Definitivní řešení statických poruch budovy Fakulty chemické VUT v Brně

• Foto

Stavba obloukovitého půdorysu má čtyři nadzemní podlaží, v části půdorysu má jedno podzemní podlaží. Nosná konstrukce nadzemní části je prefabrikovaná železobetonová skeletová. Vnitřní podélné rámy jsou řešeny jako vnitřní podélné deskové spojité průvlaky šířky 3 m, které jsou stykovány v osách sloupů. Podélné rámy na obvodu stavby jsou tvořeny průvlaky a sloupy, průvlaky vytvářejí nadpraží oken. Na ozuby vnitřního průvlaku a obvodových průvlaků jsou uloženy filigránové desky tloušťky 60 mm s nadbetonováním vylehčených stropních desek.

Budova byla založena na vibrotlakových pilotách VUIS. Piloty průměru 380 mm a délky 7,0 m jsou ukončeny železobetonovými kruhovými hlavicemi s kalichy. Pod kalichovou patkou průměru 1 300 mm byly provedeny tři, respektive dvě piloty. Po obvodu půdorysu byly na pilotové hlavice vně sloupů ukládány prefabrikované základové prahy.

PORUCHY A PROVEDENÉ PRŮZKUMY

V průběhu užívání budovy došlo ke vzniku trhlin. V roce 2006 se uskutečnila obhlídka stavby. Směr a průběh trhlin nasvědčoval možnému nerovnoměrnému poklesu základů. Na trhlinách byly aplikovány sádrové terče. U čelní fasády bylo zjištěno, že v blízkosti stavby vede v hloubce cca 3 m kanalizace, se kterou se v návrhu nepočítalo. Následná kamerová zkouška ukázala, že kanalizační větev podél budovy je na několika místech porušena.

V roce 2007 byly trhliny sanovány, a přestože byly sádrové terče porušeny, nebylo navrženo další sledování stavby. V roce 2014 jsme byli vyzváni, abychom provedli posouzení stavebně-technického stavu stavby s ohledem na její nové porušení trhlinami. Podle informací od uživatele docházelo ke zvětšování trhlin a k akustickým projevům při vzniku trhlin v příčkách. Bylo zjištěno, že trhliny (0,5 až 5 mm) mají systémový charakter. Šikmé trhliny vedly směrem k severnímu štítu a k čelní fasádě. Půdorysně bylo největší porušení zjištěno v místě rozhraní podzemní části a zbytku stavby, který podzemní podlaží nemá. Trhliny na příčkách naznačovaly, že došlo k nerovnoměrnému sedání budovy. Trhliny měly směr, který nasvědčoval tomu, že část budovy, která nemá podzemní podlaží, se deformovala podstatně více než část s podzemním podlažím. Na fasádě byly viditelné jednak systémové trhliny naznačující nerovnoměrné sedání budovy a také původní trhliny vzniklé smršťováním a dotvarováním konstrukce.

Návrh na řešení problému musel být vypracován ve velmi krátkém čase, aby bylo možné zajistit finanční prostředky a aby byly tyto statické zásahy provedeny před plánovanou rekonstrukcí.

Pro vyřešení problému bylo třeba zjistit příčiny. I přes poměrně jasné indicie ohledně nerovnoměrného sedání stavby byly prověřeny jednotlivé části konstrukce, aby se vyloučily ostatní možné příčiny.

Byl kontaktován jak dodavatel skeletu, který v rámci prováděcí dokumentace navrhoval konstrukci, tak i projektant hlubinného založení. Kontrolou prošla veškerá dostupná dokumentace včetně statických výpočtů. Jako součást řešení byl navržen a proveden nový inženýrko-geologický průzkum, kamerové zkoušky kanalizace a geodetické výškové zaměření stropní konstrukce.

Při porovnání geologického průzkumu z roku 1995 a nového průzkumu z roku 2014 bylo konstatováno, že konzistence geologické vrstvy ze sprašových hlín v hloubce cca 3,5 až 5,8 m je změněna z tuhé na měkkou, až tuhou. Při provádění sondy S3 natékala voda do vrtu v hloubce cca 4,5 m. Vzhledem ke spádování parkovací plochy směrem k severnímu štítu stavby a nedostatečnému odvodnění v tomto místě docházelo zřejmě také k podmáčení budovy.

Podle kamerové zkoušky byla venkovní kanalizační větev podél stavby od šachty v chodníku nadále porušená.

Z výsledků geodetického měření bylo patrné, že stropní konstrukce je výškové značně deformovaná. Největší relativní svislá deformace je cca uprostřed čelní obvodové fasády a dosahuje hodnoty 77 mm až 90 mm. Jaká část této deformace byla způsobena eventuálním sedáním a jaká část chybou montáže, se nedalo určit.

PŘÍČINY PORUCH

V rámci zjišťování příčin poruch byla vypočtena také předpokládaná únosnost stávající piloty VUIS. Výpočet byl proveden podle ČSN 731002:1968 Pilotové základy na geologický profil zjištěný v IGPz roku 2014. Podle tohoto průzkumu některé piloty pravděpodobně zasahovaly pouze 1,20 m do tuhých, až pevných neogenních jílů.

Vzorec pro ověření výpočtové únosnosti ražené piloty byl použit z již neplatné normy, ale podle našeho názoru poskytuje věrohodné údaje o únosnosti. Výpočtová únosnost jedné vibrotlakové piloty má podle ČSN 731002:1968 hodnotu 409 kN.

V původní technické zprávě z roku 1997 byla uvedena výpočtová únosnost pilot VUIS A profilu 380 mm a délky 7,0 m 500 kN při deformaci 5,0 mm. Tato únosnost byla stanovena na základě tabulkových hodnot únosnosti pilot VUIS. V původní technické zprávě pro hlubinné zakládání se dále uvádí, že se předpokládá ukončení piloty 2,0 m v tuhých, až pevných neogenních jílech. Návrhové tabulky, na které se odkazuje původní řešení, nebyly k dispozici. Nově vypočtená únosnost pilot VUIS byla porovnána se zatížením podle původního návrhu. Porovnáním se zatížením základů se zjistilo, že střední patka je přetížena o 18 %, krajní patka na ose T je přetížena o 47 % a krajní patka na ose P vyhovuje. 

Podzemní část stavby je založena také na pilotách VUIS délky 7,0 m. Tyto piloty jsou v podstatně únosnějších geologických vrstvách (tuhé až pevné jíly) a jsou provedeny pod ŽB pasy, které tvoří součást suterénních železobetonových stěn. Únosnost těchto základů je podstatně větší než vnášené zatížení.

Po komplexním posouzení všech podkladů a výpočtů jsme dospěli k závěru, že příčinou statických poruch je nerovnoměrné sedání základů, způsobené kombinací nedostatečné únosnosti stávajících pilot a vlivem změn v geologické skladbě podloží.

NÁVRH ŘEŠENÍ

Návrh sanace spočíval v zesílení základů a úpravě venkovní kanalizace podél budovy. Zesílení základů bylo navrženo mikropilotami, přičemž redistribuci zatížení mezi stávajícími základy a mikropilotami zajišťovala ocelová konstrukce, která byla navržena tak, aby přenášela pouze 50 % zatížení na stávající základy. Velikost přenášeného zatížení byla stanovena na základě předpokládané únosnosti stávajících základů a s ohledem na požadovanou míru bezpečnosti. Nebyl dostatečně ověřen způsob provedení pilot a skutečný stav geologie mohl být pod budovou proměnný. Návrh skutečného provedení pilot byl sice k dispozici, ale jednalo se pouze o okopírovanou prováděcí dokumentaci se všemi formálními a grafickými chybami.

Nový geologický profil byl průzkumem zjišťován mimo stavbu. Nebylo zřejmé, jaký je stav geologie v půdorysu budovy, především co se týká výskytu podzemní vody. Hodnota 50% zatížení přenášeného na základy také vyjadřuje předpokládaný poměr spolupůsobení mezi stávajícími pilotami VUIS a novými mikropilotami.

Byla navržena aktivace konstrukce hydraulickými válci, aby se minimalizovalo další sedání. Pomocí provizorní konstrukce byla horní část ocelové konstrukce opřena do mikropilot a vytlačována směrem vzhůru. Aktivace, kterou mělo být minimalizováno dotvarování a smršťování ocelové konstrukce a sedání mikropilot, byla řešena tak, aby probíhala postupně a plynule, a to ve třech krocích – etapách. V první etapě byla navržena výtlačná síla v hydraulických válcích 40 %, ve druhé etapě 80 % a ve třetí etapě 100 % charakteristického zatížení na mikropiloty.

V návrhu bylo uvažováno, že charakteristická síla bude do ocelové konstrukce u každé etapy vnášena nepřetržitě 24 hodin. Mezi první a druhou etapou a mezi druhou a třetí etapou byla z důvodu alespoň částečné konsolidace základů (deformace v průběhu času) stanovena časová prodleva minimálně sedmi dní. 

Rozmístění mikropilot bylo řešeno tak, aby nekolidovaly se stávajícími pilotami a měly předpokládanou únosnost. Počet mikropilot byl také dán konkrétním umístěním v půdorysu a požadavkem na aktivaci konstrukce. V závislosti na požadované únosnosti byly navrženy v délce od 14,5 m (kořen 10,5 m) až po mikropiloty délky 8,5 m (kořen 4,50 m). Kolem stávající kalichové patky byly navrženy tři, respektive čtyři mikropiloty.

Ocelová konstrukce byla navržena ze dvou částí. Spodní část tvořil ocelový vodorovný rám uložený na mikropiloty. Horní část byla u obvodových sloupů ukotvena do stávajícího ŽB sloupu, u vnitřních sloupů byla pomocí objímky rozepřena do stropu.

Konstrukce byla ještě doplněna o provizorní ocelovou konstrukci, jež měla umožňovat její aktivaci, po které měla být odstraněna. Ocelová konstrukce byla navržena na požadovanou únosnost a deformaci (1/500).

Součástí návrhu bylo také vyhodnocení stávající skeletové konstrukce. Vlivem nerovnoměrného poklesu sloupů (základů) došlo k vnesení dodatečného napětí a vzhledem k redistribuci momentů nebyla nosná konstrukce porušena. Podle projektanta skeletu mají prvky dostatečnou rezervu únosnosti. Na základě geodetického měření byly relativní deformace stropní desky v polích v mezích dovolených deformací.

V návrhu byla zdůrazněna nutnost nadstandartní součinnosti projektanta a prováděcí firmy v průběhu realizace. Byl také stanoven celkový podrobný postup prací s návaznosti na autorský dozor a definovalo se, co a kdy projektant v rámci autorského dozoru odsouhlasí.

MONITORING

Aby bylo možné vyhodnotit deformaci konstrukce v průběhu času, byl navržen monitoring stavby, a to v několika úrovních tak, aby se hodnoty daly vzájemně porovnávat a také aby se zjistila deformace různých konstrukcí.

Řešením bylo geodetické sledování nosné konstrukce před uvažovanou rekonstrukcí, bezprostředně před sanací základů a po aktivaci navržené konstrukce. Určené měřicí body pro sledování byly navrženy na stropní desce nad 2. NP v počtu 27 ks. Geodetické sledování bylo následně plánováno také cca 24 měsíců po provedení aktivace konstrukce.

Další způsob monitoringu spočíval v osazení sádrových terčů v místě trhlin. V návrhu se též uvažovalo s krátkodobým sledováním (měřením) deformace ocelové konstrukce a sedáním mikropiloty v průběhu aktivace. 

REALIZACE

Na začátku roku 2016 započala realizace obnovy stavby 510/1. Součástí prací bylo vedle statického zajištění budov také vybourání všech příček a podlahy v 1. NP a provedení nových příček a podlah, zateplení obvodového pláště, výměna oken, rekonstrukce hygienického zařízení ve všech patrech a výměna nášlapné vrstvy podlah ve všech podlažích.

V průběhu bouracích prací bylo zjištěno, že stávající příčky v 1. NP byly založeny na základových pasech. Vzhledem k množství příček a jejich poměrně preciznímu založení bylo jasné, že tyto příčky přenášely poměrně velké zatížení ze stropních konstrukcí. Tento předpoklad se dodatečně potvrdil při vyhodnocení geodetického sledování, stropní konstrukce po vybourání příček poklesla o 1 – 5 mm.

Po vybourání podlahy a příček v 1. NP byly provedeny mikropiloty. Polohu mikropilot bylo třeba upravit vzhledem ke skutečné poloze kalichových patek. Stávající kalichové patky byly provedeny tak, že osa patky neodpovídala ose sloupu, osa sloupu a patky byla posunuta až 100 mm v obou směrech. Toto vyosení mělo také dopad na únosnost stávajících pilot. Některé stávající piloty byly zatíženy více než zbylé piloty v hlavici. Nutnost posunu mikropilot vyvolala nezbytnost přepočtu ocelové konstrukce spodního vodorovného rámu. Ocelová konstrukce a pozice mikropilot byla navržena tak, aby bylo do všech mikropilot jednoho uzlu vnášeno stejné zatížení.

V průběhu provádění mikropilot byla sledována geologická skladba vrtů, která víceméně odpovídala předpokladům nového inženýrsko-geologického průzkumu. Byl sledován také tlak injektáže a reinjektáže a množství injektážní směsi.

Po provedení mikropilot byl na ně osazen spodní vodorovný rám a k stávajícím sloupům byla uchycena horní část ocelové konstrukce včetně provizorní konstrukce pro aktivaci.

Po osazení ocelové konstrukce započala první etapa aktivace (24. března 2016). Do konstrukce bylo vneseno zatížení rovnající se 40 % charakteristického zatížení, které přenesou mikropiloty (a také ocelová konstrukce). Z důvodu dodržení harmonogramu prací byl čas vnášení síly do konstrukce zkrácen na osm hodin. Tímto způsobem byly postupně aktivovány všechny plánované uzly. Po dobu 72 hodin byla sledována pomocí mikrometru deformace (sedání) vybrané mikropiloty.

Byla také sledována deformace (průhyb) ocelové konstrukce. Po provedení první etapy aktivace všech bodů byla provedena druhá etapa aktivace (6. dubna 2016). Do konstrukce bylo vneseno zatížení rovnající se 80 % charakteristického zatížení. Postup byl obdobný jako u první etapy.

Zhruba sedm dní po konci druhé etapy aktivace se uskutečnilo geodetické sledování (16. května 2016), které potvrdilo, že u některých sledovaných bodů nedošlo k žádné deformaci, nebo došlo k zvednutí konstrukce o 1 mm. Vzhledem k tomu, že již prakticky nedocházelo k deformaci mikropiloty, bylo rozhodnuto neprovádět třetí etapu aktivace. Spodní ocelová konstrukce byla spojena pevně s horní části konstrukce. Byly odstraněny provizorní konstrukce pro aktivaci. Spodní ocelový rám byl obetonován.

Další geodetické sledování se uskutečnilo tři měsíce po předchozím měření a výsledky byly obdobné – nedošlo k poklesu, nebo došlo k zvednutí konstrukce o 1 mm. Po celou dobu realizace byly také průběžně sledovány sádrové terče, na nichž nevznikly žádné trhliny. Po ukončení statického zajištění proběhla plánovaná rekonstrukce budovy, která je již dokončena. Kolaudace proběhla v prosinci roku 2016.

ZÁVĚR

Byla realizována poměrně netradiční rekonstrukce a zesílení stávajících základů hlubinného zakládání. Výjimečná je především provedením aktivace pomocí hydraulických válců. Aktivací byla minimalizována další deformace konstrukce. Následné geodetické sledování stavby by mělo potvrdit správnost navrženého řešení.

The Ultimate Solution of Static Defects of the Building of the Faculty of Chemistry of BUT in Brno
The building 510/1 in the premises of the Faculty of Chemistry of BUT in Brno, in Purkyňova 118, was built in December in 1997 as a part of a general reconstruction and conversion of a former production premises of Meopta company, following the original buildings. From the time it was built, cracks used to appear there frequently, caused, as revealed later, by an uneven sinking of the foundation. Due to the scheduled extensive reconstruction of the premises, the investor decided to ultimately solve the issue of static defects in the building, so that no other defects would occur.

Autor

• Ing. Utíkal Aleš