádzajú veľké hrúbky dosky. Vlastná tiaž dosky tak môže byť násobne väčšia ako premenné zaťaženie. Použitie rôznych typov hlavíc môže vyriešiť problém pretlačenia, nerieši však odolnosť a používateľnosť stropu z hľadiska veľkých nadpodperových momentov. Univerzálnejšie riešenie, umožňujúce potrebnú odolnosť na prenesenie účinkov nadpodperových momentov a šmykových síl, je vytvorenie doskového zosilnenia na styku stĺp – doska (obr. 1c). V oblastiach mimo stĺpov je doska tenšia, čo redukuje jej vlastnú tiaž a tým aj priehyb dosky.

Obr. 1a: Stropná doska podopretá prievlakmi

Obr. 1b: Bezprievlaková stropná doska

Obr. 1c: Bezprievlaková stropná doska s doskovým zosilnením

Obr. 2: Porušenie stropnej dosky pretlačením [1]

Potreba dodatočného zosilnenia bezprievlakovej dosky nastáva v prípadoch, keď je doska nesprávne navrhnutá či zhotovená, alebo v prípadoch zmeny využitia objektu, ak sa požaduje vyššia zaťažiteľnosť stropov. Dôraz sa kladie na šmykovú odolnosť, pretože šmykové porušenie má krehký charakter a môže spôsobiť náhle zrútenie konštrukcie. Aktuálnosť a závažnosť problému dokazujú viaceré náhle zrútenia bezprievlakových stropných dosiek u nás aj v zahraničí, ku ktorým došlo v nedávnej minulosti (obr. 2).

2. Spôsoby zvýšenia šmykovej odolnosti

2.1 Zväčšenie plochy podpery

Najjednoduchším spôsobom zvyšovania šmykovej odolnosti bezprievlakových dosiek je zväčšenie plochy podpery. To sa realizuje buď zväčšením rozmerov stĺpa (obr. 3a), alebo vytvorením hlavice (obr. 3b) pod existujúcou bezprievlakovou doskou. Hlavica môže byť oceľová alebo železobetónová. Výhodou tohto spôsobu zosilnenia je pomerne jednoduchá realizácia. Medzi nevýhody patrí skutočnosť, že prípadné porušenie dosky je krehkejšie (vykazuje menšie deformácie pri porušení), ako pred zosilnením. Uvedený spôsob zosilnenia zasahuje do vnútornej dispozície objektu, čo môže byť problematické.

Obr. 3a: Zväčšenie rozmerov stĺpa [1]

Obr. 3b: Vytvorenie hlavice [1]

2.2. Zvýšenie ohybovej odolnosti dosky

Medzi tradičné spôsoby zvýšenia ohybovej odolnosti dosky patrí zhotovenie nadbetonávky s novou ohybovou výstužou na horný povrch existujúcej dosky (obr. 4a). Za inovatívne možno pri tomto spôsobe zosilňovania dosky považovať vlepenie alebo nalepenie oceľovej, resp. CFRP výstuže na horný povrch dosky v oblastiach nad stĺpmi (obr. 4b). Výhodou vlepovania (nalepovania) výstuže je, že zosilnenie sa realizuje z horného povrchu dosky (nie je nutné odstrániť podhľad) ako aj skutočnosť, že hrúbka dosky zostáva nezmenená. Hoci zvýšenie ohybovej odolnosti dosky zvyšuje aj jej šmykovú odolnosť, charakter porušenia je krehkejší ako pri nezosilnenej doske, čo možno považovať za nevýhodu. Platí to zvlášť pre dosky s malým stupňom vystuženia ohybovou výstužou.

Obr. 4a: Zhotovenie nadbetonávky na existujúcu dosku [1]

Obr. 4b: Nalepenie výstuže na horný povrch dosky [1]

2.3. Dodatočné vloženie šmykovej výstuže

Dodatočné vloženie šmykovej výstuže do podperových oblastí bezprievlakových dosiek je účinný spôsob zosilňovania, ktorý zvyšuje nielen šmykovú odolnosť dosky, ale aj jej deformačnú kapacitu, pričom hrúbka dosky sa nemení. Pridaná šmyková výstuž môže byť buď na báze ocele, alebo CFRP.

Oceľové svorníky

Najstarším a najjednoduchším systémom dodatočne vloženej šmykovej výstuže sú zvislé oceľové svorníky (obr. 5a). Svorníky sa osadzujú do vopred vyvŕtaných otvorov cez celú dosku, pričom matice sa následne utiahnu na predpísanú silu. Výhodou svorníkov je jednoduchá montáž, dobré zakotvenie, ktoré je zabezpečené maticami s podložkami, ako aj ich jednoduchá aktivácia. Nevýhodou je nutnosť obnaženia oboch povrchov dosky a prevŕtanie celej hrúbky dosky.

Obr. 5a: Zvislé oceľové svorníky [1]

Obr.5b: Šikmé vlepované kotvy [1]

Šikmé vlepované kotvy

Medzi novšie systémy zvyšovania šmykovej odolnosti dosiek patria šikmé kotvy vlepované pomocou epoxidového lepidla do vopred vyvŕtaných dier (obr. 5b). Po vytvrdnutí lepidla sa na kotvu osadia podložky a matice sa utiahnu na predpísanú silu [2].

Výhodou systému je skutočnosť, že šmyková výstuž sa osadzuje zo spodného povrchu dosky a nie je potrebné obnažiť horný povrch dosky. Systém je vhodný najmä pre dosky, nad ktorými je zhotovená vodotesná izolácia (napr. zelená strecha, stropy parkovacích domov a pod.).

Nedostatkom uvedeného spôsobu zosilnenia je zvýšené riziko kolízie šmykovej kotvy s pozdĺžnou výstužou, ako aj skutočnosť, že súdržnosť zabezpečuje lepidlo na báze epoxidovej živice, ktoré je citlivé na zvýšenú teplotu.

Skrutkovacie kotvy

Obr. 6: Skrutkovacie kotvy do betónu [3]

Ostatnou inováciou v oblasti zvyšovania šmykovej odolnosti dosiek je použitie skrutkovacích kotiev do betónu ako dodatočne vloženej šmykovej výstuže. Pri overovaní [3] boli ako šmyková výstuž použité dva typy kotiev: TSM B 16 a TSM B 22 (obr. 6). Kotva si pri skrutkovaní vyreže v betóne vlastný závit. Kotvy sa skrutkovali zo spodného povrchu dosiek kolmo nahor do vopred vyvŕtaných otvorov priemeru 16 mm pre TSM B 16, resp. priemeru 22 mm pre TSM B 22. Skúšané boli aj vzorky zosilnené skrutkovacími kotvami v kombinácii s epoxidovým lepidlom. Po zatvrdnutí lepidla boli na kotvy osadené podložky a matice utiahnuté.

Výsledky výskumu preukázali, že systém zosilnenia bezprievlakových dosiek skrutkovacími kotvami zvyšuje odolnosť o 30 % pri osadení bez epoxidového lepidla, resp. o 48 až 53 % pri použití epoxidového lepidla.

Výhodou systému, popri zvýšení odolnosti a deformačnej kapacity dosky, je tiež požiarna odolnosť, keďže skrutky sú kotvené nielen chemicky ale aj mechanicky. Jednoduchšia je aj montáž systému, ktorá prebieha zo spodného povrchu dosky zvislo nahor, čím sa zmenšuje riziko kolízie kotvy s ohybovou výstužou.

CFRP výstuž

Šmyková výstuž na báze CFRP (polyméry vystužené uhlíkovými vláknami) môže byť vo forme prútov, mriežok alebo vejárovito zakončených tkanín. Použitie CFRP je výhodné najmä z dôvodu jej vysokého modulu pružnosti, čo umožňuje aktiváciu výstuže už pri malých deformáciách. Uvedený spôsob zosilnenia však vyžaduje obnaženie oboch povrchov dosky a prevŕtanie celej hrúbky, čo môže byť v istých situáciách problém. Otázna je tiež požiarna odolnosť systému, keďže na kotvenie výstuže sa používa epoxidové lepidlo, ktorého vlastnosti sa s rastúcou teplotou výrazne zhoršujú.

2.4 Vnesenie predpätia

Obr. 7: Predpäté CFRP pásy kotvené pod spodným povrchom dosky [4]

Predpätie do nadpodperových oblastí bezprievlakových stropných dosiek je možné vniesť pomocou šikmých CFRP pásov kotvených pod spodným povrchom dosky (obr. 7) alebo pomocou oceľových lán kotvených súdržnosťou s betónom (obr. 8) alebo kotvami. Podobne ako pri vložení šmykovej výstuže, aj v prípade predpätia sa zvyšuje nielen šmyková odolnosť dosky, ale aj deformačná kapacita. Výhodou vnesenia predpätia oproti iným spôsobom zosilnenia je zníženie priehybu i šírky trhlín a súčasne zvýšenie tuhosti dosky po vnesení predpätia. Nevýhodou je pomerne náročná inštalácia systému, nutnosť obnaženia oboch povrchov dosky a tiež zabratie priestoru pod stropnou doskou kotvami, resp. nad stropnou doskou deviátormi.

Obr. 8: Predpäté oceľové laná kotvené súdržnosťou s betónom [5]

3. Záver

V príspevku sú porovnávané spôsoby zvýšenia šmykovej odolnosti bezprievlakových stropných dosiek, pričom sa hodnotia statické, technologické a ekonomické výhody a nevýhody. Použitie konkrétneho spôsobu zosilnenia závisí od stavu existujúcej konštrukcie, požadovanej zaťažiteľnosti zosilnenej konštrukcie a technologických a ekonomických možností riešenej konštrukcie. Všeobecne možno konštatovať, že dodatočné vloženie šmykovej výstuže je vhodný spôsob zosilnenia dosiek proti pretlačeniu, nakoľko zvyšuje nielen šmykovú odolnosť, ale zlepšuje aj post-kritické správanie sa styku stĺpa a dosky. Výber metódy na vloženie šmykovej výstuže závisí od viacerých parametrov, ktoré je treba pri výbere zohľadniť.

Literatúra

• [1] BILČÍK, J.: Dodatočné zvýšenie šmykovej odolnosti bezprievlakových stropných dosiek. In Inžinierske stavby 2013. JAGA.
• [2] HILTI CORPORATION: Fastening Technology Manual B 2.6. Post installed shear reinforcement Hilti HZA-P. HILTI.
• [3] WÖRLE, P.: Enhanced shear punching capacity by the use of post installed concrete screws. In Engineering Structures 2014. Elsevier. 2014. p. 41–51.
• [4] KELLER, T.; KENEL, A., KOPPITZ, R.: Carbon Fiber-Reinforced Polymer Punching Reinforcement and Strenghtening of Concrete Flat Slabs. In ACI Structural Journal 2013. American Concrete Institute. November-December 2013. p. 919–927.
• [5] FARIA, D. M. V.; LÚCIO, V. J. G.; RAMOS, P. A.: Post-punching of flat slabs strengthened with a new technique using post-tensioning. In Engineering Structures 2012. Elsevier. 2012. p. 383–397.