Ideový návrh dodatečného zvýšení tuhosti a únosnosti dřevěného nosníku s využitím předpětí

Cíl článku

Cílem článku je informovat o možnostech zvětšení tuhosti a únosnosti dřevěných nosníků předpětím i u vazníků, a to v souvislosti s jejich sanací.

Důvody pro sanaci vazníků mohou být různé. Jejich únosnost stářím klesla, zvětšil se jejich průhyb dotvarováním, nároky na jejich zatížení vzrostly.

Zejména zvětšení průhybu je častý případ, neboť naše předpisy pro navrhování až do nedávné doby předepisovaly stanovení mezní hodnoty krátkodobého průhybu, ale posouzení konstrukce na dlouhodobé působení zatížení stanovovaly pouze, jestliže to vyžadovaly provozní důvody.

Teprve dnešní předpisy vyžadují posoudit konečnou deformaci, která bere v úvahu jejich zvětšení v čase následkem dotvarování a vlhkosti.

Postup sanace stropních trámů, který navrhl autor tohoto článku v [1] a [2], lze použít i u střešních a jiných vazníků, obecně u všech ohýbaných nosníků, u kterých je potřeba zvětšit únosnost a tuhost.

Kvantitativní vyjádření sanačních opatření

Pro předpětí spočívající v negativním prohnutí nosníku a posléze v neposuvném připojení přípojek – postup je patentován v [3] – budou v případě zatíženého vazníku platit vztahy pro nadvýšení od sil N (obr. 1).

Pro navýšení nosníku:

a pro napětí v krajních vláknech nosníku

Po spřažení nosníku s příložkami, odejmutí N, přitížení ∆g_s + g_p dojde k průhybu

Po položení podmínky Y = Y_dov − Y_res vychází předpínací síla

normálové napětí v krajních vláknech stávajícího nosníku

a v krajních vláknech příložky

kde je

J_d

moment setrvačnosti příčného průřezu stávajícího nosníku,

J_i

ideální moment setrvačnosti nosníku spřaženého s příložkami,

g_d

tíha stávajícího nosníku,

g_o

tíha příložek,

g_s

tíha střešního souvrství,

g_p

tíha sněhu,

Δg_s

zvětšená tíha střešního souvrství,

Y_res

přírůstek průhybu stávajícího nosníku od dotvarování,

N =  ,

 

ω

rovnoměrné předpínací zatížení – viz [1],

n =  .

 

Pro příložky je vhodné použít ocel. Takový hybrid se chová pružně a nevykazuje vliv dotvarování.

Příklad sanace

Na obr. 2 je dřevěný vazník rozpětí 20 m. Přenášel dosud zatížení 12 kN/m při normálovém napětí 13,3 MPa. Důvodem pro jeho sanaci je potřeba zřídit zelenou střechu, což povede k zvětšení zatížení na 24,8 kN/m. Celkový průhyb by neměl přesáhnout  = 0,067 m. Měřením na stávajícím nosníku a výpočtem bylo zjištěno, že dosud došlo v důsledku dotvarování k Y_res = 0,02 m, který by dnes při modulu E_d = 1,4.10⁴ MPa vykázal nosník při nulovém zatížení.

Podle nového projektu vychází, je-li ponechán současný střešní plášť, v kN/m g_d = 1,2, g_o = 0,6, g_s = 7,0, Δg_s = 12,0, g_p = 4,0
a výpočtem podle (4) N = 114,45 kN,
ze vzorce (1) Y_k = −0,02 m,
ze vzorce (2) Ϭ_d = ±2,76 MPa,
ze vzorce (5) ∑Ϭ_d = ±10,1 MPa,
ze vzorce (6) Ϭ₀ = ∓193,3 MPa
a ze vzorce (3) ∑Y = 4,7 mm.

Požadavek přenést zatížení zelené střechy je splněn při zmenšení normálového napětí vazníku a dosažení průhybu 0,047 + 0,02 = 20/300. Třeba však řešit dva problémy.

Především s kotvením vazníku v podporách, protože při předpínání je dosaženo akce záporného znaménka, A = − 114,45 + 10.8,8 = −26,46 kN.

Druhý problém vzniká při předpínání vazníku s klopením vazníku.

Tlaková síla v dolní oblasti příčného průřezu vazníku vyžaduje propojení hlav u předpínacích stojek ztužujícími lanky Ø20 kotvenými přes štíty haly do venkovních krátkých pilot (obr. 3).

Závěr

Předpětím bylo dosaženo úspěšné sanace vazníku. Přesnost výpočtu je samozřejmě ovlivněna výstižností odhadu jakosti dřeva sanovaného vazníku. Parametrické studie však prokazují malý význam změny modulu od E_d = 1,4.10⁴ MPa na výsledky výpočtu napjatosti a deformace. Při zvětšení na 2.10⁴ MPa resp. zmenšení na 1.10⁴ MPa se nadvýšení Y_k zvětší o 11 % respektive zmenší o 20 % a zmenší se normálové napětí Ϭ₀ o 11 % resp. zvětší o 8 %. Lze tedy vždy spolehlivě zavádět E_d = 1,4.10⁴ MPa.

Poznámky

Navrhovaný postup lze použít i pro vazníky prutové, ocelové a betonové (obr. 4). Stejně tak lze jako orientační použít i uvedené vzorce.

Pro sanaci lze použít i příložky dřevěné, bude pouze třeba se vypořádat s vlivem dotvarování dřeva příložky na napjatost a deformaci. Lze jej vyjádřit zavedením součinitele k_def = 0,8, tj. snížením modulu pružnosti dřeva příložky na hodnotu
E_dp = 1,4.10⁴ MPa, bude tedy n = .

Konečně poznámka k sanaci střešních panelů.

Pokud nejde při sanaci jen o zmenšení namáhání vazníku a zmenšení jeho průhybu, ale i o zvětšení zatížení například zřízením zelené střechy, je nutno též zvětšit únosnost a tuhost střešních panelů, protože jejich předpětí by vyžadovalo umělé prohnutí, a to je v dané situaci obtížné. Třeba použít cestu vyztužení pomocí přídavné konstrukce připojené zdola k panelům. To lze realizovat při ukládání předpínacích příložek k sousedním vazníkům např. podle obr. 5.

Zdroje informací

1. Rojík V., Sanace trámového stropu, čas. Realizace staveb 1 – 2019
2. Rojík V., Sanace trámového stropu (2), čas. Realizace staveb 1 – 2020
3. Způsob omezení průhybu a zvětšení únosnosti nosníku – PN – 2016 – 279, ÚPV Praha, patent č. 307101