Poučení z havárií ocelových a dřevěných konstrukcí

MOŽNÉ ZDROJE PORUCH NEBO HAVÁRIE
Z historie stavebního inženýrství víme, že první předpisy a normy pro navrhování stavebních ocelových a dřevěných konstrukcí na území současné České a Slovenské republiky pocházejí z konce 19. století. První normy pro navrhování ocelových (železných) konstrukcí, uvádějící některé základní teoretické vztahy a pokyny pro navrhování prvků a celých konstrukčních soustav, jsou až z druhé dekády 20. století. Rozsah těchto norem je několik stran formátu A5 a z porovnání rozsahu současných norem (několik set stran formátu A4) je zřejmé, co vše není v dřívějších předpisech obsaženo. Je tedy logické, že konstrukce z dřívější doby nemusí splňovat současné nároky na spolehlivost. Problémy stability prutů, tenkých stěn, plasticity, únavy spojů a další jsou nyní široce probádány a v normě jsou zakotvena velmi podrobná ustanovení pro navrhování, která nemusí dřívější konstrukce splňovat. A tak tyto konstrukce, navržené podle dřívějších předpisů, mohou mít nižší spolehlivost z hlediska současných ustanovení, dokonce vykazují poruchy nebo mohou náhle havarovat. To je zdroj závad, závislý na znalostech a poznání, čili objektivní. Dalším možným zdrojem závad je lidská činnost, tj. chyby v návrhu (projektu), vadné provedení, nedostatečná údržba nebo změna zatížení, základových poměrů či klimatických podmínek, které nebyly v návrhu a provedení konstrukce uvažovány. Rovněž chybná archivní dokumentace může vést v důsledcích při rekonstrukci k poruše či havárii. Je třeba podotknout, že velmi podrobné a někdy až nepřehledné vztahy v současných normách neumožňují rychlý a jasný návrh bez použití výpočetní techniky. Rychle vyvíjený software pro inženýrskou činnost a analýzu konstrukcí rovněž není prostý chyb a nutně vyžaduje fundovanou kontrolu výsledků z programů. Jednoduché výpočetní metody, a to někdy i grafické metody, používané v 60. letech minulého století a praktické zkušenosti inženýrů a konstruktérů z doby „ručních výpočtů a návrhů”, nabývají znovu na ceně a užitečnosti. Aplikace výpočetních programů, která umožňuje výpočet a návrh ze statického hlediska ne vždy vhodných, podřízených architektonickému vzhledu, mnohdy diskutabilní estetické hodnoty, vyžaduje zejména správnou volbu výpočetního modelu, okrajových podmínek a návrhu působení jednotlivých prvků. Zde je důležitá správná interpretace provedeného detailu. Dovoluji si citovat profesora Faltuse: „Vaše teorie, pane inženýre, je zajímavá. A ví o ní vaše konstrukce?“ Řešení detailů je současnou praxí často opomíjeno, a tak je mnohdy počítána se zcela odlišným chováním, než předpokládá výpočetní model.

NĚKTERÉ PORUCHY A HAVÁRIE Z POMĚRNĚ NEDÁVNÉ MINULOSTI
V minulosti došlo k některým problémům stavebních konstrukcí, na jejichž řešení se autor tohoto příspěvku podílel v období minulých 40 let. V tomto období můžeme rozlišit havárie konstrukcí, navržených bez užití výpočetní techniky, tzv. „ručními výpočty“, až do 80. let minulého století. Dále jsou havárie a poruchy, které byly navrženy pomocí výpočetní techniky pro navrhování, tj. cca po roce 1970. Na základě následujícího stručného popisu těchto některých problémů se pokusíme zobecnit příčiny, které k problémům či haváriím vedly. Uveďme nejprve případy ocelových konstrukcí, navržených dříve. Výpočty byly prováděny obvykle silovou metodou, vzhledem k poměrně nízkému stupni statické neurčitosti. Pokud byla použita deformační metoda, mohlo dojít při zanedbání některých přetvoření s cílem snížit počet neznámých a při eventuální další konstrukční chybě i k havárii.
Příkladem může být havárie výrobní haly v Plzni s rámovým světlíkem s táhlem z roku cca 1965, kdy statik použil deformační metodu, zanedbal natočení sloupku styčníku a konstruktér chybně navrhl šrouby přípoje (pouze jednostřižné místo statikem uvažovaných dvojstřižných šroubů). Při údržbě haly, opravě a čištění zasklení světlíku došlo k přetržení táhla v přípoji, deformaci celé haly a k smrtelnému pádu pracovníka, sedícího na lávce na táhlech (obr. 1). Příčina havárie byla dvojí: špatně zvolený výpočetní model a špatně zpracovaný výpočet. Kvůli zdánlivě formální chybě výpočtu, tj. chybějícímu obrázku, zvolil konstruktér pro přípoj šrouby jednostřižné místo uvažovaných dvojstřižných. Kumulací těchto chyb došlo při zatížení táhla příčným zatížením pracovníkem, opravujícím zasklení světlíku, k přetížení přípoje a k havárii, ke které došlo již po několika letech existence haly. Konstrukce haly nevykazovala při zběžném pohledu žádná význačná přetvoření a nevarovala, že část konstrukce má výrazně sníženou spolehlivost.
Obdobné chyby ve statických výpočtech jsou podle mých zkušeností časté a použití výpočetních programů vede mnohdy ke zvýšenému výskytu tohoto vážného nedostatku. Pokud výpočetní program některé obrázky nekreslí, je běžnou praxí, že statici je už obvykle ručně nedoplňují. To se týká prakticky všech konstrukčních detailů a přípojů, které statici často podrobně neřeší, protože se mylně domnívají, že výpočetní program tyto záležitosti ošetřuje. Velmi známou je havárie ocelové haly elektrárny v Opatovicích, ke které došlo v roce 2002. Konstrukce je z roku 1957. Statický systém ocelové konstrukce haly kotelny (rozměry 186,9 × 27,5 m, výška uložení vazníků je 45,3 m) je tvořen příčnými tuhými vazbami s vetknutými sloupy, mezi nimiž jsou příhradové vazníky rozpětí 27,5 m. Vazby jsou mezi sebou vzdáleny 7,5 m, u štítových stěn (jižní řada 1 a severní řada 25) jsou pole rozteče 3 m a u řady 17 je dilatační pole o šířce 0,9 m. V podélném směru je konstrukce jedenkrát dilatovaná v řadě 17. Dilatace je řešena klasicky zdvojením konstrukce (vč. sloupů). V hale je rozmístěno šest kotlů se samostatnou, na hale nezávislou konstrukcí. Na podzim roku 2002 na střeše kotelny probíhala rekonstrukce střešního pláště. Spočívala v odstranění nenosných vrstev střešního pláště a v jejich náhradě novými, podle technické dokumentace lehčími vrstvami. K havárii došlo nečekaně v ranních hodinách, střecha se zřítila podle výpadku kotlů během 10 vteřin, bez předchozího varování (obr. 2). Příčin havárie bylo několik, hlavní byly technologické vady při provádění stavby:

• konstrukce byla výrazně přetížená existujícím stálým zatížením po celou dobu životnosti,
• úroveň přetížení byla přibližně stejná pro všechny rozhodující nosné prvky, takže při kolapsu jednoho vazníku nemohlo dojít k přerozdělení zatížení na jiné, méně zatížené prvky,
• konstrukce byla vyrobena se závažnými skrytými výrobními vadami, které nemohly být vizuálně odhaleny ani na čisté konstrukci, natož na konstrukci v kotelně
  elektrárny,
• skryté výrobní vady byly takového charakteru, že v některých svarových spojích bylo již při působícím stálém zatížení dosaženo meze pevnosti materiálu.

Z hlediska dnešních i dřívějších požadavků na spolehlivost byla konstrukce nedostatečně dimenzována od samého počátku své existence (s respektováním možných úlev na nahodilém zatížení by napjatost hlavních prvků byla mírně nad tehdejšími dovolenými namáháními).
Střešní konstrukce byla v dilataci propojena silnými konstrukčními prvky s oválnými otvory. V okamžiku havárie však došlo k velkým deformacím a oválné otvory v dilataci přestaly plnit svou roli. Tímto způsobem mohl řetězový efekt havárie přejít i přes dilatační spáru.
Jiná porucha konstrukce z dřívější doby (navržené rovněž v 60. letech) se vyskytla na 70 m vysoké budově Stimbuilding v Praze. Úvodem řekněme, že příčinou byla neodborná údržba instalací vody, která vedla po třiceti letech k téměř havarijní situaci. Nešlo o chyby návrhu či provedení. Došlo k prokorodování hlavních nosných sloupů (obr. 3 a 4) uvnitř budovy. Ta byla navržena se spřaženými stropy systémem FEAL, kde spřažení stropních nosníků je provedeno pouze soudržností ocelových stropnic s betonovou deskou, betonovanou na stavbě do tenkostěnných trapézových plechů.
Dalším příkladem poruch, způsobených špatnou údržbou a vadně provedenou hydroizolací, je koroze tenkostěnných plechů, tvořících tlačený pás trojbokých příhradových vazníků zastřešení celokovových plaveckých středisek, postavených v Československu v 70. letech. Koroze poškodila střechu a obvodové i vnitřní stěny budovy. Nádrže, které byly metalizovány a natřeny, nevykázaly vážné poruchy (obr. 5 a 6).
V posledních letech došlo k řadě poruch staveb již při jejich výstavbě. Vinou byla obvykle chyba návrhu konstrukce. Uveďme například halu Sagem v Kladně, kde došlo ke vzniku nadměrných deformací (1⁄100 rozpětí) spřažených stropních nosníků při provádění. Při bližším šetření bylo zjištěno, že stropy prošly havarijním stavem při tvrdnutí betonu, kdy výpočet ukazoval na překročení meze kluzu ve stropních nosnících. Chybou byl vadný návrh spřažené konstrukce, kdy statik neuvažoval montážní zatížení čerstvým betonem a posuzoval pouze konečný stav spřažené konstrukce. Montážní podepření stropů nebylo uvažováno. Hrozilo nebezpečí, že by při dalším zatěžování mohlo dojít k nárůstu deformací ve zplastizovaných zónách nosníků. Pro opravu bylo navrženo nadzdvižení nadměrně prohnutých nosníků lisem a jejich zesílení na montáži přivařenou pásnicí. Míra nadzdvižení byla stanovena na základě vypočteného napětí v horní výztuži železobetonové desky. Pro ověření účinku zesílení a uklidnění investora byla provedena zatěžovací zkouška spřaženého nosníku při dodržení stejných podmínek, jako měly nosníky stropu. Tato zkouška ukázala výrazně vyšší únosnost opraveného nosníku, než bylo původně uvažováno. Je třeba poznamenat, že stavba i projekt byly kontrolovány speciální dozorčí organizací, probíhal běžný dozor stavby včetně autorského dozoru – i přesto došlo téměř k nevratné havárii (obr. 7 a 8).

Celý nezkrácený článek včetně všech obrázků si můžete přečíst v prosincovém čísle 6/2005.

Autor

• Prof. Ing. Vašek Milan Ph.D.