Objemové zmeny betónu v konštrukciách budov
Aby funkčnosť a životnosť betónových konštrukcií bola čo najdlhšia, odporúča sa venovať ich návrhu a realizácii dostatočnú pozornosť. Problémom často nie je dimenzovanie na únosnosť, ako skôr medzný stav použiteľnosti. To sa prejavuje častým výskytom porúch, najmä v podobe trhlín v betónových doskách stropov i základov. Jedným z faktorov, ktoré sa na vzniku trhlín podieľajú, sú objemové zmeny betónu – zmrašťovanie. Jeho podcenením vznikajú na betónových konštrukciách poruchy, ktorých odstránenie počas užívania objektu je náročné.
Zmrašťovanie a dotvarovanie betónu
Betón sa zmrašťuje buď z dôvodu chemického procesu hydratácie cementu (autogénne zmrašťovanie), a to najmä pri vysokopevnostných betónoch, a ďalej vplyvom vysychania betónu počas tvrdnutia a v priebehu používania konštrukcie. Existujú prísady určené na redukciu zmrašťovania, nie je však celkom jasné, či ide o skutočné obmedzenie absolútnej deformácie betónu, alebo skôr o zmenu priebehu zmrašťovania v čase.
Preto treba pri návrhu betónových konštrukcií počítať s ich zmrašťovaním a návrh upraviť tak, aby nevznikali žiadne poruchy. Spôsoby obmedzenia nepriaznivých účinkov zmrašťovania betónu sú všeobecne známe. Ide o kvalitný návrh zloženia betónu, jeho správne ukladanie a hutnenie, ošetrovanie po dostatočne dlhý čas a v neposlednom rade aj o vystuženie, ktoré vznikajúce deformácie rozptýli tak, aby trhliny neboli široké a neprechádzali celou hrúbkou stropnej dosky. V prípade, kde sa voľnej deformácii zabraňuje, je vystuženie dosť veľké a nákladné.
Dotvarovanie betónu je deformácia vznikajúca pomaly a dlhodobo vplyvom účinkov trvalých zaťažení. Možnosti jej zabránenia sú podobné ako pri obmedzení zmršťovania. Treba zdôrazniť, že nejde o malú deformáciu, ale, naopak, o deformáciu dosahujúcu asi 2- až 5-násobok pružnej deformácie zodpovedajúcej rovnakému zaťaženiu podľa vplyvu prostredia, v akom sa konštrukcia nachádza.
Dilatačné diely
Rozdelením konštrukcie na dilatačné diely vznikajú deformácie spôsobené objemovými zmenami betónu len na obmedzenom úseku. Návrh dilatačných úsekov však treba riešiť vždy na základe celej koncepcie budovy. Veľkosť dilatačných dielov nie je obmedzená, ak však prekračuje určitú hranicu (asi 40 m), treba ju preukázať výpočtom, ktorý slúži na realizáciu zabezpečení, aby budova spoľahlivo fungovala v medznom stave použiteľnosti. Vplyvom obmedzení možnosti deformácie najmä pri základových doskách (spojených napríklad s niekoľkými jadrami alebo inými tuhými prvkami, prípadne aj odporom trenia) vznikajú na úrovni základovej škáry trhliny, ktoré môžu mať za následok napríklad netesnosť konštrukcie. Čo sa týka stropných dosiek, problémy sa vyskytujú najmä v garážových priestoroch, kde trhliny prenikajú cez celú hrúbku dosky (obr. 1).
Keďže podlahu tvorí väčšinou iba náter alebo stierka, voda z parkujúcich vozidiel ľahko preniká cez stropnú konštrukciu o podlažie nižšie, kde spôsobuje škody najmä v zimnom období, keď obsahuje rozmrazovacie soli. Tie zároveň atakujú aj výstužové prúty dosky, čím ohrozujú životnosť konštrukcie. V súčasnosti existuje na trhu niekoľko produktov, ktoré umožňujú tesniť dilatačné škáry, preto ich návrh nepredstavuje zásadný problém.
Zvláštnu pozornosť návrhu dilatačných dielov a výstužových prvkov budov však treba venovať v prípade predpätých konštrukcií. Predpätie je účinné, iba ak umožní stlačenie predpínanej konštrukcie i aktiváciu napätia od predpätia a zároveň eliminuje nepriaznivé účinky zmrašťovania. Vtedy sa pri správnom návrhu nevytvárajú na predpätých konštrukciách trhliny. Pri predpätých stropných a základových konštrukcií sa odporúča umiestniť výstužové prvky tak, aby sa stropné dosky mohli stláčať od okrajov smerom k ním.
V prípade, že bránia deformácii stropnej dosky, vplyvom pružnej deformácie a dotvarovania betónu sa prerozdeľuje napätie medzi stropnú dosku a výstužové prvky. Tým sa jednak zníži účinnosť predpätia, jednak vplyvom zaťaženia výstužových prvkov by mohli vo výstužových stenách vzniknúť trhliny.
Zmrašťovacie pruhy a pracovné škáry
Zmrašťovanie betónu je po betonáži najrýchlejšie a postupne sa spomaľuje, teda má nerovnomerný priebeh. Niekedy sa táto skutočnosť využíva na zníženie ťahových napätí v doskách pomocou zmrašťovacích pásov, ktoré sa betónujú po určitom, čo možno najdlhšom čase. Sú zvlášť dôležité pri tenkých doskách, ktoré sú vystavené vysychaniu z oboch strán. Tie sa odporúča dobetónovať až 3 mesiace po betonáži dosák. Ak je však doska hrubá, zmrašťovanie prebieha pomaly a dlho. Preto treba dobre zvážiť, kde sa oplatí pásy navrhnúť. Aj v prípade, že má byť konštrukcia vodotesná, sa použitím zmrašťovacích pruhov zdvojnásobí počet pracovných škár, ktoré sú vždy rizikovým miestom vzhľadom na tesnosť.
Na obr. 2 je znázornený priebeh zmrašťovania v rôznych doskách. Stropná doska s hrúbkou 180 mm sa zmrašťuje veľmi rýchlo, za 3 mesiace (asi 100 dní) môže prebehnúť takmer 50 % zmrašťovania. Pri základových doskách je podiel zmrašťovania počas prvých 3 mesiacov takmer zanedbateľný. Aj v tomto prípade je návrh zmrašťovacích pásov nevhodný.
Základové dosky sú väčšinou prepojené s pilótami a nemožno ich zaizolovať. Vtedy je vhodným riešením zhotovenie vodotesnej betónovej konštrukcie. Pilóty zabraňujú deformácii dosky, ktorú vyvoláva zmrašťovanie betónu; trhlinám možno zabrániť zachytením ťahov výstužou. Aj v tomto prípade strácajú zmrašťovacie pásy svoj zmysel.
Vodotesná a izolovaná spodná stavba
V ostatnom čase sa väčšinou zhotovujú vodotesné spodné stavby budov, tzv. biele vane. Zásady ich návrhu [1] možno zhrnúť do troch základných bodov:
- betón sa navrhne ako vodostavebný (s malým priesakom) pri hrúbke steny minimálne 300 mm,
- výstuž sa navrhuje na malú šírku trhlín (0,15 až 0,25 mm),
- všetky detaily sa navrhujú ako vodotesné (vrátane všetkých pracovných a dilatačných škár).
Výhodou vodotesnej konštrukcie je bezproblémová oprava v prípade výskytu priesaku. Miesto je jednoznačne identifikovateľné a priesak možno opraviť buď jednoduchým náterom, napríklad kryštalizačnou látkou, alebo v prípade širšej trhliny injektážou. Vodotesnosť sa tak zabezpečí na celý čas jej životnosti.
Ak je však stavba zabezpečená hydroizoláciou, kritériá návrhu betónovej konštrukcie možno redukovať. Predpokladá sa totiž, že izolácia zabezpečí dostatočnú vodotesnosť objektu. Nie vždy je však životnosť izolačného systému rovnaká ako životnosť konštrukcie – vtedy treba pristúpiť k nákladnej oprave.
V praxi sa však vyskytujú aj hybridné nefunkčné a neopodstatnené projekty, keď sa pri izolovaných objektoch navrhuje vodostavebný betón a očakáva sa vylepšenie vodotesnosti konštrukcie pri prípadnej poruche izolačného systému. Takýto postup je nesprávny, pretože pri poruche izolácie voda zákonite prenikne do budovy trhlinami a netesnenými pracovnými škárami.
Priemyselné podlahy
V súčasnosti sa zvyčajne navrhujú priemyselné podlahy z betónov vystužených vláknami. Tie do určitej miery (v závislosti od množstva vláken, zväčša oceľových drôtikov) eliminujú nepriaznivé účinky objemových zmien betónu. Ak je však podiel drôtikov malý, ich účinnosť je takmer zanedbateľná. Väčší podiel drôtikov zasa znamená nákladnejšiu konštrukciu.
Skúsenosti z realizovaných podláh ukazujú, že vo väčšine prípadov sa vzniku trhlín nezabránilo a opravy sú čoraz častejšie. V niektorých krajinách sa navrhujú predpäté podlahy. Výhodou je vylúčenie zmrašťovacích škár na veľkej ploche a takmer úplné vylúčenie trhlín. Náklady sú síce vyššie ako pri podlahách z drôtikového betónu, ale kvalita predpätej podlahy je vyššia, takže obe konštrukcie sa ťažko porovnávajú. Pri klasických a predpätých podlahách sa líšia najmä účinky zaťaženia. Pri klasickej doske nepriaznivo pôsobí napríklad zaťaženie na okraji alebo v rohu doskového segmentu. V prípade predpätej dosky takýto problém odpadá alebo sa redukuje, pretože podlaha je buď celkom bez škár, alebo je ich počet výrazne nižší.
Kryštalizačné nátery a prísady
Na zabezpečenie vodotesnosti betónových konštrukcií sú vhodným riešením aj kryštalizačné nátery. Ich použitie však musí byť v súlade s fyzikálnymi zákonmi. Pri stabilizovanej trhline kryštály náteru prenikajú do hĺbky niekoľkých centimetrov a sú schopné trhlinu úplne zaceliť. Treba si však uvedomiť, že kryštály sú pomerne krehké, takže v prípade pohyblivej trhliny neprenesú ťahové napätie a trhlina sa objaví znova. Preto je ich aplikácia vhodná čo najneskôr, keď väčšina pohybov betónovej konštrukcie už prebehne a nedochádza ani k pohybom v trhlinách. Kryštalizačné prísady možno aplikovať priamo do betónovej zmesi. Ak je konštrukcia dostatočne vystužená, môžu prispieť aj k zaceleniu trhlín. Presná hranica šírky trhliny nie je známa, ale možno predpokladať, že je to asi 0,3 mm. Kryštalizačná prísada sa nemusí aplikovať na celej hrúbke dosky, stačí ju pridať do vrstvy vystavenej vode v hrúbke asi 300 mm. Môže však ovplyvniť vývoj pevnosti aj spracovateľnosť.
Preto ju treba pred použitím otestovať, aby sa zistilo, aký vplyv má na vlastnosti betónu v čerstvom i zatvrdnutom stave. Pri hrubých doskách sa betón zmrašťuje veľmi pomaly a deformácie sa môžu prejaviť až po dlhom čase. Preto si treba overiť, či má kryštalizačná prísada aj po čase schopnosť utesniť trhliny vznikajúce neskôr.
Príklad meraných pomerných deformácií
Meranie pomerných deformácií na predpätej stropnej konštrukcii (hrubej 220 mm a zosilnenej v priečnych stĺpových pruhoch) klimatizovanej budovy Komerčného a administratívneho centra v Prahe (obr. 3) prebiehalo od roku 1997 (výstavba budovy) až do roku 2006. Strunové tenzometre sa osadili do stropnej dosky nad 3. NP v pozdĺžnom i priečnom smere. Každý rok sa meralo dvakrát, v júni a v decembri. Namerané hodnoty sa porovnávali s výpočtom. Ukázalo sa, že v prípade sledovanej budovy je zmrašťovanie betónu podstatne väčšie, ako sú hodnoty odporúčané normovým predpisom.
Na obr. 4 je uvedený vývoj deformácií v priečnom smere budovy, t. j. v smere pozdĺž stĺpového pásu. Kým pri hornom povrchu je vplyvom stáleho zaťaženia (vrátane predpätia) tlak asi 5 MPa (tenzometer H76), pri dolnom povrchu je takmer nulové napätie (tenzometer D75). Na obrázku je viditeľný nárast pomerných deformácií počas celého obdobia (od roku 1997 až do 2006). Pri veku betónu 103 dní sa pomerná deformácia pohybovala okolo 120 mikrostrain (mikrometer/meter), kým po 9 rokoch bola asi 570 mikrostrain (čo je 4,8-krát viac). Zmrašťovanie teda prebieha dlhý čas.
Na obr. 5 je znázornený priebeh pomerných deformácií v pozdĺžnom smere budovy. Napätie od stáleho zaťaženia je pri hornom povrchu asi 2,1 MPa (H72) a pri dolnom povrchu asi 0,7 MPa (D71). Opäť možno pozorovať, ako sa deformácia stále zväčšuje. Z grafu je tiež zrejmé, že nárast deformácií sa prejavuje ešte dlhý čas po dokončení stavby. V tomto prípade napríklad po 3 mesiacoch dosahovala asi 180 mikrostrain, kým po 9 rokoch asi 750 mikrostain (asi 4-násobok).
Pri výpočte sa použil postup podľa eurokódu. Pretože napätie v konštrukcii je dané najmä podmienkami rovnováhy, na dosiahnutie zhody vypočítaných a nameraných hodnôt treba určiť koeficienty, ktoré modifikujú materiálové parametre. Moduly pružnosti sú dané meraním na vzorkách, takže modifikovateľné parametre ostávajú iba dva, a to súčiniteľ dotvarovania a zmrašťovania betónu. Násobné koeficienty sú: pre dotvarovanie 1, pre zmrašťovanie 1,4. Z toho vyplýva, že dotvarovanie podľa EC2 predstavuje zhodu meraní a výpočtu, ale zmrašťovanie je v modeli EC2 podcenené.
Záver
Na základe meraní vykonávaných počas 9 rokov na tenkej stropnej doske vyplýva, že zmrašťovanie betónu prebieha veľmi dlho. Najmä v suchom prostredí klimatizovaných budov dosahuje až o 40 % väčšie hodnoty. V prípade hrubých základových dosák je priebeh zmrašťovania síce pomalší, zato dlhší. Preto pri zaistení dlhodobej vodotesnosti treba venovať mimoriadnu pozornosť návrhu výstuže a starostlivo posúdiť šírku trhlín s ohľadom na spôsob využitia podzemných priestorov. Pri doskách garážových objektov, po ktorých sa pohybujú autá, kde sú trhliny bežným javom, je dôležité zabezpečiť aj správne vystuženie, aby trhliny, ktoré vzniknú, neprechádzali celou hrúbkou dosky, neumožňovali presakovanie vody do nižších podlaží a zároveň neohrozovali životnosť konštrukcie koróziou výstuže.
Z meraní takisto vyplýva, že zmrašťovacie pásy, ktoré sa niekedy navrhujú, majú iba obmedzenú účinnosť. Tri mesiace po betonáži totiž nestihne prebehnúť väčšina deformácií spôsobená zmršťovaním, a to najmä pri hrubých doskách.
Účinným nástrojom na elimináciu zmrašťovania betónu je predpínanie konštrukcií. Pri predpätých stropných doskách sa totiž problémy s trhlinami zvyčajne nevyskytujú.
Článok bol spracovaný na základe výsledkov projektu MŠMT 1M6840770001 (Cides)
prof. Ing. Jan L. Vítek, CSc.
Foto: archív autora
Autor je profesorom v odbore betónových konštrukcií a mostov na Stavebnej fakulte ČVUT v Prahe. Zároveň je expertom na betónové konštrukcie v spoločnosti Metrostav, a. s. Zaoberá sa výskumom, navrhovaním a realizáciou betónových a oceľobetónových spriahnutých konštrukcií. Zastupuje Českú republiku v Medzinárodnej federácii pre konštrukčný betón (fib).
Literatúra
1. Technická pravidla ČBS 02 Bílé vany – vodonepropustné betonové konstrukce. Praha: ČBS Servis, s. r. o., 2007.
2. Vítek, J. L.: Dlouhodobé deformace předpjaté stropní konstrukce. In: Sborník konference Betonářské dny 1998. ČBZ, 1998, s. 240 – 243.
Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.
