PROJEKTOVÁNÍ PŮDNÍCH VESTAVEB Z HLEDISKA STATIKY THE DESIGN OF THE BULDING IN THE ATTICS FROM THE STATICAL VIEWPOINT Abstract Jaroslav Solař 1 In design process of lookums must be required at the first point of static behaviour. This means the static verification of the floor structure, vertical supporting structures, foundation and supporting roof structure. The article refers about strengthening possibilities of the floor structures with insufficient supporting capacity. 1. Úvod Při projektování půdních vestaveb je nutno vždy v první řadě zohlednit hledisko statiky. To konkrétně znamená: a) Posoudit únosnost stávající stropní konstrukce. b) Posoudit únosnost stávajících svislých nosných konstrukcí. c) Posoudit únosnost stávajících základů. d) Posoudit únosnost stávající nosné konstrukce střechy. S ohledem na velký rozsah dané problematiky bude v rámci tohoto příspěvku pojednáno pouze o problematice stropních konstrukcí. 2. Stropní konstrukce Pokud hovoříme o půdní vestavbě, pak stávající nosné konstrukce půdních stropů bývají zpravidla dimenzovány na hodnotu užitného zatížení odpovídající tomuto účelu využití. Podle současně platné ČSN 73 0035 [1] je normová hodnota užitného zatížení stropů pro půdy qn = 0,75 kn.m -2 (viz tab. 3 ČSN 73 0035 [1]), výpočtová hodnota pak qf = qn x γf = 0,75 x 1,4 = 1,05 kn.m -2, kde γf je součinitel zatížení (viz tab. 4 ČSN 73 0035 [1]). Porovnáme-li hodnoty normového užitného zatížení stropů uvedené v tab. 3 ČSN 73 0035 [1] pro půdy a hodnoty normového užitného zatížení stropů pro jiné účely využití místností (např. byty qn = 1,5 kn.m -2 ; pokoje a kancelářské místnosti qn = 2,0 kn.m -2, atd.) můžeme vidět, že hodnota normového užitného zatížení stropů pro půdy je dvojnásobně i vícekrát menší než hodnoty normových užitných zatížení stropů pro místnosti s jinými způsoby využití. Totéž platí, samozřejmě, pro hodnoty výpočtových zatížení. Bude-li stávající půdní prostor následně využíván k jinému účelu (např. byt, kancelář, hotelové pokoje, atd.), dojde vždy k výraznému (dvoj a vícenásobnému) zvýšení užitného zatížení stávajícího půdního stropu. Z tohoto důvodu je v mnoha případech plánovaných půdních vestaveb skutečností, že stávající stropní konstrukce je pro nový účel užívání ze statického hlediska, pokud nebyla výrazně předimenzována, nevyhovující. To je možno řešit v zásadě dvěma způsoby, a to: 1 Jaroslav Solař, Doc., Ing., Ph.D., VŠB-TU Ostrava, Fakulta stavební, Katedra pozemního stavitelství, Ludvíka Podestě 1875, 708 00 Ostrava-Poruba, tel.: 59 732 1301, E-mail: jaroslav.solar@ vsb.cz
1. Vybouráním původního stropu a jeho nahrazení novým stropem s požadovanou únosností. To však je záležitost zpravidla technicky náročná, pracná a finančně nákladná. Přichází v úvahu jen tehdy, pokud je stávající strop v havarijním stavu, nebo je výrazně poškozen (např. biologickými škůdci, apod.). 2. Zesílením původního stropu na požadovanou únosnost. Níže uvedenými způsoby je možno uspořit zpravidla značné finanční náklady, které by bylo nutno vynaložit na provedení stropů nových. Zanedbatelné není ani zachování stávajícího podhledu a skutečnost, že nedojde k zásahu do místností situovaných pod zesilovanými stropy. Návrh zesílení se provede na základě důkladného průzkumu stávajícího stropu, při kterém je nutno zjistit: a) Jak je strop konstrukčně a materiálově tvořen. b) Jak staticky působí. c) Jeho stav (např. u dřevěných prvků zda není napaden biologickými škůdci, event. druh a rozsah tohoto napadení; u ocelových prvků případná koroze, atd.). Podle konkrétního případu je třeba provést také příslušný počet sond, kterými se určí složení a tloušťky jednotlivých vrstev stropní konstrukce, jejich mechanický stav, vlhkostní stav (hmotnostní vlhkost), atd. Je vhodné využít také endoskopie (např. u dřevěných trámových stropů, apod.). Vždy je třeba také pátrat po původní dokumentaci objektu (u investora, v archívech, apod.). Teprve na základě takto provedeného průzkumu stávajícího stropu je možno korektně stanovit jeho únosnost a posléze odborně navrhnout způsob jeho zesílení. Návrh zesílení stropu musí být doložen statickým výpočtem. Pokud jde o způsoby zesílení stávajících stropů, existuje zde řada možností. Uvedeme zde několik příkladů pro: a) Dřevěné stropy. b) Stropy s ocelovými válcovanými profily I. c) Železobetonové stropy. 2.1 Možnosti zesílení dřevěných stropů Zde můžeme provést: a) Změnu statického systému. b) Vložení nové stropnice. c) Spřažení původního stropu s doplňkovou konstrukcí. d) Provedení nového stropu v úrovni vazných trámů krovu. e) Příložkování. a) Změna statického systému Jedna z možností provedení změny statického systému je znázorněna na obr. 1. Stávající dřevěný trámový strop je zatěžován rovnoměrným spojitým zatížením o intenzitě q f, pův.. Tato hodnota zatížení vyvozuje na stropním trámu, uprostřed jeho rozpětí, maximální ohybový moment o hodnotě M max, pův., který je nižší než moment na mezi únosnosti trámu M u. Změníme-li však účel užívání místnosti situované na předmětném stropě, zvýšíme hodnotu užitného zatížení a tím i celkovou (normovou, resp. výpočtovou) hodnotu rovnoměrného zatížení na trám q f, nové., které na stropním trámu zvýší hodnotu maximálního ohybového momentu M max,nové, tak, že bude vyšší než hodnota momentu na mezi únosnosti M u. Problém je možno řešit následující konstrukční úpravou, kdy při zachování nové, vyšší hodnoty rovnoměrného zatížení na strop q f, nové, změníme způsob zatížení stávajícího trámu, čímž dosáhneme také změnu v průběhu ohybových momentů na tomto trámu a zároveň snížení jejich maximálních hodnot pod hodnotu momentu na mezi únosnosti M u. To v důsledku toho, že původní parabola 2 se změní v podstatě na téměř lineární průběh
(nepatrně ovlivňovaný zatížením od vlastní tíhy stropního trámu a záklopu q vl.t. ) s téměř konstantním průběhem ve střední části mezi osamělými břemeny. Polohu dřevěných hranolů, tedy osamělých břemen, je nutno zvolit citlivým způsobem tak, aby hodnota maximálního momentu M max, nové na stávajícím stropním trámu nebyla zbytečně nízká, k čemuž dojde, pokud umístíme osamělá břemena v blízké vzdálenosti od podpěr. To proto, že by pak vzniklo zbytečně velké rozpětí u horního nosníku (dřevěný trám, ocelový válcovaný profil I), což by mělo za následek zbytečně vysokou hodnotu ohybového momentu. To by pak vyžadovalo zbytečně velkou dimenzi horního nosníku, která by byla neekonomická. Výhodou tohoto způsobu je jednoduché provedení, bez zásahu do stávajícího záklopu a konstrukce stropu, suchý proces. q f,nové F F q f,pův q f,vl. t. M > max,pův M U < M max,nové M max,nové M max,nové Obr.1 Princip řešení změny statického systému, který má za následek změnu průběhu ohybových momentů na dřevěném stropním trámu b) Vložení nové stropnice Mezi stávající stropní trámy se vloží nový nosník (dřevěný trám, nebo ocelový válcovaný profil I). V případě vložení dřevěného trámu je ze statického hlediska reálná dvojí možnost, a to: 1. Stávající i nové stropní trámy budou nosnými prvky zesíleného stropu (viz obr. 2). 2. Stávající stropní trámy nebudou nosnými prvky zesíleného stropu. Ponesou pouze stávající podhled, který zůstane zachován. Nosnými prvky nového stropu s vyšší únosností budou pouze trámy nové (viz obr. 3). V případě vložení ocelového válcovaného profilu I (viz obr. 4) stávající dřevěné stropní trámy rovněž nebudou nosnými prvky nového zesíleného stropu. Také ponesou pouze stávající podhled, který zůstane zachován. Nosná konstrukce nové podlahy se pak vytvoří například pomocí ocelových trapézových plechů, na které se pak uloží vrstva betonu, na níž se pak provedou další vrstvy podlahy. Vhodnou dimenzí ocelových trapézových plechů je pak možno dosáhnout toho, že novou stropnici nebude třeba vkládat do každého trámového pole, ale po větších, vhodně zvolených, vzdálenostech. NOVÁ KONSTRUKCE PODLAHY M U M max,nové Obr.2 Vložení nového stropního trámu. Stávající i nové trámy jsou nosnými prvky zesíleného stropu.
NOVÁ KONSTRUKCE PODLAHY Obr.3 Vložení nového stropního trámu. Stávající trámy nejsou nosnými prvky zesíleného stropu. NOVÁ KONSTRUKCE PODLAHY NOVÝ STROPNÍ NOSNÍK Obr.4 Vložení ocelového válcovaného profilu I c) Spřažení původního stropu s doplňkovou konstrukcí Používá se v posledních 30 až 40 letech při rekonstrukcích dřevěných stropů. Nedostatečně dimenzovaný (popř. i poškozený) strop se spřáhne s betonovou deskou (viz obr. 4 a 5), nebo s další vrstvou z fošen či prken (viz obr. 6). Z důvodu správné funkce zesíleného stropu je nutno vždy zajistit řádné spolupůsobení původního stropu se zesilující konstrukcí. Spřažení stávajícího dřevěného stropu s další vrstvou prken, fošen, nebo vrstvou betonu se provede pomocí vrutů, hřebíků či jiných spřahovacích prostředků. Pokud jde o nadbetonování, nevýhodou zde může být velká hmotnost betonové desky. Je však možno použít lehkých betonů. Návrh spřažení, stejně jako každý jiný způsob rekonstrukce či zesílení stropní konstrukce musí být doložen statickým výpočtem. A to nejen jeho definitivní fáze v rámci spolupůsobení dřeva a betonu po jeho zatvrdnutí, ale i montážní fáze, kdy čerstvě položený beton, který ještě nespolupůsobí, stávající stropní konstrukci pouze zatěžuje. V případě, že stávající dřevěný strop nebude schopen přenést hmotnost čerstvého betonu, bude nutno jej dočasně, po dobu tvrdnutí betonu, podepřít. Správná funkce takto zesíleného stropu (jeho zvýšená únosnost a minimální průhyb) závisí na dobrém vzájemném spolupůsobení původního dřevěného stropu a zesilujícího betonu. To je ovlivněno smykovou pevností a tuhostí spojů mezi původní konstrukcí a nadbetonováním hřebíků, vrutů, ocelových desek s prolisovanými trny, vrutů se dvěma hlavami, resp. jiných spřahovacích prostředků, apod. O problematice statického posouzení takto zpraženého stropu je podrobně pojednáno např. v lit. [5] a [6]. Návrh spřažení, resp. celé skladby budoucího takto zesíleného stropu je nutno řádně posoudit nejen z hlediska statiky, ale také z hlediska tepelné techniky. Je třeba posoudit kondenzaci vodní páry uvnitř stropní konstrukce podle kap. 6 ČSN 73 0540 2 [2], resp. možnost ohrožení funkce dřevěného záklopu a dalších dřevěných prvků. To proto, aby nemohlo v budoucnu, v rámci užívání stropu, dojít k napadení dřevěných prvků dřevokaznými biologickými škůdci. Posouzení se provede podle ČSN 73 0540 2 [2], vhodným výpočetním programem (např. TEPLO 2002 [3]). Z tohoto hlediska je však nutné posoudit nově navrženou stropní konstrukci nejen v její ploše, ale také v kritických místech (vodorovné kouty u obvodové zdi pod stropem a nad podlahou, uložení stropních trámů, apod.). Posouzení ve zmíněných kritických místech je třeba provést proto, že průběh teplot na povrchu i uvnitř konstrukce zde bývá odlišný od průběhu teplot v ploše stropu. Posouzení povrchové kondenzace se provede podle zásad uvedených v kap. 5. 1 ČSN 73 0540 2 [2]. Průběh teplot (resp. vlhkostí) v příslušných konstrukcích se vyšetří pomocí dvourozměrného vedení tepla (resp. vlhkosti) řešením teplotních (resp. vlhkostních) polí vhodným výpočetním programem (např. AREA 2002 [4]). Pokud jde o vnitřní kondenzaci v kritických
místech řešení roční bilance kondenzace vodní páry při dvourozměrném vedení tepla není žádným normativním předpisem či jinou metodikou upraveno. Je však rovněž možno použít výstupů např. z programu AREA 2002 [4]. Pro betonáž je vhodná použít betonovou směs suchou o hodnotě vodního součinitele w < 0,5. Realizace spřažení stávajícího dřevěného stropu s betonovou deskou je mokrý proces. Z tohoto důvodu je nutno dbát, aby nedošlo k nadměrnému promáčení záklopu, případně dalších prvků stropu Povrch záklopu však není třeba chránit před vlhkým betonem. To proto, že jeho zatížení vlhkostí ze záměsové vody je krátkodobé, voda nepronikne do hloubky dřeva větší než 2 mm (v závislosti na konzistenci betonové směsi a na struktuře povrchu dřeva). Předmětná vlhkost se pak navíc zpětně spotřebuje při hydrataci betonu. Před uzavřením betonové vrstvy další vrstvou podlahy musí být tato být suchá, resp. vykazovat pouze rovnovážnou vlhkost. PROSTÝ BETON PŮVODNÍ ZÁKLOP KOTVÍCÍ PROSTŘEDKY Obr. 4 Spřažení dřevěného trámového stropu s betonovou deskou PROSTÝ BETON POVALY KOTVÍCÍ PROSTŘEDKY Obr. 5 Spřažení dřevěného povalového stropu s betonovou deskou VRUT PRKNA ČI FOŠNY PŮVODNÍ ZÁKLOP Obr. 6 Spřažení dřevěného trámového stropu s vrstvou prken nebo fošen d) Provedení nového stropu v úrovni vazných trámů krovu Při projektován í půdních vestaveb často vyvstává problém situování vazných trámů stávajícího krovu, které půdorysně i výškově překážejí (např. při situování dveří) při řešení nové dispozice půdní vestavby. Tento problém je možno vyřešit novou stropní konstrukcí, jejíž hlavní nosníky (např. ocelové válcované profily I) se uloží na nosné stěny a to v úrovni pod vaznými trámy. Na zmíněné nosníky se pak z důvodu překlenutí výškového rozdílu kolmo položí další nosníky (dřevěné trámy, hranoly, ocelové válcované profily I, atd.), a to
v jedné, dvou či více vrstvách tak, aby horní úroveň nášlapné vrstvy nové podlahy byla umístěna nad úrovní vazných trámů. Tedy tak, aby vazné trámy půdorysně ani výškově již nepřekážely a aby nášlapná vrstva mohla být provedena spojitě (viz obr. 7). Tento způsob sice neřeší problematiku stávajících krovových sloupků, šikmých vzpěr či kleštin, avšak vyřešení výše uvedených problémů s vaznými trámy může být zásadní v otázce, zde je možno z dispozičních důvodů vestavbu vůbec provést. Navíc se nový strop navrhne na požadovanou únosnost, kterou stávající strop zpravidla nemá (viz výše kap. 1. 1). Podmínkou je zde dostatečná světlá výška půdního prostoru, nebo její dodatečné zvětšení (viz níže, kap. 3). NOSNÁ STĚNA VAZNÝ TRÁM VAZNÝ TRÁM NOSNÁ STĚNA A A A A A-Á STÁVAJÍCÍ VAZNÝ TRÁM ZÁKLOP (DŘEVOTŘÍSKA) STÁVAJÍCÍ KONSTRUKCE STROPU Obr. 7 Nový strop v úrovni vazného trámu krovu
e) Zesílení příložkováním Jedná se zesílení stávajících stropních trámů pomocí příložek, které mohou být dřevěné (např. prkna, fošny, hranoly, atd. viz obr. 8), nebo ocelové (např. pásová ocel, ocelové válcované profily [, L, atd. viz obr. 9). Zde je nutno vždy zajistit žádné spolupůsobení zesilovaného prvku a příložek. Příložky se připevňují například pomocí svorníků, hřebíků, vrutů, apod. K zesilovanému prvku je možno připevnit příložky, teoreticky, z kterékoliv strany (zespodu, shora, z jedné či obou bočních stran). Pokud je však na stropě proveden podhled, bude provedení příložky zespodu nemožné. Provedení bočních příložek z ocelových válcovaných profilů bude v tomto případě zpravidla rovněž velmi obtížné (velká hmotnost příložek, nutnost otevření záklopu, bezpečnost práce, fixace příložek při realizaci, atd.). Použití příložek je naopak velmi vhodné k místním opravám zhlaví dřevěných trámů, které je napadeno biologickým škůdcem (např. hnilobou, apod.). V těchto případech se po podepření příslušného trámu jeho napadené zhlaví odřeže do vzdálenosti alespoň 500 mm do zdravého dřeva a nahradí se ocelovými příložkami připevněnými po obou stranách, které po uložení na zeď vytvářejí konzolu. Výhodou je velká únosnost a nemožnost napadení biologickými škůdci. Problematika zesilování dřevěných trámů pomocí příložek či jejich kotvení do ocelových konzol je podrobně popsána např. v lit. [6] a [7]. HŘEBÍKY Obr. 8 Příklad zesílení stropního trámu pomocí dřevěných příložek SVORNÍK Obr. 9 Příklad zesílení stropního trámu pomocí ocelových příložek 2.2 Možnosti zesílení stropů s ocelovými válcovanými profily I Typů stropních konstrukcí, u kterých je použito jako hlavních nosníků ocelových válcovaných profilů I může být celá řada (např. stropy z cihelných desek Hurdis, stropy z monolitického betonu vybetonovaného mezi I profily, z cihelných kleneb vyzděných mezi I profily, atd.). Pokud mají vedlejší nosné prvky (např. zmíněný beton, cihelné klenby či desky Hurdis) dostatečnou únosnost z hlediska budoucího zatížení, pak je možno zesílit ocelový profil I přivařením dalšího ocelového prvku (např. typu [) k horní přírubě naležato viz obr. 10. V případě nedostatečné únosnosti vedlejších nosných prvků se na zesílený I profil provede nová nosná konstrukce (např. z ocelových trapézových plechů, železobetonová deska, apod.) viz obr. 11. Další možností je zde spřažení stávajících stropních nosníků (ocelových válcovaných profilů I) s dodatečně provedenou betonovou vrstvou (viz obr. 12) obdobně, jak je již popsáno výše v kap. 2. 1. O této problematice pojednává např. R. Čajka v lit. [10].
ZESILUJÍCÍ PRVEK NOVÁ KONSTRUKCE PODLAHY Obr. 10 Zesílení ocelového stropního nosníku přivařením dalšího prvku (profilu [ naležato) NOVÁ KONSTRUKCE PODLAHY OCEL. PROFILOVANÝ PLECH VZDUCHOVÁ MEZERA PŮVODNÍ STROP Obr. 11 Zesílení ocelového stropního nosníku přivařením dalšího prvku (profilu [ naležato) a provedení nové podlahy jejíž nosná konstrukce přenáší zatížení přímo do stropních nosníků NOVÁ PODLAHA BETON PŮVODNÍ CIHELNÁ KLENBA KOTVÍCÍ PROSTŘEDKY OCEL. SVAŘOVANÁ SÍŤ Obr. 12 Zesílení stropní konstrukce (cihelných kleneb osazených do ocelových válcovaných profilů I) spřažením s dodatečně provedenou betonovou deskou
2.3 Možnosti zesílení železobetonových sropů Zde je rovněž několik možností. Pokud se jedná o železobetonové desky (prosté, spojité u trámových a žebrových stropů, křížem vyztužené, apod.) je možno provést jejich zesílení například: Nadbetonováním (v místech kladných ohybových momentů), nadbetonováním s přidáním výztuže u záporných ohybových momentů, přibetonováním (torkretem) a přidáním výztuže na dolním povrchu, podepřením, atd. Železobetonové trámy je možno zesilovat například přibetonováním, vložením podpor, atd. S ohledem na skutečnost, že se jedná o velmi širokou problematiku, není v možnostech tohoto příspěvku pojednat o způsobech zesilováni železobetonových stropů komplexně. Podrobně o dané problematice pojednává např. T. Vaněk v lit [8] a J. Witzany v lit. [9]. 2.4 Provedení nové konstrukce podlahy Je možné také provedení nové, samostatné podlahové konstrukce s požadovanou únosností nad stávající, nedostatečně únosnou stropní konstrukcí. Například nové dřevěné konstrukce podlahy tak, jak je znázorněno na obr. 13. A KONSTRUKCE NOVÉ PODLAHY NOVÝ DŘEVĚNÝ TRÁM STÁVAJÍCÍ STROP NOVÁ NADEZDÍVKA A-Á A KONSTRUKCE NOVÉ PODLAHY NOVÝ DŘEVĚNÝ TRÁM STÁVAJÍCÍ STROP Obr. 13 Provedení nové konstrukce podlahy
3. Zvýšení světlé výšky půdního prostoru Některé z výše uvedených možností zvyšování únosností stávajících stropních konstrukcí v rámci projektování půdních vestaveb vyžadují nutnost určitého snížení světlé výšky stávajícího půdního prostoru. V případě, že je tato nedostatečná, existuje z koncepčního hlediska trojí možnost řešení, a to: 1. Podchycení stávajícího krovu, zkrácení krokví na patřičné délky, provedení nadezdívek obvodových (případně i vnitřních ) zdí do požadované úrovně, betonáž pozedních věnců a nová úprava krovu. 2. Provedení vikýřů v příslušných místech. 3. Zvednutí celé střechy na požadovanou výškovou úroveň. Podrobné pojednání o této problematice je uvedeno např. v lit. [11]. Literatura 1. ČSN 73 0035 Zatížení stavebních konstrukcí, 1986. 2. ČSN 73 0540 2 Tepelná ochrana budov. Část 2, listopad 2002. 3. SVOBODA, Z. TEPLO 2002 pro Windows. Výpočtový program pro PC. 4. SVOBODA, Z. AREA 2002 pro Windows. Výpočtový program pro PC. 5. Dřevěné konstrukce podle Eurokódu 5. STEP 2. Autorizovaný překlad z anglického vydání Timber Engineering STEP 2 Centrum Hout, The Nederlands, 1995. Vydání první. Informační centrum ČKAIT, 1995. 6. REINPRECHT, L., ŠTEFKO, J. Dřevěné stropy a krovy. Typy, poruchy, průzkumy a rekonstrukce. ABF Praha, 2000. 7. WITZANY, J Poruchy a rekonstrukce zděných budov. Česká komora autorizovaných inženýrů a techniků, 1999. 8. VANĚK, T. Rekonstrukce staveb. SNTL Praha, 1985. 9. WITZANY, J. Konstrukce pozemních staveb 60. Poruchy a rekonstrukce staveb 2. díl, Vydavatelství ČVUT. Praha, 1995. 10. ČAJKA, R. Spřažené ocelobetonové stropní konstrukce rekonstruovaných staveb. Sborník 23. konference Sanace a rekonstrukce staveb. Praha, 2001. 11. SOLAŘ, J. Zvedání střech za účelem vestavby dalšího podlaží. Střechy, fasády, izolace č. IV/2003.