Vyľahčované dutinové železobetónové stropné dosky

Vyľahčovanie stropných dosiek vytváraním vnútorných dutín nie je novinkou. Stropné dosky s dutinami sa používali už v tridsiatych rokoch minulého storočia na vytvorenie nosných betónových konštrukcií občianskych stavieb. Vytvárali sa strateným dreveným debnením.

V množstve budov občianskej a priemyselnej výstavby s betónovou nosnou konštrukciou sa v súčasnosti realizujú stropné dosky s veľkým rozpätím (bežne okolo 16 m) navrhované na vysoké zaťaženia (obchodné priestory 10 kN/m²). Tieto stropné dosky možno len s veľkými problémami navrhnúť ako bežnú železobetónovú dosku pôsobiacu vo dvoch smeroch, predovšetkým s ohľadom na medzné stavy použiteľnosti. S narastajúcim rozpätím narastá aj nutnosť zväčšovať hrúbku dosky, čím sa zvyšuje hmotnosť tejto nosnej konštrukcie. Jednou z ciest, ako možno tento problém vyriešiť, je znížiť vlastnú tiaž dosky. V praxi sa často používa systém vkladania tvaroviek z penového polystyrénu alebo systém strateného debnenia z tvaroviek z recyklovaných plastov U-BOOT (obr. 1).

Vytváranie stropov s vnútornými dutinami
Dutiny sa vytvárajú strateným debnením z rôzne vysokých tvaroviek vyrobených z recyklovaných umelých materiálov. Tieto tvarovky majú tvar zrezaného štvorbokého ihlanu so štvorcovou základňou. Steny a horný podstavec sa z dôvodu vyššej tvarovej tuhosti profilujú. Pôdorysné rozmery sú jednotné – 520 × 520 mm, s výškou v ôsmich modifikáciách – 160, 200, 240, 320, 360, 400, 440 a 480 mm. Tvarovky sa používajú buď samostatne, dnom hore, alebo vo dvojiciach nad sebou. Pre osadenie na debnenie majú prvky v rohoch dištančné nožičky. Navzájom sa medzi sebou spájajú pomocou integrovaných páskových spojok, ktorými sa zabezpečuje pravidelná osová vzdialenosť jednotlivých prvkov, a tým konštantná šírka rebier v doske. Šírky rebier môžu byť 120 až 200 mm vo vzdialenostiach po 20 mm.

Obr. 1 Tvarovky z recyklovaného plastu	Obr. 2 Tvarovky uložené na spodnú výstuž

Tvarovky sa ukladajú na debnenie po vyviazaní výstuže pri spodnom povrchu dosky, stoja na nožičkách s výškou 50, 70 alebo 100 mm (obr. 2). Medzi tvarovky sa vkladá výstuž rebier. Tá sa môže vytvárať rozličnými spôsobmi. Najčastejšie sa používajú takzvané trigony, ktorých výška sa približne rovná polovici vzdialenosti medzi hornou a dolnou vrstvou výstuže a ukladajú sa vo dvoch ortogonálnych smeroch. V jednom smere na spodnú výstuž a v druhom smere na horné prúty spodných trigonov. Tým sa zároveň vytvorí dištančná výstuž pre hornú viazanú výstuž. Do rebier možno vkladať spony alebo zvárané rebríčky vo dvoch smeroch. V oblastiach, kde je v súlade s požiadavkami normy potrebná šmyková výstuž, treba realizovať prídavnú šmykovú výstuž. Horná vrstva výstuže sa ukladá na výstuž rebier. Spodnú aj hornú vrstvu možno realizovať z bežne viazanej výstuže, zváraných sietí alebo zvinutých rohoží.

Betonáž sa realizuje vo dvoch etapách. V prvej sa vybetónuje spodná doštička dutinového stropu do výšky tesne nad spodné líce tvarovky. Konzistencia zmesi by mala byť S5. V prípade použitia zmesi so sadnutím kužeľa S4 treba betón dôkladne zhutniť. Po niekoľkých desiatkach minút (v závislosti od použitej zmesi, teploty a množstva ďalších aspektov) sa dobetónujú rebrá a horná doštička.

Statické pôsobenie dosky a jej návrh
Dosková konštrukcia s vnútornými dutinami pôsobí ako pomerne zložitý statický systém dvoch rovnobežných tenkých dosiek s konštantnou hrúbkou, ktoré sa spájajú sieťou ortogonálnych navzájom sa križujúcich rebier. Tie vzhľadom na kónický tvar tvaroviek nemajú konštantnú šírku. V oblasti podpier alebo zvýšeného namáhania sa do dosky nevkladajú vyľahčovacie prvky a doska má v týchto miestach konštantnú hrúbku s plným prierezom.

Výpočet dosky je pomerne komplikovaný a možno ho realizovať niekoľkými spôsobmi. V súčasnosti sa vo všeobecnosti používa metóda konečných prvkov.

Kombinácia brick, škrupina
Pomocou tejto metódy sa získavajú najvýstižnejšie výsledky, ale zároveň je aj najnáročnejšia na prácnosť a čas. Od nej by sa mali odvíjať ďalšie zjednodušené metódy.

Pre oblasť lokálnych podpier a oblasti bez vyľahčenia sa odporúča použiť metódy 3D konečných prvkov, takzvané bricky. Vyľahčená doska sa modeluje dvoma paralelnými škrupinami s parametrami hornej a dolnej doštičky. Tie sú navzájom prepojené kolmými škrupinami, ktoré modelujú steny jednotlivých dutín. Model poskytuje pomerne výstižné riešenie, dostatočne „hladké“, bez momentových špičiek a singularít. Podľa možností použitého softvéru možno buď hornú a dolnú nosnú výstuž dimenzovať priamo vo forme izolínií, alebo navrhnúť pomocou normálových napätí v doštičkách. Vlastnú tiaž dosky treba skontrolovať ručným výpočtom a v závislosti od výsledkov navrhnúť parametre objemovej tiaže.

Použitím tejto metódy možno získať minimálne informácie o deformáciách typického poľa, ktoré slúžia ako základ pre ďalšie výpočty.

Kombinácia brick, trám
Použitie metódy 3D prvkov v oblasti bez vyľahčenia je rovnaké ako v prípade metódy brick, škrupina. Vyľahčená doska sa nahradzuje roštom tvoreným jednotlivými rebríkmi prierezu I-profilu. Celkovú hmotnosť dosky treba doladiť porovnaním s ručným výpočtom alebo s metódou kombinácia brick, škrupina.
Najväčšou výhodou tohto riešenia je, že výsledky možno interpretovať vo forme vnútorných síl v rebrách. Ohybové momenty nie sú väčšinou príliš zaujímavé, dôležitejšie sú šmykové sily, na základe ktorých sa navrhuje šmyková výstuž, respektíve sa vymedzuje oblasť bez priečnej výstuže.

Kombinácia škrupina, škrupina
Po realizácii prvej analýzy poľa predovšetkým prvou metódou možno dosku modelovať úpravou jej statických parametrov. Konštrukcia pozostáva z polí dosiek so štandardnou hrúbkou a oblastí, kde treba statické parametre redukovať. Vlastnú tiaž možno redukovať buď menšou špecifickou tiažou materiálu, alebo menšou hrúbkou dosky, zníženou ohybovou tuhosťou zmenšením modulu pružnosti alebo statickej hrúbky dosky. Voľbu parametrov treba otestovať na výpočtoch typických polí.

Najväčšími výhodami tejto metódy je jednak možnosť riešiť rozsiahle modely, jednak možnosť dimenzovať ohybovú výstuž vo forme izolínií potrebných plôch.

Nelineárny výpočet
Nelineárny výpočet je určitou nadstavbou, ktorou sa získavajú informácie o rozvoji trhlín a správaní konštrukcie. Trhliny sú spravidla vždy súčasťou tejto konštrukcie.

Realizácia budovy ústredia Slovenskej sporiteľne v Bratislave so systémom vyľahčených stropov

Výhody vyľahčených stropných konštrukcií
Výhody týchto konštrukcií s redukovanou vlastnou tiažou sú v niekoľkých úrovniach.

Primárnou je zníženie objemu zabudovaného betónu vo vlastnej konštrukcii. Dochádza k úspore vlastnej tiaže konštrukcie, ktorá je však vyvážená nepatrne vyššou prácnosťou. Cena zabudovanej tvarovky je približne rovnaká ako cena ušetreného betónu, a preto z tohto dôvodu nedochádza k úspore finančných nákladov. Výhodou je určité zníženie spotreby výstuže, pretože vlastná tiaž predstavuje nezanedbateľný podiel v celkovom zaťažení konštrukcie. Hlavná výhoda sa prejavuje v úžitkových vlastnostiach dosky, teda predovšetkým v jej nižších deformá­ciách, a tým aj nižšom dotvarovaní.

V určitých prípadoch je vyľahčená stropná doska s mäkkou výstužou lacnejšia a menej prácna alternatíva k dodatočne predpätým konštrukciám, v niektorých prípadoch predstavuje jediné možné racionálne riešenie.
Sekundárnou výhodou je zníženie zaťaženia podporných konštrukcií. V tomto prípade dochádza k citeľným finančným úsporám. Redukciou prenášaného zaťaženia možno významne zmenšiť niektoré podporné prvky – stĺpy, rámové priečle a základové konštrukcie.

Dutinové tvarovky U-BOOT možno použiť aj na realizáciu základovej dosky pod skeletovými konštrukciami. Aby sa zabránilo možnému pretlačeniu stĺpa cez základovú dosku, navrhuje sa v mieste stĺpov väčšia hrúbka dosky. Naopak, v poli sa navrhuje hrúbka menšia. Nevýhodou tohto bežného riešenia sú veľmi zložité výkopy, zložité tvary podkladných betónových konštrukcií a vodotesných izolácií a v neposlednom rade aj zložitá viazaná výstuž dosky. Zjednodušenie realizácie základovej dosky (jednoduchá základová škára, jednoduché tvary konštrukcií podkladných betónov v menšom rozsahu a menej náročná realizácia vodotesných izolácií) možno dosiahnuť, ak sa použije základová doska s konštantnou hrúbkou rovnakou, aká sa navrhuje v oblasti pod stĺpmi a ostatné časti dosky sa vyľahčia dutinami.

Použitie dutinových tvaroviek má aj envi­ronmentálny rozmer. Znížením objemu zabudovaného betónu dochádza k zníženiu spotrebovanej energie a k materiálovým úsporám, ktoré umocňuje fakt, že ide o tvarovky z recyklovaného materiálu.

Záver
Vyľahčovanie stropných konštrukcií vnútornými dutinami použitím strateného debnenia z tvaroviek z recyklovaných plastov prináša drobné „prvoplánové“ úspory na samotnej vyľahčenej stropnej konštrukcii. Tie sa prejavujú predovšetkým v ich úžitkových vlastnostiach. Výraznejšie úspory sa dosahujú pri realizácii podperných a základových konštrukcií, prípadne elimináciou použitia predpätých prvkov. Nepatrne vyššiu prácnosť pri realizácii a výpočte dosiek vyvažuje výsledné správanie konštrukcie.

TEXT: Ing. Miloslav Smutek, PhD.
FOTO: ZETR SK

Ing. Miloslav Smutek, PhD., je autorizovaným inžinierom pre statiku a dynamiku ČKAIT, autorizovaným stavebným inžinierom, statikom stavieb a konateľom spoločnosti RECOC SK, s. r. o.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.