Průzkum střechy montované haly pro návrh její rekonstrukce
Montovaná jednopodlažní hala s nosnou betonovou konstrukcí je zastřešena předpjatými příhradovými vazníky, světlíky a vaznicemi – krokvemi, nesoucími střešní desky. Zjištěny závažné problémy vazníků, vaznic a střešního pláště. Popsán je postup průzkumu, jeho výsledky a návrh rekonstrukce střechy.
1. Popis konstrukce haly
Obrázek 1: Pohled na konstrukci střechy – podélný řez
Obrázek 2: Detail uložení předpjatého vazníku na sloup
Výrobní jednopodlažní šestilodní hala o půdorysných rozměrech 204 × 144 m (bývalá NHKG) byla postavena v letech 1961–63 podle projektu Ing. Bedáně [1]; je tedy cca 50 let stará. Nosná konstrukce haly je betonová – montovaná, osové vzdálenosti sloupů jsou 12,0 × 24,0 m, výška konstrukce 15–16 m. Železobetonové sloupy typu Vierendeel nesou předpjaté příhradové vazníky o skladebném rozpětí 24,0 m, na kterých jsou na dolním pásu umístěny po 3,0 m železobetonové vaznice (krokve po vlašsku) o skladebné délce 12,0 m, obr. 1, 2. Vaznice nesou železobetonové kazetové střešní desky. Přes vazníky jsou provedeny světlíky ve formě montovaných železobetonových rámů. Na konzolách sloupů je umístěna ocelová jeřábová dráha. Založení haly je provedeno na kalichových monolitických patkách, osazených na štěrkopískové terase. Hala je umístěna na území zasažené důlní činností. Konstrukce haly je poměrně unikátní, na svoji dobu novátorská.
2. Dřívější posudky
Konstrukce haly však již od samotného dokončení vykazovala řadu problémů. Jednalo se zejména o velké průhyby vaznic a celkové rozvolnění (vodorovné deformace) haly. Stavem haly se proto zabývala řada významných odborníků a institucí z oblasti statiky: Bechyně – 1964, Wünsch – 1971, Meloun a Kuda – 1989 [3], [4], TAZÚS Praha, Hutní projekt Ostrava, VUT FAST Brno, Báňský úřad apod. Během let bylo v různé míře navrhováno zesílení haly a rekonstrukce (zmenšení zatížení střechy). Kromě vyvěšení krokví pomocí ocelových táhel a zesílení jeřábových konzol se ale žádný návrh nerealizoval. Chování konstrukce se víceméně jen sledovalo.
Velmi podrobný popis a přepočet tehdejšího stavu konstrukce provedl Bradáč v roce 1981 [3]. Posudky z roků 1989–1990 doporučují sledování deformací výchylek hlav sloupů 2× ročně (které zřejmě nebylo prováděno). Mimo to bylo v posudcích uvedeno, že spolehlivost haly podle mezních stavů únosnosti je dosud dobrá. Proti předchozím zprávám tehdy nedocházelo ke zvyšování průhybů jednotlivých střešních prvků. Výslovně bylo konstatováno ukončení nárůstu průhybů vaznic.
Sledování haly ovšem po roce 1990 zcela ustalo. Hala poté prošla řadou vlastnických změn. Až po téměř dalších dvaceti letech začal opětovně majitel haly v souvislosti s vypadáváním betonu ze spár mezi panely stav střechy důkladněji ověřovat.
Posuzovatelé v roce 2008 konzultovali velmi podrobně problematiku stavu hal s původními posuzovateli doc. Melounem a doc. Kudou, [3] a [4]. Přitom získali bližší informace o způsobu provádění průzkumů této unikátní konstrukce.
3. Průzkum haly
Nové ověřování stavu střechy bylo prováděné v letech 2008–2012. Práce byly rozděleny do několika postupně na sebe navazujících fází:
- získání dostupných podkladů a jejich studium;
- předběžné vizuální prohlídky, stanovení rozsahu průzkumu;
- stanovení skutečného zatížení střechy;
- ověření průhybů vaznic a vazníků;
- následovala řada podrobných prohlídek celé haly.
Významnou část doby zabralo získání podkladů k hale a jejich studium. Vlastní původní posudky sice v archívu existovaly, dlouhou dobu se ale nedařilo získat realizační projekt. Jeho objevení v archívech sousední firmy mělo velký význam pro postup prací. Nalezeny byly výkresy těžké montáže haly včetně armovacích výkresů jednotlivých prvků.
Posuzovatele poté provedli předběžné vizuální prohlídky z roviny podlahy haly a v části haly i z roviny střechy z vysokozdvižné plošiny. Z prohlídek [5] a ze studie podkladů vyplynulo, že hala má v současnosti několik zásadních problémů:
Obrázek 3: Narušené střešní panely
- Na první pohled jsou patrné značné deformace betonových krokví, dosahující i přes 100 mm. Konstrukce byla velmi úsporně dimenzována a to jen na mezní stav únosnosti. Dřívější výpočty a přepočty maximálně využily všechny dostupné možnosti tak, aby konstrukce vyhověla [2]. Mezní stavy použitelnosti (průhyby) nebyly v době vzniku konstrukce stanovovány.
- Narůstající deformace vaznic se sekundárně projevily rozevíráním spár mezi střešními deskami. Kusy zálivkového betonu místy vypadávají (obr. 3) a je tak ohrožen bezpečný provoz v hale.
- Příčný tvar vaznice ve formě otevřeného „C” není vhodný. Průřez je náchylný na kroucení.
- Konstrukce již byla v minulosti z důvodu narůstání průhybu upravována a zesilována (vyvěšení krokví pomocí ocelových táhel, přes vazníky, obr. 1). Úpravy nejsou ale provedeny v celém půdorysu haly a existuje o nich jen velmi málo záznamů.
- Konstrukce nebyla zajištěna na účinky poddolování (neexistence vodorovného ztužení v úrovni základů) ve smyslu ČSN 73 00 39. Nicméně bylo měřením (deformací jeřábových drah, sedáním sloupů apod.) a dotazy na báňském úřadě ověřeno utlumení těžby. Její vliv na konstrukci haly je již ukončen.
- Světlíky již dosloužily, jejich současná funkce je sporná.
- Mostové jeřáby byly nahrazeny jinými, moderními jeřáby, s menší hmotností a nosností.
- Prohlídkou bylo zjištěno, že se stále jedná o původní střešní kazetové desky (s řadou trhlin). Nebylo proto jasné nakolik je střecha pochůzí.
- Střecha též nesplňuje dnešní požadavky z hlediska tepelně izolačních.
Na střechu byly postupně dolepovány různé vrstvy hydroizolace. Bylo proto rozhodnuto provést 10 sond do střechy za účelem ověření skutečné skladby a tíhy střešního pláště. Bylo zjištěno, že plášť se skládá ze tří vrstev (asfaltová hydroizolace, betonová mazanina a pěnobeton) o max. tíze 1,23 kN/m2 (nižší hodnota než ta, se kterou bylo uvažováno v [2]). Vzhledem k množství zkoušek betonu prováděných dříve [2] a dostatečném přehledu o kvalitě betonu, bylo rozhodnuto provádět jen nedestruktivní ověření vlastností betonu a to na sloupech. Bylo ověřeno, že beton je stále v dobrém stavu a dostatečné pevnosti. Je třeba si uvědomit, že jakékoliv odebrání materiálu z nosných prvků střechy bylo ovlivněno jejich umístěním ve značné výšce. Všechny prvky jsou tenké, takže získání vhodných vzorků dostatečného rozměru pro destruktivní zkušebnictví bylo značně obtížné a mohlo i trvale prvky poškodit.
Obrázek 4: Měření průhybu vaznic pomocí napnuté struny
Bylo provedeno ověření průhybů tří vaznic (krokví). Jednalo se o vaznice, které byly již dříve sledovány [3], [4]. Byl tedy předpoklad získání časové změny průhybů. Proto bylo rozhodnuto průhyby měřit obdobnou metodou, jak to prováděli předchozí posuzovatelé. Pro vlastní měření byl jako měřičská základna použit ocelový drát (struna), vedený od jednoho uložení vaznice (krokve) na vazníku k uložení druhému. Jako pomůcka pro převedení drátu z vodorovné do svislé polohy se předem vyrobily vodící ocelové deviátory, které se vždy umístily na oba vazníky. Drát byl pak přes tyto deviátory napínán odpovídajícím závažím. Tak bylo docíleno poměrně dokonalého napnutí drátu a tedy vyloučení možné chyby z jeho průvěsu. Drát byl přitom veden přímo podél vaznice (krokve) a sledoval tak rozdílné výškové uložení obou konců vaznice (krokve). Při měření se stanovila svislá vzdálenost drátu od spodního líce vaznice (krokve). Vzdálenost se měřila v místě uložení a1 (a2) a dále ve středu rozpětí vaznice (krokve) a0. Dále byly zjištěny vodorovné velikosti mezery mezi vaznicí (krokví) a lícem vazníku u1 (u2) a světlé vzdálenosti vazníků l, viz obr. 4. Na jedné vaznici byl naměřen průhyb o cca 12 mm větší než v roce 1989. Na dvou dalších pak paradoxně menší o 17 mm, respektive o 23,7 mm než v roce 1989. Bylo zřejmé, že deformace se nijak výrazně nezvětšují. Přitom se ukázalo, že je velmi problematické navázat na měření, prováděné před více jak dvaceti lety, a to zejména z důvodu odlišného provedení měření a z toho vyplývajících chyb a přesnosti měření. Velký vliv na měření měla i vlastní nerovnoměrné natočení „C” průřezu vaznice. Výraznější průhyby předpjatých vazníků nebyly zjištěny.
Po analýze předběžných prohlídek a ověření průhybů bylo rozhodnuto o provádění podrobných prohlídek celé haly. Je třeba si uvědomit, že hala je půdorysně značně rozsáhlá, s velkým počtem nosných prvků. Jen krokví je v celém půdoryse více jak 800 ks. Prohlídky probíhaly ve velké výšce a nemohly omezovat výrobu v hale.
Provedení vlastních prohlídek všech částí haly bylo tak značné časově obtížné. Významnou část prohlídek proto po zaškolení prováděli pracovníci majitele. Postupně se zaměřili na kontrolu detailů uložení jednotlivých prvků, průhyby vaznic (max. 1/150 l), nalezení případných trhlin v jednotlivých prvcích apod.
4. Nový přepočet haly
Na základě komplexu získaných znalostí byl proveden statický přepočet hlavních nosných prvků haly dle původních i stávajících norem (mezní stavy průhybů, nové zatížení sněhem, větrem, nové jeřáby apod.). Konstatuje se, že v současnosti lze jen těžko vyhovět nyní platným normám (např. zvýšenému zatížení sněhem) a to zejména u střešních desek a vaznic. Ukázalo se, že střešní desky není možné považovat za plně pochozí. Předpjaté vazníky a sloupy však byly vyhovující. Z toho tedy vyšel návrh [5] na provedení rekonstrukce střechy, spočívající v nahrazení stávající těžké střechy střechou novou, lehkou, z ocelových nosníků a sendvičových tepelně izolačních panelů, obr. 5.
Obrázek 5: Příčný řez střechou – návrh nového stavu
K bezpečnosti stavby v současné době přispívá vývin tepla od vlastní výroby. Nezaizolovanou střechou dochází k úniku tepla a současně k roztávání sněhu na střeše. Na střeše tak nikdy není plné zatížení, které by střecha dle výpočtů neměla přenést. Rizikem by proto bylo přerušení výroby v zimě. U nového řešení se zatepleným pláštěm je předpoklad, že sníh na střeše roztávat nebude. Je tedy třeba na tento stav konstrukci nadimenzovat. Vzhledem k členitosti střechy je nutno počítat i s různými zatěžovacími stavy od návějí sněhem. Je třeba si uvědomit, že jakékoliv odklízení sněhu z tak půdorysně rozsáhlé a členité střechy je prakticky nemožné. Navíc přitom hrozí poškození střešního pláště a následné záteky do haly.
5. Závěr
Konstrukce haly je téměř 50 let stará, hala je tedy na okraji životnosti. Je zřejmé, že je nutné počítat s rekonstrukcí střechy. Je tedy zapotřebí:
- vypracovat návrh (projekt) rekonstrukce střechy,
- zajistit náhradu střešního pláště za lehčí konstrukci, tj. odstranit dožité střešní desky a vyměnit je např. trapézovými plechy s vhodnou tepelnou izolací,
- odstranit vaznice (krokve po vlašsku), navrhnout nový střešní plášť, zesílit nosné prvky (vazníky),
- ovlivnit výrobu v hale (zčásti zastavit provoz, neboť úpravu střechy nelze z bezpečnostních důvodů za provozu provádět).
Poděkování
Pro zpracování tohoto posudku byly využity výsledky řešení projektu Ministerstva průmyslu a obchodu „Impuls“ FI-IM5/128 Progresivní konstrukce z vysokohodnotného betonu. Příspěvek byl vypracován v rámci výzkumného záměru MSM 0021630519 „Progresivní spolehlivé a trvanlivé nosné stavební konstrukce“.
Literatura
- [1] Projektová dokumentace NHKG Ostrava-Kunčice, Pozemní stavby n.p. Gottwaldov, 1960.
- [2] Bradáč J., „NHKG n. Ostrava-Kunčice, Autokolárna – Studie“, Hutní projekt Ostrava, duben 1981.
- [3] Meloun V., Kuda, R. „Objekt 01 NHKG Expertní posudek „Studie“ HP Ostrava“, FAST VUT Brno, červen 1981.
- [4] Meloun V., Kuda, R. „Posouzení stavu nosné konstrukce objektu O1 provozu 23 – autokolárna v NHKG“, FAST VUT Brno, 1989.
- [5] Zich M., Bažant Z., Studie a návrh postupu rekonstrukce střechy haly 01 v areálu firmy, Hayes Lemmerz Czech a zprávy o provedeném průzkum haly, 2009–2011.
Prefabricated single-storied concrete assembly hall is roofed with prestressed lattice girders, skylights, purlins and roof slabs. Significant problems of a roof structure were found out. The method and results of examination and the principles of reconstruction are described.