Minimální vyztužení železobetonových konstrukcí: vše, co potřebujete vědět

Leonid Skoruk
Kandidát technických věd, docent, hlavní výzkumný pracovník ve společnosti NP LLC SKAD Soft (Kyjev).

V současné době se monolitický železobeton (poskytující libovolný tvar výrobků, svobodu plánování a mnoho dalšího) rozšířil a používal ve srovnání s železobetonovými prefabrikáty (omezený rozsah prefabrikovaných výrobků a rozpětí). Prefabrikáty přitom prošly zkouškou času z hlediska spolehlivosti a životnosti a jejich vyztužení je optimální z hlediska určitého podmíněného poměru „materiál/náklady na konstrukci“. U monolitických konstrukcí je množství výztuže ve většině případů proměnlivé a závisí na mnoha počátečních faktorech: geologii, typu základu, zatížení, geometrii budovy atd.

To je třeba chápat při navrhování monolitických konstrukcí a neřídit se vzorem zákazníků, kteří mají do strojírenství daleko a chtějí především optimalizovat své stavební náklady.

Jak je známo, aby byla zajištěna potřebná pevnost a stabilita budovy nebo konstrukce, je nutné provést příslušné výpočty a vybrat požadované množství výztuže, aby odolalo stávajícímu zatížení. Konstrukce přitom musí splňovat požadavky jak pro 1. (pevnost, stabilita), tak pro 2. skupinu (průhyby, šířka trhlin) mezní stavy.

V projekční praxi se vytvořil určitý podmíněný parametr, pomocí kterého je možné odhadnout cenu kovu v konstrukci: obsah výztuže v betonu (zpravidla se bere hmotnost veškeré výztuže v konstrukci – podélná a příčně – a vydělte jej objemem jeho betonu, čímž získáte parametr v kilogramech na metr krychlový (kg/m3)).

V současných stavebních předpisech [1] přitom tento parametr zcela chybí a není nijak regulován. Normy pouze uvádějí nutnost zajistit v řezu prvku minimální procento vyztužení z plochy betonu (min 3 %) a nepřímo doporučují optimální procento vyztužení v konstrukcích na úrovni cca 0,05 %. (jde opět o optimalizační odezvu pro prefabrikované konstrukce).

Do určité míry se množství výztuže v konstrukcích odráží v některých odhadových normách [4, 5]. Tam se hodnota výztuže v betonu pohybuje v rozmezí 190 kg/m200 – opět bez vztahu k různým proměnným výchozím údajům.

Pro odhad hodnoty obsahu výztuže v betonu monolitických konstrukcí provedeme malý numerický experiment. Vezměme si například fragment desky o rozměrech 1,0 × 1,0 m v půdorysu se dvěma výztužnými sítěmi na každém líci, s roztečí prutů 100 × 100 mm, a budeme sledovat změnu obsahu výztuže v betonu v závislosti na na změnách některých počátečních parametrů: tloušťky desky a průměru výztuže (obr. 1).

Rýže. 1. Obsah výztuže v betonu (kg/m3) pro monolitický fragment o ploše 1 m2 pro různé počáteční údaje: a – pro různé průměry výztuže; b – pro různé tloušťky desek

Rýže. 2. Rozhraní programu SCAD++. Postprocesor „Železobeton“, režim „Zkouška železobetonu“

Jak je z výše uvedených údajů patrné, i za „ideálních“ návrhových podmínek (absence příčné výztuže, dodatečné výztuže, různé prvky lokální výztuže atd.) je hodnota obsahu výztuže např. pro prvek tloušťky 200 mm. s výztuží ze dvou v něm umístěných ok o průměru 10 mm je 123,2 kg/m3. Za přítomnosti různých dalších faktorů se celkový obsah výztuže v betonu prudce zvýší.

Tabulka 1. Faktory ovlivňující spotřebu betonu a výztuže

Faktor

Důsledek

Inženýrskogeologické poměry staveniště

Typ základu (pilota, deska, pás)

Rozteč nosných svislých prvků

Rozpětí desek, jejich tloušťka (tuhost)

Rozměry řezů sloupů/pylonů/stěn

Měrná hmotnost výztuže v betonu

Třída betonu a výztuže

Spotřeba výztuže v řezu

Poměrně pracné a rutinní práce na stanovení obsahu výztuže v betonu pro některé jednotlivé prvky a celou konstrukci jako celek ve fázi počátečního návrhu (dokonce před vývojem výkresů pro fázi KZH/KZHI) lze provádět s poměrně vysokým přesnost v programu SCAD++. V režimu „Zkouška železobetonu“ postprocesoru „ŽB“ pomocí operace Hmotnost určené výztuže (obr. 2), lze v reálném čase nejen zjišťovat spotřebu výztuže, ale zároveň (což je velmi důležité) a kontrolovat, do jaké míry daná výztuž splňuje potřebná kritéria pro pevnost konstrukce podle vybrané konstrukční normy.

Je třeba si uvědomit, že program počítá spotřebu:

• výztuž bez zohlednění jejího přesahu a ohybů, což může ke skutečné spotřebě výztuže přidat cca 15 %;
• beton, s přihlédnutím k průniku prvků, protože ke spojování prvků dochází podél osy tyče a střední roviny deskových prvků (nárůst o cca 5 %).

Celková spotřeba výztuže a betonu v každé budově závisí na mnoha faktorech, které lze do určité míry upravit v počáteční fázi výpočtu a návrhu. Hlavní faktory, které ovlivňují spotřebu betonu a výztuže v konstrukcích a budovách, jsou uvedeny v tabulce. 1.

Tabulka 2. Obsah výztuže v betonu pro různé typy budov

typ budovy

stavební prvek

Spotřeba, kg/m3

a) 22patrová budova na kůlech
(rozteč sloup/pylon 6,0 m)