Moderné trendy zosilnenia konštrukcií
Nielen pri viacročných stavbách sa vyskytuje požiadavka na dodatočné zosilnenie ich konštrukcií. S modernými trendmi zosilnenia stavebných konštrukcií a potrebou plánovať monitoring konštrukcií i možnosti ich budúceho zosilnenia sa preto stavbári stretávajú čím ďalej, tým častejšie už pri projektovej príprave.
- zmeny účelu objektu alebo jeho časti (obvykle spojené so zvýšením zaťaženia),
- degradácie konštrukcie pôsobením vplyvov prostredia (vnútorného i vonkajšieho; agresivita) a/alebo zanedbaním údržby, vplyvom nevhodných zásahov do konštrukcie,
- technických (konštrukčné chyby, chyby vyhotovenia),
- účinkov nepredvídaných zaťažení (teroristické útoky, technická seizmicita, seizmicita a i.).
Cieľom je riešiť problém zosilnenia nielen v požadovanej kvalite a rýchlo, ale aj ekonomicky a efektívne.
Zosilnenie
Vypracovaniu návrhu zosilnenia obvykle musí predchádzať (tab. 1):
- definícia požiadaviek na zosilnenú konštrukciu,
- zhromaždenie podkladov o konštrukcii,
- prehliadka a prieskum konštrukcie,
- analýza konštrukcie (riziková analýza),
- návrh variantov riešenia/zosilnenia,
- ekonomické zhodnotenie,
- voľba a projektové spracovanie vybraného variantu a vlastnej realizácie.
Tab. 1: Aplikačné oblasti FRP pri zosilňovaní konštrukcií
Na základe vykonanej rizikovej analýzy konštrukcie vzhľadom na jej aktuálny stav, požiadavky na jej zaťažiteľnosť a na odolnosť pri používaní klasifikujeme stavebné konštrukcie do nasledujúcich skupín:
- Konštrukcie s vysokým rizikom porušenia (kolapsu) – konštrukcie s vysokou pravdepodobnosťou významnej havárie, ktorá môže ohroziť ľudské životy, respektíve obmedziť využívanie konštrukcie, so závažnými dôsledkami pri vyradení konštrukcie z prevádzky. V tomto prípade treba urobiť zosilnenie čo najskôr.
- Konštrukcie s vysokým rizikom porušenia – konštrukcie majú nižšiu pravdepodobnosť poruchy, sú menej zraniteľné. Následky porušenia bývajú vysoké (ekonomické hľadisko, technické hľadisko), odklad zosilnenia má významné ekonomické dôsledky, lebo výrazne narastajú náklady, respektíve sa obmedzujú možnosti využívania konštrukcie. V tomto prípade sa o realizácii zosilnenia rozhoduje najmä na základe výsledkov ekonomických rozborov.
- Konštrukcie s nízkym rizikom porušenia – nízka pravdepodobnosť poruchy, dôsledky možnej poruchy nie sú zásadné ani z ekonomického, ani z technického hľadiska. Zosilnenie zvýši spoľahlivosť konštrukcie, ale jeho realizácia nie je okamžite nutná.
Metódy zosilnenia
Zosilnenie konštrukcie znamená realizovať technické opatrenia, vedúce k zvýšeniu nosnosti konštrukcie, zväčšeniu jej tuhosti alebo zvýšeniu odolnosti proti mimoriadnym zaťaženiam. Obvykle možno využiť:
- zväčšenie prierezu, ktoré zahŕňa i zvýšenie hmotnosti prvku, a zvyčajne aj zväčšenie pevnosti materiálov použitých v priereze,
- redukciu (zmenšenie) rozpätia, respektíve úpravu okrajových podmienok,
- úpravu styčných bodov, plôch.
Oprava alebo náhrada porušených objektov je väčšinou komplikovanejšia a náročnejšia ako zosilňovanie, respektíve dodatočné vystuženie konštrukcií, lebo:
- cena za odstránenie narušenej konštrukcie a za novú výstavbu je výrazne vyššia,
- cenné a historicky významné objekty treba chrániť a zachovať pre budúcnosť,
- je dobré udržiavať funkčné a kultúrne životné prostredie.
Obr. 1: Schéma postupu posúdenia konštrukcie pred zosilnením
Napríklad dodatočné seizmické zvýšenie odolnosti neporušeného nevyhovujúceho objektu je zhruba 2,5- až 3-krát drahšie ako opatrenia, ktoré by zaistili zodpovedajúcu seizmickú odolnosť objektu, realizované ešte počas jeho výstavby. Oprava a seizmické zvýšenie odolnosti narušeného objektu je zhruba 4- až 6-krát drahšie ako zosilnenie urobené pred narušením. Zjednodušene možno konštatovať, že z hľadiska akéhokoľvek namáhania možno zosilňovať v podstate všetky konštrukcie. Prehľad metód zosilňovania možno nájsť v [2, 3].
V poslednom čase sa na zosilňovanie využívajú hlavne FRP kompozitá: lamely, tkaniny, dodatočne vkladaná FRP výstuž. Vzhľadom na cenu a na modul pružnosti nekovových materiálov sa pri zosilňovaní často používajú:
- aramidové (AFRP) a sklenené (GFRP) materiály, najmä predpäté,
- uhlíkové (CFRP) materiály, predpäté i nepredpäté.
V tab. 1 je zdokumentované využitie FRP materiálov na zosilnenie. Uvedené sú hlavné aplikačné oblasti, typ výrobku a upozornenia na niektoré časté poruchy, respektíve na iné významné skutočnosti. Aj napriek tomu, že návrh zosilnenia býva pomerne komplexnou a veľmi komplikovanou záležitosťou, ktorej riešenie závisí od konkrétneho prípadu (stavu objektu, cieľu zosilnenia, predpokladanej dĺžke využívania zosilnenej konštrukcie − napríklad obr. 1), v poslednom čase možno v zahraničí aj v SR pozorovať snahu po vytvorení jednoduchých návodov, ktoré podstatne skvalitnia návrh zosilnenia a zároveň ho optimalizujú z cenového hľadiska. Taký príklad možno nájsť v prípade zosilňovania:
- murovaných stenových konštrukcií (tab. 2),
- klenbových murovaných mostov s jedným poľom (obr. 2).
Tab. 2: Porovnanie výhod a nevýhod systémov pri zosilňovaní murovaných stenových konštrukcií
Obr. 2: Vývojový diagram opravy a zosilnenia murovaného klenbového mosta s jedným poľom (rieši sa iba oprava vlastnej klenby)
Stavebné konštrukcie budúcnosti
Je zrejmé, že najmä pri investične náročných konštrukciách, respektíve pri konštrukciách, ktorých vyradenie z prevádzky (aj na krátky čas) môže mať fatálne dôsledky z hľadiska ekonomického, sociálneho, spoločenského i prestížneho, je veľmi dôležité plánovať a vykonávať údržbu, opravy, prípadne aj zosilnenie plánovite a v predstihu. Ide o to, aby sa zaistila vysoká spoľahlivosť objektu pri minimálnych nákladoch vložených do opráv a zosilnenia. Preto sa v poslednom čase už pri projektovej príprave výstavby, respektíve revitalizácie objektu venuje značná pozornosť zberu dát, umožňujúcich včas identifikovať podstatné zmeny pri správaní sa konštrukcie.
Pri monitorovaní konštrukcií sa dnes využívajú už nielen klasické metódy zberu dát, ale aj satelitné systémy (obr. 3). Aj novobudované mostné konštrukcie, ďalšie inžinierske konštrukcie (tunely, priehrady), respektíve konštrukcie jadrovej energetiky sa vybavujú monitorovacími systémami, umožňujúcich on-line sledovanie a zber údajov. Staršie, ale významné konštrukcie, ktorých vyradenie z prevádzky by mohlo spôsobiť veľké komplikácie, sa týmito systémami vybavujú dodatočne (obr. 4). Na kvalitný, spoľahlivý a rozsiahly on-line systém zberu dát nadväzuje počítačový expertný systém, slúžiaci na to, aby pre konkrétnu konštrukciu zo statického/dynamického hľadiska identifikoval významné odchýlky nameraných hodnôt od hodnôt očakávaných, respektíve hodnoty dokumentujúce starnutie materiálov konštrukcie, vypracoval o tom analýzu a správcovi/vlastníkovi objektu poskytol včasné varovanie.
Obr. 3: Monitorovacie systémy hlavných prvkov mostných konštrukcií (schéma)
Obr. 4: Schéma expertného systému pre tzv. real time posudzovania stavu konštrukcie (aktuálny stav i stavy umožňujúce prognózu starnutia konštrukcie)
Dokonca možno urobiť aj rizikové analýzy a simulácie následkov teroristických útokov, respektíve iných havarijných zaťažení konštrukcie. Na tieto expertné systémy už v zahraničí nadväzujú ekonomické algoritmy, ktoré dokážu poskytnúť podklady, na základe ktorých možno včas plánovať vyčlenenie financií na opravu, rekonštrukciu či zosilnenie.
Záver
Návrh moderných stavebných konštrukcií by mal obsahovať aj možnosť sledovania a vyhodnocovania stavu objektu počas jeho užívania. Takisto by sa malo naplánovať možné zosilnenie konštrukcie v budúcnosti, respektíve jej budúca modernizácia. Týmito systémami by sa mali dodatočne vybaviť významné, už existujúce konštrukcie.
Príspevok vznikol za podpory projektu MPO ČR FT-TA5/036 Manažment rizika, spoľahlivosti a životnosti železobetónových konštrukcií a projektu Ministerstva školstva, mládeže a telovýchovy Českej republiky MSM0021630519 Progressive, reliable and durable load bearing structures.
prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc.
Obrázky: archív autora
Autor pôsobí na Stavebnej fakulte VUT v Brne na Ústave betónových a murovaných konštrukcií.
Literatúra
1. Prezentace DOKA. Highrice. Exkurze Dubaj, ČBS 2008.
2. Štěpánek, P.: Methods and trends for strengthening of concrete and masonry structures. 4th CINPAR, Aveiro, Portugal, 06/2008.
3. Ward, S. P.: Retrofitting Existing Masonry Buildings to Resist Explosions. 2005.
4. http://www.masonrymagazine.com/2-05/retrofit.html
Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.
