Interakce železobetonové konstrukce s podložím

25. července 2013

Partneři sekce:

Článek pojednává o návrhu koncepce založení a statického řešení nosných konstrukcí dostavby areálu Ostravské univerzity v Ostravě – Hladnově. Suterén nové přístavby zasahuje téměř čtyři metry pod základovou spáru stávajících nepodsklepených objektů. Dále se v textu věnujeme podchycení původních základů zděné budovy univerzity, která bezprostředně přiléhá k nové dostavbě. Práce probíhají ve složitých základových poměrech tektonicky porušeného a nestabilního poddolovaného území Hladnovského kopce s výskytem tekutých písků.

Budovy Přírodovědecké fakulty Ostravské univerzity v Ostravě – Hladnově prošly v minulých letech řadou významných změn. Původní zděné objekty silně poškozené nespojitými důlními poklesy byly postupně odstraněny. Zachována byla pouze robustní a nejméně poškozená železobetonová konstrukce budovy posluchárny a přiléhající obytný dům. Zdroj poškození stávajících zděných objektů pocházel ze zjištěných tektonických poruch aktivovaných důlní činností. Projekční návrh i vlastní provádění nových objektů tak bylo komplikováno složitými základovými poměry tektonicky porušeného a nestabilního poddolovaného území Hladnovského kopce s výskytem tekutých písků. Bylo nutno navrhnout koncepci nosné konstrukce a provést statické řešení železobetonového skeletu v interakci s podložím se zadanými parametry poddolování.
Nejdůležitějším prvkem řešení nových objektů bylo jejich členění do jednotlivých dilatačních celků s minimálními půdorysnými rozměry a jednoduchými obdélníkovými tvary. Základové konstrukce a podzemní podlaží byly navrženy jako tuhé železobetonové krabicové systémy s využitím reologických kluzných spár. Kluzné spáry tak mohou výrazně snížit třecí síly v základové spáře a eliminovat vnitřní síly vnášené do základové konstrukce. Rovněž byly využity předsazené železobetonové konstrukce (tzv. anglické dvorky) ke snížení zemního tlaku na konstrukci.

Železobetonová konstrukce budovy
Druhá etapa výstavby z roku 2011 navazuje na první etapu, která byla realizována v roce 2002. V úvodu popsané konstrukční zásady byly využity pro všechny objekty postupné výstavby budov Ostravské univerzity na Hladnově. Nosná konstrukce nového objektu je v nadzemní části navržena jako pětipodlažní železobetonová skeletová konstrukce s lokálně podporovanými stropními deskami a okrajovými ztužujícími žebry (obr. 3). S ohledem na dosažení požadované tuhosti pro přenesení účinků poddolování a případných projevů tektonického zlomu jsou základové konstrukce jednotlivých dilatačních celků navrženy jako uzavřené deskostěnové konstrukce se základovou deskou vyztuženou obráceným roštem. Tím je dosažena rovinná základová spára pro aplikaci kluzných spár za současného ztužení základové desky pomocí žeber. Členění objektu na dilatační celky je navrženo tak, aby byla zajištěna jejich nezávislá deformace v případě aktivace starých tektonických poruch. Nový objekt bylo nutno navrhnout s ohledem na hloubku založení a výškové úrovně podlaží přilehlých budov. Suterén nové přístavby zasahuje téměř čtyři metry pod základovou spáru přilehlé stávající zděné budovy posluchárny a obytného domu. Tyto objekty bylo nutno zajistit pomocí mikropilotové podzemní stěny kotvené předpínacími lany a stříkaného betonu (obr. 3). Obdobná metoda zajištění byla použita i v předchozí etapě (obr. 1).


Obr. 1 Základová jáma dostavby s podkladním betonem a kluznou spárou	Obr. 2 Provádění dilatace a kluzné spáry s podkladním betonem

Obr. 3 Vyztužení základové desky a žeber v místě stávajícího bytového domu a poslucháren zajištěných kotvenou podzemní stěnou	Obr. 4 Příklad výpočtu vnitřních sil na dilatačním celku I

Eliminace důlních vlivů pomocí kluzné spáry
Při návrhu rozměrů dilatací byly zohledněny očekávané vnitřní síly, výškové členění objektu a požadavky ČSN 73 0039. Základová deska s rovným spodním lícem umožnila použít tzv. kluznou spáru z natavitelných asfaltových izolačních pásů (NAIP), jejíž reologické vlastnosti výrazně omezují přenos deformací podloží od poddolování do nosné konstrukce. Bližší informace o způsobu využití této technologie a prováděných experimentálních měřeních lze nalézt v samostatných publikacích článku (viz literatura). Realizace kluzné spáry v místě dilatace objektů je pak zřejmá z obr. 1 a 2.

Prostorový model mkp
Statický výpočet prostorově působící železobetonové konstrukce jednotlivých dilatačních celků byl proveden se zohledněním interakce se zemním prostředím a vlivy poddolování. Prostorový model konstrukce tvořily deskostěnové a prutové prvky MKP (obr. 4). Na tomto modelu tak mohl být stanoven vliv přetvářejícího se terénu nejen do vlastní základové desky, ale i do všech dalších konstrukčních prvků horní stavby. Vliv deformujícího se zemního prostředí (charakterizují ho parametry tření C1x, resp. C1y, které lze stanovit z podmínky stejných maximálních hodnot tahových sil pro náhradní průřez základu) byl stanoven podle vztahu:

kde    F_x    je    případná působící vodorovná síla,
    E_c    –    modul pružnosti betonu,
    A_c    –    průřezová plocha,
    L    –    délka náhradního prutu,
    ε_max    –    extrémní hodnota přetvoření terénu od poddolování.

Obdobným způsobem lze zohlednit deformační zatížení od změn teplot, dotvarování a smršťování betonu.
Rohové sloupy dilatačních celků mají osazené stabilizované měřičské body. Teoreticky vypočtené deformace tak byly průběžně porovnávány se skutečně naměřenými hodnotami výškopisného a polohopisného měření již při výstavbě. Budova je v současné době dokončena a předána do užívání univerzity. Po vyhodnocení měření v dalších letech provozu objektu pak může být provedeno výsledné porovnání deformací a ověřeny teoretické předpoklady řešení se skutečností.

Závěr
V článku je představena koncepce, návrh a způsob provedení monolitické železobetonové konstrukce, která je namáhána extrémními účinky zatížení od poddolování ve složitých geologických podmínkách. Původní zděné objekty byly značně poškozeny vlivem nestabilního podloží, pohybem probíhajícího tektonického zlomu a nespojitých deformací terénu od poddolování. Po jejich odstranění je původní vysokoškolský areál postupně dostavován novými moderními objekty, které jsou zajištěny na případné pohyby podloží vyvolané důlními vlivy. Koncepce plošného založení a statický návrh respektuje dané nepříznivé základové poměry, využívá moderních výpočetních postupů a výsledky zkoušek přetvárných vlastností materiálů kluzných spár. Objekty II. etapy dostavby Přírodovědecké fakulty Ostravské Univerzity v Ostravě – Hladnově byly dokončeny v roce 2011 a v současnosti jsou již plně využívány k provozu. Po dokončení plánované III. etapy bude v atraktivní lokalitě s výhledem na panorama Ostravy vybudováno moderní univerzitní a výzkumné pracoviště s podzemními garážemi, učebnami a laboratořemi (obr. 5).

TEXT: Prof. Ing. Radim Čajka, CSc., Ing. Kamil Burkovič, Ing. Vladimír Gřunděl
Foto a obrázky: autoři

Radim Čajka působí na Katedře konstrukcí Stavební fakulty VŠB – TU Ostrava.

Kamil Burkovič a Vladimír Gřunděl působí ve společnosti Arming, s. r. o.

Poděkování
Příspěvek byl realizován za podpory Ministerstva průmyslu a obchodu ČR v rámci programu TIP, projektu číslo FR-TI2/746 Reologická kluzná spára s teplotně řízenými viskoelastickými vlastnostmi a částečně v rámci projektu Tvorba a internacionalizace špičkových vědeckých týmů a zvyšování jejich excelence na Fakultě stavební VŠB–TUO, reg. No. CZ.1.07/2.3.00/20.0013.

Literatura
1.    ČSN 73 0039 Navrhování objektů na poddolovaném území. 1989. a-91.
2.    ČAJKA, R. 2001. Snížení napjatosti betonových podlah pomocí reologických kluzných spar. In Beton TKS, roč. 4, 2001. ISSN 1213-3116.
3.    ČAJKA, R. 2001. Nelineární průběh parametrů tření v podloží od účinků poddolování. Sborník příspěvků 29. konference Zakládání staveb 2001. Riziková analýza v zakládání staveb, Brno 5.–6. listopadu 2001. ISBN 80-7204-217-3.
4.    ČAJKA, R. – STARZYCZNY, S. 2002. Podchycení základů Ostravské university pomocí mikropilotové podzemní stěny kotvené předpětím. Sborník příspěvků 7. mezinárodního semináře Zpevňování, těsnění a kotvení horninového masivu a stavebních konstrukcí 2002, 14.–15. února 2002, FAST VŠB–TU Ostrava. ISBN 80-248-0061-6.
5.    ČAJKA, R. 2002. Interakce prostorové základové konstrukce na poddolovaném území s tektonickým zlomem. Sborník příspěvků 30. konference se zahraniční účastí Zakládání staveb 2002, Brno 4.–5. listopadu 2002, ISBN 80-7204-252-1.
6.    ČAJKA, R. 2005. Soil – Structure Interaction in Case of Exceptional Mining and Flood Actions. COST 12 – Final Conference Proceedings, 20th – 22nd January 2005, University of Innsbruck, Austria, ISBN 04 1536 609 7.
7.    ČAJKA, R. – MAŇÁSEK, P. 2005. Building Structures in Danger of Flooding. IABSE Conference New Delhi, India, (2005): Role of Structural Engineers towards Reduction of Poverty. New Delhi, India, pp. 551 – 558, ISBN 978-3-85748-111-6, WOS: 000245746100072.
8.    ČAJKA, R. – MAŇÁSEK, P. 2007. Finite Element Analysis of a Structure with a Sliding Joint Affected by Deformation Loading, in B.H.V. Topping, (Editor), Proceedings of the Eleventh International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK, Paper 18, 2007. doi:10.4203/ccp.86.18.
9.    ČAJKA, R. – MAŇÁSEK, P. 2006. Physical and Finite Element Shear Load Response Modelling of Viscoelasticity Materials“, in B.H.V. Topping, G. Montero, R. Montenegro, (Editors), Proceedings of the Eighth International Conference on Computational Structures Technology, Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK, Paper 240, 2006. doi:10.4203/ccp.83.240
10.    ČAJKA, R. – MATECKOVA, P. – JANULIKOVA, M.– STARA, M.: Laboratory Testing of Asphalt Belts with the Influence of Temperature. Transactions of the VSB – Technical University of Ostrava, Construction Series, Volume XI, Number 2/2011, VSB-TU Ostrava, 2011, ISSN 1804-4824 (Online). doi: 10.2478/v10160-011-0020-0
11.    CAJKA, R. – JANULÍKOVÁ, M. – MATEČKOVÁ, P. – STARÁ M. 2011. Modelling of Foundation Structures with Slide Joints of Temperature Dependant Characteristics, In: B.H.V. Topping, Y. Tsompanakis, (Editors), Proceedings of the Thirteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK, Paper 208, 2011. doi: 10.4203/ccp.96.208.
12.    ČAJKA, R. Determination of Friction Parameters for Soil – Structure Interaction Tasks. Recent Researches in Environmental & Geological Sciences. Energy, Environmental and Structural Engineering Series No. 4, pp. 435–440. Proceedings of the 7th WSEAS International Conference on Continuum Mechanics (CM ´12). Kos Island, Greece, July 14–17, 2012, ISSN 2227-4359, ISBN 978-1-61804-110-4.
13.    MATEČKOVÁ, P. – JANULIKOVÁ, M. – STARÁ, M.: Měření smykového odporu asfaltové reologické kluzné spáry a její aplikace v základové konstrukci na poddolovaném území. Betonárske Dni 2012, Bratislava.
14.    JANULIKOVA, M. – MATECKOVA, P. – STARA, M.: Numerical modeling of foundation structures with sliding joints. In The 9th fib International PhD Symposium in Civil Engineering. Karlsruhe, Germany: Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 2012.

Článek byl uveřejněn v Realizace staveb.