Konstrukce - obecný postup při návrhu stavebních konstrukcí

postup při návrhu a realizaci stavební konstrukce
- 11 (43) -
Dalším krokem je přiřazení dimenzí prvkům, což prakticky znamená definování
příslušných průřezových charakteristik. Toto lze učinit (v případě použití běžných
typů průřezů) obvykle přiřazením průřezu z katalogu průřezů viz obr. 3.10,
v případě složitějších průřezů ručním přiřazením průřezových charakteristik (plo-
chy, momentů setrvačnosti a momentu tuhosti v prostém kroucení).
obr. 3.10 typy průřezů z katalogu
Neopomenutelnou částí výpočtového modelu je stanovení účinků zatížení.
Stanovit účinky zatížení zahrnuje určení zatěžovacích stavů a jejich kombina-
cí. Tato problematika je podrobně popsána v kapitole 5.
Z hlediska působení zatížení je třeba rozlišit, zda zatížení působí v globálním
souřadném systému na délku (např. zatížení stálé) nebo průmět prvku (např.
zatížení sněhem), či lokálním souřadném systému (např. zatížení větrem), viz
obr. 3.11 a obr. 3.12.
obr. 3.11 globální a lokální souřadný systém
obr. 3.12 působení zatížení na délku či průmět prvku
3.2 Výpočet konstrukce
Provést výpočet konstrukce znamená určit na výpočtovém modelu deformace
konstrukce, vnitřní síly a akce konstrukce na podpory. Tyto veličiny mohou být
v konstrukci určeny výpočtem podle teorie prvého řádu, s použitím počáteční
geometrie konstrukce, nebo výpočtem podle teorie druhého řádu vycházející
z podmínek rovnováhy na přetvořené konstrukci. Některé výpočetní progra-
mové systémy taktéž umožňují výpočet fyzikálně nelineární, případně výpočet
Konstrukce - obecný postup při návrhu stavebních konstrukcí - výpočtový model, vlastnosti materiálů, zatížení
- 12 (43) -
dynamický. Nejčastěji prováděný výpočet je výpočet podle teorie prvého řádu,
fyzikálně lineární a statický.
Spuštěný výpočtu má smysl až po úplném zadání výpočtového modelu kon-
strukce a po kontrole správnosti zadání. Výpočet může proběhnout úplně nebo
v případě, byl-li výpočtový model konstrukce omylem zadán jako mechaniz-
mus, se výpočet po tomto zjištění ukončí. Nový výpočet je možné spustit až po
odstranění mechanizmu. Mechanizmus může nastat tehdy, je-li v konstrukci
příliš mnoho kloubů nebo jsou klouby nekorektně umístěny. Může však také
znamenat, že konstrukce je příliš měkká (obvykle chybným zadáním průřezů)
nebo signalizuje chybějící podporu.
Po ukončení výpočtu lze vyhodnotit deformace uzlů a prutů, akce na základy a
vnitřní síly v kterémkoliv místě konstrukce.
3.3 Dimenzování prvků a spojů
Stavební konstrukce se dimenzují podle metodiky mezních stavů. Rozeznává-
me tyto skupiny mezních stavů – mezní stavy únosnosti a mezní stavy použi-
telnosti.
Při mezním stavu únosnosti musí být konstrukce navržena tak, aby účinek ex-
trémního návrhového zatížení nepřekročil návrhovou únosnost.
Při mezním stavu použitelnosti posuzujeme, zda účinky od charakteristického
zatížení nejsou větší, než příslušné mezní hodnoty.
Žádný z možných mezních stavů nesmí být překročen. Je nutné uvažovat
všechny možné návrhové situace a zatěžovací případy, včetně běžného užívání,
montáže, oprav i nehod.
Výpočtové modely mají zahrnovat všechny důležité faktory, včetně odhadu
skutečného chování konstrukce, úrovně výroby a spolehlivosti vstupních dat.
Podle potřeby je možné výpočet doplnit nebo nahradit experimentem.
Provést dimenzování stavební konstrukce znamená provést dimenzování prvků
a spojů. Na výpočetní postupy je třeba aplikovat platné normy nebo postupovat
podle přesnějších postupů. Algoritmy dimenzování prvků a spojů stavebních
konstrukcí podle příslušných normativních dokumentů budou probírány
v rámci následujících odborných předmětů bakalářských a magisterských stu-
dijních programů.
3.4 Projektová dokumentace stavby
Projektová dokumentace stavby (projekt), která se předkládá ke stavebnímu
řízení, obsahuje zejména :
- souhrnnou zprávu s údaji doplňujícími základní údaje o stavbě uvedené
v žádosti o stavební povolení,
- celkovou situaci stavby (zastavovací plán) v měřítku 1 : 200 až 1 : 500,
Základní postup při návrhu a realizaci stavební konstrukce
- 13 (43) -
- stavební výkresy pozemních a inženýrských staveb, ze kterých je zřejmý
dosavadní a navrhovaný stav,
- návrh úprav okolí stavby a návrh ochrany zeleně v průběhu provádění stavby.
Rozsah a obsah projektové dokumentace předkládané pro stavební řízení je
vymezen univerzálně tak, aby vyhovoval pro co největší počet různých druhů
staveb a zároveň aby stavební úřad na základě takovéto dokumentace mohl
předložený návrh ve stavebním řízení přezkoumat a posoudit.
3.5 Výroba prvků a dílců konstrukce
Nejmenší částí stavební konstrukce je prvek (např. prut diagonály příhradového
střešního vazníku). Sestava prvků vyrobená ve specializované výrobně a do-
pravovaná na místo montáže jako celek se nazývá dílec (např. střešní vazník
vyrobený z dílčích prvků – prutů příhradového vazníku). Výroba prvků a dílců
stavebních konstrukcí probíhá organizovaně na základě organizačních postupů.
Organizační a technické zabezpečení výroby začíná v přípravě výroby. Prvky a
dílce stavební konstrukce se vyrábí podle zpracované výrobní dokumentace.
V případě ocelových nebo dřevěných konstrukcí to mohou být např. výrobní
výkresy, kusovníky materiálů, šablony, v případě betonových konstrukcí se
jedná obvykle o armovací výkresy a výkresy tvaru. Důležitým faktorem proce-
su výroby je kontrola kvality vyrobené části konstrukce. Princip kontroly je
popsán v příslušných normativních dokumentech.
3.6 Montáž stavebního díla
V dílnách se vyrábí zpravidla takové konstrukční dílce, které splňují svými
rozměry a hmotností požadavky dopravy na místo montáže. Pod dopravou na
staveniště rozumíme přísun dílců ze specializované výrobny na skládku na sta-
veništi. Tato přeprava může být realizována železnicí nebo automobilovou do-
pravou. Doprava na skládku na staveništi se nazývá horizontální dopravou. Při
její volbě je nutno přihlížet k možnosti uložení dílce na dopravní prostředek,
aby nedošlo k jeho poškození, je třeba dodržet průjezdný profil a zabezpečit
stabilitu dopravovaného dílce na dopravním prostředku.
Někdy mezi výrobní fázi a montáž zařazujeme ještě fázi předmontáže. Před-
montáží se rozumí sestavování velkorozměrových bloků a dílců vyrobených
v dílnách před počátkem montáže. Sestavování konstrukce z těchto bloků a
dílců se nazývá montáž.
Při montáži se na horizontální a vertikální přemísťování břemen požívají jeřá-
by. Vybavení staveniště těmito zařízeními má bezprostřední vliv na namáha-
vost a bezpečnost montážních prací. Otázka montáže je problém nejen technic-
ký, ale i ekonomický. Z možných alternativ montáže je třeba navrhnout tako-
vou, která je z hlediska ekonomiky nejméně nákladná.
Konstrukce - obecný postup při návrhu stavebních konstrukcí - výpočtový model, vlastnosti materiálů, zatížení
- 14 (43) -
3.7 Dokumentace skutečného provedení stavby
Dokumentace skutečného provedení stavby v sobě zahrnuje všechny změny,
které nastaly po vydání stavebního povolení. Dokumentaci zpracovává doda-
vatel stavby a předává ji při kolaudaci stavby. Tato dokumentace, jejíž pořízení
nařídil stavební úřad, obsahuje zejména:
- údaje o účelu a místu stavby, jméno (název) a adresu (sídlo) vlastníka stavby,
- situační výkres současného stavu území v měřítku katastrální mapy se za-
kreslením polohy stavby a vyznačením vazeb na okolí,
- stavební výkresy vypracované podle skutečného provedení stavby s přísluš-
nými řezy a pohledy, s popisem všech prostor a místností podle současné-
ho, případně uvažovaného způsobu užívání a s vyznačením jejich rozměrů
a plošných výměr,
- technický popis stavby a jejího vybavení.
Základní postup při návrhu a realizaci stavební konstrukce
- 15 (43) -
4 Materiály pro nosné stavební konstrukce
Materiály používané pro nosné stavební konstrukce v zásadě rozlišujeme:
a) progresivní:
- beton (prostý,
železový,
předpjatý),
- ocel;
b) tradiční:
- zdivo,
- dřevo;
c) doplňkové:
- hliník,
- plasty,
- sklo;
d) jiné.
V dalším textu je výklad zaměřen na progresivní materiály, tj. beton a ocel,
z ostatních se uvádí už jen dřevo.
4.1 Složení a výroba konstrukčních materiálů
4.1.1 Beton
Složky betonu se rozlišují základní (plnivo, pojivo, voda) a doplňkové (přísady
a příměsi). Plnivo vytváří pevnou bázi betonu; všeobecně se od něj požaduje,
aby co možná nejlépe vyplnilo veškerý prostor, jež má výsledný beton zaují-
mat. Z celé řady surovin vhodných jako plnivo se nejčastěji používá kamenivo,
především běžné přírodní (ať již těžené nebo drcené) z čediče, žuly, vápence,
pískovce, ruly. Pojivo, jakožto sypká látka s hydraulickými vlastnostmi, vytvá-
ří po smíchání s vodou postupně tuhnoucí a tvrdnoucí hmotu; všeobecně se po-
žaduje, aby co možná nejlépe stmelilo jednotlivá zrna plniva a vytvořilo tak ce-
listvou pevnou fázi (stálou na vzduchu i ve vodě). Množství pojiva závisí jed-
nak na množství použitého plniva, jednak na křivce jeho zrnitosti. Z celé řady
vhodných látek se nejčastěji používá cement, především portlandský či směs-
ný. Voda (rozuměj záměsová) je látka nezbytná k průběhu hydratační reakce
pojiva. Množství záměsové vody závisí jednak na množství použitého pojiva,
jednak na požadované zpracovatelnosti betonové směsi. Přísady a příměsi jsou
doplňkové složky, které se použijí, pokud je to žádoucí, za účelem vhodné mo-
difikace vlastností betonu. Z hlediska technologie výroby jsou oba pojmy po-
měrně přesně definovány; na tomto místě jen stručně uveďme, že přísady (je-
jich použití je obvyklejší) se podávají „po špetkách“, kdežto méně časté přímě-
si se podávají „po lopatách“.
Výroba betonu se zahájí smícháním příslušných složek v míchačce; tím vzniká
betonová směs, kterou následně transportujeme na místo určení. Zde se ukládá
do forem zvaných bednění (jež respektuje požadovaný tvar konstrukčního prv-
ku), obvykle bývá žádoucí betonovou směs v bednění zhutňovat. Takto ulože-
ný a zhutněný produkt se nazývá čerstvý beton. Po dobu tuhnutí a tvrdnutí čer-
stvého betonu (vlivem hydratační reakce pojiva s vodou) je třeba zajistit jeho
ošetřování a ochranu. Jakmile beton nabude (obvykle po 28 dnech) definova-
ných konstrukčních vlastností (pevnost, tvarová stálost), můžeme jej odbednit,
potom hovoříme o betonu zatvrdlém. Konečné konstrukční vlastnosti zatvrdlé-
ho betonu závisí jednak na použitých složkách (správný výběr a jejich vzájem-
ný poměr), jednak na kvalitě zpracování a způsobu ošetřování.
Konstrukce - obecný postup při návrhu stavebních konstrukcí - výpočtový model, vlastnosti materiálů, zatížení
- 16 (43) -
Z hlediska místa výroby a ukládání betonové směsi se rozlišují konstrukční
prvky monolitické a prefabrikované. Monolitické prvky se vytvářejí ukládáním
betonové směsi přímo na staveništi; betonová směs se vyrábí buďto na stave-
ništi nebo v centrální betonárně, odkud se na staveniště dopraví pomocí auto-
domíchávačů (tzv. transportbeton). Prefabrikované prvky jsou pak produktem
odborných automatizovaných výroben.
Z hlediska konstrukčního provedení se rozlišuje beton prostý, železový a před-
pjatý. Vyjma prostého betonu bývá tedy nedílnou součástí konstrukčních prvků
také výztuž (v železobetonu tzv. měkká výztuž, v předpjatém betonu tzv. tvrdá
výztuž). Měkká výztuž se ukládá do bednění ještě před betonovou směsí; tvrdá
výztuž se umísťuje buďto také před betonovou směsí nebo až po zatvrdnutí
čerstvého betonu (rozlišuje se tedy beton předem předpjatý a dodatečně před-
pjatý).
4.1.2 Ocel
Ocel je zušlechtěná slitina železa (Fe) a některých dalších kovů i nekovů
(C, Mn, Si, Cu, Ni, W, Co, Mo, V, T, P, S atd.). Nejdůležitějším prvkem ovliv-
ňujícím vlastnosti oceli je uhlík, jehož běžný obsah bývá 0,1 až 0,2 %.
Výroba surového železa probíhá ve vysokých pecích; jako suroviny se použí-
vají železná ruda, koks a vápenec. Železné rudy – magnetit (magnetovec), he-
matit (krevel), limonit (hnědel) a siderit (ocelek) – obsahují železo, které je
však chemicky svázané s kyslíkem. Z rudy se železo získává tzv. redukcí (jež
probíhá při teplotě 1200 až 1400 °C), kdy se kyslík váže s uhlíkem obsaženým
v koksu – ten se používá při výrobě nejen jako redukční činidlo, ale současně
jako palivo. Produktem vysoké pece je potom vedle surového železa také strus-
ka, která sestává z popele koksu, hlušiny rudy apod.; jako struskotvorný mate-
riál se používá obvykle vápenec (někdy dolomit). Kovový produkt – surové že-
lezo – je slitinou čistého železa, uhlíku a celé řady vedlejších látek (zejm. kře-
mík, fosfor, síra, mangan), používá se jako výchozí surovina pro další výrobu
oceli. Poznamenejme, že obsah uhlíku v surovém železe je přibližně 3 až 4 %.
Výroba oceli spočívá v odstranění přebytečného uhlíku ze surového železa.
Děje se tak v konvertorech (Thomasovou či kyslíkovou metodou), v Siemenso-
vých–Martinových pecích nebo v elektrických pecích, kde při vysokých teplo-
tách dochází k tzv. oxidaci, při níž se uhlík chemicky váže s přiváděným kyslí-
kem (ať již čistým nebo obsaženým ve vzduchu). V této fázi výroby lze jako
další suroviny použít ocelový šrot, příp. legující přísady (látky ovlivňující
vlastnosti oceli) – podle stupně legování se rozlišuje ocel uhlíková, nízkolego-
vaná a legovaná. Následuje proces dezoxidace, kdy se z „vařící“ oceli uvolňuje
přebytečný kyslík. Tento proces lze modifikovat přidáním dezoxidačních pří-
sad – podle výsledného obsahu kyslíku se rozlišuje ocel neuklidněná a uklidně-
ná. Tekutý kov se odlévá buď do forem zvaných kokily (ztuhlý kov se nazývá
ingot) nebo v tzv. kontilití (ztuhlý kov se nazývá brama). Výsledné produkty
slouží jako výchozí materiál k výrobě hutních výrobků.
Výroba hutního materiálu se provádí rozličnými způsoby tváření oceli. Tak
např. vývalky se zhotovují válcováním za tepla, tenkostěnné profily se získáva-
jí tvarováním za studena, dráty se provádějí tažením, odlitky se zhotovují odlé-
váním, výkovky se získávají kováním, výlisky se provádějí lisováním. Násle-
Materiály pro nosné stavební konstrukce
- 17 (43) -
duje obvykle ještě tepelné zpracování oceli za účelem vhodné modifikace
vlastností oceli. Základními druhy jsou žíhání a kalení. Žíhání spočívá v ohře-
vu oceli na určitou teplotu, dále setrváním na této teplotě po určitý čas a ná-
sledném pomalém zchlazení. Kalení spočívá opět v ohřevu oceli na určitou tep-
lotu a setrváním na této teplotě po určitý čas, avšak následné zchlazení je rych-
lé. Vedle toho existuje celá řada dalších druhů tepelného zpracování (např. po-
pouštění, patentování, cementování apod.).
4.1.3 Dřevo
Dřevní hmota je přirozený organický materiál tvořený buněčnou strukturou.
Chemické látky zastoupené v dřevní hmotě jsou: celulosa (asi 50 %), hemicelu-
losa (asi 22 %), lignin (asi 22 %) a doprovodné látky (pryskyřičné látky, tuky,
vosky, dusíkaté látky, třísloviny, barviva, alkaloidy a neústrojné látky).
Dřevo se získává těžbou v lese, která spočívá v pokácení vybraných živých
stromů. Vhodná doba pro kácení je pozdní podzim nebo zima, kdy je dřevní
hmota nejméně náchylná k napadení škůdci. Stromy se po pokácení ihned zba-
vují větví a postupně i kůry. Pokácené kmeny stromů se v lese třídí na dřevo
užitkové a palivové; užitkové dřevo se dále třídí (podle délky) na sloupovinu a
na výřezy, které jsou určeny pro další zpracování. Po úplném odstranění kůry
se má kulatina ihned dopravit (z lesa) na místo spotřeby, kde se nechá na vol-
ném vzduchu aspoň půl roku vysychat. Sloupovinu i výřezy je možné použít
pro stavební účely, často se však výřezy dále zpracovávají podélným rozřezá-
ním (rámovými nebo okružními pilami) na řezivo požadovaných rozměrů. Dře-
vo se pro stavební účely dodává vysušené, buď se suší přirozeně pod otevře-
ným přístřeškem (půl roku až dva roky) nebo v sušárně (8 až 10 dní), přičemž
výsledná vlhkost má být přibližně 15 %. Garance konstrukčních vlastností rost-
lého dřeva se zajišťují jeho tříděním podle pevnosti; třídění se rozlišuje vizuál-
ní (podle suků, hniloby apod.) nebo strojní (podle modulu pružnosti v ohybu).
Výrazného zlepšení vlastností lze dosáhnout výrobou lepeného lamelového
dřeva. Řezivo definovaných rozměrů a definované vlhkosti se nejprve nastavu-
je zubovitými spoji (za účelem vytvoření „nekonečné“ lamely). Na lamely se
nanáší lepidlo, ty se pak uloží vedle sebe na stojato a zalisují se. Konstrukční
vlastnosti lepeného lamelového dřeva závisí na kvalitě použitého řeziva i pro-
vedení zubovitých spojů.
4.2 Hlavní materiálové charakteristiky
V tomto odstavci uvádíme některé fyzikálně–mechanické vlastnosti běžně pou-
žívaných konstrukčních materiálů; úplný přehled pak čtenář nalezne v přísluš-
ných normách pro navrhování konstrukcí: pro beton v [6], pro ocel v [7] a pro
dřevo v [8]. Protože problematika konstrukcí bývá v literatuře (např. [1], [2],
[3], [4], [5]) často aplikována ve stávající národní normativní soustavě, uvádí-
me zde i orientační přiřazení nového evropského označování materiálů ke stá-
vajícím národním značkám, viz tab. 4.2, tab. 4.4 a tab. 4.6.
Jednou z nejdůležitějších materiálových charakteristik je pevnost, která vyja-
dřuje míru přípustného mechanického namáhání materiálu. Pevnost má stejný
rozměr jako napětí (MPa = N mm
–2
), pak ji lze chápat jako největší možné pů-
Konstrukce - obecný postup při návrhu stavebních konstrukcí - výpočtový model, vlastnosti materiálů, zatížení
- 18 (43) -
sobící napětí, které je schopen daný materiál přenést, aniž by došlo k jeho po-
rušení. Pevnost materiálu se nejčastěji používá při navrhování konstrukcí podle
1. skupiny mezních stavů (čili mezních stavů únosnosti), ve statických výpoč-
tech ji uvažujeme v tzv. návrhové hodnotě, jež je obecně definována jako:
M
k
d
f
f
γ
= , (4.1)
kde f
k
je charakteristická hodnota příslušné pevnostní veličiny,
γ
M
dílčí součinitel spolehlivosti materiálu.
Vztah (4.1) je modifikován zvlášť pro každý materiál, neboť ten vzhledem ke
svému skutečnému působení vykazuje vždy určitá specifika.
Tak např. pro beton se návrhová pevnost v tlaku stanoví:
C
ck
cccd
f
f
γ
α= , (4.2)
kde f
ck
, γ
C
viz např. tab. 4.1,
α
cc
je součinitel vyjadřující vliv působení vnějšího prostředí na chování
materiálu, běžné hodnoty se pohybují od 0,8 do 1,0.
tab. 4.1 některé materiálové charakteristiky běžně používaných konstrukčních betonů
Konstrukční betony podle ČSN EN 206-1
1
)Materiálová
charakteristika C 12/15 C 16/20 C 20/25 C 30/37 C 40/50 C 50/60
Charakteristická pevnost
v tlaku f
ck
(MPa)
2
)
12 16 20 30 40 50
Charakteristická pevnost
v tahu f
ctk,0,05
(MPa)
1,1 1,3 1,5 2,0 2,5 2,9
Dílčí součinitel spoleh-
livosti materiálu γ
C

3
)
1,50
Sečnový modul pruž-
nosti E
cm
(MPa)
27 000 29 000 30 000 32 000 35 000 37 000
Hustota ρ (kg m
–3
)
4
) 2 500 2 600
1
) ČSN EN 206-1 Beton. Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda
2
) Platí též pro tlak za ohybu
3
) Platí pro základní kombinace zatížení v mezním stavu únosnosti
4
) Platí pro obyčejný železový vibrovaný beton s netuhou výztuží
tab. 4.2 informativní přiřazení betonů dle tradičního národního označování k nově
zaváděným evropským pevnostním třídám
podle ČSN 73 2400 B 12,5 B 15 B 20 B 30 B 40 B 50
podle ČSN EN 206-1 C 12/15 C 16/20 C 20/25 C 30/37 C 40/50 C 50/60
Dále pro ocel se návrhová mez kluzu stanoví:
0M
y
yd
f
f
γ
= , (4.3)
kde f
y
, γ
M0
viz např. tab. 4.3.
Pro dřevo se návrhová pevnost v tlaku rovnoběžném s vlákny stanoví:
M
kc
dc
f
kf
γ
,0,
,0, mod
= , (4.4)
kde f
c,0,k
, γ
M
viz např. tab. 4.5,
k
mod
je součinitel vyjadřující