ČSN ISO 13822 73 0038 Hodnocení existujících konstrukcí ČKAIT Brno, 13.9.2012 Vocational Training in Assessment of Existing Structures CZ/11/LLP-LdV/TOI/134005 Milan Holický Kloknerův ústav ČVUT Úvod Charakteristika normy Obecná hlediska a požadavky Základní část normy Mezinárodní přílohy Národní přílohy Příklady Příručka pro hodnocení existujících konstrukcí, 2007 <www.konstrukce.cvut.cz> 1
Úvod 6 1 Rozsah Obsah mezinárodní 6 2 Normativní odkazy 6 3 Termíny a definice normy ISO 13822 7 4 Obecný systém hodnocení 8 5 Údaje pro hodnocení 11 6 Analýza konstrukce 13 7 Ověřování 13 8 Hodnocení na základě dřívější uspokojivé způsobilosti 14 9 Opatření 15 10 Zpráva 15 11 Posudek a rozhodnutí 15 Příloha A (informativní) Hierarchie termínů 17 Příloha B (informativní) Vývojový diagram postupu hodnocení konstrukcí 18 Příloha C (informativní) Aktualizace měřených veličin 19 Příloha D (informativní) Zkoušení statických a dynamických vlastností 23 Příloha E (informativní) Hodnocení časově závislé spolehlivosti 25 Příloha F (informativní) Směrná úroveň spolehlivosti 30 Příloha G (informativní) Struktura zprávy 32 Příloha H (informativní) Návrh modernizace 34 Příloha I (informativní) Historické stavby 362
Národní přílohy Zahrnují materiálově zaměřené ustanovení ČSN 73 0038 NA Obecné zásady hodnocení existujících konstrukcí NB Zkoušky konstrukcí a materiálů NC Betonové konstrukce ND Obecné zásady hodnocení existujících ocelových, litinových a spřažených ocelobetonových konstrukcí NE Obecné zásady hodnocení existujících dřevěných a spřažených dřevobetonových konstrukcí NF Zděné konstrukce 3
Charakteristika Normy ISO 13822 Norma ISO 13822 uvádí - obecná ustanovení pro hodnocení existujících konstrukcí, - obecné zásady pro stanovení základních veličin, - pokyny pro analýzu konstrukcí a ověřování spolehlivosti, Základní nedostatky - chybí operativní postupy pro základní se materiály, - informativní přílohy (C, E, F) jsou obtížně použitelné. Národní přílohy mají umožnit praktické aplikace ISO 13822 při hodnocení existujících konstrukcí v ČR. Podkladové materiály: ČSN, EN, ISO, JCSS, národní normy 4
Důvody pro hodnocení existujících konstrukcí Očekávaná změna v užívání nebo požadované prodloužení životnosti Ověření spolehlivosti požadované úřady, vlastníkem, pojišťovnami (např. s ohledem na zvýšené zatížení dopravou) Degradace konstrukce v důsledku dlouhodobého působení zatížení (např. koroze, únava) Poškození konstrukce od mimořádných zatížení, např. požárem, výbuchem, nárazem, povodní 5
Odlišnosti hodnocení existujících konstrukcí Hodnocení existující konstrukce musí přihlížet ke skutečnému stavu konstrukce k předchozímu působení zatížení degradaci materiálu změnám konstrukce Náklady na zvýšení spolehlivosti u existující konstrukce jsou vyšší než u nové konstrukce Sociální hlediska (omezení, přemístění uživatelů) jsou významnější Hledisko udržitelnosti, snížení odpadů a recyklace materiálů jsou významnější 6
Obecná hlediska hodnocení konstrukcí Hledisko Existující konstrukce Nové konstrukce přírůstek nákladů přírůstek nákladů na zvýšení vedoucí ke zvýšení Ekonomické spolehlivosti je zpravidla spolehlivosti je vysoký zpravidla menší Sociální může být významné z důvodu omezení nebo vyloučení provozu a pro zachování kulturního dědictví zpravidla méně významné než u existujících konstrukcí Udržitelnosti do značné míry se využijí existující stavební materiály, sníží se stavební odpad zpravidla se použijí nové materiály 7
Požadavky a přínosy obnovy existujících staveb Stavby Požadavek Přínosy obnovy udržitelný rozvoj obnovené využívání existujících budov vměstech Běžné budovy úspory energií (topení, klimatizace) protipožární ochrana bezpečnost snižování energetických ztrát nové evakuační plány, zamezení šíření požáru, zlepšení protipožární odolnosti umožnění nového způsobu užívání, zvýšení odolnosti proti mimořádným a seizmickým zatížením použitelnost akustika zvýšení tuhosti, provozuschopnost, výtahy zlepšení akustických vlastností 8
Obecné zásady hodnocení Hodnocení se provede v souladu se současně platnými předpisy; dříve platné normy nebo předpisy se využijí pouze jako informativní podklady. Hodnocení musí vycházet ze skutečného stavu konstrukce, který je nutno ověřit průzkumem, při kterém se zjistí údaje o stavu stavby, vlastnostech materiálů a základové půdě, o poruchách a vadách konstrukce. 9
Obecný postup hodnocení, článek 4 - podrobněji v příloze B Stanovení účelu hodnocení Scénáře uvažovaných situací Předběžné hodnocení Podrobné hodnocení Výsledky hodnocení Opakování? 10
Údaje pro hodnocení, článek 5 Rozhoduje skutečný stav konstrukce Zatížení podle skutečnosti (vlastní tíha) a platných norem Skutečné vlastnosti materiálů, zkoušky Skutečné vlastnosti konstrukce, zkoušky Skutečné rozměry, měření Pokud jsou pochybnosti je nutný průzkum 11
Analýza konstrukce článek 6 Odpovídající výstižné modely Mezní stavy únosnosti a použitelnosti Základní veličiny dle skutečnosti Zatížení Materiálové vlastnosti Rozměry Modelové nejistoty Nejistoty o stavu prvků Modely degradace 12
Ověřování spolehlivosti, článek 7 Mezní stavy únosnosti a použitelnosti Kontrola věrohodnosti analýzy a skutečnosti Směrná spolehlivost je uvolněná, < 3,8 Hodnocení na základě dřívější uspokojivé způsobilosti, článek 8 Opatření, článek 9 Zpráva, článek 10 Posudek a rozhodnutí, článek 11 13
Hodnocení na základě dřívější uspokojivé způsobilosti, článek 8 Podle ČSN ISO 13822, čl. 4.6.6 se při ověřování může alternativně vycházet z dřívějšího uspokojivého chování konstrukce. Podrobnější pokyny, jak postupovat, jsou uvedeny v článku 8, kde jsou členěny na pokyny z hlediska hodnocení bezpečnosti, použitelnosti. 14
Opatření, článek 9, dodatek A Údržba Oprava Opatření Konstrukční Obnova Demolice Modernizace Údržba Provozní Monitorování Změna užívání 15
Zpráva a rozhodnutí, články 9 a10 Zpráva, článek 10 a dodatek G, doporučuje se systematicky sledovat podrobnou osnovu Posudek a rozhodnutí, článek 11 rozhodnutí o opatření, článek 9 případná změna využívání se zdůvodní ve zprávě 16
Příloha A: Terminologie a definice -Důležité termíny, doplnění některých českých výrazů. Hodnocení Průzkum Analýza konstrukce Vyhledání dokumentace Zkoušky Prohlídka Ověření spolehlivosti Opatření Konstrukční Údržba Obnova Demolice Oprava Modernizace Údržba Provozní Monitorování Změna užívání assessment = hodnocení (ne posuzování) characteristic value = charakteristická hodnota (ne normová) design value = návrhová hodnota (ne výpočtová) 17
Malý slovník hodnocení assessment referenční doba reference period poškození damage obnova rehabilitation degradace deterioration zbytková životnost remaining working life model degradace deterioration model oprava repair prohlídka inspection plán bezpečnostních opatření safety plan průzkum investigation funkční způsobilost konstrukce zatěžovací zkouška load testing směrná úroveň spolehlivosti údržba maintenance modernizace (rekonstrukce, přestavba) materiálové vlastnosti monitorování structural performance target reliability level upgrading material properties plán využití utilization plan monitoring 18
Požadavky/ potřeby Příloha B: Postup hodnocení Stanovení účelu hodnocení Scénáře působení konstrukce P ředběžné hodnocení Prověření dokumentace a dalších údajů P ředběžná prohlídka P ředběžné ověření Rozhodnutí o okamžitých opatřeních Doporučení pro podrobné hodnocení Ne Podrobné hodnocení? Ano Podrobné vyhledání a prověření dokumentace Podrobná prohlídka a zkoušky materiálů Stanovení zatížení Stanovení vlastností konstrukce Rozbor konstrukce O ěř í Další prohlídka? Ano Ne Zpráva o výsledcích hodnocení Pravidelné prohlídky Údržba Posudek a rozhodnutí Postačující polehlivost Ano Opatření Konstrukční -Obnova -Oprava -Demolice -Modernizace Provozní M onitorování Změna v užívání 19
Příloha C: Aktualizace základních veličin Aktualizace dostupných informací o základních veličinách (zatížení, materiálové vlastnosti) v informativní příloze C na základě nově naměřených dat. Možnost použití Bayesovských postupů, podrobnosti uvedeny v dokumentech ISO, v odborné literatuře, ve skriptech a v příručce. PF { I} P{ F I} P{} I 20
Aktualizace rozdělení pevnosti betonu Příklad zpracovaný programem EXCEL Bayesova věta: P( Bi) P( A Bi) P( Bi A) n P( B ) P( A B ) j j 1 Hustota pravděpodobnosti j A např. porucha konstrukce B i výskyt i-tého jevu 0,15 Aktualizované rozdělení LN(32,2;3,1) 0,10 Původní rozdělení LN(30;5) Věrohodnost LN(34;4) 0,05 0,00 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Pevnost betonu X [MPa] 21
Příloha E: Hodnocení časově závislé spolehlivosti X (t) b (t) 1 Odolnost 3 Porucha 2 Zatížení Čas, T Pevnostní charakteristiky se mění v čase pomalu 22
Degradace materiálu f R (r) f S (r) S 1 R S S 2 S 3 S n- S n Čas T Pevnostní charakteristiky se mění pomalu-zatížení a degradace únosnosti 23
Pevnostní charakteristiky se mění v čase rychle X (t) b (t) 1 Odolnost 2 Zatížení 3 Porucha Čas, T Namáhání na únavu 24
Příloha F: Index spolehlivosti β = 1 (P f ) Mezní stavy Směrný index spolehlivosti β Referenční doba použitelnosti vratné 0,0 plánovaná zbytková životnost nevratné 1,5 plánovaná zbytková životnost únavy kontrolovatelné 2,3 plánovaná zbytková životnost nekontrolovatelné 3,1 únosnosti plánovaná zbytková životnost velmi malý následek poruchy 2,3 L S v letech a) malý následek poruchy 3,1 L S v letech a) střední následek poruchy 3,8 L S v letech a) vysoký následek poruchy 4,3 L S v letech a) a) L S minimální obvyklá doba z hlediska bezpečnosti (např. 50 let) 25
Stanovení dílčích součinitelů Návrhová hodnota základní veličiny pro index spolehlivosti β Xi (x id ) = U ( i ) Odolnost R: γ R = R k /R d Normální rozdělení R k (V R )= R 1,645 R = R (1 1,645 V R ) R d (V R,β)= R R R = R 0,8 R = R (1 0,8 V R β) R (V R,β) = (1 1,645 V R ) / (1 0,8 V R β) 26
Dílčí součinitel odolnosti R Lognormální rozdělení R (V R, )= exp( 1,645 V R )/exp( R V R ) R 2 1,8 = 4,3 1,6 = 3,8 1,4 = 3,3 1,2 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 V R Dílčí součinitel odolnosti R v závislosti na variačním koeficientu V R 27
Dílčí součinitel pro stálého zatížení G (V G,β)= G d /G k = μ G (1+ 0,7 V G )/ μ G = (1+ 0,7 V G ) 2,5 G 2 1,5 V G = 0,20 0,15 0,10 0,05 1 0,5 0 1 2 3 4 5 Závislost dílčího součinitele γ G na indexu spolehlivosti za předpokladu normálního rozdělení G 28
Proměnné zatížení Q Gumbelovo rozdělení Charakteristická hodnota Q k = Q (1 V Q (0,45 + 0,78 ln( ln(0,98)))) Návrhová hodnota Q d = Q (1 V Q (0,45-0,78 T ln(n)+ 0,78 ln( ln( -1( E )))) Koeficient časové závislosti T V Qref / V Q 0,5 1,0 Dílčí součinitel γ Q (β,v Q,N, T )= (1 V Q (0,45 T 0,78ln(N)+0,78 ln( ln( -1 ( E )))) (1 V Q (0,45 + 0,78 ln( ln(0,98)))) 29
Charakteristická hodnota proměnných zatížení Q k a doba návratu T Referenční doba = 1 rok maxima Q max rozdělení Qmax (Q) Charakteristická hodnota Q k = Qmax -1 (P), P= 0,98 Relative Frequency 2.0 Density Plots (1 Graphs) - [gumbel] 1.5 1.0 0.5 Q k pro P=0.98 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Value of X Doba návratu T = /(1-P) = 1/0,02=50 let 30
Proměnné zatížení Q Gumbelovo γ Q (β,v Q,N, T )= rozdělení (1 V Q (0,45 T 0,78ln(N)+0,78 ln( ln( -1 ( E )))) (1 V Q (0,45 + 0,78 ln( ln(0,98)))) Q 1.8 V Q = 0,8 1.6 V Q = 0,5 V Q = 0,3 1.4 1.2 1 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Závislost dílčího součinitele γ Q na pro násobek refernční doby N= 10 a T =1.. 31
Dílčí součinitele v EN 1990 Proměnlivost zatížení Nejistoty modelu zatížení γ f γ Sd γ F Nejistoty modelu odolnosti Proměnlivost odolnosti γ Rd γ m γ M γ F =γ f γ Sd, γ M = γ m γ Rd γ Sd γ Rd 1,05 32
Příloha G: Doporučená struktura zprávy Titulní strana Jméno autora, firmy Souhrn Zpráva - rozsah hodnocení; - popis konstrukce; - vyšetřování; -- zkoumané dokumenty, -- předměty prohlídky, -- postupy odběru vzorků a postupy zkoušek, -- výsledky zkoušek; - analýza; -ověření; - analýza údajů; - posouzení možných variant opatření; - závěry a doporučení; - referenční dokumenty a literatura; -přílohy. 33
Příloha H: Návrh modernizace Důvody modernizace Metody modernizace Změna únosnosti Přidání prvků Změna okrajových podmínek Použití ochranných vrstev Návrh modernizace Plánování a řízení modernizace Další činitele (zdraví, bezpečnost, provoz, jakost) 34
Příloha I: Historické stavby Hodnocení historických staveb - památková hodnota - spolehlivost Památková hodnota historické stavby spočívá v autetičnosti a celistvosti jejich charakteristických prvků. Nepřiměřený způsob využívání stavby nebo hodnocení konstrukce může vést ke ztrátě autetičnosti nebo významu této památky. Konstrukční opatření mají být proto minimalizovány a nově použité materiály mají být kompatibilní s těmi původně použitými (po stránce odolnosti, trvanlivosti a vzhledu). 35
Národní přílohy NA: obecná příloha vysvětlení nebo doplnění vybraných pokynů z normy ISO 13822, M. Holický, J. Marková (KÚ) NB: pokyny pro zkoušení konstrukcí, V. Kučera (TZÚS) NC:betonové konstrukce (výztuž, beton), V. Hrdoušek, FSv ND: ocelové a spřažené konstrukce, M. Vašek, FSv NE: dřevěné a spřažené konstrukce, M. Vašek, FSv NF: zděné konstrukce, D. Pume (KÚ), K. Lorenz (FA) 36
Národní příloha NA 1. Terminologie a definice. Vysvětlení důležitých termínů a definic v návaznosti na zvyklosti v ČR, popřípadě doplnění některých českých výrazů 2. Obecný postup hodnocení konstrukcí. Porovnání se zásadami v české normě ČSN 730038 a doporučení pro praktické využití obecných zásad. 3. Zásady zpracování dostupných dat. Doplnění ustanovení ISO o operativní postupy odběru a zpracování dat pro zatížení, materiálové vlastnosti a rozměry 4. Analýza konstrukcí. Doplnění informací o metodách, které jsou běžné v ČR 5. Ověření spolehlivosti. Stručný popis základních postupů podle metody dílčích součinitelů apravděpodobnostních metod teorie spolehlivosti 6. Ověření spolehlivosti na základě předchozích zkušeností. Využití předchozích zkušeností s chováním konstrukcí je v normě ISO formulováno velmi obecně. 7. Formální úprava zprávy. Doplnění obecných zásad o požadavky a zvyklosti v návaznosti na platné předpisy v ČR. 37
Národní příloha NA 8. Aktualizace popisu základních veličin. Vysvětlení postupu aktualizace dostupných informací o základních veličinách (zatížení, materiálové vlastnosti) v informativní příloze C na základě nově naměřených dat 9. Zkoušení konstrukcí. Doplnění informativní přílohy D o postupy běžné v ČR 10. Hodnocení časově závislé spolehlivosti. Doplnění informací v příloze E o vlivu časově závislých veličin na spolehlivost konstrukcí 11. Směrné hodnoty spolehlivosti. Porovnání doporučených hodnot v Příloze F s hodnotami v Eurokodech, v ISO 2394 i v dokumentech ČR 12. Materiálové vlastnosti. Informace o metodice stanovení vlastností materiálů podle zásad Eurokódů asoučasné ČSN 73 0038 13. Zatížení. Informace o metodice stanovení zatížení podle zásad Eurokódů, ISO2394 a současně platných ČSN předpisů 38
Národní příloha NB - Druhy zkoušek - Zkoušky materiálů - Druhy zatěžovacích zkoušek - Příprava zatěžovacích zkoušek - Provádění zatěžovacích zkoušek - Odkaz na ČSN 73 2030 39
Materiálově zaměřené národní přílohy NC, ND, NE, NF Obecné zásady identifikace materiálů Vlastnosti materiálů z předchozích období Převodní součinitele Charakteristické hodnoty vlastností Konstrukční pokyny zesilování Citované platné normy - Eurokódy Při hodnocení existujících konstrukcí se používají platné normy pro navrhování konstrukcí. Dílčí součinitele pro jednotlivé materiály se uvažují podle platných norem pro navrhování. Pokud je k dispozici dostatečné množství experimentálních dat a apriorních informací, lze ve specifických případech provést úpravu dílčích součinitelů podle národní přílohy NA ČSN ISO 13822. 40
NC pro betonové konstrukce - NC.2 vlastnosti betonu - NC.3 vlastnosti betonářské výztuže - NC.4 vlastnosti přepínací výztuže - NC.5 zesilování existujících betonových konstrukcí Pro konstrukce s hlinitanovým cementem neplatí charakteristiky betonu uvedené v NC. Pevnostní třída betonu se stanoví na základě: - dokumentace skutečného provedení - vyhodnocení zkoušek betonu konstrukce Předpjaté konstrukce: Pro hodnocení konstrukce je třeba stanovit síly v předpínací výztuži. 41
NC označení a převody betonu Beton druh značka třída třída pevnostní třída ČSN 1090:1931 ČSN 1230:1937 ČSN 73 2001:1956 ČSN 73 6206: 1971 ČSN 73 1201:1967 ČSN 73 1201:1986 ČSN EN 206-1 a 60 1 (C3/3,5) b 80 B 5 (C4/5) c 105 0 B 7,5 (C6/7,5) d 135 I B 10 C 8/10 B 12,5 (C9/12,5) e 170 (C10/13,5) B 15 C 12/15 f 250 III B 20 C16/20 B 25 C 20/25 g 330 IV (C23/28) 42
NC - Vlastnosti výztužných ocelí v konstrukcích navržených v období 1920 až 1965 Druh výztuže Návrhová hodnota pevnosti oceli pro betony pevnostní třídy C12/15 a vyšší tah tlak Vlastnosti výztužných ocelí 1) [MPa] Charakteristická hodnota oceli mez kluzu, 3) (mez 0,2) mez pevnosti Svařitelnost Cc, C 34 180 180 min. 340 - Cb 180 180 min. 350 - C37, C38 180 180 min. 370 - C52 2) 250 4) 250 min. 340 min. 520-10002 180 180 210 320 až 500-10370 180 180 210 370 až 450 dobrá 10372 190 190 230 370 až 450 dobrá 10452 230 230 270 - obtížná 10472 (Isteg) 320 0 360 min. 400 nesvařitelná 10492 (Toros) 340 340 400 min. 440 nesvařitelná 10512 (Roxor) 340 340 400 min. 500 dobrá 43
NC - Zesilování betonových konstrukcí Konstrukce se musí ověřit v rozhodujících průřezech ve všech mezních stavech na kombinace zatížení podle platných norem. Při posouzení je třeba provést časovou analýzu konstrukce, ve které bude uvážena historie zatěžování a stáří jednotlivých částí. Při navrhování zesilování betonové konstrukce se musí účinně zajistit statické spolupůsobení zesilujících prvků s existující konstrukcí, přičemž je třeba přihlédnout k rozdílným fyzikálním vlastnostem zesilujících a zesilovaných částí. Při hodnocení zesilované konstrukce je třeba přihlédnout k požadavkům na trvanlivost 44
Příloha ND. Ocelové, litinové a spřažené ocelobetonové konstrukce Stanoví se aktuální vlastnosti existujících materiálů pro ocelové, litinové a spřažené ocelobetonové konstrukce. Důležité je určit míru koroze jednotlivých částí konstrukce včetně spojovacích prostředků Hodnoty vlastností materiálu z původní dokumentace se musí ověřit na nezkorodované části konstrukce alespoň tvrdoměrnými zkouškami. Materiálové zkoušky se doporučuje provést akreditovanou zkušební laboratoří. Návrhová pevnost oceli pro dovolené namáhání materiálu adm : f d = adm M adm dovolené namáhání materiálu M dílčí součinitel materiálu 45
Příloha NF. Zděné konstrukce Charakteristická pevnost zdiva v tlaku se stanoví f k K f b f m Dílčí součinitel zdiva se určí m = m1 m2 m3 m4 m1 - základní hodnota dílčího součinitele spolehlivosti m2 vliv pravidelnosti vazby m3 vliv vlhkosti m4 vliv trhlin 46
Doplňující předpisy Operativní postupy odběru a zpracování dat pro zatížení, materiálové vlastnosti a rozměry. - ČSN 73 62 03 - EN 1990 (příloha D) -další předpisy ČSN, ISO Pravděpodobnostní metody (ISO 2394, EN 1990) Doporučení pro stanovení pravděpodobnostních modelů (JCSS) Literatura, skripta a publikace (Holický, Marková: Spolehlivost..) Příručka pro hodnocení existujících k. <www.konstrukce.cvut.cz>. 47
Ověření nevychází, co teď? postupně uvažovat a zpřesňovat 1. Odolnost - zkoušky materiálů, ISO, EN 1990 2. Zatížení stálá a klimatická - měření, data od ČHMÚ 3. Směrnou úroveň spolehlivosti - index, ISO, EN 4. Dílčí součinitele - ISO, EN 5. Metodiku ověření - předchozí působení, pravděpodobnostní postupy, ISO, JCSS 6. Intervenci konstrukční - zesílení 7. Intervenci provozní - změna užití 48
Závěry Charakteristické znaky ČSN ISO 13822 Vyšší teoretická úroveň Návaznost na nové předpisy Ověřování metodou dílčích součinitelů Alternativní pravděpodobnostní postup Nové názvosloví Doporučená struktura zpráv Národní přílohy umožňují operativní použití 49
Většina poruch souvisí s překročením mezních stavů použitelnosti Děkuji za Vaši pozornost 50