…právní úprava jejich navrhování, příslušné technické normy, širší aspekty jejich realizace, jejich ochrana proti korozi a požáru, obecně konstrukční doporučení, vhodné materiály, koncepce řešení jednotlivých prvků, detailů, konstrukčních spojů i samotných konstrukcí, jejich uložení a ukotvení – to vše v první části pojednání o kovových stropních konstrukcích.
Ocelové konstrukce existovaly dávno před objevením železobetonu a uplatňovaly se u nás i v cizině zejména u průmyslových staveb s velkým rozponem. Využívaly především tlustostěnných, za horka válcovaných ocelových profilů. Časem se ukázalo, že ocelové konstrukce budov jsou výhodné i pro stavby občanské a bytové pro řadu vynikajících vlastností:
- při malé hmotnosti prvků a vysoké pevnosti oceli jsou možné stavby vyšší a s většími rozpony, než připouští železobeton (u něhož nepříznivě narůstá zatížení vlastní hmotou konstrukce)
- ocelové konstrukční systémy mají, díky menším průřezům konstrukčních prvků, větší univerzálnost a prostorovou uvolněnost než systémy železobetonové
- hmotnost konstrukce je díky štíhlosti prvků podstatně menší, což se projevuje příznivě na dopravě i montáži
- specifické vlastnosti oceli dovolují využít staticky celou plochu profilu, konstrukce je pružná, snáší bez poruch i menší deformace podpůrných konstrukcí a odolává dynamickému namáhání
- montáž konstrukce je při malé hmotnosti a velké rozměrové přesnosti prvků rychlá a realizovatelná efektivně i v nepříznivých klimatických podmínkách
- ocelové konstrukční systémy dovolují i velké adaptace a rekonstrukce, neuskutečnitelné u železobetonových konstrukcí i celkovou demontáž konstrukce. Demontované konstrukce jsou znovu použitelné přímo nebo po přetavení - materiál je návratný.
- rychlost výstavby je bezkonkurenční.
Hodnotíme-li zejména z výše uvedeného pohledu možnosti využití ocelových konstrukcí obecně, a tedy i stropů, je ocelová konstrukce (zejména v podobě sofistikovaných konstrukčních systémů) mnohem efektivnější než např. železobetonová. Není však vždy levnější, především proto, že vyžaduje bezpečnou ochranu proti korozi, požáru a zvládnutí náročných tepelně technických a akustických požadavků. Z toho vyplývá, že je nezbytné (pokud se nejedná pouze o banální případ použití) zvládnout nejen konkrétní aplikaci konstrukčního systému stropní konstrukce (výběr a nadimenzování prvků, montážní možnosti apod.), ale též komplexní začlenění ocelové konstrukce do objektového systému, splňujícího konstrukční i uživatelské požadavky.
Cena konstrukce je dána jak hmotností materiálu (určitého druhu a provedení), tak pracností výroby a montáže. Ke zvýšení hospodárnosti přispívá aplikace progresivních technických a technologických postupů (např. prostorové řešení konstrukcí, tenkostěnné a ocelobetonové konstrukce), respektování pružnoplastického chování materiálu, výstižnější modelování prvků, moderní spojování konstrukcí (např. progresivní způsoby svařování), aplikace nových materiálů, konstrukčních průřezů apod.
Následující doporučení jsou zaměřena na řešení stropních konstrukcí. Nepokrývají problematiku ocelových konstrukčních systémů budov jako celku, pouze ve vhodných případech využívají příkladů některých jejich konkrétních řešení.
Současná úprava navrhování ocelových konstrukcí v technických normách
V současné době platí pro navrhování ocelových stropních konstrukcí zejména tyto technické normy:
- ČSN 731401 Navrhování ocelových konstrukcí
- ČSN EN 1393-1-1 (Eurokód 3) Navrhování ocelových konstrukcí - obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby
- ČSN EN 1393-1-2 (Eurokód 3) Navrhování ocelových konstrukcí - navrhování konstrukcí na účinky požáru
- ČSN EN 1393-1-3 (Eurokód 3) Navrhování ocelových konstrukcí - pravidla pro tenkostěnné za studena tvarované prvky a plošné profily
- ČSN EN 1393-1-4 (Eurokód 3) Navrhování ocelových konstrukcí - pravidla pro korozivzdorné oceli
- ČSN EN 1393-1-6 (Eurokód 3) Navrhování ocelových konstrukcí - pevnost a stabilita ocelových skořepin
- ČSN EN 1393-1-8 (Eurokód 3) Navrhování ocelových konstrukcí - navrhování styčníků
- ČSN EN 1393-1-9 (Eurokód 3) Navrhování ocelových konstrukcí - únava
- ČSN EN 1393-1-11 (Eurokód 3) Navrhování ocelových konstrukcí - ocelové tažené prvky
- ČSN EN 1393-1-12 (Eurokód 3) Navrhování ocelových konstrukcí - oceli vysokých pevností do třídy S700
Širší aspekty realizace ocelových konstrukcí
Při návrhu konstrukce je třeba zvážit i související hlediska, ke kterým patří:
- podmínky výroby (vybavení dílny, dostupnost vhodných hutních výrobků)
- podmínky dopravy - nejen volba dopravního prostředku, ale též dostupnost místa montáže (stavby) a dopravní omezení
- montáž (hmotnost a rozměry dílců, montážní pomůcky, způsob provádění montážních spojů, chování v jednotlivých stádiích montáže a další)
- ochrana ocelové konstrukce (protipožární, protikorozní, seismické vlivy)
- další uživatelské požadavky (akustické, tepelně-technické, dynamické namáhání, technologické, provozní, architektonické, reprezentační, možnost dispozičních změn a rekonstrukce)
- údržba (možnost pravidelné údržby, přístupnost důležitých detailů)
Doporučení k ochraně proti korozi
Znehodnocení oceli chemickou a elektrochemickou korozí můžeme zabránit, nebo alespoň omezit
- konstrukčním řešením
- uspořádáním konstrukčních prvků a řešením styků je třeba zajistit, aby se v detailech konstrukce nehromadily prach a nečistoty a srážková nebo kondenzovaná voda mohla volně odtékat
- vhodné jsou masivní profily s minimálním povrchem, orientované tak, aby nevznikala úžlabí, která by bylo třeba čistit
- povrch má být co nejméně členitý a přístupný pro provedení nátěrů
- v uzavřených částech konstrukce musí být řešena otázka kondenzace vodních par (izolace, odvod kondenzátu apod.)
- povrchovou ochranou (samozřejmě po důkladném očištění povrchu od okují, rzi a mastnoty). Rozhodování o způsobu povrchové ochrany konstrukce není pouze předmětem samostatného rozhodování výrobce či zhotovitele ocelové konstrukce, ale velmi často vychází z požadavků odběratele a je podstatnou náležitostí smluvního vztahu obchodních partnerů. Způsob ochrany musí být přesně specifikován v projektové dokumentaci, včetně požadovaného stupně očištění a doby do které musí být provedena první vrstva ochranného systému. Stejný důraz je třeba věnovat kontrolní činnosti, a to ve všech fázích činností - před provedením ochrany i v jejich jednotlivých krocích.
● Nejrozšířenějším způsobem ochrany jsou nátěry organickými hmotami. Základním nátěrem, který by měl obsahovat reaktivní složky, se konstrukce opatřuje ve výrobně. Bez nátěru zůstávají plochy určené pro montážní sváry, třecí plochy pro VP šrouby a části určené k zabetonování. Základní nátěr má omezenou životnost a po delším skladování se musí obnovovat. Po dokončení montáže je třeba místa, kde je základní nátěr poškozen nebo chybí opravit a zatmelit spáry proti pronikání vlhkosti. Na takto provedený základní nátěr navazují vrchní nátěry v počtu vrstev předepsaných projektem. Používají se látky na olejové, syntetické, polyuretanové, chlorkaučukové, polymerátové nebo epoxidové bázi podle stupně agresivity prostředí.
● Povlaky mohou být z odolnějších kovů (zejména ze zinku a hliníku), umělých hmot (plastické hmoty používané zejména na vnitřní stěny plošných dílců), práškových vypalovacích barev, případně anorganických smaltů. Využití tohoto způsobu ochrany však přináší i některé návazné problémy. Jedním z nich je nutnost dohodnout plnohodnotný způsob ochrany míst, kde byla z montážních důvodů povrchová úprava vynechána nebo poškozena.
- volbou odolnějšího materiálu - základního i pro konstrukci styků
- údržbou, zahrnující preventivní a podrobné prohlídky a generální opravy nátěrů.
Ochrana proti požáru
Zabezpečení konstrukce proti požáru je komplexní problém řešený v rámci celého objektu. Zahrnuje otázky dispozičního uspořádání, řešení požárních úseků, únikových cest, hlásných systémů, prostředků pro boj s ohněm, zajištění odolnosti nosné konstrukce atd. Podle platných ČSN se zjišťují požární zatížení (množství hořlavých látek na m2), požární rizika a stupně požární bezpečnosti. Požaduje se zaručit určitou dobu požární odolnosti nosné konstrukce (15 až 60 minut), po kterou má být konstrukce schopna přenášet zatížení.
Přitom je třeba si uvědomit, jaký vliv mají vysoké teploty při požáru na konstrukci:
- mění se hodnoty mechanických vlastností - klesá modul pružnosti a tím narůstají plastické deformace, snižuje se mez pevnosti a průtažnosti
- dochází k roztahování prvků a tím, pokud je zabráněno jejich volné dilataci, vznikají napětí, která mohou způsobit překročení únosnosti prvků. Takto vzniklé síly se mohou projevit i v místech přímo požárem nezasažených.
- požární odolnost závisí na úrovni napjatosti.
Ochranu OK provádíme zásadně dvěma způsoby:
- zabráněním přístupu tepla z místa předpokládaného požáru ke konstrukci (tepelnou izolací)
- odvodem tepla z konstrukce.
Použitá tepelně izolační hmota musí být dostatečně odolná proti působení vysokých teplot a musí přitom zachovávat svou celistvost. Požární odolnost konstrukčního dílu nezávisí jen na izolační vrstvě, ale i na hmotnosti konstrukce, velikosti a členění jejího povrchu a na množství tepla potřebného k zahřátí konstrukce na kritickou teplotu.
Izolační vrstva na prvcích OK může být tvořena:
- izolační hmotou - zpravidla se jedná o vhodné vláknité izolační hmoty (čedičová nebo strusková hmota) spojené organickými nebo neorganickými pojivy. Nanáší se zpravidla stříkáním a vyztužuje se pletivem. Vzhledem k malé mechanické odolnosti je obvykle třeba chránit vrstvu obkladem. Úprava je vhodná na nepříliš členité povrchy. Hmoty k tomu účelu používané jsou známé pod obchodními názvy Sibaterm, Metizol-P a další.
- omítkami - (např. sádroperlitové, vápenné) mají malou požární odolnost, ale jsou cenově výhodné
- obklady z anorganických hmot - (např. křemelinové, sádrové, perlitobetonové, sádroperlitové) umožňují rychlou montáž případně již s povrchovou úpravou. Třeba řešit přichycení obkladu a těsnění spár. Používané jsou např. obkladové desky Akumin, Izomin, Dupronit, Ezalit v tloušťkách od 5 do 25 mm.
- obezděním a obetonováním
- zpěňujícími nátěry a tmely - teplem zvětšují objem a vytvářejí vrstvu izolující pěny. Jejich max. účinnost je 30 minut. Mají omezenou životnost a musí se obnovovat.
Návrh ochranné vrstvy proti požáru je vhodné kombinovat s protikorozní ochranou.
Dodavatelé konstrukčních soustav problematice požární odolnosti věnují a ve svých technických podkladech nabízejí varianty řešení pro různá požární zatížení, doložené požadovanými atesty. Řadu námětů lze využít i u individuálních řešení. Jako příklad uvádíme zvýšení požární odolnosti nosných prvků - stropnic - odnímatelným Al bedněním betonové desky FEAL, kde se o ochranu spodní pásnice musí postarat vhodná konstrukce podhledu.
Odvod tepla je možné zajistit předsazením konstrukce nebo chlazením tekutinou, obíhající uvnitř dutých nosných průřezů. Klasickou požární ochranu stropní konstrukce tvoří zavěšené podhledy.
Obecné konstrukční doporučení
Zpracování projektové dokumentace se věnuje nepřeberná plejáda předpisů a norem obecného i speciálního charakteru, počínaje Stavebním zákonem a konče rozměrovými parametry spojovacích elementů. Našim záměrem je upozornit na určité oblasti, kde se při aplikaci očekávají problémy, osvěžit některé vztahy mezi funkčními díly a dát podnět k porovnání vlastností navrhovaných konstrukcí stropů.
Pro navrhování stavebních ocelových konstrukcí lze použít dvě rovnocenné paralelní řady ČSN. Řada norem svým původem česká platí pouze v České republice, řada svým původem evropská platí v České republice a lze ji uplatnit i ve všech zemích CEN (viz přehled výše). Rozhodnutí o použitých normách by mělo být obsaženo ve smlouvě mezi objednatelem a zhotovitelem stavebního díla. Je třeba si uvědomit, že podle zvolené řady třeba postupovat v celém procesu přípravy a realizace stavby.
Často a neprávem podceňovanou částí dokumentace je dokumentace montážní. U konstrukcí tvořených montovanými systémy je zcela samozřejmé, že součástí dodávky je podrobný technologický předpis, řešící postup realizace po jednotlivých fázích výstavby a výrobce současně nabízí i potřebné montážní pomůcky, přípravky a kontrolní pomůcky. Jinak tomu je mnohdy u konstrukcí individuálních, kdy se postup ponechává na zkušenostech montážníka, který z dostupné dokumentace mnohdy ani nezná statické předpoklady projektanta. Technologický předpis by měl obsahovat zejména postup sestavování prvků, dílců a celků včetně jejich spojování, sled mezioperačních kontrol, podmínky pro přejímku, postup provádění protikorozní ochrany spojů a styků, použití strojů a zařízení, způsob označování montážních dílů, technické a organizační opatření k zajištění BaOZ pracovníků a pracoviště. Dále samostatnou část, řešící svařování konstrukcí: údaje o metodě, určení kvalifikace pracovníků, způsoby svařování prvků a dílů, kontrolní činnost a další. Důležité je stanovení montážních fází včetně jejich statického posouzení, ale i návrh montážních pomůcek, zařízení a případných podpor. Hloubka a rozsah zpracování jsou závislé nejen na druhu a složitosti konstrukce, ale též na požadavcích stavebníka. I v těch nejběžnějších případech by měl technologický projekt odpovědět na všechny otázky, které by mohly technicky ovlivnit realizované dílo a bezpečnost jeho provádění.
Materiál pro stropní konstrukce
Pro nosné konstrukce se převážně užívají běžné nízkouhlíkové oceli nebo oceli nízkolegované. Uplatnění kvalitnějších ocelí legovaných (např. ocelí vysokopevnostních s mezí kluzu vyšší než 360 Mpa), nebo ocelí zvláštních vlastností (např. s vyšší odolností proti otěru, žáruvzdorné, nerezové) je vhodné pouze pro speciální konstrukce nebo prostředí, které je vyžadují (např. velké nebo zvláštní namáhání). Tyto materiály jsou nejen dražší, ale vyžadují také zvláštní péči při návrhu konstrukce (problémy stability, křehký lom, únava apod.), ale též připravenost výrobce k jejich zpracování.
Vlastnosti materiálů jsou uvedeny v návrhových normách (v jejich „návrhových listech"). Pro nosné ocelové konstrukce je nutno objednávat oceli s hutním atestem, kde jsou se zárukou hutě uvedeny zjištěné hlavní vlastnosti oceli dané tavby.
Pokud se v určitých konstrukcích používají kombinace oceli s jinými materiály (beton, keramika), odkazujeme na příslušné kapitoly, které o požadavcích na ně pojednávají.
Spoje prvků ocelových stropů
S volbou statického a konstrukčního uspořádání souvisí i stanovení koncepce řešení prvků a detailů konstrukce, které musí zajistit předpokládané chování konstrukčního dílu i celé stavby. Protože ocelové konstrukce umožňují značnou variantnost řešení detailů, je u nich vazba celku a detailu velmi výrazná. Aby se předešlo pozdějším komplikacím, je třeba mít ujasněné zásady řešení rozhodujících detailů již v úvodních fázích návrhu.
Při posuzování vhodnosti způsobu spojování částí konstrukce je třeba rozlišovat spoje konstrukčních prvků a dílů prováděné ve výrobnách a spoje montážní, pomocí kterých se díly ocelových konstrukcí sestavují na stavbě do podoby konstrukční části, v našem případě nosné stropní konstrukce.
Sváry (též svary) umožňují spojení součástí s minimálními požadavky na prostor, jsou tuhé a pokud jsou dobře navrženy, nejsou z hlediska pevnosti slabým místem konstrukce. Svařované spoje zjednodušují konstrukci styků a šetří materiál. Vyžadují však kvalifikované pracovníky (technology, svářeče) a určité uspořádání detailů a technologických postupů (působení tepla vyvolává jednak vlastní pnutí, které způsobuje pokřivení prvku, jednak má vliv na únosnost z hlediska únavy materiálu). Efektivita činnosti roste s mírou technologického vybavení a organizace činností. Obecně je výhodné svařovat v dílnách, kde jsou k dispozici polohovadla, svařovací automaty a vhodné prostředí, což vše umožňuje dosažení požadované kvality a vysoké produktivity kvalifikovaných pracovníků.
Na stavbě je omezujícím faktorem při montáži počasí, ztížené podmínky přístupu ke svarům, poškození povrchových úprav, obtížnější zajišťování kontrolních zkoušek a potřeba kvalifikovaných svářečů (vyškolených, pravidelně přezkušovaných s platným svářečským průkazem). Naopak vybavení moderními vysoce účinnými a lehkými svářecími přístroji rozšíření svařování na stavbě velmi přispělo. Dříve obvyklý požadavek na montážní spoje šroubované je proto třeba individuálně zvážit podle druhu…
