Zajištění zděných staveb proti vlivům technické seizmicity

Na území České republiky se nacházejí seizmická území pouze o malých hodnotách přirozené seizmické aktivity, která je dána hodnotou efektivního špičkového zrychlení podloží ag (v jednotkách gravitačního zrychlení). Naproti tomu technická seizmicita může leckdy představovat vážný problém. Technickou seizmicitou rozumíme seizmické otřesy vyvolané umělým zdrojem nebo indukovanou seizmicitou.

Zdrojů technické seizmicity může být celá řada – například stroje, těžká doprava, silniční nebo železniční doprava, rázy těžkých mechanismů (buchary, lisy, beranidla při zarážení pilot apod.), kostelní zvony, důlní otřesy nebo otřesy vzniklé při odstřelech. Z hlediska odolnosti proti účinkům technické seizmicity patří zděné objekty k typům staveb, které mají proti seizmickým vlivům nejnižší odolnost.

Poškození
V důsledku dynamické odezvy vyvolané technickou seizmicitou vznikají na zděných objektech poruchy, které se projevují zejména vznikem trhlin. Zásadním znakem pro určení původu trhlin je, že trhliny zapříčiněné dynamickými účinky ve většině případů nemají jednoznačný průběh, jsou rozptýleny naprosto nerovnoměrně, a tedy nevytvářejí souvislý obrazec (obr. 1, 2 a 3), jak je tomu například u trhlin zapříčiněných statickým namáháním (trhliny tahové, tlakové či smykové), ze kterých je patrný směr vlivu silového účinku.

V určitých případech mohou mít trhliny ve zdivu od dynamických účinků také jiný průběh. Například u zděných příček, které nejsou v hlavě opřeny, mohou vzniknout trhliny pouze svislé (obr. 4). Účinky dynamické odezvy zděných konstrukcí vyvolané technickou seizmicitou závisejí na řadě faktorů, z nichž především na:
a) parametrech zdroje seizmicity – hmotnosti, frekvenci a amplitudě jeho kmitání,
b) vzdálenost zdroje od místa odezvy,
c) geologických poměrech v podloží,
d) hydrologických poměrech v podloží (prostředí pod hladinou podzemní vody výrazně zesiluje přenos dynamických účinků),
e) typu a velikosti základové konstrukce objektu, na který dynamické účinky působí.

Dynamické účinky technické seizmicity se u zděných staveb projevují nejprve vlasovými trhlinami v omítkách, později opadáváním částí omítek, trhlinami ve stropních fabionech, v místech uložení stropních nosníků a překladů (obr. 5), v rozích otvorů nebo místech kontaktů dvou na sebe navazujících stěn. Při větší intenzitě také v plochách nosných i nenosných stěn (obr. 2 a 3).

Pokud se otřesy šíří zeminou (např. od dopravy) dochází v důsledku otřesů ke zhutňování zeminy pod základy, které posléze sedají, a zdivo nad nimi se deformuje a trhá.

Trhliny mají za následek snížení tuhosti příslušné konstrukce a zároveň snížení prostorové tuhosti zděného objektu jako celku. Při opakovaném namáhání dynamickými účinky, například v důsledku důlních otřesů na poddolovaném území, může dojít k těžkým statickým poškozením zděných objektů (zejména pokud spadají do kategorie A nebo B podle ČSN 73 0040 [1]), v extrémních případech také k jejich úplné destrukci. A to zejména tehdy, jestliže nejsou proti dynamickým účinkům žádným způsobem zajištěny a z konstrukčního hlediska postaveny naprosto nevhodně – například bez pozedních věnců, se stropy, které nejsou tuhé ve vodorovné rovině (např. dřevěné stropy, stropy s nosníky Hurdis), s cihelnými klenbami nebo visutými (konzolově uloženými) schodišťovými rameny.

Konstrukční zásady pro projektování rekonstrukcí u objektů situovaných v dosahu technické seizmicity
Způsob a stupeň ochrany proti působení účinků technické seizmicity je dán jejím konkrétním typem a velikostí jejich účinků. Při projektování rekonstrukcí zděných objektů situovaných v dosahu technické seiz­micity je možno uplatnit následující konstrukční opatření:

• Provést prostorové ztužení objektu pomocí ocelových předpjatých lan – a to v několika výškových úrovních (zpravidla v úrovních stropů), jejichž vzdálenost činí maximálně 6 m; o problematice dodateč­ného ztužování zděných svislých nosných konstrukcí je pojednáno např. v [10], [11] a [13], princip je znázorněn na obr. 6.

• Nenavrhovat zděné klenby – tam, kde je to možné, nahradit je tuhými stropními konstrukcemi. V případě porušení klenby trhlinami, není-li možná její náhrada tuhými stropními konstrukcemi, je třeba provést sanaci klenby například tlakovou injektáží trhlin a stažením klenebního žebra v místě jeho uložení pomocí ocelového předpjatého lana a ocelové rozpěry. Zmíněné stažení v patě klenby je vhodné doplnit také stažením jejich podpěr (sloupů či pilířů) v základech (obr. 7). Sloupy, které podpírají klenby, zejména uvnitř dispozice, je vhodné zesílit třeba obetonováním železobetonem nebo ocelovou bandáží.

V praxi se často setkáme se sanací kleneb pomocí betonových skořepin provedených na rubu klenby. Tento způsob je naprosto nevhodný, a to z následujících důvodů:

• Dochází ke změně statického působení původní klenby, která původně přenášela zatížení pouze tlakem. Po sanaci je však jako by zavěšena.
• Hmotnost klenby se zbytečně zvyšuje, což má za následek přitěžování jak původních kleneb, tak svislých nosných konstrukcí, základů a základové spáry. Zanedbatelné zde není ani ekonomické hledisko.
• Velmi problematické je rovněž zajištění řádného spolupůsobení původní klenby
• a nadbetonované skořepiny, které je
• nezbytné pro správnou statickou funkci tohoto zesílení.
• Problematická je také rozdílná tepelná roztažnost původních kleneb (cihelné zdivo) a nových skořepin (železobeton). Tyto materiály mají značně odlišné součinitele tepelné roztažnosti (beton: α =1,0 . 10^–5 K^–1, zdivo: α = 0,5 . 10^–5 K^–1); navíc má být zajištěno jejich řádné spolupůsobení.
• Nenavrhovat stropní konstrukce, které nejsou tuhé ve vodorovné rovině (např. dřevěné stropy, stropy z cihelných stropních desek Hurdis).
• Překlady nad okny či dveřmi spojit se ztu­žujícími věnci (pokud je to možné – např. před realizací nové konstrukce stropu).
• Minimalizovat otvory v nosných stěnách; v případě nadměrného oslabení nosné zdi provést částečné dozdění.
• Dodatečně vložit ztužující stěny (pokud je to možné).
• Schodiště navrhovat jako železobetonová monolitická nebo ocelová. Prefabrikovaná schodiště zabezpečit proti povytažení z podporujících konstrukcí, případně zvětšit jejich úložné délky. Zásadně nenavrhovat schodiště konzolová vyložená (visutá) nebo sestavená z malých dílců.
• V případě zděných sloupů nebo pilířů provést sanaci pomocí obetonování železobetonem (obr. 8) nebo ocelovou bandáží (obr. 9). Tímto způsobem je možno také zároveň zvýšit jejich únosnost [8] a [9].
• Zvýšit tuhost stávajících netuhých stropů (např. dřevěných stropních konstrukcí, stropů s nosníky z ocelových válcovaných profilů) pomocí spřažení původního stropu s doplňkovou konstrukcí. Zároveň je možno, pokud je to třeba, zvýšit také jejich únosnost.

Zvýšení tuhosti stropních konstrukcí
Z konstrukčního hlediska je zde nutno rozlišit:

• zesilování dřevěných stropů,
• zesilování stropů tvořených prvky (např. cihelnými klenbami apod.) osazenými do ocelových nosníků.

Obr. 8: Princip zesílení zděného sloupu obetonováním železobetonem	Obr. 10: Spřažení dřevěného trámového stropu s betonovou deskou

Zesilování dřevěných stropů
Níže uvedený způsob (spřažení původního stropu s doplňkovou konstrukcí nadbetonováním, event. s dodatečně provedenou vrstvou prken nebo fošen) se používá v posledních 30 až 40 letech při rekonstrukcích dřevěných stropů. Nedostatečně dimenzovaný (popř. i poškozený) strop se spřáhne s betonovou deskou (obr. 10 a 11) nebo s další vrstvou z fošen či prken (obr. 12).

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.

Obr. 11: Spřažení dřevěného povalového stropu s betonovou deskou	Obr. 12: Spřažení dřevěného trámového stropu s vrstvou prken nebo fošen
	Obr. 13: Zesílení stropní konstrukce (cihelných kleneb osazených do ocelových válcovaných I-profilů) spřažením s dodatečně provedenou betonovou deskou

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 a podobně.

O problematice statického posouzení takto spřaženého stropu je podrobně pojednáno například v [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 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 vhodným výpočetním programem (např. TEPLO 2007 [7]). 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 zjišťuje 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 2007 [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.

Pro betonáž je vhodné použít suchou betonovou směs – 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. 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. Zesílení stropů tvořených cihelnými klenbami osazenými do ocelových nosníků
Další možností je spřažení stávajících stropních nosníků (ocelových válcovaných I-profilů) s dodatečně provedenou betonovou vrstvou (obr. 13) obdobně jako už v uvedených případech [3]

Historické a památkově chráněné objekty
Historické a památkově chráněné objekty vyžadují specifický přístup jak při návrhu, tak při realizaci opatření proti negativnímu působení technické seizmicity, protože:

• obvykle jde o objekty se složitým prostorovým uspořádáním svislých a vodorovných nosných konstrukcí;
• je často použit různorodý stavební materiál, který může být navíc poznamenán stářím a dlouhodobým působením nepříz­nivých vlivů vnějšího či vnitřního prostředí; různorodost stavebních materiálů souvisí i s jejich stářím, které bývá rozdílné v důsledku pozdějších přestaveb;
• je nařízeno, že navržená konstrukční opatření musejí respektovat požadavky památkové ochrany.

Zvláštní skupinou tohoto typu objektů jsou sakrální stavby. Pokud je ve zdech zavěšen zvon (resp. více zvonů), podléhá zdivo věže nebo i přilehlých kostelních lodí dynamickým účinkům. Ty mohou být v určitých případech příčinami poruch zdiva. Na věžích kostelů se mohou vyskytnout trhliny, které jsou zapříčiněny dynamickými účinky při zvonění zvonů. A to tehdy, jestliže konstrukce věže není na tyto účinky dostatečně dimenzována, nebo je-li frekvence kyvu zvonu shodná s vlastní frekvencí věže nebo se na věži nachází štíhlý prvek, jehož vlastní frekvence je shodná s frekvencí kyvu zvonu. Dále tehdy, je-li nevhodným způsobem uložena zvonová stolice na zdivu věže. Tato problematika je poměrně obsáhlá a přesahuje rámec tohoto příspěvku. Podrobnější pojednání o této problematice je možno nalézt v literatuře, například v [12].

doc. Ing. Jaroslav Solař, Ph.D.
Obrázky: autor

Autor absolvoval Fakultu stavební VUT v Brně. Dnes působí na Katedře pozemního stavitelství Fakulty stavební Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava. Zabývá se problematikou vlivu vlhkosti na stavební objekty, střešních plášťů, poruch a rekonstrukcí staveb a staveb v oblasti těžby a povodní.

Literatura
1. ČSN 73 0040 Zatížení stavebních objektů technickou seizmicitou a jejich odezva (1996).
2. ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov – Část 2: Požadavky (2007).
3. Čajka, R.: Spřažené ocelobetonové stropní konstrukce rekonstruovaných staveb. Sborník 23. konference Sanace a rekonstrukce staveb. Praha: 2001.
4. Svoboda, Z.: AREA 2007 pro Windows. Výpočetní 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. Praha: ABF, 2000.
7. Svoboda, Z.: TEPLO 2007 pro Windows. Výpočetní program pro PC.
8. Kaláb, Z.: Několik poznámek k seizmickým projevům důlně indukovaných jevů na povrchu. Sborník semináře Betonové konstrukce v extrémních podmínkách. Praha: Česká betonářská společnost ČSSI, ČBS Servis, s. r. o., 2004. ISBN 80-903501-0-0.
9. Vaněk, T.: Rekonstrukce staveb. Praha: SNTL, 1985.
10. Witzany, J.: Poruchy a rekonstrukce zděných budov. Praha: Nakladatelství ŠEL, spol. s r. o., 1999.
11. Solař, J.: Sanace zděných objektů po povodni. In: Tepelná ochrana budov, 2002, č. 5.
12. Bažant, Z. – Klusáček, L.: Statika při rekonstrukcích objektů. Brno: Akademické nakladatelství CERM,
s. r. o., 2002.
13. Solař, J.: Poruchy a rekonstrukce kostelních věží. In: Střechy, fasády, izolace, 2004, č. 3.
14. ČSN 73 0038 Výpočet stavebních konstrukcí zatížených dynamickými účinky strojů (1977).
15. Solař, J.: Poruchy a rekonstrukce zděných staveb. Grada Publishing, a. s., 2008.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.