Dilatácie a škáry v konštrukciách vytvárajú slabé miesto. Ako im predchádzať

Dilatácie a škáry v konštrukciách najvýstižnejšie charakterizuje slovné spojenie „nutné zlo“. Navrhujú a realizujú sa preto, aby fyzikálne a mechanické danosti konkrétneho materiálu alebo konštrukcie s ohľadom na podmienky expozície a zaťaženia nespôsobili neželaný stav. Ich návrhu by sa mala venovať náležitá pozornosť, pretože zväčša predstavujú alebo vytvárajú slabé miesto konštrukcie.

Spôsob dilatácie závisí od typu konštrukcie a prevádzky, s ktorými súvisia aplikované zaťaženia, od spôsobu, respektíve technológie zhotovenia konštrukcie, ako aj od vlastností samotného materiálu (obr. 1).

Obvodové zvislé konštrukcie

Dilatačnými škárami sa kompenzujú pohyby dvoch alebo viacerých priľahlých konštrukcií. V praxi sa možno stretnúť s konštrukčnými a objektovými dilatačnými škárami. Zatiaľ, čo konštrukčné dilatačné škáry umožňujú voľný pohyb len priľahlých (susedných) konštrukcií, objektové dilatačné škáry prechádzajú celou výškou objektu a delia ho na dilatačné celky.

Objektové dilatačné škáry sa navrhujú najčastejšie na eliminovanie účinkov nerovnomerného sadania stavby alebo ako konštrukčné dilatačné škáry. V konštrukcii dochádza k rôznym objemovým zmenám. Ide o zmeny vonkajších rozmerov (dĺžkové zmeny). Ak teda konštrukcia má charakteristický plošný alebo líniový tvar, je zrejmé, že v smere hlavných rozmerov bude dochádzať k najväčším absolútnym dĺžkovým zmenám.

Aby sa do konštrukcie nevnášalo vynútené napätie, ktoré by sa mohlo prejaviť vznikom trhlín (lokálny ťah) alebo drvením (lokálny tlak), treba prostredníctvom dilatačnej škáry v týchto smeroch umožniť jej voľnú dĺžkovú rozťažnosť.

Návrh dilatačných škár

Pri návrhu dilatačných škár kompenzujúcich objemové zmeny materiálu konštrukcie je nutné poznať materiálové charakteristiky, mechanické vlastnosti, rozsah zaťaženia pôsobiacimi činiteľmi (teplotný a vlhkostný gradient) a technológiu zhotovenia konštrukcie. Pod technológiou zhotovenia sa rozumie, či konštrukcia bude monolitická alebo nejakým spôsobom skladaná z menších prvkov.

Skladané (napríklad murované) konštrukcie sú dilatované prakticky v každej styčnej škáre a umožňujú objemové zmeny individuálne každého skladobného (murovacieho) prvku. Celkový rozmer dilatačného poľa konštrukcie možno potom zväčšiť a naopak, rozmery dilatačnej škáry zmenšiť.

Pri návrhu dilatačnej škáry kompenzujúcej teplotné objemové zmeny je nevyhnutné zohľadniť aj návrhovú teplotu realizácie. Je rozdiel, či sa dilatačná škára napríklad s hrúbkou 5 mm zhotovuje pri teplote okolo 0 °C alebo pri teplote napríklad 30 °C. V prvom prípade sa v letnom období môže stať, že dilatačná škára sa úplne uzavrie a nebude fungovať. V druhom prípade sa môže stať, že v zimnom období pri teplote napríklad –10 °C sa škára príliš otvorí.

Kompenzáciu objemových zmien vyvolaných zmenou vlhkosti materiálu treba realizovať hlavne pri pórobetónových konštrukciách. Vlhkostný súčiniteľ dĺžkovej rozťažnosti αW sa pohybuje v intervale 0,7 . 10-5 – 1,1 . 10-5 [1]. Dilatačné škáry kompenzujúce vlhkostné objemové zmeny sa zvyčajne stotožňujú s dilatačnými škárami teplotnej rozťažnosti.

Zmena vlhkosti materiálu môže byť významnejšia až pri veľkoformátových prvkoch pórobetónových obvodových plášťov, ktoré sú oddilatované v každej styčnej škáre. Vo všeobecnosti sa účinky vlhkostných dĺžkových zmien zanedbávajú [2].

Horizontálne konštrukcie

Pojmom dilatačná škára sa označuje aj takzvaná obvodová kompenzačná škára horizontálnych konštrukcií (napríklad podlahy). Zhotovuje sa z dôvodu kompenzácie objemových zmien horizontálnej konštrukcie z dôvodu teplotnej rozťažnosti.

Význam správneho návrhu a zhotovenia nielen obvodovej dilatačnej škáry, ale aj škár v ploche konštrukcie významne narastá s predpokladanou teplotou prevádzky. Pod teplotou prevádzky sa chápe napríklad prítomnosť podlahového vykurovania a jeho parametre. Teplota prevádzky môže výrazne ovplyvniť potrebu dilatačných škár aj vtedy, keď v podlahe nie je zabudované podlahové kúrenie.

Príkladom môže byť podlaha v hale hutníckej výroby, kde sa tesne nad povrchom podlahy nachádzajú zdroje silného tepelného žiarenia (takzvané ingoty). Oddelenie zdroja vibrácií od horizontálnej konštrukcie, a teda eliminovanie prenosu vibrácií do konštrukcie, sa dosiahne realizáciou obvodovej dilatačnej škáry a jej vyplnením vhodným materiálom.

Kontrakčné škáry

Kontrakčné škáry sa navrhujú a zhotovujú na eliminovanie prejavov reologických objemových zmien materiálov na báze hydraulických spojív (betón, cementové kompozity). V týchto materiáloch dochádza súbežne s prebiehajúcou hydratáciou k objemovým zmenám na úrovni mikro- aj makroštruktúry, známym pod súhrnným názvom zmrašťovanie.

Tento všeobecný pojem zahŕňa viacero mechanizmov zmrašťovania, ktoré sa líšia obdobím výskytu a z hľadiska veku betónu aj účinkom na výslednú merateľnú objemovú (dĺžkovú) zmenu. Prejavy sa eliminujú dvomi spôsobmi. Technológiou zhotovenia a časom, keď sa majú aplikovať. Kontrakčné škáry sú špecifické aj tým, že sa realizujú prevažne na horizontálnych konštrukciách.

Kontrakčné škáry sa realizujú podľa príslušnej projektovej dokumentácie. Parametre a rozmiestnenie sa definujú výkresom (takzvaným škárorezom) spracovaným na základe výpočtov zohľadňujúcich zloženie betónu, súčiniteľ teplotnej rozťažnosti, spôsob a hustotu vystuženia, koeficient trenia podkladu a okrajové podmienky betonáže a ošetrovania. Vo všeobecnosti možno vychádzať z týchto zásad:

1. betón s nižšou absolútnou hodnotou zmraštenia vyžaduje menej kontrakčných škár alebo rovnaké množstvo s menšou šírkou,
2. s rastúcim stupňom vystuženia betónu klesá hustota kontrakčných škár alebo ich šírka,
3. s rastúcim koeficientom trenia podkladu rastie potrebná hustota kontrakčných škár a klesá ich potrebná šírka,
4. obdobne (pri konštantnom koeficiente trenia podkladu) pôsobí aj premenlivá hrúbka betónovej konštrukcie – s rastúcou hrúbkou klesá potrebná hustota kontrakčných škár,
5. s rastúcou teplotou počas betonáže alebo ošetrovania klesá potrebná šírka škár pri určitej hustote škár.

Hustota, respektíve vzdialenosť kontrakčných škár sa zvyčajne udáva v násobkoch hrúbky dosky.

Realizácia kontrakčných škár

Kontrakčné škáry možno vytvárať vopred alebo dodatočne. Ak sa kontrakčné škáry vytvárajú vopred, musí sa pred betonážou požadovaná plocha rozdeliť (debnením) na jednotlivé úseky betonáže. Tieto úseky sa následne betónujú vo dvoch etapách. Rozdelenie sa realizuje šachovnicovým spôsobom.

Ak by sa po prvej etape debnenie odstránilo a v rámci druhej etapy by sa zabetónovala celá zvyšná plocha, mohli by sa tým obmedziť prejavy zmrašťovania približne o polovicu (v závislosti od oddialenia začiatku druhej etapy betonáže).

Ak sa debnenie neodstráni aj počas druhej etapy betonáže, výsledkom sú dokonale oddelené kryhy betónovej dosky (závisí to od návrhu spojovacej výstuže). Výhodou tejto metódy je aj fakt, že pri správnom návrhu veľkosti kontrakčných polí nevznikajú kontrakčné zmrašťovacie trhliny, netreba vytvárať dodatočné (časovo náročné) kontrakčné škáry a debnenie sa môže využiť na úpravu povrchu konštrukcie (obr. 2).

Druhý spôsob reprezentuje metóda dodatočného vytvárania rezaných kontrakčných škár. Pri tejto technológii sa vytvárajú lokálne oslabené miesta v konštrukcii predurčené k vzniku kontrakčnej zmrašťovacej trhliny práve v nich. Rezané kontrakčné škáry sa zhotovujú rezaním mladého betónu diamantovým kotúčom chladeným vodou.

Rez sa podľa výkresu musí vykonať v optimálnom čase zrejúceho betónu. Presné určenie tohto času je náročné a závisí od zloženia betónu a konkrétnych podmienok na stavenisku. V princípe by však konštrukcia mala byť pochôdzna a rezy by sa mali vykonať pred prudkým poklesom intenzity hydratácie, ktorý znamená synergický efekt zmrašťovania a teplotnej kontrakcie konštrukcie v dôsledku jej chladnutia. V odbornej literatúre sa uvádza približný čas asi 10 hodín.

Všeobecné zásady

Pre zhotovenie rezanej kontrakčnej škáry platia aj iné všeobecné zásady. Šírka škáry je determinovaná hrúbkou rezacieho kotúča (maximálne 4 mm). Hrany musia byť priame. Minimálna požadovaná hĺbka rezu škáry sa volí ako väčšia z hodnôt buď 70 mm alebo 1/3 hrúbky konštrukcie (obr. 4a).

Pri zhotovení škáry takýchto rozmerov sa prierez konštrukcie považuje za dostatočne oslabený na to, aby sa kontrakčná trhlina v konštrukcii vytvorila od dna škáry smerom nadol. Táto metóda má ďalšie svoje úskalia. Škára sa musí po rezaní dôsledne vypláchnuť od zvyškov kalu vznikajúceho počas rezania, pretože obsiahnutý cement by v škáre mohol pokračovať v hydratácii a lokálne tak škáru vyplniť.

Toto miesto by v budúcnosti mohlo byť zdrojom porúch drvenia betónu. Pre návrh a zhotovenie kontrakčných škár platia aj určité zaužívané, empiricky stanovené zásady. Venujú sa pomerom strán kontrakčných celkov a uhlov zovretých kontrakčnými škárami vo vystužených a nevystužených betónových doskách (obr. 3).

Obr. 3 Zásady delenia plôch kontrakčnými škárami [3]

Zrealizované škáry treba chrániť proti vnikaniu vody (obr. 4d), a to výplňovým materiálom. Vzhľadom na to, že škáry majú umožňovať voľný pohyb priľahlých konštrukcií, musia byť vyplnené pružným materiálom s veľmi nízkym modulom pružnosti. V závislosti od agresívnosti prostredia a prípadnej expozície UV žiareniu sa na výplňový materiál kladú požiadavky na trvanlivosť, spôsob údržby a intervaly obnovy.

Podľa intenzity dopravného zaťaženia je vhodné upraviť aj hrany škár, a to zošikmením. Takýmto spôsobom sa zníži lokálne šmykové napätie a obmedzí sa odlamovanie hrán (obr. 4c). Zošikmením možno docieliť aj plynulejší prechod dopravných prostriedkov z jedného kontrakčného celku na druhý (obr. 4b).

Obr. 4 Úprava a výplň rezanej škáry
_{a – úprava zbrúsením hrán, b – pokles platní pri zaťažení a vytvorenie nábehu, c – zníženie šmykového zaťaženia hrany, d – zásady vypĺňania škár}

Pracovné škáry

Pracovná škára je umelo a zámerne vytvorená diskontinuita v betónovej konštrukcii na prerušenie betonáže z akýchkoľvek dôvodov alebo na rozdelenie konštrukcie na útvary realizovateľné zvolenou technológiou.

Typickým príkladom pracovnej škáry je napojenie stien na horizontálne nosné konštrukcie alebo potreba prerušenia betonáže rozmernej konštrukcie (zvislej respektíve šikmej alebo vodorovnej). Treba poznamenať, že každé prerušenie betonáže, a teda každá pracovná škára so sebou nesie riziko vzniku porúch v budúcnosti.

Ak sa má týmto poruchám predísť, vyžaduje si to značné finančné náklady na precízne zhotovenie tohto významného a technologicky náročného detailu. Prevláda preto snaha o minimalizovanie množstva alebo dĺžky pracovných škár v akejkoľvek konštrukcii. Pracovné škáry treba zhotovovať podľa všeobecne platných zásad:

1. zlúčiť s dilatačnou škárou objektu (ak dôjde k zlúčeniu, jej šírka sa má prispôsobiť šírke dilatačnej škáry objektu),
2. zlúčiť s niektorou z kontrakčných škár (vzdialenosť pracovných škár by mala byť celočíselným násobkom veľkosti jedného poľa v smere kolmom na pracovnú škáru),
3. situovať do miesta s najmenším namáhaním,
4. v prípade horizontálnej konštrukcie, orientovať v smere predpokladanej premávky,
5. orientovať kolmo na smer uloženia hlavnej výstuže,
6. overiť správnosť zhotovenia a očistenia pred betonážou.

Základnou zásadou je, že konštrukcia na mieste pracovnej škáry musí mať aspoň také funkčné vlastnosti ako vo zvyšnej ploche alebo lepšie. To znamená že, ak má konštrukcia plniť napríklad hydroizolačnú funkciu, tak v mieste pracovnej škáry nesmie byť hydroizolačná schopnosť konštrukcie znížená.

Na zabezpečenie vodotesnosti sa pracovné škáry štandardne upravujú pridávaním bentonitových expanzných pásov alebo injektážnymi hadičkami. Pomocou nich sa dodatočne injektujú materiálom, ktorý v styku s vodou kryštalizuje, a vypĺňa (utesňuje) tak betón v okolí pracovných škár.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z hľadiska trvanlivosti a náročnosti správneho návrhu a zhotovenia sa ako problematické javia pracovné škáry v horizontálnych konštrukciách, často vystavených intenzívnemu dopravnému zaťaženiu.

Prvý typ pracovných škár

V zásade existujú tri funkčne odlišné typy pracovných škár. Prvým typom je idealizovane dokonalé spriahnutie dvoch susedných konštrukcií v pracovnej škáre. Spriahnutie v pracovnej škáre zabraňuje vzájomnému pohybu susedných konštrukcií v troch smeroch.

Uvedeným príkladom môže byť už viackrát spomínaný spoj horizontálnej konštrukcie a vertikálnej konštrukcie. Rovnako však možno spriahnutú pracovnú škáru zhotoviť aj čisto v horizontálnej konštrukcii. Spriahnutá pracovná škára musí byť dostatočne vystužená na prenos najmä ťahového a šmykového napätia.

Realizovať dokonale spriahnutú pracovnú škáru (v horizontálnej konštrukcii) je problematické a s rastúcim aplikovaným dynamickým zaťažením sa bez dodatočných špeciálnych úprav stáva prakticky nemožné. Pod špeciálnymi úpravami možno chápať také vystuženie pracovnej škáry, ktoré prenáša zaťaženie cez pracovnú škáru a chráni úzku oblasť betónu proti drveniu (obr. 5), keďže v tejto oblasti sa stýka betón prinajmenšom rôzneho veku.

Druhý typ pracovných škár

Druhý typ pracovnej škáry možno charakterizovať ako voľný. Pod pojmom „voľný“ sa rozumie nulová interakcia medzi jednotlivými susednými časťami konštrukcie, ktoré sa tak môžu voľne pohybovať v troch smeroch.

Voľná pracovná škára je opäť len idealizovane voľná a v reálnych podmienkach ju nemožno zhotoviť už len preto, že výplň (vložka) zabezpečuje čiastočné spolupôsobenie. Voľná pracovná škára sa realizuje ako tupý zraz dvoch susedných konštrukcií a obvykle sa strategicky navrhuje na mieste objektovej dilatácie alebo kontrakčnej škáry, pričom sa s ňou aj funkčne stotožňuje.

Tretí typ pracovných škár

Tretím a zároveň posledným typom pracovnej škáry je polotuhá škára. Umožňuje čiastočne vzájomný pohyb stýkajúcich sa konštrukcií. Smer a rozsah voľného pohybu sú determinované tvarovaním styčnej plochy a prípadným vystužením prechádzajúcim pracovnou škárou.

Polotuhé pracovné škáry sa navrhujú a realizujú na miestach, kde sa pod predmetnou konštrukciou plánuje pružný, plastický podklad a/alebo treba rátať s vysokým teplotným namáhaním konštrukcie. Možno konštatovať, že polotuhé pracovné škáry je najvhodnejšie využívať v horizontálnych konštrukciách s intenzívnym a/alebo vysokým dopravným zaťažením, ktoré môžu navyše vykazovať rozmerové zmeny v dôsledku teplotnej rozťažnosti.

Reprezentantom polotuhých škár je škára s profilovaním na ozub (obr. 6). Náležite upravený a vystužený ozub zabezpečuje spolupôsobenie okrajov dvoch susedných dosiek a pri prejazde mechanizmov plynulo prenáša zaťaženie na obe dosky, čím znižuje ich celkovú deformáciu.

Obr. 6 Tvarovanie pracovnej škáry na ozub bez náležitej úpravy	Obr. 7 Odlomený ozub v pracovnej škáre

Problém nastáva pri podcenení dôležitosti návrhu ozubu a jeho neodbornom zhotovení. Akýkoľvek nedostatok v tomto konštrukčnom riešení sa relatívne rýchlo prejaví odlomením ozubu a znefunkčnením polotuhej pracovnej škáry (obr. 7).

Ďalším spôsobom, ako zabezpečiť čiastočné spolupôsobenie susedných dosiek, je realizovanie pracovnej škáry prechádzajúcej klznou výstužou. Princíp klznej výstuže spočíva vo vystužení pracovnej škáry (obvykle tupý zraz) pomocou špeciálnych stavebných výrobkov, ktoré sa na jednej strane škáry pevne zabetónujú do dosky.

Na druhej strane sa pred betonážou dosky na výstužný prút alebo iný prvok vloží (navlečie) ochranné puzdro, ktoré neskôr zabezpečí voľný klzný pohyb susedných dosiek. Pri tomto spôsobe treba dbať na vzájomnú rovnobežnosť výstužných prvkov, ich kolmosť na pracovnú škáru, ale aj na kontrolu zabudovania puzdier (obr. 8).

Nevhodné zabudovanie klznej výstuže sa prejavuje trhlinami v betóne rovnobežnými so smerom pracovnej škáry v približnej vzdialenosti koncov tejto výstuže (± hrúbka dosky) v závislosti od koeficientu trenia s podkladom. Na princípe klznej výstuže fungujú aj iné podobné systémy (obr. 9, 10).

Obr. 8 Absolútne nevhodne pripravená klzná výstuž	Obr. 10 Správne pripravená polotuhá pracovná škára [6]

Obr. 9 Úprava pracovnej škáry spojmi alpha joint; omega joint; delta joint [6]

Záver

S problémami, chybami až poruchami dilatácií a škár sa v stavebnej praxi možno stretnúť prakticky denne. Hlavný problém je zrejme v podceňovaní významu dilatácií a škár ako takých. I keď sa v projektovej dokumentácii vyskytnú zmienky o dilatáciách alebo škárach, často nie sú podložené výpočtom a len zriedka úplne rešpektujú navrhovanú prevádzku stavby alebo jej objektu.

Ak sa náhodou aj objaví projektová dokumentácia so správne vyriešenými dilatáciami a škárami, ďalším problémom sa stáva ľudský faktor. V dôsledku prehnaného sebapreceňovania a odvolávania sa na dlhoročnú prax má zhotoviteľ tendenciu svojvoľne „vylepšiť“ navrhnuté riešenie.

Bez odbornej kontroly, priam až supervízie zameranej na konkrétne špecializované procesy, takéto konanie vedie spravidla k chybám či poruchám dotknutých konštrukcií.

Ing. Peter Briatka je absolventom Stavebnej fakulty STU v Bratislave, kde pôsobí ako doktorand. Zároveň je aj výskumným pracovníkom TSÚS, n. o., v Bratislave.

Recenzoval doc. Ing. Peter Makýš, PhD., ktorý pôsobí na Katedre technológie stavieb STU Stavebnej fakulte v Bratislave.

Literatúra

1. Sternová, Z., Briatka, P., Horečný, R.: Technické a technologické podmienky obnovy obvodových plášťov na báze pórobetónu, 08/2010/1010088-Z/VaV-E 01, TSÚS, Bratislava, 2010, str. 38.
2. RILEM, Technical Committees 78-MCA and 51-ALC: Autoclaved Aerated Concrete – Properties Testing and Design, E&FN Spon, London, 1993.
3. Briatka, P.: Optimalizácia technológie realizácie priemyselných podláh, Dizertačné minimum, STU, Bratislava, 2009, s. 200.
4. Wylie, K.: Cold-Weather Concreting, MNRMCAA meeting in Albuquerque, November, 2007.
5. Carlswärd, J.: Shrinkage cracking of steel fibre reinforced self compacting concrete overlays, Luleå University of Technology, 2006.
6. Arnold, R. M.: Floor joint armouring and load transfer for industrial floors – the European floor market, 6th International colloquium Industrial floors ´07, held in Stuttgart, 2007.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.