Omezení tvarových změn předpjatých železobetonových dílců s využitím vložek

Jedním z důležitých kritérií při navrhování dílců a celých konstrukcí je kritérium přetvoření. Praktické zkušenosti totiž prokazují, že v mnoha případech jsou při navrhování konstrukčních dílců rozhodující průhyby (i vzepětí) a nikoliv únosnost. Projektant musí při volbě materiálů a tvaru průřezů konstrukčních prvků respektovat pružná a nepružná přetvoření v časové závislosti. U mnoha materiálů je nutné navíc posoudit vlivy smršťování a stárnutí (např. u materiálů na bázi silikátů, umělých hmot apod).

U dílců nepředpjatých, do kterých není cíleně vnášeno předpětí, vznikají vlivem zatížení průhyby, které lze omezit např. vyšší kvalitou materiálů anebo úpravou rozměrů průřezu. U konstrukcí předpjatých, které lze navrhovat štíhlejší a tím i úspornější, dochází zase často k nepříjemnému vzepětí. Využitím v další části článku popsaných vložek lze tento nepříznivý vliv, tj. vzepětí, výrazně omezit.

Parazitní účinky předpětí

Do předpjatých konstrukčních dílců, složených z materiálů různých vlastností, záměrně vnášíme napětí. K předepnutí využíváme výztuž s vysokou pevností v tahu (například patentovaný drát, spletená lana, kabely, tyče apod.). Výroba předem předpjatých dílců se realizuje na dlouhých drahách se záporami, které umožňují napnout předpínací výztuž před betonáží jednotlivých dílců a udržet napnutí do doby, kdy pevnost základního materiálu dosáhne požadované velikosti. Pro hospodárné využití výrobních zařízení (drah), je snahou dosáhnout co nejkratší výrobní cyklus. Vnesení předpětí do dílců se tak provádí již při dosažení 70 až 80 % jmenovité pevnosti základního materiálu, nejčastěji betonu.

Když výslednice sil od předpětí a vlastní tíhy neleží v těžišti ideálního průřezu (zpravidla se výsledná přepínací síla vnáší s excentricitou, která snižuje spotřebu přepínací výztuže), působí v okamžiku uvolnění napnuté výztuže ze zápor (iniciace předpětí) na průřez síly N_x, M_z, M_y, které způsobí vzepětí dílce. Protože v okamžiku iniciace předpětí jsou moduly pružnosti betonu ještě relativně malé, vliv předpětí může způsobit neúměrná vzepětí. Vlivem reologických vlastností základních materiálů se v časové závislosti vzepětí navíc ještě mění, roste.

Nové řešení – předem předpjaté betonové vložky

Dosud se v technologií předem předpjatého betonu u prvků vyráběných na dlouhých drahách nežádoucí vzepětí částečně omezovalo využitím tzv. redukce předpínací síly a její excentricity v místech podpor, tj. v místech nízkých momentů od zatížení. Princip redukce je založen na zrušení soudržnosti části předepnuté výztuže obalením např. umělohmotnou trubkou. Toto opatření ovšem neřeší spotřebu výztuže, tj. úsporu k jaké by došlo při optimálním rozdělení výztuže.

U železobetonových konstrukcí převážně vzniká napětí ve výztuži až po přetvoření a tak se u monolitických konstrukcí pro redukci přetvoření využívá tzv. nadvýšení. Tato nadvýšení je ale z hlediska teorie napjatosti diskutabilní.

Nové řešení potlačující zmíněné nepříznivé vlivy spočívá ve využití vložek, které jsou podle předem určeného harmonogramu předvyrobeny. Nejen kvůli následné manipulaci je vhodné tyto vložky navrhovat a provádět z předem předpjatého betonu. Umístění výsledné síly od předpětí doporučujeme v místě těžiště ideálního průřezu vložky. Za tohoto předpokladu působí v průřezech vložek pouze normálové síly a vznikne pouze podélné přetvoření vložek. Vložky se navrhují v délkách podle optimálního rozdělení výztuže.

Okamžik zabudování „částečně vyzrálých vložek” v další etapě výroby prefabrikátu určíme výpočtem, ve kterém respektujeme vzájemné dotvarování předvyrobených vložek a prefabrikátu. Po spřažení vložek s vlastním konstrukčním prvkem – prefabrikátem jednotlivé části spolupůsobí. V dalších etapách můžeme navrhnout předepnutí prefabrikátu spřaženého s vložkami a samozřejmě lze uvažovat i se spřažením prefabrikátu s např. monolitickou nadbetonávkou.

Vložky lze vyrábět použitím stejné výztuže i technologie, s jakou se vyrábějí běžné předem předpjaté dílce, pouze v rozdílné časové etapě s cílem využít tzv. uklidnění, kdy u centricky předem předpjatých vložek před zabudováním proběhne značná část dotvarování a smrštění (viz. obr. 1). Po zabudování vložek dojde k spřažení s celým průřezem, do kterého se ovšem přenese pouze část napětí z vložek. Tyto vložky tak lze umístit s větší excentricitou v průřezu. Z hlediska únosnosti lze tudíž výhodněji uvažovat s větším ramenem sil.

Oblast využití vložek

Předem vyrobené vložky s centrickým předepnutím, alternativně i s betonářskou výztuží nebo vyztužené jiným obecným materiálem, lze využívat jako pomocné vyztužující prvky zabudované do základního materiálu libovolných železobetonových nebo předem předpjatých prefabrikovaných prvků (viz obr. 2). Vložky je možné rovněž používat v trámových a deskových monolitických železobetonových konstrukcích, u hlavic sloupů apod. Podle předem určeného časového plánu, v souladu s výrobou konstrukčních dílců a spřažením vložek se základním konstrukčním materiálem, lze z velké části omezit nepříznivé vlivy uvedené výše, případně redukovat rozměry průřezů.

Použití vložek se rovněž příznivě projeví snížením spotřeby výztuže, kdy s jejich pomocí můžeme navrhnout i optimální rozdělení výztuže u konstrukčních prvků namáhaných ohybem.

U předem předpjatých konstrukcí, kde výztuž je v přímém kontaktu s materiálem na bázi silikátů, jsou požadovány betony na bázi portlandských cementů. Z důvodu trvanlivosti není doporučeno využívání struskoportlandských cementů. V těchto případech lze vložky navrhnout na bázi portlandského cementu a vlastní prefabrikát ze struskoportlandského cementu.

Další možnosti

V praxi se setkáváme s konstrukcemi, u kterých je dominantním zatížením montážní stav. Příkladem jsou různé vestavby v chladicích systémech v energetických stavbách apod, kde podpůrné konstrukce musí být lehké a štíhlé. Normálová napětí za provozu jsou malá ve srovnání s vlastnostmi navrhovaných materiálů. V těchto případech lze běžný železobeton s výhodou nahradit prvky z předem předpjatého betonu s využitím vložek. Předem připravené vložky lze obalit kolem jejich obvodu třmínkovou výztuží a dobetonovat do potřebného tvaru. Předpětí vložek pří výrobě dílců a jejich manipulaci příznivě ovlivní vznik trhlin. Trhlinky vzniklé při manipulaci a dopravě dílců se dodatečně uzavřou. Vložky se totiž podle předběžných zkušeností chovají až s neuvěřitelnou tvárností. (viz přiložený obrázek), kdy pružný průhyb uprostřed rozpětí při manipulaci byl až 300 mm při celkové délce vložky pouhých 6000 mm, tj. L/20. Při manipulaci se vložka chová jako tzv. gumová.

Lze prezentovat další využitelnost vložek, např. u hlavic sloupů, kdy vložky výhodně vykrývají záporné momenty nad podporami a svojí napjatostí i smyk (hlavní napětí) a přesouvají tak jako skrytá hlavice kritický průřez dál od líce sloupu.

Poznámky k teoretické analýze

U předem předpjatých prefabrikovaných konstrukcí se v praxi vyskytují různé kombinace materiálů různých vlastností, které vzájemně spolupůsobí. Při návrhu a posouzení je tedy nezbytné použít časové plány pro materiály a zatížení. Podle zkušenosti v rozsahu intervalů 0 až 9, tj. např. 0–3, 3–7, 7–28, 28–49, 49–56 dní atd. S využitím časových plánů můžeme vypočítat veškeré potřebné údaje pro celkovou analýzu konstrukce v závislosti na čase a zatížení.

Závěrem

Pro návrh a posouzení doporučujeme metodu tzv. ideálních průřezů. Zatím ve firmě SICON s.r.o. provádíme výpočty metodou podle stupňů bezpečnosti s následným stanovením mezních únosností. U jednoduchých tvarů lze dílčí výpočty provádět pomoci běžně dostupných pomůcek ručně. Ve firmě SICON s.r.o. využíváme vlastní výpočetní programy, které podle výše uvedených poznámek umožňují posouzení obecných průřezů podle zásad ČSN 73 6207. Pracovníci firmy ve spolupráci s ČVUT neustále zpřesňují vstupní údaje a postupy vlastního výpočtu.

Literatura

[1] ČSN 73 6207: Navrhování mostních konstrukcí z předpjatého betonu.

[2] Voves, B.: Navrhování konstrukcí z předpjatého betonu v příkladech.

[3] Argay, I.,Voborský, L.: Styk spřažené nadbetonávky s předem předpjatou deskou.

[4] Knihovna programů firmy SICON.