Spriahnuté plechobetónové stropy

Oceľ a betón sa niektorými svojimi pevnostnými charakteristikami vzájomne doplňujú. Na využitie predností obidvoch materiálov sa preto navrhujú kombinované stavebné prvky z ocele a betónu. Tie sú navzájom spojené pomocou rôznych spojovacích prostriedkov, vďaka ktorým možno využiť oceľ na namáhanie v ťahu a zároveň betón na namáhanie v tlaku. Kombináciou betónu a ocele sa takisto zvyšuje odolnosť konštrukcie proti požiaru.

V oceľových konštrukciách doplnených betónom plní statickú funkciu najmä oceľová konštrukcia. Betón má skôr funkciu konštrukčnú.

Spriahnuté oceľobetónové konštrukcie

Spriahnuté oceľobetónové konštrukcie pozostávajú z oceľovej nosnej časti a betónovej (resp. železobetónovej) časti. Ako sme už spomenuli, tieto dve konštrukcie sú navzájom spojené. Pri realizácii si však treba uvedomiť, že v štádiu montáže pôsobí iba oceľová časť prierezu a spriahnutie začína fungovať až po dosiahnutí potrebnej pevnosti betónu.

Plechobetónová doska

Plechobetónová doska je monolitická železobetónová doska, ktorá pozostáva z profilovaného, za studena tvarovaného plechu, betónu a výstuže. Profilovaný plech môže tvoriť stratené debnenie železobetónovej dosky alebo je spolupôsobiacou časťou železobetónovej dosky.

Výhodou plechobetónových dosák je, že profilovaný plech prenáša tiaž čerstvej betónovej zmesi a montážne zaťaženie, a preto netreba vyhotovovať debnenie. Spolupôsobenie, ktoré vzniká súdržnosťou medzi plechom a betónom, sa zo statického hľadiska nemôže uplatniť, pretože ho ovplyvňuje veľa faktorov, ako napr. povrchová úprava (pozinkovanie), znečistenie a pod. Z tohto dôvodu sa so súdržnosťou pri prenose pozdĺžneho šmyku nepočíta a spriahnutie sa zabezpečuje (obr. 1):

• mechanickým spojením zaisteným tvarovaním plechu (jamky alebo výstupky);
• spojením pomocou trenia, používa sa pri plechoch so samozvieracím tvarom;
• koncovým kotvením privarenými tŕňmi alebo iným typom lokálneho kotvenia. Táto metóda sa môže použiť iba v kombinácii s predchádzajúcimi metódami;
• koncovým kotvením pomocou zdeformovania rebier na konci plechu.

Obr. 1 Typické spôsoby spriahnutia v plechobetónových doskách

Konštrukčné zásady

Plechobetónové dosky musia byť hrubé minimálne 80 mm, súčasne však hrúbka betónu nad vlnami plechu musí byť minimálne 40 mm. Ak je plechobetónová doska spriahnutá aj s nosníkom, musí byť jej celková hrúbka minimálne 90 mm a hrúbka betónu nad vlnami minimálne 50 mm.

V prípade, že sa v doske použije aj oceľová výstuž, musí sa umiestniť vo vrstve betónu nad vlnami plechu. Množstvo priečnej a pozdĺžnej výstuže v doske musí mať plochu aspoň 80 mm²/m. Vzdialenosť jednotlivých prútov výstuže nemá byť väčšia ako dvojnásobok hrúbky dosky alebo 350 mm, pričom rozhoduje prísnejšie kritérium.

Skladba betónovej zmesi závisí od spriahnutej konštrukcie. Dôležité je najmä zvoliť správnu veľkosť kameniva. Tá závisí od najmenšieho rozmeru konštrukčného prvku, do ktorého sa betónová zmes ukladá. Veľkosť kameniva nesmie presiahnuť najmenšiu z hodnôt 0,4 h_c, b₀/3 a 31,5 mm (obr. 2).

Obr. 2 Rozmery plechobetónovej dosky

Uloženie plechobetónovej dosky

Na zvislé nosné konštrukcie sa plechobetónová doska ukladá tak, aby v mieste uloženia nedošlo k jej porušeniu alebo zrúteniu v prípade náhodného posunutia plechu počas výstavby. Preto sa musia dodržiavať tieto minimálne hodnoty uloženia (obr. 3):

• uloženie na oceľ alebo betón

l_bc = 75 mm a l_bs = 50 mm;

• uloženie na iný materiál

l_bc = 100 mm a l_bs = 70 mm.

Obr. 3 Úložné dĺžky dosák

Návrh a posúdenie konštrukcie

Spriahnuté plechobetónové konštrukcie sa navrhujú na rôzne návrhové situácie a medzné stavy, aby počas svojho technického života mohli plniť svoju funkciu. Návrh plechobetónových dosiek musí počítať s týmito základnými návrhovými situáciami:

• profilovaný plech ako debnenie – na medzný stav únosnosti a medzný stav používateľnosti sa posúdi samotný oceľový plech s prípadnými dočasnými podporami, ktorý je zaťažený čerstvým betónom;
• plechobetónová spriahnutá doska – posúdi sa stav, keď začne pôsobiť spriahnutie a odstránia sa prípadné dočasné podpery.

Profilované plechy sa posudzujú ako tenkostenný profil triedy 4. Okrem vlastnej tiaže plechu a zaťaženia čerstvým betónom sa musí počítať s montážnym zaťažením 1,5 kN/m², pôsobiacim na ploche 3 × 3 m, a so zaťažením 0,75 kN/m² na ostatnej ploche. Zaťaženie sa umiestňuje v najnepriaznivejšej polohe.

Oceľový plech musí takisto preniesť zaťaženie vyvolané sústredeným bremenom, ktorého charakteristická hodnota je 1 kN a pôsobí na ploche 300 × 300 mm.

Veľmi dôležité je tiež posúdiť profilovaný plech na priehyb od zvýšeného zaťaženia (tzv. rybníkový efekt). Toto posúdenie sa vykoná, ak priehyb od čerstvého betónu δ je väčší ako 1/10 hrúbky plechobetónovej dosky. Počíta sa so zvýšeným zaťažením čerstvým betónom s hrúbkou 0,7δ po celom rozpätí dosky. Montážne zaťaženie sa pri výpočte priehybu neberie do úvahy. Profilový plech sa posúdi bežným spôsobom ako tenkostenný prierez podľa EN 1993-1-3.

Šmykové spojenie

Pozdĺžna šmyková sila, ktorá vzniká v mieste spojenia medzi oceľovou a betónovou časťou spriahnutého prierezu, sa musí preniesť šmykovým spojením. V súčasnosti sa na spriahnutie betónu s oceľovým plechom používajú spriahovacie tŕne, blokové zarážky, perforované pásy, zarážky, trecie vysokopevnostné skrutky, uholníkové spriahovacie prvky, kotvy a slučky.

Najčastejšie sa na spriahnutie používajú spriahovacie tŕne. Návrh dĺžky tŕňa však musí zohľadňovať skutočnosť, že po privarení sa jeho dĺžka skráti asi o 5 mm. Tŕne musia byť vyrobené z ocele s dostatočnou ťažnosťou a medza pevnosti nesmie prekročiť 500 MPa. Na Slovensku sa používajú najmä tŕne dovážané z Čiech, ktoré sa vyrábajú z ocele triedy 11 343 s medzou pevnosti f_u = 340 MPa a s medzou klzu f_y = 200 MPa.

Spriahovacie prvky by sa mali rozmiestniť podľa týchto zásad:

• maximálna pozdĺžna vzdialenosť spriahovacích prvkov by nemala prekročiť menšiu z hodnôt: šesťnásobok celkovej hrúbky dosky alebo 800 mm;
• minimálne vzdialenosti spriahovacích prvkov sú znázornené na obr. 4;
• vzdialenosť medzi okrajom pásnice oceľového nosníka a okrajom spriahovacieho tŕňa, ktorý je k pásnici privarený, musí byť väčšia ako 20 mm;
• vzdialenosť tŕňov v smere šmykovej sily by mala byť minimálne 5d, priečne na šmykovú silu 2,5d pri plných doskách a 4d v ostatných prípadoch (kde d je priemer tŕňa);
• priemer priváraného tŕňa nemá byť väčší ako 2,5-násobok hrúbky tej oceľovej časti, ku ktorej je priváraný. Výnimkou je prípad, ak je tŕň priváraný k pásnici priamo nad stenou.

Ak sa spriahovacie tŕne umiestňujú v doskách s rebrovými plechmi, privárajú sa zvyčajne cez plech alebo presahujúce plechy. Platí však, že plechy, cez ktoré sa tŕň privára, by nemali mať celkovú hrúbku väčšiu ako 1,5 mm a v prípade pozinkovaného plechu viac ako 1,25 mm.

Privarené tŕne by mali presahovať nad vlny rebrovaného plechu minimálne o 2d. Najmenšia šírka rebra, v ktorom má byť privarený tŕň, musí byť 50 mm. Odporúča sa, aby tŕne privárané k ťahanej pásnici, ktorá bude namáhaná na únavu, nemali priemer väčší ako 1,5-násobok hrúbky pásnice. Tŕne sa môžu zaťažiť až potom, ako betón dosiahne pevnosť 20 MPa. Aby nedošlo k poškodeniu plechobetónovej dosky alebo k jej rozštiepeniu, navrhuje sa v doske aj priečna výstuž. Tá prenáša účinky pozdĺžnej šmykovej sily. Plocha priečnej výstuže v doskách musí byť minimálne 0,2 % prierezovej plochy betónu. Výstuž by mala byť v doske rozmiestnená rovnomerne.

Pozdĺžnemu rozštiepeniu dosky od spriahovacích prvkov možno zabrániť dodržiavaním týchto podmienok:

• priečna výstuž by mala byť doplnená o výstužné prúty tvaru U otočené okolo spriahovacích prvkov,
• pri spriahovacích tŕňoch s hlavou musí byť vzdialenosť okraja betónovej pásnice od osi najbližšieho tŕňa menšia ako 6d a výstuž tvaru U nemá mať menší priemer ako 0,5d,
• výstuž tvaru U by mala byť umiestnená čo možno najnižšie tak, aby sa dodržalo dolné krytie betónom.

Spomínané zásady platia pre spriahnuté nosníky, ktorých vzdialenosť krajného radu spriahovacích prvkov od okraja dosky je menšia ako 300 mm. Podmienky treba dodržať aj pri nosníkoch, ktoré susedia s otvormi v doskách.

doc. Ing. Vincent Kvočák, PhD.
Obrázky: archív autora

Autor pracuje na Stavebnej fakulte Technickej univerzity v Košiciach a v Ústave inžinierskeho staviteľstva v Košiciach.

Literatúra:
(1) STN EN 1994 -1-1 Navrhovanie spriahnutých oceľobetónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby, 2005.
(2) Juhás, P., Kvočák, V.: Oceľové konštrukcie a mosty 2000. Zborník referátov. Košice 2000.
(3) Kozák, J., Gramblička, Š., Lapos, J.: Spriahnuté a kombinované oceľobetónové konštrukcie pozemných stavieb. JAGA GROUP, v. o. s., Bratislava 2000.
(4) Studnička, J.: Ocelobetonové konstrukce 20. Vydavatelství ČVUT, Praha 2002.
(5) STN EN 1992-1-1 Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby, 2006.