Kompozitní dřevobetonové stropní konstrukce s mechanickými spojovacími prostředky
Dřevobetonové konstrukce se v praxi stále více používají na zesilování stávajících či realizaci nových stropních konstrukcí. Jako spřahovací prostředky mezi dřevem a betonem jsou nejvíce používány mechanické spojovací prostředky. V příspěvku je popsáno použití spojovacích prostředků kolíkového a plošného typu ve vztahu k platným normám pro navrhování dřevěných a betonových konstrukcí.
Úvod
Dřevobetonové stropy se dosud používaly především při zesilování stávajících stropů s dřevěnými stropními nosníky. Velkou perspektivu však mají i v případě dřevobetonových stropů vícepodlažních dřevostaveb. Provedením betonové desky, kterou spřáhneme s dřevěnými nosníky pomocí různých spojovacích prostředků, výrazně zvýšíme tuhost i únosnost stropní konstrukce. Dřevobetonové stropní konstrukce mají též lepší parametry kročejové a vzduchové neprůzvučnosti a požární odolnosti oproti tradičním dřevěným stropům.
V případě, že jsou pro spřažení dřeva a betonu použity mechanické spojovací prostředky je problematika navrhování kompozitních dřevobetonových nosníků již zapracována do Eurokódů, které byly zavedeny do soustavy ČSN v České republice jako ČSN EN.
Kompozitní dřevobetonové konstrukce lze zjednodušeně řešit s využitím:
ČSN EN 1992-1-1, ČSN EN 1995-1-1 a ČSN EN 1995-2 následujícím způsobem.
Návrh kompozitního dřevobetonového průřezu je popsán v článku 5.3 ČSN EN 1995-2 s tím, že šířka betonové desky, která spolupůsobí se dřevěným nosníkem bef, c , se určí podle článku 5.3.2.1 ČSN EN 1992-1-1.
Kompozitní dřevobetonový T průřez se potom posoudí podle přílohy B ČSN EN 1995-1-1, která je věnována nosníkům složeného průřezu s mechanickými spojovacími prostředky, přičemž hodnoty modulu prokluzu pro spoj dřevo-beton jsou uvedeny v článku 7.1 této normy.
Tento postup lze ale použít pouze v případě, že mezi dřevěným nosníkem a betonovou deskou není mezilehlá vrstva např. bednění.
Výpočet podle ČSN EN je konzervativní a hodnoty únosnosti a tuhosti spřažení pomocí spojovacích prostředků kolíkového typu jsou přibližné.
Na základě provedené analýzy únosnosti a tuhosti spřažení dřeva a betonu bylo zjištěno, že především tuhost, určovaná podle ČSN EN 1995-1-1, je cca o 20 % nadhodnocována, neboť norma předpokládá, že spojovací prostředek je v betonu dokonale vetknut a při zatížení nedochází k jeho zatlačení do betonu, což není pravda, viz obr. 1. Důležitým poznatkem též je, že jakost betonu má vliv na únosnost spojovacích prostředků ve spojích dřevo-beton, ale nikoliv již na jejich tuhost.
Spojovací prostředky kolíkového typu
Obr. 1 Deformace hřebíku při protlačovací zkoušce (Koželouh 1975)
Únosnost spřažení se bez ohledu na typ použitého spojovacího prostředku zjišťuje pomocí protlačovací zkoušky podle ČSN EN 26891, viz obr. 4.
Řez zkušebním tělesem (obr. 1) z protlačovací zkoušky hřebíkového spoje provedené ve Státním dřevařském výzkumném ústavu v Bratislavě (Koželouh 1975) byl podnětem k aplikaci Johansenovy teorie (Johansen 1949) pro spoje dřevo-dřevo na spoje dřevo-beton. Podle této teorie je únosnost spojovacího prostředku dána buď únosností dřeva v otlačení pod dříkem spojovacího prostředku (za předpokladu, že spojovací prostředek je tuhý a nedeformuje se), nebo současně únosností dřeva v otlačení a únosností v ohybu dříku spojovacího prostředku (za předpokladu, že se spojovací prostředek zařezává do dřeva a současně ohýbá a vytvoří se v něm plastický kloub). Pro stanovení únosnosti spojovacích prostředků kolíkového typu ve spojích dřevo-beton je dále prezentováno řešení vycházející ze zmíněných předpokladů pro spoje dřevo-dřevo.
Obr. 2 Deformovaný tvar spojovacího prostředku kolíkového typu se dvěma plastickými klouby
Jestliže budeme předpokládat, že se spojovací prostředek kolíkového typu ve spoji dřevo-beton s mezivrstvou deformuje podle obr. 2 vlevo, můžeme zapsat rovnici rovnováhy (1) k bodu A pro mezní stav únosnosti spojovacího prostředku – viz obr. 2 vpravo.
Vztahy (4) a (5) řeší únosnost spojovacích prostředků pouze podle Johansenovy teorie. Při deformačním tvaru (viz obr. 2) však spojovací prostředek bude též namáhán osovou silou, která vzniká od jeho ohybu a ukotvení do dřeva a betonu.
Tato osová síla bude k sobě přitlačovat betonovou desku a dřevěný nosník a zvyšovat tak únosnost spojovacího prostředku. Na zvýšení únosnosti spojovacího prostředku se též bude podílet složka osové síly ve skloněné části spojovacího prostředku, působící rovnoběžně se spárou mezi dřevem a betonem.
(1)
kde je
- fh,t
- pevnost dřeva v otlačení;
- fh,c
- pevnost betonu v otlačení;
- My
- plastický moment únosnosti spojovacího prostředku.
Za předpokladu, že
(2)
platí
(3)
Únosnost spojovacího prostředku podle Johansenovy teorie se potom rovná:
(4)
V případě spřažení bez mezivrstvy (t = 0) se vztah pro Rv zjednoduší na vztah:
(5)
Uvedené vztahy platí pro spojovací prostředek, u kterého se současně vytvoří dva plastické klouby. To nastane za předpokladu, že:
(6)
(7)
Při navrhování spojovacích prostředků kolíkového typu se dvěma plastickými klouby je proto třeba dodržet délky jejich průniku do dřeva a betonu:
(8)
(9)
Kalibrací experimentů se ukazuje, že nárůst únosnosti spojovacího prostředku namáhaného příčně nejlépe vystihuje (viz tab. 1) tento vztah:
(10)
kde je
- Rv
- únosnost spojovacího prostředku podle Johansenovy teorie;
- Rax
- únosnost spojovacího prostředku na vytažení ze dřeva.
Podmínkou pro použití odvozených vztahů je znalost pevnosti betonu v otlačení fh,c. Při řešení tohoto problému byly využity výsledky výzkumu spřažených konstrukcí beton-beton (Hrdoušek 1993).
Z rozboru poznatků prezentovaných ve výzkumné zprávě (Hrdoušek 1993) vyplynulo, že hodnotu pevnosti betonu v otlačení fh,c je možné uvažovat jako čtyřnásobek průměrné hodnoty válcové pevnosti betonu v tlaku fcm. Tomuto odpovídá též deformační tvar hřebíku na obr. 1, neboť 
a 
(podle obr. 2) odpovídají předpokladům rovnic (2) a (3).
V případě, kdy bude jako spřahovací prostředek použit ocelový kolík, je možné použít následující vztahy (Whale 1987) pro pevnost dřeva v otlačení fh,t a plastický moment únosnosti My . Únosnost kolíků na vytažení je tak malá, že se zanedbává.
kde je
- ρ
- hustota dřeva v kg/m3;
- d
- průměr kolíku v mm.
kde je
- fu
- pevnost oceli v tahu v MPa;
- d
- průměr kolíku v mm.
Poznámka:
Plastický moment únosnosti ocelového kruhového průřezu se určuje ze vztahu 
. U ocelových spojovacích prostředků za studena tvářených mez kluzu fy není tzv. vyznačena a rovná se přibližně 80 % meze pevnosti fu. U dřevěných konstrukcí se proto pro určení plastického momentu únosnosti kolíku často používá vztah 
. Protože podle tohoto vztahu vycházejí hodnoty plastického momentu únosnosti vyšší než podle ohybových zkoušek, je možné též používat konzervativnější vztah (12). Pomocí tohoto vztahu byly též určeny únosnosti kolíku uvedené dále.
Pro ověření platnosti předchozích vztahů byly použity výsledky protlačovacích zkoušek, které byly provedeny na Universitě v Coimbře (Dias 2003) a ČVUT v Praze, Fakultě stavební (Kuklíková 2004). Zkušební tělesa byla provedena ze smrkového řeziva a betonu různých pevností (HSC – vysokopevnostní beton, NWC – obyčejný beton, LWC – lehký beton). Použity též byly kolíky dvou různých průměrů: 8 a 10 mm.
Porovnání únosností kolíků zjištěných zkouškou a výpočtem podle rovnic (2), (5), (10), (11) a (12) je provedeno v tab. 1.
| Typ betonu | Počet zkoušek | d mm | ρ kgm−3 | fu MPa | fcm MPa | Rmean 1) zkouška kN | Rk 2) zkouška kN | R výpočet kN |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| HSC | 21 | 10 | 454 | 480 | 69 | 11,8 | 10,1 | 9,55 |
| NWC | 21 | 10 | 454 | 480 | 36 | 11,3 | 9,2 | 9,05 |
| LWC | 21 | 10 | 454 | 480 | 22 | 9,3 | 8,6 | 8,55 |
| NWC | 21 | 8 | 454 | 480 | 32 | 6,8 | 6,1 | 6,05 |
| Poznámka: 1) průměrná hodnota, 2) charakteristická hodnota | ||||||||
Z hodnot uvedených v tab. 1 vyplývá, že únosnosti kolíků zjištěné podle analyticky odvozených výpočetních vztahů (Kuklíková 2004) se velmi dobře shodují s charakteristickými hodnotami zjištěnými zkouškou. Výpočet též velmi dobře zohledňuje změnu jakosti betonu.
Spojovací prostředky plošného typu
U průmyslově vyráběných dřevostaveb vyvstal požadavek vyrábět dřevobetonové stropy stropy alespoň částečně prefabrikované, v lepším případě zcela prefabrikované, aby se vyloučil mokrý proces na stavbě, urychlila se celková doba montáže, a tím zefektivnil a zlevnil celý proces výstavby. Této problematice se dosud věnovala celosvětově jen malá pozornost a vzniklo jen několik málo použitelných technik.
Obr. 3 Inovativní spojovací prostředek plošného typu BV15/0
Obr. 4 Protlačovací zkouška pro zjištění tuhosti a únosnosti spřažení
Obr. 5 Graf závislosti únosnosti spřažení na jeho prokluzu
Ve spolupráci ČVUT s firmou BOVA Březnice spol. s r.o. byla vyvinuta první verze inovativního spojovacího prostředku pro spojení dřeva a betonu (obr. 3) a též se podařilo vyrobit a odzkoušet první sadu zkušebních těles (obr. 4) a tyto vyhodnotit (obr. 5).
Obr. 7 Způsob porušení spojovacího prostředku plošného typu
Souběžně s vývojem spojovacího prostředku byla zpracována idea pro vlastní aplikaci do kompozitního průřezu tak, aby byl splněn základní požadavek snadné a ekonomické průmyslové výroby. Podstata tohoto technického řešení spočívá ve spojení dvojice dřevěných nosníků z rostlého dřeva obdélníkového průřezu pomocí ocelových desek s oboustranně prolisovanými trny takovým způsobem, aby část ze šířky ocelové desky přečnívala přes horní okraj dřevěných nosníků (obr. 6). Při zkouškách bylo zjištěno, že potom k porušení spoje dochází ve dřevě, a to v místě, kde končí plná střední část ocelové desky a začíná prolis první řady trnů, viz obr. 7. Koncentraci napětí v tomto místě potvrdily i numerické modelace.
Obr. 6 Způsob zalisování spojovacího prostředku plošného typu
Závěr
Obr. 8 Příprava požární zkoušky dřevobetonového stropu se záklopem
Obr. 9 Průhyb okrajů dřevobetonového stropu v průběhu požární zkoušky
Provedením betonové desky, kterou spřáhneme s dřevěnými nosníky či deskami pomocí různých spojovacích prostředků, výrazně zvýšíme tuhost i únosnost stropní konstrukce. Je ověřeno, že dřevobetonové stropní konstrukce mají lepší parametry kročejové a vzduchové neprůzvučnosti (v případě vhodně vyřešených konstrukčních detailů) a požární odolnosti oproti tradičním dřevěným stropům. Výsledek provedené požární zkoušky byl velmi zajímavý. Na začátku zkoušky bylo, oproti klasickým dřevěným stropům neobvyklé, že ačkoliv dřevěné nosníky za požáru zuhelnaťovaly a zmenšovaly svůj průřez, strop se do cca dvacáté minuty vůbec neprohýbal, i když byl zatížen (obr. 8, 9). Vysvětlením je rozdílná teplotní délková roztažnost betonu a dřeva, kdy strop měl v zásadě tendenci se nadzvedávat, což mu ale použité zatížení nedovolilo. S ohledem na to, že byla zvolena minimálně přípustná tloušťka betonové desky s roznášecí výztuží, byla slabým místem stropu za požáru nikoliv jeho únosnost, ale celistvost s ohledem na prohřívání betonové desky a odpařování vody z betonu. K lokálnímu porušení betonové desky došlo chvíli po šedesáté minutě trvání požární zkoušky. Nicméně po ukončení požární zkoušky mohl být strop z pece snesen a podroben dalšímu vyšetřování.
Poděkování
Tento článek byl zpracován za podpory projektu TE02000077 „Inteligentní Regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj“.
Literatura
- Dias, A. – J. W. G. Kuilen – Cruz, H.: Mechanical properties of timber-concrete joints made with steel dowels, Coimbra University, 2003;
- Hrdoušek, V. – Krátký, J. – Křečan, J. – Kukaň, V. – Procházka, J. – Šmerk, P: Spřažené konstrukce beton-beton, ČVUT Praha, 1993;
- Johansen, K. W.: Theory of timber connections. International Association of Bridge and Structural Engineering. Publication No. 9:249-262. Bern, 1949;
- Koželouh, B.: Zkoušky těles spřáhnutých ze dřeva a betonu, ŠDVU Bratislava, 1975;
- Kuklík, P.: Navrhování dřevěných konstrukcí, Technická knižnice autorizovaného inženýra a technika, ČKAIT, Praha, 1997;
- Kuklíková, A.: Kompozitní dřevobetonové konstrukce, ČVUT v Praze, 2004;
- Whale, L. R. J. – Smith, I. – Larsen, H. J.: Design of nailed and bolted joints, proposals for the revision of existing formulae in draft Eurocode 5 and CIB code, Paper 20-7-1, Proceedings CIB – W18 meeting, Dublin, Ireland 1987;
- Kuklík P., Nechanický P., Kuklíková A. : Development of prefabricated timber-concrete composite floors. Proceedings of the WCTE conference, Auckland, New Zealand 2012.
- ČSN EN 26891: Dřevěné konstrukce. Spoje s mechanickými spojovacími prostředky. Všeobecné zásady pro zjišťování charakteristik únosnosti a přetvoření (732070), ČSNI, Praha, 1994;
- ČSN EN 1992-1-1 Navrhování betonových konstrukcí. Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 2006;
- ČSN EN 1995-1-1 Navrhování dřevěných konstrukcí, Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 2006;
- ČSN EN 1995-2 Navrhování dřevěných konstrukcí, Část 2: Mosty, ČNI, Praha, 2006.
Timber-concrete composite structures are becoming very important in the housing sector. They have many advantages compared to traditional timber floors and are widely used as an effective method for refurbishment of existing timber floors. Due to the many benefits they are now being used more in new multi-storey timber framed houses. This paper deals with behaviour of timber-concrete composite floor structures with mechanical connection systems. The paper is focused to two different connection systems: using dowel-type fasteners and using special surface connector. Analytical model of dowel-type connection system is based on modification of Johansen´s equations valid for timber to timber connections. Behaviour of connection system with special surface connector is evaluated by experiments. The paper deals also with the behaviour of timber-concrete composite floor structures under fire conditions.