Závěry z měření deformací vybraných dřevěných konstrukcí geodetickými metodami
Dřevo je tradičním přírodním materiálem, který se vyznačuje poměrně vysokou pevností, nízkou hmotností a dobrou opracovatelností. Dřevěné konstrukce navíc působí i esteticky příznivým dojmem a proto jsou stále na trhu velmi žádané. V současnosti se ve stavebnictví využívá dřeva nebo materiálů na bázi dřeva nejvíce při stavbách krovů, zastřešování objektů menšího rozsahu a různých typů dřevostaveb, avšak stále častější využití nachází dřevo i při stavbách konstrukcí na velká rozpětí a konstrukcí složitých geometrických tvarů.
1. Úvod
Dřevo je tradičním přírodním materiálem, který se vyznačuje poměrně vysokou pevností, nízkou hmotností a dobrou opracovatelností. Dřevěné konstrukce navíc působí i esteticky příznivým dojmem a proto jsou stále na trhu velmi žádané. V současnosti se ve stavebnictví využívá dřeva nebo materiálů na bázi dřeva nejvíce při stavbách krovů, zastřešování objektů menšího rozsahu a různých typů dřevostaveb, avšak stále častější využití nachází dřevo i při stavbách konstrukcí na velká rozpětí a konstrukcí složitých geometrických tvarů [1]. Takto nastolený trend bude s největší pravděpodobností pokračovat dále, o čemž svědčí množství realizovaných staveb v České republice a zejména v zahraničí [2].
Obr. 1 Tenisová hala – Frýdlant nad Ostravicí, 1997, rozpětí 40,4 m
Obr. 2 Bazénová hala – Brno, 2010, největší rozpětí 35 m
Na obr. 1 je znázorněna střešní konstrukce tenisové haly ve Frýdlantu nad Ostravicí, realizovaná z rostlého dřeva a uvedená do provozu v roce 1997 (rozpětí 40,4 m). Na obr. 2 je konstrukce zastřešení bazénové haly v Brně-Kohoutovicích, realizovaná z lepených plnostěnných zakřivených rámů proměnného rozpětí (největší cca 35 m), uvedená do provozu v roce 2010 [3].
Používání nových konstrukčních technologií vyvolává potřebu zpětné vazby ve formě jejich monitorování v průběhu výstavby a po uvedení do provozu za účelem ověření jejich skutečného chování v daných podmínkách, přičemž tyto informace jsou dále využívány pro zpřesňování statických modelů a materiálovou optimalizaci při projektování nových konstrukcí obdobného charakteru. Pro efektivní sledování skutečného chování střešních konstrukcí jsou využívány zejména geodetické metody [4], [5]. Technické předpisy pro výstavbu a provoz stavebních objektů nebo technologických zařízení částečně kladou požadavky na systematické meření posunů a deformací. Vlivem působení vnějších podmínek dochází k postupným vzájemným změnám prostorových vztahů různých částí konstrukcí (zejména k dosednutí a dotvarování), což se projevuje měřitelnými deformacemi geometrických parametrů. Tyto přetvárné jevy na konstrukci je účelné sledovat pravidelným měřením ve vhodných intervalech (etapách měření).
Výhodou geodetických metod je možnost určování změn geometrických parametrů vzhledem k nezávislé vztažné soustavě i v relativních souvislostech. Rozmístění měřických značek je vhodné konzultovat se statikem stavební konstrukce. Naměřené deformace se vyhodnocují z rozdílu prostorových souřadnic dvou etap.
V následujícím textu jsou prezentovány výsledky dlouhodobých měření střešní konstrukce velkého rozpětí víceúčelové sportovní haly v Bílovci sledované od roku 2001 a bazénové haly v Brně-Kohoutovicích sledované od roku 2009.
2. Dlouhodobé sledování střešní konstrukce sportovní haly
Víceúčelová sportovní hala v Bílovci byla realizována v roce 2001. Ukázka konstrukce v průběhu výstavby je na obr. 3, na obr. 4 je pohled na dokončenou konstrukci zevnitř haly.
Obr. 3 Dřevěná konstrukce haly v průběhu výstavby
Obr. 4 Střešní konstrukce po jejím dokončení
Půdorys haly je obdélníkový o rozměrech 60 × 30 m. Hlavní nosná střešní konstrukce je tvořená soustavou trojkloubových oblouků o rozpětí 59 m (obr. 5). Oblouky jsou v příčném směru ztuženy podélnými a příčnými ztužidly, přičemž celá soustava vytváří prostorový nosný systém. Spojení prutů ve styčnících jsou řešena pomocí tenkých ocelových plechů vkládaných do výřezů ve dřevěných prvcích [6]. Nosná střešní konstrukce je uložená na betonových základových patkách prostřednictvím kloubových ložisek.
Montáž konstrukce byla provedena s poměrně vysokou přesností – skutečná radiální odchylka kruhovitosti v rámci celé konstrukce nepřesáhla 16 mm [7].
Obr. 5 Trojkloubový oblouk
Po dokončení stavby postupně dochází ke změnám geometrických parametrů vlivem dosednutí stavby, dotlačení jednotlivých konstrukčních dílců ve stycích a dotvarování. Dalšími významnými faktory, majícími vliv na přetvoření konstrukce, jsou povětrnostní podmínky, zejména vliv teploty a vlhkosti prostředí a sezónní vlivy. Vlivem oslunění dochází k nahřívání střešního pláště což se projevuje délkovými změnami. V zimním období je hala z venku vystavená mrazu a zátěži sněhu, uvnitř je teplota udržovaná klimatizací nad +15 °C. Střešní konstrukce haly je systematicky geodeticky sledována od jejího uvedení do provozu v roce 2001. Za období 2001 až 2010 jsou k dispozici data ze 7 etap měření v různých ročních obdobích [8].
2.1. Měřicí systém a technologie měření
Chování sledované střešní konstrukce se vyhodnocuje na základě výsledků měření soustavy měřických značek, osazených na dolních pásech jednotlivých oblouků konstrukce. Celá konstrukce je tvořená celkem devíti oblouky, měřické značky jsou osazené na pěti z nich. Objektovou soustavu tvoří celkem 36 měřických značek, jejich rozmístění v řezu a v půdorysu je zachycena na obr. 6.
Vztažnou soustavu tvoří 4 měřické značky označené 9011 až 9014 osazené na sloupech nosné konstrukce boční stěny. Měřické značky jsou ve tvaru kruhových terčíků průměru 30 mm se soustřednými kružnicemi.
Obr. 6 Rozmístění soustavy měřických značek na sledované konstrukci
Obr. 7 Geodetická mikrosíť a rozmístění bodů vztažné soustavy
Technologie měření je založená na metodě prostorového protínání z úhlů měřených totální stanicí s úhlovou přesností 0,5 mgon z geodetické mikrosítě přechodných stanovisek ve tvaru čtyřúhleníka stabilizované po dobu měření geodetickými stativy (obr. 5). V průběhu geodetického měření jsou registračními datalogery Comet zaznamenávané hodnoty teploty vzduchu, teploty povrchu konstrukce a relativní vlhkosti vzduchu.
Z naměřených dat jsou v každé etapě vypočteny prostorové souřadnice metodou nejmenších čtverců (MNČ). Kartézská souřadnicová soustava X, Y, Z je orientována ve směrech hlavních os konstrukce (obr. 6). Z rozdílů příslušných souřadnic v jednotlivých etapách lze vyhodnotit přetvoření v podélném, příčném a svislém směru. Charakteristiky přesnosti dílčích souřadnic získané z vyrovnání MNČ lze přímo použít pro výpočet nejistot posunů a přetvoření a jejich interpretaci. Z analýzy přesnosti jednotlivých etap měření, činí průměrná hodnota rozšířené nejistoty etapové deformace δΔ = 1,4 mm (pro K = 2, P = 0,95, α = 5 %).
2.2. Vybrané výsledky vyhodnocení deformací konstrukce
Největší deformace ve svislém směru sledované střešní konstrukce se projevily ve vrcholech oblouků, výrazně menší svislé deformace se byly měřeny ve čtvrtinách rozpětí oblouku. V průběhu let provozu haly svislé deformace postupně mírně narůstaly. Hodnoty deformací jsou výrazně ovlivněny působením teploty okolního prostředí. V zimních měsících dochází k svislým posunům směrem dolů – k průhybu střechy a v letních měsících dochází ke svislým posunům směrem nahoru [8], [9]. Na obr. 8 je znázorněn v půdorysu formou izočar a barevné hypsometrie stav podélných deformací, na obr. 9 stav příčných imperfekcí a na obr. 10 stav svislých deformací střešní konstrukce po 7 letech od jejího uvedení do provozu.
Obr. 8 Izočáry a hypsometrie podélných deformací
Obr. 9 Izočáry a hypsometrie příčných imperfekcí
Obr. 10 Izočáry a hypsometrie svislých deformací
Z hlediska rozložení podélných deformací je patrné, že jedna polovina střešní konstrukce se deformuje výrazněji, než druhá, což je způsobeno konstrukčním uspořádáním ztužidel, které je pro obě poloviny konstrukce rozdílné.
Maximální podélné deformace dosahují hodnoty až 7 mm. Maximální hodnoty příčných deformací dosahují až 8 mm, přičemž izočáry s podporou barevné hypsometrie pomáhají dobře identifikovat konkrétní nejvíce namáhané spoje konstrukčních dílců.
Svislé deformace se projevují nejvíce poklesem dosahujícím až 15 mm ve vrcholu oblouku, směrem k čtvrtině rozpětí oblouku se zmenšují. Ve čtvrtině rozpětí oblouku se projevují malé zdvihy do 3 mm. Deformace jsou částečně kompenzovány pohybem v základových kloubových ložiscích a ve vrcholovém kloubu. Mechanika pohybu konstrukce oblouku je v řezu znázorněna na obr. 11. Zejména svislé deformace jsou silně ovlivněny teplotou vnějšího prostředí, přičemž sezónní změny dosahují až 10 mm.
Na obr. 12 je znázorněn vývoj svislé deformace konstrukce ve vrcholu oblouku v čase uvedeném v kalendářních měsících od počátku sledování a průběh teploty v dílčích etapách měření. Z vývoje svislé deformace je patrné, že v průběhu prvních cca 15 měsíců docházelo k postupnému dosednutí a dotvarování konstrukce a dotlačování spojů. Za tu dobu zároveň konstrukce prošla všemi obdobími roku. trvalá svislá deformace ve vrcholu oblouku dosáhla cca 12 mm. Následně se chování konstrukce ustálilo a konstrukce je ovlivňována zejména působením teploty vnějšího prostředí. Při vyšších teplotách v létě dochází ke zdvihu ve vrcholu oblouku a naopak při nízkých teplotách v zimě dochází ve vrcholu k poklesu. Vliv teploty se projevuje svislou změnou cca 4 mm na 10 °C změny teploty.
Obr. 11 Mechanika pohybu
Po dosednutí a dotvarování konstrukce v průběhu prvních dvou let došlo během následujících šesti let pouze k mírnému nárůstu trvalé deformace cca o 2 mm, což je v korespondenci s očekávaným vývojem chování konstrukce.
Obr. 12 Vývoj deformací a teploty
3. Dlouhodobé sledování střešní konstrukce bazénové haly
Objekt bazénové haly v Brně-Kohoutovicích byl stavebně realizován v letech 2008 až 2010. Pohled na dokončený objekt je zachycen na obr. 13 (exteriér) a na obr. 2 a obr. 14 (interiér). Půdorys haly je členitý, rozměru cca 58 × 37,5 m, v celé ploše podsklepený, rozpětí střešních vazníků je proměnlivé od cca 25 do 35 m. Střešní konstrukce je vyrobena z lepených zakřivených dřevěných nosníků.
Obr. 13
Obr. 14
Vybrané lepené rámy střešní konstrukce byly geodeticky sledovány již v průběhu výstavby za účelem zjištění dotvarování a dotlačení v konstrukčních spojích. Po dokončení stavby střešní konstrukce bylo započato její dlouhodobé sledování pro určení dosednutí a dotvarování na vybraných 4 rámech (obr. 15). Měřické značky byly osazeny v dolní a horní části vazníku v místech nad okrajovými kotevními ložisky, v polovině rozpětí a v místě montážního spoje zakřiveného nosníku. Jako měřických značek bylo použito speciálních odrazných fólií nalepených na kolíky nebo na plochu dřevěných vazníků. Detail osazení měřických značek je zachycen na obr. 16.
Mechanika pohybu v rámci vazníku č. 2 s odstupem 12 měsíců po dokončení stavby je znázorněna na obr. 17. Střešní vazník je dvojkloubový, pravý podporový kloub je spojen s podlahou, levá podpora spočívá na obvodové monolitické železobetonové zdi. V obloukové části je konstrukční spoj dvou částí vazníku. Vektory celkového pohybu (modře) jsou rozložené do vodorovné (červeně) a svislé složky (zeleně).
Obr. 15
Obr. 16
Očekávaně se projevil v levé části nosníku v místě opěrné zdi vodorovný posun v podélném směru 3,1 až 4,5 mm. Tato deformace je vyvolána vzájemným oddálením obou kloubových ložisek vazníku v důsledku spolupůsobení mezietapové změny teploty o 20 °C přitížení naplněním plaveckého bazénu vodou. Ve středu nosníku se projevil zejména průhyb velikosti 4,9 až 7,9 mm, částečně i vodorovný posun 2,0 až 2,2 mm. Na konstrukčním styku dvou částí nosníku v obloukové části se projevily vodorovné posuny do velikosti 2,4 mm i svislé posuny do velikosti 3,2 mm, které v sobě zahrnují i vliv dotlačení spojů. Mechanika pohybu odpovídá kloubovému mechanismu. Horní část nosníku vůči spodní části vykazuje mírný příčný náklon v příčném směru max. do 0,8 mm.
Obr. 17 Mechanika pohybu
4. Závěr
Z vyhodnocených výsledků geodetických měření střešní konstrukcí se ukázala efektivnost využití geodetických metod pro sledovaní konstrukcí obdobného typu. Při dodržení technologie měření je možné na konstrukcí spolehlivě detekovat etapové změny již od hodnoty 1,5 mm.
Geodetické měření prokázalo, že skutečné hodnoty deformací jsou z hlediska statiky konstrukce malé a dobře korespondují s teoretickým deformačním modelem.
Na základě tohoto statického modelu chování střešní konstrukce sportovní haly v Bílovci se za limitní hodnotu v příčném směru pro tento typ konstrukce na dané rozpětí považuje hodnota 50 mm. Ve svislém směru se za limitní hodnotu deformace považuje 120 mm. V současnosti dosahuje svislá složka deformací maximálně hodnot do 20 mm. Konstrukce je bezpečně stabilní. Z trendů vyhodnocených odchylek je možné již v této fázi usuzovat na základě hodnot a rozložení největších deformací na chování konstrukce.
Dřevěná střešní konstrukce během svého provozu neustále prochází procesem stárnutí a vysychání a v tom důsledku dochází k velmi mírnému nárustání trvalých deformací. Největší podíl na sezónních změnách tvaru konstrukce má teplota vnějšího prostředí – konstrukce tzv. „sezónně dýchá“.
Střešní konstrukce bazénové haly v Brně-Kohoutovicích v zde prezentovaném stavu pracuje v souladu s očekávaným pohybem daným kloubovým mechanismem a spolupůsobením teplotní roztažnosti a přitížením hmotností vody bazénu (projev interakce dřevěné konstrukce se spodní stavbou haly).
Opakovaným měřením se získávají další informace o chování konstrukce během jejího provozu. Poznatky získané z výsledků měření jsou využívané pro zpřesnění statického modelu chování konstrukce, její diagnostice a při projektování nových nosných dřevěných konstrukcí obdobného charakteru. Teoretické modely je potřebné neustále verifikovat fyzickým měřením, přičemž geodetické metody jsou pro tento účel velmi efektivní.
Literatura
- [1] STRAKA, B.: Závěry z vývoje nových typů dřevěných nosných soustav, příspěvek na konferenci VI. Sympózium so zahraničnou účasťou – Drevo v stavebných konštrukciách, ISBN 80-227-2138-7, Vydavateĺstvo STU v Bratislave, Bratislava, 2004
- [2] BENKOVÁ, A.: Ekologická symbióza dreva a ocele pri návrhu nosných sústav. VI. Konferencia urbanistické, architektonické a technické aspekty obnovy vidieka, SV STU v Bratislave, dostupné na: http://www.obnovavidieka.sk/table_01/prispevky/benkova.pdf, 2007
- [3] STRAKA, B., ŠMAK, M.: Vybrané příklady použití dřeva v nosných konstrukcích. Materiály pro stavbu 9/2010, Business Media CZ, s.r.o., Praha, ISSN 1213-0311, str. 22-27
- [4] BUREŠ, J., SLÁMA, J.: Měření deformací ocelových střešních vazníků výrobní haly výhybkárny Prostějov., příspěvek na konferenci 38. Geodetické informační dny, ISBN 80-86433-13-7, Econ, Brno, 2002
- [5] BUREŠ, J., STRAKA, B.: Geodetické metody při měření přetvoření dřevěných konstrukcí velkých rozpětí, příspěvek na konferenci Experiment 04, ISBN 80-7204-354-4, Akademické nakladatelství CERM s.r.o., Brno, 2004
- [6] STRAKA, B., VEJPUSTEK, Z., HRADIL, P.: Experimental analysis of semirigid behaviour of steel-to-timber joints with slotted-in plates, In. Proc. of VSU’2005 Jubilee International Conference, „Ljuben Karavelov“ Civil Engineering Higher School, Sofia, 2005, 6 p.
- [7] DANĚK, M.: Využití trigonometrického měření pro určení skutečného tvaru, posunů a deformací speciální konstrukce. Diplomová práce, VUT v Brně, 63 stran, 2002
- [8] KALINA M.: – Geodetické měření posunů a deformací dřevěné střešní konstrukce velkého rozpětí. Diplomová práce. VUT v Brně, 2010
- [9] KALINA, M., BUREŠ, J.: Dlhodobé sledovanie drevenej strešnej konštrukcie športovej haly. 13. odborná konference doktorského studia. Vysoké učení technické v Brně, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., Brno, Česká republika, ISBN 978-80-214-4232-0, 2011
- [10] EHL, M.: – Geodetické měření posunů a deformací dřevěné střešní konstrukce velkého rozpětí. Diplomová práce. VUT v Brně, 2011
The paper includes conclusions from evaluation of results obtained from long-term measuring of innovative types of timber structures. Based on the results of measurements of vertical and horizontal deformation components it is possible to analyze the real behaviour of structures in given conditions. By assessing deformations in various stages, including particularly external and internal environment temperatures, relative air humidity and moisture content of wood, decisive parameters for real structure behaviour can be established.