Rozbor vlivu separační vrstvy u dřevobetonových stropních konstrukcí
1. Úvod
S rekonstrukcemi stávajících dřevěných trámových stropních konstrukcí se setkáváme poměrně často, zejména při snaze maximálně využívat objekty postavené v 19. a na počátku 20. století v centrech měst. V mnoha případech se tyto stropy dochovaly v dobrém fyzickém stavu, jsou dodnes funkční a vhodný zásah může velmi výrazně prodloužit jejich použitelnost a celkovou živostnost. Častým problémem je nadměrný průhyb stávající konstrukce a také zvýšené soudobé požadavky na požární odolnost, požadavky akustiky či velikost zatížení působící na konstrukci při daném způsobu využití objektu. Byly vyvinuty různé metody, jak zvýšit únosnost a tuhost dřevěné stropní konstrukce. Výběr vhodné sanační varianty je závislý na několika faktorech, jako je například požadovaná míra zvýšení únosnosti a tuhosti konstrukce, možnost omezení provozu v objektu, ekonomické hledisko apod.
V disertační práci, ze které tento příspěvek vychází, byla pozornost věnována „modernější“ metodě zesílení trámového stropu – metodě spřažení s dodatečně nadbetonovanou deskou. Hlavní náplní byla experimentální činnost, která se zabývala také rozborem vlivu separační vrstvy na styku dřevěné a betonové části průřezu na tuhost kompozitního systému. Dílčí výsledky tohoto výzkumu jsou dále prezentovány.
Obr. 1: Průřez spřaženou dřevobetonovou stropní konstrukcí. Jako prvky spřažení jsou zde použity stavební hřebíky a před betonáží byla na dřevěný záklop aplikována separační vrstva.
Spřažená konstrukce využívá zejména vhodného rozložení napětí ve vzniklém nosném „T“ průřezu, kdy dřevěný trám přenáší tahová napětí a spolupůsobící betonová deska je namáhána především tlakem. Důležitou roli zde plní samozřejmě prvky spřažení, kterých existuje celá řada. Běžné v naší republice je používání kolíkových spojovacích prostředků v podobě hřebíků a vrutů. Postupně se vytvářely modernější způsoby spřažení, které jsou pak aplikovány zejména u stropních konstrukcí novostaveb. Tuhost a únosnost spoje je obvykle ovlivněna mezivrstvami mezi nosnými částmi profilu, např. bedněním, dá se předpokládat i vliv separační fólie, aplikované z důvodu zamezení vniku technologické vlhkosti z betonáže do dřeva. Použití této vrstvy je často diskutovanou otázkou, její funkce ve spřažené konstrukci se právě proto stala námětem pro jeden z cílů disertační práce.
2. Experimentální činnost na modelech spřažených dřevobetonových průřezů
2.1. Provedení experimentu
Obr. 2: Schéma provádění smykové zatěžovací zkoušky u modelů spřažených průřezů: 1) ocelová roznášecí podložka; 2) ocelová pásovina přivařená k boku podkladku; 3) ocelová podkladní deska.
Účinnost poddajného spoje u spřažené konstrukce lze nejlépe popsat pomocí modulu prokluzu spoje K [N/mm]. Pro stanovení této veličiny lze použit výpočet dle EC5, který se vztahuje pouze na spoje bez mezivrstev na styku dřevěného trámu a betonové desky. Modul prokluzu pro jiné typy průřezů nebo obecně přesnější hodnotu je možno stanovit pouze experimentálně v souladu s ČSN EN 26891. V rámci disertační práce byly vytvořeny modely průřezů dřevo-beton s různými typy spojů a mezivrstev a pomocí zatěžovacích zkoušek, simulujících smykové namáhání spoje, byla sledována deformace těchto prvků a následně byl stanoven modul prokluzu jednotlivých spojů K [N/mm] dle uvedené normy ČSN.
Obr. 3: Varianty vyrobených modelů spřažených průřezů:
a) modely mez mezivrstev,
b) modely s mezivrstvou z dřevěného bednění,
c) modely s mezivrstvou z dřevěného bednění a separační PE fólií.
Každý typ byl navíc realizován s řadami hřebíků 100 mm, 150 mm nebo 200 mm od sebe.
Pro výrobu modelů byl použit smrkový trám 120/180mm a lehký hutný liaporbeton (LB). Jako prvky spřažení byly aplikovány stavební hřebíky 5/150 mm, bednění bylo řešeno z dřevěných prken tl. 25 mm a separační fólie byla provedena v podobě PE fólie tl. 0,1 mm. Abychom mohli jasně odvodit vliv separační fólie na modul prokluzu spoje, bylo nutno provést stejné zatěžovací zkoušky na modelech bez mezivrstev a dále na modelech s bedněním ale bez aplikace separační fólie. Každý typ spřaženého průřezu byl proveden celkem v 5 kusech a dále uvedené výsledky jsou průměrem získaných výsledků.
2.2. Výsledky experimentu
Graf 1: Počáteční regresní křivky jednotlivých skupin modelů s liaporbetonem (LB) – vzdálenosti řad hřebíků 100 mm, 150 mm nebo 200 mm, vzorky provedeny bez mezivrstev, s mezivrstvou z bednění (označení modelů symbolem B) nebo bednění a fólie (označení modelů symbolem F).
Výsledkem provedených experimentů jsou deformační diagramy závislosti použité zatěžovací síly F na deformaci spoje w, tj. na vzájemném posunu dřevěného trámu a betonu. Pro určení jednotné křivky, vypovídající o smykovém namáhání u daného souboru modelů se stejným typem spoje, byla provedena aproximace zatěžovacích diagramů vhodnou křivkou pomocí metody nejmenších čtverců. Graf 1 obsahuje tzv. „počáteční regresní křivky“ pro jednotlivé soubory modelů sestavené pro počáteční fázi zatěžování (do 80 % dosažené maximální síly Fest).
| Výsledky zatěžovacích zkoušek – deformace spoje w [mm] u modelů LB | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Model | Počet hřebíků | Beton | Zatěžovací síla F [kN] | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 5 | 10 | 15 | 20 | |||
| LB 100 | 16 | ρ = 1715 kg/m3 fck = 23 MPa | 4,1E−05 | 0,0003 | 0,001 | 0,004 | 0,03 | 0,10 | 0,23 |
| LB 100B | 16 | 0,03 | 0,06 | 0,09 | 0,16 | 0,34 | 0,58 | 0,91 | |
| LB 100F | 16 | 0,06 | 0,12 | 0,18 | 0,32 | 0,73 | 1,33 | 2,42 | |
| LB 150 | 12 | 0,005 | 0,006 | 0,007 | 0,01 | 0,02 | 0,05 | 0,11 | |
| LB 150B | 12 | 0,03 | 0,07 | 0,11 | 0,19 | 0,42 | 0,73 | 1,22 | |
| LB 150F | 12 | 0,06573 | 0,13 | 0,21 | 0,36 | 0,83 | 1,55 | 3,13 | |
| LB 200 | 8 | 3E−05 | 0,0003 | 0,001 | 0,008 | 0,09 | 0,34 | 0,93 | |
| LB 200B | 8 | 0,0015 | 0,009 | 0,024 | 0,09 | 0,59 | 1,49 | 3,1 | |
| LB 200F | 8 | 0,10 | 0,21 | 0,33 | 0,59 | 1,50 | 4,50 | 11 | |
Rozdíl mezi regresními křivkami u jednotlivých skupin modelů je proměnný s rostoucí zatěžovací silou (mění se rozdíly u naměřených deformací w). Nicméně pokud budeme vycházet z hodnot uvedených v tabulce č. 1, můžeme pro počáteční fázi diagramů popsat závislost deformací na zatěžovací síle přibližně následovně:
- prvky s bedněním vykazují vyšší deformace než modely bez mezivrstvy, ve srovnání s LB 100 se jedná o nárůst průměrně 150krát vyšší, u modelů LB 150 15krát a u LB 200 17krát vyšší;
- separační fólie zvyšuje deformace oproti prvkům s bedněním cca dvojnásobně u řady modelů LB 100 a LB 150, u modelů řady LB 200 se jedná o nárůst až 17krát.
Modul prokluzu spoje K [N/mm], popisující v podstatě velikost zatížení potřebného pro deformaci spoje o 1 mm, je veličina proměnná s rostoucí zatěžovací silou. Pro porovnání jednotlivých typů spřažení je proto nejvhodnější stanovení jednočíselné hodnoty modulu prokluzu spoje Kser, která je dle výsledků experimentů vypočtená v souladu s ČSN EN 26891 – do vztahu vstupuje deformace spoje při zatížení 0,1 Fest a 0,4 Fest (kde Fest je maximální únosnost spoje).
| Výsledky zatěžovacích zkoušek – modul posunutí spoje K [N/mm] u modelů LB | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Model | Počet hřebíků | Beton | Zatěžovací síla F [kN] | Kser [N/mm] | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 5 | 10 | 15 | 20 | EX. | |||
| LB 100 | 16 | Eck = 9300 MPa | 1524390 | 403226 | 191327 | 78125 | 19531 | 9191 | 5365 | 1617 |
| LB 100B | 16 | 2155 | 2119 | 2083 | 2016 | 1833 | 1625 | 1378 | 573 | |
| LB 100F | 16 | 1059 | 1042 | 1025 | 980 | 854 | 707 | 517 | 430 | |
| LB 150 | 12 | 16690 | 28399 | 36240 | 43717 | 38968 | 26048 | 15480 | 5121 | |
| LB 150B | 12 | 2423 | 2379 | 2335 | 2243 | 1996 | 1712 | 1363 | 1172 | |
| LB 150F | 12 | 1268 | 1240 | 1213 | 1157 | 1001 | 809 | 533 | 526 | |
| LB 200 | 8 | 4180830 | 763332 | 282298 | 80619 | 14732 | 5449 | 2691 | 2497 | |
| LB 200B | 8 | 84700 | 28854 | 15367 | 6950 | 2368 | 1261 | 807 | 931 | |
| LB 200F | 8 | 1218 | 1183 | 1145 | 1067 | 835 | 417 | 227 | 675 | |
Experiment potvrdil předpoklady, že použitím mezivrstev dochází ke snížení modulu prokluzu, výrazný vliv má zejména použití separační fólie. Modul K se snižuje s rostoucí hodnotou zatížení. V počáteční fázi zatěžování do hodnoty F = 20 kN (dle tab. 2), je možno popsat závislosti jednotlivých typů spřažení následovně:
- bednění způsobuje snížení modulu prokluzu spoje cca o 70 %;
- použití separační fólie znamená pokles modulu prokluzu spoje o dalších cca 50 % v porovnání s modely s bedněním (oproti prvkům bez mezivrstvy je snížení modulu K cca o 82 %).
Při porovnání hodnot Kser jsou závěry následující:
- bednění způsobuje snížení modulu prokluzu spoje Kser cca o 70 %;
- užití separační fólie znamená pokles modulu prokluzu spoje o dalších cca 65 % v porovnání s modely s bedněním (oproti prvkům bez mezivrstvy je snížení modulu Kser cca o 80 %).
3. Experimentální činnost na modelech spřažených dřevobetonových stropních konstrukcí
Další otázkou je vliv absence separační vrstvy na následné zvýšení vlhkosti v dřevěné části konstrukce. Tato skutečnost byla sledována experimentálním měřením vlhkosti dřevěného plnoplošného bednění u modelů spřažených stropních konstrukcí.
3.1. Provedení experimentu
Obr. 4: Půdorys a řez modelu stropní konstrukce s vyznačenou sítí bodů, kde byla měřena vlhkost bednění v jednotlivých časových etapách.
Pro výrobu modelů dřevobetonových stropních konstrukcí byly použity 3 smrkové trámy, bednění z dřevěných prken tl. 25 mm a lehký hutný liaporbeton s vodním součinitelem w/c = 0,38. Celkový půdorysný rozměr modelu byl 1,28 × 3,3 m. Vyrobeny byly 3 modely, kdy byly jako prvky spřažení použity hřebíkové spoje ve dvou variantách (model LB-H1 a LB-H2) nebo bylo spřažení s betonem dosaženo ozuby v dřevěném podkladu, kdy byla pouze střídavě uložená druhá vrstva bednění (model LB-SB). Měření vlhkosti probíhalo ze spodní strany bednění ve stanovené síti bodů pomocí odporového vlhkoměru Protimeter Timbermaster, a to v několika časových úsecích.
3.2. Výsledky experimentu
Graf 2: Průměrná vlhkost bednění u modelů stropů s liaporbetonem (LB). Hodnota je stanovena bez zahrnutí nejvyššího a nejnižšího výsledku do výpočtu.
Výsledky měření vlhkosti bednění na modelech stropních konstrukcí jsou shrnuty do grafu 2.
Po aplikaci mokré betonové směsi na bednění u modelů stropních konstrukcí byl potvrzen předpoklad o nárůstu objemové vlhkosti v dřevěném bednění, který ovšem nebyl nijak markantní. U modelů stropů s aplikací směsi liaporbetonu, která měla vodní součinitel w/c = 0,38, došlo po betonáži k nárůstu vlhkosti bednění průměrně o 0,81 %. Jsou patrné jisté rozdíly nárůstu vlhkosti u modelů s různým typem spřažení (např. u modelu LB-H2 0,32 % a u modelu LB-SB 1,28 %), nicméně rozptyl hodnot v rozmezí cca 1 % objemové vlhkosti je vzhledem k možným nepřesnostem měření téměř zanedbatelný.
4. Závěr
Použití separační vrstvy je odůvodnitelné zejména v případě rekonstrukcí historicky cenných stropních konstrukcí, např. s malovaným záklopem nebo trámy, kdy by případné vnesení technologické vlhkosti z betonáže znamenalo jejich poškození, nebo také v případech aplikace betonové směsi s vysokým vodním součinitelem, kdy by nadměrná vlhkost mohla negativně ovlivnit mechanické vlastnosti dřeva.
Z praktických zkušeností je známo, že použití separační vrstvy může způsobit nevhodné uzavření proniknuté vlhkosti v dřevěné konstrukci s podhledem, protože je znemožněno vysychání záklopu směrem nahoru. Také betonová směs nemá možnost vysychat směrem dolů. Možným řešením této stavebně-vlhkostní problematiky je užití difúzní fólie vhodně reagující na vlhkostní poměry v konstrukci, která nepropustí nadměrnou vlhkost směrem dolů, ale umožní vysychání dřeva podle potřeby. Zároveň je ovšem nutné utěsnit všechny prostupy spojovacích prostředků a vytvořit tak opravdu vodonepropustnou vrstvu, což může být z hlediska realizace problematické.
Vliv použití separační PE fólie na styku betonové desky s dřevěným bedněním byl v rámci výše popsané experimentální činnosti sledován u modelů spřažené dřevobetonové konstrukce ze dvou základních hledisek: z hlediska vlivu na charakteristiku spoje – modulu prokluzu K [N/mm] – a z hlediska vlivu na vnášení technologické vlhkosti od betonáže do dřevěné části konstrukce.
U jednotlivých modelů spřažených průřezů byly provedeny zatěžovací zkoušky hřebíkových spojů a při porovnání získaných hodnot Kser jsou závěry následující:
- použití separační fólie znamená pokles modulu prokluzu hřebíkového spoje Kser [N/mm] o cca 65 % v porovnání s modely pouze s bedněním;
- oproti prvkům bez mezivrstvy dochází vlivem aplikace bednění a separační fólie ke snížení modulu Kser [N/mm] cca o 80 %.
Závěr ze sledování vlhkostních poměrů v dřevěném záklopu u modelů dřevobetonových stropních konstrukcí je následující:
- při aplikaci suché betonové směsi (liaporbeton s vodním součinitelem w/c = 0,38) dochází k nárůstu vlhkosti v dřevěném bednění stropu po betonáži cca o 1 %,
- nárůst vlhkosti o 1% neznamená žádné výrazné negativní účinky na dřevní hmotu.
Dle výsledků provedených experimentů můžeme říci, že při aplikaci betonové směsi s vodním součinitelem do hodnoty cca 0,4 není u dřevobetonové konstrukce nutné používat separační mezivrstvu mezi betonem a bedněním. Použití separační fólie negativně ovlivňuje namáhání prvků spřažení, a tím i celé kompozitní konstrukce.
Při statickém návrhu spřažené konstrukce je nutno při posuzování spoje uvažovat s modulem Kser stanoveným na základě experimentálních zkoušek, pro výpočet této veličiny při aplikaci separační vrstvy neexistuje žádná platná metodika.
Z výše uvedených důvodů je použití separační fólie nevhodné a nutnost její aplikace je potřeba důkladně zvážit.
The article is devoted to research on the influence of the separation layer wood-concrete floor structures. Using the separation layer is justified especially in the case of reconstruction of historically valuable floor structures, such as a painted deck or beams, where water during the casting technology may cause damage, or even in the case of concrete applications with a high coefficient of water, where excessive moisture could adversely affect the mechanical properties of wood.
According to the results of the experiments we can say that in the application of concrete with a water factor approximately 0.4, it is not necessary to use concrete structure interlayer separation between concrete and formwork. Using foil separation negatively affects stress coupling elements, and thus the entire composite structure.