Spřažení dřeva a prefabrikátů z UHPC

Spřažení dřeva s betonem má řadu předností spojených s účinným využitím obou materiálů nejen z hlediska jejich namáhání. Dřevo je přírodní obnovitelný materiál, jeho aplikací lze dosáhnout úspory objemu betonu a tím i snížení ekologické zátěže životního prostředí. Spojením dřeva a ultravysokohodnotného betonu (UHPC) lze dosáhnout velmi subtilních, únosných, estetických a trvanlivých konstrukcí.

Klasické dřevobetonové konstrukce se nejčastěji realizují spřažením dřevěného trámu a monolitické železobetonové desky. Monolitické provedení desky ovšem disponuje řadou konstrukčních nevýhod, zejména nutností ochrany dřeva proti pronikání vlhkosti z čerstvého betonu, potřebou bednění atd. a není pro aplikaci UHPC z technologického hlediska ani příliš vhodné. Prefabrikací se eliminují nevýhody monolitického provedení, zvýší se kvalita konstrukce a urychlí se proces výstavby. V případě spřažených dřevobetonových konstrukcí má prefabrikace pozitivní dopad na redukci projevů spojených se smršťováním betonu – vývoj průhybů a přerozdělení vnitřních sil mezi spřaženými částmi průřezu. V případě prefabrikované desky je nutno pro spřažení použít speciální spřahovací prostředky. V článku jsou shrnuty poznatky z výzkumu v oblasti vývoje speciálních spřahovacích prostředků pro spřažené dřevobetonové konstrukce s využitím prefabrikace. Je zde prezentován vývoj spřahovacích prostředků s využitím pro spřažené dřevo-UHPC lávky pro pěší a cyklisty.

V současné době je podobně jako v zahraničí také v Česku snaha o efektivní využívání zdrojů, včetně udržitelného materiálového hospodářství a výroby s minimálním dopadem na životní prostředí. Snaha více používat obnovitelné zdroje materiálů vede k většímu uplatňování dřeva v nosných konstrukcích. 

Spřažení dřeva a betonu přináší řadu výhod zejména ve srovnání s klasickými dřevěnými konstrukcemi. Přestože je tato technologie v ČR využívána v podstatě výhradně v oblasti pozemních staveb, ve světě byla realizována již řada dřevobetonových mostů, viz např. obr. 1–3. Na základě zkušeností s jejich aplikací se prokázalo, že spřažené dřevobetonové mosty mohou být zajímavou a konkurenceschopnou alternativou k běžně využívaným železobetonovým a ocelovým konstrukcím. Dřevo má příznivý poměr hmotnosti a pevnosti a UHPC umožňuje navrhovat velmi štíhlé desky, které přitíží dřevěnou konstrukci mnohem méně než klasická deska z betonu normální pevnosti. Spřažením dřeva a UHPC je možno navrhovat subtilní, estetické konstrukce.

Prefabrikace spřažených – dřevobetonových konstrukcí
Klasické dřevobetonové konstrukce se nejčastěji realizují spřažením dřevěného trámu a monolitické železobetonové desky. Monolitické provedení ovšem vykazuje řadu konstrukčních nevýhod, zejména nutnost ochrany dřeva proti pronikání vlhkosti z čerstvého betonu nebo potřebu bednění a pro aplikaci UHPC není z technologického hlediska příliš vhodné.

Prefabrikace představuje výhody spočívající obecně ve vyšší kvalitě provedení a vyšší rychlosti výstavby. V případě dřevobetonových konstrukcí je významná zejména redukce mokrých procesů na stavbě. Odpadá potřeba kompletace bednění a skruže na stavbě, případně použití ztraceného bednění, které by přitěžovalo konstrukci. U dřevobetonových konstrukcí lze provádět úplnou či částečnou prefabrikaci. V případě částečné prefabrikace je v dílně vyrobena a osazena spřahovacími prostředky buď dřevěná, nebo betonová část průřezu. Úplná prefabrikace nosné konstrukce znamená výrobu konstrukčních prvků s kompletním dřevobetonovým průřezem.

V oblasti pozemních staveb se vzhledem k běžným menším rozponům preferuje výroba kompletních prefabrikovaných prvků na celý rozpon konstrukce. Prvky se stykují v podélných spárách. Betonáž desky je možné provést stejně jako u monolitického provedení na stavbě, kdy se do bednění osadí dřevěné prvky opatřené mechanickými spřahovacími prostředky. Výroba prvku mimo konstrukci umožňuje i obrácenou betonáž, při které jsou dřevěné prvky dávány do bednění shora, čímž se výrazně zjednoduší požadavky na výrobu bednění. Aby bylo zabráněno přechodu vlhkosti z čerstvého betonu do dřeva a tím zajištěna i vyšší životnost dřevobetonové konstrukce, lze do spáry mezi dřevem a betonem aplikovat separační fólii. V současnosti je preferována varianta „suchého spojení“, kdy se jedná o dvoufázový proces s využitím prefabrikace betonové desky. Výhodou suchého spojení je kromě vyloučení mokrého procesu ve styku se dřevem také redukce vlivu smršťování betonu, která se projeví redukcí dlouhodobých průhybů a omezením přerozdělení napětí z betonu do dřeva.

Spřahovací prostředky
Spřahovací prostředky mají zcela zásadní význam na celkové chování spřažené konstrukce. U běžných typů dřevobetonových konstrukcí se jedná o poddajné spojení, kdy dochází k malým posunům v kontaktní spáře. Spřažení nelze považovat za tuhé z důvodu pokluzu spřahovacího prostředku, otlačení dřevěného trámu a betonové desky, dotvarování atd. Obě části průřezu částečně spolupůsobí, únosnost a vývoj průhybů spřažené konstrukce tedy závisí především na tuhosti použitých spřahovacích prostředků. 

V případě klasických dřevobetonových konstrukcí se nejčastěji používají mechanické spřahovací prostředky. Mechanické spřahovací prostředky mohou být tvořeny tyčovými prvky (např. hřebíky, šrouby, smykovými trny, vlepenými závitovými tyčemi či betonářskou výztuží), deskovými prvky (desky s prolisovanými trny, HBV smykové lišty) či spoji se zářezy a ozuby, které se zpravidla kombinují s tyčovými prvky. Samotné tyčové prvky umístěné kolmo ke kontaktní spáře mají obvykle nejnižší tuhost i únosnost. Vyšší tuhost kontaktu lze dosáhnout umístěním prvků šikmo, běžně pod úhlem 45 ° ve směru smykového toku, kdy dochází vlivem rozkladu sil k přitlačování kontaktní spáry. Nejvyšší tuhost i únosnost mají prvky kombinované se zářezy a ozuby a lepené spoje.

Prefabrikace betonové části průřezu vyžaduje použití speciálních spřahovacích prostředků či speciální technologie výroby. V posledních letech probíhá intenzivní výzkum v oblasti vývoje spřahovacích prostředků pro prefabrikované prvky v zahraničí i v ČR.

Na Fakultě dřevěných a ocelových konstrukcí ČVUT byl vyvinut inovativní smykový spoj realizovaný pomocí desky s prolisovanými trny, viz Kuklík [4]. Tento způsob spřažení umožňuje prefabrikaci betonové desky, do které je na svislo zabetonována deska s prolisovanými trny, viz obr. 4. Dřevěné trámy jsou složené ze dvou symetrických částí, které se z obou stran přitlačí na desku s prolisovanými trny. Tím je realizováno spřažení s deskou a zároveň propojení obou částí trámu k sobě.

Na univerzitě v Luleå ve Švédsku byly testovány různé typy spřahovacích prostředků s využitím pro prefabrikaci betonové desky, viz výzkum Lukaszewska [5], Crocetti [1]. Dobré výsledky byly dosaženy zabetonováním smykové kotvy tvořené dřevěným klínem do desky, viz obr. 5. Dřevěný blok byl vyroben z modifikovaného dřeva impregnovaného furfuryl alkoholem (furfurylated wood), které má vyšší tvrdost oproti klasickému dřevu a především vykazuje vysokou odolnost vůči vlhkosti a biodegradaci. Kotevní blok byl z boku navíc opatřen vyčnívajícími vruty pro zajištění lepší soudržnosti s betonem. Přípoj betonové desky a dřevěného trámu byl realizován pomocí vrutů osazených pod úhlem 45 ° v oblasti dřevěného klínu, jedná se tedy o spoj dřevo–dřevo rychle a snadno proveditelný na stavbě.

Další systém, který se osvědčil, tvoří vruty ve spojení s ocelovými trubkami o průměru 12 mm osazenými pod úhlem 45 ° do bednění, viz obr. 6. Trubky jsou ve spodní části navařeny na plechové liště, v horní části jsou opatřeny kónickými podložkami, které jsou během betonáže zakryty plastovými čepičkami. Přípoj do dřeva je potom proveden pomocí vrutů průměru 11 mm a délky 250 mm osazených do připravených trubek. Vruty byly navíc předepnuty torzním momentem 160 Nm.

V rámci testovacího programu ve Švédsku byly zkoušeny i různé jiné kovové mechanické spřahovací prostředky zabetonované do prefabrikované desky, které se vyčnívající částí vlepovaly nebo šroubovaly do dřevěného trámu. Konkrétně byly zkoušeny například svislé plechy s otvory pro vruty osazované a šroubované z boku dřevěného trámu, průběžný perforovaný plech či bodově umístěný plný plech vlepovaný z vrchu do připraveného otvoru ve trámu, ocelová tyč s přírubami v betonové části vlepovaná do otvoru ve trámu nebo deska s prolisovanými trny umístěná vodorovně na spodní straně betonové desky tak, že z desky vyčnívaly pouze trny. Výše zmíněné spřahovací prvky se ale příliš neosvědčily, zejména z důvodu malé tuhosti spoje či složitého výrobního procesu.

Další možností je aplikace lepených spojů. U lepených spojů nedochází k pokluzu mezi dřevěnou a betonovou částí průřezu a lze je v podstatě uvažovat jako tuhé. Výhodou oproti mechanickým prostředkům, v jejichž okolí dochází k nepříznivým koncentracím napětí, je rovnoměrné přenesení podélné smykové síly do celé plochy kontaktní spáry. Mezi nevýhody lze zařadit vysoké nároky na dodržení všech technologických předpisů ohledně nanášení a vytvrzování lepidla. Pro správné vytvrzení lepidla musí být zajištěny optimální podmínky prostředí – teplota, vlhkost. Během zatlačování obou prvků při lepení k sobě vzniká větší množství odpadního lepidla, které musí být následně zlikvidováno. Ačkoliv lepené spoje vykazují vysokou únosnost a tuhost z hlediska krátkodobého chování, z hlediska dlouhodobého vyvstává obava z jejich křehkého porušení. Křehké porušení hrozí i při špatném provedení lepeného spoje. Podrobněji se spřažením dřeva a UHPC pomocí lepidla zabývali např. Schäfers [7] a Eisenhut [2].

Spřažené dřevo-UHPC lávky
V současné době probíhá na Kloknerově ústavu ČVUT ve spolupráci s firmou NOVÁK & PARTNER, s. r. o., vývoj inovativní technologie spřažené dřevo-UHPC lávky pro pěší a cyklisty. Cílem je efektivní využití materiálů, zrychlení procesu výstavby a možnost univerzální aplikace pro různá mostní rozpětí. Nosnou konstrukci budou tvořit dřevěné trámové nosníky z lepeného lamelového dřeva spřažené s deskou mostovky z UHPC. Mostovka bude vyrobena z příčných prefabrikovaných dílců přes celou šířku mostu o délce segmentu 1 m.

Speciální spřahovací prvky uvedené v předchozí kapitole byly primárně vyvíjeny pro aplikaci v pozemním stavitelství. U mostních konstrukcí je potřeba přenést větší síly na větší rozpětí, a proto jsou zpravidla využívány mechanické spřahovací prostředky v kombinaci se zazubenou kontaktní spárou. Ozub může být tvořen přímo betonem či například ocelovou lištou se smykovými trny zapuštěnou do dřevěného trámu. V případě betonového ozubu je možno navrhnout mostovku s žebírky, která by zároveň pomáhala staticky. Aplikace betonového ozubu ovšem není příliš vhodná z hlediska provádění i z hlediska trvanlivosti konstrukce. U tenkých desek s žebírky často dochází vlivem diferenčního smršťování k potrhání spodní strany žeber. V případě výšky žebírek 2–4 cm (běžná výška ozubu pro spřažení) nejsou žebírka ze statického hlediska ani příliš efektivní.

Spřažení bude realizováno pomocí ocelových lišt se smykovými trny, viz obr. 7. Lišty budou ve výrobně zabudovány do dřevěného trámu. Prefabrikované panely mostovky budou při výrobě opatřeny otvory pro spřahující prvky. Na stavbě budou nejprve umístěny kompletní dřevěné trámy se spřahujícími prvky, na které budou následně osazeny prefabrikované dílce mostovky. Styky dílců a otvory se spřahujícími prvky budou zality zálivkou z UHPC. Aplikace UHPC zálivky v místech spojů se osvědčila již u spřažených ocelobetonových konstrukcí, viz Vítek [8]. V místech otvorů bude zálivka aplikována v oblasti nad ocelovou smykovou lištou a nebude tedy přímo v kontaktu se dřevem. Tento způsob spřažení disponuje tolerancemi menších nepřesností při osazení panelu. Je připraven experimentální program, v rámci kterého bude tento způsob spřažení odzkoušen.
V současnosti se připravují tělesa na protlačovací zkoušky, viz obr. 8.

Závěr
V článku byl shrnut aktuální stav výzkumu v oblasti vývoje speciálních spřahovacích prostředků pro spřažené dřevobetonové konstrukce s prefabrikovanou betonovou deskou. Byl zde představen vývoj spřahovacích prostředků pro inovativní konstrukční systém spřažených dřevo-UHPC lávek pro pěší a cyklisty.

MILAN HOLÝ, LUKÁŠ VRÁBLÍK
foto Nohau Fotostudio (1, 3), archiv Schaffitzel Holzindustrie GmbH & Co. KG (2) a archiv autorů

Poděkování
Článek byl vypracován s podporou TAČR v rámci projektu TH02020730 – Využití UHPC pro moderní návrh progresivních spřažených dřevobetonových mostních konstrukcí.

Literatura:
1) CROCETTI, R., T. SARTORI, R. J. TOMASI. Innovative Timber-Concrete Composite Structures with Prefabricated FRC Slabs. Struct. Eng., 2015, 141 (9).
2) EISENHUT, L. Geklebter Verbund aus Holz und hochfestem Beton – Untersuchungen zum Langzeitverhalten. Dissertation, Universität Kassel, 2015.
3) HÁJEK, P., M. KYNCLOVÁ, C. FIALA. Timber-UHPC composite floor structures – environmental study. 3rd International Symposium on UHPC in Kassel in Germany, 2012, s. 679–674.
4) KUKLÍK P., P. NECHANICKÝ, A. KUKLÍKOVÁ. Development of Prefabricated Timber-Concrete Composite Floors. World Conference of Timber Engineering Auckland, 2012.
5) LUKASZEWSKA, E. Development of Prefabricated Timber-Concrete Composite Floors. PhD thesis, Department of Civil, Mining and Environmental Engineering Division of Structural Engineering, Luleå, 2009.
6) NECHANICKÝ, P. Možnosti provádění kompozitních dřevobetonových konstrukcí. TZB-Info.cz [online, cit. 2012]. Dostupné z: http://stavba.tzb-info.cz/drevostavby/8362-moznosti-provadenikompozitnich-drevobetonovych-konstrukci.
7) SCHÄFERS, M. Entwicklung von hybriden Bauteilen aus Holz und hochfesten bzw. ultrahochfesten Betonen – Experimentelle und theoretische Untersuchungen. Dissertation, Universität Kassel, 2010.
8) VÍTEK, J. L. et al. Joints of Precast Structures Using UHPC, Solid State Phenomena, Vol. 259, pp. 164–169, 2017.

Ing. Milan Holý (*1987)
absolvoval obor konstrukce a dopravní stavby na Fakultě stavební ČVUT. Pracuje jako vědecký pracovník v Kloknerově ústavu ČVUT, je doktorandem na Fakultě stavební ČVUT.

Doc. Ing. Lukáš Vráblík, Ph.D., (*1980)
absolvoval ČVUT v roce 2004, v roce 2007 obhájil disertační práci a získal titul Ph.D., od roku 2012 je docentem, obor habilitace teorie stavebních konstrukcí. Pracuje jako pedagog na Fakultě stavební ČVUT, je technickým ředitelem inženýrské a projektové kanceláře NOVÁK & PARTNER, s. r. o.