Betonové pilíře: Technologie, zesilování a aplikace v praxi

Betonové pilíře jsou klíčovým prvkem v mnoha stavebních konstrukcích. Jejich pevnost a stabilita jsou zásadní pro celkovou integritu budov a infrastrukturních projektů. V tomto článku se podíváme na různé aspekty betonových pilířů, od jejich zesilování pomocí moderních materiálů, přes alternativní způsoby zakládání staveb, až po projektování montovaných konstrukcí.

Zesilování zděných cihelných pilířů textilním betonem

Ve stavební praxi se velmi často setkáváme s nutností zesilovat existující nosné prvky, a to z několika důvodů: zvýšení zatížení, změna statického schématu, degradace materiálu, změna účelu budovy atd. Osvědčeným způsobem zesilování pilířů je použití ocelových úhelníků a pásků, které jsou vzájemně svařeny a případně předepnuty pomocí elektroohřevu. Výhodou tohoto řešení je snadná proveditelnost, nízká cena a ověřená účinnost. Nevýhoda spočívá v nízké požární odolnosti a nutnosti provádět dodatečné ochranné vrstvy [1].

S rozvojem nových materiálů a technologií se i v oblasti zesilování začaly uplatňovat materiály na bázi karbonu, skla či čediče. Především za posledních 20 let se řada výzkumných prací věnuje těmto materiálům do té míry, že jsou již běžně používány ve stavební praxi [2, 3]. S rozvojem materiálové základny a snahou o energetickou úsporu a efektivitu souvisí i rozvoj textilního betonu. Vzhledem k progresivnímu vývoji v oblasti textilního betonu získává tento materiál své místo rovněž v oblasti zesilování, především zděných a železobetonových konstrukcí.

V zemích s výskytem seismických jevů se výzkum zaměřuje na možnost stabilizace a zvýšení odolnosti zděných stěn vůči účinkům zemětřesení pomocí textilního betonu. Ve Spolkové republice Německo se vývoj a aplikace zaměřily především na zesilování železobetonových ohýbaných prvků.

Experimentální program zesilování pilířů

V následujícím článku se budeme zabývat problematikou zesilování zděných cihelných pilířů tenkou vrstvou textilního betonu. Hlavním cílem provedeného experimentálního programu je kvantifikovat přínos dodatečně aplikované tenké vrstvy textilního betonu na zděné pilíře o rozměrech cca 290×290×1040 mm. Pro potřeby experimentálního programu bylo zhotoveno pět cihelných pilířů ze zdiva běžné pevností třídy. Rovněž byla provedena experimentální analýza vlivu úpravy rohů pilířů seříznutím cca 30 mm široké části a tím snížení poloměru zakřivení. Díky této úpravě se snížil průřez pilíře o cca 2 %, což by se v případě nezesíleného pilíře projevilo poklesem únosnosti pilíře jako celku. Popisovaná úprava byla zvolena z důvodu eliminace tahových napětí koncentrovaných v místě ohybu sklotextilní výztuže.

Čtěte také: Krok za krokem: Betonové sloupky

Vlastnosti použitých materiálů

Standardní pálené cihly formátu 290×140×90 mm s průměrnou pevností v tlaku 35,0 MPa byly spojeny vápenocementovou maltou (cement, vápno a písek 0/4 mm v objemovém poměru 1 : 3 : 5). Průměrná pevnost v tlaku této malty byla 5,9 MPa a pevnost v tahu za ohybu dosahovala hodnoty 1,3 MPa. Zesilující vrstva se sestávala z vysokopevnostního cementového kompozitu a textilní výztuže. Tyto dva základní prvky tvoří textilní beton. Složení použitého cementového kompozitu odpovídalo svým charakterem vysokopevnostnímu betonu. Pevnost v tlaku byla 91,8 MPa, zatímco pevnost v tahu za ohybu 15,2 MPa. Vlastnosti použitého kompozitu (textilní beton jako celek, případně pouze cementové matrice) byly vyšetřovány v mnoha studiích, např. [5]. Tenká zesilující vrstva jemnozrnného cementového kompozitu byla vyztužena dvěma vrstvami sklotextilní výztuže rezistentní vůči alkáliím (z produkce společnosti Saint-Gobain).

Proces zesilování

Proces zesilování začal cca dva měsíce po vyzdění pilířů, tedy v době, kdy lze již předpokládat vyzrálost použité malty. Povrch pilíře byl nejprve očištěn od hrubých nečistot a následně navlhčen vodou z rozprašovače. Na takto upravený a očištěný povrch byla nanesena tenká vrstva cementového kompozitu, která byla rovněž vtlačena do ložných a styčných spár. Do této vrstvy byla následně vtlačena sklotextilní výztuž po celé výšce pilíře. Druhá vrstva výztuže byla aplikována v patě, v hlavě a v polovině pilíře, a to opět do tenké vrstvy cementového kompozitu. Finální povrch zesíleného pilíře byl proveden opět tenkou vrstvou cementového kompozitu. Celková tloušťka zesilující vrstvy dosahovala v průměru 8 mm. Po ukončení procesu zesilování byly pilíře obaleny polyetylenovou fólií.

Zkoušení pilířů a výsledky

Referenční a zesílené pilíře byly zkoušeny v laboratořích Experimentálního centra Fakulty stavební ČVUT. Samotná zatěžovací zkouška pilířů proběhla po třech měsících, kdy stáří zesilující vrstvy dosahovalo 30 dnů. Pro vyvození zatěžovací síly byl využit hydraulický lis Inova 2000. Uspořádání zkoušky zesílených a nezesílených pilířů bylo identické, kdy zatížení ze zatěžovacího lisu bylo vnášeno přes roznášecí ocelovou desku umístěnou na vrcholu pilíře. V případě zesílených pilířů bylo zatížení vnášeno pouze do zdiva, nikoliv do zesilující vrstvy (došlo by k drcení zesilující vrstvy, která by nebyla řádně aktivována a využita). Zkouška byla řízena přírůstkem deformace v čase, a to hodnotou 0,004 mm/s.

Maximální síla, odvozená z charakteristické pevnosti vypočtené dle ČSN EN 1996-1-1 nezesíleného zdiva odpovídá hodnotě 474 kN. Maximální síla při porušení referenčního pilíře bez zesilující vrstvy dosahovala 121 % síly odpovídající charakteristické pevnosti (575 kN). Zesílené pilíře standardního průřezu (I-1 a I-2) dosahovaly 144 %, resp. 123 %, maximální síly referenčního pilíře (100 %). Zesílené pilíře s modifikovaným průřezem (seříznuté rohy) vykazovaly výrazně lepší odolnost vůči účinkům vertikálního zatížení. Pilíře II-1 a II-2 dosahovaly 203 %, resp. 170 %, maximální pevnosti referenčních pilířů. Síla při porušení pilíře II-1 odpovídala více než dvojnásobku maximální síly při porušení referenčního pilíře běžného čtvercového průřezu.

Průběh deformace byl získán z datového záznamu posunu hydraulického válce, zatímco průběh síly byl kontinuálně snímán siloměrem. Porušení nezesíleného vzorku odpovídalo očekávanému standardnímu průběhu, popsaném v mnoha odborných publikacích [3] a ověřeném zkušební praxí. Základním předpokladem provedeného zesílení je dostatečné propojení zdiva pilíře a dodatečně provedené tenké vrstvy z cementového kompozitu. Soudržnost těchto dvou vrstev dosahovala excelentní úrovně, kdy po provedené zkoušce byly porušené zdicí prvky, nikoliv kontaktní zóna mezi zdicím prvkem a textilním betonem.

Čtěte také: Postupy rekonstrukce trámových stropů

Typ poškození zesilující vrstvy se lišil v závislosti na typu porušení pilíře jako celku. U pilířů standardního průřezu došlo ke vzniku první trhliny v zesilující vrstvě v rohu pilíře, kde dochází ke koncentraci tahového napětí a zároveň je výztuž částečně deformována vlivem nízkého poloměru ohýbání. Toto místo bylo zároveň místem porušení zesilující vrstvy. Zcela odlišný typ porušení můžeme popsat v případě pilířů s modifikovaným průřezem. Porušení zesilující vrstvy lze lokalizovat ve středu pilíře a trhliny se postupně rozvinuly do tří stran pilíře. Trhlina v tomto případě vznikla a dále se rozvíjela ve směru přibližně kolmém na délkovou osu pilíře. Poškození obou pilířů (II-1 a II-2) s modifikovaným průřezem bylo obdobného charakteru. Největší výhodou úpravy rohů pilíře a tím vzniklému modifikovanému průřezu lze popsat ve větším využití potenciálu výztuže a celé zesilující vrstvy, kdy dochází k částečnému snížení tahového napětí v kontaktní zóně mezi zdivem a textilním betonem. Zvýšením účinnosti zesilující vrstvy dojde ke zvýšení triaxiální napjatosti v centrální části zesíleného pilíře a tím se zvýší únosnost vůči jednoosému zatížení aplikovanému v hlavě pilíře.

Příspěvek provedeného experimentálního programu spočívá v praktickém využití textilního betonu jako alternativy k běžně používaným materiálům při zesilování tlačených zděných pilířů. Celkem bylo testováno pět cihelných pilířů o rozměrech cca 290×290×1040 mm - jeden referenční bez zesílení, dva zesílené standardního čtvercového průřezu a dva zesílené s modifikovaným průřezem. Pilíře s odříznutými rohy vykazovaly vyšší odolnost vůči dostřednému tlakovému zatížení. Maximální dosažené síly u zesílených pilířů s modifikovaným průřezem dosáhly 1170 kN, resp. 970 kN, což odpovídá 203 %, resp. 170 %, maximální síly při porušení nezesíleného referenčního pilíře. Pilíře s modifikovaným průřezem zároveň vykazovaly duktilní chování, především z důvodu místa vzniku první trhliny a jejího následného rozvoje (ve středu pilíře). Rovněž z hlediska technologie provádění bylo ověřeno, že popsaný způsob zesilování je proveditelný dostupnými stavebními prostředky.

Tabulka: Výsledky zatěžovacích zkoušek pilířů

Alternativní základy: Stavba na betonových pilířích

Dřevostavba nemusí stát nutně na masivních betonových základech. Často stačí několik betonových pilířů. Tady si můžeme ukázat alternativu ke klasickým betonovým základům - je to stavba na pilířích. Vidíme zde betonové pilíře, na kterých je položený dřevěný rám konstrukce. Pod celou stavbou je pak vzduchová mezera. Původně zde stála brizolitová chatka, kde jsme prováděli rekonstrukce pro účely trvalého bydlení. Vznikla tím zajímavá varianta, která je výhodná s ohledem na akumulaci tepla uvnitř. Část interiéru je totiž zděná a tedy schopná akumulovat teplo.

Hlavním důvodem pro stavbu pilířových základů bylo to, že na pozemek je špatná dopravní dostupnost a pokud bychom zvolili klasické základy, muselo by se sem složitě vozit hodně betonu. V otevřeném prostoru pod podlahou vzniká pohyb vzduchu a zejména v zimě, když fouká, je stavba zespodu hodně ochlazována. Proto jsme kladli důraz na dostatečnou izolaci. V tomto případě jde o 40 cm izolace pro udržení nízkoenergetického standardu. Zkušenost majitelů stavby s tepelným komfortem po 1. zimě je dobrá, 40 cm izolace je dostačující a klima uvnitř je příjemné.

Tyto základové prvky se budují stejným postupem popsaným pro vibrované štěrkové pilíře. Místo štěrku se používá předem vyrobená speciální betonová směs třídy C12/15 až C16/20. Ta se chová obdobně jako přídavný štěrkový materiál u vibrovaných štěrkových pilířů. Hloubkový vibrátor s dolním plněním je zapouštěn přes málo únosné vrstvy do únosného podloží. BRS jsou vyrobeny z čerpatelného betonu, který je čerpadlem pumpován skrz vibrátor k jeho špici. Únosnost paty pilíře se zvyšuje opakovaným zvedáním a spouštěním vibrátoru. Dřík pilíře se vytváří kontinuálním vytažením vibrátoru za nepřerušeného pumpování betonu o vysoké pevnosti už bez zhutňování.

Čtěte také: Význam betonových zátarasů pro Prahu

Vibrační soupravy jsou vybaveny integrovaným palubním systémem sběru dat. Tato data, jako je dosažená intenzita elektrického proudu a rychlost zdvihu vibrátoru, lze poté zaznamenat a zobrazit v reálném čase společně se stanovenými cílovými hodnotami na monitoru obsluhy v kabině stroje. Vibrační zařízení, které používáme, je navrženo a vyrobeno naším vlastním firemním výrobcem výhradně pro použití společnostmi koncernu Keller. Během procesu hutnění se automaticky zaznamenává celá řada výrobních parametrů jako je hloubka, spotřeba energie (el.).

Montované betonové nosné konstrukce

Publikace Miloše Zicha se zabývá problematikou projektování montovaných betonových nosných konstrukcí, jako jsou jednopodlažní haly, patrové budovy skeletového a panelového typu, základy aj. Jde především o otázky volby statického systému vhodného pro daný provoz, včetně návrhu detailů prvků a jejich styků. Montované betonové konstrukce představují dnes už zcela samostatný obor betonového stavitelství se specifickou problematikou jak v oblasti projektování, tak v oblasti realizací.

V publikaci je zachycen současný stav oboru, jehož vývoj je velmi rychlý, a to především v souvislosti s nástupem nových hmot (např. vysokohodnotných betonů, vysokopevnostních betonů, drátkobetonů apod.), nových spojovacích prostředků, nových technologií ve výrobě a montáži. Publikace je určena pro odborníky z praxe i studenty stavebních fakult směrů „Konstrukce a dopravní stavby“ a „Pozemní stavby“ v bakalářském i magisterském studijním programu.

Pozůstatky betonových základů a pilířů

Stranou od lidských cest, zarostlé trním, jsou tajné světy. Vstup do nich je snadný a přesto obtížný, musí se jen překonat odpor či strach a projít starou brankou, proskočit křovím nebo sejít z cesty. Jedno z takových míst je bývalou součástí areálu Nové Mosilany v Černovicích, mezi stromy, keři, mechy a lišejníky se nacházejí betonové základy jako pozůstatky zde dříve stojících budov. Mizející asfaltové cesty, lišejníkem porostlé staré větve stromů, betonová základová deska s torzy ocelových nosníků a detail odřezání plechového nosníku jsou svědectvím o minulém využití.

Mech se na betonovém povrchu zachytí jen slabě, i letmý dotek je odsune. V areálu se nacházejí různé druhy šachet. Čtvercová šachta vede do větší jímky, do které je svedeno více potrubí. Další šachta je bez kovového víka a oproti jiným i poměrně hluboká. Šachta je zřejmě posazena na starší zděný objekt, kterým prochází starý vodovod a snad elektrické kabely. Mezi další pozůstatky patří i prázdná plechovka od nějakého maziva. Bývalý areál byl zřejmě napojen na centrální vytápění a betonové patky podpíraly tepelné potrubí.

Vedle vyšlapané pěšiny stojí zvláštní nízká stavba. Zvědavci vyrazili do rohu nízké stavby otvor. Pohled dovnitř prozradí, že prostor je prázdný a rozdělen na více částí, které jsou z rohové díry nepřístupné.

Literatura

1. FIRMO, J. P., J. R. CORREIRA A P. FRANCA. Fire behaviour of reinforced concrete beams strengthened with CFRP laminates: Protection systems with insulation of the anchorage zones. Composites Part B: Engineering, 2012, 43, p. 1545-1556.
2. WITZANY, J., T. ČEJKA a R. ZIGLER. Failure mechanism of compressed short brick masonry columns confined with FRP strips. Construction and Building Materials. 2014, 63, s. 180-188.
3. AIELLO, M. A., F. MICELLI A L. VALENTE. FRP Confinement of Square Masonry Columns, Journal of Composites for Construction. 2009, 13, s. 148-158.
4. KUBÁT, J a R. ZIGLER, Stabilization and strengthening of historic building´s stone masonry columns. 2014. Advanced Materials Research 923.
5. VOGEL, F., O. HOLČAPEK a P. KONVALINKA. Comparisson of stress-strain diagrams in -different age of the cement matrix for textile reinforced concrete.

tags: #betonove #pilire #kniha #informace

Oblíbené příspěvky:

• Služby pro střechy v Břeclavi
• Maximální plocha vinylové podlahy bez dilatačních spár
• Rozměry stojanů na vánoční stromky
• jak navrhnout fasádu s trojúhelníkovými moduly
• Inovativní řešení HELUZ pro pasivní domy