Teoretická a experimentálna analýza nosnej betónovej konštrukcie po neodbornom zásahu a jej následná sanácia

• Foto

Skutkový stav
Pri obhliadke predmetnej budovy postavenej v šesťdesiatych rokoch minulého storočia za účelom zistenia jej skutočného stavu z hľadiska jej využívania a poskytnutia stanoviska k ďalšiemu bezproblémovému využívaniu priestorov, u ktorých sa zmenil účel, resp. doposiaľ neboli využívané, sa zistili významné poškodenia a poruchy na nosnej konštrukcii – obrázok 1. Nosným systémom je murovaná konštrukcia s pozdĺžnymi murovanými stenami, doplnená o vnútorný pozdĺžny trojpoľový železobetónový rám. Rám podopiera klasický trámový strop so spojitou železobetónovou doskou. Budova má štyri nadzemné a jedno podzemné podlažie, základy sú pásové a pod stĺpmi sú pätky. V čase obhliadky už prebiehali rekonštrukčné práce priestorov, kde sa uskutočnilo odstránenie starej technológie a začala sa príprava na ich nové využitie. Práve pri týchto činnostiach došlo ku spomínaným poškodeniam nosného systému budovy a následne k závažným poruchám.

Zmeny v statickom pôsobení následkom neodborného zásahu do nosnej konštrukcie
Pri vizuálnej obhliadke sa zistili poškodenia železobetónového rámu, početné trhliny na samotnej priečli, trámoch a spojitej železobetónovej doske. Rámová priečľa vnútorného pozdĺžneho rámu bola veľmi vážne poškodená neodborným zásahom – obrázok 1. Nakoľko išlo o zistenie závažných nedostatkov, bolo potrebné veľmi rýchlo konať. V rámovej priečli na najnižšom podlaží približne v jednej tretine od podopretia bola vyrezaná časť nosnej výstuže v dĺžke cca 250 mm – obrázok 1. Z celkového počtu 7 ks hlavnej nosnej výstuže boli 4 ks výstuže prerušené – obrázok 2.

Táto časť rámu je najviac exponovaná, nakoľko podopiera trámový strop pod vstupnými a zhromažďovacími priestormi. Zásah bol neodborný a ak berieme v úvahu možné následky, tak aj veľmi vážny až nebezpečný. Následky boli viditeľné na nosných prvkoch i na ich priľahlých nesených a nenosných súčastiach – obrázok 3.

Diagnostika konštrukcie
Prejavy porúch boli tak jednoznačné, že bolo potrebné okamžite zasiahnuť. Bolo nevyhnutné urobiť niekoľko rozhodujúcich krokov, bez toho aby sa vykonali ďalšie zisťovania. Išlo o podopretie poškodenej rámovej priečle drevenými stĺpikmi a zastavenie ďalšich prestavbových prác v dotknutých priestoroch – obrázok 3 a 4.

V nadväznosti na to sa vykonala diagnostika nosnej konštrukcie, boli zisťované, merané a dokumentované vzniknuté trhliny ich šírka, poloha a sklon. Šírku trhlín sme merali príložnými meradlami, polohu trhlín sme zameriavali metrom a ich staničenie sme zakresľovali a dokumentovali štandardným spôsobom priamo na mieste do pripravených podkladov. Fotodokumentácia bola robená pre všetky realizované činnosti a tvorí významnú časť dokumentácie. Pasivitu trhlín sme overovali hneď po zistení porúch. Sadrové terčíky boli osadené na najviac poškodených nosných prvkoch, na rámovú priečľu, trámy a spojitú dosku, pre overenie aktivity trhlín – obrázok 5.

Z meraní a dokumentovania trhlín uvádzame niektoré poznatky. V doskách boli zistené opakujúce sa pozdĺžne trhliny kolmé na umiestnenú hlavnú výstuž dosky, pozdĺž trámov trámového stropu a v strede rozpätia spojitej dosky. V najviac poškodených oblastiach dosky šírka trhliny dosahovala hodnoty až 1mm. V trámoch boli zistené významné šikmé trhliny v mieste spoja s rámovou priečľou a ich šírka bola väčšia než 0,5 mm. Dostúpenie šmykovej odolnosti týchto prvkov sa stalo okamžite ďalším otvoreným problémom, ktorý bolo potrebné riešiť. V rámovej priečli, kde došlo k neodbornému zásahu – vyrezaniu časti výstuže, boli taktiež zistené veľmi významné kolmé trhliny k pozdĺžnej osi priečle. Trhliny boli lokalizované v mieste spoja trám – rámová priečľa ako paralelné z oboch strán trámu najbližšieho k miestu neodborného zásahu. Trhliny boli zistené po celej výške rámovej priečle a spojite prechádzali do vodorovných trhlín v doske. Reálne trhliny nám rozdelili rámovú priečľu na kvázi samostatné bloky spojené iba pozdĺžnou výstužou. Išlo o jasný prejav prekročenia šmykovej odolnosti časti rámovej priečle. Možno, že pre laika tento „ malý neodborný“ zásah do nosného systému budovy v reáli zapríčinil neskutočne veľké problémy s jej ďalším užívaním.

Zisťovanie ďalších vybraných charakteristík
Všetky diagnostické procesy prebiehali veľmi pružne, intenzívne a vo veľmi krátkom časovom úseku. Zvýšenú pozornosť sme venovali sledovaniu deformácii sadrových terčíkov, zameraniu skutočných rozmerov prvkov, zisťovaniu pevnostných charakteristík betónu a výstuže. Rozmery prvkov rámovej konštrukcie a prvkov trámového stropu sme overovali pomocou metra a pásma – obrázok 6.

Nakoľko objednávateľom nebola poskytnutá žiadna pôvodná dokumentácia k budove a nosnému systému budovy už vôbec, bolo nutné pripraviť relevantné podklady pre posúdenie nosnej konštrukcie. Preto ako ďalšia v poradí sa zisťovala pevnosť betónu nosného železobetónového rámu, ktorá bola preverená nedeštruktívnou tvrdomernou metódou pomocou schmidtového kladivka typu N – obrázok 7. Homogenita betónu bola skontrolovaná ultrazvukovým prístrojom.

Zvýšenú pozornosť sme venovali zdokumentovaniu výstuže. Poloha a počet prútov výstuže boli zisťované nedeštruktívnou metódou pomocou magnetického indikátora Profometra. Priemer prútov bol zistený na základe mechanického odkrytia výstuže v rozhodujúcich prierezoch. Skorodovaná výstuž bola pred meraním priemeru najprv očistená. Priemer výstuže sme zisťovali pomocou posuvného meradla „šuplery“– obrázok 8.

Polohovanie výstuže spojitej dosky trámového stropu a ostatných dosiek sme robili obdobne ako u trámov a rámovej priečle. Priemer výstuže sme zisťovali vo vybraných miestach, ktoré sme za týmto účelom odkryli. Polohu výstuže sme zakresľovali priamo na spodný povrch dosky – obrázok 9.

Stĺpy rámu v časti neodborného zásahu do rámovej konštrukcie nevykazovali významné poruchy, ale aj napriek tomu sme urobili podrobnú diagnostiku ich skutočného stavu. Obdobne ako u trámov, rámovej priečle a dosiek sme zisťovali priemer výstuže pomocou posuvného meradla, polohu výstuže pomocou magnetického indikátora Profometra – obrázok 10.

Stabilizovanie nosnej konštrukcie a následné analýzy
Základnou úlohou po zistení porúch a ich príčin bolo zastaviť proces porušovania nosnej konštrukcie. Rozhodli sme sa obnoviť funkčnosť prerušenej výstuže. To sa udialo v krátkom čase. Paralelne boli sledované osadené sadrové terčíky. V priebehu troch dní od osadenia sa všetky terčíky porušili. Išlo o jasný signál ďalšieho porušovania konštrukcie. Obnova funkčnosti nosnej konštrukcie bola zaistená doplnením chýbajúcej výstuže a privarením ku torzám odrezanej výstuže – obrázok 11.

Technické riešenie obnovy spojitosti výstuže je zobrazené na obrázku 12. Spojitosť výstuže bola zabezpečená doplnením a následným privarením chýbajúcich častí prútov. Keďže z dôvodu zlej dostupnosti zváraných častí nebolo možné previesť zvar na požadovanej úrovni, boli ku každému prútu prerušenej výstuže kútovými zvarmi pripojené L profily 35 × 35 × 5, ktorých plocha zodpovedá ploche výstužných prútov a dĺžky zvarov boli navrhnuté na plnú možnú silu vo výstuži. Podľa veku konštrukcie a tvaru prútov bola výstuž identifikovaná ako výstuž s označením 10 216 (E) s pevnosťou 210 MPa.

Analýza porušenej konštrukcie a návrh a realizácia jej finálnej sanácie
Pomocou Schmidtovho kladivka sme určili pevnosť betónu na 17,05 MPa čo zodpovedá betónu C 12/15. Trám je vystužený 7 prútmi Ø 20 mm z ocele E 10216 s pevnosťou 210 MPa. Krytie výstuže je 15 mm. Kedže prvok tvorí spojitú konštrukciu, teda spolupôsobí s doskou, efektívnu šírku bw sme určili na 1,87 m.

Ohybová odolnosť daného prierezu bola M_Rd = 217,5 kNm. Zaťaženie (vrátane stáleho a premenného), ktoré na danej konštrukcii vyvodí daný dimenzačný moment má hodnotu f_d = 29 kNm².Po operatívnej obnove funkčnosti nosnej konštrukcie sme z dôvodu nemožnosti určenie presných materiálových charakteristík dopĺňanej výstuže a kvality zvarov, s ohľadom na zmenený ráz využívaných priestorov, zvolili navyše zosilnenie pomocou podpernej oceľovej konštrukcie. Zosilnenie bolo navrhnuté na prenos 50 % daného zaťaženia čiže f_d = 14,5 kNm², po zohľadnení zaťažovacej šírky líniové zaťaženie na jeden nosník zosilňujúcej konštrukcie je f_d = 75 kNm.

Modelovanie konštrukcie a výpočet prierezových síl sa uskutočnil programovým produktom SCIA.

Konštrkciu sme modelovali bez porúch za účelom čo najpresnejšieho zistenia zaťaženia, s ktorým bolo uvažovane pri prvotnom návrhu konštrukcie pri známej odolnosti T prierezu priečle. Z analýzy vyplynula potreba zosilniť konštrukciu aj z dôvodu evidentných porúch a významnej redistribúcie prierezových síl. Návrh zosilnenia bol volený s ohľadom na čo najskoršiu sanáciu. Oceľovú konštrukciu sme navrhli tak, aby sme rešpektovali požiadavku objednávateľa. Touto bolo dodržať existujúcu podchodnú výšku v krajných poliach železobetónového rámu. Takto vznikol návrh podoprieť konštrukciu pod trámami, ktoré podopiera rámová priečľa. Výška oceľových profilov sa upravila na rozdielovú hodnotu medzi výškou rámovej priečle a výškou trámu – obrázok 13 a 18. Podopretie bolo navrhnuté z oceľových rúr – obrázok 16 – 20.

Pri návrhu prierezov prvkov oceľovej konštrukcie sme boli limitovaný potrebnou podchodnou výškou v strednom poli, tomu bola podriadená aj voľba tried použitej ocele, no taktiež požiadavke optimálneho ekonomického návrhu. Jedná sa hlavne o nosník zo zdvojeného U prierezu, ktorý podopiera trámy stropu v pozdĺžnom smere, je vyrobený z ocele triedy S 355,ostatné prvky sú z ocele S 235 – obrázok 21.

Na obrázku 21 sú farebne a číselne označené jednotlivé požité prierezy na konštrukcii.

Celkovo bolo použité 1 952 kg ocele, z toho 1 228,5 kg ocele triedy S355 a 723,5 kg ocele triedy S235.

Proces osadzovania jednotlivých časti podpernej konštrukcie bol veľmi jednoduchý. Na zdvíhanie prvkov oceľovej konštrukcie sa použili závitové tyče, ako je to dokumentované na obrázku 22.

Pohľad na sanovanú nosnú konštrukciu vidíme na obrázku 23. Spojitý oceľový rám má vo vnútormom poli šikmé podpery. Po namontovaní všetkých prvkov bola konštrukcia opatrená antikoróznym náterom.

Odporúčania
Napriek takmer okamžitému zásahu a veľmi pružnej realizácie zosilnenia konštrukcie boli navrhnuté dlhodobé sledovanie skutočného správania sa nosnej konštrukcie, aby sa overil správny návrh sanácie a vyvrátili sa možne podozrenia zo skrytých porúch a možných ďalších nedostatkov.

Záver
Niekedy „drobný zásah do nosného systému budovy“ neskúsenými pracovníkmi môže zapríčiniť významné poškodenia v lokálnej oblasti s globálnymi veľmi nepríjemnými dôsledkami. Preto týmto článkom chceme poukázať na potrebu komplexných prístupov a činnosti, ktoré je nutné pri takejto diagnostike a sanácii poškodenej konštrukcie vykonať. Chceme poukázať na potrebu erudovaného tímu a pružnosť v jeho jednotlivých činnostiach. Takýto tím pracovníkov musí vedieť správne analyzovať a syntetizovať poznatky a aplikovať ich na základe odborných a vedeckých analýz v konkrétnom návrhu sanácie a v konkrétnych podmienkach. Záverom môžeme konštatovať, že z pohľadu statiky neexistujú drobné zásahy do nosného systému, ale všetky zásahy do nosného systému je potrebné aby odobril odborník v danej oblasti – statik.

Zdroje informácií:
[1] Priganc, S., Bahleda, F.: Diagnostika a zosilňovanie betónových prvkov. SvF TU 7/2005, Košice, ISBN 80‑8073‑339‑2, s.124.
[2] STN EN 1991‑1‑1 Eurokód 1: Zaťaženia konštrukcií – Časť 1‑1: Všeobecné zaťaženia. Objemová tiaž, vlastná tiaž a úžitkové zaťaženia budov
[3] STN EN 1992‑1‑1 Eurokód 2: Navrhovanie betónových konštrukcií – Časť 1‑1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby (2006)
[4] STN EN 1993‑1‑1 Eurokód 3: Navrhovanie oceľových konštrukcií. Časť 1‑1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy (2006)

Theoretical and experimental analysis of supporting concrete structure after the unskilled intervention and its subsequent redevelopment
The article describes the process of concrete structure after an intervention in support of the system of the building. It describes the properties of the materials, the experimental verification, statically analysis of the structure and design of its reconstruction. Refurbishment of the bearing structures was carried out in a very short time.

Autoři

• Doc. Ing. Priganc Sergej Ph.D.
• Ing. Sabol Peter
• Ing. Kušnír Štefan