Navrhování betonových konstrukcí podle EC2 – připravované změny
Článek pojednává o aktuálním stavu připravované revize evropské normy pro navrhování betonových konstrukcí EN 1992-1-1. Cílem je ukázat základní rysy vývoje předmětného technického předpisu a trendy, jimiž se navrhování betonových konstrukcí ubírá. V současné době je k dispozici čtvrtá revize předpisu (prEN 1992-1-1 D4), která je podrobně komentována ze strany členských zemí. V průběhu roku 2020 má být celý dokument dokončen a předán k formálnímu dopracování a schválení v rámci CEN.
1. Úvod
Vývoj evropských norem pro navrhování stavebních konstrukcí je založen na mandátu Evropské komise M/515 EN z prosince 2012. Tento mandát ukládá organizaci CEN doplnit stávající evropské normy o:
- rozvoj stávajících a vývoj nových metod navrhování konstrukcí;
- hodnocení, úpravy a zesilování existujících konstrukcí;
- zvýšení požadavků na robustnost konstrukcí;
- zjednodušení používání stávajících norem;
- zahrnutí ISO norem do systému EN;
- vývoj norem pro nové materiály – konstrukční sklo.
V současné době se v souladu s výše uvedenými body pracuje na všech částech EN. Nejdále je v současnosti vývoj základních norem pro navrhování a zatížení konstrukcí (EN 1990 a souboru EN 1991). Vývoj EN 1992 je ve fázi připomínkování čtvrtého návrhu této technické normy. Základní části technické předpisu ještě mohou doznat určitých drobných změn a některé přílohy ještě nejsou dokončeny. Konec finální fáze vývoje předpisu je plánován na podzim tohoto roku. Vydání technické normy je plánováno na konec roku 2023.
Současně s revizí EN 1992-1-1 probíhá i revize EN 1992-1-2 (Navrhování betonových konstrukcí na účinky požáru), která je proti první části v mírném časovém předstihu. Časový rámec přípravy je však shodný s časovým rámcem EN 1992-1-1.
2. Základní uspořádání a koncepce nové EN 1992-1-1
V koncepci EN 1992-1-1 došlo k několika zásadním změnám, které ovlivňují její uspořádání a rozsah použití. Základní uspořádání normy (základního textu) je v zásadě shodné, doplněna je ale řada příloh týkající se konkrétních problémů. Naprostá většina příloh je přitom charakterizována jako normativní, tj. s povinným použitím.
V první řadě se jedná o skutečnost, že připravovaná norma slučuje tři svazky původních samostatných částí norem, jmenovitě EN 1992-1-1 (Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby), EN 1992-2 (Betonové mosty – Navrhování a podrobná pravidla) a EN 1992-3 (Nádrže na kapaliny a zásobníky). S ohledem na rozsah stávajících EN 1992-2 a EN 1992-3 se jedná o poměrně malý zásah do základního textu normy, který zůstává bez zásadních změn v uspořádání základního textu. Většina ustanovení „rušených“ norem je umístěna v samostatných přílohách s podrobnými pokyny pro vodotěsné konstrukce (příloha H) a mosty (přílohy E a K). V současnosti se zdá, že tato změna je ku prospěchu přehlednosti, i když přináší drobné obtíže v zavedení všech ustanovení a parametrů obsažených ve stávajících EN 1992-2 a EN 1992-3 do textu připravované normy. Nutno je však podotknout, že toto rozdělení ještě nebylo oficiálně odsouhlaseno v rámci celé TC250.
Jak už bylo řečeno, zásadními změnami prochází zejména systém příloh normy. Přílohy připravované normy zohledňují změny v její koncepci a doplňují do předpisu ustanovení platná pro navrhování konkrétních typů betonových konstrukcí nebo jejich částí.
| Příloha A (N) | Úpravy dílčích součinitelů materiálu |
| Příloha B (N) | Dotvarování, smršťování a pružná přetvoření |
| Příloha C (N) | Návrh pro zajištění trvanlivosti a životnosti |
| Příloha D (N) | Ověření trhlin s v důsledku omezení přetvoření |
| Příloha E (N) | Doplňková pravidla pro návrh na únavu (mostní konstrukce) |
| Příloha F (N) | Nelineární analýza konstrukcí |
| Příloha G (N) | Navrhování desko-stěnových prvků v MSÚ |
| Příloha H (N) | Navrhování betonových konstrukcí pro zajištění vodotěsnosti |
| Příloha I (N) | Hodnocení odolnosti existujících betonových konstrukcí |
| Příloha J | Zesilování existujících betonových konstrukcí pomocí FRP |
| Příloha K (N) | Mosty – Doplňující ustanovení |
| Příloha L (N) | Vláknobetonové konstrukce |
| Příloha M (N) | Betonové konstrukce s lehkým kamenivem |
| Příloha N (N) | Betonové konstrukce z recyklovaného kameniva |
| Příloha O (I) | Zjednodušené postupy pro zohlednění účinků druhého řádu |
Druhou zásadní změnou je razantní snížení počtu národně volitelných parametrů (NDP) jejichž počet byl snížen cca na čtvrtinu původní hodnoty (165 → 38). Tato změna má přispět ke sjednocení (zmenšení rozdílů) navrhování betonových konstrukcí napříč celou Evropou a ke zjednodušení použití technického předpisu.
3. Zásady navrhování podle prEN 1992-1-1 D3
3.1 Přístup k navrhování betonových konstrukcí
Základní metodou navrhování zůstává metoda dílčích součinitelů, základní hodnoty součinitelů se nemění. Novinkou v rámci revize normy bude možnost upravovat dílčí součinitele materiálu v návaznosti úroveň kontroly při zhotovení konstrukce, případně v závislosti na sledování vlastností výsledné konstrukce. Podrobnější informace budou obsaženy v Příloze A, významně rozvádí ustanovení současné technické normy.
Obr. 1 – Tabulka pro úpravu součinitelů materiálu podle prEN 1992-1-1 D4
3.2 Vlastnosti materiálů
Z hlediska materiálových vlastností je zachována koncepce stávajícího předpisu.
Pro beton konstrukcí se mění označení tříd betonu, když se ze značky betonu vypouští hodnota krychelné pevnosti betonu (C30/37 → C30) a v rámci požadavků pro návrh se zvyšuje tlak na plné označování betonu podle EN 206 (zahrnutí Dmax, Obsahu Cl, požadovaný modul pružnosti apod.). Současně se upravují hodnoty některých vlastností betonu, zejména modulu pružnosti (podrobnější zahrnutí vlivu různých druhů kameniva na hodnotu Ecm). Vztah pro návrhovou hodnotu pevnosti betonu je rovněž upraven, když stávající součinitel αcc je nahrazen dvojicí součinitelů ηcc (vliv pevnostní třídy na efektivní pevnost betonu – vliv křehkosti) a ktc (vliv dlouhodobého zatížení).
Vlastnosti betonářské a předpínací výztuže se nemění. Pro předpínací systémy (výztuž) se zavádí třídy ochrany (PL) podle agresivity prostředí, návrh je v souladu se stávající úpravou v národní příloze ČR pro ČSN EN 1992-2.
3.3 Požadavky na trvanlivost a krytí výztuže
Základní požadavky na trvanlivost konstrukcí a krytí výztuže jsou řešeny obdobně jako v současném předpisu, tj. minimálními nominálními tloušťkami krycí vrstvy podle třídy vlivu prostředí. Na základě posledního vývoje se však uvažuje i o zavedení možnosti podrobnější analýzy vlivu prostředí na základě ISO 13823 a využití experimentálních zkoušek odolnosti betonových konstrukcí při navrhování krycí vrstvy, zejména u prefabrikovaných konstrukcí a speciálních betonů.
3.4 Analýza konstrukce
Z hlediska analýzy konstrukce je zachována stávající koncepce. Významných změn doznávají pouze zjednodušené metody řešení účinků druhého řádu, když se pro řešení samostatných prvků doporučuje pouze metoda jmenovité křivosti.
Bohužel je nutno konstatovat, že nejsou prozatím vyřešena specifika štíhlých konstrukcí z betonů vyšších pevností (typicky tenkostěnné nosníkové konstrukce), u nichž se již projevují jevy jako boulení v tlaku a smyku, smykové ochabnutí v průřezu apod. Tyto jevy je nutno prozatím řešit postupy v intencích ČSN EN 1993 a jejich vhodnou aplikací na prostorových modelech „tenkostěnných“ betonových konstrukcí.
4. Navrhování betonových konstrukcí podle prEN 1992-1-1 D4
4.1 Mezní stavy únosnosti
Pro navrhování konstrukcí namáhaných ohybem s nebo bez normálové síly zůstávají základní postupy v shodné, jedinou významnější změnu představuje vypuštění bilineárního rozdělení napětí v tlačené oblasti betonového průřezu na mezi únosnosti (zůstává rozdělení rovnoměrné obdélníkové a parabolicko-rektangulární). Pro navrhování desko-stěnových prvků byla podrobná pravidla přesunuta do samostatné přílohy (Příloha G). Doplněna byla podrobná pravidla pro ovinutý beton, která byla v zásadě převzata z fib Model Code 2010.
Významných změn doznalo navrhování betonových konstrukcí na účinky posouvající síly a protlačení. Do základního vztahu pro odolnost betonu ve smyku byl zapracován vliv velikosti zrna kameniva použitého v betonové směsi. Konkrétně se jedná o stanovení smykové odolnosti prvků bez smykové výztuže, která se stanoví ze vztahu:
,
kde je
- ddg
- parametr velikosti kameniva definující drsnost smykové plochy.
dgd = 16 + Dlower . (60/fck)2 ≤ 40 [mm] pro beton s fck ≤ 60 MPa
Dlower představuje minimální velikost zrna kameniva nejhrubší použité frakce v betonu. Pro Dmax = 16 mm je to typicky 8 mm, když nejhrubší použitá frakce je 8–16 mm. Tento přístup bude v důsledku znamenat nutnost specifikace minimální požadované frakce kameniva v betonové směsi v rámci projektové dokumentace a vynutí tak podrobnější specifikaci betonové směsi v projektové dokumentaci v návaznosti na pokyny EN 206.
Principy stanovení smykové odolnosti konstrukcí se smykovou výztuží zůstávající shodné, drobnou změnu představuje upřesnění redukčního součinitele υ návrhové tlakové pevnosti betonu fcd při výpočtu únosnosti tlačené diagonály, jehož velikost bude možné přesněji stanovit na základě průměrného přetvoření v průřezu.
Pro namáhání kroucením se používají shodné modely jako ve stávajícím znění (náhradní tenkostěnný průřez), uvažuje se však o doplnění pravidel pro průřezy neporušené trhlinami (řešení podle Saint-Venanta), kde jsou rozdíly proti chování průřezu s trhlinami skutečně významné.
Metoda náhradní příhradové analogie a tlakových polí doznává proti stávajícímu znění řady změn spočívajících ve větší podrobnosti, zejména v oblasti stanovení odolnosti jednotlivých komponent systému. Pravidla pro použití se významně nemění, problematika vhodného uspořádání modelů složitějších konstrukcí opět není podrobně řešena a odkazuje na odbornou literaturu, případně speciální programy.
4.2 Mezní stavy použitelnosti
Připravovaný technický předpis definuje z hlediska mezních stavů použitelnosti tradiční kategorie v průřezech (omezení napětí, omezení šířky trhlin) a na celé konstrukci, resp. konstrukčním prvku (omezení deformací).
V oblasti omezení napětí a šířky trhlin z hlediska požadavků na trvanlivost nedochází k žádným zásadním úpravám a změnám v požadavcích oproti stávajícímu znění předpisu. Zcela opačná je ale situace v oblasti požadavků na minimální stupeň vyztužení z hlediska omezení trhlin v prvcích. Nové znění předpisu jde cestou stanovení efektivních tažených ploch u jednotlivých povrchů a podrobným stanovením plochy betonářské výztuže v jednotlivých plochách v závislosti na namáhání prvku a limitním napětí σs,lim, stanoveném výpočtem na základě použitého profilu výztuže.
| Ohyb |
|
| Tah |
|
| Tah/tlak s ohybem |
|
| Vysvětlivky |
|
Velký prostor je v revidovaném předpisu věnován výpočtům pro stanovení výpočtové šířky trhlin, a to jak u prvků prutových, tak i u plošných (desko-stěnových). Uvedeny jsou dvě metody (zjednodušená a podrobná), včetně podrobného vlivu okrajových podmínek.
Poměrně obšírně se nový předpis věnuje i stanovení průhybů, které jsou následně navázány na ustanovení revidované EN 1990, která uvádí indikativní hodnoty limitních průhybů jednotlivých typů konstrukcí v různých návrhových situacích (kombinacích) podle použitého materiálu. Okrajově jsou zmíněny i doporučené vstupní hodnoty pro dynamickou analýzu (v ČR v současnosti uvedeno pouze pro mostní konstrukce v rámci ČSN EN 1991-2).
4.3 Únava
Posouzení konstrukcí na únavu je v zásadě přejato ze stávajícího znění předpisu, ustanovení pro navrhování mostů jsou umístěna do samostatné přílohy (Příloha E). Z hlediska běžných konstrukcí pozemních staveb se jedná o jev málo častý.
Pro mostní konstrukce dosud nebyly odstraněny některé nejasnosti stávajícího předpisu (týkající se zejména posouzení betonu na únavu), byla ale doplněna ustanovení, upravující povinnost posouzení konstrukce na únavu. Zejména důležité jsou případy, kdy není nutno posouzení tlačeného betonu na únavu provádět. Namátkou uveďme masivní spodní stavby mostů, mosty s přesypávkou větší než 1,5 m a opěrné zdi.
4.4 Konstrukční zásady
Zásady vyztužování ze stávající verze normy jsou zachovány, stanovení kotevních a přesahových délek bylo zjednodušeno (návrat ke konceptu násobku průměru výztuže) při zachování zásad stávajícího znění.
V oblasti konstrukčních zásad byly odstraněny paušální hodnoty minimálních stupňů vyztužení z hlediska zachycení vnitřních sil po vzniku trhliny a byly nahrazeny nutností výpočtu minimálního množství výztuže na základě vztahu:
,
kde je
- MR,min (NEd)
- ohybová odolnost průřezu s minimálním vyztužením As,min při současném působení návrhové normálové síly NEd,
- Mcr (NEd)
- moment na mezi vzniku trhliny (dosažení tahového napětí fctm) při současném působení návrhové normálové síly NEd,
- k
- součinitel soudržnosti výztuže (1,0 pro soudržnou výztuž a 1,15 pro nesoudržnou předpínací výztuž).
4.5 Mostní konstrukce
Pravidla pro návrh mostních konstrukcí, včetně podrobných pravidel pro navrhování a vyztužování, jsou uvedena v samostatné normativní příloze K. Pravidla pro mostní konstrukce byla rozšířena a doplněna, zejména v oblasti mostů s externími kabely, zavěšených a extradosed mostů.
S ohledem na obsah nového předpisu je však nutno konstatovat, že z hlediska mostních konstrukcí v současnosti neobsahuje všechna ustanovení stávající technické normy (ČSN EN 1992-2) a bude třeba ještě jeho doplnění.
5. Závěr
Nově předkládaná technická norma pro navrhování betonových konstrukcí představuje jednoznačně krok vpřed oproti stávající úpravě. Řada ustanovení a postupů je doplněna, předpis je zpřehledněn a doplněn podkladovým dokumentem s uvedenými předpoklady a odvozením některých použitých metod. Přesto je však patrné, že řadu problémů bude nutno ještě dořešit a doplnit výsledky řešení do nového znění EN 1992 před jejím vydáním.
6. Použitá literatura
- ČSN EN 1992-1-1 – Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI 2006
- ČSN EN 1992-2 – Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí – Část 2: Betonové mosty – Navrhování a konstrukční zásady, ČNI 2007
- prEN 1992-1-1:2019-10-25 (rev. 6) – Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 1-1: General rules, rules for buildings, bridges and civil engineering structures, Updated Draft by SC2/WG1/CDG prEN 1992-1-1-D4 Working File (Rev. 6) 2019-10-25
This article is focused on current situation in preparation of new generation of European standard for design of concrete structures prEN 1992-1-1. This article deals with main features and development in design principles involved in new standard. In these days there is available the 4th draft of standard for comments of national authorities and experts. The final draft of prEN 1992-1-1 should be finished this year (2020) and provided to formal vote in CEN.