STATICKÉ ZAJIŠTĚNÍ CIHELNÉHO ZDIVA PAMÁTKOVÝCH OBJEKTŮ Bažant Zdeněk, Klusáček Ladislav 1 Úvod Tato stať by měla podat obecnou informaci o zesilování (ztužování) zdiva památkových a zděných objektů dodatečným předpínáním, provedeném na ÚBZK; zmíněny jsou nejen úspěšné aplikace horizontálního a svislého předpínání zdiva a také dosud neobvyklé předpínání kleneb příčně i podélně. V rámci rekonstrukcí a sanačních oprav byly dosud předepnuty občanské domy, zámky, věže, kostely a také různé inženýrské stavby (např. zděné mosty). Zejména je vhodné konstatovat, že přístup k památkově chráněným objektům je při předpínání mimořádně citlivý a je možné ho dosáhnout pouze pomocí této, dle našeho názoru velmi progresivní metody. 2 K předpínání zděných konstrukcí Dosud provedené práce přesvědčivě dokazují, že metodika zesilování zděných konstrukcí předpínáním je natolik prozkoumaná, že lze říci, že se jedná o způsob zesilování objektů již běžný. Není tedy třeba již dokazovat, že tyto realizace jsou možné o tom není sporu spíše jde o konstatování, že zásahy do konstrukcí jsou šetrné, vyžadují minimální úpravy konstrukcí (osazení lan, desek, deviátorů, vyřezání kabelových drážek a vrtání náhradních kabelových kanálků atd.), nejsou po ukončení prací vidět, ale naopak, všechno je skryto, tvary konstrukcí se nezmění a krása architektury (především historické) není tak dotčena. Výhodou tohoto postupu byla až dosud velmi dobrá spolupráce s pracovníky památkové péče a s inženýrskými geology. Dodatečné předpínání zděných konstrukcí (případně jak uvádějí jiní odborníci - spínání) je vskutku dobře účinné. Vždy je ovšem třeba každé předpínání předem navrhnout; návrh musí být veden statickými důvody a musí být ověřen statickým výpočtem. Důležité (a v naší praxi osvědčené) jsou současně zajišťované dva výpočetní postupy jak modelování konstrukce na počítači, tak i běžný ruční výpočet. Pokud není docílena odpovídající shoda obou výpočtů, nemělo by se předpínání realizovat nebo lépe řečeno, je nutno tak dlouho hledat konstrukční uspořádání předpětí a jemu odpovídající výpočetní model, až se patřičné shody dosáhne. Každou stavbu na podloží je možné si v dlouhém časovém úseku představit jako plující loď pokud se loď chová jako celek, nepotopí se, podobně funguje-li předpjatá konstrukce jako celek, neporuší se. Lze konstatovat, že kritiky metody vycházejí obvykle z nepochopení principu předpínání, z neznalosti pracovních postupů a současných možností specializovaných firem. 1
3 Předpoklady pro předpínání Podnik, který provádí statické zajištění, by měl mít: vyškolené pracovníky a zařízení pro provádění velmi přesných a dlouhých vrtů (až do délky cca 10 m) pod malými úhly bez vnášení otřesů do konstrukce, odborné pracovníky pro provádění předpínacích prací, kteří vlastní průkazy pro obsluhu strojů a jsou odpovídajícím způsobem vyškoleni, zařízení pro provádění předpínacích prací (vlastní napínací soupravy) odpovídající reference a zkušenosti s zmíněnými technologiemi. 4 K vlastnímu návrhu dodatečného předpínání Hlavní myšlenkou předpínání je vnesení vhodně volené vnější přepínací síly (směr, velikost, trasování lan) do konstrukce, vyvolávající příznivé ovlivnění rozložení napětí po průřezech. Konstrukce se pak po předepnutí chová tak, jak ji to bylo předpětím vnuceno. Konstrukce tedy nečeká na to, až se sanační zásah (např. nepředpjatá výztuž přes trhliny ve spárách, kotevní mikrohřeby, bandážování apod.) později uvede do působení (např. novým zatížením, další deformaci konstrukce apod.), ale je aktivována téměř ihned. Předpětí je nutno aplikovat v konstrukcích staticky a konstrukčně uvážlivě. Staticky správná aplikace předpětí při sanaci budovy musí zvážit kromě příznivého vlivu přepínací síly na samotný objekt i vedlejší vlivy předpětí tak, aby nedošlo k nežádoucímu přetváření konstrukce vlivem předpětí a tím i k nechtěným, dodatečně vyvolaným škodám. Samozřejmě je třeba zajistit, aby vnější síly v konstrukci působily přes tuhé celky, ať existující (vlastní zdivo stěny, stěnové nosníky, pilíře po zmonolitnění trhlin ve zdivu), nebo dodatečně navržené (železobetonové věnce, stropní desky, rubové skořepiny, ocelové trubky, svařence apod.). Neodborně (staticky chybně) zvládnuté návrhy mohou také předpokládat předpínání příliš dlouhých celků budov (např. stěn), kdy předpětí vymizí vlivem vysokých stěnových tuhostí bez dosažení efektu ve středních částech budovy. Konstrukčně zvládnutá aplikace předpětí při opravách nebo rekonstrukcích budov musí bezpečně řešit detaily, na nichž je funkce předpětí založena a to z hlediska napětí v materiálech, proveditelnosti, šetrnosti vůči sanované konstrukci, dlouhodobé funkčnosti předpětí a ochrany proti korozi. Nezvládnuté konstrukční detaily a technologické postupy mohou negovat staticky dobře zvládnutý návrh a vedou oprávněně ke kritice této metody. Občas se setkáváme s názorem, že naše návrhy statického zajištění předpínáním jsou příliš bezpečné jinak řečeno, jsou složité na provádění a někdy také dražší. Naší snahou vždy ovšem je řídit se starým německým příslovím Klotzen, nicht kleckern (volně přeloženo Problém zásadně řešit, netroškařit ). Nemá totiž smysl pokaždé různě stavby skobovat, hřebovat, zaplňovat množstvím betonu, obkládat jednotlivé prvky ocelí, podepírat je (mikro)pilotami apod. Tím samozřejmě nechceme říci, že každou konstrukci je možné sanovat pouze předepnutím vždy je třeba postupovat podle okolností, zjištěných na místě samém a vybrat ten postup, který se jeví jako nejlepší jak z hlediska únosnosti, tak z hlediska trvanlivosti. 2
4.1 Zesilování zděných konstrukcí vertikálně Zesílením zděných stěn svislými nebo přibližně svislými přepínacími lany se dosahuje jejich větší schopnosti vzdorovat ohybovým momentům. To je možné u takových konstrukcí, jejichž kapacita ve svislé únosnosti má rezervy (a je tedy možné další přitížení předpínací silou), a současně jsou namáhány relativně velkými ohybovými momenty. Takovými konstrukcemi jsou nosné stěny zámků, kostelů, jízdáren, osamělé stěny vystavené větru apod. Před zesilovacím zásahem vede současné působení M Ed, N Ed na namáhání zdiva normálovou silou s velkou výstředností, často ani nelze výpočtově prokázat krátkodobou spolehlivost konstrukce (1.MS - únosnost). Po svislém předepnutí se namáhání zdiva výrazně mění, excentricita silové výslednice se stává zanedbatelnou, dostáváme téměř dostředně tlačený průřez (viz Obr.1). Současně se zvětšují ideální průřezové charakteristiky. Svise předepnutá stěna je potom tužší a příčné deformace stěny se zmenšují. Po konstrukční stránce se používají postupy podle odstavce 2. Lokální namáhání v oblasti kotev, případně sedel se řeší dovyztužením zdiva výztuží deviátorů, injektovanými mikrohřeby. Vertikální předpínání zdiva není dosud běžně používaným postupem. Většímu rozšíření brání často mechanické přebírání a opakování negativ plně předpjatého betonu bez přihlédnutí k reálně dosahovanému předpětí, které je relativně malé. SILOVÉ SCHEMA CHOVÁNÍ NEVYHOVUJE VYHOVUJE Obr. 1 Působení průřezu zdiva před (vlevo) a po svislém předepnutí (vpravo) 4.2 Zesilování klenutých konstrukcí podélným předpětím nebo kombinací podélného a svislého předpětí Klenutými zděnými konstrukcemi jsou obecně válcové klenby, ploché klenby, klenbové pásy s výplňovými klenbami, klenby s dojí křivostí apod. Mohou být samostatně stojící nebo opakované, jsou podpírané zdmi nebo pilíři, případně ozdobnými sloupy. Podporující konstrukce musí dlouhodobě vzdorovat obloukové síle, která má šikmý směr. Zatímco její svislá složka nečiní problémy, vodorovná složka obloukové síly je značná a navíc působí 3
dlouhodobě již pro zatížení vlastní tíhou klenuté konstrukce. Naprosto převažujícími poruchami jsou vodorovné posuny v patách klenby (posun podpor), které jsou doprovázeny nejprve vznikem příčných trhlin ve vrcholovém průřezu klenby, s dalším rozvoji poruchy se klenby trhají i v patách a často v ploše celé klenuté konstrukce. Základní předpoklad statického působení kleneb jako obloukové konstrukce opřené do podpor je zpochybněn. Zesílení kleneb podélným předpětím je vnesení přepínací síly do konstrukce klenby nebo do zaklenuté konstrukce včetně podporujících prvků ve směru rozpětí klenby. Podle velikosti středového úhlu klenby se vystačí pouze s předepnutím klenby samotné (orientačně pro ω 120 ), nebo je vhodné toto předepnutí doplnit i svislým předpětím podpůrných stěn, pilířů (orientačně pro ω > 120 ). Z konstrukce opírající se o podpěry se dodatečným předepnutím stane předpjaté táhlo, které naopak zabraňuje dalšímu rozvoji poruchy až do vyčerpání tlakové rezervy. 5 Jeden z důležitých problémů předpínání Rozhodujícím faktorem při předpínání starých (historických) zděných konstrukcí je zjištění aktuální pevnosti zdiva v tlaku. Zjišťuje se pomocí nedestruktivních metod na místě samém nebo na vzorcích, odebraných z konstrukce. Většinou při těchto pracích spolupracujeme s Ústavem stavebního zkušebnictví FAST VUT v Brně. Základním naším požadavkem je přitom zatřídění zdiva do pevnostních charakteristik dle ČSN či EC. Přípustná velikost předpětí ve zdivu je otázka, zasluhující další podrobné zkoumání. Pokud se předpíná zdivo kolmo k ložným spárám, lze použít velikosti napětí ve vztahu pevnosti cihel a malty tak, jak nám to doporučují normy (ČSN, EC). Jedná se obvykle o soustředěné namáhání (pod kotevními deskami, deviátory), proto využijeme v normách navržených početních postupů. Jinak se ovšem chová zdivo, předpínané rovnoběžně s ložnou plochou staviva cihel, kvádrů. Z našich zkušeností, ověřených experimenty in situ plyne, že přípustná redukce tohoto napětí na 0,1 0,2 napětí ve směru kolmo ke spárám je dostatečně bezpečná [2]. Přitom belgické předpisy povolují až 30 % hodnoty přípustného svislého napětí zdiva [4]. Pokud jde o velikosti přepínacích sil, zásadně nelze souhlasit s jejich pouhým odhadnutím. U trhlinami oddělených částí budov se potřebné velikosti přepínacích sil vypočítají z rovnováhy sil; z charakteru a velikostí geometrických posunů se stanoví body otáčení částí konstrukce, ramena aktivních sil a ramena vzdorujících přepínacích sil. Při těchto výpočtech je nutné připustit celou řadu zjednodušení (pokud neodporují charakteru poruchy a jí vyvolaných pohybů částí konstrukce, tj. pozorovanému mechanismu porušení). Stanovení velikosti předpínacích sil je pak nutné korigovat podle toho, jak velké předpětí je schopno zdivo přenést, jak velké síly lze roznést kotevními oblastmi a také technologickými a konstrukčními možnostmi metody. Projektant musí posoudit i variantní uspořádání přepínacích kabelů, aby bylo možné s co největšími rezervami vyhovět uvedených požadavkům. Při vlastním předpínání by měl být projektant přítomen na místě samém. 4
6 Výběr z dosud provedených prací Při výběru typických staveb sanovaných předpětím bylo zvoleno dělení podle typu konstrukce. Uvedené zděné konstrukce byly autory statě projektovány a až na výjimky následně realizovány. Všechny zmíněné objekty byly zesíleny přepínacími obalovanými lany typu monostrend NPE Ls 15,5 mm. Lana byla ochráněna proti vnějším vlivům vložením do drážek se zapravením, do vrtaných kanálků s injektáží nebo byla zajištěna obetonováním. Základní způsoby předpínání jednotlivých typů zděných konstrukcí jsou uvedeny na vzorových schématech. Zděné klenby: Stáje pro anglické plnokrevníky, Moravské Knínice (podélné předepnutí zděných kleneb; viz Obr. 2 vpravo) Ztužující klenbové pásy, zámek Vyškov (podélné předepnutí nosného klenbového pásu) Sanace zámecké kolonády, Vyškov (svislé a vodorovné předpnutí kleneb včetně podpůrných sloupů; viz Obr. 3) Statické zajištění kostela, Habrovany (podélné a příčné předepnutí) Statické zajištění fary v Komořanech (podélné předepnutí kleneb) Obchodní dům, Vyškov (podélné předepnutí kleneb; viz Obr. 1 vlevo) Obr. 2 Podélné předepnutí ploché klenby (vlevo) a plochého klenbového pásu s malým středovým úhlem, cca do 120 (vpravo) Obr. 3 Vodorovné předepnutí kleneb velkým středovým úhlem včetně svislého předepnutí podpůrných sloupů a zdí 5
Sanace zděné konstrukce budovy horizontálním ztužením (v úrovni stropů a základů): Zámek Drnovice; školní zámek Mělník; radnice Vyškov; okresní archiv Lysovice (viz Obr. 4) Zesílení zděných základů s využitím předpětí: Radniční věž, Vyškov (předepnutá reverzní klenba s konzolami; viz Obr. 5 vpravo) Knihovna Vyškov (předepnuté reverzní základové klenby; viz Obr. 5 vlevo) Administrativní objekt Vyškov (reverzní základová klenba) Obr. 4 Obvyklé horizontální ztužení zděného objektu v úrovni stropů a základů s neobvyklým vystřídáním přepínacích lan při nepravidelném rozmístění okenních otvorů Obr. 5 Zesílení zděných základů žb. základovými klenbami a konzolami s aktivací a zmonolitněním předpětím Sanace svislých zděných konstrukcí: Jízdárna zámku Letovice (svislé předepnutí zdí podporujících obloukové skruže; viz Obr. 6 vlevo) 6
Administrativní budova radnice Vyškov (svislé předepnutí obvodové stěny historického objektu; viz Obr. 6 vpravo). Radniční věž ve Vyškově (stabilizace nakloněné a nestabilní věže), Obr. 7 Barokní zeď zámeckého parku ve Vyškově (radikální rozšíření základové spáry betonovými konzolami se zmonolitněním příčnými (horizontálními) i svislými předpínacími lany (Obr. 8) Obr.6 Svislé předepnutí zděných stěn zámecké jízdárny (vlevo) a svislé předepnutí obvodové stěny historického objektu (vpravo) vychýlení 0,35m Obr. 7 Věž radnice (stabilizace dosažena výrazným rozšířením základů a spojením s radničními budovami předpínacímmi lany) 7
Obr. 8 Stabilizace nakloněné barokní zdi zámecké zahrady (vlevo pohled na provizorně zajištěnou konstrukci proti zřícení; vpravo schéma stabilizace s vedením předpínacích lan - červeně) 7 Publikování provedených prací Publikace dosud provedených rekonstrukcí a výzkumů byly časté. Téměř na každé konferenci v ČR, zabývající se sanacemi staveb, jsme ve sbornících uveřejnili odbornou stať a často jsme vystupovali i s prezentací příspěvku [např. 1, 3, 6]. Také v zahraničí (Velké Británii, Německu, Itálii, Slovensku) byl zřetelný ohlas našich statí), na prestižní konferenci Structural and Faults Repair v Londýně v roce 2002 bylo statické zajištění věže radnice ve Vyškově pomocí předepnutí použito jako logo konference. Ústav betonových a zděných konstrukcí FAST VUT v Brně také pamatuje na odborné vzdělávání studentů posledních ročníků v této tematice. Autoři vypracovali česká i anglická skripta [2, 5], konzultují studenty doktorského studia, vedou i diplomové práce z této tématiky. 8
8 Závěr Výsledky zesilování konstrukcí předpínáním jsou dle našich zkušenosti veskrze kladné. Nelze ovšem popřít, že tyto rekonstrukce jsou obvykle dražší, než rekonstrukce bez použití lan. Přitom, sanace s lany jsou mnohem účinnější a bezpečnější. Řada staveb byla měřena před, během a po předpínání (dokonce je již řadu roků stále sledován tzv. pokusný objekt); výsledky byly průběžně uveřejňovány v odborném tisku. Přes tyto velmi povzbudivé výsledky je zapotřebí další výzkum. Bohužel jsou nutné finanční prostředky na jeho zajištění (který jsme dosud hradili z prostředků fakultních výzkumných úkolů, prostředků podniků i vlastních), nikdy jsme však nebyli podpoření grantovými prostředky, ač jsme navrhli poměrně kvalitní grantové projekty. Z těchto důvodů nepokračuje výzkum potřebným tempem. V současnosti provádíme zkoušky přetváření zděného stěnového pásu při předpínání a vyvíjíme metodiky objektivního stanovení přetvárných charakteristik historického zdiva. Literatura (výběr) [1] Bažant Z., Klusáček L.: Poznámky k sanacím cihelných kleneb. Sborník SSBK, VII. mezinárodní symposium "Sanace betonových konstrukcí", 5/1997, Brno [2] Bažant Z., Klusáček L.: Statika při rekonstrukcích objektů. 2. vydání, CERM Brno, 4/2004 [3] Bažant Z., Klusáček L.: Zkušenosti s předpínáním cihelných kleneb. Sborník z 21. Konference "Sanace a rekonstrukce staveb 99", 6/1999, Praha [4] Pume D., Košatka P.: Zděné konstrukce. Navrhování dle EC 6. ČVUT Praha 1998 [5] Kolektiv: Sborník stavebně-statických statí k otevření objektu Hopiánovo. ÚBaZK FAST VUT v Brně, 2/2005 [6] Klusáček L., Bažant Z.: Stabilizace nosných stěn svislým předpětím. Sborník z 3. konference Zděné a smíšené konstrukce 2004, Brno 10/2002 Doc. Ing. Zdeněk Bažant, CSc. Doc. Ing. Ladislav Klusáček, CSc. VUT FAST Brno, ÚBaZK, VUT FAST Brno, ÚBaZK, Veveří 95, 602 00 Brno Veveří 95, 602 00 Brno 541 147 862 541 147 854 bazant.z@fce.vutbr.cz klusacek.l@fce.vutbr.cz 9