Záchranná oprava historického obytného domu
Příspěvek pojednává o sanaci staticky narušeného historického domu situovaného v Brně pomocí ocelových předpjatých lan. Rozvolnění vodorovných a svislých vazeb budov se často projevuje lokálním selháním základů, pilířů, zdí, kleneb, stropů a krovů. Proto byly navrženy tuhé předpjaté železobetonové základy a byla instalována předpjatá táhla umístěná ve spodních částech klenby.
1. Úvod
Poruchy zděných konstrukcí, které se projevují vznikem trhlin, mohou být zapříčiněny například nerovnoměrným sednutím základů (které může mít řadu příčin), nedostatečnou prostorovou tuhostí budov, soustředěným tlakem, přirozenou či technickou seismicitou atd.). U moderních zděných staveb se tuhost ve vodorovných rovinách zajišťuje pomocí základů (z prostého betonu, ze železobetonu či z předpjatého betonu), stropů, které jsou tuhé ve vodorovné rovině (nap. Železobetonových monolitických), pozedních věnců, nebo ztužujících stěn. U porušených historických konstrukcí je třeba funkci tuhých základů, stropů a věnců nahradit. Proto se, mimo jiné možné úpravy, používají různé metody předpínání. Tyto metody mohou být aplikovány jak na celý objekt, tak i na jeho části, případně i na jednotlivé prvky.
V příspěvku jsou uvedeny dvě konstrukční části předepnutí historické stavby – základů a klenbových pásů. Pro předpínání zděných konstrukcí se používají ocelová předpínací lana typu MONOSTRAND. Jednalo se o obalovaná (stabilizovaná a nízkorelaxační) lana, Y 1770 - S7 – 15,7 - A.
2. Stav objektu, konstrukce domu před provedením předpínání
![Obr. 1: Poloha historické stavby v Brně dle lit. [9]](/docu/clanky/0193/019319o1.jpg)
Obr. 1: Poloha historické stavby v Brně dle lit. [9]
Jde o dvoupodlažní, jednotraktový zděný objekt s pultovou střechou. Jedná se o historickou, mnohokráte přestavovanou budovu z 18. století stojící ve vnitrobloku poblíž městského centra – Obr. 1, 2, 3.
Po podrobném průzkumu stále obývané stavby bylo zjištěno, že budova byla poškozena vodou z porušené kanalizace. Poruchy se projevily výskytem trhlin ve zděných základech a stěnách. Na fasádách byly nalezeny většinou svislé trhliny, které svědčily zejména o vodorovných deformacích v podloží. V části nad terénem došlo také k pozorovatelným vodorovným posuvům, které vyvolaly poruchy kleneb ve vrcholu – podpory kleneb nebyly dostatečně stabilní.
Obr. 2 Pohled na dvoupodlažní objekt ze zahrady (šipka)
Obr. 3 Základy nepříznivě ovlivněny kořeny stromů
Trhliny v době prohlídek byly zřetelné, jejich šířka se pohybovala přibližně od 1,0 mm do 5,0 mm; během dlouhodobého sledování byl zjištěn aktivní rozvoj trhlin. Po zhodnocení poruch bylo rozhodnuto zajistit stávající zděné základy přibetonováním obvodových předpjatých železobetonových pásů, které se osvědčily při dřívějších statických úpravách historických staveb [1][5]. Zároveň byla navržena stabilizace kleneb v jejich patách pomocí vodorovných ocelových táhel.
3. Přehled geologických a hydrogeologických poměrů
Pro posouzení podloží domu byla použita mapa [2]. Předkvartérní podloží v území tvoří neogenní – spodnětortonský jíl (tégl), který má povrch v hloubce cca 7,0 m pod terénem. Kvartérní sedimenty jsou zde zastoupeny písčitým, dobře opracovaným štěrkem o mocnosti cca 2,0 m, který leží na povrchu téglů. Písčitý štěrk překrývá vrstva spraší, která po nasycení vodou je náchylná k prosedání. Její mocnost je cca 4,0 m. Celý povrch terénu pak překrývá hlinitokamenitá navážka o mocnosti cca 1,0 m. Podzemní voda se pohybuje v hloubce kolem 4,0 m. Základovou půdu objektu tvoří vápnité spraše, které jsou velmi stlačitelné a při různém zatížení a i při nasycení vodou nestejnoměrně sedají. Tabulková výpočtová únosnost spraší se dle původní ČSN 73 1001 pohybuje kolem Rdt = 150–200 kPa (1,5–2,0 kg/cm2).
4. Základy
Ztužením základů ve vodorovné rovině bylo možné docílit zlepšení statického stavu objektu, situovaného na mírném svahu, který byl před zahájením stavby a po jejím dokončení upraven násypy a zářezy pro vnější schodiště a komunikaci.
Obr. 4 Příprava armokoše s protaženými předpínacími lany
Obr. 5 Uložení výztuže předpjatých základových pásů (příčný a podélný) na rohu objektu (hloubka základu cca 3,0 m pod terénem)
Kolem objektu v zahradě byla před mnoha léty vysázena řada stromů a keřů, které podle druhu dosahovaly výšky 10–15 m. Základová spára byla situována do hloubky mezi 0,9 až 1,6 m (vůči úrovni podlahy). Po dokončení stavby se časem objevily poruchy zdiva stěn i kleneb.
Na základě závěru inženýrsko-geologického posudku byl vypracován statický návrh sanace domu (viz Obr. 6), který spočíval v rozšíření stávajících základových pásů a jejich předepnutí pomocí ocelových předpjatých lan typu MONOSTRAND.
Obr. 6 Půdorys předpjatých základových pásů
Rozšíření základových pásů lokálně zasáhlo i do vedlejších staveb a pozemků. Tyto problémy byly předem vyřešeny jednáním s majiteli sousedních nemovitostí. V místě půdorysného navázání sousedního objektu (levý horní roh na Obr. 6), bylo nutné vést základový pas v postupně vybourávaném tunelu do stávajících zděných stěn a základů. Rozdělení do jednotlivých etap je naznačeno ve schématu na Obr. 7.
Obr. 7 Postup zhotovení základu v nepřístupném nároží v levém horním rohu
Základové pásy po obvodě domu byly předepnuty šesticí lan umístěných v každém jednotlivém pásu. Příčné vnitřní základové pásy, které brání vybočení podélných základových pásů, byly předepnuty dvojicí lan situovaných v místech schodišťových stěn. (Obr. 8, 9)
Obr. 8 Celkový pohled na napínání lan v nároží v hlubokém výkopu
Obr. 9 Detail postupného napínání šestice lan v nároží pomocí jednolanové pistole
5. Předpínání kleneb
Klenbové konstrukce se v historických domech vyskytují téměř vždy. Obvykle je možné je nalézt nad sklepy, případně nad chodbami a schodišti. Nosná funkce klenby závisí především na tuhosti jejich podpor. Nedojde-li k posuvu či poklesu podpory, není třeba se obávat poruchy. Tuhost podpory závisí zejména na geometrii a materiálu. Stabilitu klenby ve vodorovném směru je možno dosáhnout umístěním táhla mezi její podpěry. Nebo také pomocí ocelového předpjatého lana a ocelové rozpěry, což bývá výhodnější. To proto, že u táhel, zejména při větších délkách je problematický jejich průhyb a protažení.
U sanovaného objektu byla výška lan od podlahy zvolena 2,15 m, byl tedy umožněn volný průchod pod lanem a současně bylo táhlo kotveno v oblasti přibližné paty klenby. Kanálky se vrtaly profilu Ø 40 mm délky cca 1,05 m (Obr. 11, 13). Při vrtacích pracích bylo náročné, ale nezbytné, dodržet souosost kanálků v protějších stěnách. Zhotovil se kanálek z jedné vnější strany a navazující kanálek se vyměřoval již v interiéru, odkud také bylo zahájeno vrtání. Při nedodržení souososti by vznikaly radiální síly při napínání v místě zalomení lan, které by mohly způsobit v dotčené oblasti trhlinky ve zdivu.
Výpočtem byla stanovena velikost horizontální reakce od zaklenutí 21 kN na pruh šířky 1 m. Lana byla umístěna přibližně po 3 m (Obr. 10), každé lano by tedy mělo zachytit reakci cca 60 kN. Při výpočtu se uvažovalo pouze se stálým zatížením (vlastní tíha klenby + podlahy) v charakteristické hodnotě (návrh předpínací síly P vychází z mezního stavu použitelnosti). Předpokládalo se, že užitné zatížení bude zachyceno nosnou soustavou, která přenášela před sanačními pracemi veškeré zatížení včetně vlastní tíhy. Pro výpočet byl použit staticky určitý model klenby s vloženým vnitřním kloubem ve vrcholu a dvěma neposuvnými kloubovými podporami. Obvykle postačuje prutový model, v obtížnějších případech lze doporučit model stěnový. Je vhodné, aby součástí numerického modelování byl i průkaz porušení konstrukce v původním stavu před sanací.
Obr. 10 Schéma vedení předpínacího lana v příčném svislém řezu
Kotvení lan se provádělo ve sklípcích vysekaných ve zdivu z vnějšího líce se středem sklípku v ose vrtu. Před bouracími pracemi se odstranilo kontaktní zateplení. U vysekaných kotevních sklípků se dosedací plocha zarovnala cementovou maltou (je vhodné do této malty vložit ústřižek svařované sítě 4/100-4/100); poté se přiložily roznášecí ocelové desky 350×450×25 mm. Vyšší tloušťka je dána kvalitou, respektive nekvalitou původního zdiva s ohledem na celkovou tuhost soustavy. Stejně tak je nutné prokázat velikost napětí pod roznášecí deskou od vnesené velikosti předpínací síly. Velikost napětí pod roznášecí deskou nepřekračuje 0,4 MPa při stanovené síle P = 60 kN. Vzhledem ke kvalitě zdiva je to limitní hodnota pevnosti zdiva v horizontálním směru. Samotné napínání se provádělo v krocích po 10 kN, vždy s prodlevou na kontrolu chování konstrukce.
Na straně sousedního pozemku byla při vrtání objevena ve stěně kaverna, při bližším prozkoumání se zjistilo, že se jedná o nefunkční komín, ukončený v podstřeší. V úseku cca 0,5 m pod a 0,5 m nad osou vrtu se průduch vyplnil betonem. Při předpínání nesmí docházet k silovému přenosu přes širší trhliny či jakýkoli volný prostor. Docházelo by k nadměrným deformacím v dotčených oblastech, provázeným vznikem dalších poruch. Tyto poruchy se při pohybu větších ker zdiva mohou projevit i ve větších vzdálenostech v řádu jednotek metrů. Proto se před vlastním napínáním veškeré trhliny a prostory musí vyplnit injektážní maltou apod.
Obr. 11 Provrtání kanálku pro vedení lana – pohled v interiéru
Obr. 12 Osazení předpínacího lisu při napínání lana
Pevnost zdiva rovnoběžně s ložnou spárou kusového staviva bývá některými autory udávána poměrem k pevnosti zdiva kolmo k ložné spáře. Tento poměr kolísá v širokém rozmezí c = 0,1 až 0,8 (podle vyplnění svislých spár maltou). Empiricky i experimentálně byla stanovena a dodržována hodnota c = 0,2–0,4 pro běžné cihelné zdivo z cihel plných a pro kamenné zdivo řádkové čisté a polohrubé. Pro zdivo historických konstrukcí (často kamenné hrubé, smíšené) je doporučována hodnota poměru c = 0,1–0,2.
Obr. 13 Schéma vedení předpínacího lana v příčném svislém řezu
Užití uvedených rozsahů c je možné prokázat bezporuchovým stavem řady horizontálně předepnutých zděných konstrukcí. Problematika byla dosud blíže prozkoumána hlavně na existujících konstrukcích. Dosud není vyvinuta metoda pro stanovení této pevnosti v terénu. Uvedený poměr je konzervativní a bere ohled mimo jiné i na vzpěr předpínaných pásů zdiva, který je potom zanedbatelný a při dodržování výše uvedených konstrukčních zásad se v běžných případech neprokazuje. Napínací síly potom vycházejí u běžných konstrukcí se stěnami tl. 300 až 600 mm od 60 kN do 200 kN. To je vhodný interval i z hlediska spolehlivého kotvení samosvorných čelisťových systémů, kde by síla neměla klesnout pod 60 kN.
Stanovení pevnosti zdiva se provedlo s použitím nedestruktivních metod. Byla zjištěna pevnost cihel P10 (Schmidtův odrazový tvrdoměr LB) a malty M 0,4 (Kučerova vrtačka a testovací bodec). Stanoveno bylo dále vyplnění spár maltou. U takto starých objektů je velmi často značný rozptyl naměřených dat, to by mělo být vzato v potaz při samotném testování (výběr umístění zkušebních míst a jejich počet).
Závěr
Úspěšně lze předpínat nejen základy, ale i nadzemní části staveb, běžných i historicky cenných. Při správně navržených postupech v projektové dokumentaci a při zodpovědné realizaci mohou sanované objekty i nadále plnit svoji primární funkci. Motivem při rozhodování o rekonstrukci se statickým zajištěním či o demolici a nové výstavbě by nemělo být pouze ekonomické hledisko, ale i hledisko ekologické a úcta k architektuře našich předků. Předpínání zděných objektů pomocí lan je vhodné jak pro stavby větší, tak i menší.
Literatura
- Klusáček L., Bažant Z.: Historické konstrukce ztužené lany. Zprávy památkové péče. Praha 1/2014, 6 stran. ISSN 1210-5538
- Inženýrskogeologická mapa M-33-106-A-C (Brno – Západ), M 1 : 25 000, Z Papoušek, 1976, Geotest Brno
- Bažant Z., Strnad J.: Výstavba nových a zajištění starých základů historického objektu. Sborník z „XIV. mezinárodní sympozium Sanace“, 05/2004 Brno, 5 stran, ISSN 1211-3700
- Bažant Z., Strnad J.: Pro zachování historických sklepů. Stavitel 8/2004, 2 strany, ISSN 1210-4825
- Bažant Z., Klusáček L.: Statika při rekonstrukcích objektů. 6. vydání (upravené). CERM Brno 9/2015, stran 123, ISBN 978-80-7204-912-7
- Klusáček L., Bažant Z.: Verstärkungen von Mauerwekskonstruktionen durch Anwendung von Vorspannlitzen. TU Wien, Fakultät für Bauingenieurwesen, Institut für Hochbau und Technologie. 29. 04. 2013
- Herout J.: Staletí kolem nás. Panorama Praha 1981
- Cestelli-Guidi C.: Strengthening of Building Structures – Therapy. IABST Symposium Venezia 1983
- Schmigmator K.: Situationsplan der Landeshauptstadt Brünn [M 1:2 880]. Brünn: Verlag von C. Winkler's Buchhandlung (Winkler & Wehowski), 1890 (sbírka doc. Ing. P. Cikrleho, Ph.D., VUT FAST v Brně, ÚSZ)
- Klusáček L., Bažant Z.: Opravy historických objektů z pozice statika a z hlediska památkové péče. www.tzb-info.cz, 30. 10. 2017
- Zich M., Bažant Z.: Montované betonové konstrukce. CERM, s. r. o. Brno 2018, ISBN 978-80-7204-983-7
Článek vznikl v souvislosti s řešením grantového projektu TAČR TH03020446 Vývoj dispozičně variabilnější panelové soustavy pro bytové domy.
Old historic masonry structures are in many cases in a poor construction-static state. The repaired building showed a loss of horizontal and vertical joints, cracks and local defects of vaults, walls, ceilings, roofs and foundations. Therefore, rigid prestressed reinforced concrete foundations have been proposed and pretensioned rods located in the lower parts of the vault arches were installed.