VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV BETONOVÝCH A ZDĚNÝCH KONSTRUKCÍ FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF CONCRETE AND MASONRY STRUCTURES NOSNÁ ŽELEZOBETONOVÁ KONSTRUKCE REINFORCED CONCRETE STRUCTURE DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BC. DANIEL KLAJBA Ing. PAVEL ŠULÁK, Ph.D. BRNO 2015
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ Studijní program Typ studijního programu Studijní obor Pracoviště N3607 Stavební inţenýrství Navazující magisterský studijní program s prezenční formou studia 3608T001 Pozemní stavby Ústav betonových a zděných konstrukcí ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Diplomant Bc. Daniel Klajba Název Vedoucí diplomové práce Datum zadání diplomové práce Datum odevzdání diplomové práce V Brně dne 31. 3. 2014 Nosná železobetonová konstrukce Ing. Pavel Šulák, Ph.D. 31. 3. 2014 16. 1. 2015...... prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc. Vedoucí ústavu prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc., MBA Děkan Fakulty stavební VUT
Podklady a literatura Stavební podklady Platné předpisy a normy (včetně změn a doplňků) zejména: ČSN EN 1990: Zásady navrhování konstrukcí ČSN EN 1991-1 aţ 4: Zatíţení stavebních konstrukcí ČSN EN 1992-1-1: Navrhování betonových konstrukcí Literatura doporučená vedoucím diplomové práce Zásady pro vypracování V rámci práce bude provedeno navrţení a posouzení hlavních částí nosné ţelezobetonové konstrukce. Konstrukce bude navrţena jako bílá vana. Výpočet vnitřních sil bude proveden pomocí dostupného programu a následně provedena kontrola správnosti výsledku zjednodušenou metodou. Kromě statické analýzy bude vypracována i výkresová dokumentace v odpovídající kvalitě a rozsahu. Ostatní úpravy provádějte podle pokynů vedoucího diplomové práce. Poţadované výstupy: Textová část (obsahuje průvodní zprávu a ostatní náleţitosti podle níţe uvedených směrnic) Přílohy textové části: P1. Pouţité podklady. P2. Výkresy - tvaru a výztuţe (v rozsahu určeném vedoucím diplomové práce). P3. Statický výpočet (v rozsahu určeném vedoucím diplomové práce) Prohlášení o shodě listinné a elektronické formy VŠKP (1x). Popisný soubor závěrečné práce (1x). Diplomová práce bude odevzdána v listinné a elektronické formě podle směrnic a 1x na CD. Předepsané přílohy Licenční smlouva o zveřejňování vysokoškolských kvalifikačních prací... Ing. Pavel Šulák, Ph.D. Vedoucí diplomové práce
Abstrakt Diplomová práce se zabývá návrhem monolitické ţelezobetonové podzemní konstrukce, která bude zčásti pod stávajícím objektem a z části bude tvořit základ pro novou přístavbu. Konstrukce je navrţena jako bílá vana, tedy bez dodatečných izolací proti vodě a zemní vlhkosti. Práce řeší návrh všech konstrukčních prvků (desky, stěny, trámy) z hlediska mezního stavu únosnosti i pouţitelnosti dle ČSN EN 1992-1-1. Analýza konstrukce byla provedena pomocí výpočetního programu Scia Engineer 2013 Studentská verze. Výsledky byly ověřeny zjednodušenou ruční metodou. Klíčová slova bílá vana, základová deska, stěna, stropní trám, stropní deska, smršťování, Scia Engineer, fáze výstavby Abstract The aim of diploma thesis is to design monolithic reinforced concrete underground structure, which is partly under existing building and partly will form the basis of a new outbuilding. Structure is designed as white tub, whitout any additional isolations against water a ground humidity. All structure elements (slabs, walls, beams) was designed according to standard ČSN EN 1992-1-1 for ultimate and serviceability limit state. Structural analysis was performed using Scia Engineer 2013 Student version. The results were validated by simplyfied manual method. Keywords white tub, baseplate, wall, beam, ceiling panel, shrinkage, Scia Engineer, construction stage
Bibliografická citace VŠKP Bc. Daniel Klajba Nosná železobetonová konstrukce. Brno, 2015. 12 s., 329 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav betonových a zděných konstrukcí. Vedoucí práce Ing. Pavel Šulák, Ph.D.
Prohlášení: Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci zpracoval(a) samostatně a ţe jsem uvedl(a) všechny pouţité informační zdroje. V Brně dne 5.1.2015 podpis autora Bc. Daniel Klajba
Poděkování Děkuji především vedoucímu bakalářské práce panu ing. Pavlu Šulákovi, PhD za odborné vedení práce, za vstřícný, svědomitý a přátelský přístup a praktické rady v průběhu zpracování práce. Rovněţ děkuji dalším pracovníkům Ústavu betonových a zděných konstrukcí, především panu ing. Janu Perlovi, při řešení vybraných problému diplomové práce.
Obsah Seznam kapitol 1 Úvod 1 1.1 Úvod do problematiky 1 1.2 Cíle práce 1 2 Popis konstrukce 2 3 Modelování konstrukce a získání vnitřních sil 3 3.1 Konstrukce 3 3.2 Podpory 5 4 Posuzování konstrukcí 6 5 Závěr 7 Seznam použitých zdrojů 8 Seznam použitých zkratek a symbolů 9 Seznam příloh 12
Nosná ţelezobetonová konstrukce 1 Kapitola 1 Úvod 1.1 Úvod do problematiky Izolace podzemních prostor je velmi sloţitý a technologicky náročný proces, který po dobu své existence prodělal mnoho změn a zdokonalení. V minulosti se nejvíce prosadila technologie natavovaných asfaltových pásů, a přestoţe se tato technologie od svého vzniku výrazně zdokonalila, stále vykazuje technologické nedostatky (proraţení izolace, porušení v důsledku deformace konstrukce a další), které jsou obtíţně řešitelné a komplikují provádění díla. Proto se hledaly alternativy, které tyto nedostatky odstraňují nebo alespoň nabízí kompromisní řešení. V 80. letech 20. století se začalo v Německu rozšiřovat provádění suterénů budov jako kompaktních vodonepropustných betonových konstrukcí, u kterých mizí sekundární hydroizolační fóliový systém. Tato technologie je označována jako bílé vany. Bílé vany jsou konstrukce betonové, které kromě nosné funkce splňují i funkcí ochrannou proti působení vody a zemní vlhkosti. Pro obě technologie ovšem zůstává jedno společné pro správnou funkci izolačních systémů je potřeba správné konstrukční řešení a kvalitní provedení. Předpokladem dobré funkce bílé vany je zajištěni vodonepropustnosti betonu jako hmoty a vodonepropustnosti betonové konstrukce (šířka trhlin, těsnění pracovních a dilatačních spár). 1.2 Cíle práce Cílem diplomové práce je návrh ţelezobetonové konstrukce bílé vany suterénních prostor objektu Hanáckého statku ve Vyškově. V rámci práce bude vypracováno: - statický rozbor konstrukce pomocí dostupného výpočetního programu MKP - posouzení hlavních částí nosné konstrukce (ÚLS, SLS) - zpracování výkresové dokumentace - technická zpráva
Nosná ţelezobetonová konstrukce 2 Kapitola 2 Popis konstrukce Objekt Hanáckého statku ve Vyškově je součástí ZOO a slouţí jako prostor pro galerie (nadzemní podlaţí) a rovněţ jako promítací sál (první část podzemního podlaţí) a technické zázemí budovy pro umístění kotelny a strojovny VZT a výtahu (druhá část podzemního podlaţí). Objekt bude zčásti rekonstruován a zčásti se bude jednat o novostavbu (přístavbu). Pro umístění galerie bude vyuţit stávající objekt stodoly, která bude rekonstruována. Uvnitř stodoly bude umístěna ocelová konstrukce, která v jejím prostoru vytvoří další dvě podlaţí. Podlaţí budou propojena ocelovým schodištěm (včetně schodiště ze suterénu) a rovněţ výtahem. Ke stávající stodole bude připojena přístavba o dvou nadzemních podlaţích. Stodola je zastřešena sedlovou střechou klasický vázaný krov s pálenou krytinou. Novostavba bude zastřešena obdobně jako stodola, ale jako krytina bude pouţit slaměný došek. Stávající stodola a přístavba budou zčásti podsklepeny monolitickou ţelezobetonovou konstrukcí. Dále se zaměřím pouze na suterénní část stavby, která je předmětem tohoto projektu. Ţelezobetonová podzemní konstrukce je tvořena dvěma trakty, které jsou spojeny krčkem. První trakt bude tvořen předsálím, šatnou, sociálním zařízením a multimediální místností. Ve druhém traktu budou dvě technické místnosti. Vertikální komunikace je v prvním traktu zajištěna ocelovým točitým schodištěm a v druhém traktu rovněţ ocelovým tříramenným schodištěm a navíc výtahem (stejné značení traktů / částí je pouţívání ve statickém výpočtu a na výkresech). Rozměry prvního traktu jsou 8,1 x 17,3 m, druhého traktu 5,7 x 14,67 m a rozměry spojovacího krčku 7,67 x 3,46 m. Světlá výška všech podzemních prostor je 3,1 m s vyjímkou schodišťového prostoru v druhém traktu, kde se světlá výška zvyšuje na 4,89 m a stropní konstrukce této části tak bude tvořit podlahu v prostoru stodoly. Podrobný popis jednotlivých konstrukčních prvků, viz. P4 - Technická zpráva.
Nosná ţelezobetonová konstrukce 3 Kapitola 3 Modelování konstrukce a získání vnitřních sil 3.1 Konstrukce Jak jiţ bylo řečeno výše, předmětem práce je pouze suterénní ţelezobetonová část objektu, a proto budou modelovány pouze suterénní prostory. Modelování a výpočet konstrukce pro získání vnitřních sil, deformací a napětí byl proveden ve výpočetním programu MKP Scia Engineer 2013.1. Konstrukce byla modelována jako celek ve 3D. Výhoda takto zvoleného modelu spočívá v zachycení chování konstrukce jako celku a interakce jednotlivých prvků mezi sebou při konečném působení. Nevýhodou je, ţe není zohledněn postup výstavby. U konstrukce, jako je bílá vana, je ovšem důleţité zkoumání reologických účinků betonu smršťování (smršťování vysycháním a ztráta hydratačního tepla). Proto jsem svůj model rozdělil do jednotlivých fází a poté provedl lineární kombinaci všech fází. 1.Fáze Kompletní model se všemi konstrukčními prvky slouţí k výpočtu vnitřních sil na konstrukci od silového zatíţení v čase nekonečno, tedy v čase, kdy je konstrukce hotová a působí na ni extrémní účinky zatíţení (zatíţeni od výpočtové kombinace zatíţení).
Nosná ţelezobetonová konstrukce 4 2.Fáze Pouze základová deska a stěny slouţí k výpočtu normálové síly vnášené do stěny a desky od objemových změn smršťování. Hodnoty smršťení byly spočítány dle [4] a zadány do výpočetního programu jako zatíţení přetvoření plochy. Smršťění jednotlivých prvků bylo počítáno v časech, kdy budou betonovány, bude tedy zohledněno různé stáří prvků (deska stěna) a různá hodnota smrštění. Rozdílná rychlost smršťování způsobí napjatost v obou prvcích tahová síla v prvku rychleji smršťujícím a tlaková síla v prvku pomleji smršťujícím. 2. Faze je uvaţována do začátku betonáţe stropních desek. 3.Fáze Základová deska stěny strop. Platí stejné zásady jako v předchozí fázi. 3.fáze je uvaţována v časovém úseku betonáţ stropních desek aţ nekonečno.
Nosná ţelezobetonová konstrukce 5 4. Fáze Ztráta hydratačního tepla Beton při ztrátě hydratačního tepla zmenšuje svůj objem. U základové desky dochází ke tření mezi deskou a podloţím vnášení tahové síly do desky. Základová deska potom tvoří vazbu pro nadbetonovanou stěnu tahová síla. Velikost tahových sil byla počítána dle [8]. Jednotlivé fáze a hodnoty sil z těchto fází jsou uvedeny ve statickém výpočtu v tabulce vţdy před posuzováním konkrétního prvku. Kaţdý řádek tabulky představuje vnitřní síly z pruhu o šírče jednoho metru daného prvku. Vznikne tak dostatek kombinací pro posouzení a rovněţ bude postihnuto kaţdé místo na konstrukci. 3.2 Podpory Podpory konstrukce byly tvořeny pruţným podloţím. Interakce mezi konstrukcí a podloţím bylo počítáno pomocí programu Soilin, který je součástí výpočetního programu Scia Engineer. V programu byl vytvořen vrt, který charakterizuje profil podloţí nacházející se pod řešenou konstrukcí. Vzhledem k faktu, ţe s podklady pro zpracování práce nebyl dodán ţádný dokument inţenýrsko-geologického průzkumu, byly zvoleny základové poměry jako jednoduché a profil vrtu následující: 1. F3 MS Hlína písčitá 2. S4 SM Písek hlinitý 3. G4 GM štěrk hlinitý
Nosná ţelezobetonová konstrukce 6 Kapitola 4 Posuzování konstrukcí Všechny konstrukční prvky jsou posouzeny na mezní stav únosnosti a pouţitelnosti. Základové desky a stěny jsou posouzeny pomocí interakčního diagramu na kombinaci normálové síly a ohybového momentu. Stropní desky jsou pak posouzeny pouze na ohyb ve stropních deskách vzniká nepříliš velká tlaková síla, která působí příznivě, a můţeme ji zanedbat. Posouzení stropních desek na ohyb je provedeno numerickou integrací tlačené části betonu a zavedením parabolicko-rektangulárního pracovního digramu betonu a pracovního diagramu s nestoupající plastickou větví - typ B u výztuţe. S pouţitím stejných předpokladů jsou pak posouzeny stropní trámy. Pracovní diagramy materiálů: Beton: Ocel: Typ B s nestoupající plastickou větví pro pro Z hlediska mezního stavu pouţitelnosti jsou konstrukce posouzeny na splnění následujících kritérií: - podmínka lineárního dotvarování, - omezení napětí ve výztuţi, kdy napětí v betonu a výztuţi je počítáno z vnitřních sil z kombinací pro mezní stav pouţitelnosti (častá, charakteristická, kvazistálá). Všechny konstrukce bílé vany jsou posuzovány na maximální šířku trhliny 0,20 mm.
Nosná ţelezobetonová konstrukce 7 Kapitola 5 Závěr Výsledkem diplomové práce je návrh nosné ţelezobetonové konstrukce bílé vany, tak aby konstrukce byla schopná přenést veškeré zatíţení, kterému by mohla být v průběhu její ţivotnosti vystavena, a zároveň aby byla schopná dostatečně a kvalitně odizolovat vnitřní prostory od působení vody a zemní vlhkosti. Rovněţ byla zpracována kompletní výkresová dokumentace, která umoţní konstrukci vyhotovit se všemi náleţitostmi a opatřeními pro zajištění správné funkce konstrukce.
Seznam použitých zdrojů Použité normy a předpisy [1] ČSN EN 1990. Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí. Praha: ÚNMZ, 2004, 76 s. [2] ČSN EN 1991-1-1. Eurokód 1: Zatížení konstrukcí Část 1-1: Obecná zatížení Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb. Praha: ÚNMZ, 2004, 43 s. [3] ČSN EN 1991-1-3. Eurokód 1: Zatížení konstrukcí Část 1-3: Obecná zatížení Zatížení sněhem. Praha: ÚNMZ, 2005, 37 s. [4] ČSN EN 1992-1-1. Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Praha: ÚNMZ, 2006. [5] ČSN EN 206-1. Beton Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Praha: ÚNMZ, 2014. [6] ČSN EN 13670. Provádění betonových konstrukcí. Praha: ÚNMZ, 2010. Použitá litaratura [7] TP ČBS 02 Bílé vany vodonepropustné betonové konstrukce, 2007, 70 s. ISBN: 978-80- 87158-03-6 [8] KASAL P.; LEBR P.; PERLA J.; PROCHÁZKA J. Bílé vany- Vodonepropustné betonové konstrukce (Sbírka přednášek, příkladů a prezentací ke školení), Praha 2007, 202 s. Použité programy Nemetschek Scia Enginner 2013.1 Nemetschek ArchiCad 16 Microsoft Word Microsoft Excel
Seznam použitých zkratek a symbolů a cc vzdálenost těţiště tlačené části betonu vzdálenost mezi pruty minimální vzdálenost mezi pruty A c plocha tlačeného betonu A s,min minimální plocha výztuţe maximální plocha výztuţe A sl skutečná plocha výztuţe staticky nutná plocha výztuţe A sw plocha smykové výztuţe b eff spolupůsobící šířka desky b w šířka průřezu příčle šířka podpory c dev návrhový přídavek krytí c min minimální krycí vrstva c nom nominální krycí vrstva součinitel d účinná výška průměrná účinná výška d 1 osová vzdálenost výztuţe od spodního okraje e výstřednost Youngův modul pruţnosti pro ocel f bd mezní napětí v soudrţnosti f cd návrhová pevnost betonu f ck charakteristická pevnost betonu f ctd návrhová hodnota pevnosti betonu v tahu f ctm pevnost betonu v tahu f yd návrhová pevnost výztuţe f yk charakteristická pevnost výztuţe pevnost smykové výztuţe F c síla v betonu síla v míste podpory F s síla ve výztuţi g charakteristická tíha g d návrhová tíha vrstvy v kn/ m 2 g k charakteristická tíha vrstvy v kn/ m 2 h s výška desky h 0 povrch vystavený vysychání poloměr setrvačnosti index sl podélná výztuţ index st třmínky l bd návrhová kotevní délka minimální kotevní délka l bd,min
l b,rgd l 0 M Ed M Rd n N Ed s s k tl t 0 V Ed V Rd,c V Rd,max x x bal,1 x bal,2 z z d α 1 α 2 α 3 α 4 α 5 α 6 η 1 η 2 základní kotevní délka vzdálenost nulových ohybových momentů (u spolupůsobící šířky) návrhový ohybový moment redukovaný ohybový moment návrhový resistenční moment měrná normálová síla návrhová normálová síla vzdálenost třmínků charakteristická hodnota ztíţení sněhem na zemi tloušťka vrstvy v m čas, kdy začíná působit zatíţení návrhová posouvající síla maximální posouvající síla pevnost betonu ve smyku bez smykové výztuţe únosnost tlačených diagonál únosnost třmínků vzdálenost neutrálné osy mezní vzdálenost neutrálné osy, aby taţená výztuţ byla maximálně vyuţita mezní vzdálenost neutrálné osy, aby tlačená výztuţ byla maximálně vyuţita odhadované rameno vnitřních sil rameno vnitřních sil součinitel, kterým se zohledňuje stav napětí v tlačeném pásu součinitel kotevní délky pro přímý prut součinitel kotevní délky vliv krycí vrstvy a vzdálenosti prutů součinitel kotevní délky vliv ovinutí výztuţe součinitel kotevní délky vliv přivaření výztuţe součinitel kotevní délky vliv příčného tlaku součinitel kotevní délky kotvení přesahem dílčí součinitel spolehlivosti materiálu pro beton dílčí součinitel spolehlivosti materiálu pro ocel mezní přetvoření betonu přetvoření výztuţe minimální přetvoření výztuţe součinitel závislý na kvalitě podmínek v soudrţnosti a poloze během betonáţe součinitel závislý na průměru prutu vzdálenost tlačené části betonu λx µ tvarový součinitel střechy - 0,8 maximální smykové napětí návrhové smykové napětí, smyková únosnost redukční součinitel při porušení betonu smykem ξ bal,1 ξ bal,2 σ sd σ ct poměr přetvoření oceli a betonu poměr přetvoření oceli a betonu stupeň vyztuţení napětí ve výztuţi napětí v betonu průměr vloţek
Seznam příloh P1 Pouţité podklady P2 Statický výpočet P3 Výkresová dokumentace P4 Technická zpráva