Stabilizace a zpevnění klenbových konstrukcí historických objektů
Řada historických staveb zejména v západních Čechách se nachází v oblastech, kde se vyskytuje specifický druh zemětřesné aktivity, tzv. zemětřesné roje (centrum v okolí obce Nový Kostel), při kterých po dobu několika dní až měsíců probíhá série tisíců slabších otřesů. Někdy jsou tyto otřesy dostatečně silné (vyšší než 2 st. Richterovy stupnice) na to, aby byly pociťovány obyvateli, a v některých případech mohou dokonce způsobit i materiální škody na budovách. Znalost odezvy zejména klenbových konstrukcí historických objektů na dynamická zatížení je základem sanačních zásahů na památkově významných objektech vystavených těmto účinkům. Vzhledem k narůstající intenzitě kolové i kolejové dopravy dochází také ke zvýšení účinků tzv. technické seismicity na stavby nacházející se v blízkosti komunikací a tratí. Navržený systém dodatečného ztužení valených, křížových popř. sférických kleneb pomocí předepnutých segmentových ohybově tuhých pasů přispívá ke zvýšení jejich odolnosti vzhledem k přírodním a antropogenním dynamickým účinkům.
1. Úvod
Dynamické účinky způsobené přírodní a technickou seismicitou jsou častou příčinou poruch staveb projevující se trhlinami ve zdivu kleneb, na svislých konstrukcích, ve stropních konstrukcích, v místech otvorů apod. Nepružná odezva zděných konstrukcí s nízkou pevností zdiva, s nedostatečnou tuhostí svislé konstrukce s absencí, popř. s neúčinnými kleštinami a klenbovými táhly, nedostatečně odolnou základovou konstrukcí apod. na dynamické účinky je zpravidla provázena narušováním zdiva, vznikem trhlin a uvolňováním zdicích prvků, přičemž každé následné opakování dynamických účinků způsobuje postupně narůstající mechanickou degradaci zděných konstrukcí objektu.
Zejména klenbové konstrukce jsou nedostatečně odolné proti dynamickým účinkům způsobeným seismickým vlněním základového podloží, které vyvolává deformace podpůrné konstrukce kleneb v horizontálním i vertikálním směru provázené narušováním klenbové konstrukce [1]. Zděné klenby jsou narušovány zejména tahovými trhlinami, zdiva v místech, ve kterých dochází ke vzniku tahových napětí, popř. drcením při vyšších tlakových napětích. Relativně malé vodorovné deformace ve vrcholu podpůrné konstrukce o velikosti v řádu milimetrů mohou být příčinou vzniku tahových trhlin probíhajících v podélném směru ve vrcholu klenby (na lícní straně) a v oblasti patních, popř. nebezpečných průřezů na rubu klenby opakováním dynamického účinku dochází postupně ke vzniku a rozvoji tahových a smykových trhlin. V konečném stadiu tohoto procesu může dojít ke kolapsu (zřícení) klenby.
Závažnou dynamickou odezvu konstrukcí historických objektů vyvolávají také účinky přírodní seismicity. Přírodní seismicita má frekvence, které dosahují nízkých hodnot (50 až 100krát nižší oproti seismicitě technické), avšak o několik řádů vyšší amplitudy otřesů ve srovnání s technickou seismicitou. Na území zejména západních Čech, které lze označit jako oblast seizmicky aktivní, se nachází řada významných historických a památkově chráněných staveb [3].
Technická, popř. tzv. indukovaná seismicita je způsobena účinky dopravy, stavební činností (strojů), účinky zařízení a strojů, důlní a těžební činností, odstřely (v okolí lomů), tlakovými vlnami, vzdušným a vodním proudem, účinky větrných poryvů, rázovými účinky, apod. K závažným dynamickým účinkům působícím na budovy v uliční zástavbě patří účinky způsobené pohybem kolových a kolejových vozidel (brzdné a rozjezdové síly, kmitání přenášené podložím). Dynamické účinky vyvolané technickou seismicitou způsobují postupné zhutňování základového podloží, které je provázeno dodatečným sedáním základů, vznikem a rozvojem trhlin. Technická seismicita – 20 až 150 Hz, zrychlení 0,05 až 2 ms−1 – je zpravidla provázena postupným procesem dezintegrace a vznikem mechanických poruch v nosném systému způsobených únavou materiálů. V důsledku tohoto procesu napětí na mezi únavy klesá s počtem cyklů zatížení, avšak narůstá deformace a trvalé přetvoření. U zděných konstrukcí zpravidla dochází k tzv. nízkocyklické únavě, postupnému nárůstu plastických deformací a rozvoje trhlin při dosažení počtu cyklů řádu 103 až 105 v závislosti na intervalu nízkocyklického zatížení [2].
2. Dodatečná opatření zajišťující stabilitu klenbových konstrukcí
V současné době se při zajištění tuhosti klenbové konstrukce a zvýšení její odolnosti proti seismickým účinkům nejčastěji uplatňuje systém táhel stahující protilehlé klenbové patky a podpůrnou konstrukci, popř. táhlový systém provedený v úrovni vrcholu klenby a spínající klenbový opěrný systém. Závažným nedostatkem uvedeného řešení zvýšení únosnosti a odolnosti proti dynamickým účinkům pomocí systému táhel je nedostatečné zajištění vzájemné polohy protilehlé podpůrné konstrukce kleneb v případech, kdy dochází, v důsledku vodorovného kmitání podpůrné konstrukce, k vzájemnému přiklánění protilehlých, např. stěnových podpor nebo pilířů valené klenby způsobené jejich rozdílným kmitáním. Táhla jsou především určena pro přenos vodorovných složek výslednice zatížení klenby v patách klenby ve směru „ven“ z klenby. Pro případné zachycení vodorovných deformací podpůrného systému směřujících „dovnitř“, je systém klenbových táhel neúčinný (dochází k vybočení táhel). Dynamické účinky způsobují zejména obousměrné vodorovné deformace – kmitání podpůrné konstrukce, při němž dochází k obousměrným vodorovným deformacím. Táhla v takovém případě nejsou spolehlivým zajištěním kleneb před porušením způsobeným dynamickými účinky.
3. Stabilizace a zpevnění klenbových konstrukcí dodatečným vložením rubových pasů
Navržený způsob dodatečné stabilizace historických klenbových konstrukcí [4, 5] je založen na zpevnění a zajištění tvaru klenby pomocí eliminace deformací klenby, které předchází jejímu postupnému narušení, dodatečným provedením předepnutých, ohybově tuhých rubových pásů z ocelových, popř. železobetonových prefabrikovaných dílců osazených na rubu klenby a připevněných ke svislé podpůrné konstrukci zajišťující tvarovou stálost (viz Obr. 1). Charakteristickým znakem tohoto předepnutého segmentového ohybově tuhého rubového pásu je řízený kontakt s klenbovou konstrukcí v místech, kde dochází vlivem vodorovných deformací klenby k tahovým napětím na rubové straně klenby.
Obr. 1 Příklad rozdělení předepnutého segmentového ohybově tuhého rubového pásu na jednotlivé dílce – ocelová (a) a prefabrikovaná železobetonová varianta (b)
Předepnutý segmentový ohybově tuhý rubový pás je vytvořen z ocelových, popř. železobetonových popř. keramických prefabrikovaných dílců složeného, lichoběžníkového nebo obdélníkového profilu, popř. profilu písmene „U“ (truhlíkový tvar), jehož rozměry a dimenze závisí na rozponu klenby, poloze a umístění předepnutého segmentového ohybově tuhého rubového pásu na rubové straně valené, křížové, popř. sférické klenby, opěrném systému, stavu zdiva klenby a podpor a dalších konkrétních podmínkách (viz Obr. 2). Velikost jednotlivých dílců (segmentů) je také závislá na možnostech transportu a manipulaci se segmenty na rubu stávající klenby (např. při ruční manipulaci by hmotnost dílců neměla přesáhnout 50 kg).
Obr. 2 Schéma příkladů příčných profilů dílců předepnutého segmentového ohybově tuhého rubového pásu pro ocelovou (a), prefabrikovanou železobetonovou (b) a keramickou variantu (c)
Ocelové dílce složeného, lichoběžníkového, popř. truhlíkového profilu jsou opatřeny na obou koncích ocelovými styčníkovými plechy pro provedení tuhých spojů mezi jednotlivými segmenty (viz Obr. 3a). Prefabrikované železobetonové, popř. keramické dílce uzavřeného profilu nebo profilu písmene „U“ (truhlíkové) jsou opatřeny v kontaktních plochách speciální úpravou („zámky“) zajišťující vzájemnou polohu jednotlivých segmentů. V jádře segmentových dílců jsou provedeny otvory pro provlečení předpínacích uhlíkových lamel, výztuže, nebo předpínacích kabelů zajišťujících tlakové předpětí ztužujícího segmentového pásu. V případě železobetonových, nebo keramických segmentových dílců mohou být dílce v horní části opatřené drážkou pro uložení zálivkového betonu a výztuže. (viz Obr. 3b). Koncové segmenty „rubového segmentového pásu“ jsou opatřeny speciální úpravou, zajišťující vytvoření ohybově tuhých koncových částí segmentového ztužujícího pásu v místě jeho připevnění k podpůrné konstrukci prostřednictvím svorníků ukotvených na vnější straně opěrných zdí do kotevních ocelových desek zapuštěných ve zdivu tak, aby je bylo možné zakrýt omítkou, popř. prostřednictvím svislých, nebo šikmých kotev osazených v opěrných stěnách (viz Obr. 4).
Obr. 3 Schéma tuhého spoje segmentů ocelového (a) a prefabrikovaného železobetonového (b) předepnutého segmentového ohybově tuhého rubového pásu
Obr. 4 Schéma tuhého spoje koncového segmentu předepnutého segmentového ohybově tuhého rubového pásu a zděné klenbové opěry
Spojení ztužujícího segmentového pásu a klenby zajišťují speciální trny kotvené ve zdivu klenbové konstrukce, popř. v žebrech klenby provedené před položením segmentových dílců opatřených otvory pro provlečení trnů. „Dilatační“ spára mezi ztužujícím předepnutým segmentovým ohybově tuhým rubovým pásem a rubem klenby je v místě nepředpokládaného kontaktu, tj. mezi kotevními trny provedena z pásů z měkké pryže, popř. minerálních vláken tak, aby byl vyloučen přímý kontakt ztužujícího segmentového pásu a zdiva klenby ve fázi předpínání segmentového pásu. V závislosti na konkrétním řešení klenby – tvaru, povrchu, apod. – se předpokládá použití dočasných rektifikovatelných „podložek“ (pásy pryže, pásy tuhé minerální vaty) v místech mezi kotevními trny tak, aby byl zajištěn požadovaný tvar ztužujícího předepnutého segmentového ohybově tuhého rubového pásu ve fázi jeho sestavování a předpínání. Po dosažení požadované pevnosti a tuhosti předepnutého segmentového ohybově tuhého rubového pásu dodatečně provedeného na rubu klenby se odstraní rektifikovatelné podložky a aktivuje se kontakt ztužujícího pásu a klenby (např. provedení ložné spáry z cementové malty), včetně aktivace kotevních trnů (viz Obr. 5b) V odůvodněných případech kdy lze vyloučit porušení klenbové konstrukce deformací ztužujícího klenbového pásu ve fázi jeho předpínání lze provést staticky účinné kontaktní spáry v celém rozsahu předepnutého segmentového ohybově tuhého rubového pásu.
Obr. 5 Schéma provedení staticky účinného spoje předepnutého segmentového ohybově tuhého rubového pásu a zpevňované klenby a aktivace ztužujícího segmentového klenbového pásu. a) Půlkruhová klenba, b) Segmentová klenba
V horní části rubového, dodatečně osazeného segmentového pásu je provedena úprava (speciálně tvarované profily, mělká drážka s adhezní vrstvou z epoxidové pryskyřice) pro vložení předpínací uhlíkové lamely, popř. pásu z kompozitu tvořeného tkaninou z vysokopevnostních uhlíkových vláken a epoxidovou pryskyřicí. Předpínací lamely, popř. pásy z uhlíkového kompozitu jsou provlečeny plastovými profily osazenými do otvorů provedených v opěrných stěnách a po předepnutí ukotveny speciálními kotvami na vnější straně klenbových podpor, popř. jsou ukotveny v koncových segmentech rubového segmentového pásu (viz Obr. 6). Předepnutí lamel, popř. pásů z uhlíkového kompozitu musí být provedeno ve fázi před vytvrzováním pryskyřice.
Obr. 6 Schéma úpravy prefabrikovaného železobetonového dílce pro provedení předpínací uhlíkové lamely, popř. předpínacích lan pro ocelovou (a) a prefabrikovanou železobetonovou variantu (b)
V případě použití prefabrikovaných železobetonových dílců je také možné pro předepnutí využít standardní předpínací výztuž. Uzavřené profily jednotlivých segmentů jsou opatřeny otvorem (otvory) pro protažení předpínací výztuže, v případě dílců tvaru písmene „U“ je předpínací výztuž vložena do kabelové chráničky vložené do drážek požadovaného tvaru provedených v jednotlivých prefabrikovaných železobetonových dílcích.
Speciální úprava stykových (kontaktních) ploch jednotlivých segmentů (dílců), následné položení předpínací výztuže, její ukotvení v podpůrné konstrukci, předepnutí a příp. zainjektování kabelových chrániček s předepnutou výztuží zajišťuje vytvoření účinných předepnutých segmentových ohybově tuhých rubových pásů s řízeným kontaktem s klenbovou konstrukcí. V případě prefabrikovaných železobetonových dílců tvaru písmene U se následně po provedení uvedených kroků provede vybetonování dílců, tak aby vznikl celistvý předepjatý tuhý profil.
V závislosti na konkrétních podmínkách je možné upravovat vzdálenost segmentových ocelových rubových klenbových pásů tak, aby byla spolehlivě zajištěna tuhost a tvarová stabilita klenby. Pro celkové zvýšení účinnosti navrženého řešení je vhodné provést předepnutí opěrných stěn kleneb ve vodorovném a svislém směru předepnutými uhlíkovými lamelami, popř. pásy z uhlíkového kompozitu umístěnými do tenkých vodorovných drážek v oblasti patek klenby na vnější straně opěrných stěn a do tenkých svislých drážek s kotevními oblastmi ve vrcholu a poblíž základové spáry opěrných stěn. V případě nedostatečně tuhé základové konstrukce je vhodné provést některou ze sanačních metod základových konstrukcí, zpevnění, popř. vzájemné propojení základů. Účinné je stažení základů, na kterých jsou založeny svislé nosné konstrukce, s klenbami pomocí ocelových předpjatých lan U historických objektů vystavených intenzivní kolové nebo kolejové dopravě, při níž může docházet ke zhutnění základového podloží a následnému dodatečnému sednutí objektu je nutné provést prohloubení základové spáry, popř. zpevnění základů mikropilotáží, tryskovou injektáží apod., popř. provést podél nosné stěny přiléhající ke komunikaci ochraný příkop vyplněný nezhutněným štěrkopískem a horní části utěsněným vrstvou jílu, nebo jinou úpravou zajišťující nepodmáčení základů.
4. Shrnutí
Návrh a provedení odpovídajících opatření zajištění bezpečnosti a stability historických a památkově chráněných staveb vyskytujících se v oblastech se zvýšenými přírodními a antropogenními dynamickými účinky je nezbytným předpokladem pro zachování jejich historické hodnoty jako dokladu národní a kulturní identity. Preventivní provedení opatření pro zajištění bezpečnosti a stability historických objektů vzhledem k účinkům přírodní, popř. technické seismicity vyžaduje, v řadě případů, vynaložení značných finančních prostředků. Případný návrh a rozsah opatření musí odpovídat významu historického objektu a objektivnímu zhodnocení závažnosti a intenzity přírodní, popř. technické seismicity v dané oblasti.
Navržený systém dodatečného ztužení valených, křížových popř. sférických kleneb pomocí předepnutých segmentových ohybově tuhých pasů umístěných na rubu klenbových konstrukcí představuje spolehlivé, neinvazivní, reverzibilní a ekonomicky přijatelné řešení zvýšení odolnosti historických objektů vůči dynamickým účinkům.
5. Literatura
- WITZANY, J., PIRNER, M., ZIGLER, R., URUSHADZE, S. Experimental research into the response of segmental barrel vaults to repetitive static and dynamic loads, Engineering Structures, Volume 208, 2020
- WITZANY, J., ZIGLER, R., ČEJKA, T., KUBÁT, J. Complex static and dynamic protection of historic buildings from the effects of technical seismicity, Civil Engineering Journal, 3, 2019.
- WITZANY, J., ZIGLER, R., ČEJKA, T., LIBECAJTOVÁ, A. Complex static and dynamic protection of historic buildings from the effects of natural seismicity, Civil Engineering Journal, 3, 2019
- WITZANY, J., ZIGLER, R. Zařízení pro zabezpečení zděných valených kleneb, Patent CZ 308319, 2020
- WITZANY, J., ZIGLER, R. Přípravek pro stabilizaci křížových a sférických kleneb proti dynamickým účinkům, Užitný vzor CZ 33629, 2020
Poděkování
Experimentální a teoretický výzkum byl proveden za podpory projektu NAKI DG16P02M055 „Vývoj a výzkum materiálů, postupů a technologií pro restaurování, konzervaci a zpevňování historických zděných konstrukcí a povrchů a systémů preventivní ochrany historických a památkově chráněných objektů ohrožených antropogenními a přírodními riziky“ poskytnutého Ministerstvem kultury ČR.
Many historic buildings are located in areas where there is a specific type of earthquake activity, the so-called earthquake swarms, during which a series of thousands of weaker tremors take place for several days or months. Sometimes these shocks are strong enough to be felt by people, and in some cases they can even cause material damage to buildings. Knowledge of the response, especially of vaulted structures of historic buildings to dynamic loads, is the basis of remediation interventions on monumental buildings exposed to these effects. Due to the increasing intensity of wheel and rail traffic, there is also an increase in the effects of the so-called technical seismicity on structures located near roads and tracks. The proposed system of additional stiffening of barrel, cross or of spherical vaults by means of prestressed flexurally rigid segmental ribs contributes to the increase of their resistance to the natural and anthropogenic dynamic effects.