Princíp železobetónu vynašiel už v roku 1849 francúzsky záhradník Joseph Monier. Jeho patent z roku 1881 znamenal začiatok významného využívania tohto nového materiálu. V tom istom roku pochopili pruskí inžinieri A. G. Wayss a M. Koenen základný princíp železobetónu, teda že oceľ preberá všetky ťahové napätia a betón poskytuje odolnosť voči tlaku. Zrodila sa skutočná teória železobetónu.
Pri všeobecnom navrhovaní železobetónových konštrukcií sa vždy predpokladá trhlinová zóna v ťahu a tento stav sám o sebe nepredstavuje bezpečnostné riziko (aj keď môžu existovať určité obavy, pokiaľ ide o trvanlivosť). Pri navrhovaní pripojenia oceľovej kotevnej dosky má však táto téma jednoznačne väčší význam, pretože trhliny v základovom materiáli kotvy nielen zhoršujú rozloženie napätia vyplývajúceho zo zaťažených kotiev, ale tiež vedú k závažným poruchám kotiev, ktoré nie sú pre tento stav vhodné.
Ako inžinier ste zodpovední za to, aby ste vo svojej návrhovej stratégii predpokladali, či je betón v oblasti upevnenia popraskaný, a podľa toho vybrali a navrhli pripojenie kotevnej dosky. Musíte si však uvedomiť, že výsledky tohto procesu sa môžu výrazne líšiť v závislosti od počiatočného predpokladu a zvoleného kotevného systému.
Vo všeobecnosti platí, že ak sa nepreukáže opak (napríklad dôkladnou analýzou napätia alebo zdokumentovanou vizuálnou kontrolou trhlín), treba predpokladať, že betón je popraskaný.

Ako veľmi bude betón popraskaný?

Betón má nízku pevnosť v ťahu, takže sa v prevádzkových podmienkach očakávajú trhliny aj v ohybových alebo ťahových zložkách. Skúsenosti ukazujú, že šírka trhlín vznikajúcich predovšetkým v dôsledku kvazistatického zaťaženia (zaťaženie vlastnou tiažou plus časť úžitkového zaťaženia) nepresahuje hodnotu w95% ~ 0,3 mm až 0,4 mm. Širšie trhliny možno očakávať pri maximálnom prípustnom prevádzkovom zaťažení, ktoré dosahuje w95% ~ 0,5 mm až 0,6 mm [2],[3],[4].

Relatívna početnost nameranej šírky trhliny pri maximálnom prevádzkovom zaťažení ([2],[3],[4]) 

Trhliny závisia od vnútorných aj vonkajších síl

Trhliny na vystuženom prvku vznikajú nielen pôsobením síl (prenášaných z upevnenia alebo iných prvkov v konštrukcii), ale aj skôr v dôsledku procesu tuhnutia betónu (zmršťovanie). Okrem toho môžu vznikať napätia v dôsledku obmedzujúcich síl v podobe teplotných rozdielov, brzdených deformácií alebo sadania základov, čo môže následne spôsobiť vznik trhlín.

Ak je betón napätý, trhliny s najväčšou pravdepodobnosťou pretínajú kotvu

Bolo zistené, že keď sa v betónovom prvku vytvoria trhliny, je veľmi pravdepodobné, že budú priamo alebo tangenciálne pretínať miesto kotvenia. K tomu dochádza preto, že v okolí kotvy existujú vyššie ťahové napätia v dôsledku obručových napätí spojených s predpätím a zaťažením kotvy a koncentrácie napätia spôsobenej prítomnosťou otvoru pre kotvu (vrubový efekt).

Pravdepodobnosť vzniku trhlín v závislosti od polohy kotvy je veľmi vysoká v dôsledku koncentrácie napätia a nespojitosti spôsobenej samotným upevnením.

Vyššie napäťové pole spojené s trhlinami znižuje únosnosť

V betóne bez trhlín vytvára kotva zaťažená ťahom rotačne symetrický priebeh napätia v okolí kotvy. Ak sa kotva nachádza v trhlinách, ťahové napätia sa už nemôžu prenášať cez pôdorys trhliny a nie sú rotačne rozložené (narušenie rotačného poľa napätia). To znižuje únosnosť pri poruche v prípade poruchy betónového kužeľa.

Rozloženie síl v kotevnej oblasti v betóne bez trhlín a v betóne s trhlinami [1].

Kotva s návrhom bez trhlín môže pri zaťažení v napätom betóne spôsobiť nekontrolovateľný posun

Vplyv trhlín sa neprejavuje len na maximálnom zaťažení upevnenia. V skutočnosti sa správanie pri posune zaťaženia môže výrazne líšiť v závislosti od schopnosti kotvy reagovať na otvorenie trhliny. Napríklad rozpínacie kotvy s riadeným uťahovacím momentom, ktoré nie sú vhodné na použitie v betóne s trhlinami, môžu pri zaťažení v ťahu v trhlinách vykazovať nekontrolovaný posun. Nekontrolované posuny spôsobujúce nepredvídateľné priehyby sú rizikom ako pre stav medznej použiteľnosti (SLS), tak pre stav medznej únosnosti (SLU), najmä pri niektorých aplikáciách, ako sú voľne stojace konštrukcie, konzoly a tuhé spoje nosníkov.

Schematické krivky posunutia pri zaťažení testovaných kotiev riadených krútiacim momentom v ťahu v betóne s trhlinami a bez trhlín:

a) Kotvy vhodné na použitie v betóne s trhlinami

b) Kotvy nevhodné na použitie v betóne s trhlinami

Záver

Vo všeobecnosti sa očakávajú trhliny v betóne a pravdepodobné umiestnenie trhlín možno ľahko predpovedať v mieste kotvenia, čo znamená zníženie únosnosti alebo vyššie deformácie. Odporúčame, aby ste pri návrhu vždy uvažovali s betónom s trhlinami, ak nejde o aplikácie, pri ktorých je jasné, že betón nebude nikdy napätý, ako je napríklad ľahké upevnenie na prvkoch z predpätého betónu (v každom prípade je potrebné to preukázať). V opačnom prípade by mali byť použité kotvy kvalifikované pre použitie v napätom betóne, aby bola zaistená bezpečnosť prostredníctvom správneho návrhu, zatiaľ čo riešenia, ktorých účinnosť nebola v tomto stave posúdená, nemôžu zaručiť zodpovedajúcu spoľahlivosť.

Odkazy

[1] Eligehausen R.; Mallee, R.; Silva, J.F. (2006): Anchorage in concrete construction, Ernst & Sohn, Berlin 2006 

[2]Schiessl, P. (1986): Crack influence of the durability of reinforced and prestressed concrete components. Schriftenreihe des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton, No. 370, Ernst & Sohn, Berlin 1986 (in German)  

[3] Bergmeister, K. (1988): Stochastic in fixing technology based on realistic influenced parameters, Doctor Thesis, University of Innsbruck, 1988 (in German)  

[4] Eligehausen, R.; Bozenhardt, A. (1989): Crack widths as measured in actual structures and conclusions for the testing of fastening elements. Report No. 1/42-89/9, Institute of Construction Materials, University of Stuttgart, August 1989