Numerické, skúšobné a diagnostické práce potrebné pre zosilnenie stropnej dosky podzemnej garáže

1. Úvod

Projekt predmetnej budovy bol vypracovaný so všetkými náležitosťami a podľa vtedy platných STN noriem. Avšak už počas prvých 20 rokov užívania stavby sa vyskytli poruchy v podzemných podlažiach budovy. Poruchy sa vyskytovali najmä v lokálne podopretej stropnej doske nad 3. PP tvorenej filigránmi s dobetonávkou (základná hrúbka 180 mm) a v obvodových stenách 3. PP. Stropná doska nad 3. PP slúži ako parkovanie pre automobily do 3,5 t.

Obr. 1: Koróziou zasiahnutá výstuž

Pred začiatkom projekčných prác bola vykonaná obhliadka, s podrobnou fotodokumentáciou aktuálneho stavu konštrukcie.

Ešte pred začatím samotnej sanácie bolo potrebné overiť, aký vplyv budú mať použité mechanizmy, z hľadiska vibrácií, na stropnú dosku. Overenie vplyvu vibrácií malo pre objednávateľa veľký význam, nakoľko v 2. NP sa nachádza výpočtové centrum, ktorej zariadenia sú citlivé na vibrácie.

Po zistení rozsahu korózie výstuže sa pristúpilo k statickej zaťažovacej skúške realizovanej v 2 poliach.

2. Dynamická numerická analýza

V rámci rekonštrukčných prác na stropnej doske nad 3. podzemným podlažím (3. PP) bolo potrebné posúdiť vplyv frézovania hornej hrany dosky na kmitanie konštrukcie, najmä na stropnú dosku nad 2. podzemným podlažím (2. PP), kde sa nachádza serverovňa citlivá na vibrácie. Cieľom dynamickej numerickej analýzy bolo overiť, či počas frézovacích prác nedôjde k prekročeniu limitných hodnôt zrýchlenia, ktoré by mohli negatívne ovplyvniť funkčnosť zariadení v serverovni.

2.1 Požiadavky a vstupné parametre

Investor stanovil maximálnu prípustnú hodnotu zrýchlenia na 0,25 G (≈ 2,5 m/s²) pre frekvenčný rozsah od 5 do 500 Hz na stropnej doske nad 2. PP. Táto hodnota predstavuje hranicu, nad ktorou by mohlo dôjsť k narušeniu prevádzky citlivých technológií.

Pred začiatkom numerickej analýzy bolo potrebné získať vstupné údaje o zaťažení spôsobenom frézovacími strojmi. Preto bolo realizované nulté meranie zrýchlení, kde sa namerali priemerné hodnoty zrýchlenia a maximálne lokálne výchylky na samotných frézach a zároveň boli vykonané kontrolné merania na stropnej doske v blízkosti pracovných strojov pre nakalibrovanie numerickej analýzy.

2.2 Geometrický model a materiálové charakteristiky

Obr. 2: 3D analytický model so zobrazením hrúbky prvkov – steny 3. PP až 1. PP

Pre analýzu bol vytvorený numerický model v programe SOFiSTiK, kde boli stropy a steny modelované pomocou 2D elementov a stĺpy modelované ako 1D prvky. Nakoľko bol model pripravený len na dotknuté podlažia boli pre spodné steny a stĺpy (3. PP) nastavené votknutia vo všetkých stupňoch voľnosti a pre horné steny a stĺpy (1. PP) votknutie s uvoľneným zvislým posunom.

Materiálové vlastnosti boli zadefinované podľa normy STN EN 1992-1-1. Betón triedy C25/30 s charakteristickými hodnotami pevnosti a modulom pružnosti podľa normy. Viazaná výstuž bola triedy 10 425 V a trieda ocele pre zvárané siete: 10 505 R.

2.3 Metodika analýzy

V rámci metodiky analýzy bola použitá dynamická step analýza, kde výpočet prebiehal ako časovo závislý proces (time-history analýza). Výsledky sa zapisovali každú štvrtinu periódy, pričom samotný výpočet sa realizoval v krokoch po jednej osmine periódy. Celkovo bolo zahrnutých 32 zaťažovacích stavov, čo predstavuje osem plných periód a pri frekvencii 11 Hz to zodpovedá približne 0,727 sekundy. Každý nový zaťažovací stav nadväzoval na predchádzajúci, pričom zahrňoval kumulatívne účinky predchádzajúcich stavov.

Zaťaženie bolo modelované ako harmonické kmitanie aplikované v uzloch na stropnej doske nad 3. podzemným podlažím, presne v miestach predpokladaného pôsobenia frézovacích strojov. Skúmané boli rôzne scenáre, vrátane zaťaženia s kmitaním v jednom bode a zaťaženia s kmitaním v dvoch bodoch, pričom sa uvažovali rôzne fázové posuny (0 periódy, ¼ periódy, ½ periódy), aby sa identifikovala najnepriaznivejšia kombinácia.

V úvahách sa zohľadnil tlmiaci vplyv zaťaženia, pričom okrem vlastnej tiaže nebolo uvažované s ďalším úžitkovým zaťažením, keďže počas frézovacích prác sa na stropnej doske nad 3. podzemným podlažím nepredpokladala prítomnosť ďalších zaťažení. Pre zvýšenie bezpečnosti boli porovnané výsledky lineárnych a nelineárnych výpočtov. Zistilo sa, že pri nelineárnych charakteristikách alebo znížení tuhosti stropov dochádza k vyšším deformáciám na mieste pôsobenia sily, avšak na pozorovanej doske nad 2. podzemným podlažím boli zrýchlenia nižšie.

2.4 Výsledky analýzy

Obr. 3: Monitorovacie zariadenie zrýchlení s napojením na spínač pre napojenie fréz

Výsledky analýzy ukázali, že maximálne zrýchlenie na stropnej doske nad 2. podzemným podlažím nedosiahlo hodnotu 2,5 m/s², ktorá bola stanovená ako limitná. Na stropnej doske nad 3. podzemným podlažím, kde sa frézovacie stroje nachádzajú, boli zrýchlenia taktiež pod touto hranicou. Pri zaťažení v dvoch polohách s fázovým posunom sa ukázalo, že najnepriaznivejšia kombinácia nastáva bez fázového posunu, kde sa zrýchlenia z oboch zdrojov sčítavajú. Aj v tomto prípade však maximálne dosiahnuté zrýchlenie bolo iba 0,152 m/s², čo je výrazne pod stanoveným limitom.

Vyhodnotenie výsledkov potvrdilo, že počas frézovacích prác nedôjde k prekročeniu maximálnej prípustnej hodnoty zrýchlenia na stropnej doske nad 2. podzemným podlažím. Numerická analýza bola v súlade s reálnymi meraniami zrýchlení na mieste, kde sa maximálne zrýchlenia na stropnej doske nad 3. podzemným podlažím pohybovali okolo 2 m/s². Ukázalo sa, že najnepriaznivejší scenár je bez fázového posunu, avšak aj v tomto prípade sú zrýchlenia výrazne pod limitom. Počas realizácie frézovacích prác bol nainštalovaný kontinuálny monitoring zrýchlení na stropnej doske nad 2. podzemným podlažím, ktorý potvrdil neprekročenie povolených hodnôt.

3. Statická zaťažovacia skúška vs. nelineárna numerická analýza

3.1 Statická zaťažovacia skúška [5]

Statická zaťažovacia skúška podľa [5], prebehla v 2 susedných poliach. Prvé pole (A) bolo bez akýchkoľvek známok poškodenia, druhé pole (B) vykazovalo veľké známky korózie výstuže. Cieľom statickej zaťažovacej skúšky bolo preukázať spoľahlivosť konštrukcie z hľadiska medzných stavov únosnosti a používateľnosti. Zaťaženie bolo zvolené, ako náhradné bremeno (6 ton), ktoré malo vyvolať rovnaké silové a deformačné účinky, ako zaťaženie podľa [2].

Zaťažovanie stropnej konštrukcie prebiehalo v 6 zaťažovacích krokoch, tak, aby bol prírastok zaťaženia a teda aj ohybových momentov uprostred stropnej dosky rovnomerný. Počas zaťažovania boli merané priehyby konštrukcie a vizuálne bol kontrolovaný prípadný vznik a rozvoj trhlín. Náhradné zaťaženie pôsobilo na konštrukciu po dobu 24 hodín, po ktorých sa odčítal finálny priehyb.

Obr. 4: Zaťažovacia zostava (vľavo) [5], meracie prístroje (vpravo) [5]

Materiálové skúšky betónu boli pomerne prekvapujúce. Projektovaný betón bol triedy B30 (C25/30) pre dobetonávku aj filigrány. Po odobratí a odskúšaní vzoriek valcov bol betón po zatriedení do pevnostej triedy:

Pole A: dobetonávka – C35/45, filigrány – C45/55.

Pole B: dobetonávka –C40/50, filigrány – C40/50.

Vyhodnotenie skúšky bolo pre obe polia veľmi podobné. Obe polia vyhoveli na medzný stav únosnosti. Pri medznom stave používateľnosti neboli pozorované žiadne nové trhliny. Prírastok priehybu od náhradného bremena bol pre pole A – 1,79 mm a pre pole B – 2,05 mm.

Výsledky zaťažovacej skúšky preukázali, že železobetónová doska tvorí s ostatnými časťami konštrukcie monoliticky pôsobiaci celok, pričom bolo pri zaťažení a odľahčení preukázané je pružnoplastické chovanie, čím boli splnené kritériá spoľahlivosti podľa STN 73 2030 z hľadiska medzných stavov únosnosti a používateľnosti.

3.2 Nelineárna numerická analýza

Pre analýzu bol použitý programu SOFiSTiK. Pri tvorbe numerického modelu bola snaha čo najpresnejšie vystihnúť existujúcu konštrukciu. Steny a dosky boli modelované s použitím 2D elementov. Stĺpy boli modelované 1D prvkami. Okrajové podmienky pre spodné steny a stĺpy bolo votknutie. Pre horné steny a stĺpy bolo zadané votknutie s uvoľneným zvislým posunom.

Vlastnosti betónu boli preukázané skúškami a do modelu bola zadaná príslušná priemerná pevnosť betónu. Výstuž bola zadaná do plôch podľa vystuženia z pôvodnej projektovej dokumentácie. Betonárska výstuž bola podľa projektovej dokumentácie V425. Stropná doska bola rozdelená na časti s rovnakým smerom a plochou hlavnej výstuže v hornej a dolnej vrstve. Pre výpočet šírky trhlín a priehybu bol použitý fázovaný výpočet.

Obr. 5: Numerický submodel (vľavo), zaťaženie paletami (vpravo)

Jednotlivé kroky výpočtu boli v zhode so spôsobom výstavby:

• 1. krok – vybetónovanie stien 3. PP – zmrašťovanie, dotvarovanie – 2 týždne
• 2. krok – vybetónovanie dosky nad 3. PP – zmrašťovanie, dotvarovanie – 2 týždne
• 3. krok – vybetónovanie stien 2. PP – zmrašťovanie, dotvarovanie
• 4. krok – zaťaženie stropu dopravou – zmrašťovanie, dotvarovanie – pôsobenie stálej zložky dopravou
• 5. krok – zaťaženie náhradným bremenom – zmrašťovanie, dotvarovanie – 24 hod.

Namerané hodnoty priehybov lokálne podopretej stropnej dosky vykazujú dobrú zhodu s výsledkami numerického výpočtu (Tab. 1). Odchýlky medzi experimentálnymi údajmi a simuláciou sú minimálne, čo naznačuje, že zvolený numerický model správne opisuje správanie konštrukcie. Tieto rozdiely môžu byť spôsobené jemnými odchýlkami v materiálových vlastnostiach alebo geometrii, ktoré nie sú v numerickom modeli plne zohľadnené. Celkovo však výsledky ukazujú, že numerický výpočet je vhodným nástrojom na predpovedanie priehybov stropnej dosky.

4. Návrh zosilnenia

Napriek prekvapivo dobrým výsledkom statickej zaťažovacej skúšky bolo pristúpené k zosilneniu stropnej dosky. Toto rozhodnutie bolo urobené s prihliadnutím na trvanlivosť konštrukcie. Návrh zosilnené bol urobený pre polia viditeľne zasiahnuté koróziou. Značne skorodovanú plochu ohybovej výstuže bolo potrebné nahradiť. Nahradenie bolo realizované pomocou CFRP lamiel. Lamely boli navrhnuté na plné zaťaženie spolu s pridaním protipožiarnej ochrany.

5. Záver

Predložený prípad ukazuje, ako sa bežná obhliadka stropnej dosky garáže premenila na rozsiahlu diagnostickú a analytickú úlohu. Diagnostické práce zahŕňali materiálové skúšky, statické zaťažovacie testy a komplexnú numerickú analýzu, zameranú na materiálové nelinearity a efekty dotvarovania a zmrašťovania. Dodatočné dynamické merania boli realizované s cieľom zabezpečiť, že rekonštrukcia neohrozí fungovanie citlivého výpočtového centra v blízkosti. Výsledky týchto analýz viedli k navrhnutiu opatrení na zosilnenie a stabilizáciu stropnej konštrukcie, čím sa zabezpečila bezpečnosť a dlhodobá spoľahlivosť celej stavby. Tento prípad ilustruje dôležitosť komplexného prístupu k diagnostike a návrhu v stavebníctve.

Literatúra

1. STN EN 1992-1-1: Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby. Bratislava, 2006.
2. STN EN 1991-1-1:2007 Eurokód 1. Zaťaženia konštrukcií Časť 1-1: Všeobecné zaťaženia – Objemová tiaž, vlastná tiaž a úžitkové zaťaženia budov.
3. STN EN 206-1 Betón. Časť 1: Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda, 2002 vrátane A1 z roku 2004, A2 z roku 2005, NA z roku 2009, NA/O1 z roku 2011.
4. STN 73 2030 – Zaťažovacie skúšky stavebných konštrukcií – spoločné ustanovenia.
5. PROCON – Zaťažovacia skúška stropnej dosky podzemných garáží, 2024.