Stanovení zbytkové únosnosti existujících zděných konstrukcí

Určení únosnosti existujících historických zděných konstrukcí je mimořádně obtížná úloha s vysokou neurčitostí vstupních parametrů. Svoji roli zde sehrává značná variabilita vlastností zděných konstrukcí použitých v rámci jednoho podlaží či jednoho zděného prvku, například stěny, po celé jeho výšce i délce. Rovněž zde spolupůsobí i různé zásahy do zdiva a degradační procesy probíhající v maltě i kusovém stavivu.

Přes poměrně rozsáhlý výzkum zděných konstrukcí není zcela uspokojivě řešena otázka spolehlivého určení únosnosti stávajících, zejména historických zděných konstrukcí (obr. 1). Určení únosnosti existujících historických zděných konstrukcí je mimořádně obtížná úloha s vysokou neurčitostí vstupních parametrů. K tomu je nutno ještě přičíst velkou rozmanitost vlastností zděných konstrukcí, které jsou použity na jednom podlaží, popřípadě i v jednom zděném prvku, například stěny – po jeho výšce i po délce. Svoji roli často sehrávají i různé zásahy do zdiva a v neposlední řadě degradační procesy probíhající v maltě i kusovém stavivu. Řada místních zvyklostí a specifických vlastností složek, z nichž bylo zdivo provedeno, struktura zdiva a zděných konstrukcí příslušného časového a slohového období významně ovlivňují jeho mechanické vlastnosti.

Zcela specifické problémy je nutné řešit u tzv. vícevrstvého zdiva s vnějšími vrstvami vyzděnými s uplatněním některých způsobů vazby zdiva a s vnitřní vrstvou tvořenou úlomky kamenů různé velikosti, pojených větším množstvím malty (obr. 2). Vzhledem k charakteru vnitřní vrstvy obsahující velké množství pojiva, několikanásobně většího než obsahují vnější zděné vrstvy, lze oprávněně předpokládat rozdílné přetvárné vlastnosti, únosnost a mechanizmus porušení vnějších a vnitřních vrstev.

Ke snížení rozdílnosti těchto mechanizmů porušování přispívá v některých případech provázání vnějších vrstev s vnitřní vrstvou prostřednictvím kamenů, popř. cihel (tzv. vazáků) zasahujících do vnitřní vrstvy. Tyto vazáky (kameny nebo cihly) lze v některých případech rozpoznat na vnějším neomítnutém povrchu vícevrstvého zdiva. Zazubená a přirozená nepravidelnost vnitřního povrchu vnějších vrstev provedených z neopracovaných kamenů zlepšuje vzájemné spojení jednotlivých vrstev a zvyšuje odolnost vícevrstvé zděné konstrukce proti „rozvrstvení“, které zpravidla předchází úplnému porušení zdiva. Při tloušťkách historického zdiva v rozmezí 0,7 až 0,9 m lze již předpokládat vícevrstvou strukturu s vnějšími vrstvami o tloušťce 200 až 250 mm, popřípadě až 350 mm u zdiva s tloušťkou nad 1,2 m.

Jednotlivé složky zdiva – kusové stavivo i pojivo – vykazují značnou variabilitu zůstatkových i počátečních fyzikálně-mechanických vlastností. Způsob výroby jednotlivých složek zdiva a technologie provádění zdiva jsou procesy s relativně vysokým stupněm variability, které přispívají k heterogennímu charakteru zdiva z hlediska jeho únosnosti a přetváření.

V případě přírodního kusového staviva k těmto proměnlivým faktorům přistupují další vlivy, například vliv lokality, způsobu těžení a zpracování přírodního kamene, v případě cihel vliv kvality cihlářské hlíny, technologie výroby, složení a poréznost keramického střepu, v případě pojiva vliv jednotlivých složek, jejich poměru a způsobu zpracování. Účinkem degradačních procesů dochází v čase ke změnám význačných vlastností zdiva a jeho jednotlivých složek, narušení struktury, změny poréznosti, mineralogického složení, chemickým změnám apod. Intenzita degradačních procesů závisí na agresivitě vnějšího prostředí, kterému je zdivo vystaveno, účinku vlhkosti a probíhajících transportních procesech, v jejichž důsledku dochází ve zdivu k chemickým a fyzikálním změnám.

Existuje řada způsobů vzájemného spojování kusového staviva, tzv. vazeb zdiva, i velké množství způsobů vytváření a skladby nosných zděných prvků. Svoji roli sehrává i velikost, tvar a struktura cihel, způsob opracování, tvar a rozměry kusového staviva z přírodního kamene, různé způsoby ztužování například historického zdiva a další skutečnosti, které významně ovlivňují únosnost a mechanizmus porušování zdiva, mechanické a fyzikální vlastnosti zdiva cihelného, kamenného i smíšeného.

Numerické posouzení zatížitelnosti, tj. reziduální únosnosti stávajícího zdiva, vyžaduje vytváření výstižných materiálových modelů chování zdiva při přenášení zatížení a modelů popisujících mechanizmus porušování (lomu) v závislosti na vlastnostech jednotlivých složek zdiva, způsobu jejich vzájemné vazby ve zdivu a dalších parametrech.

Výzkum, odběr vzorků a analýza výsledků
Stanovení pevnosti zejména kusového staviva na základě nedestruktivních metod pomocí výzkumu a analýzy výsledků ukázalo na jejich relativně nízkou spolehlivost. Stanovení zbytkových mechanických vlastností historického, především smíšeného a kamenného zdiva má v důsledku heterogennosti zdiva, variability vlastností jeho složek a nízké spolehlivosti nedestruktivních metod, převážně informativní charakter a lze je aplikovat pouze při dostatečných rezervách únosnosti zdiva ve vztahu k jejich skutečnému zatížení (které by nemělo přestoupit 30 % mezní únosnosti zdiva zjištěné nedestruktivními metodami). Spolehlivost a výstižnost stanovení fyzikálně-mechanických vlastností zdiva (R, E) může být dále negativně ovlivněna výběrem a použitím nedestruktivních metod. V případě zvláště staticky exponovaných částí a prvků historické zděné konstrukce je nutné provést ověřovací jádrové vrty situované do exponovaných míst a míst lokální diskontinuity a stanovit zbytkovou únosnost destruktivní zkouškou odebraných vzorků.

Odběr jádrových vývrtů chlazených vodou vyžaduje zjištění vlhkosti kusového staviva v místě předpokládaného odběru (před odběrem) a následnou úpravu vlhkosti odebraného vzorku na úroveň odpovídající původní vlhkosti zdiva odebraného vzorku v místě odběru. Výzkum vlivu vlhkosti na hodnotu pevnosti v tlaku R a modulu pružnosti E prokázal závažný vliv vlhkosti na pevnost v tlaku a modul pružnosti porézních stavebních materiálů (obr. 3). Odběr vzorků lze také provést částečným „vylomením“ kusového staviva vhodné velikosti ze zdiva. Výsledky nedestruktivních zkoušek mohou být zvláště u historického zdiva ovlivněny degradačními procesy, jejichž největší intenzita zpravidla zasahuje povrchové a přípovrchové vrstvy nadzákladového zdiva (procesy chemické, fyzikální a mikrobiologické koroze).

Obr. 3: Závislost pevnosti v tlaku a modulu pružnosti na vlhkosti

Odběr vzorků malty musí být výhradně suchou cestou, aby přidáním vody nedošlo k narušení struktury, ke změně složení malty, následným chemickým a mineralogickým procesům, a to jak ve stádiu odběru malty ze zdiva, tak následně v laboratoři. Přímé určení pevnosti a modulu pružnosti malty, popř. laboratorní ověření vyjmutých vzorků je velmi obtížné (např. odběr větších částí zdiva, použití metody tzv. tenkých lisů apod.).

Stanovení zbytkových mechanických vlastností a zatížitelnosti zdiva
Předpokladem pro stanovení zbytkových mechanických vlastností historického zdiva a jeho zatížitelnosti je podrobný popis, zmapování a analýza všech mechanických narušení, trhlin, stavu povrchových vrstev, různorodosti zdiva, tloušťky a kvality pojiva v ložných spárách, druh a rozměry kusového staviva a vazby zdiva.

Klesající spolehlivost určení fyzikálně-mechanických vlastností historického zdiva musí být provázena narůstajícím poměrem mezi experimentálně stanovenou mezní pevností a skutečným namáháním zděné konstrukce. Otázka mezní nebo přípustné únosnosti je obvykle nastolována v případech výskytu rozsáhlejších narušení zdiva, popřípadě při rekonstrukci, při níž dochází ke změně zatížení, nebo rozsáhlejších zásahů do stávajícího zdiva.

Zásadou, z níž by měla vycházet každá rekonstrukce, je zachování původního statického konceptu a řešení celé konstrukce, případně odstranění všech dřívějších necitlivých zásahů a cizorodých konstrukčních prvků. Tato zásada vymezuje současně i kon­cept pro návrh připravované rekonstrukce.

Závěr
V současnosti jsou v souvislosti s rekonstrukcemi historických objektů v řadě případů aplikovány modely homogenizovaného zdiva. Numerická analýza, založená na jedné straně na matematických modelech a na druhé straně na nedostatečně výstižných materiálových a fyzikálních modelech, může vést nejen k chybným závěrům, ale může být i příčinou chybné koncepce rekonstrukce a následně vzniku statických poruch a narušení. Nedostatečně výstižné okrajové podmínky a vstupní parametry popisující fyzikálně-mechanické vlastnosti zdiva a jeho jednotlivých složek nelze odstranit aplikací sebenáročnějšího numerického modelu.

Příspěvek byl vypracován za podpory GAČR 103/06/1801 „Analýza spolehlivosti vlastností stavebních materiálů a konstrukcí s přihlédnutím k jejich změnám v čase a časově proměnným vlivům“.

prof. Ing. Jiří Witzany, DrSc.
Foto: autor

Autor je vedoucím katedry Konstrukcí pozemních staveb na ČVUT v Praze. Jeho odborná a vědecká činnost se zaměřuje na konstrukčně statickou problematiku budov, sanace a rekonstrukce staveb, konstrukčně statickou problematiku a reziduální bezpečnost prefabrikovaných konstrukcí, poruchy staveb a degradační procesy materiálů, spolehlivost stavebních konstrukcí a materiálů a diagnostiku staveb.

Článek byl uverejněn v časopisu Realizace staveb.