Diagnostika a staticko-expertízny posudok strešnej oceľovej konštrukcie zimného štadióna

• Foto

V článku sú uvedené niektoré postupy a výsledky z realizovaných experimentálnych meraní zameraných na diagnostiku nosnej oceľovej konštrukcie strechy a jej prvkov potrebných pre statické posúdenie súčasného stavu objektu. Poznanie skutkového stavu objektu umožňuje navrhnúť v rámci rekonštrukcie novú strešnú krytinu, čo spôsobí nové zaťažovacie účinky na jestvujúcu nosnú oceľovú konštrukciu strechy. Novým statickým výpočtom sa definuje možnosť použitia jestvujúcej nosnej konštrukcie, alebo potreba realizovať staticko-konštrukčné opatrenia, ktorými sa zabezpečí ďalšie bezpečné a spoľahlivé užívanie stavebného objektu.

CHARAKTERISTIKA SÚČASNÉHO STAVU OBJEKTU

Predmetný zimný štadión bol postavený v roku 1973 a v súčasnosti je jeho kapacita 4.500 miest pre divákov, obr. 1. Strešnú konštrukciu zimného štadióna je možné charakterizovať ako oceľovú priehradovú škrupinu, ktorá v dobe realizácie bola nezvyčajnou a veľmi odvážnou vyľahčenou nosnou konštrukciou zastrešenia. Nosný systém strešnej konštrukcie je tvorený dvojvrstvovou klenbou s rámovými lamelami, ktorý je osadený na plnostenných stĺpoch zbiehajúcich až k základovým konštrukciám, obr. 1, 2.

Počas užívania objektu neboli realizované zmeny, ktoré by zmenili statickú schému objektu oproti pôvodnému projektu. Technický stav konštrukcie je primeraný miere používania a vykonanej údržbe. V rámci naplánovaných stavebných úprav a rekonštrukčných prác bolo rozhodnuté, že je potrebné okrem iného vymeniť nevyhovujúcu, poškodenú a zatekajúcu strešnú krytinu a nahradiť ju novou, s lepšími tepelnoizolačnými charakteristikami. Uvedená skutočnosť si vyžiadala realizáciu statického prepočtu súčasného stavu konštrukcie s novo navrhovanou strešnou krytinou. Vzhľadom ku skutočnosti, že nosná oceľová konštrukcia strechy, ako aj ďalšie prvky boli lokálne napadnuté koróziou, bolo možné očakávať úbytky hrúbky koróziou napadnutých prvkov oceľovej nosnej konštrukcie obr. 3, 4.

Dôležitým faktorom pre prípravu relevantného výpočtového modelu pre statický výpočet bolo zistenie skutočnej nivelety hrebeňa strešnej oceľovej konštrukcie objektu, t.j. či nedošlo k poklesu celej, resp. niektorej časti oceľovej konštrukcie strechy oproti pôvodnému projektu. Uvedená skutočnosť si vyžiadala realizáciu geodetického merania.

DIAGNOSTIKA OBJEKTU PRE POTREBY STATICKÉHO VÝPOČTU

Ak nie sú známe vstupné charakteristiky popisujúce predmetnú oceľovú konštrukciu, tak je potrebné ich v technickej praxi zisťovať na základe diagnostických experimentálnych meraní, [3].

V miestach lokálneho poškodenia bolo realizované experimentálne meranie hrúbok stien oceľových prvkov, t.j. na prvkoch staticky významných pre posúdenie stavebného objektu, obr. 5, 6. Výsledky skúšky sú uvedené v [1]. V tab. 1 sú uvedené len niektoré výsledky z realizovaného experimentálneho merania.

Výsledky z vykonaného geodetického merania stanovili, že predmetná lamelová strešná kupola nevykazuje relevantné odchýlky od projektovaného stavu, ktoré by v konečnom dôsledku ovplyvnili výsledky statického výpočtu a preto sa pri tvorbe výpočtového modelu neuvažovali, obr. 6, tab. 2.

Tabulka 1

Tabulka 2

STATICKÝ VÝPOČET

Pri tvorbe výpočtového modelu boli z projektovej dokumentácie [5] prevzaté dispozičné rozmery objektu a jednotlivým prvkom boli priradené skutočné hrúbky prierezov zistené experimentálnym meraním.

Obr. 6 ‒ Výpočtový model zimného štadióna (rozmery v [m]), A, B, C, D, E – body geodetického merania, schematické zobrazenie miest merania hrúbok oceľových prvkov:
M1 - lamelový väzník strechy,
M2 - vonkajšie vzpery lamelového väzníka strechy,
M3 - vnútorné vzpery lamelového väzníka strechy,
M4 - nosník podopierajúci vnútorné vzpery lamelového väzníka strechy,
M5 - štítový stĺp.

Statický výpočtový model zimného štadióna bol vytvorený v programe IDA NEXIS. Priestorový model obsahuje 14.452 uzlov a 22.357 prútov, obr. 6. Vzájomné spolupôsobenie jednotlivých prútových prvkov bolo kĺbové, alebo tuhé. Výpočtový model bol analyzovaný použitím geometricky nelineárneho výpočtu, kde bolo použitých 20 prírastkov zaťaženia.

Pri zohľadnení nameraných koróznych úbytkov jednotlivých prvkov nosnej konštrukcie v modeli bola uskutočnená statická analýza účinkov vetra na konštrukciu zimného štadióna. Na spresnenie aerodynamických súčiniteľov bol použitý modul prúdenia vzduchu v programe ANSYS, kde boli určené tlakové koeficienty v jednotlivých častiach konštrukcie a následne použité v statickej analýze účinkov vetra v realizovanej v programe IDA NEXIS. Modul prúdenia vzduchu CFD (Computational Fluid Dynamics) umožňuje presnejšie definovať aerodynamické súčinitele, rýchlosti, tlaky vetra pri konštrukciách, ktorých tvar nie je jednoznačne definovaný v normách.

V programe ANSYS bol vytvorený FEM model, kde sa sledovala rýchlosť vetra a aerodynamické koeficienty na povrchu konštrukcie, obr. 7, 8, 9. Výpočtový model prúdenia vzduchu obsahuje 12064 elementov a bol použitý konečný prvok „Fluid 142“. Výpočet sa realizoval v module CFD s turbulentným prúdením RNG (Renolmalisation Group Theory). Uvažované bolo s rýchlosťou vetra 29,66 m/s čo zodpovedá tlaku vetra 0,55 kN/m².

V súlade s STN 73 0035 [6] v aktuálnom znení bolo určené zaťaženie:

• stále (väznice, plech a izolačné vrstvy, podvesená kocka, lávka nad tribúnami),
• snehom (III. snehová oblasť, uvažovalo sa s nesymetrickým snehom, t.j. na polovici strechy plnou hodnotou a na druhej polovici strechy polovičnou hodnotou),
• vetrom.

Uvažovalo sa so 6 zaťažovacími stavmi tvoriacimi 4 nelineárne kombinácie zaťažení, t.j. pri aplikácii nelineárneho výpočtu nie je možné uplatniť princíp superpozície.

POSÚDENIE A ZÁVERY STATICKÉHO VÝPOČTU

Posúdenie bolo realizované podľa STN 73 1401 [7], [2]. Stavebný objekt po predpísaných a vykonaných úpravách vyhovuje na I. a II. medzný stav podľa súčasne platnej normy. Pri posúdení boli prekročené hodnoty medzných napätí v okrajoch horného a spodného pásu lamelových oblúkov o 20 % až 30 %, obr. 10. Vypočítané napätia niektorých zvislíc oblúka nosnej konštrukcie strechy boli prekročené o 40% oproti medzným napätiam v pružnej oblasti, obr. 10. Ostatné oceľové prvky konštrukcie vyhovovali na 75 % až 95 % medzného napätia. Maximálna deformácia v strede lamelovej kupoly je 142 mm.

Výsledky statického výpočtu pri uvažovaní skutočných hrúbok jednotlivých prvkov oceľovej konštrukcie (zohľadnenie koróznych úbytkov), boli vo všeobecnosti o 3 % až 5 % väčšie, ako výsledky statického výpočtu s uvažovaním prvkov oceľovej konštrukcie bez koróznych úbytkov, t.j. podľa projektovej dokumentácie (stav po zmontovaní konštrukcie).

Z výsledkov statickej analýzy vyplýva, že všetky nosné prvky konštrukcie objektu vyhovujú, resp. po vykonaní predpísaných úprav budú vyhovovať na posúdenie podľa STN 73 1401. Na základe realizovanej statickej analýzy je možné konštatovať:

• pri demontáži pôvodného strešného plášťa je potrebné dbať na rovnomernosť zaťaženia nosnej oceľovej konštrukcie strešného plášťa,
• po odstránení celého pôvodného strešného plášťa je nutné ošetriť vhodnou antikoróznu úpravu všetky jestvujúce oceľové prvky strešnej konštrukcie, obr. 3,
• poškodené, resp. nevhodne realizované zvary je nutné opraviť, prekontrolovať detaily pripojenia väzníkov škrupiny k nadväzujúcej konštrukcii, dotiahnuť a doplniť v niektorých miestach konštrukcie skrutkové spoje, obr. 4,
• do prvého poľa všetkých väzníkov tvoriacich strešnú konštrukcie dovariť plech hrúbky 8 mm (samostatný projekt), obr. 4,
• v skladbe nového strešného plášťa sa musí použiť trapézový plech, ktorý je nutné kotviť k nosnej oceľovej konštrukcii,
• prípustná hmotnosť nového strešného plášťa je max. 20 kg/m², t.j. v tejto hmotnosti je zarátaný aj nový trapézový plech, prekročenie tejto hodnoty vedie k nutnosti podstatných zmien (úprav, zosilnenia) oceľovej nosnej konštrukcie objektu,
• nutné je odstraňovanie naakumulovanej snehovej vrstvy zo strešnej roviny prekračujúcu medznú hodnotu zaťaženia určenú podľa ustanovenia z normy (0,96 kN/m²), [5].

ZÁVER

V súčasnej dobe existuje rozsiahly výpočtový aparát pre statické výpočty stavebných objektov. V praktických realizáciách slúži väčšinou k návrhu nových objektov, kde na základe normami predpísanými a zavedenými postupmi s istou mierou bezpečnosti je možné objekt navrhnúť. Opačný postup, t.j. priblíženie sa výpočtu k namáhaniu už existujúceho objektu a vystihnutie miery jeho spoľahlivosti je obtiažnejšie.

Pri tvorbe výpočtového modelu jestvujúceho objektu, ktorý má už určitú časť svoje životnosti má za sebou, nie je možné dôsledne aplikovať modelovanie budovy tak, ako je to pri novostavbách, pretože je nutné spresniť výpočtový model z hľadiska materiálovo-fyzikálnych charakteristík jednotlivých konštrukčných prvkov a staticko-tuhostných vlastností objektu. Miera realizovanej údržby a opráv, resp. vykonávaných stavebných zásahov do objektu, môžu spôsobiť zmeny, ktoré je potrebné zohľadniť v pri tvorbe výpočtového modelu.

Príspevok bol vypracovaný v rámci riešenia projektu VEGA č. 1/4197/07.

LITERATÚRA

[1] Demjan, I.: Protokol o skúške, č. 01/08/8, Laboratórium inžinierskeho staviteľstva, Ústav inžinierskeho staviteľstva, Stavebná fakulta TU v Košiciach, Košice, 2008
[2] Juhás, P. a kol.: Navrhovanie oceľových konštrukcií, komentár k STN 73 1401:1998, SÚTN Bratislava, 2001
[3] Juhás, P.: Kvalita a geometrické odchýlky prútov a prierezov oceľových konštrukcií, Stavebná fakulta TU v Košiciach, Košice, 2007
[4] Tomko, M.; Marko, Ľ.; Brda, J.: Statický posudok oceľovej nosnej konštrukcie strechy zimného štadióna v Poprade, 2008
[5] Zeman, J.: Projektová a výrobná dokumentácia - časť statika (nekompletná), 1971
[6] STN 73 0035 Zaťaženie stavebných konštrukcií, 1988
[7] STN 73 1401 Navrhovanie oceľových konštrukcií, 1998

Autoři

• Ing. Demjan Ivo Ph.D.
• Doc.Ing. Tomko Michal Ph.D.