ODBORNÝ DVOJMESAČNÍK ZAMERANÝ NA NAJNOVŠIE POZNATKY O VÝVOJI MOBILNÝCH PRACOVNÝCH STROJOV A O ICH APLIKÁCII V PRAXI

OPATRENIA NA OBMEDZENIE VZNIKU SKORÝCH TRHLíN V ZÁKLADOVÝCH DOSKÁCH


Navrhovanie betónových stavieb je zamerané na účinky priameho zaťaženia. V masívnych betónových konštrukciách a pri použití nových technológií (vodonepriepustné betónové konštrukcie – biele vane, integrované mosty a pod.) narastá potreba uvažovať aj o účinkoch nepriameho zaťaženia. Vzhľadom na význam deliacich trhlín na používateľnosť a trvanlivosť betónových konštrukcií sa v príspevku analyzujú opatrenia na obmedzenie vzniku deliacich trhlín z teplotných účinkov .

V masívnom betóne približne iba dvadsať percent trhlín vyvolajú účinky priameho zaťaženia, zvyšok vzniká v dôsledku vynútených napätí z objemových zmien betónu. Napätia vyvolávajúce vznik „skorých trhlín“ (štandardne do siedmich dní) sa spájajú najmä s tromi typmi objemových zmien betónu: autogénne zmrašťovanie, zmrašťovanie z vysychania a teplotnej kontrakcie. V masívnych konštrukciách sú zmeny teploty najčastejšou príčinou vzniku deliacich trhlín. Pri pomalom ochladzovaní dokáže betón bez trhlín absorbovať pokles teploty o 20 K.

Skoré trhliny zvyčajne neohrozujú odolnosť konštrukcie, často sú však príčinou priesaku vody a tým aj straty používateľnosti stavby (vodonepriepustné konštrukcie), resp. uľahčujú prienik agresívnych iónov a tým znižujú trvanlivosť konštrukcie. Príspevok je zameraný na analýzu opatrení na obmedzenie vzniku deliacich trhlín v betónových konštrukciách z nepriameho zaťaženia. Na obmedzenie skorých trhlín z teplotných zmien sa používajú konštrukčné, technologické a výrobné opatrenia.

OBMEDZENIA VYNÚTENÝCH NAPÄTÍ V ZÁKLADOVÝCH DOSKÁCH
Základové dosky sú priestorové nosné prvky, ktoré roznášajú zaťaženia z konštrukcie predtým, ako ich prenesú do základovej zeminy. Sú teda vo zvislej a vodorovnej interakcii so zeminou. Trhliny vznikajú z osových, ohybových alebo šmykových napätí z priamych zaťažení alebo z obmedzenia vynútených deformácií. Pretvorenie základovej dosky je viac či menej, obmedzené vonkajšími väzbami (napr. trením so základovou zeminou, kontaktom hrán) alebo vnútornými väzbami (napr. výstužou, teplotnými rozdielmi).

Na hodnotenie vplyvu obmedzenia deformácií (pretvorení) vonkajšími väzbami sa v základových doskách najčastejšie používajú dva modely. Prvý model predpokladá posun dosky po tuhom podloží (obr. 1a) s aktiváciou trenia na ich styku. Tento model je vhodný pre tenšie, resp. kratšie základové dosky. S narastajúcou hrúbkou, resp. dĺžkou základovej dosky sa zmenšuje význam trenia a prejavuje sa zvýšený účinok spolupôsobenia (interakcie) medzi doskou a základovou zeminou. Pre tento model je významnejšia pružnosť základovej zeminy (obr. 1b).

                         L

a. 
Model trenia


b. Interakčný model

Obr. 1 Modely zohľadňujúce spolupôsobenie medzi základovou doskou a podložím [2]

Model trenia
Na zmenšenie ťahových napätí v základovej doske treba zmenšiť účinky klzného trenia medzi základovou doskou a zeminou. Ťahovú silu N v základovej doske je možné vypočítať zo vzorca:

N = ½ ·μ · l ·b · h · γc. (1)

kde μ – je súčiniteľ trenia medzi základovou doskou a zeminou,

l, b, h – dĺžka, šírka a hrúbka základovej dosky,

γc objemová tiaž betónu.

Zo vzorca (1) je zrejmé, že ťahová sila je funkciou súčiniteľa trenia a dĺžky dosky. Na zmenšenie ťahovej sily N je možné:

  • použiť klzné vrstvy na zmenšenie súčiniteľa trenia,

  • zmenšiť dĺžku betónovacích úsekov.

V tab. 3 je uvedený prehľad vybraných klzných vrstiev a zodpovedajúce súčinitele trenia.

Tab. 3 Podkladová vrstva a súčiniteľ trenia pre vybrané klzné vrstvy

Podkladová vrstva

Klzná vrstva

Súčiniteľ trenia μ

Štrk

bez klznej vrstvy

1,4 – 2,1

Piesok

bez klznej vrstvy

0,9 – 1,1

Súdržná zemina

bez klznej vrstvy

0,5 – 0,8

Podkladový betón hladený

1 vrstva PE fólie

0,8 – 1,4

Podkladový betón hladený

2 vrstvy PE fólie

0,6 – 1,0

Podkladový betón drsný

2 vrstvy PE fólie

max. 2,0 (h = 300 mm)

max. 1,3 (h = 1,5 m)

Podkladový betón drsný

1 až 2 vrstvy

bitúmenových pásov

≈ 0,45 (h = 300 mm)

≈ 0,2 (h = 150 mm)

 

Interakčný model

Pomocou 3D MKP modelu [2] bol vypočítaný vplyv hrúbky základovej dosky a vonkajších obmedzení pretvorenia na vynútené ťahové napätia pri poklese teploty od hydratácie cementu. Pri zohľadnení vodorovnej plastizácie základovej zeminy a jej deformačnej kompatibility so základovou doskou bola odvodená maximálna hodnota ťahovej sily v základovej doske Nmax:

(2)

kde ε0 – je pomerné pretvorenie betónu,

Ec, Ac – modul pružnosti betónu, plocha betónu,

EE, AE – vodorovný modul pružnosti základovej zeminy, aktivovaná plocha zeminy.

Na základe uvedeného modelu možno získané výsledky zhrnúť do nasledujúcich všeobecných záverov o riziku vzniku a type trhlín v základových doskách:

  • s narastajúcou hrúbkou a pôdorysnými rozmermi základovej dosky rastie riziko vzniku mikrotrhlín na hornom povrchu dosky,

  • riziko vzniku zvislých deliacich trhlín je malé, ak vzniknú deliace trhliny, potom sa šíria od spodného povrchu dosky.

Na rozdiel od výsledkov 3D modelu sa v správe CIRIA C660 [5] uvádza, že tvorba deliacich trhlín v hrubších doskách sa formuje v jadre prierezu, kde je najväčší teplotný rozdiel (obr. 2). Príčinou rozdielnych výsledkov môže byť väčšia hrúbka základovej dosky zvažovaná v správe CIRIA.


Obr. 2 Rozvoj trhlín v hrubšej základovej doske s okrajovými vonkajšími väzbami [5]

Riziko vzniku trhlín ovplyvňujú viaceré činitele, medzi najvýznamnejšie patrí pokles teploty počas prvej zimy, keď základová doska ešte nie je zastavaná. Bolo preukázané, že rozdiel strednej teploty betónu základovej dosky Tmax (v čase vzniku skorých trhlín) a Tmin (v zime) je častou príčinou vzniku neskorých deliacich trhlín.

OPATRENIA NA OBMEDZENIE VZNIKU DELIACICH TRHLÍN

V ďalšom sa uvádzajú konštrukčné, technologické a výrobné opatrenia na zmenšenie teplotných rozdielov a obmedzení (väzieb), a tým aj rizika vzniku trhlín

Konštrukčné opatrenia
Medzi konštrukčné opatrenia na obmedzenie vzniku a šírky deliacich trhlín v základovej doske patrí úprava základovej škáry tak, aby bolo uľahčené pretvorenie dosky z objemových zmien. Na tento účel sa odporúča vytvorenie rovnej spodnej plochy základovej dosky, bez väzby na základové pásy, pätky, šachty, pilóty, podzemné steny a pod. (obr. 3). Nepriaznivý účinok výškového členenia základovej škáry (napr. v mieste ukončenia výťahovej šachty, inštalačných kanálov, základov žeriava počas výstavby) je možné výrazne obmedziť rozdelením základovej dosky na vhodné betónovacie úseky alebo vytvorením nábehov pod uhlom približne 30 stupňov.

Zmenšenia napätí v základovej doske možno dosiahnuť vhodným členením základovej dosky na betónovacie úseky. Rozdeliť základovú dosku a steny pracovnými škárami by sa malo na návrh projektanta, po dohode so zhotoviteľom.

V špeciálnych prípadoch je možné uvážiť aj možnosť predpätia základovej dosky a/alebo steny.

Obr. 3 Jednoduchý tvar spodnej plochy základovej dosky, bez výškového členenia

Technologické opatrenia
V masívnych konštrukciách predstavuje vývoj a veľkosť hydratačného tepla významný problém z hľadiska objemových zmien betónu. Hydratácia cementu je exotermická reakcia, ktorá v prípade, že deformácie sú obmedzené, môže byť príčinou vzniku a rozvoja trhlín. Intenzita nárastu teploty v konštrukcii by mala byť čo najpomalšia a zároveň maximálna teplota betónu vnútri betónovej konštrukcie by mala byť čo najnižšia, pričom nesmie presiahnuť 70 °C, ak nie je špecifikované inak [3]. Vývoj hydratačného tepla môže byť redukovaný množstvom a druhom cementu, výberom debnenia a jeho izolácie, limitovaním veľkosti a geometrie betónovacieho úseku, ako aj teplotou čerstvého betónu. Podrobnejšie sa technologické opatrenia uvádzajú v SmeBV [4].

 

Výrobné opatrenia
Zhotovovanie vodonepriepustných základových dosiek vyžaduje dodržiavanie všeobecných požiadaviek platných pre zhotovovanie betónových konštrukcií podľa STN EN 13670.

Výrobné opatrenia na redukciu obmedzení vynútených deformácií (väzieb) sú jedným z ekonomicky najúčinnejších metód na zmenšenie rizika vzniku skorých trhlín.

Medzi významné výrobné opatrenia, ktoré ovplyvňujú tvorbu deliacich trhlín, patrí aj ošetrovanie betónu. Zníženie teploty čerstvého betónu pri ukladaní do debnenia je vhodná metóda na zníženie napätí z teplotných zmien a tým aj rizika vzniku trhlín. V masívnych konštrukciách zníženie teploty čerstvého betónu o 6 K spôsobí pokles maximálnej teploty tvrdnúceho betónu približne o 3 K. Nahradením väčšiny zámesovej vody ľadovou drvinou je možné znížiť teplotu čerstvého betónu približne o 11 K. Ak treba znížiť teplotu viac alebo ak ľadová drvina nie je dostupná, je vhodné použiť na chladenie tekutý dusík v betonárke alebo počas transportu čerstvého betónu v domiešavači.

 

NÁVRH VÝSTUŽE NA KONTROLU ŠÍRKY TRHLÍN

Návrh a overenie výstuže na účinky priameho zaťaženia pre MSÚ sa riadi STN EN 1992-1-1. Navrhnutá výstuž musí spĺňať podmienky spoľahlivosti a minimálneho stupňa vystuženia. Usporiadanie výstuže musí vyhovovať konštrukčným zásadám a umožniť bezproblémové uloženie a zhutnenie čerstvého betónu v zmysle STN EN 13670.

Železobetónové prvky vodonepriepustných konštrukcií sú spravidla vystužené betonárskou výstužou v tvare pravouhlej siete pri oboch povrchoch. Ak má výstuž obmedzovať aj šírku trhlín, postupuje sa pri návrhu výstuže a kontrole šírky trhlín podľa STN EN 1992-1-1 takto:

  • návrh minimálnej plochy výstuže na obmedzenie šírky trhlín,

  • overenie navrhnutej výstuže sa robí kontrolou šírky trhlín:

  • bez priameho výpočtu alebo

  • výpočtom šírky trhlín.

Návrh výstuže na kontrolu šírky trhlín bez priameho výpočtu aj s priamym výpočtom sa podrobne analyzuje v článkoch [6], [7]. Návrh výstuže, ako aj výpočet šírky trhlín je založený na viacerých predpokladoch a zjednodušeniach.

Účinky nepriameho zaťaženia sa zanedbávajú a často sa výstuž plošných prvkov v kolmom smere na výstuž pre priame zaťaženia navrhuje podľa zásad pre rozdeľovaciu výstuž. Nepochopením významu nepriamych zaťažení dochádza k poddimenzovaniu výstuže a vzniku deliacich trhlín nekontrolovanej šírky.

 

ZÁVERY

Pri navrhovaní vodonepriepustných betónových konštrukcií treba zabezpečiť vodonepriepustnosť všetkých obvodových prvkov. Najvyšší hydrostatický tlak od zadržiavanej alebo podzemnej vody vzniká v základových doskách. Tieto sú, vzhľadom na väčšie hrúbky, často označované ako masívne betónové prvky, ktoré sú vystavené najväčším deformáciám a napätiam z nepriamych zaťažení, najmä z hydratačného tepla. Z uvedeného je zrejmé, že základové dosky sú vystavené zvýšenému riziku vzniku deliacich trhlín, a tým aj priesakom exfiltráciou alebo infiltráciou kvapalín. V príspevku sa analyzujú najúčinnejšie opatrenia na obmedzenie vzniku deliacich trhlín.

 

Poďakovanie

Príspevok vznikol s podporou výskumného projektu VEGA 1/0583/15 „Analýza spoľahlivostných rizík navrhovania a zhotovovania betónových konštrukcií“.

 

Literatúra

[1] SPRINGENSCHMID, R.: Die Ermittlung von Spannungen infolge von Schwinden und Hydratationswärme in Beton. Beton- und Stahlbetonbau 10/1984, S. 263-269

[2] Schlicke, D., Tue, N.V.: Minimum reinforcement for crack width control in restrained concrete members considering the deformation compatibility. Structural Concrete (2015), No. 2, pp. 221-232

[3] STN EN 13670: 2010: Zhotovovanie betónových konštrukcií, 2010

[4] Smernica pre vodonepriepustné betónové konštrukcie – SmeBV. SKSI 2012, 67 s.

[5] Bamforth, P.B.: Early-age thermal crack control in concrete. CIRIA C660, London, 2007, 112 pp.

[6] ŠMEJKAL, J., PROCHÁZKA, J.: Výpočet šířky trhlin – 1. část. Beton TKS, č. 6/2014, str. 68-76

[7] ŠMEJKAL, J., PROCHÁZKA, J.: Výpočet šířky trhlin - 2. část. Beton TKS, č. 1/2015, str. 72-78

 

Autori:

prof. Ing. Juraj Bilčík, PhD., Stavebná fakulta STU v Bratislave, Katedra betónových konštrukcií a mostov, juraj.bilcik@stuba.sk

Ing. Robert Sonnenschein, PhD., Stavebná fakulta STU v Bratislave, Katedra betónových konštrukcií a mostov, robert.sonnenschein@stuba.sk