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.
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.