Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE by OKTAEDR

JanKol áčekakol ekt i v

Škol i cí mat er i ál pr osemi nář REKONSTRUKCE ASANACE

Školicí materiál k semináři REKONSTRUKCE A SANACE Ing. Jan Koláček, Ph.D. a kolektiv

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering Brno 2014

ISBN 978-80-214-4934-3

Fakulta stavební Vysokého učení technického v Brně zahájila 1. 6. 2012 řešení projektu „OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví“. Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky a je zaměřen na tvorbu a udržování partnerské sítě. Tato síť bude vzájemně propojovat Fakultu stavební Vysokého učení technického v Brně, významná výzkumná a vývojová pracoviště, partnery z oblasti podnikatelského sektoru i oborová sdružení. Cílem sítě je umožnit rozšíření vzájemné spolupráce, vytvoření nových podmínek pro přenos teoretických i praktických znalostí a zkušeností mezi výzkumem a stavební praxí. Partnery projektu „OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví“ jsou:  MOTRAN Research, s. r. o.,  Českomoravský cement, a.s.  Centrum dopravního výzkumu, v. v. i.,  OHL ŽS, a.s.,  Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava,  ESOX, spol. s r.o.,  Svaz vodního hospodářství ČR.

Registrační číslo projektu: Název projektu: Realizace: Řešitel:

CZ.1.07/2.4.00/31.0012 OKTAEDR – partnerství a sítě stavebnictví 1. 6. 2012 – 31. 5. 2014 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

ÚVOD Vážené kolegyně, vážení kolegové, vzniklý školicí materiál je určen zejména pro účastníky semináře REKONSTRUKCE A SANACE a měl by sloužit hlavně pro poznámky a uchování hlavních myšlenek z přednesených příspěvků. Zamýšlená koncepce byla taková, že se sestaví krátká anotace a za ní se seřadí jednotlivé snímky prezentací za sebou a nechá se volný prostor pod a nad nimi, ve kterém si mohou účastníci dělat své poznámky. Výše uvedený seminář REKONSTRUKCE A SANACE byl zaměřen na rekonstrukce a sanace současných betonových a zděných konstrukcí realizovaných v ČR v rámci spolupráce mezi Ústavem betonových a zděných konstrukcí a s odbornými firmami zabývajícími se projektováním betonových konstrukcí. Seminář se skládal ze čtyř přednášek: Zesílení svislých konstrukcí výškové budovy A1 FSI VUT v Brně Ing. Ladislav Huryta (HURYTA s.r.o.) Vady, poruchy a rekonstrukce vodonepropustných betonových konstrukcí Ing. Jan Perla (JAPE – projekt, spol. s r.o.) Zesilování průmyslových hal doc. Ing. Ladislav Klusáček, CSc. (ÚBZK, FAST VUT Brno) Vznik a následky havárií a statické poruchy stavebních konstrukcí doc. Ing. Zdeněk Bažant, CSc. (ÚBZK, FAST VUT Brno) Dovolte, abych krátce představil všechny čtyři přednášející: Ing. Ladislav Huryta je uznávaným odborníkem v oboru betonové a ocelové konstrukce. Je zakladatelem brněnské statické kanceláře HURYTA s.r.o., která vznikla v červenci 1999 osamostatněním projektového střediska firmy STAVOSPOL, s.r.o. V současné době má kancelář celkem 12 pracovníků. Ing. Jan Perla je uznávaným odborníkem v oboru betonové konstrukce se zaměřením na bílé vany a nekovovou výztuž. Je zakladatel brněnské statické kanceláře JAPE – projekt, spol. s r.o. V současné době také působí na Ústavu betonových a zděných konstrukcí jako odborný asistent. Doc. Ing. Ladislav Klusáček, CSc. je uznávaným odborníkem v oboru betonové a předpjaté konstrukce se specializací na rekonstrukce historických objektů, mostů a cihelných kleneb. V současné době působí jako docent na Ústavu betonových a zděných konstrukcí fakulty stavební VUT v Brně, kde přednáší předměty jako

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE Betonové konstrukce, Automatizace výpočtů betonových konstrukcí a Betonové mosty. Doc. Ing. Zdeněk Bažant, CSc. je specialistou na betonové a zděné konstrukce. Působí i jako soudní znalec v oboru projektování, betonové a zděné konstrukce a zakládání staveb. V současné době pracuje jako vědecký pracovník na Ústavu betonových a zděných konstrukcí fakulty stavební VUT v Brně. Rád bych touto cestou poděkoval všem přednášejícím, protože bez jejich úsilí a píle by nemohl seminář ani školicí materiál vzniknout, a taktéž rektorovi VUT v Brně a zároveň vedoucímu ústavu betonových a zděných konstrukcí prof. RNDr. Ing. Petru Štěpánkovi, CSc. za záštitu nad seminářem. Dále mně dovolte přestavit tým projektu OKTAEDR za Ústav betonových a zděných konstrukcí a hlavně ve stručnosti popsat jeho činnost. Vedoucími týmu jsou Ing. Jan Koláček, Ph.D. a Ing. Josef Panáček, členové pak Ing. Ivana Laníková, Ph.D. a Ing. Petr Šimůnek, Ph.D. Už na začátku projektu OKTAEDR si kladli vedoucí týmu BZK za hlavní cíl pořádání seminářů a setkání mezi odbornými firmami a ústavem BZK, a umožnění studentům, doktorandům a vědeckovýzkumným pracovníkům našeho ústavu krátkodobé a dlouhodobé stáže, popř. odborné praxe. V rámci projektu tedy proběhly nebo proběhnou dvě setkání se spolupracujícími subjekty (úvodní a závěrečné), čtyři semináře (MOSTY, SANACE A REKONSTRUKCE, VÝZTUŽE FRP a PREFABRIKÁTY) a dále dvě dlouhodobé odborné praxe doktorandů, tři krátkodobé stáže bakalářů a šest krátkodobých stáží našich vědeckovýzkumných pracovníků. Věříme, že školicí materiál a konaný seminář bude mít ohlas a vzbudí zájem o provádění sanací a rekonstrukcí betonových staveb.

Ing. Jan Koláček, Ph.D. za tým OKTAEDR - BZK

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

PODĚKOVÁNÍ Za prezentaci přednášek na semináři REKONSTRUKCE A SANACE patří poděkování těmto společnostem:

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

OBSAH ZESÍLENÍ SVISLÝCH KONSTRUKCÍ VÝŠKOVÉ BUDOVY A1 FSI VUT V BRNĚ .................................... ........................................................................... 11 VADY, PORUCHY A REKONSTRUKCE VODONEPROPUSTNÝCH BETONOVÝCH KONSTRUKCÍ .......................... ........................................................................... 35 ZESILOVÁNÍ PRŮMYSLOVÝCH HAL.................................................................. 59 VZNIK A NÁSLEDKY HAVÁRIÍ A STATICKÉ PORUCHY STAVEBNÍCH KONSTRUKCÍ .......................... ........................................................................... 83

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

ZESÍLENÍ SVISLÝCH KONSTRUKCÍ VÝŠKOVÉ BUDOVY A1 FSI VUT V BRNĚ Ladislav Huryta1

Úvod Příspěvek se zabývá stavebním stavem svislých konstrukcí budovy, zjištěným před zahájením prací na novém plášti budovy, sanací poruch zjištěných stavebním průzkumem a návrhem zesílení sloupů.

Stručný popis stavby Jedná se o výškovou budovu, která má půdorysné rozměry 23,0 x 52,0 m, dvě podzemní podlaží a 20 nadzemních podlaží. Nosnou konstrukci budovy tvoří železobetonový skelet, tzn. svislé konstrukce sestávají ze železobetonových sloupů a zavětrovacích stěn na obou koncích budovy, stropní konstrukce jsou železobetonové deskové a žebrové vetknuté do železobetonových průvlaků. Příčné rámy mají tři pole, v podélném směru budovy probíhají průvlaky, a to  po obvodu půdorysu (nazývané v původním projektu ztužidla), které spojují obvodové sloupy provedené v rozteči 1,8 m,  ve dvou osách uvnitř budovy, které spojují sloupy umístěné v osové vzdálenosti 3,6 m. Budova je založena na základové desce tloušťky 1,2 m, většího půdorysu než budova sama. Základová deska je ztužena stěnami v hlavních osách na výšku druhého podzemního podlaží, tj. asi 3,0 m, tloušťky 0,8 m až 1,0 m.

Popis rekonstrukce V letech 2011 a 2012 byla připravována rekonstrukce obvodového pláště budovy A1 Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně, Technická 2, Brno. Pro tuto zakázku byl zpracován průzkum stavu nosných konstrukcí budovy. Průzkum byl omezen skutečností, že v budově plně probíhalo vyučování a nebylo možné provádět průzkum v takovém rozsahu, aby byly odhaleny všechny poruchy konstrukcí, a zvenku nebylo možné provést demontáž fasády zakrývající nosné konstrukce. Průzkum byl proveden v rozsahu prohlídek nosných konstrukcí svislých a vodorovných uvnitř budovy, z vnější strany budovy byly provedeny sondy skrz opláštění v rozsahu 3 ks. Nebyly zjištěny žádné poruchy. Statickým výpočtem zatížení od nového opláštění bylo zjištěno, že svislé konstrukce mají dostatečnou rezervu v únosnosti proti vyprojektovanému stavu pro přenesení vyššího zatížení od nového opláštění. Jednalo se asi o 6% navýšení oproti původnímu zatížení.

Ladislav Huryta, Ing., HURYTA s.r.o., Staňkova 557/18a, 602 00 Brno, www.huryta.cz, Tel.: +420 541 420 711, Email: lhuryta@huryta.cz

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

Zjištění poruch po zahájení stavby Po zahájení stavby nás čekalo překvapení, když byly odkryty obvodové sloupy z vnější strany, byly zjištěny četné poruchy velkého významu:  malá tloušťka krycí vrstvy výztuže nebo žádná krycí vrstva,  utržená krycí vrstva betonu na rozích, odhalená hlavní nosná výztuž,  vybočující rohová výztuž sloupů, chybějící třmínky,  hlavní nosná výztuž poškozená lokálně korozí tloušťky několik milimetrů,  hnízda kameniva,  kaverny hloubky až 100 mm v celé šířce sloupů,  excentrické nastavení sloupů – vybočení o několik centimetrů. Poučení: Žádný průzkum není dokonalý, ale projektant by měl investora nutit, aby byl proveden co nejdokonalejší průzkum stavu konstrukcí.

Průzkum pevnosti betonu Na základě zjištění významných poruch byl zpracován průzkum fyzikálně – mechanických parametrů betonu nosných konstrukcí Ústavem stavebního zkušebnictví VUT v Brně. Průzkumem byly zjištěny tyto pevnostní třídy betonů:  obvodové sloupy monolitické: C12/15  obvodové sloupy prefabrikované: C16/20  vnitřní sloupy: C12/15 Pevnostní třída betonu v projektové dokumentaci byla uvažována B400, tj. cca C28/35. Zjištěná pevnost betonu činí asi 15/35 = 43% pevnosti uvažované v projektu.

Návrh opatření a sanace Na základě zjištěných poruch a pevností betonů byl zpracován podrobný projekt sanace a navrženo zesílení stávajících železobetonových svislých konstrukcí ocelovými prvky. Povrch všech sloupů musí být otryskán tlakovou vodou, tzn. musí být odstraněny zkorodované části betonu, uvolněné části, hnízda kameniva a degradovaný beton. Pokud dojde k velkému zmenšení průřezu, většímu než 20%, musí být tryskání zastaveno, protože by mohla být únosnost příliš zmenšena a byla by ohrožena bezpečnost stavby. V projektové dokumentaci je popsána sanace takto: a) Sanace ploch (SA.P) – plochy, na kterých není patrná žádná porucha, budou opatřeny spojovacím můstkem a reprofilační maltou v tloušťce do 5 mm. b) Sanace kaverny (SA.KA) – kavernou se rozumí prostor za úrovní svislého líce sloupu do hloubky větší než 40 mm v ploše menší než 4 dm2. Prostor kaverny musí být vyčištěn od nesoudržných částí betonu, vyfoukán nebo vysán. Povrch očištěného materiálu musí být opatřen spojovacím můstkem a prostor musí být vyplněn sanační reprofilační maltou s pevností alespoň 20 MPa. 12

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE Před zahájením prací musí zhotovitel provést zkoušku vyplnění kaverny. Po vyzrání sanační malty musí být provedena zkouška pevnosti betonu na odvrtu průměru 50 mm. Pevnost materiálu musí odpovídat alespoň třídě C16/20, tzn. musí být o jednu třídu vyšší než je nejnižší stanovená třída pevnosti betonu dle průzkumu, tj. C12/15. O provedení těchto zkoušek musí být proveden zápis formou protokolu o zkoušce, který musí být odsouhlasen investorem a projektantem. V průběhu prací na sanování kaveren musí být provedeny zkoušky alespoň na 25% kaveren, a pokud více než 20% zkoušek nevyhoví, musí být opravené kaverny odsekány a sanovány znovu. c) Sanace hnízda kameniva (SA.HK) – hnízda kameniva se musí odstranit tlakovou vodou nebo jiným způsobem až na soudržný beton. Prostor se vyplní stejným způsobem jako při sanaci kaverny. d) Sanace zkorodovaného betonu na větší ploše než 4,0 dm 2 (SA.KB) – jedná se o prostor pro sanaci hlubší než 40 mm na ploše větší než 4,0 dm2. Plocha musí být vyčištěna od nesourodých částí betonu, vyfoukána a vysáta. Povrch se musí opatřit spojovacím můstkem a plocha musí být opatřena výztužnou sítí ø6/100x100. Síť musí být přikotvena ke stávající výztuži přivařením ke třmínkům. Dále musí být plocha opatřena sanační reprofilační maltou pevnosti alespoň 20 MPa. V průběhu prací na sanování zkorodovaného betonu musí být provedeny zkoušky pevnosti sanační malty a soudržnosti s původním betonem sloupu. Zkouška se provede pomocí odvrtů průměru 50 mm, které se podrobí zkoušce pevnosti. Pevnost musí být alespoň C16/20. Počet zkoušek musí být alespoň jedna zkouška na 0,5 m2 sanované plochy. Pokud zkoušky nebudou vyhovovat třídě C16/20 musí být sanovaná vrstva odsekána a provedena nově. e) Sanace svislé trhliny (SA.ST) a sanace vodorovné trhliny (VT) – pokud po provedení otryskání všech ploch pilířů zůstane viditelná trhlina, to znamená hloubková trhlina, musí být tato trhlina sanována vyplněním trhliny vhodným injektážním materiálem pro trhliny. Provedení této injektáže musí být provedeno navrtáním trhliny a vyplněním celého prostoru trhliny injektážním materiálem. Pro provedení sanace trhlin musí být zpracován Technologický projekt sanace trhlin, který zpracuje zhotovitel stavby, a před zahájením prací musí být odsouhlasen investorem nebo TDI a projektantem. Před zahájením prací musí zhotovitel na 3 trhlinách na sloupech provést zkoušku injektáže trhlin a následně provést 3 odvrty průměru 50 mm přes trhlinu a na těchto zkušebních vzorcích musí být prokázáno, že pevnost betonu odvrtu přes trhlinu je min. C12/15. O provedení těchto zkoušek musí být proveden zápis formou protokolu o zkoušce, který musí být odsouhlasen investorem a projektantem.

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE f) Sanace zkorodované výztuže – povrchová (SA.KPV) – při celkovém otryskání sloupů dojde na mnoha místech k odhalení výztuže. Pokud bude výztuž napadena korozí jen povrchově, může reprofilační malta dobře přilnout k výztuži a není nutné provádět kromě otryskání a nátěru spojovacím můstkem žádná další opatření a sanační maltu je možné nanést na výztuž. g) Sanace zkorodované výztuže – silná koroze (SA.KSV) – pokud se z výztužných prutů odlupují zplodiny koroze, jedná se o silnou korozi výztuže. Výztuž musí být očištěna až na zdravý kov po celém obvodu výztužné vložky. Pokud je průřez výztuže oslaben o více než 25%, to znamená, že průměr výztuže se zmenší asi o 15% nebo víc, musí být výztuž doplněna přivařením příložky k původní výztuži v místech, kde není původní výztuž zeslabena. h) Sanace vybočení svislé výztuže (SA.VV) – výztuž musí být, buď navrácena do původní svislé polohy, nebo pokud to není možné, nahrazena jinou výztuží stejného průměru ve správné poloze. Výztuž musí být zajištěna třmínky øR6 po 100 mm. i) Chybějící třmínková výztuž – v místě, kde chybí třmínková výztuž, nebo je výztuž poškozena, přerušena, musí být nahrazena novými třmínky. Nové třmínky musí být provedeny z profilu øR6 v rozteči 100 mm.

Kvalita a kontrola sanačních prací Zhotovitel sanačních prací musí používat pouze materiály, které jsou výrobcem výslovně určeny pro sanaci železobetonových pilířů, mají pro tento účel vyhotoven příslušný certifikát od renomovaného zkušebního ústavu a TDI i projektant použití těchto materiálů na základě předložených dokladů odsouhlasí před zahájením nákupu materiálu a před zahájením prací. Dále zhotovitel musí používat pouze pracovní postupy shodné s postupy dle technických listů výrobce materiálu. Zhotovitel musí dodržovat systém kontroly dle Technických listů. Zhotovitel musí zpracovat podrobný Technologický projekt provádění sanace pilířů, ve kterém budou přesně specifikovány přípravné práce a postupy provádění všech stupňů sanace. Tento Technologický projekt musí být odsouhlasen před zahájením prací v dostatečném předstihu, aby mohly být doplněny případné připomínky TDI a projektanta. Kontrolou kvality provádění sanačních prací bude pověřena nezávislá akreditovaná zkušební laboratoř, kterou určí investor. Rozsah kontrol prací, počet zkoušek apod. bude stanoven investorem ve spolupráci s projektantem.

Zesílení svislých konstrukcí Zesílení je navrženo pomocí ocelových profilů, průběžně od stropu nad 2.PP do úrovně 12. podlaží u obvodových sloupů a do úrovně 8. až 14. podlaží u vnitřních sloupů.

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE Obvodové sloupy jsou vyztuženy na vnější straně dvěma profily L100/10 nebo L80/8, resp. L60/6, a na vnitřní straně na rozích neprůběžnými prvky L60/6 a průběžným profilem P40/100, postupně se zmenšujícím podle zmenšujícího se zatížení. U vnitřních sloupů je navrženo zesílení čtyřmi trubkami ø 133/4 mm až ø 133/24 mm v závislosti na síle působící na trubky. Trubky jsou průběžné a pod průvlaky mají převázky pro osazení lisů pro aktivaci ocelové konstrukce.

Aktivace ocelových prvků Aktivací se rozumí přenesení části zatížení z betonových sloupů na ocelové tak, aby po dokončení aktivace již byly betonové sloupy odlehčeny a přenášely pouze sílu, která odpovídá jejich únosnosti. Vedlejším produktem aktivace je dotlačení všech styků mezi ocelovou a železobetonovou konstrukcí. Pokud by nedošlo k aktivaci ocelové konstrukce, ocelová konstrukce by „čekala“ až dojde k tak velkému stlačení železobetonu, až by se dotlačily všechny styky mezi ocelovou konstrukcí a betonem, což je asi 0,2 až 0,5 mm, a pružnější ocel by se musela stlačit na velké ε, při kterém by byl beton již mimo rozsah možných deformací. Na základě statických výpočtů únosnosti železobetonových příčníků, do kterých se ocelová konstrukce opírá systémem táhel a které mají relativně malou únosnost, byla stanovena síla pro aktivaci na jeden sloup a jedno patro:  pro sloupy v ose J/3-27 85 kN  pro sloupy G/1 a G/29 100 kN Vypočtená hodnota stlačení sloupu ve 12. podlaží je 15,9 mm pro sloupy G/1 a G/29 a 14,7 mm pro sloupy v ose J/3-27. Naměřené hodnoty stlačení jednotlivých sloupů se pohybují v rozmezí 14 mm až 17 mm s max. hodnotou navýšení 2,3 mm a max. hodnotou snížení 2,9 mm, což je max. plus 15 % a mínus 18 %. Tyto hodnoty jsou navzájem v dobrém souladu, zvláště když uvážíme přesnost vstupních údajů o skutečné ploše prvků, modulu pružnosti materiálů uvažovaných při výpočtu stlačení, pravděpodobném tření ocelové konstrukce o sloupy a další vlivy.

Závěr Provedením navrženého zesílení svislých konstrukcí bylo dosaženo bezpečnosti konstrukce stanovené příslušnými normami.

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

VADY, PORUCHY A REKONSTRUKCE VODONEPROPUSTNÝCH BETONOVÝCH KONSTRUKCÍ Jan Perla2

Úvod Vodonepropustné betonové konstrukce jsou zvláštním, byť poměrně dlouho známým a užívaným, případem betonových konstrukcí – typickým příkladem jsou různé vodohospodářské nádrže (ČOV, odpadní jímky apod.) a bazény. Tyto konstrukce primárně slouží pro zadržování tekutin na vodní bázi uvnitř těchto konstrukcí. V novodobé praxi se k nám z německy mluvících zemí rozšířily neizolované železobetonové základové vany, které jsou vlastně takovou nádrží naruby – zajišťují vnitřní prostory podsklepené části budovy před průnikem podzemní vody z okolního zemního prostředí. Jejich používání se v okolních zemích velmi rozšířilo od počátku 90. let minulého století.

Princip vodonepropustnosti betonu V nedávné minulosti se tyto betonové konstrukce nazývaly vodotěsnými konstrukcemi z vodostavebního betonu (někdy se uvádělo i z vodotěsného betonu). V posledním období se pro ně zavádí pojem vodonepropustné konstrukce, protože pojem vodotěsná látka znamená, že pod její povrch nemůže proniknout tlaková voda, kdežto pojem vodonepropustná látka znamená, že do určité hloubky může tlaková voda proniknout. Proto je nutné navrhovat vodonepropustné betonové konstrukce s určitou (minimální) tloušťkou a omezeným průsakem podle ČSN EN 12390-8. Trhlinami či jinými vadami neporušeném betonovém průřezu může transport vody probíhat pouze pomocí pórů a kapilár, které zůstávají v betonu jako pozůstatek odpařené záměsové vody či vzduchu po zhutnění uložené betonové směsi do bednění. O vodonepropustnosti ztvrdlého betonu tak rozhoduje množství záměsové vody a velmi jemných částic v čerstvém betonu. Uvádí se, že pro vodní součinitel (w/c) menší než 0,4 je cementový kámen prakticky vodonepropustný, kdežto v rozmezí hodnot 0,4 až 0,6 je dosahováno technicky postačující vodonepropustnosti při běžných tloušťkách betonových konstrukcí (použití vodní součinitele většího než 0,6 je možné pouze pro masivní betonové konstrukce). Model přibližně vystihuje transport vody neporušeným betonem, kde je betonový průřez rozdělen do čtyř oblastí (pásem) s charakteristickým chováním transportu vody. Voda v tekutém skupenství se může vyskytovat pouze v prvních dvou pásmech ovlivněných kapilární nasákavostí, přičemž vytvoření plně zvodnělé oblasti betonu při návodním líci závisí jednak na velikosti hydrostatickém tlaku vody (výšce vodního sloupce) a nasákavosti (definovaného průsaku) vlastního betonu. Tato nasákavost (průsak dle ČSN EN 12390-8) definuje i hloubku kapilární oblasti, kde se vsáknutá 2

Jan Perla, Ing, JAPE - projekt, spol. s r.o., Třída generála Píky 3, 613 00 Brno, www.jape-projekt.cz, Tel.: +420 548 220 260, Fax: +420 548 220 261, Email: jape@jape-projekt.cz

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE voda vyskytuje v kapilárách. Přes jádrovou (střední) oblast může transport vody probíhat pouze v plynném skupenství jako vodní pára, která se při vzdušném líci betonového průřezu (ve vysýchací oblasti) může, v závislosti na teplotě a vlhkosti navazujícího vzdušného prostředí, hromadit a případně i podpovrchově kondenzovat. V případě vzniku trhlin v betonu je voda v kapalném skupenství touto trhlinu transportována hlouběji do průřezu a v případě průběžných trhlin se může dostat až ke vzdušnému líci, kde jednak vzniknou tmavé skvrny, ale také vlivem vzdušného kyslíku a oxidu uhličitého může docházet ke korozi zabudované výztuže a tím i výraznému snížení trvanlivosti betonového díla.

Příčiny vzniku trhlin v betonu Trhliny v betonu vznikají jako důsledek překročení tahového napětí a podle různých kritérií je můžeme různě třídit. Obvykle se třídí podle způsobu vzniku tahových napětí v betonového prvku, podle doby jejich vzniku a podle jejich hloubky v betonovém průřezu. Podle doby vzniku můžeme trhliny rozdělit:  časné, rané;  pozdější, běžné. Časné trhliny vznikají v čase poklesu hydratačního tepla (brzy po dosažení maximální hydratační teploty cementu obsaženého v mladém betonu), kdy se tento beton nachází ve fázi počátečního nárůstu tahových pevností a přitom jeho pevné skupenství již účinně vyvodí napětí od omezení volného přetvoření (postupnou ztrátou hydratačního tepla). Podle způsobu namáhání je můžeme rozdělit:  statické (od účinku vnějšího zatížení);  od omezení volných přetvoření (objemových změn). Trhliny od omezení volného přetvoření mohou být způsobeny jednak výše uvedenou ztrátou hydratačního tepla, ale také dalšími objemovými změnami jako je smrštění od vysýchání, přičemž se dosti často zapomíná i na změnu (či kolísání) klimatických nebo provozních teplot. Podle dosahu trhliny do hloubky betonového průřezu je dělíme:  neprůběžné;  průběžné. Z vlastního popisu je zřejmé, že neprůběžné trhliny dosahují pouze do určité hloubky betonového průřezu a za jejich koncem tak zůstává část neporušeného betonového průřezu, který dokáže bránit průchodu vody skrz betonovou konstrukci. Tento typ trhlin je obvykle vyvolán statickým zatížením (pozor ale na tahová napětí v betonu vyvolaná normálovou tahovou silou s malou excentricitou) a jejich šířku i hloubku dokážeme poměrně přesně stanovit běžnými výpočetními postupy. Vzniku průběžných trhlin se je ale nutné bránit, protože od jejich určité šířky prakticky

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE nezabraňují průchodu vody přes betonovou konstrukci a pokud není umožněna jejich kalmetizace (samoutěsnění), což ale např. u trhlin vyvolaných vynucenými napětími od objemových změn může být prakticky vyloučené. Pro realizaci vodonepropustných betonových konstrukcí je proto nutné volit vhodné složení čerstvého betonu (betonové směsi), které umožní dobré zpracování na stavbě (uložení včetně hutnění) a přitom nebude obsahovat nadměrné množství záměsové vody (jednak kvůli omezení výsledného průsaku kapilárami, ale také pro snížení objemových změn od smrštění vysýcháním nadbytečné záměsové vody, která není nutná k hydrataci). Dále je nutné volit betony s nižším množstvím cementu, použít cementy s nižší celkovou hodnotou adiabatického hydratačního tepla a rovněž cementy s jeho postupným vývinem (nikoli překotným počátečním vývinem hydratačního tepla) – absolutně nevhodné je použití portlandských cementů (CEM I/52,5R či 42,5R) bez dalších úprav složení čerstvého betonu (přísady a příměsi). Dále je nutné upravit postup betonáže vodorovných konstrukcí (základových desek) a zejména navazujících svislých konstrukcí (stěn) vhodnou volbou jejich pracovních spár a vzhledem ke klimatickým podmínkám (zejména teplotám – ale nadměrné vysýchání povrchu uloženého a hydratujícího čerstvého betonu způsobené větrem může být pro konstrukci zničující více než přímý sluneční osvit) i navrženým pečlivým ošetřováním povrchu mladého betonu.

Opravy vad a trhlin V případě vzniku nadměrných trhlin od statických účinků (zatížení) je nutné provést vnitřní dodatečnou izolaci (vystýlku) zabraňující průniku kapaliny (pokud veškeré průřezy vyhovují alespoň na mezní stav únosnosti), statické zesílení betonové konstrukce (viz příklad v následující kapitole), příp. provozním řádem omezit její užívání (např. snížením provozní hladiny vodních kapalin) a nadměrné trhliny injektovat materiály zajišťujícími přenos napětí v trhlině (tzv. silová injektáž pomocí epoxidových či cementových injektážních malt). V případě vzniku trhlin od omezení objemových přetvoření je vhodnější volit těsnící injektáž, která v místě trhliny nepřenáší napětí, trhlina se může omezeně cyklicky pohybovat či mírně zvětšovat a materiál injektáže trhlinu pouze utěsňuje vůči průniku vodních kapalin (typicky pružné uretanové pryskyřice s omezenou tažností, kterou nesmí pohyb trhliny překročit).

Příklad rekonstrukce průmyslových aktivačních nádrží ČOV Dvojice železobetonových monolitických aktivačních nádrží byla vbetonována do stávajících obdélníkových betonových nádrží, které byly dříve využívány se sníženou hladinou vody v nádržích. Nové nádrže byly navrženy jako tříkomorové pro podstatně větší objem čištěné vody (výška hladiny odpadní vody v nádrži byla uvažována až 6,7 m). Nádrže se nachází poměrně blízko sebe (světlost mezi nimi je 6,73 m), takže se vzájemně ovlivňují při roznosu napětí v zemním podloží. Zároveň je menší nádrž posazena výše (rozdíl výšek horního povrchu základových desek je 2,3 m) a v prostoru mezi nimi je umístěna strojovna. 37

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE První, menší nádrž (AN01 viz Obr. 1) má v půdoryse vnější rozměr 27,0 × 18,0 m. Nádrž je tříkomorová se světlou šířkou 17,1 m a světlými rozměry jednotlivých komor 5,25 m, 10,05 m a 10,0 m. Obvodové stěny mají tloušťku 450 mm, obě vnitřní a dno mají tloušťku 400 mm. Světlá výška nádrže je 7,5 m a výška vodního sloupce odpadní vody je 6,55 až 6,7 m. Nádrž byla vbetonována přímo na dno starší nádrže (na separační vrstvu). Druhá, větší nádrž (AN02) má vnější půdorysný rozměr 33,2 × 19,2 m a skládá se ze tří komor se světlostmi 10,55 m, 10,4 m a 10,35 m, přičemž jejich světlá šířka je 18,1 m. Obvodové stěny mají tloušťku 450 mm, obě vnitřní 400 mm a dno 500 mm. Světlá výška nádrže je 7,5 m a výška vodního sloupce odpadní vody je 6,55 až 6,7 m. Nádrž byla vbetonována do starší jednokomorové nádrže na nový podkladní beton tloušťku 150 mm, který byl proveden na hutněný štěrkopískový polštář tloušťky 850 mm. Obě nové nádrže byly provedeny z betonu tř. C 30/37 – XA1 a vyztuženy byly vázanou žebírkovou výztuží pevnostní třídy B500A. Po vzniku trhlin a jejich nadměrném rozvoji (s výrazně větší šířkou než připouští platná norma) na bočních stěnách nádrže AN01 nebyla druhá nádrž (AN02) uvedena do provozu (projektant nedoporučil její zprovoznění). Následně bylo provedeno geodetické zaměření obou nádrží včetně jejich svislosti a naklánění stěn (to bylo provedeno i následně po zesílení a naplnění nádrže AN02, po vypuštění nádrže AN01). Také byl zajištěn doplňkový inženýrsko-geologický průzkum včetně zjištění kolísání hladiny podzemní vody pod nádržemi (podzemní voda je nepravidelně čerpána) a dodatečné statické i expertní posudky včetně vyhodnocení změřených šířek trhlin na provozované nádrži AN01. Na základě těchto posudků bylo rozhodnuto o nutnosti zesílení dosud neužívané nádrže (AN02) ještě před jejím zprovozněním a poté i o nutnosti zesílení a sanace již provozované nádrže (AN01). Pro návrh zesílení a sanace nádrží byl sestaven prostorový statický a výpočtový model obou nádrží – nádrže byly modelovány deskostěnovými, převážně čtyřúhelníkovými prvky Mindlinovského typu (se zohledněním vlivu smykových sil na rotaci hmotné normály). Modelovány byly i stávající nádrže, přičemž místo modulu pružnosti betonu zde byl použit modul přetvárnosti (efektivní modul pružnosti) staršího betonu, který byl ještě upraven (snížen) o odhad vlivu šířky trhlin v původně provozovaných nádržích tak, aby ohybová tuhost stěn donedávna provozovaných nádrží s rozvojem trhlin do 0,25 mm dala shodnou ohybovou tuhost i v sestaveném modelu lineárního výpočtu pro nové nádrže. Vzájemné spolupůsobení dvou střednicových ploch nové a staré nádrže bylo řešeno kontaktní plochou s přenosem pouze tlakového napětí, protože při stavbě byla mezi obě stěny vkládána separační vrstva, resp. v případě nádrže AN02 byla mezi obě základové betonové desky starého i nového dna provedena vrstva hutněného štěrkopískového polštáře. Protože výše uvedené řešení statického a výpočtového modelu vede na řešení fyzikální nelinearity (s vyloučeným tahem v kontaktní vrstvě) s velkými nároky na řešení sestavených rovnic (matic) tuhosti a jejich iteraci, byly obě úlohy odděleny – u neřešené nádrže byla kontaktní plocha mezi stěnami zrušena a mezi základovými deskami byla upravena na plný přenos napětí, takže nebyla požadována závislost 38

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE vodorovné deformace stěn staré a nové nádrže. Takto se podařilo iterační úlohu vyloučeného tahu v kontaktní vrstvě omezit vždy na jednu (řešenou) nádrž, která byla i hustěji dělena konečnými prvky (nezesilovanou nádrž bylo možné pokrýt podstatně řidší sítí). Z řešení statického modelu nádrže AN02 vyplynula nutnost zesílení dna, ve kterém byla překročena únosnost (odolnost) železobetonového průřezu namáhaného tahovou silou a ohybovým momentem, a rovněž i patních průřezů stěn, kde byla vlivem působících ohybových momentů překročena limitní šířka trhlin. Zesílení dna je ale technicky dosti složité, a stále ještě toto řešení negarantuje omezení šířky trhliny pod limitní šířku. Proto bylo zvoleno řešení aktivně ovlivňující velikost tahové síly v základové desce (betonovém dnu) nádrže. Toho lze dosáhnout pouze vytvořením vodorovného stahujícího průvlaku (věnce) na hlavě betonových stěn staré nádrže, tj. cca 4,9 m nade dnem nádrže. Tento průvlak má průřez 850×750 mm na podélných stěnách, resp. 1200×750 mm na příčných stěnách, a jsou do něj zabudovány vždy svazky předpínacích lan typu Monostrand (tj. lan bez soudržnosti) – v podélných stěnách jsou svazky tvořeny šesti lany a v příčných stěnách devíti lany. Lana jsou ve vodorovném směru trasována tak, aby jejich zdvihový účinek působil proti hydrostatickému tlaku kapaliny (odpadní vody) a zakončeny jsou ve sdružených kotvách. Hlavy podélných i příčných obvodových stěn i vnitřních příčných stěn jsou dále staženy volně vedenými lany tak, aby v nich byl vyvozen malý tlakový účinek (větší tlakový účinek u hlavy stěn ale omezuje velikost potřebné stahující síly u dna). Tato lana jsou ukončena v příložných kompaktních monokotvách, které jsou poplastovány, a na bocích stěn jsou lana zafixována pomocí deviátorů. Lana jsou typu Y1860S7. Protože nebylo možné ve všech stávajících železobetonových průřezech dodržet požadovanou velikost limitní šířky trhlin v nádrži, byla po zesílení provedena vnitřní izolační vystýlka nástřikem izolací FOSROC POLYUREA. Volně vedená lana u hlav při vnitřním povrchu stěn nádrže (jedná se o obě příčné vnitřní stěny, které mají lana vedena při jejich obou lících) jsou vůči případnému poškození chráněna torkretem. Na vnějším povrchu obvodových stěn je jejich ochrana pouze optická. U nádrže AN01 odpovídá zvolené řešení zesílení mezitím již realizovanému návrhu statického zesílení nádrže AN02. Protože je však stávající nádrž již poškozena trhlinami, byla část efektu předpínací síly využita na zpětné zavření již vytvořených trhlin. Zároveň bylo nutné z technologických důvodů (již existující trubní vedení) posunout výškopis vodorovného stahujícího průvlaku cca 3,25 m nade dno, což vedlo k nutnosti snížení hlav stěn stávající nádrže (odřezání jejich hlavy). Proto bylo navrženo mírně odlišné trasování lan, které umožnilo zmenšit betonový průřez. Ostatní technické řešení odpovídá zesílení nádrže AN02 včetně vnitřní izolační vystýlky.

Závěr Vodonepropustné konstrukce jsou zvláštních druhem betonových konstrukcí vyžadujících komplexní návrh, jak ze statického hlediska, tak i z hlediska objemových změn betonu, přičemž projektant musí zohlednit způsob provádění. 39

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

ZESILOVÁNÍ PRŮMYSLOVÝCH HAL Ladislav Klusáček3

Úvod Zesilování betonových a zděných konstrukcí inženýrských staveb (mosty, rámy, haly) a zděných konstrukcí (zděné budovy občanské výstavby, radnice, kostely, věže, zámky) se opírá o některé shodné teoretické a konstrukční přístupy. Příspěvek se zaměří na jejich obecné představení a ukáže nejčastější způsoby použití.

Zesilování převážně ohýbaných železobetonových konstrukcí Převážně ohýbanými železobetonovými konstrukcemi jsou v mostním stavitelství trámové a deskové mosty, někdy zahrnované obecně do mostů rámových. V inženýrských stavbách to mohou být nosné monolitické rámy, monolitické i montované skelety, vodorovné nosné prvky průmyslových hal. U těchto typů konstrukcí převládá z dvojice M, N především ohybový moment, velikost normálové síly je malá, většinou zanedbatelná. Původní konstrukce byly dimenzovány buď podle klasické teorie (mosty), nebo již podle mezních stavů. Při působení vnitřních sil, zejména tedy ohybovém momentovém namáhání, se předpokládá průřez porušený trhlinami a vnějšímu momentu vzdoruje průřez dvojicí sil danou tahovou sílou ve výztuži a tlakovou sílou v tlačené části betonu. Předpínání při zesilování je pak charakterizováno těmito základními vlivy a postupy: 1. Při následném předepnutí takto působících průřezů postačuje dosahovat poměrně malého stupně předpětí (podle Bachmanna) k = 0,15 až 0,25. Oproti plně předpjatému betonu (k = 1,0) se tedy dosáhne konstrukce blížící se spíše železobetonu, než plně předpjatému betonu. Všechny negativní vlivy spojené s působením plného předpětí na beton (ztráty smršťováním betonu, dotvarováním betonu) se projevují, buď zanedbatelně, nebo ve zmírněných hodnotách. To příznivě ovlivňuje nejen počty nutných přepínacích lan, ale i složitost a pracnost návrhu vlastního zesílení. 2. Trhliny v ohýbaném železobetonu dosahují běžně šířek do 0,4 mm; výjimečně dosáhnou po předchozím přetížení šířek na okraji průřezu kolem 1 mm. Již před lety bylo na pokusných částečně předpjatých nosnících ukázáno, že trhliny otevřené při maximálním zatížení do cca 0,5 mm se po odeznění zatížení běžně zavírají (působící přepínací silou) bez negativních projevů (drcení betonu v okolí trhliny apod.). Při stupních předpětí podle 2.1 se neutrální osa průřezu posouvá jen málo, rozhodně původní průřezy nepřecházejí v plně předepnuté. Tomu odpovídá uzavírání trhlin kolem středu průřezu, které mají zpravidla šířky do 0,5 mm a tedy přebírání tlakové síly od předpětí průřezem již dříve porušeným trhlinkami je možné bez problémů. 3

Ladislav Klusáček, doc., Ing., CSc., Ústav betonových a zděných konstrukcí FAST VUT, Veveří 95, 602 00 Brno, www.fce.vutbr.cz, Tel.: +420 541 147 854, Email: klusacek.l@fce.vutbr.cz

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE Při návrhu zesílení předpětím se s výhodou používá především metoda vyrovnání zatížení, známá z návrhu nových předpjatých mostních konstrukcí jako LBM (Load Balance Method). Jde o takový návrh především přidané soustavy radiálních sil vyvolaných přepínacími silami, jejichž momentový účinek bude přibližně afinní k momentům způsobeným vlastní tíhou konstrukce. Přitom lze s výhodou využívat přímé i zakřivené dráhy předpětí (viz bod 2.4). Smyslem je uvolnění dimenzačního momentu původního průřezu od významné části vlastní tíhy; tím se zvětšuje jeho část využitelná pro přenos nahodilých zatížení. Zvětšení pak je velmi efektivní, běžně lze např. navrhovat 200 až 300% zesílení zatížitelnosti mostních konstrukcí. Přepínací soustava se realizuje jedno nebo vícelanovými (většinou třílanovými) kabely, jež je možné umístit vně průřezu nebo i dovnitř stávajících průřezů. Při zesilování spojitými kabely se významně redukují také působící posouvající síly od vlastní tíhy, což je mnohdy stejně významné, jako redukce momentů. 4. Při umístění přepínací soustavy uvnitř průřezu se u některých vhodných typů konstrukcí s výhodou využívá metody náhradních kabelových kanálků. Jde o náhradní kabelové kanálky zhotovené v původní železobetonové konstrukci většinou diamantovým vrtáním s výplachem, někdy i vrtáním příklepovým. Tuto metodu je možné použít zejména u deskových mostů, dále pak u trámových mostů středních rozpětí a u zábradelních mostů, kde jsou mezery mezi původní výztuží běžně kolem 50 až 60 mm. V jiných, méně vhodných případech, je nutné staticky započítat vliv oslabení původní konstrukce přerušením výztuže, případně umístit přepínací soustavu mimo původní železobetonové průřezy, ovšem za cenu konstrukčních komplikací. 5. Zesílená, původně převážně ohýbaná, konstrukce je zesílena především tím, že se účinky vlastní tíhy konstrukce zmenšují vhodně navrženou přepínací soustavou. Výsledný efekt zesílení se tedy neprojevuje dominantně vyšší únosností průřezů, ať už se posuzují podle klasické teorie (mosty), nebo podle mezních stavů (inženýrské konstrukce), i když jistý efekt zvýšení únosnosti samotného zesíleného železobetonového průřezu se také projeví. Jde zde o posun neutrální osy původně čistě ohýbaného průřezu, který se projeví zvětšením tlačené oblasti betonu průřezu, neboť ten se stává po částečném předepnutí mimostředně tlačeným. Zde lze také hovořit i o teoretickém ztužení zesíleného průřezu konstrukce vzhledem k tomu, že se zvětšují ideální momenty setrvačnosti a tím celková tuhost průřezu. Při reálně používaných stupních předpětí podle 2.1 je ale tento efekt ztužení malý a prakticky se na zesílených konstrukcích neprojevuje. 6. Pro zajištění dlouhodobé spolehlivosti se používá výhradně přepínací výztuž ve formě přepínacích lan obalovaných již ve výrobě PE nebo PP trubkami spolu s vyplněním všech konstrukčních mezírek mezi lanem a obalem pasivační antikorozní hmotou (monostrandy Ls 15,2; Ls 15,5; Ls 15,7 mm NPE). Systémy antikorozních ochran jsou předmětem patentové ochrany jednotlivých konkrétních výrobců. Takto vytvořená primární ochrana 3.

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE přepínací výztuže proti korozi se doplňuje zásadně sekundární ochranou, kterou tvoří dodatečně provedené betonové krytí, nebo injektáž náhradních kabelových kanálků spolu s betonem nosníků, ve kterých jsou vytvořeny. V letech 1990 až 2000 se používaly kotevní systémy jednolanová objímka + roznášecí ocelová deska bez dodržení primární ochrany, dnes je běžné hlavně u mostů používání zapouzdřených kotevních systémů a přepínací lano použité k zesílení je plně antikorozně a mechanicky chráněno v celém rozsahu své délky.

Zesilování svislých železobetonových sloupů Svislé železobetonové sloupy se uplatňují mimo jiné v systémech monolitických nebo montovaných jednopodlažních průmyslových hal. Při změnách technologie se často i zde vyskytuje požadavek na zvýšení jejich únosnosti, hlavně pro přenos zvětšeného zatížení únosnějšími portálovými jeřáby. Tyto konstrukce přenášejí kromě svislých účinků i vodorovné síly, a ty většinou převládají a jsou pro dimenzování sloupů rozhodující. Z dvojice sil M, N působících ve vetknutí sloupů do základové konstrukce se tedy uplatňuje hlavně ohybový moment, zatím co ve svislé únosnosti je většinou rezerva. A právě z toho se vychází při zesilování těchto sloupů dodatečným svislým předpětím: působící dvojice sil M d, Nd se v součtu se svislou centricky působící přepínací silou posunuje do vyhovující oblasti interakčního diagramu průřezu sloupu.

Zesilování krátkých konzol jeřábových drah Krátké konzoly železobetonových sloupů jeřábových drah jsou konstrukce namáhané ohybovým momentem a posouvající sílou Md a Vd. Při zvýšených hmotnostech jeřábů roste významně posouvající síla, ohybové momenty se tolik nezvětšují díky modernějším pohonům. Zesilování krátkých konzol dodatečným předpětím vnáší do konstrukce další sílu – přepínací sílu Np. V samotném betonu konzoly nastává složitější stav napjatosti, při kterém roste únosnost betonu vlivem dvojosé napjatosti. To lze vyjádřit např. podle teorie pružnosti, avšak v současnosti se návrh dodatečného předpětí provádí pomocí stěnových modelů MKP. Základní myšlenkou návrhu je převedení hlavních tahových napětí vlivem vhodně přiloženého předpětí na napětí tlaková. Beton potom nemůže být porušován trhlinami a únosnost konstrukce se výrazně zvyšuje. Návrh je vhodné kontrolovat metodou vzpěra – táhlo. Vhodným použitím metody náhradních kabelových kanálků podle 2.4 je možné vlastní konstrukční provedení realizovat zcela jednoduše; přepínací kabely jsou po celé své dráze chráněny betonem původní konzoly, na čelních plochách sloupů a konzol se nacházejí pouze zapouzdřené kotvy. Předpínáním bez pokluzu nebo eliminací pokluzu se ztráty předpětí udržují v přijatelných mezích. Navíc lze měřením deformace betonu prokázat nejenom efekt vlastního předepnutí, ale i míru jeho odčerpání při zatížení a tedy i bezpečnost zesilovacího opatření.

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

Závěr Při praktickém návrhu a realizaci zesílení konstrukcí předpětím je možné aplikovat poměrně široký rejstřík možností, jež byly v příspěvku představeny. Tím není problematika zcela vyčerpána a jednotlivé přístupy je možné kombinovat podle konstrukčních odlišností konkrétně zesilované konstrukce. Důraz byl kladen na představení základních přístupů k zesilování předpětím. Jde o aktivní sanační zásah, kterým se záměrně přerozděluje namáhání v zesilované konstrukci tak, aby se v konečném důsledku lépe využilo příznivých vlastností betonu či zdiva, nebo aby se staticky vhodně upravila soustava sil působících na konstrukci.

Literatura [1] [2] [3] [4]

Bažant, Z., Klusáček, L.: Statika při rekonstrukcích objektů. skriptum FAST VUT v Brně, CERM, Brno, poslední vydání 2012 Chalabala, J., Klusáček, L., Pěnčík, J., Solařík, M.: Beton TSK 5/2002 Zvýšení únosnosti jeřábových drah u železobetonových montovaných konstrukcí Český užitný vzor: Zesílený nosník – číslo dokumentu 14466, PEEM Klusáček, L., Oprava mostu přes Bečvu ve Vsetíně – část zesílení železobetonové spojité desky o dvou polích l = 2 x 22 m na zatěžovací třídu A. Projektová dokumentace 2001. Realizace 2001 až 2002.

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

VZNIK A NÁSLEDKY HAVÁRIÍ A STATICKÉ PORUCHY STAVEBNÍCH KONSTRUKCÍ Zdeněk Bažant4

Úvod Příspěvek se zabývá poruchami staveb a jejich následky. Při zpracovávání znaleckých posudků, či dobrozdání a posudků ÚBZK FAST VUT v Brně, či ve spolupráci se znaleckými ústavy a na žádosti soudů, je možné se setkat s celou řadou různých poruch stavebních konstrukcí, které vyžadují buď rozsáhlou a nákladnou opravu, nebo i celkové odstranění stavby. Součástí tohoto textu je prezentace různých havárií, uvedeny jsou i závěry posudků. Podklady pro citované havárie a následné poruchy staveb byly získány vždy na místě samém, obvykle těsně po události. Každá z uvedených lokalit a staveb byla pečlivě prohlédnuta, fotograficky a písemně dokumentována, často s použitím geodetického zaměření. Vyhodnocení materiálů bylo zajištěno ve spolupráci s ÚSZ FAST VUT v Brně (doc. Schmid, Ing. Cikrle, Ing. Anton) problémy inženýrské geologie byly řešeny ve spolupráci s ÚGT FAST VUT v Brně (doc. Paseka).

Nárazy vozidel Nárazy vozidel do stavby mají obvykle velké následky ve smyslu poškození objektu. Byly uvedeny dva příklady: a) Vstupní objekt do průmyslové zóny podniku byl poškozen nárazem nákladního vozidla do překladu nad vjezdem. Úder poškodil jak beton, tak i přetrhal taženou výztuž překladu a navíc poškodil i subtilní kazetové desky překrytí vjezdu [3]. Výsledkem bylo doporučení celkové demolice průvlaků a střechy. Je třeba upozornit, že kazetové střešní desky již obecně nebývají v dobrém stavu a je lépe je při jakékoliv úpravě stavby vyměnit. b) Náraz nákladního vozidla do rohu rodinného domu zničil štítovou stěnu stavby, postavenou z plynosilikátových tvárnic [3], přerušil věnec a v přilehlém zdivu z vepřovic vyvolal trhliny. Poškozeny byly i instalace a zčásti zdeformován i krov. V některých částech stavby byly použity nepálené cihly (vepřovice) [1]. O nepálených hliněných cihlách (vepřovicích) je známo, že pokud zvlhnou výrazně se sníží jejich pevnostní a izolační parametry. Je tedy třeba se proti účinkům vlhkosti bránit vhodnou izolací a zabráněním promočení zdiva – např. srážkovou vodou z porušených žlabů a svodů. V dostupné odborné literatuře (např. [2]) je uváděna obvyklá pevnost v tlaku nepálených hliněných cihel 0,6 až 2,5 MPa a objemová

Zdeněk Bažant, doc., Ing., CSc., Ústav betonových a zděných konstrukcí FAST VUT, Veveří 95, 602 00 Brno, www.fce.vutbr.cz, Tel.: +420 541 147 862, Email: bazant.z@fce.vutbr.cz

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE hmotnost 1500 až 1850 kgm-3. Z hlediska pevnosti lze hodnotit zabudovaná kusová staviva v místech s rovnovážnou vlhkostí materiálu za kvalitní. Bylo nutné znovu vystavit objekt až po vstup do domu. Náklady na opravu byly značné.

Narušení stability terénu Odtěžením paty svahu bývalého zasypaného hliniště mělo být získáno místo pro nový objekt [4]. Na jeho místě stála dříve zchátralá stavba, která byla nejprve zbourána. Po jejím odstranění byl postaven nový objekt. V krátké době, ještě během dokončovacích prací na této stavbě, došlo k narušení stability svahu a k odtržení mohutné svahové vrstvy s následnými velkými škodami: a) V koruně svahu vznikly mohutné odtrhy, které ohrožovaly nové rodinné domy, zde stojící. Terén výrazně poklesl (cca 3,0 m v délce cca 100,0 m), poškozen byl plot a zahrada. b) Pohyb svahu vyvolal v patě svahu a po svahu další výrazné změny reliéfu terénu. c) V patě svahu byl zcela zničen nasouvající se zeminou nově stavěný objekt, opěrné zídky na svahu se zdeformovaly a stropy blízkých garáží byly přetíženy masou hlíny. Zajištění svahu bylo provedeno nákladnou železobetonovou kotvenou stěnou podle zvláštního projektu.

Výbuchy plynu Výbuchy plynu mají vždy devastující účinky na stavby: a) V rekreační oblasti vyvolala nepovolaná osoba záměrný výbuch novostavby objektu malé restaurace, aby zahladila stopy vloupání. Došlo k totální škodě stavby a k následnému požáru. Stavbu bylo doporučeno odstranit. b) V menším městě byl v obytném domě úmyslně vyvolán výbuch plynu a následný požár se ztrátou lidských životů. Jednalo se o montovaný, nepříliš tuhý objekt. Následky havárie se projevily i ve vedlejších přilehlých stavbách. Objekt byl odstraněn, zbylé stavby staženy podélnými a příčnými předpínacími lany. Provedení předpětí nebylo optimální. c) V obytné lokalitě s řadou obytných zděných domů se bezdomovec vloudil do prázdného bytu v nejvyšším podlaží a zřejmě záměrně pustil plyn a odešel. Následný výbuch zničil byt a zdemoloval celý dům. Bylo nutné vyklidit dům a části přilehlého vedlejšího domu (tj. místnosti, přilehlé k oblasti detonace). Dům nebylo nutné odstranit, byla zajištěna pouze nákladná oprava. Také vedlejší dům bylo nutné opravit.

Požár Oheň je také zdrojem závažných poruch. Oprava konstrukcí vystavených ohni je možná pouze po pečlivé prohlídce a po ověření kvality betonu. Betonový jádrový

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE vývrt a vzorky oceli, odebrané z kritických míst, by měly být vždy po požáru zkoušeny v laboratoři na pružnost a pevnost. U železobetonových a předpjatých betonových konstrukcích je ochrana výztuže před ohněm do jisté míry zajištěna jejím uložením v betonu (krytím). Tato krycí vrstva je významná především pro zpomalení účinku ohně – čím hlouběji je výztuž uložena v betonu, tím později se dosáhne kritické teploty u oceli, která se udává pro měkkou výztuž hodnotou cca 500o – 600o C. Snížení pevnosti betonu není v případě požáru podstatné ve srovnání se snížením pevnosti oceli. Proto ocel může být považována za nepoškozenou pouze tehdy, jestliže teploty během ohně zůstaly mírné a nepřestoupily zmíněnou kritickou mez. V tomto případě může být oprava omezena pouze na beton. Může např. zahrnovat odstranění ohněm poškozené vnější vrstvy betonu a torkretování konstrukce tak, aby bylo dosaženo původního rozměru prvku. K nechráněné oceli je třeba poznamenat, že s rostoucí teplotou klesá zejména její mez kluzu a modul pružnosti – obvyklou hranicí je teplota cca 300o C. Navíc u staticky neurčitých konstrukcí vznikají v konstrukční soustavě přídavné silové účinky, které mohou vést k dalšímu výraznému snížení únosnosti. Podrobněji se účinky požáru rozebírají v [1]. Požár průmyslového staršího dřevěného objektu vznikl zřejmě od vadného elektrického spotřebiče. Objekt byl totálně zničen, zejména bylo nevratně poškozeno drahé strojní vybavení. Byla doporučena totální destrukce objektu.

Účinky kořenů stromů Problematický je i vliv okolní vegetace na stavebně-statický stav objektu [5]. Stále je možné se setkat s názory, že stromy poblíž stavby nemají na její stav zásadní vliv. Vždy ovšem platí, že vysušování základové půdy od kořenů stromů (transpirace) musí být posuzováno individuálně, neboť jeho dosah bývá obvykle velký (většinou se předpokládá ve velikosti půdorysu koruny stromu). Studie účinku stromů na stavby ukazují, že kořeny stromů jsou opatřeny čidly, která směřují část kořenů tam, kde je v podloží vlhčí nebo zvodnatělá půda; přitom pod objekty je zpravidla vlhkost zemin o 4 – 5% vyšší než v sousedství. Kořeny stromů se pak orientují pod stavbu, vyvozují v přijímané vodě podtlak a způsobují horizontální tahová napětí v zemině, která mohou vyvolat vodorovné posuny a tedy i poruchy základů. V poslední době je stále častěji možné se při stavebně-geologických průzkumech setkávat s těžce poškozenými menšími stavebními objekty (např. rodinnými domy) i většími stavbami (objekty občanské vybavenosti, zámky, kostely apod.). Tato poškození se projevují často mohutnými trhlinami svislými nebo šikmými, vycházejícími z podzákladí a od základu stavby a poklesy základů a nadzákladového zdiva. Jejich stavebně-statické následky bývají obvykle velmi vážné, v mnoha případech je třeba zajišťovat nákladné statické zajištění, v některých případech bylo nutno stavbu zčásti nebo i celou odstranit. Z neznalosti jsou tyto poruchy často přisuzovány špatně provedené stavbě, nedostatečnosti základů apod. V mnoha případech jde však o přímý vliv kořenových systémů blízkých stromů a keřů, které odebíráním vody z jílovitého podloží

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE nepříznivě ovlivňují tuhost stavby – dochází ke smršťování zemin a k potrhání stavby v důsledku nerovnoměrného sedání. Problémy s vegetací nastávají zejména u stavebních pozemků, kde se v podzákladí vyskytují nebo mohou vyskytovat jílovité zeminy. Jílovité zeminy jsou takové, u nichž převážná část zrn je menší než 0,002 mm. Kromě rozměru zrna se zde však výrazně uplatňuje i mineralogické složení. Tím je dána podstatná vlastnost jílů – jíly při stejném zrnitostním složení a stejné vlhkosti se mohou chovat odlišně. Jak je všeobecně známo, jíly jsou zeminy objemově nestálé a smršťují se. Smršťování zemin je zmenšování jejich objemu při snižování vlhkosti za normálních podmínek (teploty a tlaku) a je vysvětlováno existencí podtlaku v pórové vodě. Tento podtlak může vzniknout působením řady faktorů (např. vysycháním, sáním kořenů vegetace apod.). Fyzikální a mechanické vlastnosti jílovitých zemin jsou výrazně závislé od vlhkosti. Nejsou tedy stálé, nýbrž proměnné a jejich proměnlivost lze orientačně posoudit z vodního režimu půdy, stanoveného na základě vodní bilance. V této souvislosti je třeba poznamenat, že blízké stromy působí na stavby velmi nepříznivě. Zejména nebezpečný je vliv listnatých stromů, jehličnany ovlivňují podzákladí méně, i když jejich nepříznivý vliv nelze podceňovat. Vzrostlé listnaté stromy i keře potřebují značné množství vody k regulaci teploty listů ve vegetačním období (od druhé poloviny dubna do konce října). V tomto období odebírají kořeny stromů z půdy podzemní vodu z plošné oblasti, hloubky a v množství odpovídající druhu stromu, místním podmínkám a dlouhodobým klimatizačním poměrům. Transpirace stromů způsobuje podstatně intenzivnější vysychání zeminy, zejména v klimaticky suchých obdobích, v nichž stromy zápasí o přežití a svými kořeny odsávají vodu z větších vzdáleností a hloubek. V důsledku nerovnoměrných změn vlhkostí dochází též k nerovnoměrnému smršťování jílů, které ve vodorovných směrech působí potrhání jílů s charakteristickými svislými plochami trhlin, ve svislém směru pak poklesy myšlených horizontálních rovin. Tyto poklesy jsou největší u stromu a se zvětšující se vzdáleností od stromů se zmenšují, až konečně vymizí. Nachází-li se stavební objekt přímo v oblasti vznikající poklesové kotliny dochází k poklesu a případně k rozevření základové spáry s následným porušením budovy. Pokud se rozsah poklesové kotliny dále zvětšuje, dochází ke stavu, že se konstrukce ve staticky nejslabším místě roztrhne průběžnou svislou trhlinou ve stěnách i stropech, která umožňuje naklánění celé utržené části objektu. Může vzniknout i více průběžných trhlin. Vytváření šikmých trhlin se vznikem os otáčení je patrné i na betonových podlahách sklepů, které vykazují více rovnoběžných trhlin, vzniklých zlomením podlahy na vypuklé ploše poklesové kotliny. Poklesová kotlina způsobená vysycháním a smršťováním jílů vlivem transpirace stromů, může nabývat značného rozsahu. V důsledku toho jsou poškozovány stavební objekty i na větších vzdálenostech od stromů. Krátkodobá suchá období však mají na vznik poruch poměrně malý vliv, pokud dlouhodobé srážkové poměry jsou normální.

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE Vysychání jílovitých zemin vykazuje též známky na terénu, např. poklesem povrchu (patrném u stěn budov), rozpraskáním a roztrháním zeminy z povrchu až do větších hloubek. Nepropustné úpravy povrchu terénu znemožňují průsak srážkových vod do půdy a mohou být jedním ze zhoršujících vlivů podmínek pro vznik poruch. U jemnozrnných zemin tříd F7 a F8 se doporučuje nejmenší hloubka založení 1,6 m pod upraveným povrchem území. K vysychání základové půdy způsobenému vegetací (především sáním kořenů stromů) lze poznamenat, že je třeba ho řešit individuálně. Uvedená hloubka základové spáry (1,6 m) může vyvolat nespokojenost investora s růstem nákladů na základové konstrukce. Přitom je navíc vhodné základy opatřit věncovou výztuží a tak se vyvarovat možnosti většího porušení. Je pochopitelně možné řešit založení i jinak, např. použitím základové desky nebo založit stavbu hlubině. Přitom je u zemin s vysokou plasticitou (wL ≥ 70%) třeba dokonce volit hloubku založení minimálně 2,0 m pod terénem. Tato hloubka založení se však týká jen případů vysušování půdy přímým výparem (evaporací). Případy vysušování od kořenů (transpirace) musí být posuzovány podle situace na místě samém, neboť u nich hloubkový dosah vysoušení bývá mnohem větší. Z uvedeného plyne požadavek, aby listnaté stromy nebyly vysazovány blíž k budovám než je 2,5 násobek jejich budoucí výšky, u jehličnatých stromů je tato vzdálenost asi jednonásobek jejich budoucí výšky. Pochopitelně, toto konstatování je závažné pro vnější vzhled pozemků a staveb na nich stojících, neboť vegetace prostor esteticky výrazně ovlivňuje. Vysazovat stromy blíž než je doporučené, se záměrem, že bezprostředně kolem objektů bude udržována vlhká zemina kropením nebo jiným zavodňováním, je nebezpečné. Vlhčí základová půda k sobě přitáhne kořeny stromů a ty pak v době, kdy nebude okolí zavlažováno, snadno proniknou pod budovu. Jsou však nebezpečí, která hrozí takto porušeným domům a jejím uživatelům. Velmi vážný problém představují různá instalační vedení, která v důsledku zvětšování rozevření trhlin se natahují a mohou se roztrhnout. Poruchy na kanalizačních a vodovodních instalacích mohou být velmi nepříjemné; nicméně přerušení plynových potrubí a elektrorozvodů mohou mít katastrofální následky. Proto při určitém stupni porušení, nezbývá než vyloučit objekt z užívání a uzavřít či odpojit všechna instalační vedení. Při větších vodorovných posunech zdiva může také vzniknout nebezpečí zmenšení uložení stropních či schodišťových konstrukcí, vedoucí až k pádu částí stavby. Pro redukci změn v podzákladí obvykle postačí vykácet listnaté stromy. Byly uvedeny tři případy: a) Kořeny stromů těžce poškodily vnější schody – strom by odstraněn. b) Kořeny stromů se orientují vždy pod stavbu – doporučeno stromy vykácet. c) Strom, rostoucí u zdi zámku, vyvolal poruchy objektu a při kácení došlo k destrukci části stavby.

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

Vadný statický výpočet Vadný výpočet a provedení základních prvků monolitického železobetonového rozestavěného objektu (betonáž do tvarovek) způsobil, že došlo již v 1.NP. (provedena byla pouze podzemní a první nadzemní podlaží) k destrukci nosných konstrukcí. Havárie byla urychlena postupným odcizováním podpůrných konstrukcí. Dům byl odstraněn.

Literatura [1] [2] [3] [4] [4]

Bažant, Z., Klusáček, L.: Statika při rekonstrukcích. CERM Brno, 5. vydání, 08/2010, ISBN 978-80-7204-692-8 Pume, D., Čermák, F.: Průzkumy a opravy stavebních konstrukcí. Praha, Arch 1998 Rochla, M.: Stavební tabulky. SNTL Praha. 1970 Geologická mapa ČR. 1990 Paseka A., Bažant Z.: Vliv vegetace při poruchách staveb. Materiály pro stavbu, 8/2005, ISSN 1213-0311, Praha

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

100

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

101

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

102

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

103

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE

104

Školicí materiál pro seminář REKONSTRUKCE A SANACE Ing. Jan Koláček, Ph.D. a kolektiv Text neprošel odbornou ani jazykovou úpravou. Kvalita obrázků, grafů a schémat je závislá na kvalitě dodaných materiálů. Za původnost a správnost příspěvků odpovídají autoři. Vydavatel: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Veveří 331/95, 602 00 Brno Vytiskl: Ing. Vladislav Pokorný – LITERA, Tábor 43a, 612 00 Brno Náklad: 80 výtisků Vydání první Vyšlo v květnu 2014

ISBN 978-80-214-4934-3

I ng. JanKol áček, Ph. D. akol ekt i v I SBN9788021449343 Br no