Ocelové sloupy vylité betonem jsou standardním konstrukčním prvkem, přesto se naskýtá otázka, zda spřažení betonu a oceli je věnována patřičná pozornost. V tomto článku se budeme zabývat problematikou vylévání ocelových sloupů betonem a otázkou, jak se projeví rozdílnost součinitelů příčné kontrakce obou materiálů.
Kotvení ocelových a ocelobetonových sloupů k základům
Kotvení ocelových a ocelobetonových sloupů k základům je jedním z nejméně studovaných konstrukčních prvků v evropském i celosvětovém měřítku. V porovnání se styčníky nosníků na sloupy a nosníky, kde je k dispozici databáze s tisíci experimentů, je jich u patek popsána jen asi dvě stě. Tradiční pružné návrhové modely pro kotvení patní deskou vedly na tlusté patní desky. Evropský návrhový model v ČSN EN 1993-1-8:2005 vychází z výminky rovnováhy při plastickém rozdělení, pevnosti betonu v koncentrovaném tlaku při podrcení ve styčníku, pružném omezení deformace patní desky na betonovém základu a umožňuje určit ohybovou tuhost styčníku. Další výzkum v kotvení sloupů byl zaměřen na sloupy z uzavřených profilů a na návrh nových montážně úsporných řešení. Samostatně se řeší problematika kotevních šroubů, která je v evropské metodice popsána stanovením parametrů výrobků pomocí jejich zkoušením ETAG 001 a pomocí poznatků o jejich modelování.
Nový typ kotvení s zabetonovanou kotevní deskou s trny
V letech 2007-2011 bylo v rámci evropského projektu RFSR-CT-2007-00.051 InFaSo pod vedením prof. Ulrike Kuhlmanové z Ústavu navrhování konstrukcí na Univerzitě Stuttgartu navrženo pro přípoj ocelového nosníku na sloup/stěnu a pro kotvení sloupu k základovému betonovému bloku konstrukční řešení pomocí zabetonované otevní desky s trny. Kolegové ze Stuttgartu a Coimbry se při práci na projektu orientovali na přípoj nosníku na betonový sloup/stěnu a návrh únosnosti kotevních prostředků v betonu vyztuženého třmínky. Pracovníci z ČVUT v Praze se zaměřili na návrh patek. Kotvení desky do betonu se řeší dlouhými trny s hlavou, kterých se využívá ve spřažených ocelobetonových konstrukcích mostů. Navržené řešení využívá možných tolerancí při osazení kotevní desky, na kterou jsou po jejím zaměření do soustavy sloupu navařeny podle šablony závitové trny. Na závitové trny je osazen sloup, který je vybaven běžnou patní deskou s nadměrnými otvory pro kotevní šrouby - závitové trny. Tolerance v náklonu desky jsou při montáži vyrovnány podložkami a po montáži zálivkou. Konstrukční řešení bylo a je v naší a celosvětové praxi dosud navrhováno na základě interních podnikových experimentů a zkušeností projektantů.
Experimentální ověření chování patky
Pro návrh metodou komponent podle EN 1993-1-8:2005 byl připraven model, který využívá analytický popis dvou komponent: vytržení závitového trnu z kotevní desky a kotevní deska v tahu. Chování patky sloupu bylo experimentálně ověřeno na vzorcích upravených podle obrázku. Celkem bylo zkoušeno šestnáct zkušebních vzorků, které zahrnuly meze předpokládaných/přípustných geometrických nepřesností při montáži. Při zkoušce se měnilo zatížení zkušebních vzorků, tloušťka podlití a historie zatížení. Vzorky byly namáhány osovou, převážně tahovou, silou s excentricitou a smykovou silou s excentricitou. Devět patek bylo zatěžováno monotónně a sedm cyklicky. Cyklické zatěžování simulovalo namáhání při zemětřesení. Tvar porušení vzorků odpovídal předpokladům modelů. Vzorky první skupiny S1 se porušily vytažením trnu z betonu. U vzorků skupin S2 a S3 se plastifikovala místně podepřená kotevní deska. Na zkušebních vzorcích byly měřeny deformace patní desky osmi průhyboměry. Kalibrované podložky s tenzometry umožnily vyhodnotit síly v závitových trnech. Lankovým průhyboměrem byla měřena změna velikosti ramene působící síly během experimentu. U vybraných vzorků byla měřena poměrná deformace horního povrchu místně podepřené kotevní desky pomocí nálepkových tenzometrů. Zatěžování vzorků bylo řízeno deformací. Vyvozená síla byla měřena siloměrem vloženým mezi zatěžovací válec a zkušební vzorek.
Tabulka 1: Poměry únosností a tuhostí přípoje
| Typ přípoje | Poměr únosnosti (do plastifikace) | Poměr tuhosti (do plastifikace) | Poměr únosnosti (po plastifikaci) | Poměr tuhosti (po plastifikaci) |
|---|---|---|---|---|
| S2 | Uvedeno v práci | Uvedeno v práci | Uvedeno v práci | Uvedeno v práci |
| S3 | Uvedeno v práci | Uvedeno v práci | Uvedeno v práci | Uvedeno v práci |
Styčníky, přípoje nosníku na sloup a nosník a kotvení patní deskou, se analytickými modely navrhují metodou komponent. Předpověď chování, tj. tuhost, únosnost a deformační kapacita, základních komponent je popsána v normě ČSN EN 1993-1-8:2005. Analytické modely některých dalších komponent lze nalézt v literatuře. U kotvení sloupu předem zabetonovanou deskou bylo třeba dále popsat komponentu vytržení vyztuženého kužele betonu a komponentu patní deska s trny. Komponenta vyztuženého kužele betonu byla předmětem práce na TU ve Stuttgartu. Pro vytvoření analytického modelu bylo chování komponenty patní deska s trny analyzováno metodou konečných prvků programem ANSYS 11. Model desky je vytvořen z elementů SHELL181. Pružné podloží bylo simulováno prvky COMBIN39, které podpírají každý uzel desky. Deska je dále držena kloubovými podporami v místě spojovacích trnů. Klouby přenáší tah i smyk a zajišťují prostorovou stabilitu desky. Deska je namáhána osamělými silami v místě trnů se závitem. Materiál se uvažuje s bilineárním pracovním diagramem s vyznačenou mezí kluzu a neomezenou tažností. Na obrázku je patrná plastifikace tlačené oblasti v okolí spojovacích trnů a tažené u závitových trnů. Tenká deska se poruší protlačením trnů. Komponenta vytržení trnu z kotevní desky při zkouškách rozhodovala o únosnosti styčníku. Popis chování komponenty kotevní deska v tahu je založen na vláknovém působení plechu při jeho velkých deformacích. Kotevní desku lze v pružném stavu modelovat jako náhradním T profil v ohybu a závitový trn v tahu. Po vytvoření plastických kloubů v náhradním T profilu se kotevní deska mezi klouby, tj. mezi trny, deformuje tahem. Předpokládá se, že vodorovná vzdálenost trnů se nemění. Kotevní trny se deformují samostatně. Deformace komponenty od protažení kotevní desky umožní svislou deformaci v místě působení tahové síly, tj. závitového trnu. Návrhový model pro předpověď chování navrženého spoje v kombinaci ohybu s tahem je zobrazen na obrázku. V tabulce jsou uvedeny poměry únosností a tuhostí přípoje ve dvou částech křivky síla a deformace pro přípoje typu S2 a S3. První část udává přesnost předpovědi do počátku plastifikace kotevní desky a ve druhá popisuje přesnost modelu po plastifikaci. Porovnání předpovědi chování přípoje s výsledky experimentu je zobrazeno na obrázku.
Čtěte také: Použití ocelových kotev v betonu
Vliv rozdílnosti součinitelů příčné kontrakce
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. 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.
Příklad: Ocelový sloup s betonovou výplní
Nechť ocelový sloup, jehož průřez je mezikruží, je tlačen konstantní silou. Potom se vyvodí konstantní záporná svislá deformace. Youngův modul pružnosti oceli uvažujeme a Poissonův součinitel. Vnitřní a vnější poloměr sloupu jsou známé. 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. 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. Ocelové sloupy vylité betonem jsou celkem standardním konstrukčním prvkem, přesto se naskýtá otázka, zda spřažení betonu a oceli je věnována patřičná pozornost. Pokud bychom předpokládali, že styku betonu a oceli nemůžeme důvěřovat, jednalo by se o dva nezávislé sloupy, vzhledem ke stejné deformaci, paralelně spojené. 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. Pokud zanecháme původní konstrukci a neměníme zatížení, určitě vylitím sloupů betonem únosnost zvýšíme. Drahomír Novák, DrSc., VUT Brno poukazuje na nezanedbatelné tahové napětí kolmo na osu betonové výplně a zdůrazňují důležitost spolupůsobení.
Betonáž a fixace sloupků
Při míchání betonu se držte pokynů, které uvádí na obalu výrobce, nebo použijte pytlový beton. Doporučujeme používat spíš sušší beton s drobnými kamínky. Než do vyhloubené díry vsypete první lopatu, dejte na spodek trošku štěrku a polijte ho vodou. Podle výšky díry pak buď vhazujte jednotlivé vrstvy a udusávejte betonový základ, nebo do něj rovnou vložte sloupek a obhazujte ho betonem. I v tomto případě platí, že je dobré tvrdou kulatinou, například násadou od pracovního náčiní, beton postupně udusávat. Sloupky fixujte do plánované výšky plotu. Poslední vrstvu uhlaďte zednickou lžící. 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. Sloupy o hmotnosti 600 kg a výšky 3,8 m byly přivezeny na betonárnu a betonová výplň byla realizována přímo na betonárně Kačerov. Vnitřní betonové jádro bylo vyrobeno z betonu pevnostní třídy C60/70 X0 s příměsí polypropylenových vláken Forta Ferro a ocelových vláken Dramix 3D. Stavební fakultou byly kladeny vysoké požadavky na homogenitu, konzistenci a zpracovatelnost betonové směsi. Při ukládání směsi do ocelových sloupů byla použita pumpa s dosahem 32/28 m, protože betonáž musela probíhat ve svislém směru a bylo nutné řádné zabezpečení dostatečné stability při betonáži. Po uložení betonové směsi bylo vláknobetonové jádro zvibrováno ponorným vibrátorem a horní povrch byl následně zahlazen.
Po betonáži těchto zkušebních těles ČVUT potvrdilo efektivní komunikaci, organizaci a vysoký standard provádění betonových konstrukcí, což je pro společnost ZAPA beton a.s. V tomto okně si můžete upravit používání cookies podle vlastních preferencí. Technické cookies jsou nezbytné pro fungování webových stránek, není tedy možné je zakázat. Obvykle se nastavují v reakci na akce, které na webu sami provedete, jako je nastavení zabezpečení, přihlášení a vyplňování formulářů. Tyto cookies můžeme nastavit my nebo poskytovatelé třetích stran, jejichž služby na webu využíváme, a neukládají žádné informace, které lze přiřadit konkrétní osobě. Můžete si nastavit svůj prohlížeč tak, aby blokoval soubory cookie nebo o nich zasílal upozornění. Analytické a výkonnostní cookies se používají k analýze návštěvnosti webových stránek a k dalšímu zlepšení jejich fungování. Pomáhají nám porozumět zájmům návštěvníků a způsobu, jakým naše webové stránky používají. Jsou používány pro sledování návštěvníků na webových stránkách.
Podlití betonových konstrukcí se věnuje norma ČSN EN 1504-6 (výrobky a systémy pro ochranu a opravy betonových konstrukcí). Zálivkové hmoty jsou určeny k dokonalému vyplnění prostoru mezi základovým betonem a ocelovou konstrukcí nebo jiným železobetonovým konstrukčním prvkem. Často se podlévají také rozsáhlé technologické celky. Společnost provádí podlití sloupů pouze v případě, že je dodavatelem i spodní stavby. Důvod je ten, že stavební firmy často mají výškovou nerovnost více než je v normě do +/-1 cm a náklady na 1 pytel MAPEFILLu se pohybují okolo 600 Kč bez DPH za 25 kg pytel, což vystačí asi na 0,0128m3. Při nekvalitní práci, tak vznikají několika tisícové náklady, které musí jít za stavební firmou, kterou patky prováděla. Tekutá expanzní malta pro kotvení prvků. Směs se připravuje smícháním 25 kg Mapefillu (obsah 1 pytle) s 3,0 - 3,75 litry čisté vody (v závislosti na požadované konzistenci).
Čtěte také: Ocelové pruty a beton
Doporučení pro plotové sloupky
Jak daleko od sebe betonovat plotové sloupky
- Klasické pletivo: cca 2,5-3 m.
- Panelové oplocení a podhrabové desky: přesná vzdálenost podle dílců.
Chystáte-li se udělat plot z klasického drátěného pletiva v rolích, doporučujeme sloupky zabetonovat ve vzdálenosti cca 2,5 m, maximálně 3 m od sebe. Pokud bude oplocení panelové, nebo plánujete pod čtyřhranné drátěné pletivo pokládat podhrabové desky, musí být sloupky v přesné vzdálenosti podle šířky panelu či betonové desky. Místa sloupků při vyměřování provázkem vyznačte značkovacím sprejem, nebo vytyčte kolíkem. Při kopání děr pak nebudete muset vše několikrát přeměřovat.
Jak hluboko plotové sloupky betonovat
- Vykopejte díru do nezámrzné hloubky (70-80 cm).
- Do betonu zapusťte asi 50 cm sloupku.
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. V ideálním případě byste se měli prokopat do nezámrzné hloubky, tedy kolem 70 až 80 cm. Pokud by totiž v betonu zamrzla voda, mohla by tato pevná hmota popraskat. Z délky sloupku se do betonu zapouští asi 50 cm. Průměr otvoru pro sloupek by měl být 20-30 cm podle toho, jak je sloupek široký nebo silný. 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.
Jak usadit vzpěry
- Vzpěry by měly být u každého rohového sloupku a maximálně po 25 metrech, svírat by měly úhel 45°.
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 fází. Po dokončení je nutné zabezpečit čerstvě zalité díry proti tomu, aby do betonu kdokoli šlápnul nebo ho jinak poškodil. A nemusí to být jen člověk, paseku často udělají i zvířata.
Ocelové sloupky pro vinohrad a opěrné konstrukce
Ocelové sloupky s profilem 50/40 - 60/40 lze použít pro opěrnou konstrukci stromů a nosný prvek pro kapkovou závlahu v nově budovaných sadech, například pro hrušně. Lze na ně natáhnout jediný vodící drát např. ve výšce 40 - 60 cm a fixovat hadice na něj. Sloupky OSL 50/40 PLUS lze zatloukat do půdy palicí. Při instalaci se sloupek zatláčí cca 70 cm do země. Pro vinohrad se sloupky OSL 60/40/2750mm PLUS dávají cca 6m od sebe, tzn. že mezi sloupky se sázejí 4 sazenice, které jsou rozmístěny s metrovým rozestupem. Až sazenice vyroste tak se k ní dá opěrná tyčka, která slouží jako opora kmínku vinné révy. Pevná fixace kmínku k tyčce zajišťuje jeho rovný růst. Ocelové sloupky dodáváme pouze s otvory a háčky pro drát. Tento sloupek, i když disponuje háčky, se dá použít na plot. Pro řadu v délce 250m bychom doporučili sloupky OSL 60/40/2750 mm S-PLUS. Jedná se o ocelové sloupky, jejichž síla materiálu činí 2mm - zesílená verze. Dále bychom Vás chtěli upozornit, že řada dlouhá 250m by se měla rozdělit na 2 části, protože v této délce bude zátěž na krajové sloupky příliš velká. K těmto krajovým sloupkům bychom Vám doporučili zatloukací kotvy Gripple, obzvláště tuto kotvu Gripple 4, která snese zatížení 800kg. K této kotvě se standardně doporučuje ocelové lanko GPAK 4. Pro spojování a napínání drátu jsou vhodné spojky Gripple střední pro drát 2,00mm - 3,25 mm. Pro fixaci kmínku k vodícímu drátu jsou dále vhodné např. vyvazovací bužírky. Případně pro zapěstování máme také různé opěrné tyčky, fixační spony pro uchycení tyčky k drátu, vyvazovací bužírky, ochranné tubusy atd. Pokud se Vám jedná pouze o instalaci menšího množství, máme v nabídce Startovací sadu Gr.
Čtěte také: Důležité aspekty montáže ocelových sloupků
tags: #ocelové #sloupy #s #vousy #do #betonu