Moderní trendy zesilování konstrukcí

Autor článku se zamýšlí nad moderními trendy zesilování konstrukcí a nad potřebou plánovat monitoring konstrukcí a možnosti jejich budoucího zesílení již při projektové přípravě.

Požadavky na zesilování konstrukcí se vyskytují poměrně často. Zesilování bývá vyžadováno z důvodů:

• změny účelu objektu nebo jeho části (obvykle spojeno se zvýšením zatížení),
• degradace konstrukce působením vlivů prostředí (vnitřního i vnějšího; agresivita) a/nebo zanedbáním údržby, vliv nevhodných zásahů do konstrukce,
• technických (konstrukční chyby, chyby provádění),
• účinků projektem nepředvídaných zatížení (teroristické útoky, technická seizmicita, seizmicita aj.).

Cílem je řešit problém zesílení nejen v požadované kvalitě, rychle, ale také ekonomicky a efektivně.

Zesilování
Před návrhem zesílení je nutno provést obvykle následující kroky (obr. 1):

• definice požadavků na zesílenou konstrukci,
• shromáždění podkladů o konstrukci,
• prohlídka a průzkum konstrukce,
• analýza konstrukce (riziková analýza),
• návrh variant řešení/zesílení,
• jejich ekonomické zhodnocení,
• volba a projektové zpracování vybrané varianty a vlastní realizace.

Obr. 1: Schéma postupu posouzení konstrukce před zesílením

Na základě provedené rizikové analýzy konstrukce vzhledem k jejímu aktuálnímu stavu, požadavkům na její zatížitelnost a odolnost a používání klasifikujeme stavební konstrukce do následujících skupin:

• Konstrukce s vysokým rizikem porušení (kolapsu) – konstrukce s vysokou pravděpodobností významné havárie, která může ohrozit lidské životy, respektive omezit využívání konstrukce, se zásadními důsledky při vyřazení konstrukce z provozu. V tomto případě je nutné provést zesílení co nejdříve.
• Konstrukce s vysokým rizikem porušení – konstrukce má nižší pravděpodobnost poruchy, je méně zranitelná. Následky porušení jsou vysoké (ekonomické hledisko, technické hledisko), odkládat provedení zesílení má významné ekonomické důsledky, neboť v důsledku odkladu výrazně narůstají náklady, respektive se omezují možnosti využívání konstrukce. V tomto případě se o realizaci zesílení rozhoduje zejména na základě výsledků ekonomických rozborů.
• Konstrukce s nízkým rizikem porušení – nízká pravděpodobnost poruchy, důsledky možné poruchy nejsou zásadní ani z ekonomického, ani z technického hlediska. Zesílení samozřejmě zvýší spolehlivost konstrukce, ale jeho realizace není okamžitě nevyhnutně nutná.

Metody zesilování
Zesilování konstrukce je realizace technického opatření, které vede ke zvýšení únosnosti konstrukce, zvětšení její tuhosti nebo zvýšení odolnosti vůči mimořádným zatížením (attack resistance, impact loading). Lze obvykle využít:

• zvětšení průřezu, které zahrnuje i zvýšení hmotnosti prvku, obvykle i zvětšení pevnosti materiálů použitých v průřezu,
• redukci (zmenšení) rozpětí, respektive úpravu okrajových podmínek,
• úpravu styků.

Oprava nebo náhrada porušených objektů je obvykle komplikovanější a náročnější než zesilování, respektive retrofitting konstrukcí, neboť:

• cena odstranění narušené konstrukce a nové výstavby je výrazně vyšší,
• je nutno chránit a zachovat cenné a historicky významné objekty pro budoucnost,
• je vhodné udržovat funkční a kulturní životní prostředí.

Například seizmické zodolnění neporušeného nevyhovujícího objektu je zhruba 2,5- až 3krát dražší než opatření, která by zajistila odpovídající seizmickou odolnost objektu během jeho výstavby. Oprava a seizmické zodolnění narušeného objektu je zhruba 4- až 6krát dražší než zesílení provedené před narušením. Zjednodušeně lze konstatovat, že zesilovat lze v podstatě všechny konstrukce vůči všem v úvahu připadajícím namáháním. Přehled metod zesilování lze nalézt v [2], [3]. V poslední době jsou pro zesilování využívány zejména FRP kompozity: lamely, tkaniny, dodatečně vkládaná FRP výztuž.

Vzhledem k ceně a k modulu pružnosti nekovových materiálů je při zesilování snaha:

• používat aramidové (AFRP) a skleněné (GFRP) materiály zejména předpjaté,
• uhlíkové (CFRP) materiály používat předpjaté i nepředpjaté.

V tab. 1 je zdokumentováno využití FRP materiálů pro zesilování. Uvádějí se hlavní aplikační oblasti, typ výrobku a upozorňuje se na některé dominantní způsoby porušení, respektive na jiné významné skutečnosti.

I přesto, že návrh zesílení je poměrně komplexní a velmi komplikovaná úloha, jejíž řešení závisí na konkrétním případě (stavu objektu, cíli zesilování, předpokládané délce využívání zesilované konstrukce) (obr. 1), lze v poslední době pozorovat v zahraničí i v ČR snahu po vytvoření jednoduchých návodů, které podstatně zkvalitní návrh zesílení a optimalizují ho z cenového hlediska. Takový příklad lze nalézt pro případ zesilování:

• zděných stěnových konstrukcí (tab. 2),
• klenbových zděných mostů o jednom poli (obr. 2).

Tab. 1: Aplikační oblasti FRP při zesilování konstrukcí

Tab. 2: Srovnání výhod a nevýhod systémů pro zesilování zděných stěnových konstrukcí

Obr. 2: Vývojový diagram opravy a zesílení zděného klenbového mostu o jednom poli (je řešena pouze oprava vlastní klenby)

Stavební konstrukce budoucnosti
Je zřejmé, že zejména u investičně náročných konstrukcí, respektive u konstrukcí, jejichž vyřazení z provozu (třeba i na krátkou dobu) může mít fatální důsledky z hlediska ekonomického, sociálního, společenského i prestižního, je velmi důležité plánovat a provádět údržbu, opravy, případně i zesilování plánovitě a v předstihu. Jde o to, aby byla zajištěna vysoká spolehlivost objektu při minimalizaci nákladů vložených do oprav a zesilování. Proto je v poslední době věnována již při projektové přípravě výstavby, respektive revitalizace objektu značná pozornost sběru dat, která umožní včas identifikovat podstatné změny při chování konstrukce.

Při monitorování konstrukcí se dnes již využívají nejen klasické metody sběru dat, ale také družicové systémy. Rovněž nově budované mostní konstrukce, další inženýrské konstrukce (tunely, přehrady), respektive konstrukce jaderné energetiky jsou vybavovány monitorovacími systémy, které umožňují on-line sledování a sběr údajů. Starší, ale významné konstrukce, jejichž vyřazení z provozu by mohlo způsobit významné komplikace, jsou těmito systémy dovybavovány (obr. 3). Na kvalitní, spolehlivý a rozsáhlý on-line systém sběru dat navazuje počítačový expertní systém (obr. 4), který je „naladěný“ na to, aby pro konkrétní konstrukci ze statického/dynamického hlediska významné odchylky naměřených hodnot od hodnot očekávaných, respektive hodnoty dokumentující stárnutí materiálů konstrukce identifikoval, provedl jejich analýzu a správci/vlastníkovi objektu poskytl včasné varování.

Obr. 3: Monitorovací systémy hlavních prvků mostních konstrukcí (schéma)

Obr. 4: Schéma expertního systému pro tzv. real time posuzování stavu konstrukce (aktuální stav i stavy umožňující prognózu stárnutí konstrukce)

Dokonce je možno provádět i rizikové analýzy a simulace následků teroristických útoků, respektive účinku jiných havarijních zatížení na konstrukci. Na tyto expertní systémy již jsou vzahraničí navázány ekonomické algoritmy, které dokážou poskytovat podklady decision-makerům, kteří mohou objektivně plánovat umístění financí pro opravu, rekonstrukci či zesílení. Lze dosáhnout i účinné eliminace možných vlivů případného korupčního jednání.

Závěr
Návrh moderních stavebních konstrukcí by již měl obsahovat i podporu sledování a vyhodnocování stavu objektu během jeho užívání. Rovněž tak by mělo být plánováno i možné budoucí zesílení konstrukce, respektive její upgrade. Významné stávající konstrukce je nutno těmito systémy dodatečně vybavit.

Příspěvek vznikl za podpory projektu MPO ČR FT-TA5/036 Management rizika, spolehlivosti a životnosti železobetonových konstrukcí a projektu Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy MSM0021630519 Progressive reliable and durable load bearing structures.

prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc.
Obrázky: archiv autora

Autor působí na Fakultě stavební Vysokého učení technického v Brně v Ústavu betonových a zděných konstrukcí.

Literatura
1. Prezentace DOKA. Highrice. Exkurze Dubaj, ČBS 2008.
2. Štěpánek, P.: Methods and trends for strengthening of concrete and masonry structures. 4th CINPAR, Aveiro, Portugal, 06/2008.
3. Ward, S. P.: Retrofitting Existing Masonry Buildings to Resist Explosions. 2005.
4. http://www.masonrymagazine.com/2-05/retrofit.html

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.