Sanácia železobetónového skeletu

V rámci rekonštrukcie a dostavby areálu vysokej školy v Olomouci sa zistili nedostatočné pevnosti betónu nosnej konštrukcie budovy. Výstavba prebiehala v 50. rokoch minulého storočia. Na základe podrobného stavebného prieskumu sa navrhli tri varianty statického zabezpečenia.

Návrh zahŕňal oceľovú bandáž doplnenú vonkajším predpätím, oceľovú bandáž doplnenú tuhou oceľovou výstužou alebo prídavnú železobetónovú konštrukciu zo striekaného betónu. Tieto varianty sa porovnávali z technického aj ekonomického hľadiska a nakoniec sa zvolil variant oceľovej bandáže doplnený vonkajším predpätím väčšiny prievlakov.

Výstavba budov v areáli vysokej školy prebehla v rokoch 1955 až 1960. Architektonický návrh pochádza z ateliéru Jiřího Krohu, ktorý v rokoch 1950 až 1952 spolupracoval s ateliérom Václava Roštlapila (obr. 1). Areál pozostáva z komplexu budov, pričom jednotlivé objekty sú oddelené dilatačnými škárami. Riešenú časť tvorí železobetónový skelet – stĺpy a prievlaky prechádzajúce obojsmerne v rastri, ktorý tvoria stĺpy a dosky uložené na prievlakoch. Konštrukcia je pomerne rozsiahla a členitá (obr. 1 až 3). Založenie sa realizovalo na železobetónových pätkách a pásoch na rozličných výškových úrovniach.

Obr. 1  Priečelie budovy, foyer

Obr. 2  Stav stĺpa a prievlaku po odstránení omietky a nesúdržných častí a nanesenie antikoróznej ochrany výstuže a) nepresne uložená výstuž stĺpa, b) pôvodný stav stĺpa, c) poruchy prievlaku
Obr. 3  Výpočtový model nosnej konštrukcie budovy, prútové prvky riešeného poschodia

Budova má štyri nadzemné podlažia. Na 1. NP a zníženom 1. NP sa nachádzajú technické zázemie, dielne, sklady a pod. Na 2. NP na úrovni hlavného vstupu do budovy sú situované foyer, šatne, oddychová zóna a stupňovitá veľká aula na výšku dvoch pod­laží so zázemím. Na 3. NP je balkón foyeru a dve malé posluchárne, v prednej časti budo­vy sú potom učebne a kancelárie. Na 4. NP sú podkrovný priestor a strojovňa výťahu. Strešnú konštrukciu nad foyerom tvorí drevený krov a nad malými posluchárňami a aulou sa nachádzajú oceľové väzníky. Ich spodné pásnice nesú stropnú konštrukciu – dosky Hurdis uložené do oceľových nosníkov. Nad otvoreným priestorom foyer sa nachádza kupola so svetlíkom, ktorú nesú šikmé betónové nosníky s ťahadlami.

Stavebný prieskum
V rokoch 1996 až 2011 sa v budove realizovalo niekoľko čiastkových kontrol stavu konštrukcie, pri ktorých sa zistila nízka pevnosť betónu nosných konštrukcií (C 4/5, C 8/10 a pod.).

V súvislosti s plánovanou rekonštrukciou 1. NP a ďalším rozširovaním areálu sa podľa požiadaviek klienta vykonal podrobný stavebný prieskum časti nosnej železobetóno­vej konštrukcie. Išlo o stĺpy na 1. NP (násled­ne čiastočne aj na 2., 3. a 4. NP) a stropnú konštrukciu nad 1. NP. Pevnosť betónu sa zisťovala jadrovými vývrtmi s priemerom 100 mm zo stĺpov, s priemerom 75 mm z prievlakov a s priemerom 50 mm zo stropnej dosky. Pevnosť betónu stĺpov zistená prieskumom sa pohybovala v rozpätí tried betónu C 3/3,5 až C 9/12,5, pevnosť prievlakov C 6/7,5 až C 9/12,5 a pevnosť stropných dosiek C 12/15. Podľa pôvodnej výkresovej dokumentácie sa navrhovala trieda betónu B 170 (C 10/13,5). Z dôvodu značného rozptylu zistených pevností v rámci skúmanej časti konštrukcie sa pri statickom prepočte a posudzovaní prvkov pevnosti betónu uvažovali v jednotlivých častiach konštrukcie rozličné pevnosti.

Výstuž sa použila hladká, podľa projektu oceľ 10370. Návrhová pevnosť tejto ocele je podľa ČSN ISO 1382: 2005 (Zásady navrhování konstrukcí. Hodnocení existujících konstrukcí) 180 MPa. Výkresová dokumentácia statickej časti sa nezachovala v kompletnej podobe. Množstvo výstuže a jej umiestnenie na vybraných stĺpoch a prievlakoch sa overovalo a viac-menej zodpovedá projektovej dokumentácii (s odchýlkou približne ±20 %).

V nosnej konštrukcii sa vizuálnou kontrolou nezistili závažné statické poruchy (deformácie alebo trhliny). Postupné odstraňovanie omietok však viedlo k odhaleniu porúch, vlasových trhlín a nedostatkov v kva­lite použitého betónu, resp. k odhaleniu nepresného uloženia výstuže a nešetrných zásahov do nosnej konštrukcie (obr. 2).

Návrh sanácie
Z výsledkov prieskumu vyplýva, že v prípade stĺpov, ako aj prievlakov v rámci riešené­ho 1. NP (a niektorých stĺpov 2. NP) má betón veľmi nízku pevnosť v tlaku (trieda betónu od C 3/3,5 do C 9/12,5), o ktorej sa v EN 1992 ani neuvažuje (najnižšia trieda betónu  sa uvádza C 12/15). Ak by sa aj uvažovali také nízke hodnoty pevnosti betónu, množstvo stĺpov nespĺňa požiadavky ČSN EN 1922-1-1 Eurokód 2: 2006 (Navrhování betonových konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby) na medzný stav únosnosti. Preto sa v prípade všetkých stĺpov a prievlakov na úrovni 1. NP navrhla oceľová bandáž.

V riešenej časti budovy je navrhnuté množstvo výstuže prievlakov v oblastiach záporných momentov na mnohých mies­tach nedostatočné. Výstuž v niektorých poliach nie je schopná prevziať zväčšené momenty po redistribúcii vnútorných síl, a to aj v prípade, že sa uvažuje redukcia momentov do líca stĺpov. Preto sa aj vodorovné prievlaky museli zosilniť.

Navrhli sa tri možné varianty sanácie riešenej časti skeletu:

• variant A – oceľová bandáž stĺpov, oceľová bandáž prievlakov a zosilnenie prievlakov oceľovými profilmi uloženými na bandáži stĺpov;
• variant B – oceľová bandáž stĺpov, oceľová bandáž prievlakov a zosilnenie prievlakov externým predpätím pomocou lán typu monostrand;
• variant C – prídavná železobetónová konštrukcia zo striekaného betónu.

Pri všetkých navrhnutých variantoch sa na základe predbežného statického posúdenia určilo množstvo spotrebovaného materiálu a zohľadnila sa prácnosť. Výsledný súhrn cien a celkového priťaženia základovej konštrukcie jednotlivých variantov zosilnenia je uvedený v tabuľke.

Na základe ekonomických, statických a technických aspektov (čo najmenšie ďalšie priťaženie konštrukcie) sa zvolil variant s použitím oceľovej bandáže s dodatočným externým predpätím väčšiny prvkov. V prípade niektorých prievlakov sa navrhli podperné oceľové nosníky, resp. v prípade masívnych a málo zaťažených prievlakov sa počíta iba s bandážou. Na podrobné statické posúdenie sa vytvoril priestorový výpočtový model nosnej konštrukcie budovy a riešil sa metódou konečných prvkov (MKP) (obr. 3).

Pevnosť betónu dosky je dostatočná (C 12/15). Pri overovaní únosnosti sa však zistilo, že dosky s rozpätím 3,15 × 5,95 m sú nedostatočne vystužené (v obidvoch smeroch ∅ 10 po 200 mm), preto sa navrhlo podopretie nevyhovujúcich dosiek oceľovými profilmi. Ostatné dosky, prevažne v tvare štvorca (s rozmerom 3,15 × 3,15 m), z hľadiska medzného stavu porušenia ohybových momentov vyhovujú (6 ∅ 10 na 1 m šírky).

Porovnanie cien a priťaženia základovej konštrukcie navrhnutých variantov sanácie

^{1)    V cene variantu C nie je zahrnuté zosilnenie základov, ktoré by sa muselo realizovať z dôvodu značného nárastu stáleho zaťaženia od prídavnej zosilňujúcej konštrukcie (nárast ceny približne o 25 %).}

Bandáž stĺpov a prievlakov
Nosné oceľové profily bandáže stĺpov sa navrhli s ohľadom na aktuálny deformačný stav stĺpov pri realizácii bandáže. Priečne napätie do stĺpov sa vnáša postupným zahrievaním pásov bandáže s teplotou približne 100 °C (v porovnaní s teplotou nenahriatych častí bandáže; kontrola teploty termokriedou) a privarením k rohovým uholníkom.

Vzhľadom na nízku pevnosť betónu prievlakov sa musela realizovať aj bandáž väčšiny prievlakov, a to po vyhotovení bandáže stĺpov. Bandáž prievlaku sa vždy ukladá na bandáž stĺpov v stykoch stĺpov a prievlakov – je zabezpečený prenos časti zaťaženia z prievlakov do bandáže stĺpov (obr. 4).

Obr. 4  Bandáž stĺpov a pripravená spodná časť bandáže prievlakov, bandáž obvodového prievlaku

Pri posudzovaní stĺpov s bandážou sa vychádzalo z napätostného stavu stĺpa, ktorý zodpovedá zaťaženiu počas bandážovania. Do únosnosti stĺpa s bandážou (obr. 5) sa započítala únosnosť len tých rohových uholníkov, ktoré sa nachádzajú v tlačenej oblasti stĺpa:

• pri danej excentricite zaťaženia v prípade posúdenia kombinácie zaťaženia maximálnou normálovou silou a/alebo maximálnymi momentmi v jednom či druhom smere (oddelene) (obr. 5);
• pri danej normálovej sile v prípade posúdenia kombinácie, ktorá vyvodí najväčšiu interakciu momentov vo vzájomne kolmých smeroch podľa vzťahu daného ČSN 1992-1-1

Zosilnenie vodorovných prievlakov externým predpätím
Veľkosť predpínacích síl a geometria vedenia lán (umiestenie deviátorov, kotiev a pod.) sa určili tak, aby sa čiastočne vyrovnali ohybové momenty a posúvajúce sily v prievlakoch vplyvom časti stáleho zaťaženia. Použili sa laná typu monostrand HDPE 1670/1860 ∅12,7 mm alebo HDPE 1670/1860 ∅15,2.

Horné deviátory tvoria oceľové plechy v tvare časti valcovej plochy s polomerom 400 mm, ktorý je osadený do maltového lôž­ka. Deviátory sú umiestnené na stranách stĺpov (obr. 7). Spodné deviátory sú privarené priamo na uholníky bandáže prievlakov prostredníctvom dvoch U-profilov (obr. 6).

Obr. 7  Horné deviátory a spodný deviátor na jednostranné vedenie lana

Obr. 8  Trajektória vedenia externej nesúdržnej predpínacej výstuže

Obr. 9  Prekotvenie vnútorného prievlaku

Obr. 10  Kotva v blízkosti dilatačnej škáry

V prípade prievlakov s väčším rozpätím (približne 6 m) sa na spodné líce v poli umiestnili dva deviátory a laná sú vedené na obidvoch stranách prievlakov, zatiaľ čo v prípade prievlakov s kratším rozpätím (teda 3,6 m) sa musel umiestniť iba jeden deviátor do stredu poľa a lano sa viedlo len na jednej strane (obr. 7).
Vzhľadom na prenos krútiacich momentov v mieste privareného spodného deviátoru sa zhustili zvislé strmene bandáže prievlaku. Laná sa viedli 50 mm od líca stĺpa vo zvislej rovine.

Lano sa väčšinou kotvilo do masívnych obvodových prievlakov (obr. 8). Iba v prípade nepriebežných lán sú kotvy osadené na vnútorných prievlakoch vo výške nadväzujúcej železobetónovej dosky. Na miestach výškových zmien stropnej konštrukcie sa muselo navrhnúť prekotvenie lán (obr. 9).

Predpínacie sily na jedno lano sú v rozpätí 70 kN v prípade lán zosilňujúcich kratšie prievlaky a až 100 kN v prípade lán zosilňujúcich nosníky s dlhšími rozpätiami. Tieto laná sa napínali vo dvoch fázach, druhá fáza napínania sa vykonala až po zhotovení podláh (obr. 10).

Poznatky z realizácie
Pri zhotovovaní oceľovej bandáže treba dodržiavať technologický postup realizácie. Nahrievaním pásov bandáže a ich následným zváraním sa do pásov vnáša ťah, ktorý do stĺpu vnesie priečne tlakové napätie. Tým sa v stĺpa spoločne s účinkami zaťaženia dosiahne priaznivý stav trojosovej napätosti a zvýši sa únosnosť (pevnosť) samotného betónu. V prípade bandáže prievlakov sa priečne napätie vnáša do betónu pomocou strmeňov, do ktorých sa ťah vnáša pritiahnutím momentovým kľúčom. Ak sa nedodrží technologický postup, bandáž nebude zabezpečovať svoju základnú funkciu – spolupôsobenie s existujúcou konštrukciou.

Na správnu realizáciu zosilnenia predpätím externými lanami má hlavný vplyv príprava dráhy lana, a to:

• presnosť vŕtania otvorov do dosiek na priestup lana;
• správne osadenie kotiev, teda kolmo na vedenie lana;
• vyrovnanie pôdorysného vedenia lana cez deviátory pred vlastným predpínaním tak, aby sa v priebehu napínania lano vodorovne neposúvalo v priečnom smere v deviátore a nepoškodil sa obal lana z HDPE.

Straty trením sa v prípade niektorých lán kontrolovali na druhom konci lana (vyrovnávaním tlaku v predpínacej pištoli) a aj napriek dĺžke lana približne 30 m, pri celkovom uhle približne 10 rad pri polomere zakrivenia 0,4 m nedosahovali ani 10 % z predpínacej sily. Pritom vypočítaná hodnota bola približne 20 % (pri hodnote súčiniteľa trenia v oblúku m = 0,05 a neuvažovanom uhlovom posune k = 0,0046/m podľa príručky VSL [2]).
Ďalej treba dbať na to, aby sa pri manipulácii s lanami, a predovšetkým pri preťahovaní lán cez vyvŕtané otvory nepoškodzovali obaly z HDPE a aby sa zabezpečila očakávaná životnosť a trvanlivosť stavebného diela.

Záver
Inak zachovaná a po architektonickej stránke krásna budova sa musí nákladne sanovať z dôvodu použitia nekvalitného betónu, ktorý vykazuje nedostatočnú pevnosť. Aj napriek zistenej nízkej pevnosti betónu nie je nevyhnutné budovu odstrániť (ako by to bolo napríklad v prípade použitia betónu s obsahom hlinatanového cementu) a po vhodnom návrhu sanácie ju možno naďalej dlhodobo užívať. Ekonomické a technické porovnanie jednotlivých alternatív sanácie umožnilo nájsť optimálne riešenie, ktoré zabezpečí dostatočnú spoľahlivosť a trvanlivosť sanovanej konštrukcie.

Poďakovanie
Prezentované výsledky sa získali s finančným prispením projektu MPO FR-TI4/159 Light structures – progresivní konstrukce z moderních kompozitních materiálů.

TEXT: prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc., Ing. Ivana Laníková, PhD., Ing. Petr Šimůnek, PhD.
OBRÁZKY a FOTO: archív autorov

Autori pôsobia v Ústave betónových a murovaných konštrukcií Stavebnej fakulty VUT v Brne.

Literatúra
1. ČSN EN 12504-1: 2009: Zkoušení betonu v konstrukcích. Část 1: Vývrty. Odběr, vyšetření a zkoušení v tlaku.
2. VSL construction systems. http://www.vsl.net/Portals/0/vsl_lit/VSL_Construction_Systems_US.pdf.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.