Ocelové sloupky do betonu: Praktický průvodce a statické aspekty

Příspěvek se zabývá problematikou vylévání ocelových sloupů betonem a otázkou, jak se projeví rozdílnost součinitelů příčné kontrakce obou materiálů. Přestože se na první pohled, pro případ prostého tlaku, zdá být úloha zcela banální, mohou prezentované skutečnosti svým způsobem překvapit. Za pozornost určitě stojí nezanedbatelné tahové napětí kolmo na osu betonové výplně. Ocelové sloupy vylité betonem jsou celkem standardním konstrukčním prvkem, přesto se naskýtá otázka, zda spřažení betonu a oceli je věnována patřičná pozornost.

Teoretické základy spřažení oceli a betonu

K napsání tohoto příspěvku vedla otázka, jaké napětí vznikne na vnitřním povrchu ocelové trubky vylité betonem. Trubka v konstrukci funguje jako sloup a pro jednoduchost uvažujeme, že nastane případ prostého tlaku. Je všeobecně známo, že součinitel příčné kontrakce oceli je větší než součinitel příčné kontrakce betonu, a to by se mělo v namáhání trubky vylité betonem nějak projevit. I když se ve výuce předmětu Pružnost a pevnost toto přímo detailně neprobírá, dává se v předmětu návod, jak danou otázku řešit.

V deformační variantě řešení problému matematické teorie pružnosti se říká, že neznámé složky vektoru pole posunutí vyřešíme na základě známých rovnic rovnováhy. K těm se dostaneme přes rovnice geometrické a fyzikální. Při malých deformacích dávají geometrické rovnice návod na výpočet tenzoru malých deformací. Fyzikální rovnice pro izotropní lineárně pružné těleso známe jako zobecnělý Hookeův zákon se dvěma materiálovými parametry, Youngovým modulem pružnosti a součinitelem příčné kontrakce. Fatální otázkou je technický odhad či zjednodušení hledaného pole posunutí. V případě trubky je asi nabíledni řešit úlohu v cylindrických souřadnicích.

Pro úplnost připomínáme, že v průběhu řešení se nám objevily integrační konstanty a pro popis deformace jsme zavedli neznámý parametr popisující poměrnou deformaci ve směru osy sloupu. Celkem dle očekávání vidíme, že při prostém tahu je napjatost ve sloupu hlavní. Teď už jen zbývá pro konkrétní případy zatížení dořešit neznámé konstanty.

Příklad výpočtu napětí v ocelovém sloupu

Nechť ocelový sloup, jehož průřez je mezikruží, je tlačen konstantní silou. Potom se vyvodí konstantní záporná svislá deformace. Youngův modul pružnosti uvažujeme a Poissonův součinitel. Pro ilustraci např. Vnitřní a vnější poloměr sloupu jsou známé. Výsledek je relativně triviální a odpovídá očekávání. Nevím, zda všichni uhádli, že radiální posun na vnitřním a vnějším líci bude stejně orientován!?

Čtěte také: Trny do dřeva: Průvodce

Řešme ten samý ocelový sloup, jehož průřez je mezikruží, je opět tlačen konstantní silou, ale navíc je vylit betonem. Nechť zatížení vyvodí stejnou konstantní zápornou svislou deformaci. Youngův modul pružnosti oceli uvažujeme a Poissonův součinitel, stejně jako v předchozí úloze. Pro beton jsme zvolili parametry a. Opět uvažujeme, že zatížení vyvodí poměrnou deformaci. Vnitřní a vnější poloměr sloupu jsme zachovali. Horní levý index 1 přísluší oceli, a tedy dosazujeme parametry oceli, a stejně činíme i pro beton, jemuž přísluší horní levý index 2. Napjatost v ocelové trubce je opět hlavní. Nejnepříznivější hodnoty jsou na styku oceli a betonu, potom mírně absolutní hodnoty klesají. Proto uvádíme hodnoty na obou dvou lících trubky. Napjatost v betonu trubku vyplňujícím je konstantní a hlavní, přičemž nabývají stejných kladných hodnot.

Historický kontext spřažení materiálů

V historických dobách byly návrhy konstrukcí určitým způsobem limitovány přírodními zdroji. To se týkalo nejen kamenných konstrukcí, můžeme vzpomenout řeckou Akropolis, ale i konstrukcí v nichž se větší měrou použily dřevěné prvky. Rozpon při zastropování dřevěnými trámy byl limitován mohutností a výškou stromů rostoucích v lese. Slyšeli jsme, že např. v Británii si netroufali na větší rozpětí, neboť díky klimatickým podmínkám neměli dostatečně mohutné stromy.

Vidíme že v době přednewtonovské a předhookeovské, v době, kdy ještě nevěděli, co je Bernoulliova Navierova hypotéza, si Leonardo da Vinci uvědomil, že dva trámy musí spřáhnout, aby se navýšila únosnost a snížil průhyb. Pouhým položením dvou trámů na sebe bychom únosnost prakticky zdvojnásobili, neboť smyku na ploše kontaktu trámů se nedá důvěřovat. Toho si v 15. století všiml i Leonardo da Vinci a navrhl spřažení. Je vidět, že si i uvědomoval, že vrchní vlákna jsou tlačená a spodní tažená.

Vraťme se však k naší úloze zvýšení únosnosti ocelového sloupu tvořeného ocelovou trubkou. Pokud bychom předpokládali, že styku betonu a oceli nemůžeme důvěřovat, jednalo by se o dva nezávislé sloupy, vzhledem ke stejné deformaci, paralelně spojené. Tedy něco podobného, jako když dva trámy položíme na sebe, či vedle sebe. Je celkem paradoxní, že spřažením oceli a betonu namáhání trubky zhoršíme, tlakové napětí při stejné osové deformaci vzroste, v našem případě v absolutní hodnotě o cca 2,5 %. Rovněž i beton si výrazným tahem znatelně pohorší. Takže pokud bychom věděli, že pro náš sloup, asi krátký, je rozhodující porušení tlakem, bylo by dobré jakémukoliv spojení oceli i betonu zabránit. Význam spřažení nachází opodstatnění až v případě, že musíme uvažovat vzpěr.

Někomu by se mohlo zdát, že jsme šli na zajíce s kanónem. Přesto si však myslíme, že některým prezentovaným skutečnostem by měla stavební praxe věnovat pozornost. Pokud zanecháme původní konstrukci a neměníme zatížení, určitě vylitím sloupů betonem únosnost zvýšíme. Článek je zaměřen na problematiku vylévání sloupků betonem. Na tento zdánlivě jednoduchý problém autoři pohlížejí poněkud netradičně, poukazují na nezanedbatelné tahové napětí kolmo na osu betonové výplně a zdůrazňují důležitost spolupůsobení. Článek je psán srozumitelně, ilustrace a někdy i poměrně populární forma výkladu rozhodně zvyšují čtivost. Jedná se o zajímavý příspěvek z oblasti praktického problému mechaniky kontinua.

Čtěte také: Průvodce výběrem kotevní techniky

Praktické aspekty betonování ocelových sloupků

Naučte se správně zabetonovat sloupky na plot nebo bránu. Jakou hloubku zvolit, jaký beton použít a jak postupovat, aby sloupky vydržely desítky let? Se stavbou plotu je nutné začít poctivě od základu. A to doslova. Tedy správným rozvržením pozemku, vyhloubením děr a zabetonováním sloupků. Než se pustíte do práce, promyslete si materiál, pletivo, obvod plotu, postup práce i to, že betonem zalité sloupkové díry musí minimálně tři až pět dní schnout a v těchto dnech by nemělo mrznout, protože zmrzlá voda by beton roztrhala.

Příprava terénu a vyměřování

První věcí, kterou bychom měli začít, je zmapování terénu. Bude nás zajímat jeho členitost, nerovnosti a skladba zeminy. Dále musíme zvážit typ pletiva a sloupků, délku oplocení a jeho účel. Již při vyměřování oplocení je nutné vzít ohled na nerovnosti terénu. Doporučujeme budoucí plot vytyčit provázkem ve výšce spodního napínacího drátu a označit kolíkem nebo značkovacím sprejem místa, kde bude sloupek. Dosáhnete tím toho, že sloupky budou vůči sobě v zákrytu a dráha plotu povede rovně.

Plánovaný obvod plotu vytyčte kolíky a napnutým provázkem. Nejen, že později při hloubení děr neuhnete z přímky, budete moci „nanečisto“ zhlédnout, kudy plot povede, ale hlavně zjistíte, jestli se nechystáte pletivo mezi sloupky instalovat na nerovném terénu. Pokud by tomu tak bylo, je potřeba část zeminy ukopnout nebo navézt hlínu do ďolíku. Místa sloupků při vyměřování provázkem vyznačte značkovacím sprejem, nebo vytyčte kolíkem. Při kopání děr pak nebudete muset vše několikrát přeměřovat.

Rozestupy a hloubka sloupků

• Klasické pletivo: doporučujeme sloupky zabetonovat ve vzdálenosti cca 2,5 m, maximálně 3 m od sebe. Vzdálenost mezi jednotlivými sloupky přitom měříme tak, aby byla v rozmezí 2,5 až 3 metry. Pokud chcete mít plot pevnější, volte raději kratší rozestupy. U čtyřhranného nebo pletiva nebo svařovaných sítí není třeba precizně měřit vzdálenost mezi sloupky, pokud nebudete používat podhrabové desky.
• Panelové oplocení a podhrabové desky: musí být sloupky v přesné vzdálenosti podle šířky panelu či betonové desky.

Máte vyměřeno? Vychází všechny rozestupy mezi sloupky, na branku či bránu správně a zapravili jste všechny nerovnosti terénu? Pak se můžete vrhnout na tu část práce, u které se během instalace plotu nejvíc zapotíte - hloubení děr. Betonování by mělo probíhat až do nezámrzné hloubky, jinak hrozí, že přes zimu promrzne zemina kolem betonu. Určitě jste již viděli různě vychýlené nebo nakloněné sloupky. Abyste tomu zabránili, doporučujeme jít do hloubky 80 cm pod terén u standardních zemin, u jílovitých čím hlouběji, tím lépe. Chápeme, že kopat 80 cm hluboký otvor pro úzký plotový sloupek, který v zemi stejně bude jen cca 50 cm se nikomu nechce. Reálně se proto ploty zakládají do děr o hloubce okolo 50 až 60 cm. V našich podmínkách je doporučená hloubka betonování 80 až 120 centimetrů.

Z délky sloupku se do betonu zapouští asi 50 cm. Průměr otvoru pro sloupek by měl být v rozmezí od 20 do 30 cm, přičemž díru se snažíme udělat tak, aby měla kuželovitý tvar (tedy aby měla větší průměr v dolní části). Průměr jámy stačí přibližně trojnásobný oproti šířce sloupku. Díry je dobré si přeměřit nejen pro přehled o tom, jestli už je otvor dostatečný, ale také si budete podle rozměrů schopni přes objem válce spočítat přibližnou spotřebu betonu. Hloubení menšího počtu děr nebo kopání v tvrdé kamenité půdě se dá zvládnout s rýčem a lopatou, pro větší plochu oplocení se vyplatí motorový nebo ruční vrták. S výběrem hlíny z děr pomůže ruční bagr.

Čtěte také: Dřevěné vs. ocelové konstrukce sádrokartonu

Výběr a míchání betonu

Výběr správného betonu na sloupky závisí na typu konstrukce. Pro nižší plot s plotovkami ukotvěte lehké sloupky do betonu C16/20 (číslo označuje pevnostní třídu). Oba stavební materiály se prodávají i ve formě mrazuvzdorného betonu pro montáž na podzim a v zimních měsících. Zatímco výše zmíněné druhy betonu tvrdnou 24 až 48 hodin, s rychletuhnoucím betonem máte vystaráno už za 2 hodiny. Postačí vám standardní betonový potěr B20 (C16/20). Na sloupky je však nejvhodnější takzvaný "RAPID" beton, který má zrychlené počáteční tuhnutí a umožní realizovat oplocení během jednoho dne.

Při míchání betonu se držte pokynů, které uvádí na obalu výrobce, nebo použijte pytlový beton. Tato varianta je dražší než vlastní míchání z cementu, ale za to méně pracná. Doporučujeme používat spíš sušší beton s drobnými kamínky. Nepoužíváte předpřipravenou směs? Namíchejte beton v poměru jeden díl cementu, dva díly písku a tři díly štěrku. Konečný objem dopočítáte podle potřebného počtu sloupků na plot. Pokud se do míchání vrhnete sami, dodržte poměr kameniva (písku), vody a cementu podle návodu výrobce.

Beton lze koupit také v betonárce, kde se cena pohybuje okolo 2500 až 3000 Kč za m3 v závislosti na dodavateli, lokalitě apod. (bez dovozu). S takto dovezeným betonem se velmi dobře pracuje, má optimální konzistenci a nevyžaduje žádnou další úpravu.

Spotřebu betonu spočítáte přibližně pomocí vzorce pro objem válce (či kužele - záleží na tvaru děr). Pro zjednodušení použijeme objem válce V = π * r² * v, kdy π je 3,14, r² poloměr díry na druhou a v je hloubka díry. Typická díra pro sloupek má průměr 0,3 m (poloměr tedy 0,15 m) a hloubku 0,6 m. V našem ukázkovém případě V = 3,14 * 0,152 * 0,6 = 0,04239 m3 betonu na jednu díru.

Postup betonáže

1. Začněte výkopem, který musí sahat do nezámrzné hloubky.
2. Před betonováním nalijte do děr trochu vody. Než do vyhloubené díry vsypete první lopatu, dejte na spodek trošku štěrku a polijte ho vodou.
3. Poté umístěte do díry sloupek, na který použijte magnetickou vodováhu. Ještě lépe se vám bude pracovat s dvěma vodováhami, abyste jednu nemuseli neustále přendavat po obvodu sloupku.
4. Přihodťe pár lopat betonu tak, aby sloupek bez pomoci držel ve svislé poloze. Sloupek zajistěte uprostřed výkopu dřevěnými vzpěrami nebo provazem a postupně lijte beton.
5. Vsypaný beton uhutněte pomocí topůrka, kulatiny, latě apod. Průběžně hlídejte jeho polohu vodováhou a každou vrstvu zhutněte tyčí. Tím se zbavíte vzduchových bublin, které by mohly ve směsi zůstat a snížit pevnost základů. I v tomto případě platí, že je dobré tvrdou kulatinou, například násadou od pracovního náčiní, beton postupně udusávat.
6. Následně podle vodováhy sloupek vyrovnejte do kolma se zemí, dosypte beton do zbytku díry a opět dobře uhutněte. Vždy několikrát zkontrolujte vyrovnání sloupku podle vodováhy! Nezapomínejte na kontrolu usazení sloupku vodováhou, ve ztuhlé hmotě už byste křivý sloupek nenarovnali. Pozor dejte také na to, aby byly sloupky zabetonované do stejné výšky nad zemí. Sloupky fixujte do plánované výšky plotu.
7. Poslední vrstvu uhlaďte zednickou lžící.

Beton začíná tuhnout během první hodiny. Povrch pravidelně kropte, aby nepopraskal, a při přeháňkách jej zakryjte plachtou nebo fólií. Ta vám přijde vhod i v zimě, kdy je u nemrznoucí varianty potřeba zabránit úniku tepla. Po dokončení posledního sloupku nechte beton minimálně 4 dny vytvrdnout před napínáním napínacího drátu. V opačném případě by se mohl sloupek v betonu pohnout. U klasické směsi vyčkejte s montáží plotovek (popř. s montáží dalších prvků začněte až po dostatečném vytvrdnutí betonu).

Ukotvení vzpěr a bran

Pokud budou sloupky podepřeny vzpěrami, zabetonujte i je. Správně by měly být u každého rohového sloupku a nejdéle po 25 m délky rovného plotu. S hlavním sloupkem by měly svírat úhel 45°. Pokud budou součástí plotu podhrabové desky, instalujte na sloupky jejich koncové i průběžné držáky v této fázi.

Pro montáž brány vybírejte sloupky s patkou, které snesou vysokou zátěž. Nezapouštíme je do betonu, ale kotvíme pomocí šroubů a chemické kotvy až na hotový základ. Montáž probíhá jednoduše: Po vyzrání betonu (po 28 dnech kvůli vysoké zátěži) přiložíte sloupek s patkou na připravený základ a označíte si místa pro kotvení. Do předvrtaných otvorů vložíte závitové tyče a aplikujete chemickou vinylesterovou maltu.

Alternativy betonování

Zemní vruty nemusí nutně sloužit jen jako základy pro pergoly, zahradní domky, prolézačky či jiné dřevostavby. Dají se použít i místo betonu u plotových sloupků. Je opravdu třeba betonovat? Odpověď na tuto otázku vám poskytne typ půdy na vašem pozemku. Zemní vruty jsou vhodnější spíše do pevnějších a tvrdších půd. Čím měkčí zemina je, tím delší vruty je třeba použít. Na plotové sloupky jsou však plně dostačující vruty o délce 550 nebo 650 mm. Jediným typem půdy, kde byste je používat neměli, je zavážka.

Ocelový pozinkovaný sloupek (typ - koncový) určený pro stavbu betonového plotu. Vhodný zejména pro stavbu oplocení na podezdívku či jiný betonový podklad. Sloupky výšky 150 cm jsou primárně určeny pro desky o výšce 50 cm. Zdobnou deskou je myšleno např. Ocelový pozinkovaný sloupek (typ - průběžný) určený pro stavbu betonového plotu. Vhodný zejména pro stavbu oplocení na podezdívku či jiný betonový podklad. Sloupky výšky 200 cm jsou primárně určeny pro desky o výšce 50 cm. Zdobnou deskou je myšleno např. Postup pro ukotvení sloupků je stejný, jako u ukotvení patek na sloupky pro klasické pletivo.

tags: #ocelovy #sloupek #do #betonu #informace

Oblíbené příspěvky:

• Nabídka stavebnin Rumburk
• Jak na zobrazení času v liště Windows
• Dlažba pro garáže a příjezdové cesty
• stavba domu z cihel Porotherm
• Kniha Moderní fasády