Předpínání překladů při rekonstrukcích pro eliminaci průhybu
Příspěvek se zabývá eliminací průhybů překladů, které mají malou ohybovou tuhost ale dostatečnou únosnost. Tato eliminace spočívá v ohnutí překladů ve směru působícího zatížení před finálním působením v konstrukci. Velikost průhybu odpovídá zdeformování nosníků od zatížení, které jím bude přenášeno. Tyto překlady se používají při provádění prostupů během rekonstrukcí objektů.
1. Úvod
Během rekonstrukcí a přestaveb bytů ve starších bytových domech se navrhují velice často dispoziční změny vyžadující specifické statické konstrukční řešení. Mezi takovéto zásahy patří zejména: rozšíření stávajících prostupů, odstranění původních příček, výstavba nových příček přitěžujících stávající konstrukce, zesilování a výměny stropů, rekonstrukce komínů či výměna instalací spojená s prováděním drážek, prostupů a rozvodných skříní apod. [1].
Jakákoli změna tuhosti nosných konstrukcí je však potencionální příčinou následných poruch v navazujících stěnách, stropech, základech atd. Zejména u vícepodlažních objektů se klade důraz na taková konstrukční uspořádání, která vedou k naprosté minimalizaci projevů poruch u zdiva bytů situovaných ve vyšších podlažích – pokud se jedná o bytové domy. Nešetrná řešení obvykle vedou ke vzniku dlouhodobých sociálních konfliktů mezi investorem a (poškozenými) sousedy.
Obr. 1a Poruchy zdiva nad vloženým překladem bez korekce průhybu
Obr. 1b Trhliny vzniklé po deformaci překladu nad nově zhotoveným výkladem
Na Obr. 1b jsou zobrazeny trhliny na fasádě čtyřpodlažní budovy se svislými konstrukcemi z cihelného zdiva, jež vznikly v důsledku průhybu překladu nad nově zřizovaným výkladem v 1. NP. Trhliny mají typický sklon smykových trhlin cca 45° k vodorovné rovině a projevují se ve zdivu všech nadzemních podlaží nad výkladem. Jejich projevy se směrem nahoru sice vytrácejí, ale jejich šířka v podlaží bezprostředně nad výkladem dosahuje až 12 mm; v dalších podlažích stále ještě jednotek mm, takže jsou zřetelné v pohledu na fasádu budovy i z větší vzdálenosti. Obecně tedy platí, že trhliny, zapříčiněné v důsledku nadměrného průhybu dodatečně provedeného překladu se zpravidla projevují nejen ve zdivu bezprostředně nad překladem, ale také ve vyšších podlažích. Princip viz Obr. 1a. Přetvárné vlastnosti zdiva viz [6].
Na základě praktických zkušeností je možné konstatovat, že u dodatečně vkládaných překladů lze prakticky pro rozpětí do 1,5 m zanedbat vliv průhybů na vznik poruch v horním zdivu. Při rozpětí do cca 3,0 m činí průhyby řádově jednotky mm, pro jejich eliminaci postačuje důsledné vyklínování (např. pomocí plechů). Překlady o rozpětích větších, je pak nutné navrhovat včetně způsobu předchozí aktivace tzn. nosníky se nejprve ohnou do výsledného tvaru a poté se teprve spojí s vynášenou stěnou. Princip radiálních účinků u ohýbaných prutových prvků je uveden např. v [3].
Mezi hlavní činitele, způsobující výše uvedené problémy, se řadí odstraňování částí či celých stěn, a to jak nosných tak nenosných. Při návrhu vhodného řešení je nezbytné zohlednit následující okolnosti.
- Poloha rekonstruované části objektu v rámci výškového uspořádání budovy – jedná se zejména o počet podlaží (a z toho plynoucí velikost zatížení) nad upravovanou stěnou.
- Ovlivnění prostorové stability objektu jako celku – odstraněním stěny dochází ke snížení tuhosti ve vodorovné rovině.
- Rozmístění nosných konstrukcí v podlažích pod adaptovaným bytem – vlivem změny přenosu zatížení (zpravidla pomocí dodatečně vložených nosníků a sloupků) dochází k přerozdělení dosavadních silových účinků, je proto nutné posoudit i únosnost konstrukcí se zvýšeným namáháním v nižších podlažích.
- Materiálová podstata a geometrické proporce nových konstrukčních prvků – navržené stavební materiály musí být v souladu s požadavky odborů památkové péče u objektů, kde je požadováno jejich souhlasné stanovisko. Překlady, sloupky apod. musí být takových rozměrů, aby je bylo možné dopravit až do místa určení.
- Eliminace průvodních poruch během a po stavebním zásahu. Poruchy v podobě trhlin, poklesů podlah apod. vznikají zejména vlivem poklesů a průhybů nově zbudovaných horizontálních nosníků.
- provozní záležitosti – uskladnění stavebního materiálu, únosnosti stropů při dočasném přitížení vybouranou stavební sutí, provozní doba stavebních prací, zejména při zvýšené hlučnosti a prašnosti, zábor části veřejných komunikací a chodníků atd.
2. Omezení průhybů překladů
Aby horizontálně orientované nové nosné konstrukce nebyly příčinou zmiňovaných poruch, je nutné navrhnout je (kromě zajištění únosnosti) dostatečně tuhé, nebo s nižší tuhostí, ale s eliminací průhybu.
Obr. 2 Varianty možných konstrukčních řešení překladu
Tuhé nosníky splňují požadavky na maximální průhyb, i ve své pasivní formě. Jejich tuhost (daná zejména výškou h při výpočtu momentu setrvačnosti) je tak vysoká, že při správném statickém návrhu jejich průřezu dochází k průhybu, který je menší, než je maximální hodnota dovoleného průhybu. Výhodou je absence hydraulických systémů, zajišťujících aktivaci nových nosníků ve stávajícím nosném systému, naopak nevýhoda spočívá ve snížené světlé výšce pod nosníky. Ta je ovšem mnohdy rozhodující z užitných či estetických důvodů. Jako příklad lze uvést vynesení stěny dvojicí symetricky rozmístěných ŽB nosníků, zhotovených stříkaným betonem (s možností lokálního propojení v místě spodní hrany) nebo dvojicí dřevěných nosníků z lepeného dřeva (viz Obr. 2 a, b).
Nosníky s nižší tuhostí (kde není splněna podmínka na průhyb, ale vyhovují na MS únosnosti) je sice nutné aktivovat před spojením s vynášenou konstrukcí, avšak umožňují zřízení vyšší světlé výšky a jsou upřednostňovány z estetických důvodů (Obr. 2c). Vlastní aktivace se provádí před jakýmkoliv spojením nosníků s odstraňovanou stěnou a to právě pomocí hydraulických systémů (hydraulická panenka, napínací lis apod.). Přenos zatížení ze stěny do nosníků se realizuje pomocí trnů stanoveného průměru dle velikosti zatížení, u kterých se osová vzdálenost volí s ohledem na velikost zdících prvků – pod každým zdícím prvkem by měl být minimálně 1 trn (rozteč cca 150 mm). Trny kruhového průřezu se volí z důvodu snadné montáže do vyvrtaných otvorů v ložné spáře zdiva. Vlastní trny se pak podloží ocelovými plechy v místě uložení na nosníky z důvodu roznosu bodových sil do horního líce nosníků. Současně je možná eliminace vůlí mezi trnem a nosníkem vložením libovolného množství plechů.
3. Příklady použití předepnutých nosníků
3.1 Příklad 1: Odstranění samonosné příčné stěny
3.1.1 Konstrukční uspořádání
Praktická aplikace nosníku s nedostatečnou tuhostí byla použita při dispoziční změně bytu v 2. NP ve čtyřpodlažním bytovém domě. Požadavek spočíval v odstranění celé samonosné zděné příčky tl. 215 mm (skladba: běhoun 140 mm + podélná styčná spára 10 mm + cihla na Kant šířky 65 mm) délky 6,1 m. Výška jednoho podlaží činila 4,0 m. Stávající stěna tak přenášela zatížení od příček ze dvou horních podlaží. Stropní trámy byly orientovány rovnoběžně se stěnou a nezvyšovaly tak její přitížení. Navržený průvlak bylo možné podepřít na středové nosné stěně, která však byla oslabena soustavou komínových průduchů a dále na fasádní stěně do dvora. Tato stěna byla ukončena na úrovni líce odstraňované příčky, proto se navrhovalo nepřímé uložení nosníku. Vlastní nosník sestával z dvojice ocelových profilů IPE 330 délky 7,0 m.
Obr. 3a Pohled na zainjektované závitové tyče ve vrtech
Obr. 4 Detail spojení dvojice nosníků IPE 330 pomocí stěnového diafragma
Obr. 3b Schéma rozmístění vrtů pro ztužení zdiva v místě uložení překladu
Aby nedošlo k odtržení bloku zdiva pod nepřímým uložením nosníku (vliv štěpných sil pod soustředěným břemenem, bylo zhotoveno ztužení zdiva v horizontální rovině v podélném i příčném směru (Obr. 3b). Pod spodním lícem se ve dvou výškových úrovních navrtaly vodorovné otvory, v příčném směru (kolmo k nosníku) cca 1,0 m dlouhé a v podélném směru skrze celou stěnu. Do otvorů se vložily závitové tyče, které mohou být zainjektovány (v případě nepřístupného konce) nebo zajištěny pomocí roznášecích podložek a matic. Pro injektáž se použily směsi na bázi cementu (Obr. 3a).
Na straně průběžné nosné stěny se taktéž zdivo v místě uložení překladu ztužilo táhly s podložkami. Jelikož jeden nosník IPE 330 procházel skrze komínový průduch, proto bylo nezbytné vyplnění tohoto průduchu betonem. Vlastní vyplnění se provedlo pouze na výšku rekonstruovaného podlaží, neboť v úrovni podlahy průduch půdorysně uhýbal. Vyplnění nezajišťuje přenos svislé síly do základů, ale zamezuje vybočení oslabeného zdiva do vlastního průduchu v podporové oblasti pod překladem. Vybočení do prostoru brání táhla s podložkami.
Spojení dvojice samostatných válcovaných profilů se provádělo ve dvou etapách. Před řízeným zdeformováním se nosníky svařily v oblasti čel kolmo orientovanými U-profily, tvořícími příčné stěnové diafragma. Současně byly usazeny na plechové podložce, zajišťující roznesení zatížení do podpor. Před lícem stěn na obou stranách se spodní pásnice nosníků podepřely příčným svařencem z dvojice U-profilů, pod který se dodatečně (po vybourání stěny) umístí ještě ocelový rezervní sloupek (Obr. 4). Vzájemné propojení nosníků mezi sebou v poli se provede až po zdeformování, a to pomocí příčných trnů a klínovacích podložek. Trny se svaří s horní pásnicí (přes vložené podložky) pouze v místě konců trnů z důvodu minimalizace tepelného ovlivnění napjatosti v horní pásnici.
3.1.2 Řízené zdeformování překladu (ohnutí do výsledného tvaru)
Eliminace průhybu od působícího zatížení se provede ohnutím do výsledného tvaru v době před spojením se stěnou. Statickým rozborem se stanoví velikost průhybu od zatížení vynášeného zdiva (v charakteristických hodnotách). Definuje se poloha hydraulického systému pro zdeformování překladu. V místě spojení prvků systému s překladem se zavedou náhradní bodové síly. Podmínkou je pak shoda průhybu nosníku od zatížení zdivem wz s průhybem od silového působení hydraulického systému wp. Nesrovnalosti v průběhu (tvaru) ohybové čáry od spojitého zatížení a od zatížení bodovým břemenem jsou zanedbatelné v porovnání s absolutní velikostí průhybu. Z rovnosti průhybů se vyjádří velikost bodové síly, pomocí které se překlad ohybově předepne. Při vlastním předpínání se velikost síly převádí pomocí kalibračních křivek na velikost tlaku v hydraulickém okruhu zařízení. U řešeného překladu byl stanoven průhyb od zatížení zdivem 13,2 mm. Tento průhyb by již znamenal vznik trhlin ve zdivu nad překladem (viz Obr. 1). Při návrhu napínací síly se uvažovala velikost průhybu nižší, 10–12 mm. Tomuto průhybu odpovídala celková síla 85–100 kN. Předepnutí se provádělo dvojicí napínacích lisů, umístěných z každé strany dosud stojící stěny. Na každý lis tak připadala síla max. 50 kN. Z kalibrační křivky byl stanoven vztah mezi tlakem a silou 10kN = 1,6 MPa, takže pro dosažení správné hodnoty ohybového předepnutí bylo zapotřebí tlaku max. 8,0 MPa.
3.1.3 Pomocná konstrukce
Pro zdeformování nosníků byla zhotovena pomocná konstrukce, sestávající ze zámečnických výrobků a trubkového lešení (Obr. 5a, 5b). Pro rozepření se využila vlastní stěna, skrze kterou procházel napínací přípravek s roznášecí deskou. Rozměry desky jsou odvozeny z únosnosti zdiva pod lokálním břemenem. Možné silové účinky dané nestabilitou soustavy, vyplývající z časové nevyrovnanosti dvojice napínacích sil, způsobujících přídavný ohybový moment ve zdivu (nestejná velikost sil během napínání), jsou zachyceny právě pomocnou trubkovou konstrukcí (Obr. 6).
Obr. 5a Celkový pohled na pomocnou konstrukci
Obr. 5b Detail uchycení pomocné konstrukce k překladu
V okamžiku dosažení požadované velikosti předepnutí se provede finální zajištění polohy překladu ve zdivu. Mezi příčné trny, procházející nad horní pásnicí ocel. nosníků, a tuto pásnici se vloží ocelové plechy o potřebné tloušťce tak, aby byly odstraněny jakékoli mezery mezi ocelovou pásnicí a zdivem nad překladem (Obr. 7). Ponechání vůlí má za následek ztrátu značné části prováděného předepnutí.
Obr. 6 Skladba pomocné konstrukce, řez stěnou
Obr. 7 Vyklínování mezery mezi ocelovými trny a zdivem nad překladem
3.1.4 Kontrola průhybu a posunů v podporách
Během předpínání se provádělo měření svislých deformací pomocí křížového laseru (přesnost cca ±1,0 mm), které je znázorněno v grafu (Obr. 8). Ze záznamu je patrná deformace na straně letmého uložení velikosti cca 2,0 mm, což lze vysvětlit lokálním stlačením nově zřizovaných vrstev v dosedací ploše pod překladem. Naměřená konečná hodnota průhybu činila 9,0 mm při zatížení 90 kN oproti teoretickému výpočtu 10,8 mm. Vzhledem k přesnosti měření jak průhybu tak odečtu z tlakoměru lze považovat shodu za dostačující.
Obr. 8 Průběh průhybu na překladu během předpínání
3.1.5 Dokončovací práce
Po finálním zajištění překladu vůči stěně a demontáži pomocné konstrukce se odstranily krajní části stěny a usadily se ocelové sloupky. Následně se již odstranila zbývající část stěny (bourací práce a rizika z toho plynoucí – viz [4]). Vlivem aktivace překladu došlo ke vzniku trhliny v ložné spáře, skrze kterou procházely příčné trny. Veškeré zdivo nacházející se mezi dvojicí ocelových nosníků bylo tedy snadno odstranitelné (Obr. 9). V rámci dokončovacích prací se provede opláštění protipožárním obkladem.
Obr. 9 Pohled na překlad zespodu po odstranění příčky
Obr. 10 Celkový pohled na finální stav po odstranění stěny
3.2 Příklad 2: Bezpoklesové odstranění nosné zdi v suterénu budovy
3.2.1 Konstrukční uspořádání
Další aplikace předepnutí ocelového nosníku při odstranění nosné zdi tl. 300 mm byla provedena ve třípodlažní budově, kde byl požadavek na rozšíření podzemních prostor pro další garážové stání. Nosná zeď vynášela stropní konstrukce nad 1. PP, nosnou stěnu v 1. NP a stropní konstrukce nad 1. NP. Světlé rozpětí činilo 5,6 m; světlá výška 1. PP byla 2,45 m (Obr. 12). K vynesení tíhy zdi a stropů byla použita dvojice nosníků IE300 mm dl. 6,1 m s uspořádáním podle Obr. 2c. Spřažení se v tomto případě dosáhlo injektáží dutin mezi nosníky a očištěným povrchem zdiva injektážní cementovou maltou a příčnými svorníky ⌀ 20 mm po vzdálenostech 1 m.
3.2.2 Postup provedení
Obr. 11 Ohybové předepnutí průvlaku
vlevo: podpůrná konstrukce
vpravo: detail uchycení nosníku IE k táhlu dutého lisu
Nejprve byla prověřena únosnost pilířů zdiva pod budoucím uložením průvlaku. Zděný pilíř 300 × 300 mm v místě uložení na okraji původního dveřního otvoru byl zesílen obetonováním na výsledný průřez 800 × 400 mm [2]. Další způsoby zesilování podpůrných svislých zděných konstrukcí viz [5], [7] a pod. Poté byly vysekány hlubší kapsy v obvodové zdi tl. 500 mm tak, aby nosníky mohly být do nich zasunuty, přizvednuty podél zesíleného pilíře a vysunuty do výsledného uložení, které činilo na straně obvodové cihelné zdi 300 mm, na zesíleném obetonovaném pilíři 200 mm. Pomocí podpůrné konstrukce zhotovené z lešenářských trubek, provlečených vyvrtanými otvory přes vynášenou zeď (Obr. 11) a opřených o stropní nosníky IE200 mm bylo provedeno ohybové předepnutí pomocí dvojice dutých jednolanových napínacích lisů ve třetinách rozpětí silami, jež byly předem určeny z podmínky rovnosti průhybu průvlaku v polovině rozpětí vlivem vlastní tíhy vynášených konstrukcí a průhybu vyvozeným napínacími silami. Napínací síly byly 2 × 80 kN ve třetinách rozpětí. Po ohybovém předepnutí následovalo sevření nosníků svorníky a injektáž cementovou maltou. Po vytvrdnutí injektáže (48 hod) následovalo odbourání zdi v adaptovaném prostoru až ke spodním přírubám IE nosníků průvlaku (viz Obr. 12 a Obr. 13) a povrchové dokončení prostoru garážového stání. Během provádění a také v následném období nebyl zaznamenán žádný vznik trhlin v pokračování nosné zdi v 1. NP, ve 2. NP nebo v navazujících stropech. To dokumentuje vysokou spolehlivost metody a její schopnost eliminovat nejen pružný průhyb nově zřizovaného průvlaku, ale i z velké části nepružná stlačení v podporách (v uložení) průvlaku.
Obr. 12 Průvlak po vybourání nosné zdi šířky 300 mm
Obr. 13 Detail zdiva mezi nosíky průvlaku
4. Závěr
Metoda předepnutí dodatečně zřizovaných překladů slouží jako účinný nástroj proti vzniku a rozvoji poruch u stěnových konstrukcí (zděných i betonových). Vhodným návrhem vyrovnání průhybů u překladů, zejména u větších rozpětí, lze dosáhnout absence statických poruch v navazujících konstrukcích a v důsledku toho konfrontačního jednání majitelů přilehlých bytů.
Popisované zřizování průvlaků je vhodné použít přibližně od rozpětí 4 až 6 m. Umožňuje efektivně eliminovat pružný průhyb nově zabudovaných průvlaků. Ekonomičnost metody je také v tom, že lze použít subtilnější profily pro nosník průvlaku, které vyhovují z hlediska nosnosti, ale jejichž průhyby přesahují jednotky mm. Průhyby se běžně pohybují mezi 10 až 30 mm a bez jejich eliminace popisovaným předepnutím by následovalo poškození vynášených konstrukcí trhlinami. Metoda je vysoce spolehlivá a má schopnost eliminovat nejen pružný průhyb nově zřizovaného průvlaku, ale i z velké části nepružná stlačení v jeho uložení.
5. Poděkování
Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.
6. Literatura
- Bažant Z., Klusáček L.: Statika při rekonstrukcích. CERM s.r.o. Brno, 09/2015, ISBN 978-80-7204-912-7.
- Vaněk, T.: Rekonstrukce staveb. SNTL, Praha 1989.
- Navrátil, J.: Předpjaté betonové konstrukce, CERM s.r.o. Brno, 5/2004, ISBN 80-214-2649-7
- KOS, J.: Rekonstrukce staveb. CERM s.r.o. Brno, 1999.
- Solař Jaroslav.: Poruchy a rekonstrukce zděných staveb, Grada Publishing, a.s., Praha 2008, ISBN 978-80-247-2672-4.
- 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
- Poljakov L. P.: Kamennye i armokamennye konstrukcii. Kyjev VYŠČ ŠKOLA 1980, udk 624.012.1/.2(07)
The paper deals with the elimination of deflections of translations, which have a low bending stiffness but sufficient bearing capacity. This elimination consists in the bending of the lintels in the direction of the applied load before the final action in the structure. The amount of deflection corresponds to the deformation of the beams from the load to be transmitted. These lintels are used to perform the holes during object reconstruction.