Úvod do problematiky

V súčasnom stavebníctve sa čoraz viac presadzuje trend hybridných konštrukcií, ktoré kombinujú rôzne materiály – najmä drevo a oceľ. Táto kombinácia umožňuje navrhovať konštrukcie s väčšími rozpätím, nižšou uhlíkovou stopou a zároveň vyššou efektivitou výstavby. Kľúčovým prvkom týchto systémov je spoľahlivé prepojenie jednotlivých komponentov, najmä v oblasti stropných panelov z krížom lepeného lamelového dreva (CLT), kde je potrebné zabezpečiť efektívny prenos síl a minimalizovať riziko porušenia spoja. V tomto kontexte zohráva epoxidová chémia rozhodujúcu úlohu, pretože umožňuje vytvoriť vysoko odolné lepené spoje medzi oceľovými prvkami a drevom. Správne navrhnutý epoxidový spoj prispieva k celkovej stabilite konštrukcie, zvyšuje jej životnosť a otvára možnosti pre optimalizáciu návrhu z hľadiska mechanických vlastností aj udržateľnosti.

Prepojenie CLT panelov pomocou drážky v dreve

Skúmanie drážkových spojov

Výskum sa zameral na návrh a testovanie spojov v strednej nadpodperovej oblasti stropu (v rámci dvoj polovej stropnej konštrukcie). Výstuž bola osadená do drážok vyfrézovaných v CLT paneloch a následne zalepená epoxidovým lepidlom. Cieľom bolo navrhnúť spoj bez použitia betónu, overiť jeho únosnosť a identifikovať mechanizmy porušenia.

Vzorky simulovali reálne podmienky: výstuž B500 B s priemerom 10 mm bola osadená do drážok s rozmermi 40 × 16 × 328 mm. Po utesnení čela drážky sa aplikovala injektážna epoxidová malta HIT–RE 500 V4 od spoločnosti Hilti. Táto zmes je certifikovaná pre náročné aplikácie kotvenia a vyniká tuhšou konzistenciou, ktorá minimalizuje únik hmoty a zabezpečuje homogénne spojenie výstuže s drevom.
Aplikovanie chémie prebiehalo za pomoci manuálneho vytláčacieho stroja HDM do ktorého sa vsádzala patróna. Konzistencia hmoty bola dostatočne tekutá na vyplnenie oblastí v drážke pod výstužou, pričom zároveň nedochádzalo k jej vytekaniu cez netesnosti v prekrytej hrane dosky.
Zhotovenie a následné overovanie vzoriek prebiehalo v laboratóriu Stavebnej fakulty Slovenskej technickej univerzity v Bratislave. Na overenie vzoriek drážok bola navrhnutá a skonštruovaná zaťažovacia zostava, ktorá zabezpečovala konzistentné okrajové podmienky počas overovania.

Vzorky drážok (H1, H2, H3, H4) pred testovaním

Výsledky ťahových skúšok

Ťahové skúšky preukázali vysokú a konzistentnú únosnosť spojov. Vo všetkých prípadoch došlo k plastizácii výstuže – teda k jej natiahnutiu až do bodu pretrhnutia – bez narušenia samotného spoja. Výsledky overovania potvrdili zachovanie súdržnosti na rozhraní epoxid–výstuž aj epoxid–CLT panel v oblasti hrany drážky. Jav je možné pozorovať na fotografiách z priebehu testovania, zároveň je to možné pozorovať aj na pracovných diagramoch z ťahových skúšok z grafov. Z ktorých sú čitateľne jednotlivé oblasti ako elastická oblasť, medzu klzu, plastickú deformáciu a následný lom.

Plastizácia výstuže v priebehu ťahových skúšok 

Maximálne zaťaženie sa pohybovalo medzi 51,45 kN a 52,27 kN, čo potvrdzuje spoľahlivosť epoxidového spojenia.

Pracovný diagram ťahových skúšok drážok vyplnených epoxidovým lepidlom od Hilti

Integrácia výsledkov ťahových skúšok do overovania pomocou ohybových skúšok

Na základe priaznivých výsledkov z ťahových skúšok sa výskum posunul do fázy overenia spojov pri ohybovom namáhaní. Cieľom bolo simulovať reálne zaťaženie v stropnej konštrukcii.

Očakáva sa, že aplikáciou epoxidového dvojzložkového lepidla HIT – RE – 500 V4 bude zabezpečené dostatočné prepojenie v drážke pre všetky obsiahnuté materiály. Predpokladá sa, že práve pri tomto návrhu, by bolo možné dosiahnuť optimálne prepojenie stropných panelov.

Poloha výstuží je situovaná v horných častiach stropných panelov, v oblastiach vystavených ťahovému namáhaniu.

Odolnosť prípoja bude predovšetkým závislá na priemere výstuže (odolnosti výstuže v ťahu). V tomto prípade zámerne zostala aplikovaná rovnaká výstuž ako v ostatných prípadoch (priemer 10 mm). Predpokladá sa, že k zlyhaniu prípoja dôjde v dôsledku pretrhnutia výstuže. Alternatívnym mechanizmom porušenia je vytrhnutie epoxidovej vrstvy spolu s časťou lamiel orientovaných priečne na smer aplikovaného zaťaženia.

Použitím epoxidov pri hornom okraji zaniká ich nepriaznivý vplyv v dôsledku prípadného vystavenia požiaru stropnej konštrukcie. Epoxid je umiestnený pri hornom okraji dosky, kde je dostatočne chránený pred priamym ohňom a teplom, čím sa zabraňuje jeho nahriatiu.

Niekoľko minút po aplikácii a zahladení hornej hraný drážky bolo možné pozorovať napučanie epoxidu. Tento jav utvrdzuje, že drážka bola vyplnená dôkladne.

 
Osadenie vzorky v skúšobnej zostave – pre zabezpečenie simulácie reálneho namáhania stropnej konštrukcie
v nadpodperovej oblasti je vzorka osadená v invertnej vertikálnej orientácii.

Tak ako sa aj predpokladalo, vzorka bola schopná odolávať značnému zaťaženiu až do takej miery, že došlo k plastizácii výstuže (vznik hrdla) až k následnému pretrhnutiu výstuže. To malo za dôsledok kolapsu prípoja.

Porušenie vzorky na konci overovania, vzorka je osadená zrkadlovo v dôsledku okrajových podmienok vyplyvajúcich zo zaťažovacej zostavy.

Je však možné konštatovať, že v tomto prípade sa vzorka roztvárala na oboch stranách nosníka a nie tak ako to bolo na predošlých vzorkách (že došlo k porušeniu len jednej strany vzorky). Postupne dochádzalo k nárastu roztvorenia vzorky v betónovej časti medzi ceľovým prievlakom vyplneným betónom a CLT panelom.

Spoje s epoxidovým lepidlom preukázali vysokú stabilitu aj pri kombinovanom pôsobení síl, čo potvrdzuje ich vhodnosť pre aplikácie v hybridných konštrukciách. Mechanizmy porušenia boli konzistentné, čo poukazuje na spoľahlivosť navrhnutého riešenia. Testovaná vzorka s použitím epoxidovej malty odolala zaťaženiu až 129,6 kN, čo predstavuje výrazné zvýšenie únosnosti v porovnaní so vzorkami s betónovou výplňou, ktoré dosahovali hodnoty približne 80 kN (referenčná séria vzoriek s priamymi drážkami prispôsobenými pre aplikáciu betónu). V prípade betónovej výplne došlo k zlyhaniu spoja najmä v dôsledku straty súdržnosti medzi výstužou a výplňou, čo poukazuje na limity tohto riešenia.

Detail porušenia výstuže na vzorke v dôsledku overovania, pretrhnutie výstuže

Záver: Epoxidové spoje ako cesta k efektívnejším konštrukciám

Výsledky overovania jednoznačne potvrdili, že injektážna epoxidová malta HIT–RE 500 V4 predstavuje spoľahlivé riešenie pre vytváranie vysoko odolných spojov v hybridných stropných konštrukciách. Epoxidové spoje zabezpečili konzistentnú únosnosť a stabilitu aj pri kombinovanom pôsobení síl, pričom mechanizmy porušenia boli predvídateľné.

Injektážna epoxidová malta HIT–RE 500 V4 predstavuje spoľahlivé riešenie pre spojenie výstuže v hybridných stropných konštrukciách.

Vďaka umiestneniu epoxidu v horných častiach konštrukcie sa eliminuje jeho nepriaznivý vplyv pri požiari, čo zvyšuje bezpečnosť a životnosť systému. Výskum tak potvrdzuje, že epoxidové spoje nie sú len alternatívou, ale perspektívnym riešením, ktoré môže zásadne ovplyvniť budúcnosť hybridných konštrukcií. Vytvára homogénne, mechanicky odolné spojenie s drevom a oceľou, ktoré umožňuje navrhovať štíhlejšie, efektívnejšie a ekologicky udržateľné systémy.

Epoxidová chémia tak nie je len technickým riešením – je nástrojom, ktorý umožňuje stavať lepšie, rýchlejšie a s väčšou istotou.

 Hybridné konštrukcie s kvalitným epoxidovým prepojením ukazujú, že budúcnosť stavebníctva je nielen pevná, ale aj inteligentná. A s Hilti to ide jednoducho lepšie.

Referencie

K. Freudenberger, Hybridné sústavy z ocele a CLT – Dizertačná práca, Slovenská technická univerzita v Bratislave, 2024.

STN EN 1991-1-1, Eurokód 1 - Zaťaženia konštrukcií - Časť 1-1: Všeobecné zaťaženia- Objemová tiaž, vlastná tiaž a úžitkové zaťaženia budov, 2007: SÚTN.

STN EN 1992-1-1. Eurokód 2. Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1 -1: Všeobecné
pravidlá a pravidlá pre budovy. Slovenský, SUTN, 2006.

STN EN 1995-1-1, Eurokód 5 - Navrhovanie drevených konštrukcií Časť 1-1: Všeobecné
pravidlá pre budovy, SÚTN, 2008.

Hilti, European Technical Assessment ETA-20/0834, Österreichisches Institut für Bautechnik
(OIB), 13.11.2023.