Václav Jandáček BEZPEČNOST NOSNÝCH KONSTRUKCÍ V ZRCADLE ČASU A DLOUHODOBÝCH ZKUŠENOSTÍ PŘEDCHOZÍCH GENERACÍ VLIV KONSTRUKTÉRSKÉ DOVEDNOSTI NA ŽIVOTNOST DÍLA Abstrakt: Příspěvek se snaží ukázat dlouhodobé vlivy na životnost díla a význam změn ve stavitelství za posledních 200 let. Popisuje změny technologie, materiálu, nahlížení na dlouhodobou životnost konstrukcí a proměny názorů v čase. Dokládá také vliv dovednosti konstruktéra nosných částí budov na její životnost a zamýšlí se nad tím, zda cena nosné konstrukce je jediným měřítkem kvality. Nosné konstrukce staveb se stávají samostatným oborem někdy koncem 18. století, kdy doba osvícenství dává možnost proniknout do stavební dovednosti každému, kdo získá příslušné vzdělání. Definitivně končí časy, kdy se stavební umění získává generačním předáváním empirických znalostí v rodové nebo dílenské úrovni. Osamostatnění oborů deskriptivní geometrie, mechanika a nauka o materiálu, které je podpořeno sumou matematických znalostí a dovedností je možno naučit konstruování staveb každého příchozího nadaného prostorovou představivostí a exaktním myšlením. Zde musíme hledat i kořeny pro oddělení statiky či konstruování nosných částí staveb jako samostatného oboru. Doposud stavěné budovy byly většinou návrhem jednoho stavitele, který byl architektem a autorem nosné konstrukce v jedné osobě. K prvnímu takovému oddělení došlo u staveb opevnění, mostů a cest, kdy byly stále důležitější znalosti z mechaniky stavebních konstrukcí a mechaniky zemin, bez kterých by nebylo možno konstrukce novodobého pojetí vytvářet. Celá první polovina devatenáctého století je dobou, kdy byly principy ověřovány a spolu s pokrokem v železářství umožňovány realizace konstrukcí skutečně novodobých. Statika stavebních konstrukcí a s ní spojená nauka o materiálu se stala samostatným oborem a část osob pracujících ve stavitelství se jí začala zabývat, popřípadě i osoby, které vykonávaly práci stavitelů navrhujících stavby, byly nuceny řešit tyto problémy početními nebo grafickými metodami. Znalost základních úkonů návrhu spojených s průřezovými veličinami, stanovením osových sil v prutových konstrukcích a vnitřních sil u konstrukcí namáhaných ohybem byla již v druhé polovině 19. století běžnou praxí. Veličiny pro vlastnosti materiálů byly pak asi větší slabinou návrhu. Nicméně konzervativní přístup k nim a postupné shromažďování výsledků zkoušek, zejména u železa a litiny dávaly naději na úspěch. Přeceňována byla vzpěrná únosnost a stabilita u tlačených prutů a rovněž optimistické předpovědi schopnosti litiny v tahu byly příčinou neúspěchů. Přelom 19. a 20 století byl ve znamení zpřesnění předpisů pro vlastnosti materiálu, kdy byly postupně stanovovány přípustné hodnoty namáhání jednotlivých materiálů úřední cestou. S objevem nového materiálu betonu se nosné konstrukce dostávají do oblasti další specializace a poznán je nový princip - monolitická konstrukce, tedy konstrukce, která není sestavována z kusových staviv nebo dílů se spoji či spárami, ale konstrukce vytvářená kontinuálně jako jeden kus z prostého nebo vyztuženého betonu. Pokrok v ocelářství pak na počátku 20. století dává možnost plného užití oceli jako konstrukčního materiálu a ukončuje období užití litiny ve stavitelství. Ocelové konstrukce jsou až do třicátých let kombinovány s konstrukcemi dřevěnými, které tvoří jejich střešní pláště.výrobní dovednost a postupné rozšiřování spojů svařováním umožňují snížení hmotnosti a větší tuhost konstrukcí. Betonové konstrukce jsou nejdynamičtěji se rozvíjejícím oborem, který za první dvě desetiletí užití je podporován výzkumem a teoretickým podepřením výpočetních modelů. Masový nástup skeletových staveb betonových zcela mění stavitelství, kdy jsou opouštěny konstrukce ztužené zděnými stěnami. Nosná rámová konstrukce je základem stavby a zdivo se stává pouze jen výplní v betonové konstrukci. Velmi rychle dochází k vytváření staveb se systémem deska, trám, průvlak a sloup, které na dlouhou dobu tvoří základ betonového stavitelství.
Dřevěné konstrukce v první polovině dvacátého století užívají levnějšího řeziva, poprvé se objevují konstrukce sbíjené a konstrukce lepené. V druhé polovině dvacátého století se objevuje třetí novodobý materiál a tím je předpjatý beton, který se po prvních pokusech s drobnými prvky a nosníky stává materiálem pro ohýbané konstrukce. Využití předpjatého betonu se uplatňuje u staveb montovaných a zejména ve stavitelství mostním. Ocelové konstrukce jsou stále častěji svařované, užíván je princip spřažení konstrukce ocelové a betonové a stále častěji jsou užívány ocelové konstrukce z prvků tenkostěnných. Po období pokusů se silikátovými prvky, nahrazuje střešní a stropní roviny ocelových konstrukcí trapezový plech. Betonové konstrukce druhé poloviny dvacátého století jsou ve znamení tenkostěnných konstrukcí, skořepin složitých geometrických tvarů a konstrukce montované z dílců. Po dlouhou dobu neměnné konstrukce zděné či konstrukce z kusových staviv je snaha vylehčovat a omezovat množství malty ve spárách.ve zděných konstrukcích a částečně i při výrobě prefabrikátů nastává i zvýšené užití lehkých betonů různého druhu. V posledních desetiletích dvacátého století nastává i širší užití vysokohodnotných materiálů, které se projevilo nejprve u výztuží pro betonové konstrukce a postupně i u ostatních materiálů pro nosné konstrukce. Rovněž užití technologií založených na chemických principech pro kotvení a lepení se stalo nedílnou součástí statických řešení. Velkým motorem pokroku v oboru nosných konstrukcí byly i mechanizační prostředky. Ty se nejprve objevovaly jako prostředky dopravní a zvedací, později se však staly i zařízeními pro samotné vytváření konstrukcí. Stroje pro míchání a dopravu betonové směsi, stroje pro zakládání a kotvení do zemin, stroje pro výrobu prefabrikátů, zařízení systémových bednění a strojní vybavení mostáren staví moderní stavitelství na úroveň průmyslu vyrábějícího sériové produkty. Pokroky ve stavební mechanice, které po celé dvacáté století převádějí výpočty z grafických metod k metodám numerickým, nacházejí uplatnění postupným zaváděním výpočetních metod, metod iteračních a přibližných. Zásadní změnou je pak nástup elektronické výpočetní techniky, který postupně umožňuje řešení násobných soustav s velkým počtem prvků a na sklonku století přináší masové rozšíření metod analýzy konstrukcí s poměrně jemným členěním na osobních počítačích. Rovněž poznání materiálů a jejich pružných i nepružných vlastností se v průběhu dvacátého století znásobilo obrovským způsobem. Postup poznání se promítal do poměrně rychlých změn předpisů a výpočetních postupů, které se neobešlo bez omylů a přecenění nejen vlastností materiálů, ale i konstrukčních principů. Dvě století pokroku ve statice nosných konstrukcí přinesla mnoho optimismu do návrhových metod a zdánlivě zlepšilo bezpečnost staveb. Průběžně však docházelo ke stálému tlaku na snižování spotřeby materiálu a vylehčování nosných konstrukcí, jež bylo spojeno s užíváním nových materiálů a konstrukcí málo vyzkoušených principů. To mělo dopad i na bezpečnost a životnost konstrukcí nosných a lze jen konstatovat, že s pokrokem v návrhových metodách a větší znalostí materiálů, nedochází k poklesu počtu selhání nosných konstrukcí. Zamysleme se nyní nad několika problémy z dlouhé historie nosných konstrukcí, na kterých se můžeme poučit i pro budoucnost. Patrně jedním z prvních sériových případů statických problémů bylo užití kombinované konstrukce ze železa a litiny, nazývané Schiffkornovy mosty. Násobná stavebnicová soustava dílců, vyráběných do zásoby a stupňovatelných dle rozpětí pole, v mnoha případech kolabovala. Příčinou byla neschopnost litiny odolávat tahovým silám které vznikaly i tam, kde nebyly teoreticky předpokládány. Podobným problémem byly i některé konstrukce příhradové, nýtované, u kterých docházelo k porušením styků při násobném zatížení nýtovaných přípojů. Pomineme-li dobové zprávy o dešti nýtů padajících z těchto konstrukcí je vidět, že ne zcela zvládnutá technologie výroby železných konstrukcí a jejich montáže byla systémovým problémem. Další případ je z doby rozvoje zděných konstrukcí ve velkých městech, kde máme zaznamenány havárie těchto konstrukcí před dokončením. Důsledkem byla pravděpodobně snaha o úsporu pojiv doprovázená nedůsledností vypracování zejména levnějších činžovních domů. Za systémovou poruchu lze pokládat řetězové havárie továrních komínů, ke kterým docházelo od devadesátých let 19. století do let desátých století dvacátého. I při poměrně přehnaném úředně stanoveném tlaku větru na tovární komíny došlo k přecenění -ať již vědomému a spekulativnímu či nevědomému- objemové hmotnosti cihel. To pak způsobilo nehody vzniklé nestabilitou tělesa komínu, kterých bylo jen v Čechách několik desítek.
Ani prvopočátky betonu se neobešly bez systémových problémů, vesměs vyplývajících z nedostatečné pevnosti betonu, zejména v době, kdy byla kvalita cementů velmi kolísavá. V nešťastném spojení s lehkými kamenivy jako je škvára nebo popílek, vznikla hmota velmi nespolehlivých vlastností. Důkazem toho jsou poruchy prvních betonových staveb stavitele O. Ehlena na našem území. Jedna z prvních zaznamenaných nehod betonové konstrukce byla však způsobena celkovým nepochopením působení plochého oblouku, který kolaboval díky nesymetrickému zatížení a nedostatečné stabilitě tuhých výztuží. Opojení vysokou tlakovou pevností nového materiálu spělo pak k dalším problémům, kdy prudké zmenšení pilířů pozemních staveb vedlo k jejich nečekávaným deformacím, které se na rozdíl od zdiva projevovaly pomaleji a výsledkem byly poruchy druhotných konstrukcí obkladů /palác Koruna v Praze/. Zde bylo patrně poprvé popsáno dotlačování betonové konstrukce. U konstrukcí ocelových docházelo v jejich prvopočátcích k poruchám stability způsobených nedůsledným ztužením či přeceněním vzpěrné pevnosti tlačených prutů. To vedlo k haváriím i u konstrukcí velmi exponovaných /výstavní palác Jubilejní výstavy 1891/, zde však byla velmi rychlá reakce na poruchy a konstruktéři se o tuhosti poučili. U betonových konstrukcí dochází i po zvládnutí technologie k poruchám v pevnosti betonu, důsledkem jsou však spíše ekonomické tlaky než technická nedovednost. Zásadním problémem u betonových konstrukcí bylo pak podcenění ochranné úlohy betonu. Nezvládnutí dostatečného krytí výztuže a malé příčné profily prvků byly příčinou mnohých neúspěchů i ve vodním stavitelství. Rovněž malá tuhost, zejména deskových prvků, byla příčinou statických poruch, stejně jako jednoduché vyztužení konstrukcí, ve výpočtech uvažovaných jako konstrukce působící v jediném směru a zanedbávající rozdělovací a příčné výztuže /desky, římsy/, je příčinou častých trhlin. U ocelových konstrukcí znamenal i pokrok ve spojích určité statické problémy. Rozšíření sváření konstrukcí dalo vzniknout tužším stykům zejména konstrukcí příhradových a konstrukcí plnostěnných a tím byla do konstrukcí vnášena napětí ve výpočtech nepředpokládaná. Spolu s únavou nebo působením nízkých teplot mohlo pak dojít haváriím /svařované Vierendelovy nosníky mostů v Belgii/. Nové materiály pro vyztužování betonových konstrukcí s vyšší pevností vedly k prudkému poklesu vyztužení hlavní výztuží a spolu s dobovým podceňováním příčných výztuží vznikaly prvky na hranici statické způsobilosti. U starších betonových konstrukcí pak bylo značně podceňováno příčné vyztužení prvků a vzhledem k nízkým pevnostem betonů u nich dodnes dochází k porušením v uložení. Zcela samostatnou kapitolou bylo užití hlinitanových cementů, které se dlouhodobě staly pojivy vytvářejícími konstrukce po určité době užívání vysoce nebezpečné. Velkým příkladem nevhodné počáteční úvahy o konceptu nosných konstrukcí, jsou konstrukce prefabrikované, které se staly po určitý čas technickým dogmatem a nutily betonovým konstrukcím chování pro ně cizí. Konstrukce, která pozbyla výhody spojitosti, se stala systémem z poměrně velkých dílců, u kterých byla snaha nepřiznávat spáry a styky a tím se stala konstrukcí z dlouhodobého hlediska problémovou. Rovněž snaha zapojení mnoha funkcí, které byly přiřazovány zejména obvodovým konstrukcím, se ukázala jako nereálná. Ve spojení s nutnou výztuží pro spoje a se spoji nikdy uspokojivě dořešenými jsou tyto stavby problémem do dnešních dnů. Příběhy nevhodného užití lehkých betonů a betonů ze surovin, které lze označit jako náhražkové, jsou dnes sice málo známy, ale jejich likvidace a sanace zaměstnala minimálně po dvacet let technickou dovednost další generace. Stejně tak i podcenění korozní odolnosti konstrukcí z předpjatého betonu vedlo k tomu, že velká část mostů byla vyměňována za součinnosti konstruktérů, kteří se jako techničtí elévové účastnili jejich návrhu či stavby. Názor na životnost konstrukce se -stejně jako názor na její bezpečnost- vyvíjí. Stavební konstrukce z počátku 19. století byly pokládány za tolik definitivní, že si jejich navrhovatelé nedovedli představit konec jejich životnosti. Klasické kamenné mostní stavby z prvopočátků inženýrských škol, byly vnímány jako stavby dlouhodobé, skoro jako stavby římského období. U staveb industriálních a u kovových konstrukcí měli jejich autoři velmi matnou představu o omezené životnosti, nicméně se snažili jejich životnost co nejvíce prodloužit. Vědomá úvaha o omezené životnosti staveb se patrně
objevuje až po druhé světové válce, kdy se do stavebnictví začínají vkládat metody dříve používané pro dopravní prostředky a kdy se část rychle budovaných konstrukcí pokládá za dočasné. Konstrukční zkušenosti z delšího období mají velkou cenu. Ne v konkrétních situacích a řešeních, ale v přístupu ke konstruování a uvažování. Zobecnit lze nevhodnost přílišného využívání materiálu k hraně jeho možností v době realizování konstrukce, protože u většiny materiálů dochází s průběhem času k degradaci a ztrátě původních vlastností. Rovněž neznámé materiály, nebo materiály jejichž vlastnosti jsou ověřeny v krátkých časových úsecích, je třeba pokládat za potenciálně nebezpečné. V případě úvah o tuhosti a stabilitě je třeba být vždy na pozoru, naše současné znalosti nám sice připadají jako vyčerpávající, nicméně změny styků a dlouhodobá zkušenost ve spojení s omezováním údržby a přidáváním zatížení mohou být příčinou neúspěchu i po delší době. U materiálů, které doba jejich vzniku pokládá za vysokohodnotné a nadprůměrně kvalitní je mnohdy zklamání větší než u materiálů obyčejných a opakovaně užívaných. Korozní problémy byly v historii novodobých staveb takřka vždy podceněny. Ochranné vrstvy, nátěry a izolace se vždy ukázaly jako méně účinné než bylo předpokládáno. Rovněž způsob údržby je vesměs nutno pokládat za veličinu silně nejistou, zejména ve společenských systémech s malou zodpovědností zanedbávajících budoucnost jsou nosné konstrukce vždy silně ohroženy. Myšlení statika by mělo vždy předpokládat nejméně příznivé vlivy jak v seskupení zatížení, tak v působení materiálů a konstrukce. Taková konzervativnost by neměla být připisována k negativům konstruování a krátkozraká úvaha o co nejnižší spotřebě materiálu v době vzniku stavby a o jeho nejnižší ceně se může v další době životnosti stavby krutě nevyplatit. Byla to patrně válečná období dvacátého století a jejich důsledky, které vedly k tomu, že konstruktér-statik má zejména šetřit a úspora je jediným výsledkem jeho práce. Takové tvrzení je však nepravdivé i tam, kde je předpokládána omezená životnost stavby. Na konstrukci nosnou je třeba nazírat z hlediska celkových vložených nákladů na stavbu a údržbu. Oddělování a samostatné hodnocení nákladů na pořízení stavby bez ohledu na další vložené prostředky lze považovat za nesolidní přístup levné realitní kanceláře. Závěrem je třeba se zamyslet i nad vlivem konstruktéra na bezpečnost a životnost konstrukce. V dnešní době, kdy je k dispozici možnost poměrně podrobné analýzy konstrukce a máme dojem, že naše výpočetní metody konstrukce vystihují velmi přesně, je možné odstupňování dimenzovaní konstrukce a prověření jejího chování větším počtem kombinací zatížení než v minulosti. Zda takové řešení vede ke konstrukci bezpečnější, než řešení na jednoduchých modelech nelze jednoznačně říci. Zmenšení rezerv v únosnosti činí konstrukci zdánlivě levnější, nicméně překročení určité hranice může přinést větší nebezpečí neúspěchu. Rovněž přecenění vstupních předpokladů je u modelu s menší rezervou nebezpečné. Přes veškeré jistoty, které nám podrobný model přináší, nesmíme zapomínat na konstrukční zásady, které udrží návrh v reálných mezích. Pro ohýbané konstrukce betonové jsou to dostatečné statické výšky, zejména u desek a hlavic uložených na sloupy, pro konstrukce tyčové pak dostatečná tuhost v obou rovinách, která zajistí stabilitu celé konstrukce. Pro ztužení konstrukcí je důležité zachování zásad umístění ztužujících prvků, jako jsou stěny a tubusy. V dnešní době je snad již překonána snaha ztužení rámovými soustavami, která byla dogmatem v dobách, kdy bylo vytvoření betonové stěny finančně nákladné. U konstrukcí ocelových je třeba zachovat zásady konstruování detailů a přípojů, které by měly vycházet z konstrukcí již realizovaných. Přílišná snaha o úsporu svarů a výztuh nosných konstrukcí, spojená s nevhodným užitím tenkostěnných prvků i v místě velkých koncentrací zatížení se pak obtížně doplňuje dalšími výztužnými prvky, které konstrukci neúměrně komplikují. U konstrukcí dřevěných je pak napodobení členění konstrukcí ocelových, cestou vedoucí ke složitým a méně spolehlivým přípojům. Snadnější je vytváření konstrukcí násobných s rozdělením počtu přípojů po celé konstrukci, které mohou být provedeny jednoduchými prostředky vlastními dřevěné konstrukci. Konstrukční dovednost a zkušenost může zvýšit životnost a bezpečnost konstrukce a nesmí být zasouvána za výstupy z návrhových metod. Postup při návrhu by měl vyjít z předběžného stanovení konceptu konstrukce a jeho následného ověření podrobnou metodou výpočtu s výsledky korigovanými konstrukčními možnostmi a zkušeností. Samotné užití výstupů z černé skříňky výpočetního systému, může být při podcenění vstupů nebo vložení nevhodných předpokladů konstrukčně nezajistitelných v konečném výsledku problematické. Bez dovednosti konstruktéra
podpořené znalostí vývoje oboru a cest, které byly shledány slepými, nemůže vzniknout konstrukce spolehlivá a s dostatečnou životností. Ing. Václav Jandáček ČKAIT tel/fax +420 2333 533 09 e-mail: vaclav.jandacek@seznam.cz Obr. 1 Dřevěná lávka násobné konstrukce vycházející z tradic dřevěných konstrukcí /Ing. Jandáček 2005/
Obr. 2 Betonová konstrukce vytvářející rošt nad kruhovou kaplí kostela vycházející z tradic klenebních vzorců /Ing. Jandáček 2006/
Obr. 3 Využití původních trámů z 19. století v přestavované místnosti historické usedlosti /Ing. Jandáček 2004/
Obr. 4 Opravená renesanční klenba Mostecká 1. Doplnění tradičním zdivem a zachování kamenných sloupů z roku 1591 v nosném systému původní stavby. Důsledné užití vápenné technologie /Ing. Jandáček 2006/