Sanácia nosnej konštrukcie panelovej budovy po požiari
Doterajšia prax ukázala, že najzávažnejším účinkom mimoriadneho zaťaženia panelových budov v našich podmienkach je výbuch plynu. Okrem výbuchu plynu býva významné aj pôsobenie zvýšenej teploty počas požiaru. Počas požiaru môže dochádzať k zmenám mechanických vlastností stavebných materiálov. Tieto sa po skončení zaťaženia teplotou nemusia vrátiť na svoju pôvodnú hodnotu. Článok v krátkosti popisuje návrh sanácie nosných prvkov panelového domu po požiari na 11. poschodí panelovej sústavy T-06.
1. Vplyv zvýšenej teploty na betón
Nárast teploty betónu má za následok zníženie modulu pružnosti a v závislosti od výšky teploty viac alebo menej výrazné trvalé porušenie, ktoré je spojené s poklesom pevnosti. Rozlišuje sa pritom tzv. plánované vystavením vysokým teplotám (napr. v komínoch) a neplánovaným (napr. vplyvom požiaru). Zohľadniť treba dĺžku pôsobenia a výšku teploty. Pri teplotách do 100 °C dochádza k intenzívnemu odparovaniu voľnej vody z cementového kameňa. Pri teplotách nad 80 °C dochádza k čiastočnému rozkladu etringitu. Nárastom teploty do približne 500 °C sa uvoľňuje viazaná voda z hydratačných produktov cementu, v rozmedzí 500 až 600 °C z hydroxidu vápenatého. Pri teplotách 700 až 1000 °C dochádza k uvoľňovaniu CO2 z kalcitu. V závislosti od mineralogického zloženia kameniva môže pri teplotách nad 1000 °C dochádzať k jeho taveniu.
Modul pružnosti klesá s narastajúcou teplotou. Pri teplotách od približne 80 °C je možné očakávať aj pokles pevnosti. Pri predpoklade trvale pôsobiacich teplôt nad 80 °C sa preto požadujú skúšky pevnosti a modulu pružnosti. Pokles pevnosti pri náraste teploty do 250 °C závisí od množstva vzniknutých mikrotrhlín v betóne. Tomu zodpovedá pomerne veľký rozptyl tlakovej pevnosti betónu v závislosti od jeho zloženia.
Obr. 1: Účinok teplôt na pevnosť betónu v tlaku
Teplotné cykly, i pri pomerne nízkych teplotách (< 65 °C), môžu mať škodlivý vplyv na mechanické vlastnosti betónu (napr. pevnosť v tlaku a ťahu, modul pružnosti). Väčšina betónových konštrukcií je vystavená takýmto denným, resp. ročným teplotným cyklom. Pri vyšších teplotách (200 až 300 °C), vyvolá prvý cyklus najväčšie percentuálne poškodenie, rozsah poškodenia je výrazne závislý od typu kameniva a je spojený so stratou súdržnosti medzi cementovou matricou a kamenivom.
Pri vysokých teplotách, ktoré vznikajú pri požiaroch (do 1200 °C) dochádza k odpraskávaniu betónu a porušeniu jeho štruktúry. Tento proces prebieha od povrchových vrstiev smerom do vnútra betónu. Porušenie betónovej krycej vrstvy vedie k obnaženiu výstuže a jej priame vystavenie pôsobeniu teploty. To má za následok jej rýchle zohriatie, lokálne vybočenie a prípadne aj roztrhnutie. Pri vysokých teplotách výrazne klesá medza klzu a pevnosti betonárskej i predpínacej výstuže.
STN EN 1992-1-2 zohľadňuje pokles pevnostných a deformačných vlastností betónu a oceľovej výstuže redukčným súčiniteľom, ktorého hodnota klesá so stúpajúcou teplotou, počínajúc teplotou 100 °C.
2. Vplyv zvýšenej teploty na výstuž
Obr. 2: Účinok vysokých teplôt na pevnosť ocele v ťahu
Medzi najvýznamnejšie vlastnosti betonárskej výstuže patrí modelu pružnosti a medza klzu. Pri teplotách do cca 200 °C dochádza asi k 10% zníženiu pôvodnej ťahovej pevnosti ocele. Pôsobením teploty okolo 500 °C je už pokles ťahovej pevnosti ocele asi 50percentný. Približne rovnaký pokles vykazuje pri daných teplotách aj hodnota modulu pružnosti betónu. Pri teplote okolo 300 °C dochádza k strate súdržnosti medzi betónom a výstužou. Ocele valcované za tepla odolávajú teplotným účinkom lepšie ako oceľ ťahaná za studena alebo legované ocele. Pôsobenia zvýšenej teploty môže byť významnejšie, ak je v prvku zabudovaná predpínacia výstuž, nakoľko po ochladení výstuže sa nemusí obnoviť pôvodná kryštalická štruktúra ocele získaná jej tepelných spracovaním. Za tepla valcovaná oceľ dosiahne po ochladení (pokiaľ sa neporušila) svoju pôvodnú pevnosť. Pri oceli tvarovanej za studena po zohriatí na 300 až 500 °C klesá tvarovaním zvýšená medza klzu a pevnosti na hodnotu pred tvarovaním.
3. Pôsobenie zvýšenej teploty na stavebnú konštrukciu
Pôsobenie tepla na stavenú konštrukciu môže byť v dôsledku požiarov, vnútorných zdrojov tepla (napr. reaktory jadrových elektrární), resp. iné zdroje tepla. Masívne železobetónové konštrukcie majú vysokú tepelnú zotrvačnosť, čo má priaznivý vplyv na relatívne pomalý nárast teploty. Teplota výstuže zostáva teda relatívne nízka na to, aby dochádzalo k zmene jej mechanických vlastností. Zmena teploty vyvoláva objemové zmeny stavebných materiálov. Ak je zabránené ich voľnej deformácií, vznikajú v nich napätia. K porušeniu betónu a vzniku trhlín dochádza, ak napätia v ťahu prekročia aktuálnu pevnosť betónu. Rýchlym nárastom teploty môže dôjsť k odpadnutiu betónovej krycej vrstvy a k priamemu vytaveniu výstuže vysokým teplotám.
Obr. 3: Pôsobenie zvýšenej teploty počas požiaru na stenovú konštrukciu: a) pôvodný stav b) deformovaný stav
Pôsobenie vysokej teploty pri požiari na nosnú železobetónové stenu zaťaženú tlakovou normálovou silou N je popísaný na obrázku 3. Vplyvom pôsobenia teploty na jeden povrch steny vzniká v jej vodorovnom reze priečny teplotný gradient. Ten spôsobuje zmenu krivosti strednicovej roviny steny, v dôsledku čoho nastáva v stene pridané namáhanie ohybovým momentov M vyplývajúce z excentrického pôsobenia normálovej sily v stene (pôsobenie normálovej sily N na excentricite e). Zaťažením železobetónovej steny požiarom teda vzniká kombinovaný účinok vplyvov (zmena geometrie steny na jednej strane, zmena materiálových vlastností na druhej strane), ktoré môžu vyvolať až zlyhanie nosnej steny.
4. Popis konštrukcie
Obr. 4: Pohľad na budovu
Predmetný objekt je typový panelový dom sústavy T-06B. Dom má 13 nadzemných a 1 podzemné podlažie, ktoré je čiastočne zapustené pod terénom. Nachádza sa v Bratislave, v mestskej časti Rača. Konštrukčný systém objektu je stenový obojsmerný, tvorený železobetónovými, slabo vystuženými stenovými panelmi hrúbky 140 mm, resp. 150 mm (štítové steny) a stropnými panelmi hrúbky 120 mm. Výška objektu je cca 40 m nad úrovňou terénu. Objekt bol postavený v 70. rokoch 20. storočia.
5. Diagnostika konštrukcie a návrh sanácie
Cieľom diagnostických prác bolo získanie podkladov pre posúdenie stavebno-technického stavu a návrh zosilnenia konštrukcie, konkrétne stenového panelu na 11. poschodí medzi miestnosťou postihnutou požiarom v byte č. 48 a bytom č. 47. Na zistenie skutkového stavu z hľadiska technickej uskutočniteľnosti rekonštrukcie predmetných konštrukcií sa použili diagnostické metódy, ktoré možno rozdeliť do týchto hlavných skupín:
- podrobná vizuálna prehliadka,
- skúšobné́ metódy na stanovenie fyzikálnych vlastností́ betónu.
Vizuálna obhliadka zahŕňala zistenie výskytu a šírky trhlín v železobetónových paneloch. V rámci skúšobných metód bol použitý Schmidtov tvrdomer na zistenie pevnosti betónu. Prehliadka bola vykonaná priamo z podlahy, nakoľko je konštrukcia zväčša prístupná. Hlavné viditeľné poruchy boli odfotografované.
Meranie tvrdosti betónu v danej meracej oblasti sa vykonalo celkovo na piatich miestach v rámci miestnosti bytu č. 48, priamo zasiahnutej požiarom. Boli merané štyri miesta na stenových paneloch a štyri miesta na stropnom paneli nad 11. poschodím. Miesto skúšania bolo vopred upravené brúsením. Hodnotenie pevnosti betónu v tlaku bolo vypracované podľa STN EN 13791. Trieda pevnosti betónu v tlaku zistená nedeštruktívne je C25/30. V každom meracom mieste sa vykonalo 6 meraní (odrazov), z ktorých sa vypočítala priemerná hodnota. Na stanovenie informatívnej pevnosti sa použil upravený všeobecný kalibračný vzťah podľa STN 73 1373 pre odraz tvrdomera vo vodorovnom a zvislom smere.
5.1 Vlastnosti, stav a poruchy nosnej konštrukcie
Obr. 5: Šikmá trhlina v stene na 11. poschodí zo strany bytu č. 48
Stropné a stenové panely nosnej konštrukcie na 11. poschodí vykazovali známky poškodenia trhlinami, v dôsledku objemových zmien materiálu panelov, spôsobených teplom z požiaru. Tieto vo väčšine prípadov nepresahovali šírku niekoľkých desatín milimetra, alebo sa koncentrovali v mieste vodorovných a zvislých stykov panelov (čo sa dá považovať za prirodzené správanie tohto typu nosnej konštrukcie) a tým pádom nepredstavujú výraznejšie riziko pre nosnú konštrukciu. Avšak trhliny v stenovom paneli medzi bytmi č. 48 a č. 47 (pozri obrázok 5) nasvedčovali, že tento panel je výrazne poškodený, preto sme navrhli jeho dodatočné zosilnenie.
Na niektorých paneloch sa nachádzali poruchy spôsobené nedôslednosťou pri samotnej výrobe panelov (odhalená výstuž, štrkové hniezda). Tieto nedostatky priamo nesúviseli z požiarom, pri rekonštrukcii však boli odstránené pre zníženie rizika korózie výstuže.
Obr. 6: Naľavo: Pohľad na trhlinu v stene na 11. poschodí zo strany bytu č. 47, napravo: Odhalená výstuž v ostení a nadpraží dverného otvoru bytu č. 48 na 11. poschodí
Obr. 7: Naľavo: Rozdrvený betón v stene na 11. poschodí zo strany bytu č. 47, napravo: Odhalený styk stenových panelov na 12. poschodí
5.2 Sanácia poškodenej konštrukcie
Sanácia poškodenej konštrukcie spočívala v opravení zistených nedostatkov (trhliny v paneloch, odhalená výstuž a štrkové hniezda) a v návrhu podchytenia stropnej konštrukcie. Podchytenie bolo navrhnuté pomocou oceľového rámu, ktorým sa odľahčil stenový panel.
Na zosilnenie panelu bol navrhnutý oceľový rám tvorený profilmi L150×150×15 (stĺpy + priečnik) a RHS 80×40×8 (vzpery) osadený z oboch strán stenového panelu. Rám bol navrhnutý z ocele triedy S235. Rám bol rozopretý pomocou klinov, umiestnených medzi podlahu a strop a oba rámy sa navzájom spriahli cez panel pomocou závitových tyčí M16, osadených vo vzájomnej vzdialenosti 500 mm a 550 mm (obrázok 8 a 9). Medzery medzi oceľovým rámom a existujúcou konštrukciou sa po osadení rámu vyplnili vysokopevnostnou expandujúcou maltou.
Obr. 8: Výpočtový MKP model oceľového rámu
Obr. 9: Časť výkresu oceľového rámu – pohľad na rám
6. Záver
Príspevok v krátkosti prezentuje návrh sanácie nosnej konštrukcie 11. poschodia panelového domu zasiahnutého požiarom. Sanácia konštrukcie spočívala vo vysprávke trhlín a štrkových hniezd v nosných konštrukciách a doplnení krycej vrstvy betónu v mieste odhalenej výstuže. Súčasťou opatrení bol tiež návrh oceľového rámu na zosilnenie najviac poškodeného stenového panelu.
7. Literatúra
- STN 73 1201 Posudzovanie betónových konštrukcií existujúcich panelových budov. SUTN Bratislava, 2011
- GRAMBLIČKA, Š., HARVAN, I., ABRAHOIM, I. Statická a dynamická analýza nosných konštrukcií panelových domov stavebnej sústavy T06B pre rôzne polohy a veľ-kosti dodatočných otvorov v nosných stenách. Projekt a stavba 4/2000, SKSI Bratislava.
- IAEA. Ageing Management of Concrete Structures in Nuclear Power Plants, IAEA, Vienna, 2016.
- IAEA. Assessment and management of ageing of major nuclear power plant components important to safety, IAEA, Vienna, 2001.
Poďakovanie
Príspevok vznikol za podpory výskumného projektu VEGA 1/0645/20 „Navrhovanie a zosilňovanie betónových konštrukcií na trvanlivosť“ a Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-15-0658.
The present experience has shown, that the most serious effect of the accidental load on prefabricated panel buildings in our conditions is a gas explosion. In addition to the explosion of gas, the effect of elevated temperature during a fire is also significant. During a fire, the mechanical properties of building materials may change. These may not return to their original value at the end of the temperature load. The article describes the design of repair of the load-bearing members the panel building after fire on the 11th floor of the panel system type T-06.