Životnosť drevených konštrukcií veľkých rozpätí

Drevené nosné konštrukcie veľkých rozpätí sa často používajú na zastrešenie športových hál a   telocviční. Z dôvodu zhromažďovania veľkého počtu ľudí v týchto priestoroch je veľmi dôležité monitorovať stav a správanie sa týchto konštrukcií. Havária takejto konštrukcie by mohla mať tragické následky. Extrémne snehové zrážky v minulej zime ešte viac poukázali na potrebu pravidelnej kontroly a vyhodnocovania stavu nosných konštrukcií. V rámci tohto príspevku je posudzovaná drevená nosná konštrukcia zimného štadióna vo Zvolene.

F

Obr. 1: Priečny rez konštrukciou

Nosná konštrukcia strechy zimného štadióna bola projektovaná na konci šesťdesiatych rokov minulého storočia a realizovaná v roku 1972. Staticky pôsobí ako prútová sústava s väzníkom a vzperou. Vrcholový spoj aj podpory boli navrhnuté ako kĺby. Rozpätie je 60 m, pričom dĺžka strešného väzníka je 55,5 m. Vzpera je z lepeného lamelového dreva profilu b/h = 160/700 mm.

Väzník je skriňového profilu (obr. 2).

Obr. 2: Profil strešného väzníka

Obr. 3: Spoj segmentov príložkami a svorníkmi

Vyhodnotenie stavu zachovalosti drevenej konštrukcie

Drevo je špecifický stavebný konštrukčný materiál. Táto jeho špecifickosť vyplýva z jeho štruktúry. Drevo je nehomogénny, anizotrópny biopolymér, pričom anatomická skladba dreva priamo determinuje jeho mechanické vlastnosti. Zvýšená vlhkosť v dreve negatívne ovplyvňuje mechanicko-fyzikálne vlastnosti a súčasne je jednou z podmienok pre rast drevokazných húb a výskyt drevokazného hmyzu. Z týchto dôvodov je potrebné poznať vlhkostné pomery v konštrukcii. Vo februári 2006 bola nameraná vlhkosť drevenej konštrukcie v rozsahu  11–17 %. Takáto nízka vlhkosť nevytvára priaznivé podmienky pre aktivity drevokazného hmyzu a húb (w_{krit. min} (hmyz) = 10 %, w_opt (fúzač krovový) = 30–35 %, w_opt (červotoč) = 30 %, w_{krit. min} (huby) = 20 %). Na konštrukcii sa objavili staré biopoškodenia z čias, keď do konštrukcie zatekalo a nebola dostatočne prevetrávaná. Nové biopoškodenia boli len lokálne a nepredstavovali vážne nebezpečenstvo pre konštrukciu. Stav konštrukcie po vyše tridsiatich rokoch používania potvrdil, že pokiaľ drevená konštrukcia je dobre prevetrávaná, dokáže sa vysporiadať aj so zatekaním. Toto je prípad sledovanej konštrukcie, pretože v minulosti dochádzalo k zatekaniu cez nekvalitne zhotovenú krytinu a ku kondenzácii vodných pár v medzistrešnom priestore.

Posúdenie drevenej konštrukcie na I. medzný stav

Pôvodný statický výpočet bol spracovaný podľa ČSN 73 2050 ešte podľa metodiky dovolených namáhaní. V rámci posudku bol vypracovaný aj kontrolný statický výpočet podľa STN 73 1701. Výpočet ukázal, že všetky posudzované parametre vyhoveli okrem únosnosti spoja a napätia v stykoch stien. Výpočtová pevnosť pásnic sa uvažovala pevnostnou triedou SM/SB, napriek tomu, že v pôvodnej výrobnej dokumentácii je predpísaná trieda SA. Zníženie pevnostnej triedy zohľadnilo stav konštrukcie a výrobné možnosti v čase realizácii. Požadovaná únosnosť spoja F_{t, d} = 868,826 kN je väčšia ako vypočítaná únosnosť T_sp = 683,65 kN. Vypočítaná únosnosť spoja v ťahovej zóne je len 79 % z požadovanej únosnosti. V spoji došlo k výraznému popusteniu v smere pôsobenia ťahovej sily, kde „otvorenie spoja“ medzi segmentmi dosahuje až 40 mm, pričom konečná deformácia vypočítaná podľa EC5 je pre zaťaženie stále 8 mm. Segmenty sú posunuté medzi sebou aj vo vertikálnom smere až o 20 mm vplyvom posúvajúcej sily. Výpočet napätí v styku steny po zohľadnení skutočného zhotovenia spoja ukázal prekročenie napätia v stykoch stien o cca 10 %. Steny boli nastavené príložkami z lepeného lamelového dreva, čo je odlišný materiál ako preglejky použité v stene.

Obr. 4: Hypsometria - priehyb strešnej roviny štadiona v metroch

Na danej konštrukcii je zaujímavé vyhodnotenie deformácií. Zhrnutie požadovaných, vypočítaných a nameraných deformácií väzníka je v tabuľkách 1 a 2.

Merania priehybov zistili extrémnu deformáciu 550 mm, pričom všetky väzníky mali priehyb väčší ako 400 mm, pritom limitný priehyb je f_lim = 184,3 mm. Limitný priehyb je uvažovaný ako tristotina rozpätia a vo výpočte deformácií sa zohľadnil aj vplyv posúvajúcich síl. Skutočne nameraný priehyb prekračuje limitnú hodnotu v extrémnom prípade až o 198,4 %. Počas merania deformácií v roku 2006 bolo zaťaženie snehom cca 0,3 kNm^–2 (stavba je realizovaná v III. snehovej oblasti, kde základná tiaž snehu je 1,0 kNm^–2). Zaťaženie snehom bolo preto hlboko pod normovou hodnotou.

Z predchádzajúcich meraní v letnom období (nepôsobí zaťaženie snehom) je zrejmé, že nevyhovuje priehyb ani len zo zaťaženia stáleho.Podľa osôb prítomných pri realizácii už po vztýčení väzníkov bol priehyb 340 mm. V čase návrhu drevenej konštrukcie bol požadovaný limitný priehyb f _lim = L/400 = 55 300/400 = 138,2 mm. Počas užívania stavby pritom došlo k postupnému zmenšeniu stáleho zaťaženia väzníka postupným odstraňovaním častí strešného plášťa, čo by sa malo teoreticky prejaviť zmenšením priehybu.

Tabuľka 1: Vyhodnotenie priemerných  priehybov (v roku 1994 a 2002 bol priehyb meraný v letných mesiacoch, v roku 2006 vo februári pri výške snehovej pokrývky 150 mm)

Tabuľka 2: Vyhodnotenie maximálnych priehybov (v roku 1994 a 2002 bol priehyb meraný v letných mesiacoch, v roku 2006 vo februári pri výške snehovej pokrývky 150 mm)

Nárast skutočne nameraného priehybu voči teoreticky vypočítanému je spôsobený viacerými faktormi:

a) dotvarovaním, ktoré ovplyvňujú reologické vlastnosti dreva a preglejky. Zväčšenie okamžitej deformácie na konečnú dotvarovaním závisí od druhu materiálu, vlhkosti a dĺžky trvania zaťaženia, čo je ošetrené v EC5 súčiniteľom k_def. Pre zaťaženie stále je možné uvažovať k_def = 0,6 pre pásy a k_def = 0,8 pre steny z preglejky, čo v podstate znamená nárast deformácie o min. 60 %, teda konečná deformácia zo zaťaženia stáleho by mala byť 270 mm;

b) popustením v spoji segmentov v oboch smeroch (veľká koncentrácia napätí v dreve v miestach styku so svorníkmi);

c) negatívnym vplyvom zvýšenej vlhkosti na konštrukciu počas určitého obdobia.

Obr. 5: Návrh sanacie strešnej konštrukcie ZŠ vo Zvolene - priečny rez

Záver

Posudzovaná konštrukcia je zaujímavá tým, že sa dlhodobo sledovali a merali jej deformácie. Výsledky meraní a kontrolného statického výpočtu poukázali na niekoľko problémov z hľadiska bezpečnosti. Najproblémovejší je svorníkový spoj segmentov, ktorý má prenášať ohybový moment (M_MAX = 2 684,2 kNm). Ukazuje sa, že takýto spoj, prebraný v podstate z oblúkových konštrukcií (s relatívne malým ohybovým momentom), nie je vhodný na prenos veľkých ohybových momentov, navyše v dobe realizácie sa kolíky, ktoré sú tuhšie, nepoužívali. Tvar konštrukcie požadovaný architektom predurčil aj statický systém, ktorý pre veľké rozpätie nie je výhodný. Potvrdili sa zvýšené deformácie tenkostenných nosníkov, pričom strešný väzník tohto typu o rozpätí 55 m je zrejme svetový unikát. Mnohé postupy pri návrhu konštrukcie boli priekopnícke, keďže v čase návrhu príslušné normy mnohé problémy takéhoto typu konštrukcie neriešili. Napriek týmto problémom konštrukcia neskolabovala, čo ale neznamená, že sa môže bezpečne užívať ďalej, preto sa pripravuje jej sanácia.

Obr. 6: Návrh sanacie strešnej konštrukcie ZŠ vo Zvolene - rezA-A

obr. archiv autora a Zuzana Tiralová (7)

Literatura:

1) STN P ENV 1995-1-1: Eurokód 5, Navrhovanie drevených konštrukcií. Časť 1-1:Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby, 2002.

2) STN 731701: Navrhovanie drevených stavebných konštrukcií, 1984.

Ing. Roman Soyka (*1959)

absolvoval Dřevařskou fakultu Vysoké školy lesnické a dřevařské ve Zvolenu. V současné době pracuje jako odborný asistent na Technické univerzitě ve Zvolenu v oddělení dřevostaveb KNDV. Je autorizovaným stavebním inženýrem v oboru statiky Slovenské komory stavebních inženýrů.