Předložená publikace je určena především pro projektanty pozemních staveb. Záměrem autora bylo poskytnout souhrnnou příručku pro navrhování konstrukcí, která usnadní provedení architektonického a konstrukčního návrhu tím, že umožní předběžný návrh dimenzí nosných konstrukcí za použití relativně jednoduchých pravidel, empirických vzorců, popř. dalších nestandardních metod. Při použití příručky je nutné vycházet vždy z konkrétních podmínek, ve kterých konstrukce působí, a splnit okrajové podmínky, za kterých návrh platí.
V textu nebo na obrázcích uváděné rozměry konstrukcí je nutno chápat jako směrné, proto je vždy nutno přihlédnout ke konkrétním podmínkám a rozměrové hodnoty v konečném návrhu staticky ověřit. V příloze je pak uveden výtah statických veličin a přehled některých vzorců, rovněž potřebných pro návrh konstrukce. Vzhledem k uvádění empirických vztahů je třeba použít odpovídající jednotky veličin.
Prostorová tuhost konstrukcí
Prostorovou tuhostí nazýváme schopnost stavební konstrukce odolávat zatížení, které působí obecným směrem. Pro zajištění prostorové tuhosti objektu musí být, za předpokladu tuhých stropů či střešní roviny, konstrukce ztužena alespoň ve třech svislých rovinách, které se neprotínají ve společné přímce (průsečnici).
Mezi základní prvky zajišťující prostorovou tuhost patří:
- Vetknuté sloupy: Především u halových jednopodlažních popř. dvoupodlažních staveb musí být dostatečně zakotvené do základů.
- Příhradová zavětrování: Jsou typická pro dřevěné a ocelové skelety a halové stavby. Zajišťují tuhost konstrukce pouze ve své rovině, kolmo ke své rovině jsou měkké. Staticky jsou velmi výhodné s ohledem na přenos účinků osovými silami v jednotlivých prutech a díky velké tuhosti.
- Rámy: Jsou možné u všech typů staveb a jsou architektonicky a provozně velmi výhodné. V halách jsou časté dvoukloubové rámy různých provedení, u vícepodlažních budov patrové rámy, které vzniknou tuhým spojením sloupů s průvlaky. Typickým materiálem pro rámy je železobeton.
- Stěny: Jsou možné u všech druhů staveb; u obytných a provozních budov mohou tvořit výztužné stěny štíty, dělicí příčky (mezibytové apod.), schodišťové stěny a stěny u výtahů probíhající po celé výšce objektu. Staticky působí jako konzoly vetnuté do základů, jejich tuhost je závislá především na šířce stěny.
- Monolitická jádra: Vznikají propojením stěn ohraničujících komunikační prostory. Od pěti podlaží je hospodárné použití posuvného bednění.
Dilatace
Podle příčiny se dilatace navrhuje pro předpokládaný vzájemný posun ve svislém směru, například pro různé sedání, nebo ve vodorovném směru z důvodů objemových změn materiálu konstrukce, způsobených například smršťováním betonu, tepelnou roztažností apod. Velikosti dilatačních celků pro jednotlivé konstrukční materiály jsou předepsány v některých normách, nebo se musí konstrukce na účinek například smršťování betonu posoudit.
Čtěte také: Betonová patka: Důležité aspekty
Při kombinaci různých materiálů je nutné vzít v úvahu nejnepříznivější z hodnot. Velikost dilatačního úseku závisí také na uspořádání ztužujících prvků stavby. Například největší délky dilatačních celků s ohledem na tepelnou roztažnost jsou u ocelových konstrukcí, pokud je konstrukce uspořádána tak, že konstrukce může volně dilatovat od středu k oběma koncům. Podle ČSN EN 1992-1-1 lze u železobetonových konstrukcí zanedbat účinky teploty a smršťování, pokud je dodržena maximální vzdálenost dilatačních spár djoint = 30 m. Pro prefabrikované konstrukce mohou být vzdálenosti spár větší, protože část smršťování a dotvarování proběhla před montáží.
Zatížení střech
Nosná konstrukce střech závisí především na tvaru zastřešení, zatížení vlastní tíhou střešního pláště, nahodilým zatížením sněhem a větrem. U střech s větším sklonem se zpravidla navrhují krovy, nejčastěji dřevěné. Při větších rozponech nebo neobvyklých tvarech může být krov podepřen ocelovými prvky (nosníky na větší rozpětí, rámy apod.). Zpravidla uspořádání vychází ze základních soustav - krokevní, hambalkové, vaznicové nebo vlašské, které jsou uvedeny dále.
Vlastní tíha nosných konstrukcí střechy jako jsou panely, železobetonové desky apod. jsou uvedeny v kap. podle způsobu využívání podle kategorií A-D,viz tab. Zatížení od střešních zahrad na plochých střechách - skladba vegetace, substrát, ochrana proti prorůstání kořenů, drenážní a filtrační vrstva, vodotěsná a tepelná izolace, parotěsná zábrana. Podle druhu vegetace jsou orientační hodnoty uvedeny v tab.
Zatížení sněhem
Způsob stanovení zatížení sněhem je dán normou ČSN EN 1991-1-3. Postup je takový, že se podle zeměpisné polohy určí sněhová oblast podle mapy na obr. 2.3 a každé sněhové oblasti přináleží charakteristická hodnota zatížení sněhem na zemi sk v tab. 2.6, jejíž překročení je dáno s určitou statistickou zárukou. Tato hodnota se dále upraví pomocí součinitelů, které zohledňují tvar střechy, sklon, drsnost, tepelné vlastnosti, možnost tvoření návějí, vliv okolního terénu a vzdálenost sousedních staveb na charakteristickou hodnotu zatížení sněhem na střeše, která je dána zatížením na metr čtvereční půdorysné plochy střechy.
Pro jednoduché tvary pultových a sedlových střech, kde není bráněno sesouvání sněhu, se zatížení uvažuje do sklonu 60°. Tvarový součinitel lze určit v závislost na úhlu podle následujícího grafu v tab. 2.8.
Čtěte také: Správný výběr hmoždinek pro sádrokarton
Zatížení větrem
Stanovení účinku větru na stavební konstrukce podle normy ČSN EN 1991-1-4 je poměrně složité a vyžaduje stanovení řady dílčích parametrů. V následujícím textu je uveden zjednodušený postup pro stanovení účinku větru pro jednoduché pozemní stavby.
Základním údajem pro stanovení účinku větru je jeho základní výchozí rychlost. Ta je stanovena pro určitou geografickou polohu v České republice podle mapy na obr. 2.5 pro jednotlivé větrné oblasti v tab. 2.10. Je to desetiminutová střední rychlost s roční pravděpodobností překročení p = 0,02 ve výšce 10 m nad plochým terénem.
Dalšími faktory, které ovlivňují zatížení větrem, je tvar a drsnost terénu v okolí stavby. Okolní terénní útvary jako kopce, hřebeny, terénní zlomy (tzv. orografie) výrazně ovlivňují proudění vzduchu. Pro určení vlivu drsnosti terénu se rozlišují kategorie terénu podle následující tab.
Referenční výška nad terénem ze, ve které se zjišťuje účinek větru, se uvažuje v intervalu zmin ≤ ze ≤ 200 m - viz tab. 2.10. Maximální dynamický tlak qp(ze) v referenční výšce ze lze stanovit z grafu na následujícím obr.
Zatížení větrem se uvažuje jako tlak nebo sání kolmo na uvažovanou plochu střechy nebo fasády, případně jako tření proudu vzduchu o danou plochu ve směru této plochy. V následujících tab. 2.12 - 2.15 jsou uvedeny součinitele vnějšího tlaku na ploché, pultové a sedlové střechy a pro úplnost též na svislé fasády tvarově jednoduchých budov.
Čtěte také: Jak vybrat hmoždinky do sádrokartonu?
Účinek větru v daném místě pláště budovy se určí jako součin maximálního dynamického tlaku větru qp(ze) pro referenční výšku ze a součinitele vnějšího tlaku cpe.
Krov
Krov je nosná konstrukce šikmé střechy (sklon 10-45°) a strmé střechy (sklon > 45°). Jednotlivé krokve se opírají v patě o pozednice nebo jsou zakotveny do vazného trámu a vzájemně se opírají ve hřebeni. Při rozpětí L < 12 m (hospodárné L ≤ 8 m) se navrhují krokve z řeziva, při větších rozpětích lepené nosníky apod.
Hambalková soustava
Pro zmenšení rozpětí krokví je vložený hambalek v každém páru krokví (popřípadě více hambalků v patrech), která rozpírá krokve pro svislé zatížení - hambalek je tlačený prvek. Hambalky se zpravidla navrhují zdvojené, u starých krovů bývají jednoduché, začepované do krokví. V rovině hambalků není krov vyztužen, na nesouměrné zatížení hambalek zajišťuje pouze stejný průhyb krokví.
Vaznicová soustava
Vrcholová vaznice je namáhána jen svislými silami, zároveň proti vodorovným silám se vzájemně podepírají krokve. Mezilehlé vaznice jsou namáhány svislými i vodorovnými silami.
Vlašská soustava
Konstrukce krovů vlašské soustavy patří mezi nejstarší a byly používány již ve starém Římě pro střechy s malým sklonem (v = 1/5-1/4 rozpětí), to je α = 21,8-26,5°. Mohou se používat nad jednoduchými půdorysy větších rozponů s tvarem střechy sedlové nebo pultové. Střešní konstrukce této soustavy se vyznačují jednoduchostí a menší spotřebou dřeva.
Vlašské krokve (vazničky) se u této soustavy umísťují rovnoběžně s okapovou hranou, jejich rozpětí se pohybuje 4-5 m, vzájemné vzdálenosti krokví jsou obvykle mezi 0,8-1,0 m. Krokve se kladou na vzpěry (horní pasy) vazníků, které se zapouštějí do krokví (vazniček) na hloubku 20 mm. Proti pootočení se vazničky mohou zapřít špalíky (zvanými pachole) přibitými na vzpěry.
Vazníky
Nosnou konstrukcí vazníků - plných vazeb - jsou věšadla z hranolů, jejichž tvar a profily se řídí rozpětím, v klasickém provedení mají zpravidla trojúhelníkový tvar. V pozdějším období se používaly i kombinace dřevěných prvků s ocelovými táhly popřípadě i litinovými vzpěrami.
Plné vazby (vazníky) se osazují ve vzdálenostech 4-5 m a jejich profily a spoje se navrhují na základě statického výpočtu. V podélném směru jsou vazníky vzájemně vyztuženy ondřejovými kříži případně i jiným tvarem zavětrování. Zavětrování se čepuje buď ve svislé rovině do věšáků, nebo v šikmé rovině do obrysových vzpěr vazníků.
Stropní konstrukce
Z hlediska nosné konstrukce je plochá střecha obdobná stropu v běžném podlaží a liší se pouze velikostí zatížení, viz kap. Stropní konstrukce se skládají z nosné stropní desky, ze stropních nosníků, průvlaků, podlahy a podhledu.
Při rozhodování o volbě stropní nosné konstrukce bereme mimo jiné zřetel na její rozpětí. Každému druhu stropní konstrukce odpovídá doporučený rozsah rozpětí, ve kterém je vhodné konstrukci navrhovat.
Experimentální srovnání stropních konstrukcí
Článek představuje experiment provedený na Univerzitním centru energeticky efektivních budov (UCEEB) ČVUT ve spolupráci s Cihlářským svazem. Experiment byl proveden na dvou stropních konstrukcích shodných rozměrů, z nichž jedna byla provedena jako keramický a druhá jako filigránový stropní dílec. Cílem zkoušky bylo ověření únosnosti a přetvoření konstrukcí a jejich vzájemné porovnání.
Pro daný experiment porovnání únosnosti a přetvoření byla zvolena dvě zkušební tělesa. Prvním z nich byl keramický stropní dílec s použitím tradičních keramických stropních nosníků délky 575 cm a vložek Miako 19/50. Druhým zkoumaným tělesem byl monolitický filigránový stropní dílec, tvořený filigránovou deskou o tloušťce 60 mm a trigony 10/6/6 o výšce 180 mm. Aby bylo vzájemné porovnání obou zkoumaných dílců relevantní, byly oba dva prvky vyrobeny ve shodných půdorysných rozměrech 2,16 × 5,75 m, tloušťce 250 mm a ploše tahové výztuže 1696,5 mm2.
Betonáž zkoumaných těles byla provedena přímo v laboratořích UCEEB betonem třídy pevnosti C 20/25 - XC1, který byl dodaný ze stejné betonárky. Ke zkoušce bylo v obou případech přistoupeno až po uběhnutí 28 dní potřebných pro zrání betonu.
Statická zatěžovací zkouška
Oba porovnávané experimenty byly provedeny jako statická zatěžovací zkouška. Zatěžovací schéma zkoušených vzorků odpovídalo prostě podepřenému nosníku zatíženému dvěma osamělými silami umístěnými ve třetinách rozpětí. Zatížení nosníku bylo řízeno nárůstem síly a v průběhu zkoušek byl zaznamenáván průhyb dolní hrany stropního dílce uprostřed rozpětí nosníku a v místě vnášení zatížení.
Součástí měření bylo i použití tenzometrů, pomocí kterých bylo měřeno poměrné přetvoření uprostřed rozpětí, které v případě keramického stropního dílce bylo měřeno u horního líce stropní desky a na horním líci zabetonovaných keramických nosníků a v případě filigránové desky u horního a spodního líce betonové desky. Změřená hodnota síly F při porušení nosníku byla navýšena o vlastní tíhu roznášecích prvků, která odpovídala hodnotě 6,6 kN. Celkové maximální zatížení stropního dílce při porušení zkušebního vzorku odpovídalo síle Fmax.
Pro měření průhybu byly použity potenciometrické snímače dráhy s měřeným rozsahem 100 resp. Zatěžovaní stropních dílců bylo provedeno podle normy ČSN 73 2030. Zatěžovací síla byla do prvků vnášena pomocí hydraulického zatěžovacího válce, z něhož byla pomocí vahadla roznesena do dvojice zatěžovacích břemen patrných na Obr. 1 a 2. Síla ve válci byla postupně navyšována v krocích až do hodnoty 100 kN, která odpovídala součtu provozní hodnoty stálého zatížení a extrémní hodnoty nahodilého zatížení dle definice normy ČSN 73 2030.
Výsledky experimentu
Po statické zatěžovací zkoušce, která probíhala u obou zkoumaných prvků shodným způsobem, nebylo u keramického stropního dílce, a to ani při maximálním vysunutí hydraulického zatěžovacího válce, dosaženo porušení stropního prvku. U filigránového stropního dílce byl, v porovnání s předchozí zkouškou, způsob porušení zcela odlišný.
Na zkoumaných stropních konstrukcích bylo experimentálně stanoveno maximální zatížení stropních dílců při porušení a průhyby v průběhu zatěžování. Z důvodu relevantního vzájemného porovnání obou zkoumaných dílců byly oba stropní dílce vyrobeny ve shodných půdorysných rozměrech se stejnou plochou tahové výztuže a byly dobetonovány ze stejné třídy betonu C 20/25. Na základě porovnání výsledků z obou experimentů bylo u keramického stropu dosaženo o 8 % vyšší zkušební síly na mezi únosnosti než u filigránového stropu. Rovněž průhyb uprostřed rozpětí v okamžiku destrukce vycházel v neprospěch filigránového stropu, který byl 156 mm, což bylo o 20 % více než u keramického stropu při stejném zatížení. Rozdíl mezi oběma experimenty byl také pozorován po dosažení maximálního zatížení.
Tabulka srovnání výsledků experimentu:
| Parametr | Keramický strop | Filigránový strop |
|---|---|---|
| Maximální zatížení při porušení | F2,max = 224,6 kN | F3,max = 207,5 kN |
| Průhyb uprostřed rozpětí při destrukci | 130 mm | 156 mm |
| Rozdíl zkušební síly na mezi únosnosti | 0% | -8% |
| Rozdíl průhybu uprostřed rozpětí při destrukci | 0% | +20% |
tags: #nosnost #betonoveho #stropu #výpočet