Analýza drevenej veľkorozponovej konštrukcie zimného štadióna

Súčasný technický stav drevenej oblúkovej konštrukcie zimného štadióna je vzhľadom na jej statickú spoľahlivosť neuspokojivý a je nevyhnutné vykonať primerané sanačné opatrenia.

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Diagnostickú prehliadku drevenej oblúkovej nosnej konštrukcie, pasportizáciu zistených porúch, kontrolný statický výpočet nosnej konštrukcie a návrh opatrení na zabezpečenie spoľahlivosti a bezpečnosti drevenej nosnej konštrukcie zimného štadióna objednal správca štadióna z dôvodu objavených trhlín v drevených oblúkoch.

V rámci predbežnej diagnostickej prehliadky sa vykonala vizuálna kontrola a merania na vybraných a dostupných miestach konštrukcie (kontrolné merania rozmerov nosných prvkov, trhliny a vlhkosť dreva). Diagnostická prehliadka sa realizovala s cieľom posúdiť technický stav jestvujúcej konštrukcie a doplniť podklady na účely následnej statickej analýzy.

Kontrolný statický prepočet nosnej konštrukcie zimného štadióna sa vykonal podľa súboru noriem STN platných v čase realizácie konštrukcie. Statická analýza konštrukcie bola zameraná na overenie dimenzie prierezu nosného oblúka so zohľadnením trhlín.

Opis konštrukcie

Nosnú konštrukciu zimného štadióna tvorí sústava deviatich trojkĺbových oblúkov z lepeného lamelového dreva. Oblúky sú kĺbovo pripojené na základové konštrukcie.

Rozpätie oblúka je 80 m, vzopätie oblúka je 16 m, osová vzdialenosť oblúkov je 6 m, polomer oblúka v osi je 58 m. Prierez oblúka má rozmery 200 × 1 900 mm. Oblúky sú spojené väznicami s prierezom 140 × 500 mm v osových vzdialenostiach 4,075 m a výstužnými rebrami 140 × 900 mm v osových vzdialenostiach 12,225 m (obr. 1 a 3). Všetky prvky sú z lepeného lamelového dreva. Oblúky sú vystužené sústavou oceľových diagonálnych vystužovadiel s priemerom 20 mm a výstužnými rebrami.

Kĺbový prípoj oblúka a základu je realizovaný oceľovou čelnou doskou a oceľovými zarážkami. Čelná doska je pripojená k drevenej časti prierezu oblúka svorníkmi. Väznice a výstužné prvky sú pripojené k oblúkom oceľovými papučami a svorníkmi. Štítové steny objektu sú tvorené stĺpmi z lepeného lamelového dreva a celoplošným debnením.

V roku 2012 sa vypracoval prvý statický posudok konštrukcie (autori Ing. Kohút a Ing. Mackuliak), v ktorého závere sa uvádzali opatrenia na zmiernenie rozvoja trhlín – montáž oceľových spôn po celej dĺžke oblúkov a montáž celozávitových skrutiek (16 × 800 Brutus) v podpernej oblasti.

Stiahnutím prierezu oceľovými sponami sa malo spomaliť šírenie trhlín v lepenej škáre. Spony sa namontovali a aktivovali (napnuli). Pri aktivovaní spôn sa otlačili preglejkové podložky kolmo na vlákna na veľmi malej ploche, čo malo za následok postupné uvoľnenie stiahnutia.

V roku 2019 sa vykonala prvá diagnostická prehliadka (Sandanus, Slivanský), ktorá sa zameriavala najmä na stav drevenej nosnej konštrukcie a vizuálnu kontrolu dostupných základových konštrukcií. Na základových konštrukciách sa nezistili žiadne poruchy (trhliny, deformácie a pod.).

Na oblúkoch sa identifikovali početné trhliny, a to najmä na ľavej strane konštrukcie a v oblasti od začiatku oblúkov do dĺžky približne 12 m. Trhliny sa merali z rebríka na dĺžke oblúka približne 8 m, do dĺžky približne 12 m sú trhliny ešte viditeľné.

Z revíznej lávky nie sú prierezy na meranie dostupné, preto sa meranie orientovalo najmä na miesta s najväčším počtom a dĺžkou trhlín práve v ľavej časti konštrukcie pri podperách. Trhliny sú zdokumentované, vždy sa merala uvedená hĺbka trhliny a jej približná dĺžka (vzhľadom na dostupnosť trhliny z rebríka). Podrobnejšiu prehliadku v tomto období správca nepožadoval.

Na konštrukcii sa v predchádzajúcom období nevykonávala pasportizácia trhlín, takže nebolo známe, či trhliny vznikli počas montáže konštrukcie alebo počas užívania, resp. v ktorom období vznikli. Takisto nie je známe, či vznik a rozširovanie trhlín pokračuje. Zistené trhliny vznikli medzi lamelami (delaminácia), samotné drevo v rámci jednej lamely nevykazovalo poškodenia. Vlhkosť dreva sa merala na viacerých miestach, pohybovala sa v intervale 11,2 až 12,7 %.

Kontrolný statický výpočet č.1

V roku 2019 sa vypracoval prvý kontrolný výpočet.

Zaťaženie

Zaťaženie konštrukcie a kombinácie jednotlivých zaťažovacích účinkov sa zostavili na základe STN 73 0035 (Zaťaženie stavebných konštrukcií).

Vlastná tiaž nosných prvkov sa stanovila na základe ich rozmerov a použitého materiálu. Tiaž strešných vrstiev sa uvažovala na základe poskytnutých podkladov. Súčiniteľ zaťaženia pre vlastnú tiaž konštrukcie γ_f = 1,1 a ostatné stále zaťaženia γ_f = 1,2.

Účinky zaťaženia snehom na strešnú konštrukciu sa stanovili pre II. snehovú oblasť so základnou váhou snehu s₀ = 0,70 kN/m² a súčiniteľom stanoveným na základe tiaže zastrešenia ϰ = 1,2. Účinky zaťaženia vetrom na strešnú konštrukciu sa určili pre IV. vetrovú oblasť s hodnotou základného tlaku vetra w₀ = 0,55 kN/m² pre terén typu B s výškou nad terénom 20 m (tab. 19, súčiniteľ výšky a typu terénu ϰ_w = 1,20), súčiniteľ zaťaženia γ_f = 1,3. Tvarové súčinitele C_e sa určili pre valcovú strechu podľa tab. 20 normy STN 73 0035.

Ako úžitkové zaťaženie podlahy revíznej a osvetľovacej lávky sa uvažovali rovnomerné zaťaženie s hodnotou 1,5 kN/m² prepočítané na príslušnú zaťažovaciu šírku lávky.

Statický výpočet

Vnútorné sily a deformácie konštrukcie sa vypočítali v programe SCIA Engineer metódou konečných prvkov. Pri analýze sa použil rovinný model nosného oblúka s rozpätím 80 m (osová vzdialenosť kĺbového podopretia oblúka) a vzopätím v strede rozpätia 16 m (osovo od úrovne kĺbového podopretia oblúka). Staticky oblúk pôsobí ako trojkĺbový staticky určitý oblúkový rám.

Zaťažovacie stavy a kombinácie zaťažení sa uvažovali v zmysle poskytnutých podkladov a na základe normy STN 73 0035 (Zaťaženie stavebných konštrukcií) – platnej v čase návrhu, resp. realizácie predmetnej stavebnej konštrukcie.

Vzhľadom na poruchy konštrukcie (delaminácia lamelového prierezu oblúka) sa posúdenie konštrukcie vykonalo viacerými metódami:

• na základe výsledkov lineárneho výpočtu sa konštrukcia posúdila bez vplyvu delaminácie použitím normy STN 73 1701 (Navrhovanie drevených stavebných konštrukcií) – platnej v čase návrhu, resp. realizácie predmetnej stavebnej konštrukcie;
• vzperná dĺžka oblúka v rovine sa určila na základe výsledkov stabilitného výpočtu; vzperná dĺžka oblúka z roviny je zabezpečená systémom strešných vystužovadiel, väzníc a výstužných rebier;
• na základe výsledkov geometricky nelineárneho výpočtu s počiatočnými imperfekciami. Tvar počiatočných imperfekcií sa uvažoval zmysle STN EN 1995-1-1 (Navrhovanie drevených konštrukcií) na základe 1. a 2. vlastného tvaru vybočenia oblúkovej konštrukcie v rovine (určeného z lineárneho stabilitného výpočtu), pričom amplitúda počiatočnej imperfekcie sa v zmysle STN EN 1995-1-1 vypočítala približne ±110 mm;
• napätosť konštrukcie pri výsledkoch geometricky nelineárneho výpočtu sa porovnávala s hodnotou výpočtovej pevnosti podľa normy STN 73 1701, č. 112, vzťah 33 (výpočtová pevnosť dreva v tlaku rovnobežne s vláknami);
• na základe výsledkov geometricky nelineárneho výpočtu s počiatočnými imperfekciami sa konštrukcia posúdila a) bez vplyvu delaminácie a tiež b) s vplyvom delaminácie.

Návrh opatrení – rok 2019

Vzhľadom na výsledky statického výpočtu možno konštatovať, že delaminačné trhliny výrazne ovplyvňujú bezpečnosť a spoľahlivosť konštrukcie.

Ak porovnáme využitie prierezu v pôvodnom stave bez trhlín a využitie prierezu v súčasnom stave so zohľadnením trhlín, môžeme konštatovať, že nosná konštrukcia je v súčasnom stave bez rezervy.

Z tohto dôvodu sa navrhli opatrenia, ktoré eliminujú prípadný ďalší rozvoj trhlín najmä v miestach, ktoré sa premerali a v ktorých sú trhliny najhlbšie, resp. najdlhšie. Zároveň sa majiteľovi objektu odporučilo, aby sa v čo najkratšom čase realizovala kompletná pasportizácia trhlín po celej dĺžke oblúkov.

Výsledky diagnostických prehliadok (2023, 2024) a statický výpočet (rok 2023)

Od roku 2019 do 2023 sa nerealizovali žiadne odporúčané opatrenia. V roku 2023 sa vykonala podrobná diagnostická prehliadka dvoch oblúkov, v rámci ktorej sme zdokumentovali všetky trhliny (šírku, dĺžku a hĺbku trhliny) na oblúkoch. V roku 2024 sa vykonala preventívna diagnostická prehliadka tých istých dvoch oblúkov, v rámci ktorej sa zisťoval aktuálny stav a porovnával s meraniami z roku 2023.

Posúdenie konštrukcie s vplyvom delaminácie lamelového prierezu sa vykonalo na základe údajov získaných obhliadkou konštrukcie, realizovaním merania a dodatočným spracovaním získaných údajov. Z nameraných údajov sa takto odfiltrovali povrchové a menej závažné trhliny, ktoré v súčasnosti teoreticky nepredstavujú zníženie statickej odolnosti oblúkov.

Tzv. limitná hĺbka trhliny (delaminácie) sa pre jednotlivé časti konštrukcie určila z výsledkov geometricky nelineárneho statického výpočtu na základe priebehu priečnych síl, resp. šmykových napätí na konštrukcii. Stanovili sa dve teoretické limitné hodnoty hĺbky delaminácie, keďže šmykové namáhanie v poli oblúka je podľa vypočítaných výsledkov teoreticky pomerne malé (maximálna priečna sila V_Ed = 28,8 kN) a výraznejšie hodnoty sa dosahujú až v krajných častiach oblúka pri podperách (maximálna priečna sila V_Ed = 100,4 kN).

Keďže sa neskontrolovali všetky nosníky, pri statickom posúdení sa použila extrapolácia a globalizácia výsledkov získaných pri diagnostickej prehliadke oblúkov č. 4 a 6. Pre jednotlivé úseky sa na základe limitných hĺbok trhlín (pozri predchádzajúci text) stanovili staticky významné trhliny, pričom takéto idealizované rozloženie trhlín sa uvažovalo v celej dĺžke úseku (približne 4 m).

Ak sa vykonali merania vo viacerých rezoch v posudzovanom úseku, uvažovalo sa meranie s najnepriaznivejším rozložením trhlín. Každý úsek sa teoreticky posudzoval ako samostatná časť konštrukcie, preto sa pre výsledné hodnotenie technického stavu a statickej odolnosti oblúkov pre jednotlivé úseky uvažovali nepriaznivejšie výsledky získané z merania na obidvoch oblúkoch.

Záver

Vzhľadom na porovnanie výsledkov meraní je možné konštatovať, že od roku 2019 sa na konštrukcii oblúkov vyskytujú nové trhliny s rôznou hĺbkou a dĺžkou, a v rôznej polohe v rámci výšky nosníka. Okrem (momentálne staticky) nevýznamných trhlín s hĺbkou približne 20 až 70 mm, boli detegované aj nové totálne trhliny (v nosníkoch č. 5 a 6) a nové staticky významné trhliny s hĺbkou 100 až 120 mm (v nosníkoch č. 5 a 6).

Rozšírením jestvujúcich a/alebo vznikom nových trhlín sa významne ovplyvnila (znížila) statická spoľahlivosť a bezpečnosť nosných oblúkov a tiež životnosť konštrukcie. Na sústave nosných oblúkov sa celkovo nachádzajú poruchy, ktoré podľa závažnosti možno klasifikovať do stupňa poškodenia 0 až 3, pričom stupeň poškodenia 3 je porucha, ktorá lokálne ovplyvňuje spoľahlivosť a bezpečnosť konštrukcie.

Treba poznamenať, že v závere Statického posúdenia č.19013 vypracovaného v roku 2019 sa navrhovali viaceré sanačné opatrenia zlepšujúce technický stav oblúkov a konštrukcie ako celku, pričom ani jedno z odporúčaných opatrení sa doteraz nerealizovalo.

Na základe výsledkov statického výpočtu (z roku 2019) a vykonaných meraní v roku 2019 a 2023 (rozšírený počet trhlín na sledovaných oblúkových nosníkoch) je súčasný technický stav konštrukcie vzhľadom na jej statickú spoľahlivosť neuspokojivý a je nevyhnutné vykonať primerané sanačné opatrenia.

Sanačné opatrenia sa mali realizovať v roku 2024. Správca sa rozhodol presunúť sanačné opatrenia až do ďalších rokov. Preto sa na konci roka 2024 vykonala preventívna diagnostická prehliadka, počas ktorej sa nezaznamenal významný nárast hĺbky alebo rozsahu trhlín.

Tento príspevok podporila Vedecká grantová agentúra Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky a Slovenskej akadémie vied – grant VEGA 1/06377/25.

TEXT: prof. Ing. Jaroslav Sandanus, PhD., Ing. Miloš Slivanský, PhD., Ing. Roman Hedra, Ing. Michal Kázsmér, Ing. Tomáš Klas, PhD., Stavebná fakulta, STU v Bratislave
RECENZOVAL: doc. Ing. Kristián Sógel, PhD.
OBRÁZKY: archív autorov

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály 6/2025