Předpjatý beton

Konstrukce z předpjatého betonu jsou v moderním stavebnictví velmi oblíbené. Díky souboru vysoce kvalitních vlastností výrobků je nyní potenciál pro řešení složitých architektonických problémů, což nám umožňuje rozšířit funkčnost budov a konstrukcí. S příchodem vysokopevnostního betonu a oceli se výrazně zvýšily možnosti výstavby velkých objektů s velkými rozpony, podlahami a vysokým zatížením.

Definice a účel

Předpjaté železobetonové výrobky jsou jednotné konstrukční moduly, při jejichž výrobě beton získává počáteční tlakové napětí. Vzniká vytvořením předpětí ve vysokopevnostní pracovní výztuži a jejím použitím ke stlačení pracovních oblastí, které budou během provozu vystaveny ohybovému a tahovému zatížení. Stlačená výztuž je pevně spojena s betonem a pomocí vypočtené hodnoty vyrovnává napětí, které vzniká vlivem vznikajících sil.

Při vyztužování běžných železobetonových výrobků se používají tyče, sítě nebo kovová výztuž. Aby měl beton vysokou pevnost nejen v tlaku, ale i v tahu, je podroben standardní a předpjaté výztuži. Stavební železobetonové výrobky s předpjatými konstrukcemi mají index pevnosti 5-6krát vyšší než výrobky bez tahu. Takové bloky, desky, podnosy, podpěry a další prvky se zpravidla vyznačují vysokou úrovní odolnosti proti praskání, na které závisí pevnost a trvanlivost budov a konstrukcí. Při praskání beton podléhá deformačním, sesedacím a korozním procesům v důsledku vlhkosti vstupující do výrobků, což vede ke ztrátě pevnosti a destrukci jakékoli stavební konstrukce. Technologie předpětí umožňuje vyhnout se negativním faktorům. Selhání předpjatých bloků je možné pouze v případě, že působící ohybové nebo tahové síly překročí rychlost předkomprese.

Technologie výroby železobetonových výrobků s předpínací výztuží

V současné době se při výrobě předpjatých železobetonových výrobků používají dva způsoby:

• Metoda napínání betonu se používá především ve výrobních podmínkách v betonárnách. Během technologického procesu jsou do forem instalovány tvarovky pro lití. V tomto případě je jeden okraj ocelové tyče pevně upevněn a pomocí druhé je ocelové tyči poskytnuto potřebné napětí. Po dosažení zadané hodnoty se formy zafixují a zabetonují. Ocelová výztuž se uvolní z dorazů, když roztok dosáhne přenosové pevnosti, která je dostatečná pro absorbování síly vytvořeného tahu. Aby železobetonové výrobky měly maximální pevnost, používá se při výrobním procesu vysokopevnostní beton a periodický profil, který zajišťuje maximální přilnavost ocelového rámu k maltě. Po odstranění zarážek má výztuž v důsledku tahových sil tendenci obnovit svou velikost a tím stlačit beton. Pokud je přilnavost výztuže k maltě nedostatečná, lze použít speciální kotvy. K vytvoření tahu používají výrobní závody speciální stojany nebo palety vybavené k tomuto účelu. V tomto ohledu jsou pomocí této technologie vyráběny standardní tyčové a ploché železobetonové výrobky ve formě nosníků, desek, příčníků, vazníků a rámů.

• Technika napínání betonu probíhá v případech, kdy je použití zarážek nemožné. Příkladem toho je výstavba budov na staveništi s velkými rozpony, zvětšená montáž jednotlivých kompozitních konstrukcí atd. Touto technologií se zpočátku vyrábí slabě vyztužený prvek, jehož konstrukce obsahuje speciální drážky a kanály pro instalaci zesílení. Poté, co beton získá přenosovou pevnost, jsou použity zvedáky k nárazu na rám z konců železobetonového výrobku. Aby byla výztuž chráněna před škodlivými účinky koroze, musí být drážky vyplněny cementovou maltou. V případě napínací výztuže na beton se nejčastěji používá tzv. pramencová nebo svazková výztuž nebo vysokopevnostní drátěná lana. K tahové výztuži lze také použít několik technologických metod, a to: fyzikálně-chemické, elektrotermické, mechanické a elektromechanické metody. Při použití mechanického působení vzniká na výztuž síla pomocí hydraulických zvedáků, pomocí kterých lze poměrně přesně nastavit požadovanou napínací sílu. Po dosažení zadané hodnoty se výztuž připojí a zvedák se odstraní.

Elektrotepelná technika je široce používána při výrobě výrobků z předpjatého betonu, čehož je dosaženo díky vlastnosti oceli rozpínat se při zvyšování teploty. K ohřevu prochází výztužnými tyčemi elektrický proud, načež se tyče, které dosáhly teploty 300-400 °C, vypnou a zajistí speciálními zarážkami. Elektromechanická technologie výroby kombinuje účinky mechanických sil a elektrického ohřevu zároveň. Metoda fyzikálně-chemického tahu je použitelná při výrobě samonapínacích výrobků, kde síly je dosaženo díky souboru expanzních vlastností vytvrzovacího roztoku získaného pomocí tahového cementu.

Klasifikace

V současné době jsou předpjaté železobetonové výrobky na základě konstrukčních prvků rozděleny do následujících kategorií:

• prefabrikáty, pro jejichž výrobu se používá lehký, jemnozrnný a těžký beton třídy minimálně B15-B30 v závislosti na třídě a typu použitých armovacích prutů, jejich průřezu a přítomnosti kotev. Použitím vysokopevnostních betonových řešení se zvyšuje účinnost, díky čemuž se snižuje objem použitého materiálu a snižuje se hmotnost samotného bloku. To umožňuje snížit spotřebu oceli. V důsledku toho tyto faktory vedou ke snížení spotřeby materiálu a nákladů na výrobky;
• monolitické železobetonové výrobky, pro jejichž výrobu je vhodný beton s nižšími pevnostními hodnotami. Jako řešení se zpravidla používá beton třídy B15-B30;

• prefabrikované monolitické stavební prvky. Předpjaté desky, nosníky, pruty a další typy konstrukcí se v současné době vyrábí z vysokopevnostního betonu.

Kromě toho mohou být železobetonové výrobky vyrobené s předpětím prvky s jedno-, dvou- nebo tříosým namáháním, které se vyznačují následujícími parametry:

• U jednoosově napínaných železobetonových prvků působí předpínací síly výhradně na podélně umístěné výztužné pruty. V důsledku toho je tento typ napětí relevantní pro stavební konstrukce, které jsou během provozu vystaveny axiálnímu tahu, což je typické pro nosníkové a deskové typy výrobků;
• napětí podél dvou os se používá při výrobě železobetonových výrobků, které během provozu nesou zatížení ve dvou směrech. Do této kategorie patří jeřábové nosníky, tlakové trubky, desky s obrysovou podporou, rozpětí mostních konstrukcí atd. U takových železobetonových výrobků je výztuž předpjatá v příčném i podélném směru. Je povoleno vyrábět stavební konstrukce pomocí podélně předpjaté výztuže, která je umístěna uvnitř výrobku podél přerušované nebo zakřivené čáry;
• konstrukce s trojosým tahem jsou žádané pro složité a kritické budovy a konstrukce s různými vektory působících zatížení. Mezi takové objekty patří výškové budovy, výrobní dílny, rámy zařízení, hydraulické konstrukce, reaktory atd.

Výhody výrobků z předpjatého betonu

Železobetonové výrobky vyrobené na základě předpjatých konstrukcí jsou velmi žádané a jsou nejslibnější pro stavbu řady objektů, díky přítomnosti výhod, včetně:

• zvýšená pevnost výrobků ve srovnání se standardní výztuží, která otevírá široký potenciál pro výstavbu složitých architektonických struktur;
• schopnost výrobků fungovat bez poškození ohybem a tahem, což umožňuje postavit zařízení se zvýšenými délkami rozpětí;
• různé možnosti výroby umožňují nejen posílit strukturu stavebních prvků, ale také ji odlehčit, čímž se sníží náklady na železobetonové výrobky;
• stavební výrobky s předpětím mají vysokou odolnost proti trhlinám, což v konečném důsledku ovlivňuje vysokou životnost budov a konstrukcí, jejich spolehlivost obecně;
• železobetonové výrobky, založené na vlastnostech betonu, jsou chemicky neutrální, což eliminuje takové nežádoucí procesy, jako je hniloba a koroze, které mohou ovlivnit pevnost prvků a poškodit ocelovou výztuž;
• Moderní trh s předpjatými železobetonovými výrobky má bohatý sortiment a vyznačuje se rozmanitostí provedení, které lze použít pro standardní občanskou a průmyslovou výstavbu. Široká škála typů železobetonových výrobků s různými rozměry a funkcemi zjednodušuje proces výstavby, umožňuje snížit náklady na výstavbu a navrhování objektů;
• železobetonové výrobky mají vysoký stupeň odolnosti vůči vnějšímu prostředí, vlhkosti a teplotním změnám;
• předpětí zvyšuje prizmatickou pevnost, což umožňuje tlumit zatížení betonu vznikající v důsledku statického a dynamického zatížení během provozu;
• dostupnost produktů s jedno-, dvou- a tříosým tahem, které lze použít při řešení architektonických problémů různé složitosti;
• použití výrobků z předpjatého betonu umožňuje zvýšit seismickou stabilitu budov a konstrukcí na jejich základě.

Rozsah praktického využití předpjatých výrobků

V současné době se předpínání výztuže aktivně používá u prvků a stavebních konstrukcí, které jsou během provozu namáhány tahem a ohybem. Mezi takové objekty patří velké budovy s velkými rozpony, a to: výškové budovy, mostní konstrukce, průmyslové stavby pracující s vysokou hodnotou excentricity. Kromě toho se pomocí výrobků z předpjatého betonu, sila a nádrží, tlakových potrubí a hydraulických konstrukcí konstruují jednotlivé prvky kritických konstrukcí v podobě vazníků, podlah, příčníků, sloupů a rozpětí, podpěr elektrického vedení atd.

Předpjatý beton patří do kategorie stavebních materiálů, které jsou navrženy tak, aby překonaly neschopnost běžného betonu odolávat tahovým silám. Konstrukce z něj vyrobené mají oproti nenamáhaným výrazně nižší průhyby a zvýšenou odolnost proti praskání. Současně má železobeton stejnou pevnost, díky které je možné pokrýt velké rozpony s podobným průřezem prvků.

Při napínání betonu se používá ocelová výztuž, která má vysokou pevnost v tahu. Napíná se pomocí speciálních zařízení a poté se položí betonová směs. Po ztuhnutí se předpínací síly uvolněných výztužných prvků nebo kabelů přenesou na okolní beton, který se stlačí. To umožňuje zcela nebo částečně eliminovat tahová napětí od různých provozních zatížení.

Předpjatý beton se vyrábí s tahem výztuže pomocí následujících metod: mechanické, elektrotermické a elektrotermomechanické (kombinované).

První způsob zahrnuje použití zvedáků, obvykle hydraulického nebo šroubového typu. Elektrotermická metoda spočívá v napínání betonu pomocí ohřevu elektrickým proudem, po kterém se výztuž vysune na požadované hodnoty. Zkrácení, stlačuje beton a zpevňuje konstrukci. Kombinovaná metoda zahrnuje kombinaci prvních dvou metod.

Technologie výroby předpjatého betonu

Rozlišují se následující technologie:

• napětí na dorazech (před uložením do systému bednění);
• napětí na betonu (po položení a získání pevnosti).

Nejčastěji se druhá možnost využívá při stavbě mostů s dlouhým rozpětím, kdy se jedno pole vyrábí v několika fázích (chytech). Při napínání betonu se ocelové materiály (lanka nebo výztuž) ukládají do formy pro betonáž v lanových formovačích, což jsou vlnité tenkostěnné trubky z plastu nebo kovu.

Po vyrobení monolitické železobetonové konstrukce se kabel napíná pomocí speciálních mechanismů (zvedáků) až do dosažení určitých hodnot. Poté se tekutá cementová malta čerpá do lanových formovačů s kabely. Vznikne tak vysokopevnostní spojení segmentů rozpětí.

Zatímco dorazové napínání zahrnuje použití napínané výztuže výhradně přímočarých tvarů, napínání betonu umožňuje pracovat s výztuží složitých tvarů. Díky tomu se výrazně zvyšuje technická a ekonomická účinnost výztuže. Například u mostů jsou takové prvky zvednuty uvnitř nosných železobetonových nosníků v oblastech umístěných nad „býčími“ podpěrami. To umožňuje účinněji předcházet rizikům průhybů.

Výhody a nevýhody předpjatého železobetonu

Předpjatý železobeton se osazuje do stavebních konstrukcí již v tlakově namáhaném stavu. Má řadu výhod:

1. Úspornější. Napínací beton umožňuje snížit spotřebu oceli v průměru o 40–60 %. Spotřebuje se méně cementu a také se sníží průřez a hmotnost.
2. Má vysokou odolnost proti vzniku trhlin a jejich dalšímu rozšiřování, což pomáhá bránit šíření korozních procesů.
3. Lze použít pro speciální konstrukce, ve kterých je nemožné nebo nežádoucí použít konvenční železobetonové výrobky.
4. Napětí na beton umožňuje použití materiálu pro spoje prefabrikovaných částí konstrukcí: jeřábové a střešní nosníky, podlahové desky a další.
5. V průběhu času se výrazně zvyšuje seismická odolnost konstrukcí, čehož je dosaženo díky nízké hmotnosti materiálů.

Mezi nevýhody napínacího betonu patří vysoká pracnost a složitost práce, což je způsobeno nutností zvláště pečlivých výpočtů. Rovněž konstrukce z předpjatého železobetonu mají nízkou požární odolnost.