Pozemní stavitelství I Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Institute of Technology And Business In České Budějovice

Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07./2.2.00/29.0019. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Kapitola 3: Dilatace staveb

Legenda Klíčové pojmy Cíle kapitoly Čas potřebný ke studiu kapitoly dilatační celky, dilatační spáry z důvodu objemových změn, dilatační spáry z důvodu rozdílného sedání, jednostranné či oboustranné vykonzolování nosných vodorovných konstrukcí, vložené pole, úprava modulace Cíle kapitoly naučit se principy dilatování nosných a nenosných konstrukcí. Čas potřebný ke studiu kapitoly 10 hodin

3. DILATACE 3.1. Zásady dilatování nosných a nenosných konstrukcí Nesilové účinky, tj. objemové změny od teploty a vlhkosti, reologické účinky, změna tvaru základové spáry atd., vyvolávají v konstrukci účinkem vynuceného přetvoření mechanické stavy napjatosti, které často několikanásobně převyšují hodnoty namáhání způsobené běžnými silovými účinky, jako jsou např. svislé zatížení vlastní tíhou, vodorovné zatížení větrem atp. Abychom omezili a celkově redukovali tyto nepříznivé účinky, je účelné rozdělit konstrukci budovy a jednotlivé konstrukční části, které mají tendenci k rozdílným tvarovým změnám a rozdílnému sednutí, na menší části - dilatační celky. Dilatační spáry je třeba navrhnout v místech, kde lze předpokládat vznik extrémních namáhání, v místech náhlé změny tuhosti konstrukce, změny konstrukčního systému a uspořádání, v místech náhlé a výrazné změny zatížení, výšky konstrukce a v místech geologických zlomů a nepravidelností. Rozdělení konstrukce budovy a jejích částí dilatačními spárami na menší celky je preventivní opatření z hlediska pravděpodobného vzniku mechanických poruch a narušení konstrukce. Návrh dilatačních spár je také závislý na uspořádání a tuhosti nosného systému.

3.1. Zásady dilatování nosných a nenosných konstrukcí Struktura dilatační spáry Ukázky dilatačních spár

3.1. Zásady dilatování nosných a nenosných konstrukcí Při návrhu dilatačních spár je nutné analyzovat účinky zatížení od teploty, vlhkosti, smršťování, dotvarování a změny tvaru základové spáry. Dilatačními spárami se rozděluje konstrukce budovy na jednotlivé části z důvodů zamezení přenosu účinků z jedné části konstrukce do druhé tak, aby nebyly narušeny požadované funkce konstrukce. Dilatační spáry se provádějí zejména z důvodu: Objemových změn Rozdílného sedání Kromě toho mohou sloužit k omezení přenosu dynamických účinků (otřesů) nebo k přerušení mokrých technologických procesů.

3.2. Objemové změny 3.2.1. Dilatační spáry z důvodu objemových změn Vnější konstrukce jsou bezprostředně vystaveny cyklickým změnám vnějších teplot v čase, v průběhu dne a roku a změnám vlhkosti. Objemové změny konstrukčních materiálů a prvků mohou být způsobeny několika faktory: Teplotní objemové změny (změny teplot vnějšího i vnitřního prostředí) Změny vlhkosti materiálů Reologické změny materiálů (smršťování a dotvarování betonu aj.) Objemové změny v důsledku chemických změn materiálů Při návrhu dilatačních spár je nutné analyzovat všechny tyto účinky. Teplotní objemové změny (změny teplot vnějšího i vnitřního prostředí). Teplota je cyklický účinek způsobující objemové, rozměrové a tvarové změny prvků a konstrukcí. Řada stavebních konstrukcí má tvar i chování prutového (nosníkového) prvku, pro který je při působení změny teploty s konstantním průběhem po průřezu charakteristická délková změna. Při nekonstantním průběhu teploty po průřezu dochází k charakteristické tvarové změně - k ohybové deformaci prvku. Zatěžovací teplota je rozdíl mezi max. teplotou a teplotou výrobní.

3.2.1. Dilatační spáry z důvodu objemových změn Dilatační spára pro teplotní objemové změny (neprochází základem), vpravo detail vyztužení základu pod dilatací

3.2.1. Dilatační spáry z důvodu objemových změn Změny vlhkosti materiálů. S narůstající vlhkostí u porézních materiálů narůstá i deformace, popř. délková změna. Změny způsobené vlhkostí jsou obvykle vyšší než např. změny způsobené teplotou. Zatěžovací vlhkost (rozdíl vlhkosti Δu) se stanoví jako rozdíl max. a min. vlhkosti v posuzovaném místě a době vlhkosti, ve které byla konstrukce realizována. Pro omezení negativních vlivů vlhkosti je důležité provedení vhodných povrchových úprav (hydroizolačních vrstev a izolačních nátěrů) zamezujících vnikání vlhkosti do konstrukce. Reologické změny materiálů (smršťování a dotvarování betonu aj.). Smršťování je objemovou změnou, která bezprostředně souvisí s vlhkostí a strukturou hmot. Dotvarování vyvolává dodatečnou redistribuci vnitřních sil v nosných vzájemně spřažených konstrukcích. Tato redistribuce je v některých případech příznivá, v jiných případech způsobuje zvýšení napětí v konstrukcích s menším dotvarováním. Důsledkem namáhání může být v prvém stádiu nárůst napětí a deformací v některých částech konstrukce a v druhém stádiu vznik poruch a trhlin v těchto částech. Objemové změny v důsledku chemických změn materiálů. Koroze materiálů, při které dochází ke vzniku korozních produktů, změna objemu. Důsledkem je změna objemu prvku se všemi negativními důsledky na vlastní prvky okolní konstrukce.

3.2.2. Zásady řešení dilatačních spár v nosné konstrukci Vnější konstrukce jsou bezprostředně vystaveny cyklickým změnám vnějších teplot v čase, v průběhu dne a roku a změnám vlhkosti. Dilatační čára musí probíhat celou konstrukcí včetně všech navazujících kompletačních konstrukcí (stropy, podlahy, obvodový plášť, střešní plášť aj.) s výjimkou základů. Naopak se základ v místě ukončení dilatační spáry vyztuží, aby nemohlo dojít k nežádoucímu nerovnoměrnému sedání, případně k tahovému porušení základu od cyklických dilatačních pohybů. Šířku dilatačních spár volíme 10-30 mm. Navrhujeme pouze nutný počet dilatačních spar, ale současně takový, který je schopen eliminovat nebezpečí poruch. Dilatační spára by měla umožňovat pohyby ve všech požadovaných směrech. Počet dilatačních spár může být ovlivněn vhodným architektonickým a objemovým řešením objektu. Vhodné konstrukční řešení dilatačních spár v konstrukci z hlediska účinků objemových změn: Zdvojení nosných konstrukcí Jednostranné kluzné uložení Vykonzolování stropní konstrukce vložením pole s kluzným uložením Maximální velikosti dilatačních celků se určí statickým výpočtem.

3.2.2. Zásady řešení dilatačních spár v nosné konstrukci Zdvojené konstrukce mají dilatační spáru mezi dvěma konstrukcemi. A to buď mezi sloupy a průvlaky, či mezi dvěma stěnami. Základová konstrukce je vždy společná, to jest společná patka, pás nebo základová deska. Pohyb v dilatační spáře probíhá rozšiřováním či zužováním dilatační spáry ve vodorovném směru. Výhodou je jednoduché a méně nákladné konstrukční řešení pro stěnové i sloupové systémy, nevýhodou pak použití pouze pro dilatace objemových změn a narušení modulové složky systému. Konstrukční způsob zdvojení nosné konstrukce na společném základu Dilatace zdvojenými štítovými stěnami Provázání zdvojených sloupů

3.2.2. Zásady řešení dilatačních spár v nosné konstrukci Jednostranné kluzné uložení je určeno pro horizontální pohyb konstrukce. Jedna část je podepřena částí druhou a zároveň dochází k speciálnímu přenosu smykových sil. Je rovněž vhodné respektovat průběh ohybových momentů pro správné umístění dilatační spáry a zároveň zachovat malý odpor ve smykovém tření. Výhodou je jednoduchost a ekonomická výhodnost, zachování modulace i jednoduché řešení základů stěnového i skeletového systému. Nevýhodou je obtížnější provedení kluzných spojů (použití ocelových plechů, ložisek). Řešení jednostranného kluzného uložení

3.2.2. Zásady řešení dilatačních spár v nosné konstrukci Vykonzolování stropní konstrukce vložením pole s kluzným uložením si klade jako podmínku potřebné oddálení základů. Zároveň lze volit i možnost oboustranného vykonzolování. Velikost vyložení konzoly je optimálně 1/3 přilehlého rozponu. Řešení vykonzolování stropní konstrukce vložením pole s kluzným uložením

3.2.2. Zásady řešení dilatačních spár v nosné konstrukci Od statického výpočtu velikosti dilatačních celků lze upustit, jsou-li velikosti dilatačních celků voleny tak, že splňují doporučené maximální hodnoty uvedené v normách. Max. délky dilatačních celků pro objekty ze ŽB či předpjatého betonu podle ČSN 73 1201

3.2.2. Zásady řešení dilatačních spár v nosné konstrukci Maximální vzdálenost dilatačních spár ve zdivu na vápennou maltu: z pálených cihel 100 m z vápenopískových cihel 50 m z betonových tvárnic 50 m z přirozeného kamene 60 m ze železového betonu 40 m U prostého či slabě vyztuženého betonu jsou max. délky monolitických dilatačních celků: u chráněné konstrukce 30 m u nechráněné konstrukce 24 m

3.2.2. Zásady řešení dilatačních spár v nosné konstrukci Maximální přípustné vzdálenosti mezi dilatačními spárami v budovách s jednovrstvými zděnými stěnami

3.2.2. Zásady řešení dilatačních spár v nosné konstrukci Maximální přípustné vzdálenosti mezi dilatačními spárami v budovách s ocelovou konstrukcí

3.3.1. Dilatační spáry z důvodu rozdílného sedání 3.3. Rozdílné sedání 3.3.1. Dilatační spáry z důvodu rozdílného sedání Rovnoměrné sedání objektu nevyvolává v konstrukci žádná případná namáhání. Nerovnoměrné sedání má pak naopak za následek vznik značných namáhání. Nerovnoměrné sedání proto nejčastěji vzniká díky těmto důvodům: Nepravidelností podloží Rozdílným napětím v základové spáře Různým způsobem založení Časovým odstupem mezi realizacemi částí objektu Obecně se dá proto konstatovat, že důvodem rozdílného sedání jsou téměř vždy složité základové podmínky a to jak při vlastní realizaci stavby tak i během procesu užívání. Nepravidelné podloží může být způsobeno celou řadou vlivů, například tyto: Nepravidelné a šikmé uložení vrstev s rozdílnou stlačitelností Různá úroveň hladiny podzemní vody Poddolované území Dodatečné změny v podloží a v úrovni hladiny podzemní vody Ukázka kombinace únosné zeminy - malá stlačitelnost a méně únosné zeminy - velká stlačitelnost

3.3.1. Dilatační spáry z důvodu rozdílného sedání Rozdílné napětí v základové spáře je způsobené rozdílným sedáním. K rozdílnému sedání může dojít z těchto důvodů: Různou výškou částí objektu, orientačně lze stanovit, že při rozdílné výšce staveb o cca 10 m (3 podlaží) je nutné provést oddělení dilatační spárou. Samozřejmě je nutné brát zřetel na poměr výšky staveb, např. stavby 3 m a 12 m vysoké by dilataci mít měly, stavby 100m a ll5m případně nemusí atd. Různým užitným zatížením v částech objektu, při kombinaci rozdílných provozů je vhodné uvažovat i o řešení dilatační spáry z hlediska zamezení přenosu otřesů a hluku (administrativa - výroba, sklad knížek - čítárna atd.). Nevhodným návrhem plochy jednotlivých plošných základů (kombinace plošných a hlubinných základů). Ukázka rozdílného napětí v základové spáře (rozdílná velikost dvou vzájemně spojených staveb)

3.3.1. Dilatační spáry z důvodu rozdílného sedání Různý způsob založení objektu. Jedná se především o kombinaci plošných a hlubinných základů. Toto řešení dovoluje například výrazné rozdílné výšky objektů, rozdílná užitná zatížení a také neprovádění dilatace z hlediska rozdílného sedání. Časový odstup při realizaci různých částí objektu má význam tehdy, navazuje-li nová výstavba na objekt, u kterého proběhla větší část sednutí, následně je potřeba provést dilatační spáru a to i v případech shodných základových poměrů či stejného způsobu založení a zatížení Ukázka rozdílného založení stavby (kombinace základových pilot a pasů)

3.3.2. Zásady řešení dilatačních spár z důvodu rozdílného sedání Dilatační spára pro eliminaci účinků rozdílného sedání musí umožňovat nezávislé sedání obou částí budovy, což znamená, že konstrukční řešení spáry i její výplň musí umožňovat vertikální posuny. Dilatační spára probíhá svisle stavbou všem konstrukcemi objektu a musí procházet i základovými konstrukcemi, neboť eliminuje pohyby ve svislém směru. Základové konstrukce, musí být navrženy tak, aby nemohlo docházet k ovlivňování tlakových zón v podloží plošných základů, proto je vhodným řešením oddálení základových konstrukcí. Je třeba vždy dbát na vazbu na nosnou konstrukci. Vhodné konstrukční řešení je : Jednostranné či oboustranné vykonzolování nosných vodorovných konstrukcí Vložené pole Úprava modulace (prostřídání nosné konstrukce a základů obou dilatovaných částí) Konstrukční varianta vloženým polem vyžaduje u vícepodlažní budovy dilatování značného počtu nosníků (desek), a proto je někdy nahrazována jednostranně kluzným uložením.

3.3.2. Zásady řešení dilatačních spár z důvodu rozdílného sedání Jednostranné či oboustranné vykonzolování nosných vodorovných konstrukcí si klade jako podmínku potřebné oddálení základů. Zároveň lze volit i možnost oboustranného vykonzolování. Konstrukční řešení je vhodné jak pro objemové změny, tak i pro nerovnoměrné sedání. Velikost vyložení konzoly je optimálně 1/3 přilehlého rozponu. Ukázka jednostranného vykonzolování nosných vodorovných konstrukcí

3.3.2. Zásady řešení dilatačních spár z důvodu rozdílného sedání Vložené pole je oboustranně kloubově uložený prvek (deska, průvlak, trám, panely), který má na každé straně dilatační spáru. Dilatační spáry je taktéž vhodné situovat tak, aby respektovaly průběh ohybových momentů do vzdálenosti cca 1/5 rozpětí od podpor tak aby v místě dilatační spáry byl ohybový moment nulový. Následně lze lehce zachovat dimenze a modulace prvků. Pro případné zajištění i objemových změn je třeba umožnit prvku alespoň v jedné ze spár i horizontální posun (kluzné uložení). Výhodou je že nevzniká výškový rozdíl v dilatační spáře (jen malé natočení) a lze zachovat modulaci. Nevýhodou je naopak nutnost dvou dilatačních spár, ekonomičtější náročnost, vyšší riziko poruch a obtížnější řešení kompletačních konstrukcí. Ukázka dilatace pomocí vloženého pole

3.3.2. Zásady řešení dilatačních spár z důvodu rozdílného sedání Úpravou modulace lze eliminovat účinky rozdílného sedání, především v případech, kdy nelze zajistit dostatečnou vzdálenost základů jen vykonzolováním či vloženým polem. Vždy se však využívá na stavbě jako celku pouze v kombinaci s vykonzolováním či s vloženým polem. Ukázka řešení dilatace pomocí úpravy modulace

3.3.2. Zásady řešení dilatačních spár z důvodu rozdílného sedání Svislá dilatace mezi nižším a vyšším objektem:

3.3.2. Zásady řešení dilatačních spár z důvodu rozdílného sedání

3.3.2. Zásady řešení dilatačních spár z důvodu rozdílného sedání

3.3.2. Zásady řešení dilatačních spár z důvodu rozdílného sedání Dilatace ve stavebních konstrukcích :

3.3.2. Zásady řešení dilatačních spár z důvodu rozdílného sedání

Legenda Studijní materiály Otázky a úkoly Klíč k řešení otázek Základní literatura: HÁJEK, P. a kol. Konstrukce pozemních staveb 1. Nosné konstrukce I. 3. vyd. Praha: ČVUT, 2007. ISBN 978-80-01- 03589-4. HANÁK, M. Pozemní stavitelství: cvičení I. 6. přeprac. vyd. Praha: ČVUT, 2005. ISBN 80-01-03267-1. Doporučené studijní zdroje: LORENZ, K. Nosné konstrukce I. Základy navrhování nosných konstrukcí. 1. vyd. Praha: ČVUT, 2005. ISBN 80-01- 03168-3. MATOUŠOVÁ, D., SOLAŘ, J., Pozemní stavitelství I. 1. vyd. Ostrava: VŠB TU, 2005. ISBN 80-248-0830-7. Otázky a úkoly 1) Jaké je vhodné konstrukční řešení dilatačních spár v konstrukci z hlediska účinků objemových změn? 2) Z jakých důvodů se zejména provádějí dilatační spáry? 3) Čím je způsobeno rozdílné napětí v základové spáře? Klíč k řešení otázek Viz výklad.

Legenda Použitá literatura HÁJEK, P. a kol. Konstrukce pozemních staveb 1. Nosné konstrukce I. 3. vyd. Praha: ČVUT, 2007. ISBN 978-80-01-03589-4. HANÁK, M. Pozemní stavitelství: cvičení I. 6. přeprac. vyd. Praha: ČVUT, 2005. ISBN 80-01-03267-1. NESTLE, H. a kol. Moderní stavitelství pro školu i praxi. Praha: Sobotáles, Praha, 2005. ISBN:80-86706-11-7. LORENZ, K. Nosné konstrukce I. Základy navrhování nosných konstrukcí. 1. vyd. Praha: ČVUT, 2005. ISBN 80-01-03168-3. MATOUŠOVÁ, D., SOLAŘ, J., Pozemní stavitelství I. 1. vyd. Ostrava: VŠB TU, 2005. ISBN 80-248-0830-7. Doc. Ing. Václav Kupilík, CSc. a Ing. Karel Sedláček, PhD. – skripta Pozemní stavitelství I