Jak přispět k omezení havárií ocelových konstrukcí?

• Foto

Na vybraných příkladech kritických situací je naznačeno, že příčinou ztrát na životech a vzniku hospodářských škod nemusí být jen chyba v návrhu dimenzí nebo posudku spolehlivosti či nesprávné provedení svarů apod., nýbrž též hrubé přehlédnutí či zanedbání závažných provozních podmínek, podcenění kombinace dočasných vlivů nebo závažných okolností. Na kontrolu úplnosti a správnosti dokumentace vypracované projektantem by měla navazovat důsledná kontrola v průběhu realizace a uvádění konstrukce do provozu.

V Německu plní například tuto funkci Prüfengineur, který je výstupním kontrolorem z hlediska bezpečnosti, trvanlivosti a použitelnosti. V ČR by měli sledovat realizaci konstrukce určení nezávislí experti, kteří by měli dbát na to, aby při montáži a při uvádění do provozu nebyly podceněny či přehlédnuty základní podmínky a okolnosti ovlivňující spolehlivost konstrukce jak při budoucím dlouhodobém plánovaném provozu tak i při mimořádných situacích v rámci údržby, rekonstrukcí, zesilování a nesporně též při demontáži konstrukce.

Cílem stručného rozboru příčin několika vybraných havárií není ukázat prstem na viníka, nýbrž připomenout technické veřejnosti možnost včas účinně zasáhnout a přispět tak k předcházení ztrátám na životech a hmotným škodám. Článek má zejména povzbudit jednotlivce formálně nezapojené do realizace objektu ke sledování spolehlivosti konstrukcí v různých fázích jejich existence a přispět v případě zjištěných nesrovnalostí k zabránění havárií zejména tehdy, jestliže příčinami jsou nejen hrubé chyby, nýbrž i závažná přehlédnutí či shody nepříznivých okolností. I náhodný kolemjdoucí může přispět k zabránění vzniku havarijní situace, ačkoliv se sám formálně nikterak nepodílí na realizaci a provozu předmětné konstrukce, viz například záchrana tramvajového mostu přes Vltavu v Praze Holešovicích, viz kapitola níže.

HAVÁRIE OCELOVÉ KONSTRUKCE ZIMNÍHO STADIONU V MARIÁNSKÝCH LÁZNÍCH
Článek [1] obsahuje kritický fundovaný rozbor závad svarů ocelové konstrukce zimního stadionu vedoucích ke zřícení haly v Mariánských lázních. V souladu se záměrem tohoto článku se lze zamyslet neobvyklým způsobem nad dalšími možnými příčinami uvedené havárie i nad tím, jak by bývalo bylo možno ztrátám na životech a hmotným škodám zabránit při iniciativním zájmu kolemjdoucích.

Představme si studenta stavební fakulty, který už úspěšně absolvoval zkoušky ze statiky a z pružnosti a pevnosti, a který prokazuje rostoucí zájem proniknout do tajů spolehlivosti ocelových konstrukcí. Tento budoucí inženýr pozve studentku z nižšího ročníku ke sledování hokejového zápasu v předmětné hale. Chce dívce imponovat znalostmi získanými na cestě k inženýrskému titulu a se zanícením ji o přestávce vysvětluje uspořádání a funkci ocelové střešní konstrukce haly. Obrací její pozornost ke čtyřkloubovým příhradovým příčným vazbám doplněným jedním prutem k vytvoření staticky určitých rovinných příhradových konstrukcí (viz [1] a obr. 1), a vysvětluje průběh montáže první části příhradového systému zobrazeného na obr. 2, přičemž zdůrazňuje, že tři pruty 1, 2 a 3 se sbíhají ve styčníku „a“, kde svírají úhly přibližující se odhadem 3 × 60 °, z čehož lze dále usoudit, že tlakové síly S1, S2 a S3 v těchto prutech by se neměly výrazně lišit.

Studentka chce prokázat pochopení výkladu i svůj zájem a zeptá se studenta, proč při obdobných tlakových silách v uvedených třech prutech jsou dva z nich (tj. pruty 2 a 3 na obr. 2) v porovnání s třetím prutem 1 (tenkým jako párátko) nesporně výrazně mohutnější. Otázka uvede studenta poněkud do rozpaků (zkoušku z ocelových konstrukcí dosud neabsolvoval a marně přemýšlí, jak by vhodně připomenul vliv vzpěru). Studentce proto navrhne navštívit o přestávce správce stadionu a zeptat se na jeho názor. Dotázaný správce s politováním konstatuje, že problematice bezpečnosti ocelových konstrukcí nerozumí, je si však vědom toho, že střecha je toho času nebezpečně zatížena mohutnou vrstvou sněhu a je proto ochoten požádat o vysvětlení projektanta ocelové konstrukce. Druhý den se telefonicky spojí s autorem statického výpočtu a požádá o vyjádření. Projektantova odpověď je jednoznačná, tj. prohlásí, že je vše v pořádku. V jeho mysli však nutně vzniknou určité pochyby, a tak dimenze průřezů prověří. S nepříjemným překvapením zjistí, že prut 1 je skutečně nedopatřením výrazně poddimenzován a proto je nutno zajistit neprodleně zesílení ocelové diagonály 1.

Takto by rozhovor studenta a jeho kolegyně vedl k zesílení konstrukce, k zabránění havárie selháním prutu 1 i k záchraně lidských životů. Jistě by oba studenti byli na zjištění závady a na svoji iniciativu hrdí po celý zbytek života. Ve skutečnosti student s dívkou v hale nediskutovali problematiku spolehlivosti ocelové konstrukce a nenašel se nikdo jiný, kdo by na poddimenzovaný prut včas upozornil. Konstrukce haly se při zatížení sněhem zřítila. Z obr. 3 (převzatého z příspěvku [1]) lze z tvaru zdeformovaného prutu 1 usoudit, že prut 1 při nadměrné tlakové síle (odpovídající kombinaci různých zatížení včetně zatížení střechy sněhem) ztratil únosnost a vybočil. Na toto výrazné poddimenzování by při nezávislé kontrole dokumentace Prüfengineur velice snadno přišel.

Z textu [1] není zřejmé, zda byla při kontrole statického výpočtu havarované konstrukce haly prověřována též bezpečnost prutu 1. Je vhodné připomenout, že systém čtyřkloubové příhradové příčné vazby doplněné jedním prutem byl aplikován při výstavbě několika sportovních hal v ČR. Na obr. 1 je schéma příhradové příčné vazby haly o menších rozměrech než byly rozměry zřícené haly v Mariánských lázních. I u této haly se prut 1 na fotografi i jeví jako nepřiměřeně tenký ve srovnání s pruty 2 a 3 a lze proto doporučit správcům těchto hal dát urychleně prověřit spolehlivost (bezpečnost) prutu 1 u všech realizovaných hal o totožném systému, a v případě potřeby neprodleně zajistit zesílení prutů 1.

Každý projektant může nechtěně udělat numerickou chybu. Nalézt přehlédnutou chybu a posoudit její vliv na spolehlivost konstrukce by mělo být úkolem Prüfengineura provádějícího kontrolu dokumentace. V uvedeném příkladě mohl přispět k zabránění havárie haly a k záchraně životů kdokoliv vybavený základními znalostmi z teorie konstrukcí a svařování. Zdůrazněme znovu potřebnou iniciativu a smělost kolemjdoucího upozornit správce haly na možné poddimenzování jednoho z prutů hlavní příhradové konstrukce dříve než bylo pozdě.

Odpověď na otázku uvedenou v názvu článku může znít například takto. Studente i experte, věnujte pozornost ocelovým konstrukcím i v situacích, do kterých nejste bezprostředně zaangažováni. Pokud se Vaše představy o působení konstrukce liší od skutečného působení pozorované konstrukce neváhejte dlouho a obraťte se s dotazem včas na správce objektu nebo projektanta.

OCELOVÁ HALA KLUZIŠTĚ LEDŇÁČEK V OSTRAVĚ – VÍTKOVICÍCH
Na obr. 4 je fotografi e bruslařské haly Ledňáček v Ostravě-Vítkovicích (t.č. v demontáži). Ocelová konstrukce o půdorysu 36 × 72 m byla vybudována v době totality jako černá stavba s označením Sklad zeleniny. Nosná ocelová konstrukce, která je ve střešní části tvořena válcovou skořepinou z trubek, byla předmětem tzv. zlepšovacího návrhu. V rámci znaleckého posudku, tvořícího přílohu k tomuto návrhu, bylo vysloveno několik závažných výhrad zejména z hlediska průkazu stability válcové skořepiny objektu a vlivu deformací odpovídajících teorii druhého řádu. K těmto výhradám se připojil investorův ocelářský specialista, který odmítl dokončenou ocelovou konstrukci haly v zastoupení Vítkovice o. p. převzít.

V nezkolaudované hale byl zahájen provoz. Hala byla využívána především k výuce bruslení školáků a k rekreačnímu tréninku hokeje. V zimním období napadl sníh, který zatížil více méně rovnoměrně válcovou střešní konstrukci. Vlivem slunečních paprsků však roztála jednoho dne sněhová vrstva na straně přivrácené ke slunci, čímž vzniklo výrazné nesymetrické zatížení. Při návrhu a posudku ocelové konstrukce nebyla důsledně aplikována teorie druhého řádu, nebyla posouzena stabilita válcové skořepiny při nesymetrickém zatížení sněhem a příčný řez válcovou skořepinou nebyl dostatečně vyztužen lanovými příhradovými vazníky. Došlo k náhlé totální havárii objektu. Bylo mimořádným štěstím i dílem náhody, že školáci z několika tříd i s učitelkami krátce před havárií konstrukce opustili ledovou plochu.

Zkušenosti z předmětné havárie uplatnil autor projektu ocelové konstrukce haly při opravě a zesílení obdobných konstrukcí, které byly realizovány v Berlíně. Konstrukce bruslařské haly Ledňáček byla po výrazné úpravě projektové dokumentace včetně statického výpočtu znovu vybudována a uvedena do provozu. K hlavním změnám patřilo vyztužení příčných řezů válcové skořepiny lanovými příhradovými nosníky a byla výrazně zvýšena tuhost spojů trubek.

Specialista investora, který odmítl původní ocelovou konstrukci Ledňáčku při kolaudaci převzít, byl dodatečně oceněn a odměněn ředitelstvím Vítkovic o. p. Odpověď na otázku uvedenou v názvu tohoto článku: „Není známo, zda byl statický výpočet neobvyklé konstrukce řádně zkontrolován už v rámci projektu. Shodou okolností byl to až posudek zlepšovacího návrhu, který obrátil pozornost k zásadním závadám realizované nezkolaudované haly. Náhoda odvedla školáky z ledové plochy krátce před havárií nezkolaudované ocelové konstrukce, a proto nedošlo k tragické události. Na náhodu však nelze spoléhat. Výhrady ve znaleckém posudku měly být plně respektovány, i když byl posudek vypracován pouze pro zhodnocení zlepšovacího návrhu.“

OCELOVÝ KOMÍN V KLADNĚ
V rámci projektu 80 m vysokého ocelového komínu pro Poldi Kladno bylo dbáno na dodržení norem a souvisejících předpisů včetně vypracování posudku dynamické odezvy komínu při zatížení větrem. Drobná přehlédnutí v komplexním pojetí posudku spolehlivosti konstrukce a zdánlivě druhořadé úpravy však způsobily, že komín nebyl nikdy dokončen a musel být stržen [2].

K jakým chybám došlo? Ze dvou hlavních závad lze zdůraznit nejprve nesprávně odhadnutý časový průběh rychlosti a směru větru v průběhu realizace komínu, při čemž byla při výpočtu dynamické odezvy aplikována hmotnost vyzděného komínu. Dále byly předpokládány nejnepříznivější směry, rychlosti a trvání zatížení větrem aniž byla uvažována skutečná situace, tj. kombinace hmotnosti nevyzděného komínu (případně jen částečně vyzděného ocelového tubusu) a kritických rychlostí větru vyvolávajících nadměrnou dynamickou odezvu dosud nevyzděného ocelového tubusu.

Druhým závažným nedopatřením bylo vyříznutí obdélníkového otvoru v ocelovém tubusu asi ve 2⁄3 celkové výšky komínu. Otvor měl umožnit průchod lana od kladky sloužící k transportu cihel pro vyzdívku vnitřního povrchu ocelového tubusu. V důsledku kmitání ocelové konstrukce komínu větrem vznikly v místech velkých koncentrací napětí (tj. v rozích vyříznutého otvoru) vodorovně se šířící trhliny.

Vzhledem k rychlosti šíření únavových trhlin bylo velice obtížné navrhnout opatření, která by zabránila pádu komínu na sousední objekt, což by způsobilo nadměrné hmotné škody. Nebylo nalezeno přiměřené řešení záchrany hotového ocelového tubusu, a proto bylo nutno komín strhnout šikmým lanem uchyceným na horním konci komínu a na terénu taženým vojenským tahačem. Zdemolované vetknutí komínu do základu a stržený nevyzděný komín jsou na obr. 5 a 6.

Odpověď na otázku uvedenou v názvu článku: „ Při realizaci komínu měl být montován současně ocelový tubus s bezprostředně navazujícím vyzdíváním, čímž by byly splněny předpoklady zavedené do dynamického posudku konstrukce. V ocelovém tubusu komínu nelze vyříznout otvor bez nebezpečí vzniku a šíření únavových trhlin při nadměrném příčném kmitání tubusu zatíženého větrem. Je nutné důrazně připomenout, že prováděcí podnik vyřízl v tubusu otvor bez souhlasu projektanta ocelové konstrukce.

TRAMVAJOVÝ MOST PŘES VLTAVU V HOLEŠOVICÍCH
Koncem sedmdesátých let byl v Praze-Holešovicích vybudován tramvajový most přes Vltavu, viz obr. 7. K realizaci mostu byla nevhodně použita ženijní souprava ŽBM-30 z ocelí vyšší pevnosti navržená pouze pro krátkodobé vojenské nasazení za války. Už po krátké době provozu byla správa mostu upozorněna na skutečnost, že mostní konstrukce nebyla posouzena na únavu. Bylo snadné prokázat, že riziko havárie ocelového mostu v důsledku akumulace poškození únavou rychle rostlo [3]. Podrobnosti jsou uvedeny v odborné literatuře, např. [4].

Není snadné pochopit, proč byl most, který byl vystavený cca dvěma stům přejezdů tramvajových souprav denně, některými autoritami považován za provizorní most, který není třeba na únavu posuzovat. Už úvodní posudek mostní konstrukce na únavu ukázal nadměrné riziko porušení únavou a nedostatečnou zbytkovou životnost. Na základě odborných posudků a jednání bylo rozhodnuto most demontovat, což se stalo pravděpodobně jen několik málo dní před jeho zřícením, neboť v tomto čase byly v dolních pásnicích konstatovány příčné únavové trhliny až 200 mm dlouhé. Nepoškozené součásti tramvajového mostu byly převezeny do města Louny, kde byla ocelová mostní konstrukce využita k zastřešení zimního stadionu sloužícího už více než 25 roků (viz obr. 8).

Odpověď na otázku uvedenou v názvu článku: „Mostní konstrukce ŽBM-30 měla být podrobně posouzena z hlediska akumulace poškození únavou od přejíždějících tramvají před zahájením projekčních prací. Není pochopitelné, proč např. funkcionář ČVUT dal souhlas ke slavnostnímu zahájení provozu na mostě, ačkoliv už tehdy nebyl most z hlediska pevnosti na únavu dostatečně spolehlivý. Podrobnější vysvětlení je uvedeno např. v [3] a [4].“

OCELOVÉ MONTÁŽNÍ LEŠENÍ OBLOUKOVÉHO BETONOVÉHO MOSTU U LOKTE
Na obr. 9 a 10 jsou pohledy na ocelové konstrukce montážního lešení. Po dokončení betonových oblouků měla být ocelová příhradová konstrukce lešení demontována. Tímto náročným úkolem byla pověřena četa vojínů pod vedením nezkušeného čerstvého absolventa stavební fakulty. Na jeho pokyn začali dva vojíni uvolňovat postupně vodorovné příčné trubkové opěry zajišťující příčnou stabilitu horního a dolního pasu příhradového nosníku. Po uvolnění trubek měl být podle nesmyslného a neuskutečnitelného záměru ocelový příhradový nosník o rozpětí téměř 50 m přesunut mimo půdorys betonové konstrukce pod kabelový jeřáb, zavěšen na hák jeřábu a spuštěn do údolí. Nenašel se žádný kolemjdoucí, který by byl skupině vojínů záměr rozmluvil.

Nesmyslný příkaz uvolnit připojení trubek zajišťující pasy příhradového nosníku proti vybočení z roviny nosníku v úrovních dolního a horního pásu skončil tragicky. Vojíni začali odpojovat postupně jednotlivé trubky, počínaje trubkami nejbližšími ke koncům nosníku. Ve chvíli, kdy byly uvolněny přípoje trubek ve vnějších čtvrtinách rozpětí příhradového nosníku, vybočily tlačené pasy nosníku z roviny nosníku a konstrukce se zřítila, při čemž s sebou strhla oba vojíny, kteří pád nepřežili. Je zřejmé, že před počátkem uvolňování trubek by bývalo stačilo jasné varování od kolemjdoucího s vysvětlením nesmyslnosti navrženého postupu a oba vojíni mohli žít.

Odpověď na otázku uvedenou v názvu článku: „Vedení velice náročné demontáže velkorozponového příhradového lešení mělo být svěřeno zkušenému odborníkovi a ne četě vojínů, kteří pod vedením nezkušeného absolventa stavební fakulty se pokoušeli zvládnout zadaný úkol bez potřebných znalostí a zkušeností, což vedlo ke ztrátě dvou lidských životů.“

Příspěvek byl vypracován v rámci projektu GAČR č. 103/07/O557 za podpory Grantové agentury ČR, ÚTAM AV ČR v.v.i. v Praze a ZČU v Plzni.

LITERATURA:
[1] Stejskal, F.: Proč havarovala ala střecha zimního stadionu v Mariánských Lázních? Časopis „Konstrukce – Media“, 2/2009, Ostrava
[2] Marek, P.: Příčiny škod a havárií v oboru ocelových konstrukcí, Česká státní pojišťovna, edice „Zabraňujeme škodám – svazek 23“, Praha 1988
[3] Marek, P.: Životnost tramvajového mostního provizoria, Časopis DOPRAVA, 5–6/2007, Praha, str. 19–20
[4] Marek, P., Háša, P., Kottová, J.: K životnosti ocelové mostní konstrukce, Inženýrské stavby 81/2, Alfa, Bratislava, 1981
[5] Marek, P., Háša, P.: Využití demontovaných mostních nosníků k zastřešení zimního stadionu, Sborník „Seminář DT ČSVTS Košice“, Tatranská Lomnice, Sept. 1983
[6] Marek, P., Karásek, Z.: Zastřešení zimního stadionu v Lounech, Pozemní stavby 1984/4, SNTL, Praha

How to Contribute to the Avoidance of Steel Structure Accidents?
This article is connected to a sound explanation of steel structure accident of the ice-stadium in Mariánské Lázně caused by faulty welds and it puts emphasis on accidents which could be avoided providing that, let’s say, a random passer-by paid attention to the structure and applied their experience, knowledge and mainly personal initiative. The selected examples of crucial situations point out that the cause of life loss and economic damage does not necessarily have to be the error in dimension design or reliability assessment, nor incorrect welding, etc., moreover, it may be also caused by serious overlooking or negligence of crucial operational conditions, underestimation of the combination of temporary impacts or serious circumstances. The control of completeness and correctness of documentation prepared by the designer should be followed by consistent control of the performance and putting the structure into operation.

Autor

• Prof. Ing. Marek Pavel DrSc.

Jak přispět k omezení havárií ocelových konstrukcí?