Zesílení železobetonových sloupů objektu CPI City Center Olomouc
Příspěvek popisuje zkušenosti získané při projektování, návrhu a provádění sanace železobetonové konstrukce, která je tvořena ve spodní části železobetonovým skeletem, od 3.NP stěnovou soustavou T06B s ohledem na přitížení dalším nadzemním podlažím.
1. Popis objektu
Stávající hotel má deset nadzemních a jedno podzemní podlaží. Půdorysné rozměry hotelu jsou cca 17,0×37,0 m. S hotelem sousedí třípodlažní přístavba cca 16,0×35,0 m (dvě nadzemní a jedno podzemní podlaží. Stávající hotel bude při rekonstrukci navýšen o jedno patro na celkových 11. Přístavba hotelu bude v části půdorysu rovněž navýšena o jedno podlaží. Výška hotelu nad terénem tak bude cca 36,0 m.
Obr. 1.: Řez budovou hotelu po provedení navržené nástavby.
Z konstrukčního hlediska jsou dvě nadzemní a jedno podzemní podlaží provedena jako železobetonový monolitický skelet. Sloupy jsou kruhového průřezu o ∅500 a 600 mm. Stropní konstrukce jsou železobetonové monolitické trámové o tloušťce desek 150mm. Od třetího podlaží je pak nosný systém proveden jako prefabrikovaný železobetonový stěnový konstrukční systém s příčným uspořádáním nosných stěn – z panelového systému T 06 B. Tloušťka nosných stěn je 150mm. Tloušťka stropních panelů je taktéž 150mm.
Hotel je založen plošně na základových patkách a pasech v úrovni únosných vrstev štěrků. U stávajícího hotelu se uvažuje s navýšením o jedno podlaží. Konstrukčně je předběžně navrženo jako příčný stěnový systém respektující nosný konstrukční systém spodních podlaží. Stěny jsou předběžně navrženy zděné tl. 250 mm z cihelných bloků P10 na M5,0. Na stěnách jsou uloženy stropní panely SPIROLL tl. 165 mm. Část stropní konstrukce v místě instalačních prostupů je řešeno jako ocelobetonový strop s trapézovým plechem s tloušťkou betonu 50 mm nad vlnu trapézového plechu z betonu C20/25-XC1 vyztužený sítí KARI.
2. Návrh zesílení konstrukce sloupů
Obr. 2.: 3D model konstrukce vytvořený programu Recoc použitý ke stanovení vnitřních sil ve sloupech (5)
Obr. 3. ZS1 vlastní tíha
Obr. 4. ZS2 zbytek zatížení pro ocel
Obr. 5. normálové síly v prutech
Vnitřní síly stanoveny v programu FEAT 2000 (7)
Pro tvorbu modelu byly použity podklady dostupné realizační dokumentace objektu z roku 1978. Byly uvažovány materiálové charakteristiky dle projektu. Tuhost styků nosných dílců byla uvažována dle dostupných projektových podkladů Regenerace panelových domů z roku 2000. (3)
Pro zesílení sloupů byly navrženy dvě varianty řešení:
Technologický postup sanace sloupů FRP tkaninou
- odstranění vrstvy azbestu specializovanou firmou při dodržení všech bezpečnostních a hygienických předpisů
- odstranění zbytků azbestu a uvolněných vrstev s povrchu zesilovaného sloupu plochou bruskou nebo vodním paprskem
- vyspravení a reprofilace povrchu ocelobetonového sloupu opravnými maltami odpovídajícími minimálně betonu C20/25-XC1
- nanesení primární vrstvy lepidla nebo pasty (podle použité technologie k lepení tkaniny)
- přiložení a zaválečkování vrstvy tkaniny
- nanesení uzavírací vrstvy lepidla
- bude-li následovat další vrstva tkaniny bude opět nanesena vrstva lepidla nebo pasty a opakováno položení a zaválečkování tkaniny
Technologický postup zesílení sloupů pomocí pásové oceli
- rozdělení výšky podlaží tak aby bylo možno vyrobit zesilující plochou ocel na míru světlosti zmenšenou o montážní rezervu využitou ke klínování a aktivací profilů
- plochá ocel P10-100/délka (P15-100/délka) bude opatřena patním a čelním plechem P10-80/120
- do spodního plechu bude vyvrtán otvor pro kotvu průměru 8 mm
- ke sloupu se přiloží všech 6 nebo 8 kusů svislých plechů
- vytvoří se objímka pod spodní hranou stopní desky a nad horní hranou základové desky, resp. spodním stropem
- aktivace zesílení vyklínováním vůči stropům
- postupné doplnění objímek z ploché ocele P4-50 podle dle výkresu
- podlití rychle tuhnoucí plastickou maltou
- ocel bude třeba opatřit ochranným nátěrem nebo obkladem podle požadované požární odolnosti
Ukázka výpočtu zesílení sloupů tkaninou FRP
Požadavkem objednavatele bylo zvýšení pevnosti sloupů pomocí bandážování FRP tkaninou ze stávající pevnosti C 12/15 na pevnost C 16/20 a C 20/25 u sloupů průměru 500 mm.
| Vlastnosti pásů | |
|---|---|
| Složení | spletená síť málo zvlněných, jednosměrných vláken, s lehkým polyesterem, připevněným k vláknům |
| Šíře | 400 mm jako standardní rozměry, ostatní možno dodat dle objednávky |
| Barva | černá |
| Hmotnost pásu | 300g/m2 |
| Obsah vláken | 100% |
| Objemová hmotnost vlákna | 1,80g/cm3 |
| Efektivní tloušťka pletiva | 0,167 mm |
| Typické mechanické vlastnosti vlákna | |
| Modul pružnosti | 230 Gpa |
| Pevnost v tahu | 4300 Mpa |
| Prodloužení v přetržení | 1,8% |
Tab. 1.: Technické informace o použité FRP tkanině od STADO CZ s.r.o. (6)
Požadavkem min. zesílení ovinutím je zvýšení pevnosti o 6 MPa, tj. σx ≥ 1,5 MPa.
γf · σx = ( fFRP · tFRP ) / r
kde
| fFRP | pevnost v tahu použité tkaniny | (N/mm2) |
| tFRP | tloušťka uhlíkových vláken | (mm) |
| r | poloměr sloupu | (mm) |
Požadovaný stupeň bezpečnosti γf = 1,75.
| fFRP | = 4300 N/mm2 |
| tFRP | = 0,167 mm |
| r | = 500 mm |
Stanovíme počet ovinutí sloupu (2):
tFRP = ( γf · σx · r ) / fFRP = (1,75 · 1,5 · 500) / 4300 = 0,305 mm
Sloup bude nutno ovinout min. 2 vrstvami tkaniny.
Pevnost sloupu po ovinutí 2 vrstvami tkaniny Stado Wraping G (3):
σx = ( fFRP · tFRP ) / ( r · γf ) = (4300 · 2 · 0,167) / (500 · 1,75) = 1,64 MPa
Pevnost po ovinutí
fcFRP = fc + 4 · σx = 15 + 4 · 1,64 = 21,56 MPa
≥ Rbg = 20 MPa min. kontroloní pevnost betonu pro beton třídy C 16/20.
Válcová pevnost je pak fck,FRP = 21,56 / 1,25 = 17,25 MPa
Požadavkem min. zesílení ovinutím je zvýšení pevnosti o 10 MPa, tj. σx ≥ 3MPa.
Stanovíme počet ovinutí sloupu (4).
tFRP = ( γf · σx · r ) / fFRP = (1,75 · 3 · 500) / 4300 = 0,61 mm
Sloup bude nutno ovinout min. 4 vrstvami tkaniny.
Celková pevnost po jeho ovinutí 4 vrstvami tkaniny Stado Wraping G (5).
σx = ( fFRP · tFRP ) / ( r · γf ) = (4300 · 4 · 0,167) / (500 · 1,75) = 3,28 MPa
Pevnost po ovinutí
fcFRP = fc + 4 · σx = 15 + 4 · 3,28 = 28,12 MPa ≥ Rbg = 25 MPa a min. kontrolní pevnost betonu pro beton třídy C 20/25.
Válcová pevnost je pak fck,FRP = 28,12 / 1,25 = 22,5 MPa
Návrh zesílení sloupů opásánám oceli
Na základě poměrů tuhosti původního sloupu a navržené ocelové objímky bylo rozloženo zatížení do původního železobetonového sloupu a zesilující ocelové objímky.
Obr. 6.: Výkres výztuže zesilovaných sloupů z dochované původní dokumentace.
Obr. 7.: Schéma zesílení sloupu pomocí ocelové objímky.
Obr. 8.: Schéma zesílení sloupů FRP tkaninou. Stojky aktivovány vyklínováním.
Obr. 9.: Pohled na neuhutněný sloup
Ze dvou navržených variant zvolil zhotovitel použití FRP tkanin.
Po odstranění krycích azbestových potrubí bylo zjištěno na řadě sloupů množství lokálních „hnízd“ a také naměřeny nedostatečné odtahové pevnosti. (v intervalu 0,8-1,0 N/mm2)
V úvahu připadají dvě možnosti:
- zlepšení kontaktní vrstvy betonu pomocí penetrace podkladu až bude splněna podmínka min. odtahové pevnosti ≥ 0,8 MPa
- zvětšení kotevní délky tkaniny v poměru min. pevnosti a skutečné přičemž jako minimální bude uvažována hodnota 1 MPa a tímto poměrem násobena kotevní délka tkaniny.
k = ( 1 MPa / odtrhová pevnost ) · lk , kde lk = min. 150 mm (6)
Tab. 2.: Technické informace o materiálu Stado Resibond Rapid od STADO CZ s.r.o. (6)
Sloupy s takto zjištěnými poruchami byly sanovány za současného podepření konstrukce, vybourání povrchové vrstvy betonu na hloubku 80 až 100 mm. Očekávaná pevnost betonu bude min. 30 MPa.
| Tj. tlaková únosnost sloupu: | 0,105 x 0,8 x 30 = | 2,52 MN |
| Zbytek sloupu: | 0,091 x 0,8 x 10 = | 0,728 MN |
| Celkem: | 3,248 MN | |
| Sloup standardně zesílený: | 0,196 x 0,8 x 20 = | 3,136 MN |
Takže pokud jsme byli schopni pomocí injektáže zajisti min. pevnost betonu v tlaku 10 MPa, šlo odstranit z poškozených sloupů pouze povrchovou vrstvu tloušťky cca 80 až 100 mm a zbytek sloupu pouze zainjektovat při zachování stejné únosnosti jako by bylo dosaženo u sloupů zesílených z původně zjištěné pevnosti 15 MPa na uvažovanou krychelnou pevnost 20 MPa sanační hmotou s pevností min. 30 MPa.
Obr. 10.: Pohled na konstrukci před zahájením sanačních prací.
Obr. 11.: Pohled na obnaženou konstrukci stěnového systému horních podlaží
Obr. 12. Pohled na sloupy zbavené azbestových trub, viditelná hnízda.
Obr. 13. Pohled na hloubku odstraněného nesoudržného betonu v místě lokální poruchy.
Obr. 14 . Pohled na postupné zesilování sloupů při kompletním podepření konstrukce.
Obr. 15. Válečkování lepidla.
Obr. 16.: Pohled na prováděné zesílení
Obr. 17.: Pohled na zesílené sloupy po odstranění podepření.
Literatura
1. Fib Biletin Nr. 1.
2. ČSN EN 1993-1-1 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby
3. Komplexní regenerace nosné konstrukce panelových domů stavební soustavy T 06 B
4. ČSN EN 1992-1-1 Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí. Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby
5. Program RECOC, program pro analýzu konstrukcí MKP, web: www.recoc.cz
6. Technické listy pro aplikaci FRP tkanin, web: www.stado.cz
7. Program FEAT 2000, program pro analýzu konstrukcí MKP, web: www.scia.cz
This paper describes the experience gained in planning, design and implementation of rehabilitation reinforced concrete structure, which is formed in the lower part of the reinforced concrete skeleton, from 3.NP T06B wall system with regard to the loading of the next deck above.