Navrhovanie priemyselných podláh s oceľovými vláknami

Betónové podlahy s oceľovými vláknami predstavujú systémové riešenie požiadaviek investorov a projektantov pre najrôznejšie typy priemyselných a občianskych stavieb. Pre zabezpečenie funkčnosti podláh a elimináciu ich statických porúch a povrchových nedostatkov je mimoriadne dôležité správne nadimenzovanie. Keďže betón s oceľovými vláknami je kompozitný materiál, pri dimenzovaní sa najčastejšie používa prístup založený na TEÓRII LOMOVÝCH ČIAR.

Dimenzačné postupy

V súčasnosti sú k dispozícii viaceré prístupy navrhovania prvkov s oceľovou rozptýlenou výstužou. Najznámejšie sú:

• Metóda podľa Westergaarda – ide o výpočet tuhej dosky na pružnom podloží.
• Metódy konečných prvkov – lineárna a nelineárna – sú to numerické metódy, ktoré pomáhajú simulovať napätie a deformácie na vytvorenom modeli pomocou počítačových výpočtov a diferenciálnych rovníc.
• Teória lomových čiar, resp. plastických kĺbov – dokázateľne u nej platí najväčšia zhoda s výsledkami skúšok reálnych podláh.

Prístup k výpočtu podľa teórie lomových čiar

Lomové čiary sú čiarami, okolo ktorých sa pri zaťažovaní aktivuje deformácia alebo rotácia húževnatého betónu s oceľovými vláknami. Okolo týchto čiar sa pri pôsobiacej sile vyvíjajú plastické momenty a vznikajú prvé mikrotrhliny.

Výskumy realizované v nemeckom Inštitúte pre materiály, masívne konštrukcie a požiarnu ochranu Technickej univerzity v Braunschweigu a ďalších univerzitách dokazujú, že únosnosť betónu s vláknami je ovplyvnená predovšetkým:

• rozmermi a tvarom lomových čiar,
• nosnosťou betónu s oceľovými vláknami po vzniku trhlín,
• tuhosťou podložia,
• plochou, na ktorú pôsobí zaťaženie.

Jeden z dodávateľov oceľových vlákien vyvinul program pre dimenzovanie priemyselných podláh, ktorý je založený na vyššie popísaných predpokladoch. Po vložení okrajových podmienok – zaťaženie, typ škár, úroveň zhutnenia podložia – výpočtový postup stanovuje požadovanú pevnosť betónu po vzniku mikrotrhlín. Takto možno v závislosti od zvolenej triedy betónu určiť pre rôzne typy oceľových vlákien aj ich optimálne dávkovanie.

Čo všetko treba poznať pre presné nadimenzovanie priemyselnej podlahy?

1. Podložie

Podložie s dostatočnou únosnosťou je základný predpoklad vzájomného spolupôsobenia s priemyselnou podlahou. Je charakterizované a merateľné pomocou dvoch hlavných kritérií:

• modulom reakcie podložia v N/mm3,
• modulom deformácie (Edef2) a následne mierou zhutnenia (vyjadruje ju pomer Edef2/Edef1≤2,5).

Tieto kritériá sú definované v zmysle slovenských geotechnických noriem (STN 736190 – Statická zaťažovacia skúška podložia a podkladných vrstiev vozoviek a STN 736133 – Stavba ciest).

2. Betón

Betón považujú predovšetkým laici takmer za synonymum priemyselnej podlahy. Minimálna používaná trieda betónu stanovená európskou normou (STN EN 206 – Betón. Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda.) je tu C20/25. Pri nižších triedach betónu efektivita vlákien rapídne klesá kvôli nesúladu pevnosti betónu a pevnosti vystužujúcich vlákien.

3. Zaťaženie

V statickom výpočte sa počíta aj so zaťaženiami. Môžu byť:

• Plošné (tovar uložený na podlahe, strojná technológia…)
• Lineárne (priečky, steny, rámy technológie…)
• Dynamické zaťaženie (vysokozdvižné vozíky, nákladné vozidlá…)
• Bodové (regály, technológia, oceľová konštrukcia vstavkov…)

Výpočtové postupy umožňujú kvantifikovať rozhodujúce napätia a ohybové momenty dosky v kritických miestach podlahy.

Ktoré ďalšie kritériá sú podmienkou správneho dimenzovania priemyselnej podlahy?

• Bezpečnostné súčinitele: Eurokódom, resp. dostupnými smernicami o vláknobetónoch, sú stanovené materiálové a bezpečnostné súčinitele. V medznom stave únosnosti aj v medznom stave použiteľnosti výrazne ovplyvňujú bezpečnosť a funkčnosť podlahy.
• Zmrašťovanie betónu: Je to jav ovplyvnený veľkosťou dilatačných celkov. Obzvlášť dôležité je brať ho do úvahy u bezškárových podláh. Vyvoláva dodatočné napätia v strede a na hranách dosky, ktoré je nutné zohľadniť vo výpočte.
• Koeficient trenia: Pre zabezpečenie optimálnych pomerov trenia pri zmrašťovaní betónu nad podkladnými vrstvami musí byť vo výpočte uvažované s trecím koeficientom. Závisí od použitia jednej alebo dvoch vrstiev separačnej polyetylénovej fólie, prípadne žiadnej trecej fólie. Najčastejšie používaná separačná polyetylénová fólia zabraňuje aj predčasnému úniku vody z betónu do podložia. Po vytvrdnutí betónu bráni zasa prestupu zemnej vlhkosti.
• Teplotný gradient: Rozdielne teploty pri hornom a spodnom povrchu dosky (napríklad extrémny stav v chladiarňach, mraziarňach, hutných prevádzkach alebo pri vysokoteplotných peciach) spôsobujú deformáciu dosky na hranách a v rohoch. Takto vznikajú ďalšie dodatkové pnutia. Aj tieto musia byť pripočítané k napätiam, ktorými je doska namáhaná. Ak tieto údaje nie sú presne zadané, uvažuje sa pri dimenzovaní priemyselnej podlahy so štandardným teplotným spádom: 5 °C v interiéri a 10 °C pri exteriérových doskách.

A aký je záver?

Praktickým výstupom dimenzovania priemyselnej podlahy podľa teórie lomových čiar je pre stavebné firmy buď skrátená, rozšírená, alebo až detailná verzia výpočtov. Obsahuje realizačné závery ako:
Porovnanie ohybových momentov zaťaženia s kapacitou ohybového momentu dosky s oceľovými vláknami, stanovenie hrúbky dosky, triedy betónu, dávkovania i typu výstuže a tiež dimenzačné charakteristiky betónu s vláknami. Najdôležitejšie sú tu zvyškové ohybové pevnosti, ktoré sú merateľné trámčekovou skúškou (podľa normy EN 14651 – Skúšobná metóda pre betón s kovovými vláknami. Meranie pevnosti betónu v ťahu za ohybu.). Poslednou súčasťou výpočtu sú stručné technologické usmernenia.

Princípy dimenzačného postupu boli v období uplynulých 20 rokov v rámci Slovenska úspešne overené projektami náročných priemyselných podláh s rezanými škárami, bez rezaných škár i podláh na pilótach, napríklad vo výrobných prevádzkach automobiliek Volkswagen Slovensko, Kia Motors Slovakia, Jaguar Land Rover Slovakia, v dodávateľských firmách pre automobilový priemysel ako ZKW Group, ZF Slovakia, Continental, v prevádzkach Amazon, Prologis i v obchodných centrách Lidl, Kaufland, Tesco, Billa a i. Nachádzajú sa teda v najvýznamnejších priemyselných parkoch, veľkých logistických halách i nákupných centrách po celom Slovensku.