Zesilování - souvislosti

V posledních dvou desetiletích je stavební průmysl vystaven rostoucímu tlaku na snižování svého dopadu na životní prostředí a opětovné využívání stávajícího stavebního fondu, aby bylo možné uspokojit rostoucí socioekonomické požadavky, zejména v městském prostředí, kde značná část železobetonových budov a mostů dosahuje konce své životnosti a vyžaduje buď rekonstrukci, nebo demolici. Kromě konce životnosti může být několik dalších důvodů pro zesilování stávajících konstrukcí:

·        Změna ve způsobu užívání nebo ve způsobu obsazení,

·        Rozšíření půdorysu budovy

·        Další patra v hustě zastavěném městském prostředí, kde není možné horizontální rozšiřování,

·        Zavedení nových stavebních předpisů,

·        Přítomnost chyb nebo jiných nedostatků v původní konstrukci a

·        Nutnost řešit další problémy s životností způsobené známými riziky, jako jsou požáry a zemětřesení.

Rozhodnutí, zda zesílit stávající konstrukci, nebo ji zbourat a postavit novou, není vždy snadné a závisí na aktuálním stavu konstrukce, požadavcích klienta a kulturním, historickém a společenském významu konstrukce. Pokud statik určí, že je možné zesílit celou konstrukci, údaje naznačují, že doba realizace (definovaná jako doba mezi zastavením činnosti v budově nebo na mostě a jeho opětovným uvedením do provozu) bude o 15–70 % kratší ve srovnání s demolicí a novou výstavbou. Kromě úspory času může zesílení konstrukce přinést 10–75% snížení zátěže zdrojů díky úsporám práce a materiálu, což má přímý dopad na environmentální stopu a uhlíkovou stopu konstrukce [1]. Rychlejší návratnost a nižší počáteční investice jsou pro klienty také zásadními faktory.

Možnosti zesílení a způsob výběru

Tyto potenciální úspory však silně závisí na schopnosti statika zvolit a na schopnosti stavebního průmyslu poskytnout a instalovat vhodná řešení pro zesílení, která řeší zjištěné lokální a/nebo globální nedostatky. Zatímco většina projektů pro zesílení obvykle zahrnuje více řešení, některá jsou vyloučena z důvodu architektonických, provozních nebo geometrických omezení, nedostatku znalostí v oblasti návrhu a/nebo provedení, nedostupnosti vhodného vybavení, což zužuje seznam potenciálních řešení. Tento výběr je dále ovlivněn výhodami a nevýhodami, které tato řešení doprovázejí, a nejedná se o „zázračná řešení“, která by zázračně vyřešila konstrukční nedostatky. Další rovinu náročnosti představuje možnost nesprávné implementace těchto řešení, která může vést k zesílení určité části konstrukce, ale oslabení jiné, jak ilustrují následující dva příklady, jeden na místní a druhý na globální úrovni:

1.   Lokální: zesílení desky betonovou vrstvou, ale bez zohlednění dodatečného zatížení nosných trámů.

2.   Globální: vysoká koncentrace příčných ztužujících stěn na jedné straně konstrukce zvyšuje zatížení na druhé straně, čímž se dosahuje opačného účinku.

Na „lokální“ úrovni mohou nedostatky zahrnovat jednotlivé betonové prvky, jako jsou nosníky, sloupy, desky, stěny a základy, které nemají dostatečnou únosnost, aby zabránily porušení v tahu, tlaku, ohybu, smyku, protlačení, kroucení a dalších účincích způsobených novými zatěžovacími požadavky. Řešení pro jednotlivé prvky zahrnují mimo jiné:

·        Zesilující nové betonové vrstvy nebo obetonování, jak je vidět na obrázku 1,

·        Dodatečně instalovaná výztuž,

·        Ocelové pláště,

·        Lamely nebo pásoviny,

·        Bandáže a pásky z polymeru vyztuženého vlákny (FRP),

·        Vnější dodatečné předpětí.

Obr 1: Příklad zesílení sloupu pomocí nové vrstvy betonu/ obetonování

Zesílení na „globální“ úrovni obvykle zahrnuje řešení problémů souvisejících s celou konstrukcí, jako jsou seizmické vlivy, požár, únava materiálu a vítr, a to zavedením řešení, jako jsou:

·        Příčné ztužující stěny – jako na obr.2,

·        Ocelové ztužení,

·        Mikropiloty,

·        Izolace základů,

·        Zařízení pro tlumení/rozptyl energie.

Obr. 2: Příklad ztužující stěny mezi sloupy

Zesílení betonových prvků s nedostatečnou smykovou pevností

Za předpokladu, že budova, ve které dříve sídlily kanceláře, se nyní změnila na komerční využití v důsledku změny vlastnictví, vyšší návštěvnost zvýší zatížení například stropu, kterému musí odolat všechny konstrukční prvky – desky, nosníky, sloupy a základy. Po ověření může inženýr obvykle zjistit, že nosníky nemají dostatečnou únosnost jak v ohybu, tak ve smyku, nebo v některých případech pouze ve smyku. Připomeňme, že ve většině konstrukčních norem, jako je například oddíl 6.2 normy EN 1992-1-1:2004 [2], závisí únosnost betonového prvku při smyku na následujících šesti parametrech:

1.   Únosnost betonu,

2.   Rozměry průřezu

3.   Účinná hloubka ohybové výztuže od horní hrany tlačeného vlákna,

4.   Délka podpory

5.   Množství podélné výztuže

6.   Množství smykové výztuže

Využití řady potenciálně dostupných „lokálních“ řešení ke zlepšení jednoho nebo několika z těchto parametrů zvyšuje odolnost proti smyku v různé míře, ale to s sebou nese kompromisy z hlediska invazívnosti, nákladů, dostupnosti a dalších parametrů. Některé úpravy nemusí být ani proveditelné, jako například zvýšení pevnosti betonu stávajícího nosníku. Jiné, jako například přidání dalších podpěr prostřednictvím dodatečných sloupů za účelem snížení smykových sil působících na jeden nosník, mohou zatížit jiný nosník a budou vyžadovat přenos zatížení na základy. Proto může potenciální rozsah řešení pro zlepšení parametrů (1) až (6) odpovídat tabulce 1:

Tab 1: Možná řešení pro zesílení betonu s nedostatečnou smykovou pevností

Přímé navýšení množství smykové výztuže vede k proporcionálnímu nárůstu smykové únosnosti a řešení, která jsou v současné době v oboru k dispozici, jsou obvykle minimálně invazivní a snižují narušení ostatních prvků. Naopak u smykové únosnosti betonu vede použití jiných řešení obvykle k neproporcionálnímu nárůstu, s výjimkou nové betonové vrstvy, která s sebou nese vlastní kompromisy.

V posledních letech vedl vývoj a dostatečná úroveň vyspělosti technologie dodatečně instalovaných kotev k jejímu použití v aplikacích nad rámec spojování oceli s betonem a spojování betonu s betonem. Jedním z použití při zesilování je nová betonová vrstva, kde lepené i mechanické spojovací prvky slouží k zesílení rozhraní mezi stávajícím a novým betonem. Více podrobností o zesilování pomocí betonových vrstev naleznete v bílé knize [3].

Dalším použitím systému lepených kotev při zesilování je nedávno vyvinuté zesilovací řešení Hilti „HIT-Shear“, které přímo zvyšuje únosnost železobetonových prvků při smykovém namáhání, jak je znázorněno na obrázku 3, podobně jako u zalitých třmenů.

Obr 3: Hilti HIT-RE 500 V4, HAS(-U) tyče, a výplňový set používaný jako dodatečně instalovaná smyková výztuž

Toto řešení se provádí podobně jako u lepené kotvy: tj. vrtání do stanovené hloubky kotvení kolmo k povrchu betonu, důkladné vyčištění otvorů od nečistot, injektáž malty a následné vložení tyčí. Po vytvrzení malty lze matice utáhnout na maximální stanovenou hodnotu.

Poznámka: Pokud to není výslovně zohledněno v návrhu, je nutno se pokud možno vyvarovat vrtání a řezání přes ohybovou výztuž, aby nedošlo k dalšímu oslabení konstrukce. Pokud se tomu nelze vyhnout, například za účelem usnadnění vrtání v hustě vyztužených oblastech, je nutné s výslovným souhlasem projektanta přijmout dodatečná opatření k vyrovnání ztráty ohybové výztuže.

Nové řešení Hilti pro dodatečné smykové zesílení „HIT-Shear“

Nové řešení smykového zesílení Hilti HIT-Shear se skládá z následujících částí:

Řešení kombinuje injektážní maltu HIT-RE 500 V4 se závitovými tyčemi Hilti řady HAS ve velikostech M12, M16, M20 a M24, které jsou k dispozici v provedení z uhlíkové a nerezové oceli pro vnitřní i venkovní použití. Ocelové prvky doplňuje sada Hilti Výplňový Set, která se skládá z těsnicí a kulové podložky, matice a volitelné pojistné matice, rovněž dostupné v uhlíkové i nerezové oceli pro každý průměr tyče.

Všestrannost tohoto systému využívá vysoce výkonnou maltu, což umožňuje její použití v betonu.:

·        Jakákoliv tloušťka mezi 200-2200 mm,

·        Jakákoliv únosnost betonu mezi C20/25 & C50/60,

·        Suchý nebo vodou nasycený beton a otvory naplněné vodou.

·        S maximálními krátkodobými a dlouhodobými teplotami +60 °C a +43 °C.

·        Prvky vystavené statickému, kvazistatickému a únavovému zatížení.

Ačkoli je instalace do betonového prvku skutečně možná z obou stran, například shora dolů nebo zdola nahoru v nosníku nebo desce, klíčovou vlastností systému je instalace závitových tyčí na stanovenou instalační délku lsw, která je funkcí tloušťky h a zbytkové krycí vrstvy c_res, která z hlediska instalace zabraňuje odlupování betonu na povrchu naproti vrtu. Zbytková krycí vrstva, jak je znázorněno na obrázku 4, se liší v závislosti na průměru tyče.

Z hlediska návrhu zajišťuje pevná délka instalace bezpečné ukotvení tyčí, aby se napodobil model příhradové konstrukce tvořený zalitými třmeny.

Obr. 4: Průřez znázorňující instalační hloubku a zbytkovou krycí vrstvu HIT-Shear řešení

Působnost řešení v rámci německého národního schválení

Vzhledem k tomu, že neexistuje žádný evropský hodnotící dokument (EAD) ani harmonizovaná evropská norma (hEN), byla řešení Hilti HIT-Shear pro zesilování ověřena z hlediska vhodnosti pro tuto aplikaci zesilování německým institutem Deutsches Insitut für Bautechnik (DIBt) a bylo jim uděleno „obecné stavební technické povolení“ nebo aBG, Z-15.5-383 [4]. Tím jsou splněny národní požadavky na stavební práce podle MVV TB (Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen), které slouží jako vzor pro správní předpisy – technické stavební předpisy, které jsou v Německu zavedeny na federální úrovni.

Flexibilita ve vašich rukou – využijte sílu PROFIS Engineering

·        Cloudový návrhový software PROFIS Engineering od společnosti Hilti obsahuje nový specializovaný modul pro posuzování a zesilování betonových prvků s nedostatečnou smykovou pevností, který pomáhá statikům při hodnocení únosnosti stávajících prvků a jejich zesilování, čímž zajišťuje bezpečnější a efektivnější pracovní postup. Nový modul PROFIS Engineering Shear Strengthening umožňuje:

·        Výběr mezi nosníky, sloupy, deskami a stěnami a definice jejich materiálových vlastností & geometrie

·        Ověření odolnosti stávajícího betonu podle normy EN 1992-1-1:2004 + národní přílohy nebo SIA 262:2017 [5].

·        Zesílení pomocí čtyř různých průměrů výztuží z uhlíkové nebo nerezové oceli a volného zadání roztečí a vzdáleností okrajů.

·        Rozdělení prvku na jednotlivé zóny a využití metody variabilního sklonu vzpěr k maximalizaci únosnosti při minimálním množství výztuže.

·        Vytvoření komplexní technické zprávy s veškerými ověřeními, podrobnými údaji o výztuži a pokyny k instalaci.

Shrnutí

Přetváření a opětovné využití starších konstrukcí může nabídnout mnoho výhod oproti novostavbám, přičemž každá konstrukce vyžaduje při zesilování splnění specifických úkolů. Na základě zvolené návrhové filozofie může statik řešit nedostatky v odolnosti proti smyku v lineárních nebo rovinných betonových prvcích různými metodami, z nichž některé jsou méně invazivní než jiné. Použití dodatečně instalované smykové výztuže, jako je řešení Hilti HAS(-U) se závitovými tyčemi a maltou HIT-RE 500 V4, je novým příkladem minimálně invazivní metody, která může výrazně zvýšit smykovou únosnost konstrukčního prvku.

Po řádném posouzení a udělení obecného stavebního technického povolení (aBG) jako systému ze strany DIBt mohou inženýři použít známý přístup k navrhování založený na Eurokódu 2, který je integrován do sady PROFIS Engineering Suite společnosti Hilti, a dosáhnout tak proveditelného řešení výběrem mezi klíčovými parametry návrhu, jako jsou průměr, rozestup a variabilní sklon vzpěry. Díky intuitivnímu rozhraní pomáhá nový modul Shear Strengthening inženýrům šetřit čas během fáze návrhu, přináší přidanou hodnotu jejich klientům a zároveň přispívá k bezpečnějšímu a odolnějšímu stavebnímu prostředí.

Další informace naleznete v naší bílé knize, která podrobněji rozebírá tento článek..

Chcete-li začít navrhovat, navštivte https://profisengineering.hilti.com/

Odkazy

1.   N. Addy, “Making sustainable refurbishment of existing buildings financially viable”, in Sustainable Retrofitting of Commercial Buildings - Cool Climates, S. Burton, Ed., Abingdon, Routledge, 2015, pp. 57-73.

2.   EN 1992-1-1:2004: “Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings”, Brussels: CEN, 2004.

3.   K. S and G. Genesio, “Whitepaper on Shear-friction Applications and Concrete Overlays”, Hilti AG, Liechtenstein, Dec. 2023.

4.   Deutsches Institut für Bautechnik, “Z-15.5-383 - Hilti Querkraft-Verstärkungssystem mit Hilti HIT-RE 500 V4”, DIBt, Berlin, 2024.

5.   SIA, “SIA 262: Concrete Structures,” SIA, Zürich, 2017.