Betonové a zděné konstrukce: Inovace a uplatnění v moderním stavitelství

Betonové a zděné konstrukce mají bohatou historii a prošly významným vývojem v oblasti materiálů i metod navrhování. V posledních desetiletích stoupá počet staveb, u kterých hrají železobetonové konstrukce podstatnou a nenahraditelnou roli. Dlouhá životnost betonových konstrukcí, pevnost a jejich stálost jsou hlavními důvody oblíbenosti této technologie. Vynález železobetonu způsobil zásadní zvrat ve stavebnictví. Cílem tohoto článku je poskytnout komplexní přehled o vlastnostech betonových a zděných konstrukcí, jejich navrhování a klíčových aspektech, které je třeba zohlednit.

Základní materiály a vlastnosti

Betonové konstrukce jsou části stavby vyrobené z čerstvého betonu, který se po uložení a zhutnění vytvrdí a přenáší zatížení z celé budovy. Patří sem základové konstrukce, základová deska, stropní deska, sloupy, nosné stěny, schodiště nebo různé prefabrikované prvky. Základem je vhodná betonová směs a promyšlené statické působení konstrukce.

Železobeton a jeho výhody

Samotný beton dobře snáší tlak, ale hůře tah, proto se do něj vkládá armovací výztuž, která přebírá tahová namáhání. Společně tak vznikají železobetonové konstrukce, které jsou odolné, tvarově stálé a vhodné pro většinu obytných i průmyslových budov. Pro výrobu železobetonu se obvykle používá ocelová výztuž kruhového průřezu s povrchem opatřeným příčnými žebírky nebo vtisky, která jsou do betonové konstrukce vkládána ve formě vzájemně provázaných tyčí nebo svařovaných sítí. Další moderní variantou jsou náhrady klasické výztuže kompozitními materiály, případně polypropylenovými vlákny. Výztuž může být pro konkrétní účely tvarově nachystána už v armovnách. Obohacením betonu o železnou výztuž bylo dosaženo požadovaných vlastností a možností použití. Využití železobetonu je všestranné. Prostorová uspořádání výztuže je vždy uzpůsobeno pro konkrétní betonovou konstrukci a dané předpokládané zatížení. Jiné uspořádání bude pro vodorovné nosníky a jiné zase pro sloupy. Výztuž musí mít dostatečnou hloubku uložení v betonové směsi, tedy nad výztuží musí být dostatečná krycí vrstva. U vodorovných nosníků je větší část výztuže uložena ve spodní části průřezu, protože se při zatížení prohýbají a ocelová výztuž tomu zabrání. Zásluhou svých vlastností a bezpečným řešením je železobeton ideální pro všechny stavební konstrukce a bez něj by mnoho staveb nemohlo být vůbec realizováno. Přitom takový strop z železobetonu vydrží navěky, nemluvě o jeho tvarových a architektonických vlastnostech.

Předpjatý beton

Pro větší rozpětí a štíhlejší prvky se používá také předpjatý beton, u kterého jsou výztužné kabely napnuté ještě před zatížením konstrukce. Díky tomu lze vytvářet subtilnější stropní desky nebo nosníky s menším průhybem. Předpínání prvků lze pokrýt i extrémní rozpětí polí. Základové desky i stropy používají předpjaté dutinové dílce Spiroll, které jsou standardně uloženy na železobetonových průvlacích o tloušťce 200 mm a výšce 500 mm.

Typy betonových konstrukcí a jejich provádění

Na stavbách se používají jak monolitické konstrukce, tak i prefabrikované prvky vyráběné v továrně.

Čtěte také: Krok za krokem: Betonové sloupky

Monolitické konstrukce

Monolit vzniká přímo na místě stavby, kdy se do bednění uloží betonová směs s výztuží a nechá se vytvrdnout. Výhodou je možnost přizpůsobit tvar konkrétnímu projektu.

Prefabrikované konstrukce

Prefabrikát je hotový díl, například panel nebo nosník, který se na stavbu pouze usadí a spojí. Skeletsystem Goldbeck se od tradičních stavebních systémů rodinných domů liší. Je to dáno také tím, že jeho původ nalezneme spíše ve stavbách větších budov, jako jsou administrativní budovy, výrobní haly nebo obchodní centra. Skeletsystem si z konstrukce velkých staveb bere to nejlepší včetně nízkých nákladů a rychlosti stavby. Prefabrikovaný železobetonový systém pro konstrukci hrubé stavby totiž nahrazuje nejnáročnější mokré procesy na stavbě. Výhodou betonové prefabrikované konstrukce pasivních domů spočívá v tom, že tvarování detailu betonové konstrukce v místě tepelného mostu, osazování a fixování polohy tepelné izolace a speciálních prvků před betonáží je prováděno ve výrobnách, kdy je prvek umístěn zpravidla na vodorovných podložkách. Problematické místo je tak velmi dobře přístupno a k dispozici je kvalifikovaný, technicky dobře vybavený pracovník. Montované systémy se snadněji vyrábějí, dopravují i montují než velkoplošné stěnové panely. Jednoznačnou výhodou montovaných systémů je rychlost výstavby a přesnost daná technologií výroby. Například i možnost vytvoření nosné konstrukce v pohledné kvalitě následně zjednodušuje postupy a snižuje pořizovací náklady.

Společnost Goldbeck Prefabeton vyslyšela požadavky řady investorů a sama začala nabízet i kompletní dokončení hrubé stavby.

Konstrukční soustavy a jejich specifika

Skeletsystem Goldbeck využívá montovaný systém základové desky se subtilními železobetonovými prvky o tloušťce 200 mm. Konstrukce je založena na monolitických patkách. Základové desky i stropy používají předpjaté dutinové dílce Spiroll. Konstrukční systém lze doplnit o balkóny a schodiště. Jednotlivé prvky můžete kombinovat a konstrukci lze postupně jednoduše doplňovat podle charakteru a požadavků na rozvoj objektu v čase.

Sloupové a průvlakové systémy

Průvlaky mohou mít nesymetrický průřez tvaru L. Dělení vnitřního prostoru podle potřeb provozu. Průběžné průvlaky se dělí u pravidelných rámových polí. Sloupy přenášejí účinky svislých a vodorovných namáhání. Používání omezeného počtu styčníků a zmenšení druhovosti dílců. Sloupy se stykují čelním srazem. Jsou náročnější na spotřebu oceli. Dodatečné rektifikace konstrukce. Tyto systémy jsou velmi univerzální a umožňují realizaci širokého spektra staveb.

Čtěte také: Postupy rekonstrukce trámových stropů

Styky prvků

Jednotlivé prefabrikované dílce jsou vytvořeny prostřednictvím styků. Tyto styky musí zajišťovat tuhost a stabilitu systému. Spoje prvků jsou nejchoulostivější částí konstrukce systému a místem nejčastějších poruch. Typickými způsoby spojování jsou svařování, šroubové spoje a zmonolitnění betonem. Styky sloupů jsou velmi důležité pro přenos svislého zatížení. Tuhé montážní styky sloupů. Styky mohou být provedeny pomocí příložek, uložením na ozub, ocelovými botkami nebo svařováním. Řádné uložení a zpracování betonové zálivky je nezbytné pro zajištění spolehlivosti styku. Pro exaktní provedení sváru i následné zálivky. Používá podkladních spojovacích destiček. Spojování tažené výztuže. Styky sloupů i uložení všech typů stropních prvků pro všechny velikosti zatížení i rozpětí. Délka sloupů závisí na výšce konstrukce a montážních možnostech. Musí se řádně označit, aby nedošlo při montáži k jejich záměně. Může být i datum výroby. Styk zmonolitní a chrání ocelové spojovací součásti před korozí. Způsoby spojování jsou velmi rozmanité.

Betonové konstrukce v pasivních domech

Beton vykazuje značnou pevnost v tlaku, která umožňuje navrhnout stěny železobetonové nebo z prostého betonu velmi malé tloušťky. Je obecně známo, že pro pasivní domy je nejvýhodnější takový obvodový plášť, který dokáže zajistit dostatečnou tepelně-izolační funkci při co nejmenší celkové tloušťce obvodové stěny. Tomuto požadavku plně odpovídá například betonová stěna tloušťky 120 mm, která s vrstvou tepelně-izolačního pěnového polystyrenu tloušťky 300 mm vytváří obvodový plášť celkové tl. 420 mm.

Výhody a úspory

Na první pohled nepříliš významný rozdíl v tloušťce 80mm je ve skutečnosti velice významný. Pohybuje-li se výsledná energetická náročnost domu těsně kolem sledovaných 20 kWh/(m2a), může tato hodnota rozhodnout o tom, zda kritérium pro pasivní domy bude splněno nebo nikoliv. Další významnou výhodou betonové nosné konstrukce pasivního domu je vysoká objemová hmotnost betonu, která velmi příznivě zvyšuje akustický útlum obvodové stěny a akumulaci tepla. V neposlední řadě je to velmi dobrá vzduchotěsnost vzhledem k tomu, že betonové stěny ať železobetonové nebo z prostého betonu vždy obsahují minimálně konstrukční betonářskou síť u obou povrchů, která brání vzniku trhlin od objemových změn a od statického zatížení. V důsledku tenké betonové nosné stěny dochází ke zmenšení celkové tloušťky obvodového pláště domu v porovnání se zděnými technologiemi a tím dochází k úsporám nejenom obytné plochy, ale i k výraznému snížení energetické náročnosti domu. Každý ušetřený metr čtvereční užitné plochy znamená pro investora úsporu přibližně 25.000 Kč (dle dnešních cen na trhu nemovitostí). Při porovnání se zatepleným zdivem z keramických tvárnic tloušťky nad 30 cm, se dostáváme k výraznému rozdílu desítek a nezřídka i stovek tisíc korun, kterými je investor již volbou konstrukčního systému hendikepován. Současně se snížením tloušťky konstrukcí dochází k vylepšení objemového faktoru tvaru budovy, s kterým je energetická náročnost budov úzce spjata. Jednoduše řečeno za menší náklady lze postavit úspornější dům. Poučenou optimalizací konstrukčního systému a dalších prvků pasivního domu lze snížit vícenáklady na jejich výstavbu pod 10% oproti běžné výstavbě.

Řešení tepelných mostů

Základním problémem při snaze vytvořit architektovi lepší podmínky pro ztvárnění domu je vyřešit průnik nosné konstrukce vynášející architektonické prvky zateplovacím pláštěm tak, aby pronikající nosná konstrukce zajistila přenos požadovaných vnitřních sil a přitom aby byl tento průnik zdrojem minimálních tepelných ztrát. Jako příklad potřebných průniků zateplovacím pláštěm, které obvykle bývají současně i nástrojem k architektonickému ztvárnění domu, lze uvést balkonovou desku konzolově vyloženou z vnitřní stropní desky, nebo konzolově vytažený přesah střešní desky před vnější povrch zateplovacího pláště. Tento konstrukční prvek je u pasivních domů obzvláště důležitý vzhledem k tomu, že spolu s architektonickou funkcí plní významnou funkci stínící. Každý z těchto průniků je potenciálním tepelným mostem a zdrojem tepelných ztrát. Vhodnou volbou nosného průřezu, jeho minimalizací, správným návrhem tepelně-izolační vložky, kterou proniká jen antikorozní výztuž, lze tepelné ztráty redukovat v řadě případů na velmi přijatelné až zanedbatelné hodnoty. Při návrhu detailu průniku nosné konstrukce tepelně-izolačním pláštěm je nezbytná úzká a trpělivá součinnost statika s projektantem, který výpočtem sleduje energetickou bilanci domu. Velmi přijatelné hodnoty lineárního činitele prostupu tepla lze dosáhnout úpravou paty stěnového prefabrikovaného dílce, kdy je nosný průřez stěny zredukován na nosné můstky se staticky nezbytným průřezem.

Zděné konstrukce a sevřené zdivo

Sevřeným zdivem ve smyslu ČSN EN 1996-1-1:2023 se rozumí zdivo, které je dodatečně (po vyzdění) obetonované železobetonovými ztužujícími prvky nebo prvky z vyztuženého zdiva. Tyto ztužující prvky zdivo svírají tak, aby všechny materiály spolupůsobily proti účinku zatížení. V žádném případě se nejedná o železobetonový skelet dodatečně vyzdívaný, kde je opačný postup výstavby (nejprve betonáž ŽB prvků a následně zdění). Nový EC6_2G zavádí některá aplikační pravidla. Předchozí vydání ČSN EN 1996-1-1+A1 obsahovalo jen zásady pro navrhování. Informace o sevřeném zdivu ve světě, jako jsou používané konstrukční zásady pro provádění i metody návrhu těchto konstrukcí, lze najít např. na portále projektu Confined Masonry Network. První provedení staveb ze sevřeného zdiva bylo v Itálii po katastrofálním zemětřesení v italské Messině v roce 1908, a potom v Chile po zemětřesení „Talca earthquake“ v roce 1928. Konstrukcemi ze sevřeného zdiva byla snaha naplnit oprávněný požadavek, aby nově budované tradiční zděné stavby byly odolnější k účinkům zemětřesení. Mezi evropské země, kde se využívá delší dobu sevřené zdivo, se řadí Itálie, Srbsko, Slovinsko, celý Balkánský poloostrov, Rumunsko a určité zkušenosti jsou také z Řecka a Portugalska. Z výše uvedeného je zřejmé, že navrhování sevřeného zdiva je spojeno s návrhem konstrukce na seizmickou návrhovou situaci dle EC8. V konstrukčních zásadách EC6_2G je uveden základní požadavek na vybetonování ztužujících prvků až po dokončení zděné stěny, což je hlavní znak sevřeného zdiva. Předpis EC6_2G nepokrývá sevřené zdivo ze zdicích prvků skupiny 4 (s vodorovnými otvory). Charakteristická pevnost betonu v tlaku pro ztužující prvky sevřeného zdiva nemá být menší než větší z hodnot pevnosti v tlaku zdiva nebo než 20 MPa. Ztužující prvky pro sevření zdiva se umístí v úrovni každého stropu, v každém křížení stěn a podél obou okrajů otvorů o ploše větší 1,5 m2. Mají se také provést třmínky o průměru ≥ 5 mm o vzdálenosti rovné menší z hodnot 250 mm nebo tloušťka stěny. Do vzdálenosti 0,6 m od konců ztužujících prvků nemá být osová vzdálenost třmínků větší než 150 mm. Podle EC6_2G mají být splněny určité požadavky pro zajištění spolupůsobení ztužujících prvků a zdiva. U sevřeného zdiva se mají zdicí prvky, které navazují na ztužující prvky pro sevření, vzájemně přesahovat podle ustanovení pro vazbu zdiva. Alternativně se má provést vyztužení pruty o průměru alespoň 5 mm, které jsou umístěny ve vzdálenosti nanejvýš 300 mm a plně zakotveny do výplňového betonu a maltových spár. Je třeba upozornit, že EC8_1G obsahuje další konstrukční zásady a požadavky pro sevřené zdivo při seizmické návrhové situaci, které jsou mnohdy přísnější než ustanovení v EC6_2G.

Čtěte také: Význam betonových zátarasů pro Prahu

Navrhování a normy

Při navrhování betonových konstrukcí je nutné dodržovat všeobecné zásady a normy, zejména Eurokódy. Student rozumí tvorbě vnitřních sil na základních druzích nosníků a dovede určit napjatost průřezů. Cílem předmětu je seznámit studenty se základy technologie výroby betonové směsi a s faktory ovlivňujícími její vlastnosti. Vysvětlit technologii provádění betonových konstrukcí a jejich armování, kontrolu jakosti a metody zkoušení. Dále naučit studenty navrhovat jednoduché betonové prvky pro základní případy namáhání a zděné konstrukce. Student po úspěšném absolvování předmětu zná zásady navrhování betonových prvků (krytí výztuže, stykování výztuže) a zásady návrhu dle Eurokódů. Umí navrhnout a posoudit betonové prutové konstrukce na základní druhy namáhání (tlak, ohyb a smyk). Dále umí navrhnout a posoudit jednoduché zděné konstrukce. Umí stanovit složení betonové směsi a zná technologické postupy výroby betonu a orientuje se v příměsích ovlivňujících vlastnosti betonové směsi.

Pro posuzování mezních stavů únosnosti sevřeného zdiva se vychází ze způsobů porušení, které může být jednak v tlaku, ohybem a/nebo smykem v rovině zdiva. Obvykle pro seizmicky exponovanou a namáhanou konstrukci ze sevřeného zdiva není rozhodující samotné svislé zatížení (při trvalé návrhová situaci), ale jeho kombinace s vodorovným seizmickým zatížením (při seizmické návrhové situaci). Pokud po výšce nedochází ke změně průřezu stěny, potom v dolních podlažích je obvykle kritické porušení v rovině (smyková stěna), ale v horních podlaží může rozhodovat zatížení vodorovnými setrvačnými silami příčně na rovinu zdiva. První generace EC6_1G obsahuje jen zásady, nikoli aplikační pravidla. Druhá generace EC6_2G zavádí aplikační pravidla přímo ve formě analytických vztahů pro sevřené zdivo. Přičemž obecné zásady jsou víceméně zachovány, případně upřesněny. Jako délka stěny se zde uvažuje vždy délka zdiva včetně svírajících prvků. Odolnost sevřeného zdiva na převážně svislé účinky nebyla v předchozím vydání EC6_1G a ve zde uvedených zásadách speciálně komentována, byla komentována společně s ohybem v rovině stěny. U nově zavedeného aplikačního pravidla v EC6_2G lze ovšem tvrdit, že splňuje zásady z předchozího vydání EC6_1G, tj. účinek tlačené výztuže se neuvažuje. V EC6_2G je také upřesněno, že délkou sevřeného zdiva se rozumí délka včetně svírajících prvků. Únosnost v ohybu v rovině stěny dle EC6_2G je v souladu se zásadami uvedenými v předchozím vydání EC6_1G. Odolnost stěny v ohybu v rovině se stanovuje na základě předpokladů zobrazených na obrázku. Předpokládá se, že je plně aktivována návrhová hodnota meze kluzu výztuže v tahu a že v tlaku působí obdélníkové tlakové napětí v betonu a zdivu, který je v souladu s ekvivalentním obdélníkovým pracovním diagramem. Pokud tlačená oblast zasahuje i do zdiva, potom se volí pevnost v tlaku podle méně pevnějšího materiálu. Pokud je ale veliká hodnota svislého zatížení NEd , nemusí dojít k plnému aktivování fyd. Případně lze použít složitější (iterační) výpočet. V zásadách předchozího vydání EC6_1G je uvedeno, že platí předpoklady jako pro nevyztužené zdivo a že délka tlačené oblasti průřezu ls se předpokládá jako délka zdiva. Nová generace EC6_2G místo ls zavádí ve vzorci pro smykovou odolnost účinnou výšku průřezu d, tj. vzdálenost těžiště výztuže ve svírajícím prvku táhlo-sloup k opačnému konci sevřené smykové stěny. Jinak jsou předchozí zásady nezměněny. Postup je analogický k posouzení nevyztuženého zdiva. Průměrné svislé tlakové napětí působící na stěnu vzdorující smyku, které je vstupním parametrem pro stanovení fvd , není v EC6_2G komentováno. Mezi ostatní zatěžovací podmínky se řadí zejména zatížení příčným zatížením na rovinu sevřeného zdiva při seizmické návrhové situaci, které může být rozhodující pro vyšší podlaží zděného objektu. Při navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení je třeba vycházet z ustanovení v EC8. V případě nutnosti provést analýzu konstrukce, tak se vychází ze seizmické návrhové situace s odpovídajícími součiniteli spolehlivosti zatížení a součiniteli kombinace dle EC8. Analytické vztahy pro sevřené zdivo jsou vyjádřeny pro vnitřní síly. Pro maximální využití kapacity konstrukce lze doporučit použití nelineární inkrementální metody, kdy jsou vnitřní síly při dosažení podmínek plasticity v jednom konstrukčním prvku dále plasticky přerozděleny po konstrukci. Efektivní je tzv. pushover analýza.

Vybrané normy pro betonové a zděné konstrukce

  • ČSN 72 3000: Výroba a kontrola betonových stavebních dílců.
  • ČSN EN 1996-1-1:2023: Eurokód 6: Navrhování zděných konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla pro vyztužené a nevyztužené zděné konstrukce.
  • ČSN EN 1998-1:2013: Eurokód 8: Navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení - Část 1: Obecná pravidla, seizmická zatížení a pravidla pro pozemní stavby.
  • ČSN 1992-1-1 ed. 2:2019: Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby.
  • ČSN 73 2400: Provádění a kontrola betonových konstrukcí.
  • ČSN 73 1201: Navrhování betonových konstrukcí.
  • ČSN EN 206: Beton - Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda.
  • ČSN EN 1998-1 ed. 2:2013: Eurokód 8: Navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení - Část 1: Obecná pravidla, seizmická zatížení a pravidla pro pozemní stavby.
  • ČSN EN 447: Malty pro předpínací kabely - Požadavky na běžnou maltu.
  • ČSN 27 0140-1: Jeřáby a zdvihadla. Společná ustanovení.

Případová studie: Vila v prudkém svahu

V případě luxusní vily v prudkém svahu v severních Čechách dokázal Skeletsystem vyhovět několika náročným požadavkům architekta a investora. Založení se dalo vyřešit buď za pomoci rozsáhlých zemních prací, bagrování a vybudování masivní opěrné zdi, nebo založením na železobetonových patkách. Pozemek připravil pro stavaře řadu překážek, ale má neoddiskutovatelnou hodnotu pro budoucí obyvatele - celkový nadhled a panoramatické výhledy do okolí. Právě požadavek na použití panoramatických oken byl jedním z dalších důvodů pro volbu Skeletsystemu Goldbeck. Návrh konstrukce dle podkladů od architekta trval jeden týden. Po vydání stavebního povolení začal investor realizovat železobetonové patky. Montáž Skeletsystemu Goldbeck trvala od 12. 5. 2014 do 21. 5. 2014 a prováděl ji montážní tým Goldbeck. S vyzdívkou a dalšími pracemi pokračuje investorem najatá stavební firma.

tags: #betonove #vyzdivane #konstrukce #informace

Oblíbené příspěvky: