Spřažení perforovanou lištou

V pozemním i mostním stavitelství se v současnosti vedle oceli a železobetonu setkáváme i se spřaženými ocelobetonovými konstrukcemi. Základním předpokladem pro efektivní využití příznivých vlastností obou materiálů je použití spřahovacího prvku, který zaručuje vzájemné spolupůsobení oceli a betonu. V pozemním stavitelství dnes patří k nejrozšířenějším spřahovacím prvkům přivařované trny s hlavou a nastřelované zarážky nejrůznějších tvarů. Pro ocelobetonové mostní nosníky je to trn s hlavou. Progresivním a ve srovnání s trny relativně novým spřahovacím prvkem je průběžná perforovaná lišta.

PERFOROVANÁ LIŠTA
Perforovanou (děrovanou) lištu tvoří pásová ocel výšky 60 až 100 mm, tloušťky 10 až 12 mm (obr. 1). Lišta je opatřena otevřenými, uzavřenými, případně kombinovanými otvory, kterými lze protáhnout výztuž betonové desky. V mostárně je lišta kolmo k pásnici ocelového nosníku přivařena oboustranným koutovým svarem.

Použití perforované lišty jako spřahovacího prvku má ve srovnání s ostatními typy spřažení (zejména trny) určité přednosti. Únosnost lišty je dána únosností jednoho otvoru, v němž je beton namáhán střihem, při únosnosti tedy rozhoduje pevnost betonu, což umožňuje efektivní použití betonů vyšších pevnostních tříd. Při spřažení trny totiž o únosnosti při použití pevnějších betonů rozhoduje únosnost vlastního trnu. Výhodou také je, že spřažení lištou zaručuje spojitý přenos podélné smykové síly do ocelové pásnice nosníku, kdežto u spřažení trny se jedná o koncentrované účinky. Připojení spřahovací lišty k pásnici je z hlediska únavy zjevně příznivější než je tomu u spřahovacích trnů. Spřahovací lišta se na pásnici ocelového nosníku přivaří již v dílně, odpadá tedy staveništní pracnost. Provedení dílenského svaru lze zajistit v nejlepší kvalitě tak, aby nebyl slabým místem spřažení. Zmíněné vlastnosti perforované lišty ji předurčují pro použití především v mostním stavitelství. Velkou roli hraje právě vysoká únavová únosnost spřažení, která byla předpovídána v [1]. V pozemním stavitelství je ale použití lišty vhodné rovněž.
Perforovaná lišta byla vyvinuta v Německu v roce 1985 společností Leonhardt, Andrä und Partner. Podrobný rozbor působení lišty uveřejnili již v roce 1987 v [1]. Použití lišty je v západní Evropě patentováno.
Výzkumem působení perforované lišty se od té doby zabývají autoři z mnoha států světa. Jednotlivými autory byly navrženy a teoreticky i experimentálně zhodnoceny lišty různých tvarů a velikostí. Výzkum v České republice probíhá od roku 1994 na FSv ČVUT.

STATICKÁ ÚNOSNOST
Výzkum v České republice probíhá od roku 1994, kdy Macháček a Studnička ze Stavební fakulty ČVUT vyvinuli perforovanou lištu 50 mm vysokou, tloušťky 10 mm s otvory průměru 32 mm (obr. 2).

Nejprve bylo odzkoušeno 27 standardních, tzv. protlačovacích vzorků v souladu s požadavky Eurokódu 4. Jednotlivé vzorky se lišily pevností betonu v tlaku a stupněm vyztužení. Výsledky testů byly podrobeny regresní analýze, viz [2], z které vyplynuly vzorce pro určení smykové únosnosti této lišty. Při návrhu spřažení se postupuje podle teorie pružnosti, neboť z experimentů plyne, že spřažení lištou nelze považovat za dostatečně tažné ve smyslu Eurokódu 4.
V průběhu let 1996 a 1997 byly provedeny tři ohybové ověřovací zkoušky lišty 50/10 mm na nosnících o rozpětí 6 m. Výsledky těchto zkoušek však ukázaly, že přesto dochází k částečné plastické redistribuci smykových sil. V průběhu dalších let byly vykonány dodatečné zkoušky lišty, které se zaměřily na výzkum chování v paralelním uspořádání a na působení v lehkém betonu. Některé konstrukční požadavky vedly rovněž k modifikaci základní lišty, a to k jejímu zvýšení z 50 na 100 mm se zachováním průměru otvorů 32 mm, které byly umístěny při horním okraji lišty.
Druhá z navržených lišt je výšky 100 mm, tloušťky 12 mm s otvory průměru 60 mm, (obr. 3). Její použití se předpokládá především v mostním stavitelství pro nosníky s tloušťkou betonové desky přibližně 200 mm. Celkem bylo s touto lištou provedeno 16 protlačovacích zkoušek s normálním a 9 s lehkým betonem, výsledky zkoušek je možno nalézt např. v [3].

Pro informaci zde ještě jednou zopakujeme návrhovou únosnost lišty [N/mm] při statickém zatížení:

• 50/32: P_Rd = - 49 + 8,8 f_ck,cyl + 568 A_st
• 100/60: P_Rd = 195 + 10 f_ck,cyl + 223 A_st

kde
f_ck,cyl je válcová pevnost betonu v MPa,
A_st plocha výztuže provlečené otvory v mm₂/mm.

ÚNAVOVÉ ZKOUŠKY
V průběhu let 2001 až 2003 byly na ČVUT provedeny první únavové zkoušky na standardních protlačovacích vzorcích. Pro výzkum byla použita vyšší lišta 100/60. Zkoušky byly provedeny v dynamické zkušebně Škoda výzkum v Plzni. Celkem byly vyzkoušeny tři identické vzorky.
K vyvození zatěžovací síly byl použit hydraulický válec s řídící elektronikou Schenck, (obr. 4). Při zkoušce byl měřen prokluz mezi ocelovým HEB profilem a betonovou deskou. Minimální síla byla zvolena jako nejnižší možná na daném typu zatěžovacího zařízení, tj. 5 kN. Rozhodující sledovanou veličinou byl rozkmit (rozdíl mezi maximální a minimální zatěžovací silou). Zkouška byla zakončena buď v okamžiku porušení vzorku, nebo při dosažení limitního počtu cyklů. Při všech zkouškách se na povrchu betonových částí zkušebního vzorku objevovaly již od počátku vlasové trhliny, které se v průběhu zkoušky prodlužovaly a sledovaly směr lišty. První vzorek se porušil zcela. Porušení bylo dáno vylomením části betonového bloku v horní části jedné z desek. U prvního vzorku došlo i k lomu na okraji lišty (obr. 5). Jeho únavový charakter byl následně potvrzen fraktografickou a metalografickou analýzou. Obdobný způsob porušení byl zaznamenán i u třetího vzorku. Nejméně zatížený druhý vzorek se neporušil ani při vyšším počtu cyklů. Tento vzorek byl posléze v laboratořích ČVUT odzkoušen staticky a bylo konstatováno, že jeho únosnost neutrpěla. Vzhledem k finanční náročnosti cyklických zkoušek byly odzkoušeny pouze tři zmíněné vzorky, další se z důvodu omezeného rozpočtu zatím neplánují.

Nezkrácený článek včetně obrázků najdete v říjnovém čísle 4/2004.

Autor

• Doc. Ing. Studnička Jiří DrSc.