Predpäté stropy

Modul osovej vzdialenosti stĺpových alebo stenových podpier bežných železobetónových stropov bez použitia predpätia dosahuje v budovách najviac 7,2 až 8,4 m v závislosti od intenzity zvislého zaťaženia. Pri väčších modulových vzdialenostiach musia mať stropné konštrukcie značnú hrúbku stropných dosák, ako i podperných trámov a prievlakov.

Takéto konštrukcie majú veľkú tiaž, čo si pri viacpodlažných budovách vyžaduje navrhovať veľké prierezy stĺpových alebo stenových podpier. V kontakte s podložím je nutné použiť značne namáhané mohutné základové konštrukcie. Zväčšenie rozpätia betónových stropov možno dosiahnuť zavedením predpätia do prvkov stropnej konštrukcie.

Predpätý betón
Predpätý betón predstavuje technológiu výroby, pri ktorej sa mechanicky napätou (natiahnutou) výstužou vnesie do betónového prvku tlakové napätie nezávislé od vonkajšieho zaťaženia. Toto tlakové napätie úplne alebo podstatne zmenší v betónovom prvku nepriaznivé ťahové napätie vyvolané vonkajším zaťažením. Nositeľom predpätia je pružná deformácia predpínacej výstuže, t. j. možnosť natiahnuť ju pred použitím natoľko, aby svojimi pružnými vratnými deformáciami namáhala betónový prvok tlakom (v samotnej výstuži je ťah, výstuž spolupôsobí s prvkom a stláča ho).

Výhody predpätého betónu v porovnaní s betónovou konštrukciou bez predpätia sú tieto:

• predpätý prvok bez trhlín (alebo s obmedzenými trhlinami) má vyššiu životnosť z dôvodu vyššej ochrany výstuže pred koróziou,
• betónové prierezy predpätého prvku sú úplne alebo čiastočne tlačené. Dôsledkom je vyššia únosnosť predpätých prvkov pri účinkoch vonkajšieho zaťaženia. S tým súvisí možnosť návrhu menších betónových prierezov na dosiahnutie štíhlejších prvkov nosnej konštrukcie,
• prierezy ohýbaných predpätých prvkov majú až 5-krát väčšiu ohybovú tuhosť (EJ) v porovnaní s prvkami bez predpätia. Toto má významný vplyv na menší priehyb predpätých prvkov a tak vzniká možnosť ich použitia pre väčšie rozpätie stropnej konštrukcie.

Čiastočné nevýhody predpätého betónu v porovnaní so železobetónovou konštrukciou bez predpätia sú:

• pre predpätý betón je nutné používať zvlášť upravovanú vysokopevnostnú výstuž (v našich podmienkach laná spletané z patentovaných drôtov),
• na predpínanie je vhodné používať iba kvalitný betón (aspoň triedy C30/37 a vyššej). Výroba kvalitného betónu je náročná z hľadiska dôsledného dodržiavania technologických postupov pri výrobe, doprave, ukladaní betónovej zmesi do debnenia a ošetrovaní čerstvého betónu. Súčasťou výroby kvalitného betónu je dôsledná kontrola kvality prác pri zhotovovaní betónovej konštrukcie na stavbe,
• na predpínanie výstuže sa používajú špeciálne hydraulické predpínacie zariadenia, ktorých ekonomická i technologická náročnosť je úmerná požiadavkám na veľkosť vyvodzovaných predpínacích síl. Tieto predpínacie zariadenia môžu obsluhovať len osobitne vyškolení pracovníci,
• vnesenie dodatočného predpätia do betónového prvku sa realizuje pomocou špeciálnych kotiev. Dodávka týchto kotiev z vysokopevnostnej ocele je ekonomicky náročná.

Opísané nevýhody predpätého betónu treba chápať ako nutnosť ich prekonať. Určité nosné konštrukcie by pri daných technických parametroch nemohli bez predpätia vôbec existovať (mosty, veľkorozponové strešné a stropné konštrukcie, kruhové nádrže väčších výšok a priemerov a podobne). Vzhľadom na náročné materiálové i technologické požiadavky pri výrobe predpätých konštrukcií sú ich cenové relácie podstatne vyššie ako pri výrobe nepredpätých železobetónových konštrukcií. Znamená to, že v stavebnej praxi sa predpäté konštrukcie navrhujú iba v tých prípadoch, ak vyžadované technické parametre náročnej nosnej konštrukcie nemožno dosiahnuť s použitím železobetónu bez predpätia (napríklad ak sa vyžaduje veľké rozpätie a značné zaťaženie stropnej konštrukcie).

Spôsoby vnesenia predpätia do betónu
Technológia výroby predpätých prvkov na použitie v pozemných stavbách sa môže realizovať dvoma spôsobmi.

Vopred predpäté prvky
Prvky vopred predpäté sa vyrábajú vo výrobniach a dodávajú sa ako hotové prefabrikáty požadovaných dĺžok. Vopred predopnutá výstuž umiestnená v mimoriadne tuhom špe­ciál­nom debnení dĺžky až 100 m sa dodatočne zabetónuje s použitím rýchlotuhnúceho cementu. Tento technologický postup umožňuje vytvárať iba priame predpínacie jednotky, ktoré sú po statickej stránke vhodné len na predpínanie prostých nosníkov. Ako výstuž sa na vnesenie predpätia používajú predpínacie laná bezprostredne spojené s betónom súdržnosťou (nechránené laná).

Takéto predpínacie jednotky sú mimoriadne citlivé na koróziu a je ich nutné dôsledne chrániť krycou vrstvou betónu, ktorá nesmie byť porušená trvale otvorenými trhlinami. Preto sa táto technológia výroby aplikuje iba pri plne predpätých prvkoch (neporušených trhlinami). Betonárska výstuž v prvkoch bez trhlín sa nemôže využiť, používa sa iba ako doplnková výstuž.

Technológia vopred predpätého betónu je typická pre pozemné stavby. Ešte v nedávnej minulosti to bola jediná technológia predpätého betónu používaná v oblasti pozemných stavieb. Typickými predstaviteľmi sú i v súčasnosti v značnom rozsahu používané rebrové panely prierezov tvaru TT a dutinové panely typu Spiroll a Partek (obr. 1).

Obr. 1 Vopred predpäté prvky používané v pozemných stavbách

Dodatočne predpäté prvky
Pri výrobe dodatočne predpätých prvkov sa vopred vybetónované prvky s vloženou betonárskou a predpínacou výstužou po nadobudnutí požadovanej pevnosti betónu dodatočne predpínajú. Dodatočne predpäté prvky sa realizujú buď ako monolitické, alebo ako prefabrikované. Ich tvar sa zabezpečuje bežne používanými ľahkými debneniami (podobne ako v železobetóne bez predpätia). Na vnesenie predpätia sa v súčasnosti používajú nesúdržné chránené predpínacie jednotky. Sú to predpínacie laná chránené na povrchu pred koróziou plastovým puzdrom z polyetylénu (často sú označované ako laná typu Monostrand).

Ochranné plastové puzdrá lán zamedzujú ich súdržné spojenie s betónom (obr. 2). Nenapnuté predpínacie jednotky môžu byť priame alebo vhodne priestorovo tvarované. Umožňujú tak výhodne predpínať i spojité stropné konštrukcie (prievlaky, trámy rebrá i samotné dosky). Laná sa spolu s ostatnou betonárskou výstužou vkladajú do debnenia predpätého prvku pred jeho vybetónovaním. Po nadobudnutí požadovanej pevnosti betónu sa predpínacia výstuž napína a zakotví špeciálnymi kotvami v miestach ukončenia predpínacích jednotiek v čelách predpínaného prvku.

Obr. 2 Prierez sedemdrôtového bezsúdržného lana φLS 15,5 mm

Na zníženie počtu trhlín s malou prípustnou šírkou wmax treba predpäté prvky s lanami bez súdržnosti vystužovať ako pozdĺžnou, tak i priečnou výstužou podľa konštrukčných zásad pre nosné železobetónové prvky. Táto betonárska výstuž sa zúčastňuje na únosnosti čiastočne predpätého prvku veľmi významným spôsobom (toto je rozdiel oproti vopred predpätým prvkom bez trhlín). Do debnenia predpätého prvku sa ukladá najprv betonárska výstuž, o ktorú sa pripevňujú nenapnuté predpínacie laná s vyžadovanou pozdĺžnou geometriou.

Bezsúdržný lanobetón
Opisovaná technológia výroby sa môže výhodne aplikovať ako pri čiastočne predpätých prvkoch (napríklad veľkorozponové monolitické stropné konštrukcie pozemných stavieb), tak i pri plne predpätých prvkoch bez trhlín (táto požiadavka obyčajne závisí od účelu stavebnej konštrukcie, napríklad vodo- a plynonepriepustné nádrže, obalové konštrukcie jadrových elektrární a podobne). Názov takéhoto predpätého betónu je bezsúdržný lanobetón. Táto moderná predpínacia technológia má všeobecné uplatnenie v mostných, inžinierskych (napríklad predpínanie kruhových nádrží) i pozemných stavbách (čiastočné predpínanie monolitických stropných a základových dosiek a spojitých nosníkov veľkých rozpätí).

Návrh rozmerov prierezu predpätých stropných konštrukcií
Vo všeobecnosti predpäté nosníkové prvky (prievlaky, rebrá podľa obr. 4d a 4e) majú menšiu statickú výšku (1/15 až 1/30 rozpätia) ako železobetónové prvky bez predpätia (1/10 až 1/20 rozpätia). Šírka prierezov nosníkových prvkov sa navrhuje väčšia ako v podobných prvkoch bez predpätia. Má byť aspoň 80 mm, v prvkoch s veľkým rozpätím najmenej 1/200 rozpätia. V opačnom prípade treba riešiť priečne stuženie prvku proti vybočeniu.

Technológia dodatočného predpínania stropných monolitických konštrukcií lanami bez súdržnosti umožňuje výhodne vytvárať čiastočne predpäté monolitické stropné doskové systémy s väčšími rozpätiami a zaťaženiami pri menších hrúbkach dosiek ako pri použití nepredpätých železobetónových konštrukcií. Ako príklad možno uviesť graficky spracované vzťahy medzi hrúbkou h a rozpätím l bezprievlakovej dosky v predpätom a nepredpätom variante (obr. 3).

Obr. 3 Závislosť medzi hrúbkou h bezprievlakovej dosky a jej rozpätím l, typy dosiek a, b podľa obr. 4

Predpínanie stropných konštrukcií pozemných stavieb je mimoriadne efektívne zo statického i výrobného hľadiska. Procesy zhotovovania predpätého stropu sa nelíšia zásadne od procesov zhotovovania stropu bez predpätia. Po uložení betonárskej výstuže sa do bežného debnenia stropnej konštrukcie vkladajú chránené nepredpäté laná bez súdržnosti s betónom (obr. 2). Po zabetónovaní stropu, keď betón nadobudne predpísanú pevnosť, sa stropná konštrukcia postupne predpína. Na obr. 4 sú znázornené rôzne predpäté stropné systémy so závislosťou hrúbky stropu h od osového rozpätia stĺpových podpier l podľa tab. 1. V tabuľke sú zároveň uvedené najväčšie možné osové rozpätia stĺpových podpier lmax.

Použitie dodatočne predpätého betónu na vytvorenie rôznych monolitických stropných konštrukcií má mnoho výhod oproti použitiu monolitického železobetónu bez predpätia:

• schopnosť preniesť väčšie zaťaženia pri nižšej celkovej výške stropnej konštrukcie,
• menší priehyb stropu umožňuje dosahovať subtílnejšie prierezy podperných stropných prvkov (výška hlavíc, prievlakov rebier) pri väčších osových vzdialenostiach stĺpových a stenových podpier,
• čiastočne predpätá monolitická konštrukcia má podstatne menšie trhliny ako konštrukcia bez predpätia, dôsledkom je väčšia životnosť stropnej konštrukcie,
• v čiastočne predpätej monolitickej konštrukcii možno na dosiahnutie návrhovej únosnosti účinne kombinovať použitie betonárskej i predpínacej výstuže,
• možnosť využitia kvalitného betónu a predpínacích výstuží umožňuje vytvárať monolitickú stropnú konštrukciu s menšou vlastnou tiažou.

Predpäté viacpoľové stropné konštrukcie s lanami bez súdržnosti
Spojitosť zvyšuje odolnosť stropnej betónovej konštrukcie proti strate jej únosnosti pri pôsobení mimoriadneho krátkodobého preťaženia (napríklad od výbuchu alebo zemetrasenia), ale čiastočne i v dôsledku dlhodobého preťaženia. Je to dané možnosťou uplatnenia redistribúcie vnútorných síl.

Na praktické použitie staticky neurčitých konštrukcií v porovnaní s bežne dostupnými železobetónovými konštrukciami netreba žiadny špeciálne upravený statický výpočet, pretože bežne používanými metódami statického výpočtu vnútorných síl (založené na teórii pružnosti) sa získavajú výsledky bližšie skutočnosti.
Umiestnenie predpínacej výstuže bez súdržnosti a jej doplnenie betonárskou výstužou sa môže realizovať v niekoľkých variantoch podľa typu doskovej konštrukcie (obr. 5). Na doske nosnej v jednom alebo vo dvoch smeroch sa predpínacie laná umiestňujú v poli v jednom alebo oboch smeroch. Betonárska výstuž v prípade čiastočne predpätých doskových konštrukcií preberá vždy časť prierezových síl od zvislého zaťaženia.

Tab. 1 Pomer hrúbky h k väčšiemu rozpätiu l predpätej stropnej dosky podľa obr. 4

Dosky nosné v jednom smere
Pre dosky nosné v jednom smere, podopreté prievlakmi, možno predpínaciu výstuž navrhnúť dvoma spôsobmi:

• parabolické predpínacie laná bez súdržnosti sú umiestnené v prievlakoch v jednom smere. V druhom smere, v samotnej doske, je prenos zaťaženia zabezpečený betonárskou výstužou. Ide v podstate o predpínanie prievlakov a bežné navrhovanie samotných železobetónových nepredpätých dosiek (obr. 5a),
• parabolické predpínacie laná bez súdržnosti sú umiestnené v prievlakoch v jednom smere a zároveň sú priame laná pravidelne umiestnené v samotnej doske v druhom smere. Ide v podstate o predpínanie prievlakov i dosiek (obr. 5b).

Dosky nosné vo dvoch smeroch
Pre dosky nosné vo dvoch smeroch, podopreté prievlakmi, možno predpínaciu výstuž navrhnúť tiež dvoma spôsobmi:

• parabolické predpínacie laná sú umiestnené v prievlakoch v oboch smeroch a prenos zaťaženia z dosky vo vnútri poľa je zabezpečený betonárskou výstužou. Ide o predpínanie prievlakov a bežné navrhovanie samotných železobetónových nepredpätých dosiek nosných v dvoch smeroch (obr. 5c),
• parabolické predpínacie laná sú umiestnené v prievlakoch v oboch smeroch a priame predpínacie laná sú rovnomerne rozložené na doske v oboch smeroch. Ide v podstate o predpínanie prievlakov i dosiek (obr. 5d).

Prievlaky podopierajúce dosky sa navrhujú obyčajne širšie ako v nepredpätej alternatíve, aby sa v nich mohlo umiestniť potrebné množstvo predpínacej výstuže bez súdržnosti. Tým sa zároveň čiastočne zmenšujú účinky šmyku pri podperách prievlakov. Pritom predpätie samotných prievlakov ako také významne redukuje účinky priečnych síl, ohybových momentov a veľkosť priehybov.

Bezprievlakové stropné dosky
V bezprievlakových stropných doskách je predpínacia výstuž usporiadaná zložitejšie. Pre tieto konštrukcie je typické vytváranie skrytých nosníkov koncentrovaním predpínacích lán bez súdržnosti do stĺpových pruhov (obr. 4c). Prenos zaťaženia z vnútra doskového poľa je zabezpečený buď mäkkou betonárskou výstužou, alebo pravidelným umiestnením priamych predpínacích lán v obidvoch smeroch dosky podobne ako pri doskách podopretých prievlakmi (obr. 4d).

Rebrové a kazetové dosky
V rebrových a kazetových doskách (obr. 4e, 4f) sa obyčajne predpínajú iba samotné rebrá stropnej konštrukcie pomocou priamych predpínacích lán. Osové vzdialenosti rebier podopierajúcich dosku sa navrhujú do 3 m z dôvodu, aby hrúbka samotnej dosky neprekročila 100 mm. Takéto polia dosky sa vystužujú iba betonárskou výstužou. Zvislé zaťaženie z rebier sa prenáša do mohutnejších prievlakov podopieraných stĺpmi. Spojité prievlaky sa predpínajú s použitím parabolickej geometrie lán.

Záver
Predpäté stropné betónové konštrukcie nachádzajú uplatnenie v pozemnom i inžinierskom staviteľstve. Pri spojitých staticky neurčitých prvkoch dochádza od účinkov predpätia k redukcii extrémov ohybových momentov i priečnych síl a k podstatnému zmenšeniu pretvorení od zvislého zaťaženia. Toto umožňuje navrhovať subtílnejšie, a teda aj architektonicky hodnotnejšie konštrukcie s väčšími rozponmi a vyšším zaťažením. S tým súvisí tiež úspora materiá­lov ako aj zníženie nákladov na zhotovenie nosnej konštrukcie.

Článok vznikol za podpory výskumného projektu VEGA č. 1/0306/09: Aplikácia pravdepodobnostných metód na obnovenie spoľahlivosti betónových stavieb.

TEXT: doc. Ing. Ivan Harvan, PhD.
OBRÁZKY: autor

Doc. Ing. Ivan Harvan, PhD. pracuje na Katedre betónových konštrukcií a mostov STU Stavebnej fakulty v Bratislave.

Recenzoval prof. Ing. Juraj Bilčík, PhD., ktorý je vedúcim Katedry betónových konštrukcií a mostov STU Stavebnej fakulty v Bratislave.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.