Sledování pokusného předepnutého zděného objektu

1. Úvod

Při zesilování zděných objektů se používá mnoho metod. Jednou z nich je zpevňování konstrukce dodatečným předpětím pomocí opláštěných předpínacích lan (monostrandů), která se u běžných objektů pozemních staveb vedou převážně rovnoběžně s ložnými spárami. Kromě pevnostních charakteristik je důležité určení materiálových vlastností konstrukce (pevnost, přetvárnost).

Zesilování konstrukcí pozemních a inženýrských staveb přepínacími lany a kabely studuje a realizuje již po 20 roků v poměrně velkém rozsahu pracovní skupina Ústavu betonových a zděných konstrukcí FAST VUT v Brně. Počátky její práce v tomto oboru spadají do období před 30–35 lety, kdy zesilování staveb pomocí předpínání bylo používáno na tehdejším PVÚ VUT v Brně.

Dosud provedené rekonstrukce přesvědčivě dokazují, že zesilování konstrukcí předpínáním je šetrné, vyžadují minimální úpravy konstrukcí (osazení lan, desek, deviátorů, vyřezání kabelových drážek a vrtání náhradních kabelových kanálků atd.). Zásahy do konstrukcí nejsou po ukončení prací vidět, tvary konstrukcí se nemění a architektonický vzhled stavby není dotčen. Vždy je třeba spolupracovat s pracovníky památkové péče, s inženýrskými geology a s odborníky na zkoumání stavebních hmot.

Dodatečné předpínání konstrukcí je dobře účinné. Návrh musí být veden statickými důvody a je třeba ho ověřit statickým výpočtem. Současně se zajišťují dva výpočetní postupy, tj. modelování konstrukce na počítači i běžný ruční výpočet. Pokud není docílena odpovídající shoda obou výpočtů, nemělo by se předpínání realizovat. Vždy je nutné tak dlouho hledat konstrukční uspořádání předpětí a jemu odpovídající výpočetní model, až se dosáhne shoda. Lze konstatovat, že kritika metody vychází obvykle z nepochopení principu předpínání, z neznalosti pracovních postupů a současných možností specializovaných firem.

Výzkum, zejména otázky pevnosti a přetvárnosti zdiva byly řešeny v souvislosti s rekonstrukcemi především historických staveb. Na základě tohoto výzkumu byly stanovovány pevnosti zdiva, namáhaného rovnoběžně s ložnou spárou.

Pro objasnění problémů spojených s předpínáním byl po dobu 16 let monitorován pokusný objekt (2 roky před opravou, 14 roků po předepnutí), u něhož bylo zkoumáno přetváření zdiva namáhaného rovnoběžně s ložnými spárami a úbytek přepínací síly v průběhu času.

Obrázek 1.: Poruchy stavby, vedení lan na štítu

2. Pokusný objekt

Jednalo se o stavbu o rozměrech 9,0 × 12,0 m. Půdorysně se skládala ze dvou obdélníkových částí, tvořící jeden funkční i konstrukční celek. Starší a menší část objektu o půdorysných rozměrech 6,0 × 7,1 m byla hojně potrhána trhlinami – Obr. 1 a Obr. 2.

Obrázek 2.: Hlavní trhlina na levé fasádě před injektáží (měřicí základna – šipka), kotevní sklípek a drážka pro předepnutí

Objekt byl postaven těsně po prvé světové válce jako součást tehdejší cihelny. Pro stavbu byly použity na místě vyrobené a vypálené cihly, jejichž kvalita byla velice rozdílná (od CP 2,5 do CP 20). Malta byla všeobecně nekvalitní, vápenná, zhruba M0 až M0,4. Dům nebyl opatřen věnci, stropy byly dřevěné, trámové, základy byly uloženy relativně mělce – 0,6 až 0,8 m pod úroveň terénu, na podloží z vlhkých sprašovo-jílovitých zemin. V roce 1965 byl dům přestavěn na rekreační stavbu, tj. byl rozšířen a bylo využito podkroví. Již dříve se ukázaly na obvodových zdech výrazné trhliny, které svědčily o malé tuhosti stavby ve vodorovných rovinách, vodorovné posuvy byly zhruba 5× větší než posuvy svislé.

Obrázek 3.: Schéma časového průběhu měření

Obrázek 4.: Vedení lan (vlevo), půdorys stavby (vpravo)

V lednu 1997 bylo zahájeno za pomoci pracovníků ÚSZ FAST VUT v Brně měření trhlin objektu pomocí Hollanových deformetrů (ke konci devět měřících základen a dva etalony). Bylo prováděno každý měsíc po dobu dvou roků. Vyplynulo z něj, že objekt je stále v pohybu – trhliny se rozevíraly – viz rozšíření hlavní trhliny na rohu stavby – Obr. 2. Proto byl na objekt v roce 1998 zpracován projekt statického zajištění [6] – Obr. 4

Obrázek 5.: Rozevírání hlavní trhliny – viz Obrázek 2 (svisle – šíře trhliny v mm, vodorovně čas)

Zvláště důležité bylo měření v době těsně před rekonstrukcí stavby při přípravě napínání (1× denně), dále během rekonstrukce v únoru 1999 (nepřetržitě) a po ukončení opravy v období cca ½ roku po vnesení tlakových sil do stavby, kdy docházelo k vyrovnání napětí ve stěnách (1× týdně). Následně byl vliv horizontálního předpětí na zdivo sledován s časovým krokem několika měsíců (průměrný interval byl 6 měsíců) po dobu 15 let. Ukončeno bylo k 31. 12. 2012, kdy došlo ke změně majitele stavby a bylo nutno měření uzavřít. Po předepnutí objektu již další trhliny nevznikly, stavba se dokonale stabilizovala.

3. Návrh předpínání

Hlavní myšlenkou předpínání bylo vnést vhodné vnější přepínací síly (směru, velikosti, trasování lana) do konstrukce, vyvolávající příznivé ovlivnění rozložení napětí v průřezech. Konstrukce se po předepnutí chová tak, jak ji to bylo předpětím vnuceno, nečeká na jiný sanační zásah, který by ji uvedl do působení (např. novým zatížením, další deformací apod.), ale je aktivována téměř ihned.

Předpětí je nutné aplikovat do konstrukcí staticky a konstrukčně uvážlivě. Statická působení předpětí při sanaci budovy má zvážit kromě příznivého vlivu přepínací síly na samotný objekt i vedlejší vlivy předpětí tak, aby nedocházelo k nežádoucímu přetváření konstrukce vlivem předpětí a tím i k nechtěným, dodatečně vyvolaným škodám. Před opravou se existující trhliny vyplní (injektují) cementovou maltou. Samozřejmě se zajistí, aby vnější síly v konstrukci působily přes tuhé existující stavební celky (např. obvodové zdi stavby).

Konstrukčně zvládnutá aplikace předpětí bezpečně řeší detaily, na nichž je funkce předpětí založena, a to z hlediska napětí v materiálech, proveditelnosti, šetrnosti vůči sanované konstrukci, dlouhodobé funkčnosti předpětí a ochrany proti korozi. Nezvládnuté konstrukční detaily a technologické postupy by totiž mohly negovat i staticky dobře zvládnutý návrh. Obecně nelze totiž říci, že každou konstrukci je možné sanovat pouze předepnutím – vždy je třeba postupovat podle okolností, zjištěných na místě samém, a vybrat ten postup, který se jeví jako nejlepší.

4. Princip chování zdiva

Pro lepší pochopení chování zdiva je vhodné připomenout proces porušení (spolupůsobení) zdiva. Zdivo se skládá ze dvou složek – zdicích prvků a pojiva, které spolu vzájemně spolupůsobí. Výsledná pevnost zdiva je většinou menší než pevnost cihel, na druhé straně větší než pevnost malty. To je způsobeno tím, že sekundární tahová napětí, která vznikají v pojivu v důsledku jeho rovnoběžném stlačování se směrem zatížení, zároveň způsobují jeho roztažení ve směru vodorovném. Tato roztažnost vyvolává tahové trhliny ve zdicích prvcích. Poněvadž spára nebývá vždy dokonale vyplněna maltou, nejsou zdicí prvky rovnoměrně zatíženy a chovají se částečně jako nosníky na elastoplastickém podkladě; k tomu přispívá ještě vliv ohybového namáhání cihel.

Faktory, které nejvíce ovlivnily pevnost zdiva stavby, byly:

• Pevnost v tlaku a tahu cihly a malty.
• Velikost (především výška) a tvar cihly.
• Výška a provedení ložných a styčných spár.
• Složení, zejména velikost zrna kameniva malty.
• Zpracovatelnost a přídržnost malty.
• Nasákavost cihel.
• Vazba zdiva.

Zatížení obvykle působí kolmo na ložnou spáru cihly. Tento druh namáhání je podrobně popsán jak v normách, tak i v jiné odborné literatuře, zabývající se pevností zdiva; totéž platí i pro jeho přetvárné vlastnosti. Jak bylo uvedeno výše, u zesilování zděných objektů předpínacími lany je nezbytné znát charakteristiky zdiva namáhaného rovnoběžné s ložnou spárou. Tento druh namáhání je podstatně méně propracovaný; přesto je možné najít mnoho autorů, kteří se jím zabývali [1, 2, 3, 4].

5. Pevnost zdiva rovnoběžná s ložnou spárou

V Německu [2] a také na FAST VUT v Brně byl prováděn a stále se provádí rozsáhlý experiment se zdivem s monitorováním pevnosti zdiva rovnoběžné s ložnými spárami [9]. Z pokusů vyplynulo, že u pálených cihel se vyskytuje zcela zřejmé odstupňování středních poměrných hodnot pevností mezi plnými cihlami, příčně děrovanými cihlami a lehkými příčně děrovanými cihlami. Přitom mohou být jednotlivé hodnoty (jak to ukazují výsledky vyhodnocení) velmi nízké a v extrémních případech mohou obnášet f_h = 0,1 – 0,2 f_d.

Je třeba poznamenat, že u historických objektů, pro které je zesilování lany obzvláště vhodné, byly velikosti pevnosti f_h stanoveny pečlivým studiem stavu zdiva opravovaného objektu, zejména bylo zkoumáno vyplnění svislých spár zdiva maltou. Je totiž třeba říci, že kvalita vyplnění svislých spár maltou je pro pevnost zdiva rozhodující – nejsou-li spáry dobře vyplněny, pak lze očekávat nízké hodnoty f_h, u zdiva se zcela zaplněnými spárami hodnoty f_h vyšší [1, 2, 6, 7, 10].

Stanovení hodnoty f_d se většinou zajišťuje nedestruktivními zkouškami, tj. pomocí Schmidtova tvrdoměru u cihel a Kučerovou vrtačkou u malty. Spolupráce s odborníky z ÚSZ FAST VUT v Brně je přitom vždy na místě.

6. Výsledky měření

Obrázek 6.: Vztah mezi předpínací silou a deformací v měřící základně v čase předpínání (svisle deformace v mm, vodorovně předpínací síla v kN)

Obrázek 7.: Průběh deformace zdiva štítové zdi [mm]

Na Obr. 6 a jsou znázorněny deformace zdiva měnícího se s časem po dobu měření. Je patrné, že i po skončení předpínání se základny dále podélně deformují (dotvarují). Z časového pohledu můžeme velikost dotvarování rozdělit do čtyř intervalů:

• Okamžik vnesení předpětí.
• Doba kolem 9 dnů po vnesení předpětí.
• Doba mezi 9–40 dny od vnesení předpětí.
• Doba nad 40 dnů po vnesení předpětí.

Po dokončení předpínání vzrostly deformace takto:

• Do 9 dnů cca na 5násobek okamžité deformace.
• Do 40 dnů cca na 6násobek okamžité deformace.
• Nad 40 dnů cca na 7násobek okamžité deformace.

Z měření je zřejmé, že po 14 letech od předepnutí stavby stále dochází k mírnému zklidňování deformací. Okolní vlivy, především změny teploty, změny vlhkosti v podloží apod. nemají již podstatný vliv.

7. Závěr

Pokusný objekt byl dlouhodobě pozorován a jeho deformace měřeny. V dostupné literatuře nebylo nalezeno podobné vyhodnocení deformací předepjatého objektu. Bylo to zřejmě poprvé, kdy byl po tak dlouhou dobu pokusný, horizontálním předpětím stabilizovaný zděný objekt měřen. Výsledky ukázaly, že se velikost ztrát je potom závislá na velikosti protažení použité předpínací výztuže.

V popisovaném případě bylo lano (monostrand) v dolním pásu zdiva napnuto na 160 kN (relativní protažení hodnoty 0,00593, velikost ztráty 16 %). V horním pásu bylo lano napnuto na hodnotu 100 kN (relativní protažení 0,0037, velikost ztráty 12 %). Z uvedeného plyne, že ztráty po 14letém dotvarováním zdiva souhlasí s původně předpokládanou rezervou velikosti 20 % původní předpínací síly.

Ze srovnání změřeného stlačení zdiva předpínáním a výsledného stlačení na pokusném objektu vychází, že dotvarování je v tomto případě až 6,5násobek pružného stlačení.

Trvalé předpětí lze v horizontálně zesílené konstrukci dosáhnout pouze při použití vysoce tažných předpínacích ocelí. Průřezy předpínacích lan (monostrandů nebo spletenců) je nutno přizpůsobit navrženým předpínacím silám. Hlavní deformace u sledovaného objektu proběhly (a je tomu i u jiných předepnutých objektu) do ½ roku po ukončení vnesení sil do stavby.

Poděkování

Tento výsledek byl získán za podpory projektu 002 163 0519.

Literatura

• [1] BAŽANT, Z.; KLUSÁČEK, L.: Statika při rekonstrukcích objektů. 5. doplněné vydání, CERM Brno, 8/2010
• [2] Schubert, P.; Hoffmann, G.: Druckfestigkeit von Mauerwerk parallel zu den Lagerfugen. Mauerwerk-Kalender 1994, Ernst & Sohn Berlin
• [3] Košatka, P.; Broukalová, I.: Navrhování zděných konstrukcí – příručka k ČSN EN 1996-1-1, Informační centrum ČKAIT Praha 2010, ISBN 978-80-87438-02-2
• [4] Klusáček, L.; Šulák, P.; Bažant, Z.: Short-term and Long-term Strain Behaviour of Masonry Structure Post-tensioned horizontály. Sborník příspěvků 12^th International Conference and Exhibition „Structural and Repair 2008“ Edinburgh 13^th–15^th June 2006 ve formatu SD ROM, 7 stran, 4.–5. října 2011, FAST VUT v Brně
• [5] Klusáček, L.; Bažant, Z.: Strain Behaviour of Masonry Structures stabilised using horizontal Post-tensiong. Sborník příspěvků „12^th International Scientific Conference“, April 20–22, 2009 Brno, Czech Republic
• [6] Šulák, P.: Dlouhodobé sledování chování předpjaté konstrukce. Seminář „Zpevňování, Těsnění a kotvení horninového masívu a stavebních konstrukcí 2008“, ISBN 978-80-248-1715-6
• [7] Šulák, P.: Problematika měření předepnutých zděných objektů. Konference „Zkoušení a jakost ve stavebnictví, říjen 2011 Brno“, ISBN 978-80-248-1715-6
• [8] Klusáček, L.: Statické zajištění rekreačního objektu. KL – projekt, 1998
• [9] Terzijski I., Klusáček L., Bažant Z., Strnad J., Ducháč P., Kratochvíl M., Volf M., Požár M.: Stanovení deformačních charakteristik zdiva. Stavební obzor 1/2012, ISSN 1210-4027
• [10] Zich M., Bažant Z.: Manuál a metodika navrhování a provádění dodatečného předpínání stavebních konstrukcí. ÚBZK FAST v Brně, 11/2011