Diagnostika a statická analýza výškovej budovy Váhostavu v Žiline – návrh nového stavu

1. Úvod

Jednou z prvých výškových budov v meste Žilina bola budova Váhostavu (pomenovaná podľa stavebnej firmy Váhostav), ktorá bola postavená v roku 1965. Budova bola využívaná ako kancelárske priestory firmou Váhostav. V súčasnosti je to tretia najvyššia budova v Žiline. Budova má štrnásť nadzemných podlaží a jedno podzemné podlažie a je obdĺžnikového pôdorysného tvaru s rozmermi 25,74 × 20,94 m. Výška budovy je cca 48 metrov (obr. 1, 2, 3) nad terénom.

Objekt sa nachádza južne od centra Žiliny pri hlavnej ceste Rajecká, pričom hlavný vchod do budovy je z ulice Hlinská. Vybrané miesto je charakteristické svojou polohou. Zo severnej strany nadväzuje na bytové domy sídliska Hliny VII, zo západu sa napája na Rajeckú cestu, južná časť nadväzuje cez parkovú časť pozemku ku kruhovému objazdu a na východe sa v súčasnosti nachádza nezastavaný pozemok.

Keďže v danej lokalite je nedostatok bytov, preto je plánovaná zmena využitia budovy na polyfunkčný, kde by sa na prvých troch podlažiach nachádzali kancelárie a na zvyšných podlažiach bytové jednotky. Rekonštrukciou budovy sa chce docieliť zníženie energetickej náročnosti budovy, zabezpečiť vhodné technické riešenie inštalácií a zvýšiť komfort užívania budovy.

V rámci diplomovej práce [1] bola možnosť vykonať diagnostiku objektu a urobiť prepočet existujúceho stavu s návrhom rekonštrukcie nosných prvkov.

2. Opis budovy – existujúci stav

Nosný systém budovy je železobetónový skelet z monolitických ako aj prefabrikovaných prvkov. V prvom podzemnom a prvom nadzemnom podlaží sú monolitické prvky ako stĺpy, nosníky a stropná doska, ktorých spojenie je uvažované navzájom ako tuhé. Na zvyšných podlažiach sú stĺpy a nosníky prefabrikované, kde nosníky sú priebežné a stĺpy sú pripojené kĺbovo. Prefabrikované stropné panely a stužidlá sú uložené na spodné pásnice prievlakových nosníkov tvaru obráteného „T“. Stuženie budovy je zabezpečené obvodovým stužidlom, ktoré je v jednom smere prefabrikované a kĺbovo spojené s nosníkmi a monolitické v druhom smere a tuho spojené s kolmými nosníkmi. Celkové stuženie objektu je zabezpečené monolitickým jadrom, ktoré je priebežné cez všetky podlažia po celej výške objektu.

Obr. 1 Pohľad na budovu Váhostav

Obr. 2 Typický pôdorys druhého nadzemného podlažia so základnými rozmermi. Model existujúceho stavu vytvorený v programe Revit

Obr. 3 Typický zvislý rez budovy so základnými rozmermi. Model existujúceho stavu vytvorený v programe Revit

3. Diagnostika budovy

3.1 Všeobecne

Diagnostické práce boli zamerané na podrobnú obhliadku objektu a overenie jeho základných rozmerov, ako aj na zistenie kvality betónu a výstuže železobetónových (ŽB) prvkov [2–4]. Hlavným účelom diagnostiky bolo zistiť skutočný stav objektu a identifikovať jeho možné poruchy [5–7].

3.2 Detekcia porúch a ich analýza

Na riešenom objekte bola vykonaná podrobná obhliadka v rámci diagnostického prieskumu, kde boli na trinástom podlaží objavené poškodené strešné panely typu „PZD“. V dôsledku poškodeného strešného plášťa dochádza k zatekaniu, teda tvorbe plesní, ku korózii výstuže a miestami k lokálnemu odpadávaniu betónovej krycej vrstvy.

Obr. 4 Pohľad – prienik vody cez strešné panely

3.3 Vyhodnotenie prehliadky

Pri podrobnej obhliadke objektu neboli viditeľné žiadne iné poruchy hlavných nosných prvkov konštrukcie, ako sú stĺpy, stropné dosky, nosníky a steny. Na týchto prvkoch nebola viditeľná žiadna vlhkosť alebo priesaky, korózia ani trhliny.

Diagnostický prieskum a podrobná obhliadka objektu boli spojené s meraním základných rozmerov nosných prvkov a polohy nosných stužujúcich stien. Diagnostika bola vykonaná v priebehu mesiaca marec v roku 2021. Všetky tieto získané údaje môžu slúžiť ako podklad pre vypracovanie projektovej dokumentácie súčasného stavu objektu a následne na vypracovanie projektovej dokumentácie rekonštrukcie. Fotodokumentácia stavby bola realizovaná pomocou zariadenia Xiaomi Redmi 4.

3.4 Výsledky diagnostiky

a)

b)

Obr. 5 Diagnostika a) Schmidtov tvrdomer typu N, b) poloha výstuže pomocou Hilti PS 1000

Trieda betónu C25/30 stĺpov bola stanovená pomocou nedeštruktívneho skúšania (NDT) – Schmidtovým tvrdomerom typu N (pozri obr. 5a). Výsledky získané Schmidtovým tvrdomerom sa odporúča overiť pomocou jadrového vývrtu, ale v tomto prípade správca budovy (administrátor) nepovolil do prvkov vŕtať vzhľadom na ich rozmery, preto sa použili len výsledky zo Schmidtovho tvrdomeru. Rozmery prefabrikovaných stĺpov sú 500 × 500 mm a sú vystužené výstužou triedy B 420B (staré označenie 10425 - V) s priemerom Ø18 ako hlavná pozdĺžna výstuž a výstužou triedy B 210B (staré označenie 10216 - E) s priemerom Ø6 ako šmyková výstuž, resp. strmene. Poloha výstuže sa overila aj pomocou Hilty skeneru PS 1000 (obr. 5b a 6).

Obr. 6 Výstupy z Hilty skeneru – pozícia výstuže (strmene v stĺpe)

Obr. 7 Detail uloženia stropnej dosky na prefabrikovaný prievlak tvaru obráteného „T“

Prefabrikované rámové nosníky majú tvar obráteného „T“ a statická schéma je prostý nosník s obojstrannými konzolami. Betón rámových nosníkov C25/30 bol taktiež stanovený pomocou NDT a vyhovuje predpisom Typového podkladu [8]. Hlavnú pozdĺžnu výstuž tvoria výstuže Ø18 a Ø14 (B 490B) a strmene sú Ø8 (10 429 - T).

Rozmery prefabrikovaných stužidiel po obvode budovy sú 250 × 500 mm (obdĺžnikový prierez). Betón je triedy C25/30 a tiež vyhovuje predpisom Typového podkladu [8]. Hlavnú pozdĺžnu výstuž tvoria výstuže priemeru Ø18 (B 420B) a strmene sú Ø8 (10 216 - E).

Dosky boli zhotovené z prefabrikovaných stropných a strešných panelov typu PZD 120/570 s rozmermi 1190 × 240 × 5670 mm. Ide o štandardizované železobetónové vyľahčené stropné dosky.

4. Novo-navrhovaný stav, časť architektúra

Obr. 8 Vizualizácia, štúdia-exteriér

V rámci diplomovej práce bola navrhnutá štúdia a nové efektívnejšie dispozičné riešenie budovy. Budova zmenila svoje primárne zameranie z plnej administratívy na polyfunkčné využitie. V prvom podzemnom podlaží by sa nachádzalo technické vybavenie budovy a pivničné priestory. Na prvých troch nadzemných podlažiach by sa nachádzala administratíva. Na zvyšných podlažiach by sa nachádzali bytové jednotky s možnosťou dvoch alebo štyroch bytových jednotiek na jednom podlaží. V bytovej časti je navrhnutá balkónová konštrukcie tvaru štvorhrannej hviezdice po celom obvode budovy. Konštrukcia je navrhnutá z oceľových nosníkov a železobetónovej spriahujúcej dosky.

a)

b)

Obr. 9 Vizualizácia, a) štúdia-exteriér, b) štúdia-interiér

5. Statický prepočet

Obr. 10 Numerický 3D model budovy

Pre globálnu analýzu konštrukcie bol vytvorený numerický 3D model využívajúci prútové, doskové a stenové prvky v programe Scia Engineer 19.1, ktorý pracuje na princípoch metódy konečných prvkov (MKP) (obr. 10).

Podpery železobetónových stĺpov v modeli boli uvažované ako votknutie ku základovej konštrukcii, ako aj votknutie stužujúcich stien jadra budovy a podzemných stien okolo obvodu budovy (líniová podpera, votknutie). Steny jadra nie sú vystužené, sú len z prostého betónu, čo bolo aj na mieste overené – nenašla sa žiadna výstuž v stenách. Vnútorné stĺpy a steny jadra boli prepojené po celej výške budovy. Prvé podzemné a prvé nadzemné podlažia sú monolitické, a preto boli nosníky modelované ako rebrové dosky, zarovnané s horným povrchom. Zvyšné podlažia sú prefabrikované, kde priečny rám budovy tvoria nosníky s konzolami a v strednom poli sú medziprievlaky spojené kĺbmi (obr. 11). Spoj medzi nosníkom a stĺpom bol považovaný za tuhý vzhľadom na systém. Prefabrikované panely boli modelované ako doska a boli spojené s nosníkmi pomocou kĺbov. Na styku pozdĺžneho stužidla stavby a nosníkov sa vytvoril kĺb. Pozdĺžna výstuha bola modelovaná ako nosník a bola napojená na konzoly nosníkov s voľným otáčaním v smere osi Y a osi Z.

Obr. 11 Statická schéma budovy, vybraná časť

Obr. 12 Budova zaťažená skupinami hmôt

Konštrukcia bola zaťažená stálymi zaťaženiami a kombináciami premenných zaťažení – úžitkové, vietor a sneh. Konštrukcia bola overená aj na seizmické namáhanie, keďže sa nachádza v oblasti s možnosťou ohrozenia od vplyvu seizmicity (obr. 12).

Seizmické účinky sa na konštrukciu vyšetrovali v dvoch základných smeroch X a Y (GSS). Vytvorili sa štyri zaťažovacie stavy, a to X, −X, Y, −Y. Ako modálnu superpozíciu sa zvolil typ CQC. Pre korektné zadanie vyhodnotenia CQC bolo potrebné poznať „Damping spectrum“, t.j. funkciu tlmenia pre jednotlivé tvary. Ak pre danú budovu nevieme presnejšie určiť tlmiace koeficienty, je možné použiť konštantný priebeh tlmenia 5 % pre všetky frekvencie.

Obr. 13 Vplyv seizmicity v smere osi Y, pohľad na celú budovu

Postupovalo sa podľa normy STN EN 1998-1 [9], a preto sa použil už predefinovaný typ kombinácie EN-Seizmická, do ktorej sa vložili všetky zaťažovacie stavy. Bolo potrebné zadať redukčný súčiniteľ 0,3 pre smer pôsobenia (pri vyšetrovaní smer X sa redukčný súčiniteľ zadáva pre smer Y).

Účinky seizmicity v smere osi Y dosiahli, že 89,35 % konštrukcie kmitá a najnepriaznivejšia frekvencia pre konštrukciu bola dosiahnutá v prvom kroku. Na obr. 13 môžeme vidieť správanie sa budovy na seizmicitu v smere Y.

Z výsledkov vyplýva, že steny jadra nevyhoveli pre seizmické zaťaženie a mali by byť zosilnené v podzemnom podlaží a prvom nadzemnom podlaží. Steny jadra môžu byť zosilnené novými železobetónovými stenami napojenými na existujúce nevystužené betónové steny (zväčšenie hrúbky stien). Ďalšou možnosťou ich zosilnenia je aj možnosť použitia CFRP lamiel [10–12], tu by však bolo potrebné vyriešiť kotvenie CFRP lamiel do základov.

a)

b)

Obr. 14 Navrhované možné zosilnenie stĺpov a) nová vrstva železobetónu, b) nová vrstva vláknobetónu

Železobetónové stĺpy v 13. podlaží taktiež nevyhovovali zaťaženiu – nie kvôli seizmicite, ale kvôli medzným stavom únosnosti (ULS). V tomto prípade boli odporúčané dva typy zosilnenia – prvý typ s použitím typického zosilnenia novou železobetónovou vrstvou betónu triedy C40/50 a výstužou typu B 500B (obr. 14a). Druhým typom zosilnenia bolo použitie novej vrstvy vláknobetónu z betónu triedy C40/50 s oceľovými vláknami Dramix 3D. Možnosť využitia tohto typu zosilnenia bola skúmaná vo výskumných prácach [13–15]. Výhodou tohto spôsobu zosilnenia je, že sa nemusia používať výstuže (menej prácne na výrobu „armokošu“ na stavbe), je možné použiť tenké vrstvy vláknobetónu a rýchlo sa aplikuje (obr. 14b).

Obr. 15 Navrhované možné zosilnenie prefabrikovaných stropných panelov pomocou CFRP lamiel

Ďalšími prvkami, ktoré nevyhovovali novým zaťaženiam, boli stropné panely PZD na najvyššom podlaží pod strechou, vzhľadom na to, že nová strecha bola uvažovaná ako „zelená strecha“, teda s podstatne vyšším zaťažením. V tomto prípade bolo navrhnuté zosilnenie pomocou CFRP lamiel CarboDur S (50 × 1,2) v počte 2 lamely na panel (obr. 15). Prepočtom sa dokázalo, že prefabrikované nosníky (obrátený T-prierez) vyhovovali aj novému zaťaženiu a nebolo potrebné ich zosilňovať.

6. Závery

Cieľom diagnostiky a statického prepočtu v rámci práce [1] bolo overenie únosnosti hlavných nosných prvkov výškovej budovy Váhostav na novo-navrhované zaťaženie. Objekt by mal slúžiť na nové polyfunkčné využitie pre kancelárie a byty v meste Žilina. Vzhľadom na charakter uvažovanej budovy bol v Scia Engineer 19.1 vytvorený globálny 3D numerický model, vďaka ktorému boli získané vnútorné sily pôsobiace v konštrukčných prvkoch. Všetky konštrukčné prvky v budove boli posúdené analytickým výpočtom, prípadne softvérom Scia Engineer 19.1 alebo IdeaStaciCa 20.1. Bolo navrhnuté zosilnenie všetkých nevyhovujúcich konštrukčných prvkov v budove pomocou železobetónu, CFRP lamelami a alternatívnou experimentálnou metódou s použitím vláknobetónu. Po zosilnení prvkov možno konštatovať, že všetky nosné prvky by mali spĺňať podmienky bezpečnosti a spoľahlivosti.

Poďakovanie

Tento článok vznikol za finančnej podpory Grantovej agentúry VEGA SR v rámci riešenia úloh 1/0306/21 a 1/0048/22 a podpory Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy APVV-14-0772.

Literatúra

1. ZAHURANEC, M.: Rekonštrukcia budovy Váhostavu v Žiline, Diplomová práca, 2021, 150 s.
2. ZYBURA, A. - JAŚNIOK, M. - JAŚNIOK, T.: Diagnostyka konstrukcji żelbetowych tom 2. Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2011.
3. REHACEK, S. - CITEK, D. - CITEK, A. - KRYSTOV, M.: The Quality Control of the Concrete of the Supporting Structure of Bridge Reg. No. V-32 in Vrchlabi. In: 17^th International Confer-ence on Special Concrete and Composites, 2322, Article Number 020022, 2021.
4. MORAVČÍK, M. - BUJŇÁKOVÁ, P.: New Precast Bridge Girder with Combined Prestressing. In: Communications - Scientific Letters of University of Zilina, vol. 13, No. 3, s. 19-23, 2011.
5. BACHARZ, K.m - RACZKIEWICZ, W. - BACHARZ, M. - GRZMIL, W. Manufacturing Errors of Concrete Cover as a Reason of Reinforcement Corrosion in a Precast Element-Case Study. In: Coatings, 9(11), 702, 2019.
6. BLIKHARSKYY, Y. - SELEJDAK, J. - KOPIIKA, N.: Specifics of corrosion processes in thermally strengthened rebar. In: Case Studies in Construction Materials, 15, Article Number e00646, 2021.
7. BLIKHARSKYY, Y. - SELEJDAK, J. - KOPIIKA, N. - VASHKEVYCH, R.: Study of Concrete under Combined Action of Aggressive Environment and Long-Term Loading. In: Materials, 14(21), Article Number 6612, 2021.
8. PRIEMSTAV N.P. Bratislava - Project Department Enterprise, Type document, 1963.
9. STN EN 1998-1: Eurokód 8. Navrhovanie konštrukcií na seizmickú odolnosť. Časť 1: Všeobecné pravidlá, seizmické zaťaženia a pravidlá pre budovy. 2005
10. BROZDA, K. - SELEJDAK, J. - KOTEŠ, P.: The analysis of beam reinforced with FRP bars in bending. In: 12^th International Scientific Conference of Young Scientists on Sustainable, Modern and Safe Transport, 192, s. 64-68. Procedia Engineering, 2017.
11. KOTEŠ, P. - FARBAK, M. - KOTULA, P. - BRODŇAN, M. - ČAVOJCOVA, A.: Using CFRP Lamellas for Strengthening of Dynamically Loaded Beams. In: Concrete and Concrete Structures 2013 - 6^th International Conference, 65, s. 302-310. Procedia Engineering, 2013.
12. KOTULA, P. - KOTEŠ, P. - BRODNAN, M.: Experimental and Numerical Analysis of Anchorage Zone of CFRP Sheet. In: Concrete and Concrete Structures 2013 - 6^th International Conference, 65, s. 176-185. Procedia Engineering, 2013.
13. VAVRUŠ, M.: Use of High Performance Concrete to strengthening existing load-bearing elements. PhD Thesis, University of Žilina, 152 p., EDIS Žilina, 2020.
14. KOTEŠ, P. - VAVRUŠ, M. - JOŠT, J. - PROKOP, J.: Strengthening of Concrete Column by Using the Wrapper Layer of Fibre Reinforced Concrete. In: Materials, 13(23), ID 5432, 2020.
15. VAVRUŠ, M. - KOTEŠ, P.: Numerical comparison of concrete columns strengthened with layer of fiber concrete and reinforced concrete. In: 13^th International scientific conference on sus-tainable, modern and safe transport (Transcom 2019), 40, s. 920-926, 2019.