Statické zajištění sakrálních staveb na poddolovaném území

7. 11. 2007

Statické zajištění sakrálních staveb proti účinkům poddolování není jednoduchou záležitostí. Často bývá technicky náročné, velmi pracné a finančně nákladné. Při návrhu sanace stávajících statických poškození a statického zajištění proti výhledovým účinkům poddolování je nutno vycházet z podrobné báňské, inženýrsko-geologické, hydrologické a stavební expertízy (viz kap. 2. 1 v [6]).

Obr. 1: Kostel po provedení statického zajištění

Sakrální stavby je možno z hlediska konstrukce a z hlediska odolnosti proti účinkům poddolování charakterizovat následovně:

1. Jedná se o zděné objekty se složitým prostorovým uspořádáním a se stěnami, které mají vysokou tuhost a velmi malou pevnost v tahu a ve smyku. Zdivo bývá také z různorodého materiálu o různé kvalitě.

2. Běžně se zde vyskytují zděné klenby, které jsou pro stavby situované na poddolovaném území naprosto nevhodné (Jejich navrhování u novostaveb ČSN 73 0039 [1] přímo zakazuje.).

3. Uvnitř dispozice se často vyskytují sloupy či pilíře, které jsou z hlediska účinků poddolování také problematické.

4. Problematické jsou rovněž kostelní věže.

KONCEPCE NÁVRHU STATICKÉHO ZAJIŠTĚNÍ

V rámci koncepce návrhu vhodného způsobu zajištění je vždy nutno zvážit, zejména u významných objektů (např. památkově chráněné objekty), také následující možnosti:

1. Ponechání nevytěženého ochranného pilíře pod objektem.

2. Možnost dobývání při použití vhodné a účinné zakládky.

3. Možnost realizace podrubání objektu tak, aby tento zůstal mimo poklesovou kotlinu; nebo alespoň mimo pásma jejích největších parametrů.

4. Možnost využití časového průběhu výhledových vlivů poddolování, které je nutno projednat s příslušným těžebním závodem. To proto, aby celkové zajištění objektu bylo provedeno včas, do doby projevů důlních vlivů na zemský povrch.

5. U objektů, které jsou situovány v důlních polích s ukončenou těžbou, tedy na území s doznívajícími vlivy poddolování je nutno rovněž zvážit možnost využití časového průběhu výhledových (doznívajících) vlivů poddolování. To proto, že případné zajištění objektu bude možno zpravidla vždy realizovat v menším rozsahu, čímž dojde ke snížení finančních nákladů. Pokud se v období doznívání důlních vlivů objekt nachází již na staveništi V. skupiny podle ČSN 73 0039 [1], pak tento v souladu s čl. 2.4.2 ČSN 73 0039 [1] již nevyžaduje žádné zvláštní zajištění proti účinkům poddolování, pokud se nejedná o obzvláště citlivé (např. podzemní objekty širší než 6 m, tlaková trubní vedení, velké nádrže apod.). Zde je však nutné vždy posoudit účinky zvýšené hladiny podzemní vody při předpokládané hodnotě poklesu terénu (viz kap. 2.1.4).

Využitím některé z výše uvedených možností ve fázi koncepce návrhu zajištění stavebního objektu proti účinkům poddolování může být dosaženo značných ekonomických úspor. To proto, že případná opatření na zajištění objektu se buďto výrazně sníží, nebo odpadnou úplně.

Pokud není možno využít některé z výše uvedených možností, nebo toto sníží účinky poddolování pouze částečně, pak je třeba přistoupit k návrhu statického zajištění. Způsob a rozsah statického zajištění závisí na:

1. Intenzitě účinků poddolování:

a) velikosti spojitých přetvoření terénu,

b) případném výskytu nespojitého přetvoření terénu, jeho konkrétního typu a velikosti,

c) případné možnosti výskytu důlních otřesů v místě situování objektu a jejich intenzitě.

2. Na konstrukčním systému objektu:

V drtivé většině případů se jedná o zděné objekty zastropené pomocí kleneb (viz výše). Vyskytují se však také objekty, které jsou tvořeny železobetonovým skeletovým systémem s obvodovým pláštěm vyzděným z cihelného zdiva.

STATICKÉ ZAJIŠTĚNÍ

2.1 Zajištění proti spojitým přetvořením terénu

Zde rozlišujeme:

1. Zajištění proti účinkům vodorovného přetvoření terénu (± ε) – viz kap. 2.1.1.

2. Zajištění proti účinkům zakřivení terénu (± R_min) – viz kap. 2.1.2.

3. Zajištění proti účinkům naklonění terénu (± і) – viz kap. 2.1.3.

4. Zajištění proti účinkům poklesu terénu (s_max) – viz kap. 2.1.4.

2.1.1 Zajištění proti účinkům vodorovného přetvoření terénu (± ε)

Zajištění proti účinkům vodorovného přetvoření terénu (± ε) se provádí pomocí následujících konstrukčních úprav:

1. Vodorovným ztužením v úrovni základů.

2. Vodorovným ztužením svislých nosných konstrukcí.

3. Statickým zajištěním kleneb.

Obr. 2: Realizace přídavného ztužujícího věnce v základech - pohled do bednění s výztuží

Obr. 3: Realizace přídavného ztužujícího věnce v základech - pohled na vybetonovaný věnec

1. Vodorovné ztužení v úrovni základů

Vodorovné ztužení v úrovni základových konstrukcí je možno provést principielně dvojím způsobem, a to:

a) Ztužením stávajících základů vhodně navrženým systémem předepjatých lan: Tento způsob předpokládá dostatečnou únosnost stávajících základů v tlaku, jenž bude posléze vyvozen v důsledku předpětí lan. Zde budou vyhovující pouze základy z kvalitního prostého betonu.

b) Pomocí přídavných ztužujících věnců: (zpravidla z předpjatého betonu, event. ze železobetonu), které se umístí po vnějším obvodě stávajících základů, jejichž delší strany se vzájemně propojí příčnými pásy. Tento způsob se navrhne v případech, kdy stávající základy budou vykazovat malou únosnost v tlaku (základy z nekvalitního prostého betonu, základy zděné, z kamene apod.).

V obou případech se návrh výztuže provede na základě velikosti smykových sil, jež jsou vyvolány účinkem vodorovného poměrného přetvoření (± ε) v důsledku kontaktu základové půdy se základovou konstrukcí. Velikost smykových sil v základové spáře a na bocích základů se stanoví v souladu s ČSN 73 0039 [1].

O problematice vodorovného ztužení v úrov-ni základových konstrukcí podrobně pojednává J. Bradáč v [2] a [3].

Výkopy je pak vhodné zasypat vhodným materiálem s nízkými pevnostními a přetvárnými charakteristikami (viz tab. 5 v ČSN 73 0039 [1]), které sníží účinky smykových napětí na bocích základů.

Obr. 4: Princip stažení objektu pomocí ocelových předpjatých lan. 1 - předpjaté lano, 2 - rozpěrný prvek (ocelová trubka, válcované profily []), 3 - rozpěrný prvek - event. táhlo.

2. Vodorovné ztužení svislých nosných konstrukcí

V souladu s ČSN 73 0039 [1], pokud je objekt situován na staveništi I., II. či III. skupiny, se provede vodorovné ztužení svislých nosných konstrukcí pomocí ocelových předpjatých lan. A to v několika výškových úrovních, jejichž vzdálenost činí max. 6 m. O problematice dodatečného ztužování zděných svislých nosných konstrukcí pomocí ocelových předpjatých lan je pojednáno např. v [4] a [5].

3. Statické zajištění kleneb

Klenby jsou konstrukce, které jsou velmi citlivé na jakýkoliv pohyb v podporách. Jsou tedy velmi citlivé také na účinky poddolování. Z tohoto důvodu je třeba provést jejich řádné statické zajištění. To se provede následovně:

1. Pokud jsou klenby porušeny trhlinami, vyspraví se nejprve vyklínováním pomocí tlakové injektáže vhodným materiálem (např. epoxidovými pryskyřicemi). Tím se klenbě vrátí její původní funkce, která spočívá v přenášení zatížení do podpor tlakem.

2. Do podpěr klenebních pásů se navrhnou předpjatá táhla z ocelových lan, která se umístí v ocelových rozpěrách (obr. 6, 7, 8). V nejnižší úrovni nosných prvků kleneb (stěn, sloupů či pilířů) se provede rozpěra z předpjatého betonu (obr. 8).

Je naprosto nevhodné případné umístění táhel ve vyšší úrovni než v patách kleneb. To proto, že pokud není klenba v patě řádně zajištěna, v případě takto umístěného táhla může při pohybu v patě klenby dojít ke vzniku trhliny právě v místě nevhodně situovaného táhla. To proto, že klenba se v tomto místě „zlomí“. Příklad výškově i půdorysně nevhodně umístěného táhla je znázorněn na obr. 5.

Méně vhodné je také použití pouze ocelového táhla, byť správně umístěného, avšak bez předpínacího lana. To z důvodu jeho vysoké průtažnosti.

3. V úrovni základů se provede železobetonová rozpěra a stažení základů s rozpěrou pomocí ocelových předpjatých lan, jež jsou součástí zajištění základových konstrukcí (viz také bod 1). Princip je znázorněn na obr. 8.

Obr. 5: Příklad výškově i půdorysně nevhodně umístěného táhla při zajištění kleneb

Obr. 6: Táhla umístěná v patách kleneb

Obr. 7: Táhla umístěná v patách kleneb

V praxi je možno setkat se i se sanací kleneb pomocí betonových skořepin provedených na jejich rubu. Tento způsob je naprosto nevhodný, a to z následujících důvodů:

1. Dochází ke změně statického působení původní klenby. Klenba přenášejí zatížení pouze tlakem. Po sanaci je však částečně jakoby zavěšena.

2. Dochází ke zbytečnému zvyšování hmotnosti klenby, což má za následek přitěžování jak původních kleneb, tak svislých nosných konstrukcí, základů a základové spáry. Navíc na poddolovaném území přitížení v základové spáře má za následek vznik vyšších hodnot smykových napětí, a tím i vyšší riziko poškození objektu, resp. vyšší požadavky na zajištění proti vlivům poddolování v základech.

Uvážíme-li, že tloušťka nadbetonované skořepiny činí např. 100 mm, je potřebný objem betonu pro sanaci 1 m² plochy klenby 0,1 m³. Vezmeme-li minimální objemovou hmotnost železobetonu ρ = 2300 kg.m^–3, pak dostaneme hmotnost nadbetonované skořepiny 230 kg.m^–2. Přenáší-li příslušná svislá nosná konstrukce (stěna, sloup či pilíř) a následně základ zatížení od klenby z její půdorysné plochy o velikosti několika m², pak se může jednat o významné přitížení zmíněných konstrukcí.

Zanedbatelné zde není ani ekonomické hledisko – uvážíme-li, že náklady na 1 m³ betonu činí přibližně 3000 Kč, pak jen cena betonu potřebného na sanaci 1 m² plochy klenby 300 Kč. Při půdorysné ploše kostela například 30x20 m pak jen cena betonu činí 600x300 = 180 tisíc Kč. K tomu je třeba připočíst také cenu ocelové výztuže a náklady na realizaci.

3. Velmi problematické je rovněž zajištění řádného spolupůsobení klenby a nadbetonované skořepiny, které je nezbytné pro správnou statickou funkci tohoto zesílení. Pokud je klenba poškozená, je nerozumné provádět další destruktivní zásahy do její konstrukce (např. vrtání otvorů pro kotvení spřahovacích trnů).

Z hlediska spolupůsobení klenby a nadbetonované skořepiny je problematická 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).

Obr. 8: Princip statického zajištění klenbových konstrukcí

2.1.2 Zajištění proti účinkům zakřivení terénu (± R_min)

Nejprve se podle příslušných vztahů v [6] posoudí maximální délka objektu L. V případě, že tato bude menší než skutečná délka objektu, bylo by vhodné dodatečně provést jeho rozdělení na dvě či více částí dilatační spárou, resp. spárami. To však prakticky téměř nikdy nebude reálné.

Zajištění proti účinkům zakřivení terénu (± R_min) je však problematické a málokdy (pouze při vysokých hodnotách (± R_min) a malých půdorysných rozměrech objektu) bude stoprocentní z následujících důvodů:

● velké hmotnosti zdiva,

● určité poddajnosti základů,

● velmi nízké pevnosti zdiva v tahu za ohybu ve svislé rovině.

Obr. 9: Princip zesílení zděného sloupu obetonováním železobetonem

1. Proti konvexnímu zakřivení terénu (+ R_min), pokud bude objekt sanován stažením pomocí ocelových předpjatých lan, se provede s ohledem na pevnost zdiva:

a) Vhodné dimenzování předpínacích lan v horních úrovních. To proto, že při konvexním zakřivení terénu jsou tato lana namáhána tahem.

b) Velikosti sil v přepínacích lanech v úrovni základů, které se navrhnou s ohledem na velikosti smykových sil, jež jsou vyvolány účinkem vodorovného poměrného přetvoření (± ε) v důsledku kontaktu základové půdy se základovou konstrukcí (viz kap. 2.1.1), budou zpravidla dostačující také z hlediska eliminace účinků poloměru zakřivení (+ R_min). To je možno ověřit posouzením ohybového momentu, vyvozeného zakřivením terénu M_r, který se vypočte podle čl. P 1.2 V ČSN 73 0039 [1]. Velká hmotnost nadzákladového zdiva však při projevech zakřivení terénu vyvozuje další ohybový moment, který se eliminuje velmi obtížně a při malých hodnotách (+ R_min) a velké délce základu (pokud není splněna podmínka maximální délky objektu L) je jeho eliminace v podstatě nereálná.

2. Proti konkávnímu zakřivení terénu (–R_min) zpravidla rovněž postačí vhodně navržené a dimenzované ztužení v základech. To je možno, stejně jako ve výše uvedeném případě ověřit posouzením ohybového momentu, vyvozeného zakřivením terénu M_r, který se vypočte podle čl. P 1.2 V ČSN 73 0039 [1]. U předpínacích lan situovaných v horních úrovních je třeba poloměr zakřivení (–R_min) brát v úvahu v závislosti na výškové úrovni příslušného předpínacího lana. To proto, že při konkávním zakřivení terénu působí také záporná hodnota vodorovného poměrného přetvoření terénu (± ε), která jeho účinek částečně, popřípadě i úplně eliminuje. Ve vyšších úrovních se tedy mínusová hodnota poloměru zakřivení projeví buďto minimálně nebo vůbec.

Obr. 10: Zesílení zděného sloupu ocelovou bandáží

Obr. 11: Naklonění kostela situovaného na poddolovaném území není zpravidla řešitelné

2.1.3 Zajištění proti účinkům naklonění terénu

Pokud jde o naklonění objektu, provede se zpravidla pouze vyrovnání podlahových konstrukcí. Naklonění objektu jako celku není zpravidla řešitelné, a to z následujících důvodů:

a) Jestliže budou v dané lokalitě výhledové vlivy poddolování, je případná rektifikace, i pokud by byla vhledem ke hmotnosti objektu kostela a jeho konstrukci možná, naprosto zbytečná.

b) Rektifikace metodou DMT, která je popsána např. v [10], bývá zpravidla s ohledem na hmotnost a konstrukci objektu kostela neproveditelná. Metoda DMT je také v současné době v ČR zřejmě již nedostupná.

Po ukončení hlubinného dobývání a po konsolidaci terénu po proběhlých důlních vlivech by teoreticky bylo možné řešit výsledné naklonění pomocí metody zlepšování vlastností základové půdy a injektážního tlaku (viz [11]).

Pokud se uvnitř dispozice objektu vyskytují sloupy nebo pilíře, posoudí se jejich únosnost s ohledem na zvýšení zatížení, které je zapříčiněno jeho redistribucí v důsledku naklonění objektu. Naklonění terénu se projevuje také vznikem vodorovné složky H všech původně svislých zatížení V. Ta se vypočte podle ČSN 73 0039 [1]:

H = μ_i.i.V [3],

kde: V [kN] je součet všech svislých zatížení (stálých i nahodilých), i [rad] je naklonění, μ_i [–] je korekční součinitel.

V případě zděných sloupů nebo pilířů je možno provést sanaci již porušených sloupů a zároveň zvýšení jejich únosnosti pomocí obetonování železobetonem (obr. 9), nebo ocelovou bandáží (obr. 10). O této problematice je podrobně pojednáno např. v [8] a [9].

Jestliže jsou ve věži umístěny zvony, vyvozují tyto při zvonění poměrně velká dynamická zatížení, která se projevují zvýšenými hodnotami svislých a vodorovných reakcí v jejich závěsech, jež se posléze skrze zvonovou stolici přenášejí do zdiva věže. Určitými úpravami na zvonech je možno dosáhnout zmírnění těchto dynamických účinků a tím i snížení namáhání zdiva věže v případě jejího většího náklonu. Přicházejí v úvahu tyto možnosti:

● snížení úhlu maximálního rozkyvu zvonů,

● úprava závěsu zvonu (zkrácení vzdálenosti mezi těžištěm zvonu a osou jeho závěsu),

● převěšením zvonů do nižší výškové úrovně,

● zvonění jen jedním zvonem,

● nepoužívání zvonů v době maximálního náklonu věže.

V extrémních případech naklonění bude někdy nutné uvažovat i s variantou případného snesení věže. To však může být problematické u památkově chráněných sakrálních objektů.

Obr. 12: Terénní stupeň

2.1.4 Zajištění proti účinkům poklesu terénu (s_max)

Pokles terénu, pokud je rovnoměrný, není zdrojem přídavných vnitřních sil v konstrukcích, a tudíž není staticky významný obdobně jako rovnoměrné sednutí.

V důsledku poklesu terénu však může dojít k tzv. relativnímu zvýšení hladiny podzemní vody, což může mít za následek:

a) podmáčení základové spáry – následkem toho pak může docházet k nerovnoměrnému sedání základů, jehož důsledkem je pak vznik trhlin v základech a v nadzákladovém zdivu.

b) zvýšené vzlínání vody do zdiva – poruchy se projevují odlupováním fasádního a vnitřního nátěru, bobtnáním a odpadáváním omítky. Při hmotnostní vlhkosti zdiva větší než 5 %, což je hraniční hodnota mezi vlhkostí nízkou a zvýšenou (viz ČSN P 73 0610 [12]), dochází k destrukci omítek mrazem. Dále pak tmavším zbarvením omítek nebo neomítnuté zdi, vznikem plísní a výkvětů, které způsobují soli obsažené ve vzlínající vodě.

c) Následkem zavlhčení zdiva na velmi vysoké hodnoty (nad 10 %) dochází také ke snížení jeho pevnosti, a tedy i únosnosti. A to až o 40 % oproti zdivu s vlhkostí nízkou (do 5 %) viz [13]. Tato skutečnost tedy může být příčinou statických poruch na zděných konstrukcích s malou rezervou v únosnosti, na zdivu s nekvalitními zdicími prvky nebo spojovací maltou.

Dalším důsledkem velmi vysokého zavlhčení zdiva jsou jeho poměrně vysoké hodnoty svislých deformací (viz [13]). Tato skutečnost může být problematická zejména u zděných sloupů a pilířů, které nesou klenbové konstrukce. Stlačení zdiva zde vyvolá pokles jejich podpory, což může být příčinou vzniku trhlin v klenbě.

Z výše uvedených důvodů je nutno vždy v rámci zpracování projektu statického zajištění vyhodnotit také vliv relativního zvýšení hladiny podzemní vody v důsledku poklesu terénu (s_max).

2.2 Zajištění proti nespojitým přetvořením terénu a důlním otřesům

Pokud jde o nespojité deformace terénu (terénní stupeň, trhlina, terénní vlna, propadlina), pak míra účinnosti příslušného statického zajištění závisí na typu nespojité deformace a její velikosti. Totéž platí pro případný výskyt důlních otřesů. To proto, že v současné době není známo technické řešení, kterým bychom byli schopni spolehlivě zajistit zděné objekty proti jakékoliv velikosti libovolného typu nespojitého přetvoření terénu či důlního otřesu o vysoké intenzitě. Problém spočívá v tom, že nespojité deformace vnášejí do konstrukcí přídavná namáhání, která v nich vyvozují vnitřní síly o vysokých hodnotách. Totéž lze principielně říci o důlních otřesech, které mají navíc dynamické účinky.

Příspěvek byl vypracován za finančního přispění MŠMT, projekt 1M6840770001, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS.

JAROSLAV SOLAŘ

obr. a foto archiv autora

Literatura:

1) ČSN 73 0039 Navrhování objektů na poddolovaném území (1989).

2) Bradáč J.: Účinky poddolování a ochrana objektů. Díl první. EXPERT – technické nakladatelství Ostrava, 1996.

3) Bradáč J.: Účinky poddolování a ochrana objektů. Díl druhý. Dům techniky Ostrava, spol. s r. o., květen 1999.

4) Solař J.: Sanace zděných objektů po povodni. Tepelná ochrana budov č. 5/2002.

5) Bažant Z., Klusáček L.: Statika při rekonstrukcích objektů. Akademické nakladatelství CERM, s. r. o., Brno, březen 2002.

6) Bradáč J. a kol.: Navrhování objektů na poddolovaném území. Komentář k ČSN 73 0039. Vydavatelství norem, Praha, 1991.

7) ČSN 73 1001 Základová půda pod plošnými základy (1987).

8) Vaněk T.: Rekonstrukce staveb. SNTL. Praha, 1985.

9) Witzany J.: Poruchy a rekonstrukce zděných budov. Nakladatelství ŠEL, spol. s r. o., Praha, 1999.

10) Solař J.: Rektifikace budov v poddolovaném území. Beton a zdivo č. 2/1995.

11) Verfel J.: Injektování hornin a výstavba podzemních stěn. MÚS BRADLO Bratislava, 1992.

12) ČSN P 73 0610 Hydroizolace staveb. Sanace vlhkého zdiva. Základní ustanovení (2000).

13) Witzany J., Čejka T., Zigler R.: Vliv vlhkosti na dlouhodobé přetváření zdiva. Stavební listy č. 11–12/2005. ABF, a. s., Nakladatelství ARCH, Praha.

Doc. Ing. Jaroslav Solař, Ph.D. (*1963) absolvoval Stavební fakultu VUT v Brně v roce 1986. V současné době působí na katedře pozemního stavitelství Stavební fakulty VŠB-TU Ostrava. Zabývá se problematikou vlivu vlhkosti na stavební objekty, střešních plášťů, poruch a rekonstrukcí staveb, staveb na poddolovaném území a v povodňových oblastech.