Spriahnuté drevo-betónové nosné sústavy a ich použitie v praxi

Spriahnutie je spôsob vytvárania zložených prierezov, ktorý je známy už z minulosti, keď sa kombinovali vo väčšine prípadov rovnaké materiály (drevo-drevo, betón-betón a iné). Tento postup sa používal hlavne na vytvorenie veľkorozmerových prierezov konštrukčných prvkov, alebo s cieľom znížiť hmotnosť jednotlivých častí stropnej konštrukcie či už pri jej realizácii, alebo doprave na stavbu.

Spriahnutie drevenej nosnej konštrukcie s betónovou vrstvou slúži na vytvorenie účinnejšieho zloženého prierezu najmä z hľadiska ohybového namáhania prvku. V takto získanom priereze betón prenáša tlakové účinky a drevo je namáhané najmä ťahom. Uvedené namáhanie dreva a betónu v rámci zloženého prierezu je výhodné, pretože betón dobre odoláva tlakovým účinkom a drevo je schopné prenášať značné ťahové účinky.

V druhej polovici minulého storočia drevo-betónové konštrukcie zohrali významnú úlohu pri obnove historických stavieb. Metóda nadbetónovania trámových a povalových stropov sa použila pri rekonštrukcii objektov aj na území Slovenska. V súčasnosti sa tieto konštrukcie využívajú na zosilnenie drevených stropných konštrukcií pri rekonštrukciách historických budov, ale aj pri tvorbe nových stropných konštrukcií viacpodlažných drevostavieb. V mostnom staviteľstve sa drevo-betónové spriahnuté sústavy využívajú pri konštrukciách mostoviek v rámci konštrukcií cestných mostov alebo pri konštrukciách lávok pre peších (7).

Charakteristika spriahnutých drevo- betónových sústav

Základné typy spriahnutých drevo-betónových sústav, ktoré sa v súčasnosti používajú predovšetkým v zahraničí, sú tzv. nosníková sústava a dosková sústava. Pri nosníkovej sústave je betónová doska spriahnutá prostredníctvom mechanických spriahovacích prvkov s drevenými nosníkmi. V prípade použitia rasteného dreva môžu byť nosníky z hranolov alebo z fošní. Pri väčších rozpätiach sa drevený nosník vytvára ako lepený lamelový prvok. Spriahnutú nosníkovú sústavu možno uplatniť so záklopom alebo bez záklopu. Keď sa použije záklop, práve ten plní v sústave nosnú funkciu pod betónovou vrstvou. V prípade sústavy bez záklopu sa drevený nosník spriahne so samonosnou železobetónovou doskou. Na záklop sa používa plošný materiál na báze dreva, ako sú napr. preglejkové alebo OSB tabule (obr. 1a).

Dosková sústava sa vyvinula len v posledných rokoch a pozostáva zo súvislej drevenej vrstvy (vytvorenej z doskového reziva uloženého na hranu vedľa seba – vertikálnych lamiel), ktorá je spriahnutá s betónovou vrstvou. Vedľa seba ukladané vertikálne lamely sú navzájom spojené klincami alebo lepidlom. Spôsob spriahnutia tejto sústavy sa môže riešiť viacerými spôsobmi, napr. drážkovými spojmi alebo vlepovanými kovovými pásmi. Takto vytvorená sústava tvorí spriahnutú drevo-betónovú dosku. Sústava má síce vyššiu spotrebu dreva, ale z hľadiska statickej únosnosti je účinná a jej efektívnosť sa prejaví až pri rozpätí nad 6,0 m (obr. 1b).

Betónovú časť pri doskovej sústave podobne ako pri nosníkovej sústave so záklopom možno vytvoriť z prostého alebo z ľahčeného betónu s minimálnou kovovou výstužou, ktorá má zabrániť vzniku trhlín od zmrašťovania betónu.

Spôsoby spriahnutia

Vzájomné spojenie betónovej dosky s drevenými nosnými prvkami možno zabezpečiť pomocou kovových (tzv. mechanických) spriahovacích prvkov, prostredníctvom drážkových spojov alebo lepením. Medzi mechanické spriahovacie prvky patria klince, svorníky, skrutky, oceľové kolíky, ale aj rôzne typizované záchytkové krúžky, zazubené záchytky, oceľové rúrky, oceľové dosky s prelisovanými hrotmi, vlepované betonárske výstužovacie prúty, oceľová priehradovina alebo oceľový pás vlepený do dreva atď.

Tieto spojovacie prvky zabezpečujú vzájomné spolupôsobenie betónovej a drevenej časti zloženého prierezu hlavne pri ohybovom namáhaní. V interakčnom pôsobení s dreveným prvkom spôsobujú lokálne namáhanie dreva. Ich použitie je podmienené rozličnými konštrukčnými požiadavkami, ktoré vyplývajú z rôznych vlastností spriahovaných drevených prvkov. Preto voľba spôsobu spriahnutia závisí najmä od konštrukčného charakteru drevenej sústavy, resp. od ďalších statických parametrov spriahnutej stropnej konštrukcie (1).

Pri doskovej sústave sa použitie spriahovacích prvkov kolíkového typu (klince, svorníky, kolíky atď.) javí ako problémové, pretože treba dodržať minimálnu vzdialenosť spojovacieho prostriedku od okraja jednotlivých lamiel. Tomu problému sa možno vyhnúť napr. vytvorením viacerých zárezov určitých dĺžok „drážkových spojov“ v jednotlivých lamelách, alebo použitím „pásových oceľových zarážok“, ktoré sú vsadené do dreva v smere kolmom na smer lamely a zabezpečujú tak spolupôsobenie dreva a betónu (4, 5).
V poslednom období firmy vyrábajúce spojovací materiál vyvinuli celý rad špeciálnych spriahovacích prostriedkov, ktoré sú účinné a ich použitie je pomerne jednoduché.

Oblasti používania

Spriahnuté drevo-betónové konštrukcie stropov sa využívajú predovšetkým pri drevostavbách a v niektorých prípadoch aj pri stavbách s vertikálnymi prvkami na báze silikátov. Zahraničné príklady naznačujú, že navrhovanie drevo-betónových stropov v budovách prináša viacero výhod pre celkový objekt, ktoré sa prejavujú najmä vo výslednej ekonomickej bilancii budovy.

Problematickou oblasťou drevostavieb je zabezpečenie ich dostatočnej tuhosti proti statickým a dynamickým stálym a náhodilým zaťažovacím účinkom. Táto celková tuhosť je závislá do značnej miery od tuhosti jednotlivých konštrukčných prvkov, ako aj od spôsobu ich vzájomného spojenia. Jedným z prvkov ovplyvňujúcich celkovú tuhosť objektu sú stropy jednotlivých podlaží, ktoré svojou tuhosťou zabezpečujú priestorové pôsobenie celej budovy a odolávajú tak vertikálnym, ako aj horizontálnym zaťažovacím účinkom. To znamená, že ak sa klasické drevené stropné konštrukcie drevostavieb nahradia spriahnutými drevo-betónovými stropnými prvkami, ktorých tuhosť vo vertikálnom aj horizontálnom smere je podstatne vyššia, dosiahne sa zvýšenie celkovej tuhosti budovy (obr. 2).

Obr. 2  Teoretická závislosť medzi zaťažením a priehybom v strede rozpätia doskovej sústavy pri L = 6,0 m pri rôznych hrúbkach betónovej vrstvy

Použitie drevo-betónových stropov pri silikátových sústavách spôsobí opačný statický účinok ako pri drevostavách. Kedže plošná hmotnosť drevo-betónovej stropnej konštrukcie je nižšia ako železobetónovej, ovplyvní to celkovú hmotnosť objektu, a tým aj spôsob zakladania.

Okrem statických výhod majú drevo-betónové stropné konštrukcie pri drevostavbách aj ďalšie výhody. Pridaním betónovej vrstvy k drevenej konštrukcií sa zlepšia aj niektoré stavebnofyzikálne vlastnosti stropu, ako napríklad tepelnotechnické alebo zvukovoizolačné. Takisto sa zvýši aj požiarna odolnosť stropnej konštrukcie.

V súčasnom mostnom staviteľstve okrem železobetónu a ocele má svoje uplatnenie aj drevo, ktoré sa využíva na výstavbu cestných mostov a výstavbu lávok pre peších. Pri cestných mostoch pozostáva mostovka z drevených nosných prvkov a z vozovky, ktorej nosnú časť tvorí betónová vrstva. Progresívnym staticko-konštrukčným riešením je, ak sa betónová vrstva spriahne s drevenými prvkami mostovky. Takto vytvorená spriahnutá drevo-betónová mostovka má vyššiu tuhosť, je odolnejšia proti dynamickým účinkom a predstavuje určitú ochranu drevenej konštrukcie proti vonkajším mechanickým účinkom. V niektorých prípadoch sa aj drevené lávky pre peších navrhujú podobne ako cestné mosty so spriahnutou drevo-betónovou mostovkou, aby sa zvýšili statické parametre nosnej sústavy, ako napríklad celková tuhosť lávky (3).

Pri použití spriahnutej drevo-betónovej mostovky pri cestných mostoch a lávkach treba jej konštrukciu navrhnúť tak, aby umožnila efektívne spriahnutie drevenej časti mostovky s jej betónovou časťou. Na splnenie tejto požiadavky treba predovšetkým nosné drevené prvky mostovky usporiadať tak, aby boli v priamom kontakte s betónovou vrstvou. Takúto úpravu možno dosiahnuť pri lávkach pomerne ľahko, kým pri cestných mostoch vzhľadom na väčšiu šírku mostovky ide o zložitejšiu úlohu.

Zvýšený záujem odbornej praxe hlavne v zahraničí o spriahnuté drevo-betónové sústavy vyvolal pozornosť viacerých výskumných kolektívov, ktoré sa zamerali na dôkladnejšie preskúmanie skutočného pôsobenia týchto sústav pri krátkodobom a aj pri dlhodobom zaťažení. V predchádzajúcich rokoch sa táto problematika stala predmetom niekoľkých výskumných úloh riešených na Stavebnej fakulte Technickej univerzity v Košiciach v spolupráci s VÚPC-SDVÚ Bratislava (obr. 3).

Záver

Uvedené spriahnuté drevo-betónové sústavy predstavujú efektívne konštrukčné riešenie v oblasti pozemných aj inžinierskych stavieb. Pri objektoch pozemných stavieb sú to predovšetkým konštrukcie stropov, ktoré sú v takejto konštrukčnej úprave vhodné najmä pre väčšie rozpätia a sú výhodné z hľadiska viacerých stavebno-fyzikálnych požiadaviek.

V oblasti výstavby mostov a lávok nájdu svoje využitie najmä v rámci dopravnej infraštruktúry miest a chránených krajinných oblastí. Absencia moderných progresívnych drevených konštrukcií na Slovensku naznačuje, že v tejto oblasti treba vynaložiť ešte značné úsilie o ich propagáciu nielen medzi odborníkmi z oblasti navrhovania konštrukcií, ale aj medzi ich potenciálnymi užívateľmi.

doc. Ing. Ján Kanócz, CSc.
Foto: archív autora

Tento článok vznikol v rámci riešenia grantového projektu č. 1/0042/07 podporovaného VEGA MŠ a SAV SR, ako aj s podporou APVT pri riešení projektu č. 99-PO2705

Autor je absolventom Stavebnej fakulty VŠT v Košiciach, kde v súčasnosti pôsobí na Ústave inžinierskeho staviteľstva. Je autorizovaným stavebným inžinierom. Vo vedeckej oblasti sa venuje problematike teórie navrhovania drevených nosných konštrukcií. Je autorom rôznych vedeckých publikácií a viacerých stavieb. Je členom technických komisií v medzinárodných organizáciách IABSE, RILEM a CEN.

Literatúra:
(1)    Kuklíková, A., Studnička, J.: Kompozitní dřevobetonové konstrukce. In: Zborník z konferencie Drevo – surovina 21. storočia v architektúre a stavebníctve. Smolenice:  2003, pp.15 – 18.
(2)    Kuhlmann, U., Schänzlin, J.: Grooves as shear connectors for timber-concrete composite decks. Proceedings of the International RILEM Symposium, PRO 22, Joints in Timber Structures Stuttgart: 2001.
(3)    Jutila, A. – Tesár, A. a kol.: Development of Wood Bridges, Research project. Helsinky: University of Technology, Otaniemi, 1993.
(4)    Lehmann, S., Grosse, M., Rautenstrauch, K.: New connector types of laminated timber-concrete composite element joints, Proceedings of the International RILEM Symposium, PRO 22, Joints in Timber Structures. Stuttgart: 2001.
(5)    Mungwa, M. S., Jullien, J. F., Foudjet, A., Hentges, G.: A new shear connector for wood-concrete composite structures, Proceedings of the 5th World Conference on Timber Engineering Montreux: Switzerland, 1998.
(6)    Rajčič, V.: Characteristick of timber-lightweight concrete(EPS) composites, Proceedings of the 5th World Conference on Timber Engineering. Montreux: Switzerland, 1998.
(7)    Šteller, Š., Kanócz, J. a kol.: Progresívne spriahnuté drevo-betónové konštrukcie pre pozemné a inžinierske stavby. Štúdia. Bratislava: ŠDVU, 2001.
(8)    Straka, B.: Využití dřeva v některých nových typech stavebních konstrukcí. In: Materiály pro stavbu, roč. 9, 2003, č. 4, s. 16 – 21.