Využitie technológie predpätého betónu v stropných konštrukciách

Predpäté stropné konštrukcie sa v zahraničí navrhujú už niekoľko desiatok rokov a sú značne rozšírené. Vnesenie predpätia do stropných dosiek umožňuje navrhovať subtílne konštrukcie pri zabezpečení požiadaviek na medzné stavy únosnosti a používateľnosti. V úvode článku sú popísané základné typy predpätia, ktoré možno využiť pri návrhu stropných konštrukcií. Praktické využitie technológie predpätého betónu je následne prezentované na dvoch vybraných konštrukciách.

Objavenie predpätého betónu a jeho praktická aplikácia boli dôležitým medzníkom v betónovom staviteľstve. Spolu s nárastom pevnosti betónu (používanie vysokopevnostných, resp. ultra vysokopevnostných betónov) sa naskytli nové možnosti v návrhu konštrukcií. Predpäté stropné konštrukcie vytvárajú potenciál na zväčšenie rozpätí a/​​alebo štíhlosti a zlepšenie konštrukčného chovania v súvislosti s obmedzením priehybov a trhlín stropných konštrukcií. Použitie dodatočného predpätia umožňuje zväčšovať rozpätia a zmenšovať hrúbku stropných dosiek, obmedzovať najmä dlhodobé priehyby, zabrániť tvorbe trhlín, prípadne výrazne obmedziť ich šírku. Aplikácie predpätých stropných konštrukcií poskytujú možnosť navrhnúť konštrukciu najmä v takých prípadoch, kedy pri danom rozpätí a daných hodnotách zaťažení nie je možné navrhnúť konštrukciu zo železobetónu.

Voľba technológie predpätia je závislá od konkrétneho realizátora nosnej konštrukcie. Jednou z výhod predpätých konštrukcií je, že predpätím možno účinne kontrolovať šírku trhlín v konštrukcii. Navrhovanie dodatočne predpätých stropných konštrukcií s lanami bez súdržnosti umožňuje navrhovať konštrukcie s pripustením vzniku trhlín určitej šírky. Na Slovensku sa navrhovanie dodatočne predpätých stropných konštrukcií v minulosti realizovalo len ojedinele. Snaha architektov o navrhovanie subtílnych konštrukcií s veľkými rozpätiami stropných dosiek umožňuje v ostatnom čase projektantom väčšie uplatnenie technológie dodatočného predpätia aj v pozemných stavbách aj na Slovensku (autobusová stanica Nivy v Bratislave, Sky Park Office v Bratislave a pod.)

Vyššie ceny prepínacích lán a kotevných prvkov sú v konečnom dô­sledku kompenzované nižšou cenou stavebnej konštrukcie vyplýva­júcou z úspory betónu a  betonárskej výstuže a tým i z nižšej ceny stavebných prác. S menším množstvom výstuže súvisí aj menší rozsah armovacích prác, čo tiež urýchľuje výstavbu. Okrem úspory finančných nákladov pri výstavbe môže byť použitie predpätia aj účinným prostriedkom na znižovanie celkovej produkcie skleníkových plynov. Prípadová štúdia, ktorú uskutočnila firma VSL, bola zameraná na porovnanie uhlíkovej stopy konštrukcie z konvenčného železobetónu a predpätého betónu. Štúdia uvažovala 21-poschodovú budovu s pôdorysnou plochou podlažia 1 072 m2 a konštrukčnou výškou 4 m. Stropná doska bola podopretá dvanástimi kruhovými stĺpmi s priemerom 1 m. Pri výpočte uhlíkovej stopy bolo uvažované len s produkciou CO2 spojenou s produkciou použitých materiálov v oboch alternatívach. Z porovnania vyplýva, že pri použitia predpätej technológie je možné znížiť celkovú produkciu CO2 až o 37 % (zahŕňa výrobu stavených materiálov, ich dopravu, atď.)

Spôsoby vnesenia predpätia do prvku

Transfer predpínacej sily do betónového prvku sa realizuje pomocou vysokopevnostnej ocele vo forme prútov alebo lán. Predpäté konštrukcie možno navrhovať dvoma spôsobmi. Prvou skupinou sú vopred predpäté konštrukcie používané pri návrhu prefabrikovaných prvkov. Druhú skupinu tvoria dodatočne predpäté konštrukcie so súdržnými alebo nesúdržnými prepínacími jednotkami.

Princíp vopred predpätého betónu

Prvky vopred predpäté sú tie, pri ktorých sa vopred predopnutá výstuž umiestnená v tuhom debnení dodatočne zabetónuje. Tento technologický postup umožňuje teda vytvárať iba priame vedenie predpínacích lán, ktoré sú však po statickej stránke vhodné pre predpínanie prostých nosníkov. Ako výstuž na vnesenie predpätia sa používajú predpínacie laná spojené súdržnosťou s betónom. Technológia vopred predpätého betónu bola dlhú dobu jedinou technológiou predpätého betónu používanou v oblasti pozemných stavieb. Vopred predpäté prvky sa realizujú len vo forme prefabrikátov (typickými predstaviteľmi sú i v súčasnosti používané dutinové panely Spiroll, tyčové prefabrikáty (väzníky, väznice) a pod). Princíp vopred predpätého betónu je znázornený na obr. 1.

Princíp vopred predpätého betónu
Princíp dodatočného predpätia

Pri dodatočne predpätých prvkoch sa vopred vybetónované nepredpäté prvky po nadobudnutí požadovanej pevnosti betónu dodatočne predpínajú. Dodatočne predpäté prvky sa realizujú buď ako monolitické, alebo ako prefabrikované. Na vnesenie predpätia sa používajú buď súdržné, alebo nesúdržné predpínancie jednotky.

Súdržné (nechránené) predpínacie jednotky sú drôty alebo predpínacie laná združené do skupín vytvárajúcich predpínacie jednotky nazývané káble. Predpínacie jednotky sa buď navliekajú do dutinových kanálikov (korudované rúry) vytvorených pri betónovaní prvku, alebo sú vložené do ochranného puzdra a zabetónované spolu s doskou. Kanáliky môžu byť pria­me, alebo vhodne priestorovo tvarové predurčujúce tak tvar pred­pínacích jednotiek. Umožňuje sa tak výhodne predpínať i spojité staticky neurčité konštrukcie. Predpínacia výstuž sa napne a zakotví kotvami v miestach vyústenia predpínacích jednotiek. Po napnutí sa výstuž dodatočne zainjektuje injektážnou maltou. Tým sa zabezpečí ochrana výstuže proti korózii, ako i jej súdržnosť s vybetónovaným prvkom.

Nesúdržné (chránené) predpínacie jednotky sú predpínacie laná chránené na povrchu plasto­vým puzdrom z polyetylénu (tzv. Monostrand), ktoré môžu byť buď priame, alebo vhodne priestorovo tvarované. Umožňujú predpínať aj spojité staticky neurčité konštrukcie. Predpínacie jednotky sa vkladajú spolu s betonárskou výstužou do debnenia predpätého prvku pred jeho vybetónovaním. Po nadobudnutí požadovanej pevnosti betónu sa predpínacia výstuž napína a zakotví kotvami v miestach vyústenia. Ochranné plastové puzdra lán zamedzujú ich súdržné spojenie s betónom. Túto technológiu možno aplikovať pri čiastočne predpätých prvkoch (veľkorozponové stropné konštrukcie), ako aj pri plne predpätých prvkoch bez trhlín (napr. vodo- a plynonepriepustné nádrže, ochranné obálky jadrových elektrární a pod.). Princíp dodatočného predpätia je schematicky znázornený na obr. 2.

Princíp dodatočného predpätia

Osobitný spôsob vnesenia predpätia do prvku predstavuje technológia externého predpätia, kedy sa predpínacie laná umiestňujú mimo prierez betónového prvku. Táto technológia sa môže použiť buď na nových konštrukcií (vonkajšie predpätie vedené v komore mosta), alebo na existujúcich konštrukciách (napr. zosilňovanie kruhových nádrží vonkajším predpätím).

Návrh predpätých stropných dosiek

Koncepcia návrhu predpätých stropných dosiek pozostáva z niekoľkých krokov. V prvom štádiu je tvorba výpočtového modelu v MKP programe spolu so všetkými zaťaženiami. Zvislé nosné konštrukcie sa modelujú na výšku jedného podlažia pod a nad riešeným podlažím.

Výpočtový MKP model predpätej stropnej konštrukcie

Samotný návrh predpätia potom zahŕňa optimalizáciu predpínacích lán (ich polohu, počet, vzopätie parabol) s ohľadom na požiadavky medzných stavov, pričom je snaha o minimalizáciu plochy betonárskej výstuže. Výstuž pri spodnom povrchu sa štandardne navrhuje vo forme zváraných sietí. Vo vnútorných priestoroch stužujúcich jadier, resp. v miestach medzi dvoma jadrami blízko od seba, sa dos­ka navrhuje ako železobetónová, nakoľko stužujúce steny bránia svojou tuhosťou vo vodorovnom smere vneseniu predpätia do konštrukcie. Pri hornom povrchu v miestach nad podperami sa výstuž navrhuje na účinky ohybových momentov od extrémneho zaťaženia vo forme príložiek. Z dôvodu väčšieho šmykového namáhania pri lokálne podopretých stropných doskách je potrebný návrh výstuže na pretlačenie stropnej dosky okolo podpery. Takáto výstuž sa navrhuje buď vo forme prefabrikovaných prvkov (šmykové koľajnice), alebo vo forme viazanej výstuže (spony alebo otvorené strmene).

Príklady úspešnej aplikácie dodatočného predpätia v stropných konštrukciách

Projekt Grand Arcade, Cambridge

Nákupné centrum Grand Arcade je situované v centre malého študentského mestečka Cambridge a pozostáva z piatich častí – blok A až E (obr. 4). Hranice stavby sú tvorené ulicami Pembroke street, St. Andrew Street, Petty Curry a Com Exchange Street. Blok D tvoria predpäté stropné konštrukcie. Spodné dve podlažia bloku D tvoria nákupné centrum, horné štyri podlažia sú riešené ako parkovisko pre návštevníkov. Požiadavka investora bola na zachovanie variability nákupnej zóny.


Nákupné centrum Grand Arcade — vizualizácia interiéru
Nákupné centrum Grand Arcade — architektonický model
Nákupné centrum Grand Arcade — pôdorys 4. NP
Nákupné centrum Grand Arcade  — výpočtový model 4. NP, blok D
Nákupné centrum Grand Arcade — jednosmerné laná v stropných doskách parkoviska
Nákupné centrum Grand Arcade — kotvenie lán pomocou pasívnej kotvy v obvodovom nosníku

Osová vzdialenosť zvislých nosných prvkov v priestoroch nákupnej zóny bola cca 8,9 × 8,6 m. V priestoroch parkoviska (nad nákupnou zónou) bol každý druhý stĺp vynechaný, čím sa zvýšilo rozpätie vodorovných nosných prvkov (nosníkov) až na 16,8 m. Stropné konštrukcie nad parkoviskami aj nad nákupnou časťou tvoria predpäté stropné dosky hrúbky 225 mm nosné v jednom smere, v ktorých boli navrhnuté nesúdržné 2‑lanové predpínacie jednotky. Predpäté nosníky v parkovacej časti majú výšku 650 mm a šírku 1 200 mm. V nosníkoch boli použité 4‑lanové nesúdržné predpínacie jednotky. Pri spodnom povrchu dosiek bola navrhnutá viazaná výstuž Ø 10 á 200 mm, výstuž pri hornom povrchu v Ø16/Ø12 á 200 mm. Vodorovné prvky budovy sú navrhnuté z betónu triedy C32/40 a požiarna odolnosť konštrukcie je 60 min.

Projekt Esso Glen – Cardinal Place

Administratívna budova Esso Glen – Cardinal place je situovaná v blízkosti stanice metra London Victoria v centre Londýna. Budova má celkovo 10 podlaží.

Administratívna budova Esso Glen — vizualizácia
Administratívna budova Esso Glen — postup stavebných prác

Zvislý nosný systém objektu tvoria železobetónové stĺpy rôzneho tvaru a rozmerov, doplnené o stužujúce steny komunikačných jadier.

Na vyšších podlažiach boli navrhnuté predpäté stropné dosky hrúbky 230 mm na rozpätie 9 m, resp. 325 mm pre rozpätie 12 m. Výstuž pri spodnom povrchu v doskách hrúbky 230 mm bola navrhnutá vo forme zváraných sietí typu B283 (Ø 6 á 100 mm / Ø 7 á 200 mm, hmotnosť 3,73 kg/​​m2). Predpäté konštrukcie boli navrhnuté z betónu C32/40, nosníky mali rozpätie 9 m a hrúbku 450 mm.

Administratívna budova Esso Glen — betonáž stropnej dosky nad 4. NP
Administratívna budova Esso Glen — aktívna kotva pre 5 lán

Komplikovanosť návrhu objektu spočívala okrem iného aj v tom, že pod suterénom budovy prechádza jedna z liniek londýnskeho metra. Toto malo vplyv na koncepciu nosného systému. Úlohou bolo navrhnúť takú nosnú konštrukciu, aby sa eliminoval účinok priťaženia od hornej stavby na konštrukciu metra. Z toho dôvodu boli navrhnuté predpäté nosníky výšky 1 450 mm s lanami bez súdržnosti. Rozpätie nosníkov je vyše 15 m a prenášajú zaťaženie z horných 10 podlaží stavby. V nosníkoch aj v stropných doskách boli navrhnuté predpínacie jednotky Monostrand 12 × 15,7 mm v oceľových korudovaných rúrach priemeru 70 mm, pričom v niekto­rých nosníkoch bolo navrhnutých až 10 skupín káblov (spolu 120 prepínacích lán v nosníku – obr. 5e).

Administratívna budova Esso Glen — usporiadanie kotevných jednotiek na aktívnom konci nosníka

Vnášanie predpätia do nosníkov sa realizovalo v troch fázach, v kto­rých bolo zohľadnené narastajúce zaťaženie od postupu výstavby vyšších podlaží. Pre najviac namáhané nosníky boli:

  • 1. fáza – po vybetónovaní 1. NP (vyššie podlažia ešte neboli vybetónované) a dosiahnutí požadovanej pevnosti betónu (v tomto prípade 35 N/​​mm2). Predpínané boli laná v poradí č. 5  a 6,
  • 2. fáza – po ukončení výstavby nosnej konštrukcie 3. NP, predpínanie lán č. 1 až 4 v poradí 1, 4, 2, 3,
  • 3. fáza – po ukončení výstavby nosnej konštrukcie 5. NP, predpínanie lán č. 7 až 10 v poradí 7, 10, 8, 9.

Závery

V predloženom článku boli dokumentované príklady úspešného návrhu stropných konštrukcií s využitím technológie dodatočného predpätia. Predpäté stropné konštrukcie je možne použiť aj v takých prípadoch, v ktorých by návrh stropných železobetónovych dosiek vyztužených bež­nou výztužou nebol pri daných parametroch nosnej konštrukcie možný. Betonáž železobetónovych predpä­tych konštrukcií prebieha rovnakým spôsobom ako pri konštrukciách nepredpätych. Voľbu technológie výstavby (predpätý betón / železobetón) treba však pri každej stavbe posúdiť individuálne.

Príspevok vznikol za podpory výskumného projektu VEGA 1/0254/19 a Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-15 – 0658.

 

Literatúra

[1]          HARVAN, I. Predpätý betón: navrhovanie podľa spoločných európskych noriem. Bratislava: STU, 2008. 262 s. ISBN 978 – 80 – 227‑2797‑6.

[2]          STN EN 1992 – 1‑1. Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1 – 1 : Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby. Bratislava, 2006.

[3]          BS 6399. Part 1 – Loading for buildings. Code of practice for dead and imposed loads. BSi, 1996. ISBN 0 580 26239 1.

[4]          BS 8110. Part 1 – Structural use of concrete. Code of practice for design and construction. 1997. ISBN 978 0 580 59893 7.

[5]          VSL.sk [online]. Dostupné z: www.vsl.sk

Autoři

Exploitation of Prestressed Concrete Technology in Floor Structures

Prestressed floors have been already designed abroad for several decades and they are widely used. Transferring the prestress into the floor slabs permits more slender structures to be designed while observing the requirements for strength and serviceability limit states. Basic types of prestressing that can be used in the design of ceiling structures are described at the beginning of the article. Practical use of prestressed concrete technology is subsequently presented on two selected structures.

2/2020 Technologie | 15. 4. 2020 | Věda a výzkum

Odolnost sendvičových betonových desek proti výbuchu

Odolnost běžného betonu proti výbuchu je známa řadu let, ale odolnost drátkobetonu, nebo dokonce vysokohodnotných betonů je nové téma s velkou budoucností, protože ztužení cementové struktury ocelovými vlákny významně ovlivňuje lomové vlastnosti materiálu. V článku jsou prezen...
2/2020 Technologie | 15. 4. 2020 | Věda a výzkum

Experimentální ověření funkčnosti ponorného mola z vláknobetonu

Betonová mola jsou obvykle vyplněna plovoucím materiálem, který je nadnáší po celou dobu životnosti. Systém popsaný v tomto článku je inovativní v tom smyslu, že plutí mola zajišťují vzduchové vaky, které mohou být vypuštěny, a celý systém pak klesne ke dnu řeky. To může být u...
2/2020 Technologie | 15. 4. 2020 | Materiály a technologie

Zdokonolené návrhové metody pro drátkobeton a nová metodologie okamžité kontroly kvality

Drátkobeton je materiál, který pokročil od menších aplikací až k použití v konstrukcích. Rozvoj v používání drátkobetonu je mimo jiné umožněn neustálým zdokonalováním vlastností drátků. V oblasti předpisů pro navrhování vývoj pokročil od návrhových doporučení ke stavebním norm...