Aplikace separační vrstvy u spřažených dřevobetonových stropů
Při snaze maximálně využívat stávající objekty se často setkáváme s nutností rekonstrukce původních dřevěných stropních konstrukcí. V rámci zachovalých historických objektů, zejména v centrech měst, jsou velmi rozšířeny tzv. tradiční trámové stropy, které byly hojně používány zejména v 19. století a na začátku 20. století. Příspěvek se zabývá jednou z „modernějších“ metod zesílení těchto trámových stropů – metodou spřažení s dodatečně nadbetonovanou deskou.
Úvod
Při snaze maximálně využívat stávající objekty se často setkáváme s nutností rekonstrukce původních dřevěných stropních konstrukcí. V rámci zachovalých historických objektů, zejména v centrech měst, jsou velmi rozšířeny tzv. tradiční trámové stropy, které byly hojně používány zejména v 19. století a na začátku 20. století. Příspěvek se zabývá jednou z „modernějších“ metod zesílení těchto trámových stropů – metodou spřažení s dodatečně nadbetonovanou deskou.
Z důvodu sledování některých parametrů dřevobetonových konstrukcí proběhla experimentální činnost, která se zabývala také rozborem významu separační vrstvy na styku dřevěné a betonové části průřezu. Pro vytvoření experimentálních modelů spřažených průřezů dřevo-beton a modelů stropních konstrukcí byly využity dva typy lehkých betonů: liaporbeton (dále LB) a beton s využitím recyklovaných surovin (dále RB). Jako prvky spřažení byly zvoleny běžné stavební hřebíky ø5 mm/150 mm, bednění tvořila dřevěná prkna tl. 25 mm a jako případná separační vrstva byla použita PE fólie tl. 0,1 mm. Aplikace separační vrstvy před betonáží je často diskutovanou otázkou, a proto byla snaha objasnit její vliv jednak na vlhkost bednění stropu a jednak na tuhost spojů – prvků spřažení.
Obr. 1. Pro experimentální činnost byly vytvořeny modely spřažených průřezů dřevo-beton a modely dřevobetonových stropních konstrukcí.Sledování vlhkosti u dřevěného bednění
Separační vrstva je na bednění aplikována zejména z důvodu zamezení vnesení technologické vlhkosti z betonáže do dřevěné části konstrukce. Pro sledování této problematiky sloužily modely stropních konstrukcí se třemi dřevěnými trámy o celkových rozměrech 1,28 × 3,3 m s aplikací výše zmíněných lehkých betonů. Použitá betonová směs měla nízký vodní součinitel a na záklop nebyla aplikována separační vrstva. Vyrobeny byly modely, kdy byly jako prvky spřažení použity hřebíkové spoje ve dvou variantách (model LB-H1 a LB-H2, RB-H2) nebo bylo spřažení s betonem dosaženo ozuby v dřevěném podkladu, kdy byla střídavě s mezerami položena druhá vrstva bednění (model LB-SB a RB-SB). Vlhkost před a po betonáži byla sledována pomocí odporového vlhkoměru Protimeter Timbermaster ze spodní strany dřevěného bednění v předem stanovené síti bodů.
Obr. 2. Sledování vlhkosti u dřevěného bednění na modelech dřevobetonových stropů.Měření vlhkosti proběhlo vždy těsně před betonáží, následně 1 den po betonáži a případně i v dalších časových úsecích. Zjištěná vlhkost bednění byla ze všech sledovaných bodů pro daný model zprůměrována (pro vyšší přesnost nebylo uvažováno s nejvyšší a nejnižší naměřenou hodnotou) a konečné výstupy z měření jsou uvedeny v následujících tabulkách.
| Přírůstek vlhkosti bednění oproti stavu před betonáží [%] | ||||
|---|---|---|---|---|
| Model stropu | Čas měření vlhkosti | |||
| 1 den po betonáži | 7 dní po betonáži | 14 dní po betonáži | 30 dní po betonáži | |
| LB-H1 | 0,82 | 1,99 | 3,25 | – |
| LB-H2 | 0,32 | – | 2,74 | 1,71 |
| LB-SB | 1,28 | – | 3,05 | 2,15 |
| Průměr | 0,81 | 1,99 | 3,01 | 1,93 |
| Přírůstek vlhkosti bednění oproti stavu před betonáží [%] | |
|---|---|
| Model stropu | Čas měření vlhkosti |
| 1 den po betonáži | |
| RB-H2 | 0,56 |
| RB-SB | 0,57 |
| Průměr | 0,57 |
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 s vodním součinitelem w/c = 0,38 došlo po betonáži k nárůstu vlhkosti bednění průměrně o 0,81 %, u modelů s recyklovaným betonem byl pak přírůstek 0,57 %. Jsou patrné jisté rozdíly nárůstu vlhkosti u jednotlivých modelů, nicméně rozptyl hodnot v rozmezí cca 1 % objemové vlhkosti je vzhledem k možným nepřesnostem měření téměř zanedbatelný.
Vliv separační fólie na modul prokluzu spoje
Účinnost poddajného spoje (např. hřebíkového) u spřažené konstrukce lze nejlépe popsat pomocí veličiny – modulu prokluzu spoje K [N/mm], která v podstatě popisuje velikost síly potřebné pro deformaci spoje o 1 mm. Veličina je proměnná s rostoucím zatížením a pro statický výpočet je potřebná hodnota charakterizující počáteční přetvoření spoje označovaná jako Kser (resp. Ku pro posouzení na 1. mezní stav, kdy Ku = 2/3 Kser). Pro stanovení veličiny Kser lze použít přibližný výpočet dle EC5, který se vztahuje pouze na spoje bez mezivrstev na styku dřevěného trámu a betonové desky. Pro jiné typy průřezů (s mezivrstvami např. z bednění) je nutno vyhodnotit zatěžovací zkoušky spoje v souladu s ČSN EN 26891. U rekonstrukcí se ve většině případů realizuje betonáž na původní či opravené bednění, případně je aplikována také separační fólie – jedná se tedy o spoj s mezivrstvami. Stanovení veličiny Kser, figurující při statickém návrhu či posouzení konstrukce, je tedy nutno provést experimentálně.
V našem případě byla snaha vysledovat dle normou stanovených zkoušek spoje závislost modulu prokluzu na použitých mezivrstvách. Abychom mohli z tohoto pohledu jasně odvodit vliv separační fólie, bylo nutno provést stejné zatěžovací zkoušky na modelech s bedněním ale bez aplikace separační fólie. Hřebíkové spoje byly provedeny v řadách po dvojicích se vzdáleností řad 100, 150 nebo 200 mm.
Obr. 3. Schéma provedené zatěžovací zkoušky spoje dřevo-beton v souladu s ČSN EN 26891 a foto z její realizace.Při zatěžování, které simuluje smykové namáhání spoje, je sledován vzájemný posun mezi trámem a betonem v závislosti na působícím zatížení F – příkladem je graf 1. Dle zjištěné deformace je pak vypočítána konkrétní hodnota K pro příslušnou zatěžovací sílu F nebo jednočíselná hodnota Kser pro jeden hřebík u daného modelu spoje. Pro sérii 5 stejných modelů byly následně výsledky zprůměrovány. Rozdíl mezi výslednými křivkami u jednotlivých modelů je proměnný s rostoucí zatěžovací silou, mění se rozdíly u naměřených deformací a tím i hodnoty modulu prokluzu s přibývajícím zatížením. Další závěry se tedy soustředí na počáteční fázi zatěžování, která je pro posouzení spoje nejdůležitější, a vychází se z hodnot uvedených v tab. 3.
Graf 1. Výsledné zatěžovací diagramy ze zkoušek spoje u modelů s recyklovaným betonem (RB), různými vzdálenostmi hřebíků (150 nebo 200 mm) a mezivrstvami z bednění (na konci B) nebo kombinace bednění a folie (F).
Vlivem separační fólie dochází ke snižování modulu K minimálně o 45 % (modely řady RB 150), maximálně pak až o 80 % (modely řady LB 200).
Průměrný modul prokluzu spoje Kser se aplikací separační fólie snižuje oproti prvkům pouze s bedněním takto:
- o cca 25 % u modelů řady LB 100,
- o cca 55 % u modelů řady LB 150,
- o cca 28 % u modelů řady LB 200,
- o cca 56 % u modelů řady RB 150,
- o cca 62 % u modelů řady RB 200.
| Modul prokluzu spoje K [N/mm] pro jeden spojovací prvek (hřebík 5/150 mm) | Kser [N/mm] | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Model | Beton | Zatěžovací síla F [kN] | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 5 | 10 | 15 | 20 | |||
| LB 100B | fc,k = 23 MPa Ec,k = 9300 MPa | 2155 | 2119 | 2083 | 2016 | 1833 | 1625 | 1378 | 573 |
| LB 100F | 1059 | 1042 | 1025 | 980 | 854 | 707 | 517 | 430 | |
| LB 150B | 2423 | 2379 | 2335 | 2243 | 1996 | 1712 | 1363 | 1172 | |
| LB 150F | 1268 | 1240 | 1213 | 1157 | 1001 | 809 | 533 | 526 | |
| LB 200B | 84700 | 28854 | 15367 | 6950 | 2368 | 1261 | 807 | 931 | |
| LB 200F | 1218 | 1183 | 1145 | 1067 | 835 | 417 | 227 | 675 | |
| RB 150B | fc,k = 4,4 MPa Ec,k = 2100 MPa | 1500 | 1489 | 1478 | 1456 | 1395 | 1328 | 1253 | 1250 |
| RB 150F | 1171 | 1135 | 1098 | 1022 | 805 | 553 | 396 | 547 | |
| RB 200B | 1718 | 1678 | 1638 | 1555 | 1321 | 1015 | 284 | 1344 | |
| RB 200F | 1080 | 1021 | 958 | 823 | 440 | 280 | – | 513 | |
Závěr
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. Bez separační vrstvy dochází totiž k minimálnímu nárůstu vlhkosti v bednění stropu (dle experimentů o cca 1 %), který není z hlediska trvanlivosti a životnosti konstrukce podstatný. Aplikace fólie z důvodu zamezení šíření vlhkosti z čerstvé betonové směsi je vhodná pouze v odůvodněných případech, např. u rekonstrukcí historicky cenných stropních konstrukcí s malovaným záklopem nebo trámy, nebo v případě netěsnosti záklopu.
Použití separační vrstvy má výrazný vliv na modul prokluzu spoje, kdy byl při její aplikaci zjištěn pokles modulu prokluzu Kser ve většině případů vyšší než 50 % – hodnota tedy klesá o více než polovinu hodnoty Kser zjištěné u modelů pouze s bedněním. Znamená to, že spoje jsou více smykově namáhány a dochází pak také k jejich výraznější deformaci. Z hlediska statického spolupůsobení kompozitní dřevobetonové konstrukce je tento jev nevýhodný.
Aplikace separační vrstvy u rekonstrukcí dřevěných stropů formou spřažení s betonovou deskou je v praxi často diskutována. Z reálných zkušeností i dalších prováděných experimentů na Fakultě stavební VUT v Brně můžeme říci, že její použití z důvodu zamezení vnikání technologické vlhkosti od betonáže do dřeva je ve většině případů neopodstatněné, zejména má-li konstrukce možnost následně po betonáži vysychat. Nevýhody jsou zde i ze statického hlediska a použití separační fólie v daném konkrétním případě je proto potřeba důkladně zvážit. Experimenty využívaly pouze omezený počet modelů a spoje pomocí hřebíků – v současné době již existuje celá řada spojů typu dřevo-beton, které by mohly být z tohoto pohledu předmětem další analýzy.
Závěrem je potřeba dodat, že vhodnost aplikace betonu s využitím druhotných surovin u dřevobetonových konstrukcí byla na základě provedeného výzkumu potvrzena a využití tohoto materiálu ve stavebnictví můžeme doporučit, zejména s ohledem na ekologický záměr současné výstavby.
Poděkování
Příspěvek vznikl částečně za podpory výzkumného záměru MSM 0021630511 „Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí“.
Literatura
- [1]PEXOVÁ, J., NOVOTNÝ, M. Rozbor vlivu separační vrstvy u dřevobetonových konstrukcí. Sborník přednášek z odborného semináře se zahraniční účastí Dřevostavby 2011, 1. vyd., Volyně: VOŠ Volyně, 2011, s. 87–92, ISBN 978-80-86837-33-8.
The article is focused on the reconstruction of traditional timber joist ceilings with an additionally cast concrete slab. At Faculty of Civil Engineering in Brno conducted experimental work aimed at the analysis and behaviour of composite slab structures. Huge attention was put also on the separation of the concrete from the timber parts of the structure with the help of foils (separation layer) to prevent the movement of moisture from the concrete mixture to the timber elements. Therefore the increase in water content within the wood was also observed during the experimental part of the research together with the effects of the separating film to the characteristic of the coupled elements - coupling slip modulus K [N/mm].