Zajištění zděných staveb proti účinkům technické seizmicity

1. Úvod

Na území České republiky se nacházejí seizmická území pouze o malých hodnotách přirozené seizmické aktivity, která je dána hodnotou efektivního špičkového zrychlení podloží a_g (v jednotkách gravitačního zrychlení). Uvedené hodnoty na území ČR jsou a_g < 0,1 g (maximum činí 0,085 g) a tudíž je možno oblast ČR klasifikovat jako oblast s malým seizmickým zatížením od přirozené seismicity.

Naproti tomu technická seismicita může leckdy představovat vážný problém. Technickou seizmicitou rozumíme seizmické otřesy vyvolané umělým zdrojem, nebo indukovanou seizmicitou. Zdrojů technické seismicity může být celá řada – např. stroje, těžká doprava, silniční nebo železniční doprava, rázy těžkých mechanismů (buchary, lisy, beranidla při zarážení pilot apod.), kostelní zvony, důlní otřesy, otřesy vzniklé při odstřelech atd.

Pokud jde o četnost vlivů technické seizmicity, není tato v žádném případě zanedbatelná. Například pokud jde o důlní otřesy na území ostravsko-karvinského revíru je seizmickou monitorovací sítí v karvinské části OKR registrováno až 50 tisíc jevů ročně, z toho přibližně 100 až 500 jevů, jejichž energie je větší než 9.10³ J – viz [8].

Pro navrhování a posuzování objektů z hlediska účinků technické seizmicity platí ČSN 73 0040 [1] a ČSN 73 0032 [14]. Z hlediska odolnosti proti účinkům technické seizmicity jsou zděné objekty podle tab. 9 v ČSN 73 0040 [1] zařazeny do třídy odolnosti A ÷ C. Zděné objekty tedy patří k typům staveb, které mají proti seizmickým účinkům nejnižší odolnost.

2. Poškození zděných objektů v důsledku působení účinků technické seizmicity

Obr. 1: Schéma průběhu trhlin na zděném objektu vzniklých v důsledku účinků technické seizmicity

V důsledku dynamické odezvy vyvolané technickou seizmicitou vznikají na zděných objektech statické poruchy, které se projevují zejména vznikem trhlin. Zásadním znakem pro určení původu trhlin je, že trhliny zapříčiněné dynamickými účinky ve většině případů nemají jednoznačný průběh, jsou rozptýleny naprosto nerovnoměrně a nevytvářejí souvislý obrazec (viz obr. 1, 2 a 3). Tedy jinak, než je tomu například u trhlin zapříčiněných statickým namáháním (trhliny tahové, tlakové či smykové), ze kterých je patrný směr vlivu jejich silového účinku.

Obr. 2: Ukázka trhlin ve venkovní zdi zděného objektu

Obr. 3: Ukázka trhlin ve vnitřní zdi zděného objektu

Účinky dynamické odezvy zděných konstrukcí vyvolané technickou seismicitou závisí na řadě faktorů, z nichž především na:

1. Parametrech zdroje seismicity – hmotnost, frekvence a amplituda jeho kmitání.
2. Vzdálenosti zdroje od místa odezvy.
3. Geologických poměrech v podloží.
4. Hydrologických poměrech v podloží. (Podzemní voda výrazně zesiluje přenos dynamických účinků.).
5. Typu a velikosti základové konstrukce objektu, na který dynamické účinky působí.

Dynamické účinky technické seismicity se u zděných staveb projevují nejprve vlasovými trhlinami v omítkách, dále pak především opadáváním částí omítek, trhlinami ve stropních fabionech (obr. 4), v místech uložení stropních nosníků a překladů (obr. 5 a 6), v rozích otvorů (obr. 7), v místech kontaktů dvou na sebe navazujících stěn (obr. 4). Při větší intenzitě také v plochách nosných i nenosných stěn (obr. 2 a 3).

Pokud jde o místa uložení stropních nosníků či překladů, vzniká zde rovněž riziko jejich vysunutí (obr. 8),

Obr. 4: Trhliny v místech stropního fabionu a v kontaktu dvou stěn

Obr. 5: Trhliny v místech uložení nadokenního překladu

Obr. 6: Trhlina v místě uložení překladu

Obr. 7: Trhlina v místě rohu otvoru

Obr. 8: Vysunutí překladu v místě jeho uložení

Obr. 9: Trhlina v pórobetonové příčce s volnou hlavou (pod sádrokartonovým podhledem) zapříčiněná dynamickými účinky

Někdy, v určitých případech, mohou mít trhliny ve zdivu zapříčiněné dynamickými účinky také jiný průběh. Například u zděných příček, které nejsou v hlavě opřeny k mohou vzniknout trhliny pouze svislé (viz obr. 9).

Pokud se otřesy šíří zeminou (např. od dopravy) dochází v důsledku otřesů ke zhutňování zeminy pod základy, které posléze sedají a zdivo nad nimi se deformuje a trhá.

Trhliny mají za následek snížení tuhosti příslušné konstrukce a zároveň snížení prostorové tuhosti zděného objektu jako celku. Při opakovaném namáhání dynamickými účinky (např. v důsledku důlních otřesů na poddolovaném území) může dojít k těžkým statickým poškozením zděných objektů (zejména pokud spadají do kategorie A, nebo B podle ČSN 73 0040 [1], v extrémních případech také k jejich úplné destrukci. A to zejména tehdy, jestliže nejsou proti dynamických účinkům žádným způsobem zajištěny a z konstrukčního hlediska postaveny naprosto nevhodně – např. bez pozedních věnců, se stropy, které nejsou tuhé ve vodorovné rovině (např. dřevěné stropy, stropy s nosníky Hurdis apod.), s cihelnými klenbami, s visutými (konzolově uloženými) schodišťovými rameny atd.

3. Konstrukční zásady pro projektování rekonstrukcí u objektů situovaných v dosahu technické seizmicity

Způsob a stupeň ochrany zděné budovy proti působení účinků technické seizmicity je dán jejím konkrétním typem a velikostí jejich účinků. Při projektování rekonstrukcí zděných objektů situovaných v dosahu technické seizmicity je možno uplatnit následující konstrukční opatření:

1. 
   Obr. 10: Princip stažení zděného objektu pomocí ocelových předpjatých lan
   1 – ocelové předpjaté lano, 2 – rozpěrný prvek (ocelová trubka, válcované profily []) s roznášecími přírubami, 3 – rozpěrný prvek, nebo táhlo
   Provést prostorové ztužení objektu pomocí ocelových předpjatých lan. A to v několika výškových úrovních (zpravidla v úrovních stropů), jejichž vzdálenost činí max. 6 m. O problematice dodatečného ztužování zděných svislých nosných konstrukcí je pojednáno např. v [11], [12] a [15]. Princip stažení zděné budovy pomocí ocelových předpjatých lan je znázorněn na obr. 10.
   
    
2. Pokud je to možné (například z dispozičních důvodů), je vhodné za účelem zvýšení celkové prostorové tuhosti budovy dodatečně provést vložení ztužujících stěn.
3. Nenavrhovat zděné klenby. Tam, kde je to možné, nahradit je tuhými stropními konstrukcemi. V případě porušení klenby trhlinami, a pokud není možná její náhrada tuhými stropními konstrukcemi, je třeba provést sanaci klenby. A to například tlakovou injektáží trhlin a stažením klenebního žebra v místě jeho uložení pomocí ocelového předpjatého lana a ocelové rozpěry (obr. 11 a 12). Zmíněné stažení v patě klenby je vhodné doplnit také stažením jejich podpěr (sloupů či pilířů) v základech (obr. 11). Sloupy, které podpírají klenby, zejména uvnitř dispozice, je vhodné zesílit – např. obetonováním železobetonem, nebo ocelovou bandáží (viz níže, bod 8).
   
   
   
   Obr. 11: Princip statického zajištění klenby pomocí ocelových předpjatých lan

   
   Obr. 12: Ukázka statického zajištění kleneb pomocí ocelových předpjatých lan výškově umístěných v patách kleneb

   
   
   V praxi je možno setkat se i se sanací, resp. zesilováním kleneb pomocí betonových skořepin provedených na jejich rubu. Tento způsob je nevhodný. To z následujících důvodů:
   
   
   1. Dochází ke změně původního statického působení klenby. Klenby přenášejí zatížení pouze tlakem. Po sanaci je však klenba částečně zavěšena, čímž se zde vyvozuje tah.
   2. Dochází ke zbytečnému zvyšování hmotnosti klenby, což má za následek přítěžování jak původní klenby, tak také svislých nosných konstrukcí, základů a základové spáry. Uvážíme-li, že tloušťka nadbetonované skořepiny činí např. 100 mm, je potřebný objem betonu pro sanaci 1 m² plochy klenby 0,1 m³. Vezmeme-li minimální objemovou hmotnost železobetonu ρ = 2300 kg.m⁻³, pak dostaneme hmotnost nadbetonované skořepiny 230 kg.m⁻². Přenáší-li příslušná svislá nosná konstrukce (stěna, sloup či pilíř) a následně základ zatížení od klenby z její půdorysné plochy o velikosti několika metrů čtverečných, pak se může jednat o významné přitížení zmíněných konstrukcí.
      Navíc, pokud se jedná o poddolované území, přitížení v základové spáře, které má za následek vznik vyšších hodnot kontaktních napětí v základové spáře, zapříčiňuje v důsledku současného působení vodorovného přetvoření terénu také vyšší hodnoty smykových napětí v základové spáře. Ty pak namáhají základ tahem, čímž vzniká riziko poškození základu a nadzákladového zdiva. Případně i stropních či schodišťových konstrukcí na tomto zdivu uložených. Tato skutečnost pak klade vyšší požadavky na zajištění proti účinkům poddolování v základech.
   3. Velmi problematické je rovněž zajištění řádného spolupůsobení klenby a nadbetonované skořepiny, které je nezbytné pro správnou statickou funkci tohoto zesílení. Pokud je klenba poškozená, je nerozumné provádět další destruktivní zásahy do její konstrukce (např. vrtání otvorů pro kotvení spřahovacích trnů).
   4. Z hlediska spolupůsobení klenby a nadbetonované skořepiny je problematická také rozdílná tepelná roztažnost původních kleneb (cihelné zdivo) a nových skořepin (železobeton). Tyto materiály mají značně odlišné součinitele tepelné roztažnosti (beton: α ≅ 1,2.10⁻⁵ K⁻¹, zdivo: α ≅ 0,5.10⁻⁵ K⁻¹).
   5. Zanedbatelné zde není ani ekonomické hledisko. Uvážíme-li, že náklady na 1 m³ betonu činí přibližně 3 000,– Kč, pak jen cena betonu potřebného na sanaci 1 m² plochy klenby 300,– Kč. Při půdorysné ploše kostela například 30 × 20 m pak jen cena betonu činí 600 × 300 = 180 tisíc Kč. K tomu je třeba připočítat také cenu ocelové výztuže a náklady na realizaci.
4. Nenavrhovat stropní konstrukce, které nejsou tuhé ve vodorovné rovině (např. dřevěné stropy, stropy z cihelných stropních desek Hurdis apod).
5. Překlady nad okny či dveřmi spojit se ztužujícími věnci (pokud je to možné – např. před realizací nové konstrukce stropu).
6. Minimalizovat otvory v nosných stěnách. V případě nadměrného oslabení nosné zdi provést částečné dozdění.
7. Schodiště navrhovat jako železobetonová monolitická, nebo ocelová. Prefabrikovaná schodiště zabezpečit proti povytažení z podporujících konstrukcí, event. zvětšit jejich úložné délky. Zásadně nenavrhovat schodiště konzolová vyložená (visutá), nebo sestavená z malých dílců.
8. 
   Obr. 14 Zesílení zděného sloupu ocelovou bandáží
   V případě zděných sloupů nebo pilířů provést sanaci pomocí obetonování železobetonem (obr. 13), nebo ocelovou bandáží (obr. 14). Tímto způsobem je možno také zároveň zvýšit jejich únosnost. O této problematice je podrobně pojednáno např. v [9] a [10].
   
   
   
   Obr. 13 Princip zesílení zděného sloupu obetonováním železobetonem
    
9. Zvýšit tuhost stávajících netuhých stropů (např. dřevěných stropních konstrukcí, stropů s nosníky z ocelových válcovaných profilů apod.) pomocí spřažení původního stropu s doplňkovou konstrukcí. Zároveň je možno, pokud je to třeba, zvýšit také jejich únosnost. Viz kap. 3. 1.

3. 1 Zvýšení tuhosti stropních konstrukcí

Z konstrukčního hlediska je zde nutno rozlišit:

1. Zesilování dřevěných stropů,
2. Zesilování stropů tvořených prvky osazenými do ocelových nosníků (např. cihelnými klenbami apod.).

a) Zesilování dřevěných stropů

Obr. 15 Spřažení dřevěného trámového stropu s betonovou deskou

Obr. 16: Spřažení dřevěného povalového stropu s betonovou deskou

Obr. 17: Spřažení dřevěného trámového stropu s vrstvou prken nebo fošen

Níže uvedený způsob (spřažení původního stropu s doplňkovou konstrukcí – nadbetonováním, event. s dodatečně provedenou vrstvou prken nebo fošen) se používá v posledních 30 až 40 letech při rekonstrukcích dřevěných stropů. Nedostatečně dimenzovaný (popř. i poškozený) strop se spřáhne s betonovou deskou (obr. 15 a 16), nebo s další vrstvou z fošen či prken (obr. 17). Z důvodu správné funkce zesíleného stropu je nutno vždy zajistit řádné spolupůsobení původního stropu se zesilující konstrukcí. Spřažení stávajícího dřevěného stropu s další vrstvou prken, fošen, nebo vrstvou betonu se provede pomocí vrutů, hřebíků či jiných spřahovacích prostředků.

Pokud jde o nadbetonování, nevýhodou zde může být velká hmotnost betonové desky. Je však možno použít lehkých betonů. Návrh spřažení, stejně jako každý jiný způsob rekonstrukce či zesílení stropní konstrukce musí být doložen statickým výpočtem. A to nejen jeho definitivní fáze v rámci spolupůsobení dřeva a betonu po jeho zatvrdnutí, ale i montážní fáze, kdy čerstvě položený beton, který ještě nespolupůsobí, stávající stropní konstrukci pouze zatěžuje. V případě, že stávající dřevěný strop nebude schopen přenést hmotnost čerstvého betonu, bude nutno jej dočasně, po dobu tvrdnutí betonu, podepřít. Správná funkce takto zesíleného stropu (jeho zvýšená únosnost a minimální průhyb) závisí na vzájemném spolupůsobení původního dřevěného stropu a zesilujícího betonu. To je ovlivněno smykovou pevností a tuhostí spojů mezi původní konstrukcí a nadbetonováním – hřebíků, vrutů, ocelových desek s prolisovanými trny, vrutů se dvěma hlavami, resp. jiných spřahovacích prostředků, apod. O problematice statického posouzení takto spřaženého stropu je podrobně pojednáno např. v [5] a [6].

Návrh spřažení, resp. celé skladby budoucího takto zesíleného stropu je nutno řádně posoudit nejen z hlediska statiky, ale také z hlediska tepelné techniky. Je třeba posoudit kondenzaci vodní páry uvnitř stropní konstrukce podle kap. 6 ČSN 73 0540 – 2 [2], resp. možnost ohrožení funkce dřevěného záklopu a dalších dřevěných prvků. To proto, aby nemohlo v budoucnu, v rámci užívání stropu, dojít k napadení dřevěných prvků dřevokaznými biologickými škůdci. Posouzení se provede podle ČSN 73 0540 – 2 [2], vhodným výpočetním programem (např. TEPLO 2015 [7]). Z tohoto hlediska je však nutné posoudit nově navrženou stropní konstrukci nejen v její ploše, ale také v kritických místech (vodorovné kouty u obvodové zdi pod stropem a nad podlahou, uložení stropních trámů, apod.). Posouzení ve zmíněných kritických místech je třeba provést proto, že průběh teplot na povrchu i uvnitř konstrukce zde bývá odlišný od průběhu teplot v ploše stropu. Posouzení povrchové kondenzace se provede podle zásad uvedených v ČSN 73 0540 – 2 [2]. A to posouzením hodnoty teplotního faktoru vnitřního povrchu. To se provede řešením dvourozměrných, event. trojrozměrných teplotních polí – vhodným výpočetním programem (např. AREA 2015 [4], nebo CUBE 3D 2015 [16]). Pokud jde o vnitřní kondenzaci v kritických místech – řešení roční bilance kondenzace vodní páry při dvourozměrném či trojrozměrném vedení tepla není žádným normativním předpisem či jinou metodikou upraveno. Je však rovněž možno použít výstupů např. z programu AREA 2015 [4].

Pro betonáž je vhodné použít betonovou směs suchou – o hodnotě vodního součinitele w < 0,5. Realizace spřažení stávajícího dřevěného stropu s betonovou deskou je mokrý proces. Z tohoto důvodu je nutno dbát, aby nedošlo k nadměrnému promáčení záklopu, případně dalších prvků stropu. Povrch záklopu však není třeba chránit před vlhkým betonem. To proto, že jeho zatížení vlhkostí ze záměsové vody je krátkodobé, voda nepronikne do hloubky dřeva větší než cca 3 mm (v závislosti na konzistenci betonové směsi a na struktuře povrchu dřeva). Předmětná vlhkost se pak navíc zpětně spotřebuje při hydrataci betonu. Před uzavřením betonové vrstvy další vrstvou podlahy musí být tato být suchá, resp. vykazovat pouze rovnovážnou vlhkost.

b) Zesílení stropů tvořených cihelnými klenbami osazenými do ocelových nosníků

Obr. 18 Zesílení stropní konstrukce (cihelných kleneb osazených do ocelových válcovaných profilů I) spřažením s dodatečně provedenou betonovou deskou

Další možností je zde spřažení stávajících stropních nosníků (ocelových válcovaných profilů I) s dodatečně provedenou betonovou vrstvou (obr. 18) obdobně, jak je již popsáno výše. O této problematice je podrobně pojednáno např. v [3].

4. Historické a památkově chráněné objekty

Stávající zděné budovy jsou specifickými jak z hlediska konstrukce, tak také z hlediska zpravidla malé odolnosti proti účinkům technické seismicity. Z tohoto pohledu je možno charakterizovat je následovně:

1. Jedná se o zděné objekty se složitým prostorovým uspořádáním. Zdivo bývá také z různorodého materiálu (různých typů a rozměrů zdicích prvků, z kamene) o různé kvalitě.
2. Svislé nosné konstrukce (stěny, sloupy, pilíře) vykazují vysokou tuhost, která je zapříčiněna zejména jejich velkými výškami a tloušťkami a zároveň hodnotami modulu přetvárnosti příslušných materiálů.
3. Zdivo vykazuje zpravidla velmi malou pevnost v tahu a ve smyku. Tato skutečnost a zároveň vysoká tuhost svislých nosných konstrukcí, zapříčiňují jejich náchylnost ke vzniku trhlin.
4. Uvnitř dispozice se často vyskytují sloupy a pilíře, které jsou z hlediska působení účinků technické seismicity značně citlivé.
5. Běžně se zde vyskytují zděné klenby, které jsou z hlediska účinků technické seismicity rovněž značně citlivé.
6. U památkově chráněných objektů musí navržená konstrukční opatření respektovat požadavky památkové ochrany.

Zvláštní skupinou tohoto typu objektů jsou sakrální stavby (kostely a kaple). Zde bude možno, samozřejmě, uplatnit všechny konstrukční zásady uvedené v kap. 3. Nejčastěji však budou přicházet v úvahu zásady uvedené v bodech 1, 3 a 8.

Pokud je u kostelních věží zavěšen zvon (resp. více zvonů), vyvozují rovněž dynamické účinky na zdivo věže nebo i přilehlé kostelní lodě. Ty mohou být v určitých případech příčinami poruch zdiva. Na věžích kostelů se mohou vyskytnout trhliny, které jsou zapříčiněny dynamickými účinky při zvonění zvonů. A to tehdy, jestliže konstrukce věže není na tyto účinky dostatečně dimenzována, nebo je-li frekvence kyvu zvonu shodná s vlastní frekvencí věže, nebo se na věži nachází štíhlý prvek, jehož vlastní frekvence je shodná s frekvencí kyvu zvonu. Dále pak tehdy, je-li nevhodným způsobem provedeno uložení zvonové stolice na zdivu věže. Uvedená problematika je poměrně obsáhlá a přesahuje rámec tohoto příspěvku Podrobnější pojednání o této problematice je možno nalézt například v [13].

Literatura

1. ČSN 73 0040 Zatížení stavebních objektů technickou seizmicitou a jejich odezva (1996).
2. ČSN 73 0540 – 2 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky (2011).
3. Čajka, R.: Spřažené ocelobetonové stropní konstrukce rekonstruovaných staveb. Sborník 23. konference Sanace a rekonstrukce staveb. Praha, 2001
4. Svoboda, Z.: AREA 2015 pro Windows. Výpočtový program pro PC.
5. Dřevěné konstrukce podle Eurokódu 5. STEP 2. Autorizovaný překlad z anglického vydání „Timber Engineering STEP 2“ Centrum Hout, The Nederlands, 1995. Vydání první. Informační centrum ČKAIT, 1995.
6. Reinprecht, L., Štefko, J.: Dřevěné stropy a krovy. Typy, poruchy, průzkumy a rekonstrukce. ABF Praha, 2000.
7. Svoboda, Z.: TEPLO 2015 pro Windows. Výpočtový program pro PC.
8. Kaláb, Z.: Několik poznámek k seizmickým projevům důlně indukovaných jevů na povrchu. Sborník semináře „Betonové konstrukce v extrémních podmínkách“. Česká betonářská společnost ČSSI, ČBS Servis, s. r. o., Praha, 2004. ISBN 80-903501-0-0.
9. Vaněk, T.: Rekonstrukce staveb. SNTL Praha, 1985.
10. Witzany, J.: Poruchy a rekonstrukce zděných budov. Nakladatelství ŠEL, spol. s r.o., Praha 1999. ISBN 80-902697-5-3.
11. Solař, J.: Sanace zděných objektů po povodni. Tepelná ochrana budov č. 5/2002. ISSN: 1213-0907.
12. Bažant, Z., Klusáček, L.: Statika při rekonstrukcích objektů. Akademické nakladatelství CERM, s. r. o. Brno. Březen 2002. ISBN: 80-214-2058-8.
13. Lunga, R., Solař, J.: Kostelní věže a zvonice. Kampanologie, navrhování, poruchy, rekonstrukce a sanace. Grada Publishing, a. s., 2010. ISBN 978-80-247-1236-9.
14. ČSN 73 0038 Výpočet stavebních konstrukcí zatížených dynamickými účinky strojů (1977).
15. Solař, J.: Poruchy a rekonstrukce zděných staveb. Grada Publishing, a.s., 2008. ISBN 978-80-247-2672-4.
16. Svoboda, Z.: CUBE 3D 2015. pro Windows. Výpočtový program pro PC.