Experimentální vývoj kompozitní mostní konstrukce ze dřeva a UHPC

V Kloknerově ústavu ČVUT v Praze proběhl ve spolupráci se společností Valbek vývoj technologie spřažené dřevo-betonové lávky s využitím prefabrikovaných segmentů mostovky z ultra vysokohodnotného betonu (UHPC). Hlavními cíli vývoje tohoto systému bylo hospodárné využití materiálů, zrychlení procesu výstavby a možnost univerzální aplikace pro lávky různých rozpětí. Kompozitní mostní konstrukce ze dřeva a UHPC představují přínos z ekologického hlediska, protože umožňují aplikaci obnovitelného přírodního materiálu (dřeva), efektivně využívají vlastnosti obou materiálů a jsou architektonicky zajímavé. Betonová mostovka tvoří ochranu dřeva proti přímým povětrnostním vlivům. Oproti betonu normálních pevností je v případě aplikace UHPC betonová deska výrazně štíhlejší, méně přitěžuje dřevěné trámy a v případě využití prefabrikace jsou výhodné také nižší účinky dotvarování a smršťování betonu.

Mostní systém je navržen jako lávka pro zatížení chodci a cyklisty a přejezd záchranného či údržbového vozidla do 3,5 t s volnou šířkou mezi zábradlím 3 m. Nosná konstrukce je navržena jako dva dřevěné trámové nosníky z lepeného lamelového dřeva spřažené s deskou mostovky z UHPC. Celý systém je dobře patrný ze schématu vzorového příčného řezu provedené experimentální konstrukce.

Za účelem optimálního využití jednotlivých materiálů bylo zvoleno statické schéma prostý nosník. Mostovka je složena z příčných prefabrikovaných dílců typické skladebné délky 1,5 m a šířky 3,3 m. Segmenty mostovky lze univerzálně používat pro různá rozpětí lávky. Průřez dřevěných trámů je naopak uvažován variabilní v závislosti na rozpětí konstrukce. Dimenze jednotlivých trámů se stanoví na základě statického výpočtu pro konkrétní okrajové podmínky. Spřažení je realizováno pomocí speciálních ocelových desek se smykovými trny, které jsou zabudovány do dřevěného trámu a upevněny dvojicí vrutů. Prefabrikované segmenty mostovky jsou opatřeny otvory pro spřahovací prvky.

Skrz otvory pro smykové trny prochází výztuž, která slouží pro manipulaci s dílci. Panely jsou k sobě lepeny materiálem na bázi epoxidu a jsou ve styčné spáře spojeny pomocí čtyř šroubových spojů zajišťujících přitlačení čel pro řádné vytvrzení lepidla a přenos tahových sil ve spáře vznikajících od teplotního zatížení. Všechny otvory se na stavbě po osazení panelů na dřevěné trámy s předem zabudovanými spřahovacími prvky zalijí zálivkou z UHPC. 

Za podpory grantu TAČR se podařilo provést množství experimentů. Pro návrh mostovky z UHPC byly v Kloknerově ústavu ČVUT v Praze provedeny ohybové zkoušky na speciálních tělesech (obr. 3), jejichž výsledky byly publikovány např. v [2], [3].

Na základě různých platných norem existuje v ČR pro stanovení pevnosti betonu v tahu za ohybu více typů zkoušek, které se liší zejména velikostí vzorků a statickým schématem. Zkoušky se provádějí většinou na trámcích namáhaných čtyřbodovým či tříbodovým ohybem se zářezem či bez zářezu. O správnosti aplikace a interpretovatelnosti výsledků konkrétního zkušebního postupu pro vláknobetonové konstrukce se vedou neustále diskuze, proto bylo provedeno a porovnáváno více různých typů zkoušek.

Hodnoty pevností v tahu za ohybu stanovené z jednotlivých typů zkoušek se výrazně lišily. V praxi běžně používaná malá tělesa rozměrů 40 × 40 × 160 mm vykazují cca 2,2× vyšší pevnost v tahu za ohybu oproti zkoušce doporučené metodikou [5] ve 3bodovém ohybu na trámcích 150 × 150 × 700 mm se zářezem, která se mnohem více blíží výsledkům na reálné konstrukci, speciální desková tělesa vykazovala cca 1,3× vyšší pevnost v tahu za ohybu. Při návrhu konstrukcí z UHPC je proto potřeba vždy jasně specifikovat pevnost v tahu za ohybu, a zejména z jakého testu má být stanovena.

V rámci vývoje technologie spřažených dřevo-UHPC konstrukcí s využitím prefabrikovaných segmentů mostovky z UHPC byl dále testován navržený systém spřažení tvořený ocelovými deskami se smykovými trny osazenými do ozubu ve dřevěném trámu. Pro ověření mechanických charakteristik (únosnosti a tuhosti) aplikovaného spřahovacího systému byla provedena experimentální analýza v podobě krátkodobých protlačovacích zkoušek. V případě zvoleného kombinovaného systému spřažení s ozubem v dřevěné části a se smykovými trny v betonové části průřezu může nastat více způsobů porušení (smykové porušení dřevěného ozubu, tlakové porušení dřevěného ozubu, porušení smykového trnu střihem, tlakové porušení betonu v oblasti smykového trnu). Zkušební tělesa byla proto navržena ve více variantách, aby bylo dosaženo různých způsobů porušení, což se také podařilo. Mechanické charakteristiky spoje získané z experimentů byly porovnávány s analytickou predikcí a s numerickými simulacemi protlačovacích zkoušek.

Jedním z důležitých závěrů z hlediska použití UHPC je skutečnost, že chování smykového trnu v případě aplikace pro dřevo-betonové konstrukce a obecně i v případě aplikace vysokopevnostního betonu je rozdílné oproti klasickým ocelobetonovým konstrukcím a aktuálně platné normy ho nepokrývají. Smykové trny se v těchto případech mnohem méně deformují, jejich únosnost ve střihu je vyšší na úkor pokluzu spoje a je závislá na pevnosti betonu, podrobněji bylo publikováno např. v [1], [4].

V rámci výzkumného programu jsme se dále zaměřili na specifickou výpočetní analýzu těchto dřevo-UHPC spřažených konstrukcí s poddajným spřažením. Vlivy jednotlivých vstupních parametrů byly ověřovány v rámci parametrické studie. Zabývali jsme se zejména porovnáním účinků jednotlivých typů zatížení, změnami materiálových a průřezových charakteristik v závislosti na rozpětí a vyhodnocením vlivů změny reologických materiálových vlastností.

Z provedených analýz vyplývá, že v případě aplikace UHPC je vlastní tíha konstrukce výrazně nižší než při použití betonů normálních pevností, a proto jsou i účinky teplotního zatížení v poměru ke stálému a celkovému zatížení výrazně vyšší. Pro návrh spřahovacích prostředků se teplotní zatížení ukázalo s rostoucím rozpětím jako rozhodující složka zatížení.

Pro verifikaci výrobních detailů a postupů navrženého systému spřažených dřevo-UHPC mostních konstrukcí se podařilo realizovat experimentální konstrukci v měřítku 1 : 1. Výroba zkušební konstrukce probíhala ve společnosti KŠ Prefa ve Štětí. Experimentální konstrukce měla šířku 3,3 m a délku 10,24 m. Staticky se jednalo o prostě uloženou spřaženou dřevo-betonovou mostní konstrukci o jednom poli s teoretickým rozpětím 9,5 m.

Nosnou konstrukci tvořily dva dřevěné nosníky obdélníkového průřezu výšky 450 mm a šířky 300 mm z lepeného lamelového dřeva třídy GL24h umístěné v osové vzdálenosti 1 900 mm a spřažené s deskou mostovky tloušťky 60 mm z ultra vysokohodnotného betonu třídy C110/130 vyztuženého drátky v objemu 1,5 % a kari sítí. Dílce mostovky byly použity třech typů – panely typu N (normální, běžné, typické), panely typu K (koncové) a panely typu Z (závěrné, okapní svislé panely zavěšené na koncových panelech).

Závěrné panely byly navrženy z důvodu ochrany dřevěných trámů před stékající vodou z konců mostu. Celkem bylo vyrobeno devět panelů mostovky, pro každý typ panelu byla vytvořena vlastní forma. Pro zajištění konstantní délky všech panelů byla použita ocelová čela formy pevně navařená ke dnu formy. Spřahovací prvky byly osazeny v oblasti typických panelů typu N v konstantní vzdálenosti 500 mm, v oblasti koncových panelů typu K po 455 mm. Spřahovací prvky byly navrženy dvou typů – v poli s ozubem výšky 20 mm a v oblastech u podpor s ozubem výšky 30 mm.

Celý systém vyžaduje dodržení poměrně přísných výrobních tolerancí. Ačkoliv se předpokládá, že trámy budou na stavbu dopravovány již s osazenými spřahovacími prvky, v případě zkušební lávky byl zvolen obrácený postup, abychom měli jistotu, že vyrobené panely a osazené spřahovací prvky nebudou v případné vzájemné kolizi. Nejprve byly vyrobené panely zkušebně položeny na dřevěné trámy, následně byly označeny polohy otvorů a teprve potom byly vytvořeny kapsy v trámech a do nich osazeny spřahovací prvky.

Pro ověření únosnosti a chování konstrukce při zatížení byla realizována zatěžovací zkouška experimentální konstrukce. Zatěžovací zkouška byla provedena čtyřbodovým ohybem s teoretickým rozpětím 9,5 m do porušení, síly byly vnášeny ve vzdálenosti 4 m od podpor. Zatížení bylo vnášeno symetricky ve čtyřech bodech nad dřevěnými trámy přes roznášecí trámy pomocí dvou hydraulických lisů na společném čerpadle. Uprostřed rozpětí a v místech vnášení zatížení nad oběma trámy byly osazeny snímače průhybu, dále bylo měřeno zatlačení podpor a posuny mezi deskou mostovky a dřevěnými trámy.

Zatěžování bylo řízeno silou a probíhalo v několika fázích. 

V první fázi byla konstrukce 10× cyklicky zatížena a odtížena silou vyvolávající maximální posouvající sílu u podpory odpovídající působení užitného zatížení chodci při časté kombinaci zatížení. Toto cyklické zatěžování bylo provedeno proto, aby se dotlačily dosedací plochy ozubů. V druhé fázi byla konstrukce zatížena silou vyvolávající ohybové momenty na konstrukci odpovídající působení charakteristické kombinaci zatížení. Ve třetí fázi byla konstrukce zatížena silou vyvolávající ohybové momenty na konstrukci odpovídající působení návrhové kombinace zatížení. Po odtížení nebyly pozorovány žádné trvalé deformace, chování konstrukce bylo stále lineárně elastické. V poslední fázi byla konstrukce zatěžována postupnými přírůstky zatížení až do porušení. Konstrukce se chovala až do zatížení cca 2× 270 kN stále elasticky, poté došlo k nelineárnímu nárůstu pokluzu u neporušeného trámu Z.

Porušení nastalo tahovým porušením dřevěného trámu při zatížení 2× 330 kN.

Zatěžovací zkouška prokázala, že je navržená konstrukce bezpečná a její chování odpovídá předpokladům uvažovaným při návrhu. Skutečná únosnost konstrukce byla cca 5× vyšší než návrhové zatížení. Modul prokluzu spoje byl vyhodnocen hodnotou Kser = cca 320 kN/​​mm, která v zásadě korespondovala s hodnotami stanovenými na základě protlačovacích zkoušek, jejichž výsledky byly publikovány např. v [4].

Po celkové zatěžovací zkoušce byly z konstrukce vyřezány tři segmenty šířky 1 m a byla na nich provedena zatěžovací zkouška mostovky v příčném směru. Segmenty byly postupně zatěžovány pomocí pytlů s pískem. 

Byly testovány různé zatěžovací stavy – charakteristické zatížení chodci, zatížení na konzole a v poli pro dosažení únosnosti. Během zkoušky byl zaznamenáván vývoj průhybů a zatížení pole a obou konzol v závislosti na čase. Výstupy měření byly porovnávány s teoretickým odhadem průhybů na základě lineárního výpočtu. Zatěžovací zkouška prokázala, že se mostovka chová v mezním stavu použitelnosti pružně, vývoj průhybů v lineární oblasti v zásadě odpovídal předpokládaným průhybům stanoveným na prutovém výpočetním modelu. Únosnost panelů mostovky výrazně překračovala návrhové zatížení.

V rámci vývoje mostního systému využívajícího spřažení dřeva a prefabrikátů z UHPC se za podpory grantu TAČR podařilo provést množství experimentů. Byla realizována také experimentální konstrukce v měřítku 1 : 1, na které byly verifikovány výrobní detaily a postupy. Provedené experimenty prokázaly, že navržená konstrukce je realizovatelná a z hlediska výrobních nákladů konkurenceschopná s běžně používanými typy konstrukcí pro lávky pro pěší. Zatěžovací zkoušky ukázaly, že navržená konstrukce je bezpečná a její chování odpovídá výpočtovým předpokladům. Dle názoru autorů tohoto článku je navržená technologie vhodná spíše pro lokální investory, mohla by se uplatnit zejména v přírodních oblastech a parcích. V současné době probíhají jednání o umístění finální konstrukce.