Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Ústav betonových a zděných konstrukcí
Ing. Ladislav Klusáček, CSc.
ZESILOVÁNÍ KONSTRUKCÍ DODATEČNÝM PŘEDPÍNÁNÍM KABELY V NÁHRADNÍCH KANÁLCÍCH A DRÁŽKÁCH STRENGTHENING OF STRUCTURES USING POST-TENSIONING BY CABLES IN SUBSTITUTED CABLE DUCTS AND SLOTS
Teze habilitační práce obor Konstrukce a dopravní stavby
Brno 2009
Klíčová slova: zesilování, dodatečné předpínání, metoda náhradních kabelových kanálků, vrtané kanálky, sedla, kotvy, trámové mosty, deskové mosty, mostní klenby, zděné konstrukce, barokní stavby, průmyslové haly
Key Words: strengthening, post-tensioning, substituted cable ducts method, drilled ducts, saddles, anchorages, beam bridges, slab bridges, bridge vaults, masonry structures, baroque buildings, industry halls
Místo uložení rukopisu Práce je uložena na OVV Fakulty stavební, Vysoké učení technické v Brně, Veveří 95, Brno, 602 00
© Ing. Ladislav Klusáček, 2009 ISBN 978-80-214-3967-2 ISSN 1213-418X
OBSAH 1 ÚVOD ........................................................................................................................................................ 5 1.1 Cíl práce ........................................................................................................................................... 5 1.2 Způsob zpracování ........................................................................................................................... 5 2 PŘEDPOKLADY ZESILOVÁNÍ PŘEDPÍNÁNÍM................................................................................... 6 2.1 Teoretické předpoklady..................................................................................................................... 6 2.1.1 Vývoj předpjatého betonu .................................................................................................... 6 2.1.2 Vývoj částečného předpětí ................................................................................................... 6 2.1.3 Důvody pro částečné předpětí .............................................................................................. 6 2.1.4 Terminologie, definice stupně předpětí ................................................................................ 7 2.1.5 Působení předpětí při zesilování konstrukcí ......................................................................... 9 2.2 Technologické předpoklady ............................................................................................................ 10 2.2.1 Obalované předpínací lano (chráněné proti korozi)........................................................... 10 2.2.2 Vrtání náhradních kabelových kanálků .............................................................................. 11 2.2.3 Řezání diamantovými nástroji - příprava sedel (deviátorů) ............................................... 13 2.2.4 Řezání kotevních oblastí .................................................................................................... 14 2.2.5 Dodatečné předpínání ........................................................................................................ 14 2.2.6 Injektáže trhlin v sanovaných konstrukcích ..………………………………………………14 3 KONSTRUKČNÍ DETAILY.................................................................................................................... 15 3.1 Sedla ............................................................................................................................................... 16 3.1.1 Sedla v betonu zesilované konstrukce ................................................................................ 16 3.1.2 Sedla v nově vybetonovaných blocích ............................................................................... 17 3.1.3 Sedla jako ocelové svařence............................................................................................... 17 3.1.4 Sedla ve zděných konstrukcích .......................................................................................... 17 3.2 Kotevní oblasti................................................................................................................................ 19 3.2.1 Kotvy s rovinnou deskou bez primární ochrany ................................................................. 19 3.2.2 Zapouzdřené kotvy ............................................................................................................ 20 3.2.3 Kotevní oblasti ve zdivu.................................................................................................... 21 3.3 Náhradní kabelové kanálky............................................................................................................. 22 4 ZESILOVÁNÍ MOSTŮ TRÁMOVÝCH A DESKOVÝCH .................................................................... 22 4.1 Zesilování železobetonových mostů metodou náhradních kabelových kanálků .............................. 22 4.2 Statické působení předpínacích kabelů při zesilování dodatečným předpínáním............................. 23 4.2.1 Zmenšení účinků vlastní tíhy ............................................................................................. 23 4.2.2 Zvýšení únosnosti průřezu ................................................................................................. 25 4.2.3 Redukce posouvajících sil.................................................................................................. 26 4.3 Deformace zábradelního mostu při předpínání a při zatěžovací zkoušce......................................... 27 5 ZESILOVÁNÍ ZDĚNÝCH MOSTŮ ........................................................................................................ 28 5.1 Prutový a prostorový model mostní klenby..................................................................................... 29 5.2 Zesilování kleneb příčným předpětím ............................................................................................. 29 5.3 Rekonstrukce mostní klenby v havarijním stavu ............................................................................. 30 6 PŘEDPÍNÁNÍ ZDĚNÝCH KONSTRUKCÍ ............................................................................................ 31 6.1 Zesilování příčné vazby staveb s klenbami podélným a svislým předpínáním ................................ 32 7 ZESILOVÁNÍ MONTOVANÝCH KONSTRUKCÍ A KONSTRUKCÍ V PRŮMYSLU........................ 34 7.1 Zesilování krátkých konzol ............................................................................................................. 34 8 ZÁVĚR..................................................................................................................................................... 37 LITERATURA .............................................................................................................................................. 38 REALIZOVANÁ DÍLA ................................................................................................................................ 39 ABSTRACT .................................................................................................................................................. 40
3
P EDSTAVENÍ AUTORA: Ing. Ladislav Klusá ek, CSc. odborný asistent Ústavu betonových a zd ných konstrukcí FAST VUT v Brn Narozen
14.3.1958 v Brn
Vzd lání
základní ZDŠ Antonínská v Brn st ední gymnázium v Brn , Kon vova 47 vysokoškolské Stavební fakulta VUT v Brn , obor konstrukce a dopravní stavby,
V decká hodnost CSc. obhajobou diserta ní práce v samostatné v decké p íprav ve v dním oboru 36 – 02 – 9 Teorie a konstrukce inženýrských staveb, na téma Sanace konstrukcí p edp tím Odborná innost • stavbyvedoucí ob anské výstavby, (1984-1988) • stavební pr zkum diagnostika konstrukcí, (od 1986) • zatížitelnost a zesilování mostních konstrukcí, (od 1993) • rekonstrukce a záchrana památek, zesilování konstrukcí pozemních staveb a sanace konstrukcí p edp tím obecn , (od 1996) • navrhování a posuzování železobetonových a p edpjatých konstrukcí (od 1995) Výzkumná innost • ešitel díl ího výzkumného úkolu „ áste né a omezené p edp tí most “ zpracovávaného pro Výzkumný ústav inženýrských staveb Bratislava, (1988 – 1991) • spolu ešitel výzkumného úkolu „Vliv poruch a závad na uživatelské parametry betonových mostních konstrukcí“, (1986 – 1989) • spolu ešitel výzkumných zám r CEZ Stavební fakulty, (od 1998) Publika ní innost • aktivní ú ast na odborných konferencích, (od 1986) • aktivní ú ast na odborných zahrani ních konferencích, (od 1999) • lánky v odborných a v deckých asopisech, (od 1996) • spoluautor vysokoškolských skript, (od 1996) • autorství kapitol knižních publikací, software, (od 2002) Spolková innost • len Komory autorizovaných inženýr a technik inných ve výstavb , (od 2005) • len p ípravného výboru konference Mosty 20xx, (od 2008) len sout žních porot • len sout žní poroty architektonicko-urbanistické sout že na zpracování NÁVRHU TYRŠOVA MOSTU P ES EKU BE VU v P erov (2003) Posudková a projek ní innost • více než 25 odborných posudk a expertiz v rámci H Fakulty stavební • p es 46 realizovaných návrh a projekt v oblasti rekonstrukcí most , památek a pozemních staveb Patenty • CHLABALA, J., KLUSÁ EK, L., SOLA ÍK, M. Užitný vzor: Zesílený nosník. Ú ad pr myslového vlastnictví eské republiky, 2004, íslo zápisu 14466 z 21.6.2004. • CHLABALA, J., KLUSÁ EK, L., SOLA ÍK, M., P N ÍK, J. EP 1705313 Reinforced console column and the method of its production. 2007. Evropský patent.
4
1 1.1
ÚVOD
CÍL PRÁCE
Tématem habilita ní práce je zesilování konstrukcí dodate ným p edpínáním. Práce prohlubuje dosavadní postupy provád né p edp tím volnými p edpínacími kabely, pop ípad samotnými lany, tzv. monostrendy. Stanovuje zásady návrhu p edp tí a jeho vhodné aplikace z hlediska teoretického, technologického a konstruk ního. Dále popsané zp soby zesilování konstrukcí byly z velké v tšiny provedeny jako p vodní konstruk ní a technologické ešení za p isp ní autora práce, nebo jako jeho p vodní ešení. Na vybraných konstrukcích byla provedena m ení, jejichž výsledky jsou v práci uvedeny. Práce ukazuje rozsáhlé možnosti použití této metody v hlavních oblastech jejího použití p i zesilování konstrukcí: most , zd ných konstrukcí a pr myslových konstrukcí. Stávající mostní konstrukce jsou asto p edm tem rekonstrukcí p i p íležitosti oprav celých silni ních tah . Tyto mosty je v mnoha p ípadech vhodné zesilovat dodate n p edp tím. Tímto zp sobem je možné zvýšit jejich únosnosti na požadované parametry a p itom snížit cenu za rekonstrukci mostu podle údaj investor na 30 až 50% ástky nutné pro výstavbu mostu zcela nového. Efektivita zesilování p edp tím se zde dále projevuje v tom, že konstrukci je možné dále prostorov rozší it nadbetonovanou i sp aženou deskou, která sice nep ízniv zvyšuje stálé zatížení, ale práv pro jeho p enesení vytvo í p edp tí p edpoklady. Práce popisuje postupy použité s úsp chem p i zesilování takovýchto most volnými a dodate n napínanými kabely. Její záb r je rozší en dále o sanaci zd ných most - p edpínání zd ných klenbových konstrukcí. Objekty pozemních staveb historického a sakrálního významu jsou rozsáhlé zd né konstrukce. V prvé ad jsou tyto konstrukce narušeny zejména po statické stránce. P itom jsou ze strany Památkové pé e kladeny zvýšené nároky na p vodnost konstrukcí, minimalizaci sana ních zásah , jsou odmítány postupy založené na primitivním použití železobetonu (p ibetonování, obetonování a pod.). V práci jsou ukázány navržené a realizované postupy založené na užití p edp tí a p edpínání monostrandy i v p ípad t chto cenných památek Významnou oblastí použití dodate ného p edp tí p i zesilování stávajících konstrukcí jsou pr myslové konstrukce. Proto ve t etí ásti jsou projednány možnosti zesilování nosných konstrukcí pr myslových hal. Práce je zde zam ena na p edstavení zásad návrhu, správných technologických postup a na zvládnutí konstruk ních detail jako p edpoklad pro trvanlivost sanací a zesílení provedených dodate ným p edp tím. Sou asn jsou uvedena m ení na vybraných stavbách (vlastn jde o experimenty v m ítku 1:1), která byla provád na s cílem ov it shodu chování p edpínané konstrukce s o ekávaným a teoreticky p edpokládaným p etvá ením. Tato m ení byla provedena p i zesilování mostních konstrukcích, p i svislém a vodorovném p edpínání zd ných konstrukcí a také p i zesilování konstrukcí pr myslových. M ení p etvá ení zesilovaných sanovaných konstrukcí byla provád na asto zcela poprvé. Cílem bylo p isp t k prohloubení poznání o chování zesilovaných konstrukcí. 1.2
ZP SOB ZPRACOVÁNÍ
Téma je pospáno formou habilita ní práce, které má rozsah 203 stran. Habilita ní práce je len na do následujících kapitol: 1. Úvod 2. P edpoklady zesilování p edp tím 3. Konstruk ní detaily 4. Zesilování most trámových a deskových 5. Zesilování zd ných most 6. P edpínání zd ných konstrukcí 7. Zesilování montovaných konstrukcí a konstrukcí v pr myslu 8. Záv r P OD KOVÁNÍ LITERATURA PUBLIKACE REALIZOVANÁ DÍLA
5
V následujících odstavcích budou uvedeny pouze hlavní myšlenky práce, rozhodující poznatky a aplikace metody p i zesilování mostních trámových konstrukcí, mostních kleneb, zd ných konstrukcí v etn historických a památkových a konstrukcí pr myslových. 2
P EDPOKLADY ZESILOVÁNÍ P EDPÍNÁNÍM
Zesilování konstrukcí dodate ným p edpínáním se opírá o teoretické, technologické a materiálové p edpoklady. Z teoretických p edpoklad vychází statické p sobení dodate n p iložené p edpínací soustavy na konstrukci a jsou základem pro samotné zesílení konstrukce. Technologické p edpoklady a jejich dodržení jsou rozhodující pro dosažení spolehlivosti a dlouhodobé životnosti zesílených konstrukcí. Spln ní materiálových p edpoklad umož uje vnesení p edp tí do p vodní, v delším období využívané konstrukce z hlediska pevností materiál , soudržnosti, kompaktnosti a schopnosti dlouhodob p enášet p edp tí. 2.1
TEORETICKÉ P EDPOKLADY Vývoj p edpjatého betonu U pln p edpjatého betonu se využívaly vždy ocel a beton se zna n vyššími pevnostmi proti železobetonu. Betony z p írodního kameniva dosahují krychelných pevností 40 až 60 MPa, p edpínací oceli dosahují mezí kluzu až 1800 MPa. V sou asnosti se využívá také vysoce pevnostní beton s krychlenou pevností až 100 MPa. Výpo tové metody vycházejí ze základních p edpoklad pružnosti, tj. z Bernoulliovy hypotézy a Hookeova zákona.
2.1.1
2.1.2 Vývoj áste ného p edp tí áste né p edp tí je intenzívn diskutováno od 80. let 20. století. Tehdy ím dál více docházela odborná ve ejnost k poznání, že má smysl a že je výhodné využívat celý interval, který je pomysln dán železobetonem na jedné stran a pln p edpjatým betonem na stran druhé. áste nému p edp tí se pravideln v nují všechny kongresy CEB-FIP, pozd ji FIB. V širším pohledu je v 80. a 90. letech patrná snaha po sjednocení zna n rozt íšt ných názor a terminologie, obecn kladné σb(Mdek)
σb(P∞) +
Mdek
=
σb(P∞+Mdek)
-
k=
=
+ -
σb(P∞+Mg+v) Mdek Mg+v
-
-
+ +
P∞
σb=0
σb>0 (trhliny)
Obr. 2.3 Napjatost áste n p edpjatého pr ezu p i dekompresním a celkovém momentu zleva doprava: pr ez s ohybovým momentem a p edpínací silou; nap tí od p edp tí, nap tí od dekompresního momentu; sou tová napjatost od p edp tí a dekompresního momentu; napjatost vlivem celkového momentu od zatížení a p edp tí
p ijímání áste ného p edp tí jako takového na stran jedné, a na stran druhé stále p etrvávající konzervativní p ístup v národních normách. Napjatost áste n p edpjatého pr ezu ukazuje Obr.2.3. 2.1.3 D vody pro áste né p edp tí P i zesilování železobetonových konstrukcí p edp tím lze o ekávat, že z mnoha d vod nebude jejich výsledná napjatost odpovídat plnému p edp tí, ale naopak p edp tí áste nému. D vody jsou dány: Materiálem sanované konstrukce. Beton zesilovaných, p ípadn sanovaných železobetonových most byl již v dob svého vzniku navrhován zna kami 170, 250 nejvíce však 330. Navíc zkušenosti nabyté p i diagnostice n kolika desítek p vodních mostních konstrukcí v letech 1985 až 2000 ukazují, že betony p i provád ných up esn ných zkouškách pevnosti betonu vycházejí spíše o zna ku níž. Reáln se lze tedy u sanovaných p vodních železobetonových mostních konstrukcí setkat s betony zna ek 135, 170, 250. Tyto betony se podle norem pro pln p edpjatý beton (u nás pro mostní stavby) neužívají, zna ky 250, 330 lze použít pouze p i p edpínání žebírkovými ty emi z oceli 10607.
6
Podobn pevnosti materiálu sanovaných zd ných konstrukcí jsou již z d vodu použití zdiva ješt ádov nižší, než tomu je u sanovaných betonových staveb. P itom pevnosti jsou podobn nízké, a se jedná o zdivo cihelné, nebo kamenné. Nízké pevnosti materiál sanovaných a zesilovaných konstrukcí p edstavují výrazné omezení hlavn p i vnášení p edp tí v kotevních oblastech, kde vznikají koncentrace nap tí. Požadovaným ú elem (cílem) zesílení. V p ípad zesilovaných mostních konstrukcí jde zpravidla o zvýšení celkového momentu únosnosti v rozhodujících pr ezech konstrukce. Vzhledem k vysokému podílu vlastní tíhy vede jeho již relativn malé zvýšení p i jinak nezm n ných ú incích od vlastní tíhy k výrazným momentovým zisk m, které lze použít pro vykrytí ú ink od zvýšeného nahodilého zatížení. Jak je ukázáno dále, tyto momentové zisky jsou velmi výrazné a již p i malých stupních p edp tí vedou na n kolikanásobná zvýšení užitných parametr – únosnosti mostní konstrukce. Pro spln ní požadovaných cíl - únosností - posta uje tedy áste né p edp tí. Usilovat o vysoké hladiny p edp tí v konstrukci, jak je tomu u pln p edpjatého betonu, není nutné. U sanovaných zd ných konstrukcí se jedná zpravidla o kompenzaci již vzniklých tahových nap tí, které zp sobily poruchy konstrukce. Jak bude rozebráno v dalším textu, vznik tahových nap tí má mnoho p í in, v sou tu se však nejedná o velká silová p sobení. P i obecn známých nepatrných pevnostech zdiva v tahu sta í minimální tahové namáhání ke vzniku vážných poruch, které se nej ast ji projevují širokými trhlinami (od jednotek po desítky milimetr ) v rovinách p ibližn kolmých k vektor m p sobících tahových sil. Tedy i zde posta uje vhodné vnesení pom rn malých p edpínacích sil. Ty posta uje vnášet obvykle tak, aby kompenzovaly vzniklé tahové síly s mírnou rezervou na budoucí dotvarování zdiva a jiné vedlejší vlivy. 2.1.4 Terminologie, definice stupn p edp tí Pro vývoj áste ného p edp tí byl charakteristický stav zna né pojmové nejednotnosti a rozt íšt nosti. Nej ast ji se v literatu e a odborných zprávách objevuje pojem áste né p edp tí, které má vyjad ovat celou oblast mezi železobetonem a pln p edpjatým betonem bez omezení tahových nap tí v betonu a p edem p edpokládaným vznikem trhlin. V tomto smyslu je též pojat termín áste né p edp tí v této práci. áste né p edp tí se v zahrani í ozna uje jako „teilweise Vorspannung“, „partially prestressing“, „béton armé precontraint“. Z dalších názv pro áste né p edp tí se objevují: mírné (mässige), konstruktivní (konstruktive), zlepšený železobeton (béton armé amélioré), „ moderate“ nebo „slight prestress“. V N mecku je také prosazován termín p edpjatý železobeton „vorgespannter Stahlbeton“. Je na míst rozlišovat mezi pojmy áste né a omezené p edp tí (beschränkte Vorspannung, limited prestress) tam, kde pojem omezené p edp tí vyjad uje mezení tahových nap tí v betonu v tažené oblasti pod p ípustnou hodnotu. Tyto dva termíny bývaly asto zam ovány a celá ada pokus s áste ným p edp tím byla ve skute nosti provád na pouze p i p edp tí omezeném. Tento termín vznikl a rozší il se potom, co bylo ve Plné p edp tí
Omezené p edp tí
áste né p edp tí
-
-
-
Obr. 2.4 Napjatosti betonu p i druzích p edp tí +
σb<0 (tlak)
σb<σdov
trhlina
v tšin národních norem dovoleno pro p edpjatý beton tahové nap tí v ur ité velikosti, vždy však podstatn menší, než pevnost betonu v tahu. Tak nap . p vodní norma SN 731251 Navrhování mostních konstrukcí z p edpjatého betonu, l. 4. definovala áste né p edp tí jako takové p edp tí, p i n mž mohou v betonu vzniknout za p sobení hlavního zatížení nap tí v tahu ve stanovených mezích. To je ale vlastn p edp tí omezené. Náprava nastala až v roce 1993, kdy vstoupila v platnost revize této normy pod íslem SN 736207, která již rozlišuje mezi omezeným p edp tím (takové p edp tí, p i n mž mohou za p sobení hlavního zatížení vzniknout v betonu v tažené oblasti nap tí v tahu ve stanovených mezích) a áste ným p edp tím (takové p edp tí, p i n mž mohou za p sobení hlavního zatížení vzniknout v betonu tažené oblasti trhliny, jejich ší ka je ve stanovených mezích). Pr b h nap tí v ohýbaném pr ezu pro zmín né druhy p edp tí jsou na Obr. 2.4. ada prací poukazuje na vhodnost toho, z íci se „ len ného“ p edp tí, a zavést jediné, áste né p edp tí, které je schopno pokrýt celou uvažovanou oblast mezi železobetonem a p edpjatým betonem.
7
Podobn je vhodné jednoduše a ú eln definovat stupe p edp tí. Zde nacházíme rozdílné p ístupy, podobn jako u terminologie. Z n kolika navržených definic stupn p edp tí se prakticky zatím ujaly dv , Thürlimannova a Bachmannova. Zásadní rozdíl mezi nimi je v tom, zda jsou již v definici spojeny s ú inky od zatížení, i nikoliv. Thürlimann navrhl definovat stupe p edp tí nezávisle na zatížení takto:
k =
A p.β p 0 ,2 A p.β p 0 , 2 + A s.β s 0 , 2
kde je Ap pr ezová plocha p edpínací výztuže As pr ezová plocha betoná ské výztuže, βp0.2 nap tí na mezi kluzu p edpínací výztuže, βs0.2 nap tí na mezi kluzu betoná ské výztuže. Thürlimann p itom doporu il, aby tato veli ina nezávislá na zatížení a p ípustných výpo tových nap tích byla udána ve všech výzkumných zprávách a popisech uvád ných stavebních konstrukcí. Tím by se dala vyjád it hospodárnost, vliv ztrát p edp tí, konstruktivní nápad a další. Takto definovaný stupe p edp tí tedy evidentn nezávisí na zatížení a jeho ú incích. Jeho striktním uplatn ním nelze prakticky dosáhnout stupn p edp tí 1.0, protože v pr ezu je z konstruktivních d vod vždy p ítomna n jaká betoná ská výztuž. To je obecn uznávaný nedostatek této definice. P esto práv pro svoji nezávislost na zatížení byla tato definice p evzata do Model Cod CEB-FIP 1978 jako stupe p edp tí pro mezní stavy 1. skupiny (pro mezní stav únosnosti). Následn je takto uplat ována i v národních normách. Rozhodující výhodou p edpjatých pr ez ve srovnání s nep edpjatými je ale p ízniv jší chování práv v provozním stadiu. Proto by m la definice stupn p edp tí podle ady oponujících autor vyjád ovat p edevším tyto p íznivé ú inky p edp tí v provozním stadiu. Z t chto d vod navrhl Bachmann definovat stupe p edp tí následovn :
M d M g + v tak velká ást ohybového momentu od zatížení, jaká dává spole n s p edpínací silou Md P∞ na taženém okraji nulové nap tí; ta se zpravidla nazývá „dekompresní moment“, Mg+v výsledný sou tový moment stálého a nahodilého zatížení, tedy moment od celkového zatížení namáhajícího pr ez. k =
kde je
Stupe p edp tí k pak udává, na jakou ást celkového momentu od zatížení je pr ez p edepnut. Stupe p edp tí definovaný tímto zp sobem pro ohýbané prvky se stal obecn platnou a uznávanou definicí stupn p edp tí. V modifikované form byl p evzat do doporu ení CEB-FIP 1978 a do národních norem pro posouzení podle mezních stav 2 skupiny (mezní stav p etvo ení, vzniku a ší ky trhlin). V doporu ení CEBFIP 1978 je nazván stupn m vyrovnání zatížení a definován t emi podobnými vztahy:
k= kde
Sp, Mp, p Sg, Mg g
Sp Sg
k =
Mp Mg
k =
p g
je silový, momentový, ekvivalentní p í ný ú inek p edp tí; jsou silové resp. momentové ú inky stálého zatížení ; je ve zvláštním p ípad p ímo intenzita stálého zatížení.
Podle názoru autora práce je t eba za základ pro definování stupn p edp tí vzít Bachmannovu definici a rozší it ji o p sobení vn jší normálové síly od zatížení, tj. pro p ípad tlaku i tahu za ohybu, který p edstavuje obecný zp sob namáhání v tšiny p edpjatých konstrukcí. Stupe p edp tí je potom možné vyjád it pom rem nap tí na taženém okraji pr ezu od vn jšího zatížení. P i zesilování konstrukci dodate ným p edpínáním se používají p edpínací výztuže bez soudržnosti, tzv. volné kabely, u nichž ani injektováním nedojde ke vzniku soudržnosti oceli a betonu. Proto nelze pro konstrukce takto dodate n p edpínané použít Thürlimannovu definici, nebo ta je založena na soudržnosti obou ocelí (betoná ské i p edpínací) s betonem konstrukce v každém pr ezu. Pro zesilované konstrukce je vhodné použít definici podle Bachmanna, nebo ta se opírá o momentové (p ípadn p etvárné) ú inky p edp tí, jichž se p i sanacích a zesilování p edp tím dosahuje a které jsou také
8
cílem sana ního p edpínacího zásahu, protože jsou doprovázeny snížením napjatostí v betonu a oceli v zesilované konstrukce. 2.1.5 P sobení p edp tí p i zesilování konstrukcí P sobení p edp tí na zesilovanou konstrukci jako celek je dostate n známé z p sobení p edp tí v p edpjatém betonu, jak p edem p edpjatého, tak zejména p edpínaného dodate n . P sobení p edp tí je založeno na p íznivém ovlivn ní vnit ních sil od zatížení konstrukce p edpínací silou a radiálními silami od p edp tí vznikajícími v místech ohyb p edpínacích kabel . Starší železobetonové konstrukce jsou v mostním stavitelství p evážn ohýbané. Jsou to trámové a deskové mosty, prosté nebo spojité. V inženýrských stavbách to mohou být nosné monolitické rámy, monolitické i montované skelety, vodorovné nosné prvky pr myslových hal. U t chto typ konstrukcí p evládá z dvojice M, N p edevším ohybový moment M, velikost normálové síly N je malá, v tšinou zanedbatelná. P vodní konstrukce jsou dimenzovány bu podle klasické teorie (mosty), nebo již podle mezních stav . P i p sobení vnit ních sil, zejména tedy ohybovém momentovém namáhání, se p edpokládá pr ez porušený trhlinami a vn jšímu momentu vzdoruje pr ez dvojicí sil danou tahovou silou ve výztuži a tlakovou silou v tla ené ásti betonu. P sobení p edpínání p i zesilování je pak charakterizováno t mito základními vlivy: 1. P i dodate ném p edepnutí takto p sobících pr ez posta uje dosahovat pom rn malého stupn p edp tí (podle Bachmanna) k = 0,15 až 0,25. Oproti pln p edpjatému betonu ( k = 1,0) se tedy dosáhne konstrukce blížící se spíše železobetonu, než pln p edpjatému betonu. Všechny negativní vlivy spojené s p sobením plného p edp tí na beton (ztráty smrš ováním betonu, dotvarováním betonu) se projevují bu zanedbateln nebo ve zmírn ných hodnotách. To p ízniv ovliv uje nejen po ty nutných p edpínacích lan, ale i složitost a pracnost návrhu vlastního zesílení. 2. Trhliny v ohýbaném železobetonu dosahují b žn ší ek do 0,4 mm; výjime n dosáhnou po p edchozím p etížení ší ek na okraji pr ezu kolem 1 mm. Již p ed léty bylo na pokusných áste n p edpjatých nosnících ukázáno, že trhliny otev ené p i maximálním zatížení do cca 0,5 mm se po odezn ní zatížení b žn zavírají (p sobící p edpínací silou) bez negativních projev (drcení betonu v okolí trhliny apod.). P i stupních p edp tí podle 2.1.4 a p edchozího bodu se neutrální osa pr ezu posouvá jen málo, rozhodn p vodní pr ezy nep echázejí v pln p edepnuté. Tomu odpovídá uzavírání trhlin kolem st edu pr ezu, které mají ší ky do 0,5 mm a tedy p ebírání tlakové síly od p edp tí pr ezem již d íve porušeným trhlinkami je možné bez problém . 3. P i návrhu zesílení p edp tím se s výhodou používá p edevším metoda vyrovnání zatížení, známá z návrhu nových p edpjatých mostních konstrukcí jako LBM (Load Balancing Method). Jde o takový návrh p edevším p idané soustavy radiálních sil vyvolaných p edpínacími silami, jejichž momentový ú inek na náhradní prutové konstrukci bude p ibližn afinní k moment m zp sobeným vlastní tíhou konstrukce. P itom lze s výhodou využívat p ímé i zak ivené dráhy p edp tí. Smyslem je uvoln ní momentu únosnosti p vodního pr ezu od významné ásti vlastní tíhy; tím se zv tšuje jeho ást využitelná pro p enos nahodilých zatížení. Zv tšení pak je velmi efektivní, b žn lze nap . navrhovat 200 až 300% zesílení zatížitelnosti mostních konstrukcí. P edpínací soustava se realizuje jedno nebo vícelanovými (v tšinou t ílanovými) kabely, jež je možné umístit vn nebo i dovnit stávajících pr ez . P i zesilování spojitými kabely se významn redukují také p sobící posouvající síly od vlastní tíhy, což je mnohdy stejn významné, jako redukce moment . Teoretické základy p sobení výše popsaných kabelových drah vhodných pro sanace ohýbaných konstrukcí jsou známé a b žn jsou využívány u b žn užívaných dodate n p edpjatých nových konstrukcí [10]. Vychází se z ekvivalentní soustavy sil od p edp tí. Tato metoda p evádí p sobení každého p edpínacího prvku (kabelu, lana, ty e, lisu) na silovou soustavu, která pln nahrazuje p vodní p sobení p edpínacího prvku. P itom musí platit rovnováha nahrazujících sil ve vodorovné a svislé ose; íkáme, že ekvivalentní soustava sil je rovnovážná soustava sil. Konkrétn je p edpínací prvek nahrazen p edpínací silou, která p sobí v jeho ukotvení (kotv ). Ta se podle pot eby rozkládá na složky, zpravidla rovnob žné a kolmé na podélnou osu konstrukce (Obr. 2.7). Je – li navíc ukotvení p edpínacího prvku provedeno mimo t žišt pr ezu, p sobí p edpínací síly (p ípadn jejich složky) ješt koncovým momentem v i t žiš ové ose nosníku. V místech lom kabel p sobí p í né (radiální) výslednice. Z hlediska výpo tu konstrukce zpravidla posta uje výslednici uvažovat osam lou silou podle Obr. 2.7d). P itom se zpravidla dále zanedbává mírný odklon skute né výslednice od její složky do svislého sm ru a nahrazuje se pouze jedinou silou p sobící ve svislém sm ru. P i ešení detail konstrukce nebo p i zp esn ném výpo tu lze p ihlédnout ke skute nosti, že „lom“
9
kabelu nelze prakticky provést. Z konstruk ních, únavových a normových d vod je t eba provést zak ivení o ur itém polom ru. Potom vznikají radiální síly podle Obr. 2.7c. a)
c)
P ep P
pr
Mk
Mk=P.ep P
b)
ep α
Px=P.cos α Py=P.sin α
d)
Py Px
Pr
Pr,y
Pr,x
Mk
Mk=P.cos α.ep
Obr. 2.7
Ekvivalentní p sobení p edpínacího kabelu
a) b) c) d)
p ímý excentricky zakotvený šikmý excentricky zakotvený radiální spojité síly v zak ivení (v sedle) zjednodušené výslednice v zak ivení (v sedle)
Ekvivalentní soustavou sil se potom zatíží výpo etní model konstrukce. Zpravidla posta uje model prutový. Ekvivalentní soustavou je možné samoz ejm zatížit i modely složit jší (deskové atd.). Vlastní stanovení vnit ních sil od p edp tí se potom d je n kterou metodou stavební mechaniky (silovou, deforma ní), zpravila však s pomocí staticky zam eného programového vybavení pro ešení konstrukcí na po íta i (DEFOR, IDA, NEXIS, ANSYS a pod). Vypo tené vnit ní síly od p edp tí se s ítají s vnit ními silami od zatížení a tak lze stanovit výsledné vnit ní síly pro dimenzování pr ez konstrukce. 2.2
TECHNOLOGICKÉ P EDPOKLADY
Technologické p edpoklady použití p edpínací výztuže p i zesilování dodate ným p edpínáním byly vytvo eny pokrokem ve vývoji obalovaných lan, uzav ených kotevních systém , vrtací techniky a jednolanových lehce manipulovatelných napínacích souprav. Tento technologický pokrok prob hl mezi lety 1970 až 1980 a umožnil nebývalé rozší ení p edpínání i do oblastí, kde nebylo dosud b žné. Rozhodujícími technologiemi jsou obalované p edpínací lano, vrtací technologie pro diamantové a p íklepové vrtání, diamantové ezání, p edpínání p enosnými soupravami pro napínání jednotlivých pramenc a lan. 2.2.1 Obalované p edpínací lano (chrán né proti korozi) P edpínací výztuž používaná b žn v konstrukcích z p edpjatého betonu je velmi citlivá na korozi. To je obecn známá nep íznivá vlastnost p edpínacích ocelí. Nejcitliv jší na korozi byly p vodní p edpínací výztuže vyráb né patentováním (zušlech ované opakovaným protahováním kalibry v olov ných lázních). P edpínací jednotky (kabely) sestavované z usm rn ných svazk t chto drát se chránily proti korozi obetonováním (v p edem p edpjatém betonu) nebo d sledným proinjektováním kabelových kanálk (v dodate n p edpjatém betonu). V 80. a 90. letech 20. století se p ešlo k používání p edpínacích lan, stá ených z n kolika, v tšinou ze sedmi p edpínacích drát . Výroba p ešla od patentování k zušlech ování ízeným ochlazováním ( OVT). Tyto p edpínací oceli jsou sice pon kud mén citlivé ke korozi, p esto se nebezpe í koroze považuje v odborných kruzích a normách stále za zásadní problém a p edpínací lana se chrání proti korozi op t zabetonováním nebo zainjetováním. Na tyto negativní zkušenosti na jedné stran a požadavky konstruktér na stran druhé reagovali výrobci p edpínací výztuže. V 80. letech bylo vyvinuté obalované p edpínací lano (ummantelte Litze, unbonded cable). Jeho skladba je uvedena na Obr. 2.14a), na Obr. 2.14 b) je skute ný pr ez lana v detailu. Další vžité ozna ení pro toto lano je monostrend. Konstrukce monostrendu vychází z b žného, dnes stabilizovaného p edpínacího lana, zpravidla sedmidrátového. Již ve výrobní lince je lano obalováno povlakem z PP (polypropylenu), n kdy i PE (polyetylenu). PP povlak má tlouš ku st ny kolem 1 mm, její vn jší pr m r pro lano 15,5 mm je 20 mm, vnit ní 18 mm. Veškeré mezery mezi trubkou a ocelovým lanem i mezi jednotlivými dráty vlastního
10
p edpínacího lana jsou dokonale vypln ny plastickou pasiva ní hmotou. Složení pasiva ní hmoty je odlišné podle jednotlivých výrobc lan. Zpravidla se používají pasiva ní hmoty na bázi parafin (rakouský koncern Vöest Alpine, monostrend pod ozna ením Austria Draht), nebo na bázi pr myslových tuk (n mecký výrobce Draht Werke Köln, pasiva ní hmota od firmy Shell). Parafiny i tuky mají vysoké mazací schopnosti, proto se
PASIVA NÍ MAZIVO
OPLÁŠT NÍ PE, PP
SEDMIDRÁTOVÉ P EDPÍNACÍ LANO
Obr. 2.14 a) b) Sedmidrátové obalované (oplášt né) p edpínací lano, zkrácen „monostrend“
n kdy íká výpl ové hmot pasiva ní mazivo. Monostrendy jsou ur ené zejména pro ukládání do armokoše budoucí konstrukce, k zabetonování a k následnému napnutí. P edpínací výztuž potom pracuje v konstrukci bez soudržnosti, její protažení v konkretním posuzovaném pr ezu není úm rné p etvo ení pr ezu, ale závisí pouze na celkové délkové zm n p edpínacího lana, které vzniká p i deformaci konstrukce. Pasiva ní mazivo tedy plní dvojí funkci: 1) snižuje významn t ení a tím umož uje napnout monostrend i po zabetonování, 2) spolu s PP povlakem, p ípadn plastovou trubkou ú inn chrání p edpínací výztuž p ed atakem agresivního prost edí a tím zajiš uje ochranu proti korozi. Hodnoty sou initele t ení uvedené v norm [4] dokumentují t ení volné p edpínací výztuže (monostrend ) a t ení b žné p edpínací výztuže v ocelových kabelových kanálcích. Sou initele t ení v obloukové dráze µ jsou v p ípad monostred 5 x menší než u prostého holého lana uloženého v ocelové krepované trubce. To umož uje mimo jiné i konstrukci oblouk s v tšími úhly ovinutí, než bylo dosud b žné, bez výrazných ztrát p edp tí. Tato vlastnost se p ízniv projeví v konstruk ní volnosti práv u zesilování konstrukcí. 2.2.2 Vrtání náhradních kabelových kanálk Od šedesátých let je jedním z rozhodujících faktor zvyšování produktivity práce ve stavebnictví rozvoj malé mechanizace. V 90. letech nastal prudký rozvoj a nasazení malé staveništní mechanizace i u nás. Postupn rozši ující se technologií se stalo staveništní vrtání. Staveništní vrtání umož uje provád t otvory do betonu, zdiva, kamene takových parametr (pr m r otvoru, délka otvoru), že lze takto dokonce vytvá et velmi dlouhé dutiny relativn malých pr m r , a ty využít pro protažení p edpínacích lan a kabel . Je tedy možné takto dodate n vytvo it v již existující konstrukci „náhradní kabelové kanálky“, a ty využít pro zesílení konstrukce p edp tím. P itom není rozhodující, zda jde o konstrukci z betonu, z cihelného zdiva i ze zdiva kamenného. P i vytvá ení náhradních kabelových kanálk v hmot sanované konstrukce jde tedy o vrtání dlouhých vrt vhodných pr m r (co nejmenších, aby se minimalizovalo do asné oslabení konstrukce na zanedbatelnou míru), vhodných pro protažení p edpínacích kabel sestavených bu z jednotlivých lan (samostatných monostrend ), nebo kabel složených ze 3, 4, p ípadn 6 lan. Z existujících technologií lze pro takové vrtání použít diamantové a tvrdokovové p íklepové vrtání. Diamantové vrtací technologie jsou založeny na broušení materiálu vhodn tvarovanými brusnými slitinovými b ity. Ve slitin lehkých kov jsou rozptýlené pr myslové diamanty ve form zrní ek o rozm rech n kolika desetin milimetru. Vrtáky pro tuto technologii jsou zhotoveny ve tvaru dutých kovových válc , na stran ur ené pro vrtání do konstrukce jsou osazeny segmenty s diamanty. Tvrdokovové p íklepové vrtací technologie jsou modifikací klasického vrtání spirálovými vrtáky. Spirálové vrtáky jsou osazeny tvrdokovovými b ity – vhodn tvarovanými a broušenými desti kami ze slinutých karbid . Desti ky mají tlouš ku od 2 do 5 mm a jsou broušeny na rozdíl od vrták do kovu ne na odb r t ísky, nýbrž do klínu, podobn jako u seká e do betonu. Pohonná motorová jednotka zpravidla vrta ka na elektrický pohon – otá í spirálovým vrtákem ve sm ru hodinových ru i ek a sou asn její hydropneumatický mechanismus ud luje vrtáku údery – p íklepy. P íklepy se p enášejí do vrtacích b it
11
v korunce vrtáku, drtí vrtaný materiál, který je otá ením vrtáku a spirálov tvarovanou drážkou po délce vrtáku vynášen z vrtaného otvoru ven ve form jemného prachu. Takto vyvinuté stroje malé mechanizace jsou ur eny pro vrtání otvor pro instalace, prostupy, hmoždinky apod. Bez výjimky jsou ur eny pro ru ní vedení, tedy že pracovník drží stroj i s nástrojem – vrtákem v rukou a takto vrtá otvory bez zvláštních nárok na p esnost trajektorie vrtu. Pohonné jednotky tvrdokovové vrtací techniky jsou p evážn elektrické, výjime n hydraulické. P íkony elektrických pohonných jednotek jsou v rozmezí 0,8 kW až 2,0 kW, tedy op t malé p íkony b žné pro malou staveništní mechanizaci. Výkonov se rozlišují podle energie úderu jednoho p íklepu, ta se udává v Joulech. Energie úderu se pohybují od 4 do 20 J. Dodávané spirálové vrtáky jsou v délkách od 150 do 800 mm, v pr m rech od 8 do 40 mm, na speciální objednání je možné nechat vyrobit vrtáky prodloužené h ídelem bez spirály o délce až 1500 mm. P i d lních pracech se používají též tvrdokovové p íklepové ru ní vrta ky na pneumatický pohon (pohon stla eným vzduchem 6 až 10 atm). Vrtací korunky jsou osazeny polokruhovými vrtacími tvrdokovovými segmenty a nasazují se kuželovým t ecím spojením na h ídel. H ídele jsou šestihranné ty e, uvnit duté – s otvorem pr m ru 8 až 10 mm. Stla ený vzduch slouží nejen k pohonu, ale i k výplachu výfukem vrtaného drceného materiálu. Energie používané p i tomto vrtání jsou ádov vyšší, než p i elektrickém pohonu, což je pot ebné pro vrtání do hornin v d lní praxi. Tak vysoké energie jsou nepoužitelné pro vrtání zdiva a beton nižších zna ek, nebo hrozí zni ení samotné sanované konstrukce. Také v le jsou pat i n vyšší a není možné zaru it pot ebnou p esnost vrtání, jakou vyžaduje sanace konstrukcí. D lní pneumatickou vrtací techniku je tak možné p i sanaci prakticky použít pouze výjime n , nap . u soudržných a mohutných základových blok . D lní technika byla použita pro zhotovení otvor v základovém zdivu pro zesílení zdiva injektovanými mikroh eby. Provád ní náhradních kabelových kanálk vyžaduje vrtání otvor do betonu a zdiva v délkách podstatn , n kolikanásobn , v tších, než umož ují sériov dodávané stroje a ná adí. Za tímto ú elem bylo navrženo a specializovanou firmou potom zhotoveno zvláštní polohovací vrtací za ízení – vrtací suport. Hlavní ásti za ízení jsou vodící ty e a vrtací vozík. Vozík umož uje definované upnutí vrtacích stroj , p evod síly pro vyvození pot ebného p ítlaku p i vrtání. Vodící ty e spolu s vozíkem umož ují prodlužování vrtacích h ídel . Smyslem za ízení (viz. Obr. 2.19) je strojní vedení vrtacího stroje, snížení námahy obsluhy vrtacích stroj na únosnou míru a maximální
Obr. 2.19 Vrtací suport pro vrtání náhradních kabelových kanálk do betonu a zdiva na obrázku v podv šené poloze vhodné p i provád ní kanálk do betonových trámových a deskových konstrukcí; rozsah eleva ního úhlu 5 až 25°
dosažitelné zvýšení p esnosti trajektorie vrtaných kabelových kanálk s možností nastavení libovolné trajektorie v prostoru tím, že lze samostatn nastavit úhel ve svislé rovin a úhel ve vodorovné rovin (zpravidla úhel k podélné ose nosné konstrukce). Vrtací suport je možné souose osadit diamantovou i p íklepovou vrtací technologií, ty je možné zam ovat dokonce i v pr b hu provád ní jednoho kabelového kanálku. Vrtací suport lze p ipevnit s výhodou k samotné sanované konstrukci (jak bude vysv tleno dále), p ípadn k pomocné lešená ské konstrukci.
12
Pro vrtání náhradních kabelových kanálk diamantovou technologií byl navržen a vyvinut systém prodlužovacích h ídel v délkách 800 mm, vzájemn spojovaných závitovým spojem. Vrtání kanálku za íná v teoretickém bod , zpravidla vrtákem b žné délky. Jakmile narazí dno vrtáku na jádro, nelze dál pokra ovat. B žn lze vrtat kabelové kanálky φ52 mm na délku 6 m, p i zesílení mostní desky byly takto provedeny kabelové kanálky na délku 10.2 m s náhodnou odchylkou do 30 mm od teoretické osy kanálku. P i delších vrtech (zhruba 5 m a více) za ínají samostatné prodlužované h ídele p i daném p ítlaku vybo ovat vzp rem. Pro omezení tohoto jevu byly vyvinuty distan ní kroužky, které se vkládají podle pot eby mezi jednotlivé prodlužovací díly h ídele. Kroužky snižují vzp rnou délku a tím odstra ují problém vzp ru h ídele, který kv li silným vibracím znemož oval vrtání. Mazání p i vrtání je zajišt no výplachovou vodou. Pi použití tvrdokovové p íklepové vrtací technologie pro vrtání kabelových kanálk je s úsp chem používán prodlužovací Systém 6 od belgické firmy Joran (viz Obr. 2.24). V sou asné dob se používají p esn jší prodlužovací systémy firem HILTI nebo MILWAUKEE. Prodlužovací ty e mají délku po 500 mm, ke spojení se používají spojky s patentov chrán ným zámkem, který p enáší energii úderu tém bez ztrát z vrtacího stroje až do korunky vlastního vrtáku. V sanovaných zd ných konstrukcích se zpravidla používá pro vrtání kanálk tvrdokovová vrtací technika vedená ru n . Nároky na p esnost nejsou z d vodu masívnosti zdiva tak velké. S pomocí jednoduchých pom cek pro zam ení vrtu lze dosáhnout p esností ±100 mm na 3 m dlouhých kanálcích. P esto nasazení vrtacího suportu je ú elné a možné všude tam, kde se jedná o extrémn dlouhé kanálky ve zdivu, p ípadn tam, kde je omezený prostor kolem zdiva pro manipulaci s dlouhými h ídeli. Na Obr. 2.24 a) a 2.24 b) je p íklad provád ní kabelových kanálk ve zdivu v že. Kanálky byly provád ny tvrdokovovou p íklepovou technikou na délku 10,5 m profilem 35 mm. V sanovaných zd ných konstrukcích se pro kanálky tém
Obr. 2.24 a) Vrtání náhradních kabelových kanálk zdivem v že a) vrtání kanálku dl 10,5 m φ35 mm p íklepovou technologií s využitím vrtacího suportu a postupným odsáváním
b) b) vyúst ní kanálku ve smíšeném zdivu a zhotovený kotevní sklípek
nepoužívá diamantová technologie z d vodu promá ení zdiva výplachovou vodou. Ta m že zp sobit nekontrolovatelné výrony vody a následn další škody na malbách, fasád apod. P íklepová elektrická vrtací technika je jako suchý proces v t chto p ípadech jednozna n ohledupln jší k sanované konstrukci. 2.2.3 ezání diamantovými nástroji - p íprava sedel (deviátor ) Kabelové dráhy je asto staticky výhodné vést jako zak ivené, v tom p ípad je nutno na nich vytvarovat vhodné oblouky. Je-li možné již vytvo it náhradní kabelové kanálky, pak nezbývá než zaoblit vyúst ní kabelového kanálku tak, aby zaoblení mohlo plnit funkci sedla. Zde byla navržena a v praxi zavedena technologie diamantového ezání. Diamantové ezání je založeno na stejném principu jako diamantové broušení (vrtání) podle 2.2.2, pouze segmenty s rozptýlenými diamantovými zrny jsou tvarovány jako b ity okružní pily. Pr m ry vyráb ných pil jsou rozmanité, od 120 do 1200 mm, pr m ry 230 až 300 mm jsou vhodné pro osazení do ru n vedených brusek s elektrickým pohonem. T mito nástroji lze vést ezy do p vodního materiálu sanované konstrukce (betonu, zdiva) v rovinách rovnob žných s rovinou kabelu a vytvo it tak bo ní plochy budoucího sedla. Jde o šetrný zákrok
13
v i konstrukci, který lze provést v minimálním rozsahu nutném pro uložení kabelu (monostrendu). Aktivní (op rnou) plochu sedla lze potom vytvo it klasickým sekáním podle šablony. Op rná plocha sedla po sekání má nevelké nerovnosti do ±10 mm od p edpokládaného tvaru, ty se potom zapravují postupy popsanými výše. 2.2.4 ezání kotevních oblastí Podobn jako u provád ní sedel lze použít technologii diamantového ezání i pro vytvá ení kotevních oblastí v p vodním betonu sanované konstrukce. Zásadním problémem, který bylo nutné vy ešit, byly zvýšené nároky na p esnost. Ty vyžadovaly upustit od ru n vedeného ezání a uplatnit upravené strojní vedení ezacích stroj brusek, pil). Požadavek, aby dosedací plocha roznášecí desky a osa p edpínacího kabelu byly vzájemn kolmé, je obecn známým a respektovaným požadavkem u konstrukcí z p edpjatého betonu. Je dán vysokými napjatostmi v betonu pod kotvou, ale i v p edpínací výztuži procházející otvorem v roznášecí desce do kotevní objímky. Odchylky od kolmého pozice mohou zp sobit nep edpokládaná zvýšená namáhání jak betonu od kotvou, tak kotveného p edpínacího kabelu. Maximální p esnosti je možné dosáhnout strojním vedením ezného stroje (brusky osazené diamantovou okružní pilou). Pro vedení byl navržen a odzkoušen upravený sériový stojan pro jádrové vrtání. Návrh úpravy spo íval v možnosti skláp t osu stroje do libovolného úhlu v i ezané konstrukci a v upnutí stroje na výkyvné rameno tak, aby bylo možné ezanou op rnou plochu kotevního sklípku rozši ovat podle rozm r roznášecí desky. Sou ástí návrhu bylo i jednostranné upnutí kotou ové diamantové pily tak, aby h ídel nevy níval z jedné plochy pilového kotou e. Na Obr. 2.26 v hab. práci je ukázána upravená plocha betonu pod kotvou ru ním ezáním za sucha, na Obr. 2.27 v hab. práci je detail vytvo eného kotevního sklípku (dosedací plochy pod kotvou) strojn vedeným ezáním za mokra. Je patrné, že dosedací plochy mohou být v p vodním betonu sanované konstrukce vy ezány (vybroušeny) tak kvalitn , že je lze považovat jako za již d íve vytvo ené (tedy monoliticky vybetonované). Odchylky takto vytvo ené dosedací plochy od ideální roviny jsou max. ±0.5 mm. 2.2.5 Dodate né p edpínání Pro p edpínání monostrend byly v 80. letech vyvinuty sv tovými výrobci p edpínací techniky zvláštní p edpínací lisy – jednopramencové p edpínací pistole (viz Obr. 2.29). Zvláštnost konstrukce spo ívá v tom, že p edpínací lano prochází osou lisu, tedy pracovní písty jsou duté a jsou tvarovány ve form mezikruží. To umož uje centrické napínání lana, což je hlavní podmínka stability p i napínání. Základem p edpínání výztuží p i sanacích jsou práv tyto jednopramencové pistole. Na Obr. 2.29 je zobrazena pistole HAMA eské výroby ze Státního metrologického st ediska Hájek, Praha. Pistole má pracovní a kotvící píst, zdvih pracovního pístu je 140 mm. To umož uje napínat lana až do φ15,7 mm v délkách cca 20 m, p i v tších délkách se používá p ekotvení. Pistole vyvine sílu až 220 kN, pracovní tlaky v hydraulickém okruhu dosahují 32 MPa. Pistoli je možné použít i pro napínání ty ových p edpínacích jednotek. Pak se p ed ni p edsadí nástavec ve tvaru zvonu s bo ním vý ezem (viz Obr. 2.30), kterým je možné manipulovat s kotevními maticemi p edpínacích ty í. P íznivou okolností je malý pokluz samosvorných jednopramencových systém . Kotevní objímky jsou vybaveny t emi elistmi, které se v procesu kotvení po p edchozím zatla ení kotvícím pístem zasunují spolu s lanem nazp t do objímky. Velikost pokluzu se pohybuje od 2,6 do 3,0 mm. To jsou pom rn malé hodnoty a zvyšují ú innost p edpínání i p i malých délkách napínaných kabel . 2.2.6 Injektáže trhlin v sanovaných konstrukcích N které sanované konstrukce jsou ve výchozím (p vodním stavu) porušeny soustavou trhlin. To se týká p edevším zd ných budov, relativn široké trhliny byly ale také nalezeny i u zesilovaných betonových most . V 80. letech prob hl výzkum zkušebních nosník z áste n p edpjatého betonu ve Výskumném ústavu inženierskych stavieb v Bratislav . P i tomto výzkumu byl mimo jiné sledován rozvoj a uzavíratelnost trhlin v áste n p edpjatých nosnících p i málocyklickém namáhání. Jedním z vedlejších poznatk byla skute nost, že trhliny v betonu, které dosáhly ší ky max. 0,6 mm p i plném zatížení, se po odezn ní zatížení zcela uzav ely u všech nosník se stupni p edp tí k = 0,2 až 1,0, a to i p i zopakování 150 cykl zat žování. P itom nevznikly žádné vedlejší negativní jevy, jako nap . drcení betonu v okolí trhliny, posun ker betonu, zvýšený pr hyb po odezn ní zatížení. To jsou dobré výchozí poznatky k záv ru, že sanované železobetonové ohýbané (zejména mostní) konstrukce, které jsou ve výchozím stavu porušeny soustavou trhlinek práv s ší kami kolem 0,5 mm, lze bez dalších opat ení áste n p edepnout. Obr. 2.31 v habilita ní práci
14
dokumentuje uzavíratelnost trhlin do 0,6 mm p i cyklickém namáhání. Takové trhliny není t eba nijak p ed vnesením p edp tí upravovat. P esto se lze ojedin le setkat s žb. mostními konstrukcemi, které byly jednorázov siln p etíženy, nebo i novými konstrukcemi, u nichž nevhodné trasování p edpínací výztuže vedlo k trhlinám v jednom pr ezu s ší kami 1 až 5 mm. Bez dalších opat ení nelze takto porušené konstrukce sanovat p edp tím, protože nelze zaru it bezpe ný p enos tlakových nap tí od p edp tí v okolí trhliny. Výhodnou metodou pro vypln ní takových trhlin a tím i zmonolitn ní takto porušené konstrukce je vysokotlaká epoxidová injektáž. Tato metoda se rozší ila v 90. letech i u nás, je provád na specializovanými firmami. P edpokládá navrtání soustavy otvor do trhliny po vzdálenostech cca 200 až 300 mm, do kterých se osadí plastové jednocestné ventily na jedno použití – obturbátory. Tyto prvky mají tvar hmoždinek a do vyvrtaného otvoru φ8 až 14 mm se osazují úderem, v konstrukci z stávají. Pomocí vysokotlakého lisu se pak do trhliny vtlá í epoxidová prysky ice pod tlakem 10 až 50 MPa, ventil zajistí setrvání tlaku i po odpojení injektážního lisu. Potom je možné sanovat konstrukci p edp tím bez nejistot v okolí p vodní trhliny. Zd né konstrukce jsou zpravidla
Obr. 2.29 P edpínání jednopramencovou pistolí HAMA
Obr. 2.30 Nástavec pistole pro napínání a kotvení ty í
také ale porušeny trhlinami; velmi asto trhlinami širokými. Zdivo pod omítkou bývá porušeno trhlinami o ší ce 1,5 až 5 mm, dlouhodob rozvíjející se poruchy se projevují trhlinami v ádu 10 mm, v ž ve [3R] byla odd lena od p ilehlé budovy trhlinami až 150 mm širokými. Jak bude ukázáno v dalším textu, nutnou podmínkou pro sanaci konstrukcí se širokými trhlinami (zd ných budov) p edp tím je p edchozí vypln ní trhlin jako první krok ke zmonolitn ní konstrukce p edp tím, které je druhým krokem. Zde byla navržena a prakticky vyzkoušena metoda nízkotlaké cementové injektáže. Tato injektáž se provádí v etenovými hydraulickými erpadly p i tlacích 0,5 až 1,0 MPa injektážní cementovou kaší se ztekucující p ísadou. 3
KONSTRUK NÍ DETAILY
P i zesilování konstrukcí dodate ným p edpínáním je nutné uplatnit vhodné konstruk ní detaily tak, aby byly dodrženy všechny podmínky pro spolehlivé p sobení jak p vodní zesilované konstrukce, tak dodate n p iložené p edpínací soustavy. Toho lze dosáhnout správným návrhem a provedením konstruk ních detail .
15
Bez ádných detail nelze zajistit p sobení dodate ného zesílení v souladu s teoretickými p edpoklady a ani nelze zaru it dlouhodobou spolehlivost vneseného p edp tí. 3.1 SEDLA Sedla jsou pomocné ásti konstrukce ur ené pro zm nu trajektorie kabelu. Z cizí terminologie se používá také jako synonymum název deviátory (deviace = odchylka, úchylka). Jejich ú elem je umožnit zm nu dráhy kabelu a p enést do konstrukce vznikající radiální síly p i zachování normou p edepsaných podmínek pro p edpínací výztuž, její obal a beton v kontaktu s výztuží. P í ný pr ez lana nesmí ztratit sv j kruhový tvar a chráni ka primární ochrany se nesmí porušit. Jediným vodítkem u nás je [4L], která v P íloze E mimo jiné požaduje: • P í ný tlak lana v sedle nemá p estoupit hodnotu 600 kN/m´ lana ( z d vodu ohybu a p í ného stla ování p edpínací výztuže, aby nedošlo ke ztrát kruhovosti profilu lana a tím zvýšení nebezpe í únavy ). • P í ný tlak lana na ochranný obal z plastu nemá p estoupit hodnotu 100 kN/m´ lana ( z d vodu promá knutí chráni ky a ztráty pasiva ního maziva). • Lano v sedle má procházet ohnutou ocelovou trubkou, která má zajiš ovat polohu lana v sedle. Její polom r má být nejmén 3 m ( požadavek zajiš ující kruhovost profilu lana). 3.1.1 Sedla v betonu zesilované konstrukce Sedla zhotovená p ímo v betonu nebo ve zdivu zesilované konstrukce jsou sou ástí metody náhradních kabelových kanálk . Na etných aplikacích byl ov en tento modifikovaný zp sob vytvá ení sedel. Vychází se op t z výše uvedených požadavk , konstrukce sedla je ale mnohem více p izp sobena charakteru prací p i sanaci (zesilování). Základní myšlenkou je vytvo it sedlo p ímo v materiálu sanované konstrukce, aby odpadla komplikovaná transformace radiálních sil pomocnými sva enci, a to jak u betonových, tak i u zd ných konstrukcí. Sedlo se vytvá í technologií diamantového ezání a díl ího sekání. P i jeho vytvá ení se vždy p edpokládá, že je již zhotoven p íslušný kabelový kanálek a drážka na povrchu p ilehlé konstrukce. Sedlo se provádí v následujících krocích: 1. Lemující ezy po stranách sedla. Provád jí se ru n v rovinách rovnob žných s rovinou ur enou polygonem p edpínací výztuže. Ší ka mezi ezy je shodná s ší kou kabelového kanálku, tj. nap . 35 mm pro jednolanové kabely (monostrendy), 52 mm pro t ílanové ( ty lanové) kabely složené z monostrend . Tento tvar sedel zaru uje, že p edpínací lano (kabel) nem že sklouznout do jiné polohy. Plní tedy funkci trubky podle [3] P ílohy A. 2. Op rná plocha sedla. Provádí se ru n nenáro ným , opatrným sekáním; materiál uvoln ný lemujícími ezy se vybírá. Postupuje se podle plechové šablony, která je navržena projektantem a definuje tvar sedla (tvar ásti kruhového oblouku). Lze dosáhnout nerovností do ± 5 mm v sedle tvarovaném v betonu a ± 10 mm v sedle tvarovaném v cihelném zdivu. Vyrovnání op rné plochy. Op rná plocha se vyrovná - zahladí vysokopevnostní cementovou maltou (obvykle p edchystanými sana ními hmotami). Jako kontrola tvaru se použije výztuž sedla. 3. Osazení výztuže sedla. Vyrovnaná op rná plocha sedla se vyztužuje roznášecí výztuží. Zpravidla posta uje použít pásovou konstruk ní ocel ( . 37). Pásová ocel má v betonu ší ku shodnou s pr m rem kabelového kanálku, tlouš ku 5 až 8 mm. Ve zdivu se ší ky volí zatím na základ empirických zkušeností opatrn ji, dvoj- až trojnásobn širší; v sedle nahrazuje také funkci trubky podle [3L] P ílohy A zejména tím, že zajiš uje hladký tvar dosedací radiální plochy a roznáší teoreticky p ímkové zatížení betonu konstrukce radiálními silami na zatížení plošné. Tím odstra uje problém kontaktní úlohy. Hladká dosedací plocha bez nejmenších nerovností je nezbytná pro dlouhodobou ochranu plastového obalu p edpínacího lana (aby nedošlo k proseknutí plastového povlaku nebo trubky ). Výztuž sedla je p edchystaný záme nický dílenský výrobek. Na koncích je opat ena ohnutím o výrazn menším polom ru, než je polom r sedla. Tím se zajistí požadavek podle [3L] P ílohy A, aby p i eventuální montážní odchylce sm ru výztuže od p edepsaného sm ru o úhel 0,05 rad nedocházelo k ostrému lomení lana. Zakon ující polom ry r k se volí zpravidla p tinou polom ru sedla rs , tedy.
1 rk = rs Výztuž sedla je ke konstrukci p ipevn na montážními rozp rnými kotvami φM8 mm 5
a šrouby se zapušt nou hlavou. Alternativn lze užít „TURBO šrouby“ oazené p ímo do betonu po p edchozím vyvrtání otvoru shodného s jmenovitým pr m rem šroubu. Toto montážní p ipevn ní sedla výrazn urychluje a zjednodušuje p ípravné práce. P i definitivním usazení se pásovina
16
podmaže tenkou vrstvou vysokopevnostního mikrobetonu tl. 2 až 4 mm. Na Obr. 3.9 je uvedeno sedlo ve zd né konstrukci. 4. Reprofilace prostoru sedla. Po p edepnutí konstrukce se prostory sedla zapraví (reprofilují). Prostory jsou úzké, s rovnob žnými st nami, proto posta uje zapravení b žnými sana ními hmotami bez nároku na vyztužení. Zapravené sedlo je uvedeno na Obr. 3.9. Tímto zp sobem byla vytvo ena a experimentáln vyzkoušena sedla pro jednolanové i t ílanové kabely. Navržené a provedené polom ry rs = 1200 až 1500 mm dob e vyhov ly, nedocházelo k borcení lan, ani k porušení plastového obalu monostrend . Polom ry jsou tedy realizovatelné menší, než normou [3L] požadované pro novostavby s volnými kabely. Návrh sedla se d je stanovením jeho polom ru a p ezkoušením, zda není p ekro en povolený radiální tlak na obal lana. P itom se p ihlédne ke konstruk ním zásadám doporu eným v této stati. Ur ující je celkové statické ešení zesilované (sanované) konstrukce, které stanoví úhel kabelové dráhy za sedlem v i jejímu p edchozímu pr b hu. 3.1.2 Sedla v nov vybetonovaných blocích V t ch p ípadech, kdy nelze využít mezery mezi p vodní výztuží pro vedení kabelových kanálk , lze z ídit nov vybetonované bloky jako roznášecí prvky pro umíst ní sedel. Tak je tomu tehdy, když je p vodní výztuž rozmíst na nepravideln a nelze najít vhodné mezery mezi kanálky, nebo když nelze umístit všechny staticky pot ebné kabely do náhradních kanálk . Tak tomu bývá v p ípad trámových mostních konstrukcí, n kdy také v p ípad zesilovaných nosník je ábových drah. Nov vybetonované bloky lze navrhnout v mezerách mezi trámy podle Obr. 3.7. Jde o vyztužené betonové bloky, jejichž betonáž lze provést betonovacími otvory p ipravenými v p vodní mostovce. Vlastní sedlo je tvo eno tvarovanou ocelovou trubkou zabetonovanou v bloku. Trubka musí mít kuželové náb hy se zbroušenými hranami pro zajišt ní plynulého náb hu kabelu do trubky (dosednutí po te n k oblouku trubky).
Obr. 3.7 Betonová sedla vytvo ená jako nové betonové bloky mezi trámy p vodní mostní konstrukce
P enos radiálních sil je nutné zajistit v bo ních sty ných plochách blok a p vodních trám . K tomu se bo ní plochy trám zesilované konstrukce opat í ezanými smykovými hmoždíky (ve tvaru tupých pilovitých zá ez ). Smykové hmoždíky je vhodné kombinovat s injektovanými mikroh eby sp aženými na kotevní délku s p vodní konstrukcí. P i v tších p edpínacích silách a p i pochybnostech o spolehlivosti kotvení sp ahujících mikroh eb (trn ) v p vodním betonu lze sp ažení doplnit vodorovným p edepnutím blok s trámy zesilované konstrukce. 3.1.3 Sedla jako ocelové sva ence Ocelové sva ence ve tvaru sedel lze použít pro podstatné zrychlení výroby sedel. To je vítané p i zesilování most nad železnicí, kdy jde o co nejkratší dobu výluky. Nevýhodou tohoto ešení je problematická antikorozní ochrana sva enc a vytvá ení „hybridních“ konstrukcí s ocelovými detaily, a koli betonové provedení je možné. Ocelové sva ence jako sedla lze snáze akceptovat p i zesilování v pr myslu, kde jde o konstrukce pod st echou a tedy o prost edí s malou nebo zanedbatelnou agresivitou. Také estetika zesílené konstrukce je v t chto p ípadech druho adá. 3.1.4
Sedla ve zd ných konstrukcích
17
Sedla ve zd ných konstrukcích zajiš ují, podobn jako v betonu, hladké a rovnom rné p sobení monostrendu na zdivo. Zdivo je složeno z kusového staviva (cihly, kamenné kvádry) a malty. Toto složení neumož uje vytvo it dostate n hladkou plochu pro op ení lana tak, aby nedošlo k lokálními porušení plastové chráni ky výstupky cihel nebo kamene. Druhým d vodem pro použití sedel ve zdivu je malá únosnost zdiva v místním
Obr. 3.9 Sedlo kolmé po osazení a po napnutí lana
Obr. 3.10 Sedlo rovnob žné po napnutí lana
namáhání. Sedlo roznáší prakticky bodov p sobící radiální síly do plochy pod sedlem a lokální namáhání zdiva je potom vyhovující. Sedla kolmá – pro radiální síly p sobící tlakem kolmo k povrchu zdiva Sedla kolmá jsou taková sedla, která zachycují radiální síly p sobící jako tlakové síly kolmo k povrchu zdiva. Rovina ohybu monostrendu je tedy kolmá k rovin st ny, ve které je monostrend umíst n. Je to nej ast jší zp sob použití sedla v metod náhradních kabelových kanálk ; konstrukce sedla a jeho osazení se prakticky neliší od sedel používaných v mostních trámových konstrukcích. Na Obr. 3.9 je zobrazeno kolmé sedlo ve zd né konstrukci zesilované horizontálním p edp tím. Sedla rovnob žná – pro radiální síly p sobící tlakem rovnob žn s povrchem zdiva Sedla rovnob žná jsou taková sedla, která zachycují radiální síly p sobící jako tlakové síly rovnob žn povrchem zdiva. Rovina ohybu monostrendu je tedy rovnob žná s rovinou st ny, ve které je monostrend umíst n; asto je totožná s povrchem st ny. K t mto p ípad m dochází p i zm nách sm ru p edpínacích lan, nap . z d vodu vyhýbání se okenním otvor m apod. Sedlo musí zachytit smykové síly p sobící s povrchem zdiva, které by jinak usmýkly okolní zdivo a p edpínací lano by zm nilo dráhu. Sedlo je v tomto p ípad navrženo jako kombinace výše popsaného sedla s bo ní lemující plochou a injektovaných mikroh eb , které jsou kotveny do hloubky zdiva a svojí ohybovou tuhostí op t zachycují a roznášejí smykové síly do masivu zdiva. Takto sestrojený sva enec se osazuje postupn : nejprve se osadí a zakotví injektované mikroh eby a potom se p ipevní vlastní sedlo koutovými sváry. Na Obr. 3.10 je zobrazeno rovnob žné sedlo ve zdivu historické zd né konstrukce zesilované horizontálním a vertikálním p edp tím. Sedla negativní – pro radiální síly p sobící tahem ke st n V n kterých p ípadech nesledují st ny jednu p ímku, nýbrž p dorysn uskakují. Zde je užití podélného horizontálního p edpínání spojeno s ojedin lými konstruk ními potížemi. Jedná se o to, jak udržet vlastní p edpínací lana ve zdivu konstrukce, když negativn p sobící radiální síly lana vysunují ven z konstrukce (ze zdiva st ny). Zde je nezbytné použití negativních sedel, jež jsou schopna spolehliv p enést parazitní radiální tahové síly a udržet lana p edepsaných dráhách. Taková sedla (deviátory) jsou op t sva ence, v tomto p ípad z vhodn tvarovaných ocelových trubek a z p í ných kotevních táhel, které p enášejí radiální sílu na druhý povrch zdiva a zde jsou kotvena pomocí b žných roznášecích desek. Ocelové trubky musí být vhodn tvarované – zajiš ují p edepsané polom ry a p enášejí negativní radiální síly (síly tahové, tedy sm ující ven ze zdiva) do kotevních táhel. Sedla k ížová Sedla k ížová zajiš ují vzájemné míjení p edpínacích lan v t ch p ípadech, kdy je vhodné provést jejich k ížení. Ke k ížení lan lze s výhodou p istoupit p i horizontální stabilizaci zd ných budov se schodiš ovými
18
prostorami, kde výškový posun oken na schodišti znemož uje jejich obvyklé a prosté horizontální vedení. K ížením se potom p evád jí p edpínací lana mezi podlažími a výsledné statické p sobení horizontálního p edepnutí je zachováno. V míst p ek ížení není pochopiteln možné op ít jedno lano o druhé a práv v tomto konstruk ním detailu je vhodné použít sedlo k ížové. Vznikne jako sva enec vzájemn p ek ížených b žných sedel s vytvo ením konstruk ní mezery pro plynulý pr chod obou k ižujících se lan. Na Obr. 3.12 v hab. práci je zobrazeno k ížové sedlo ve zdivu klasicistní školy p estav né na budovu okresního archivu. 3.2
KOTEVNÍ OBLASTI 3.2.1 Kotvy s rovinnou deskou bez primární ochrany Starší, relativn nejrozší en jší zp sob vytvá ení kotevních oblastí rezignoval v oblasti kotev na dodržení primární ochrany p edpínací výztuže proti korozi. D vody byly p edevším ve zjednodušení výroby a v p edstav , že pouze sekundární ochrana zásaditým prost edím betonu, kterým se nakonec oblast kotev vyplní, zajistí dostate nou ochranu. To lze s vysokou pravd podobností p edpokládat u konstruk ních aplikací v chrán ném prost edí (nap . uvnit pr myslových hal, uvnit zast ešených budov), kde prakticky nedochází ke kolísání vlhkosti nebo k zatékání. Na vn jších st nách budov a hlavn u most k zatékání m že dojít
Obr. 3.14
Kotevní oblasti zhotovené ezáním vlevo - detail op rných ploch pod kotvou zhotovených ezáním vpravo - uspo ádání kotev s vy ezanými plochami v šikmé mostní deskové konstrukci
a navíc u most spolu ze zatékáním m že dojít k proniknutí agresivních solných roztok . To je u t chto konstrukcí d vodem odklonu od všeobecn používaných otev ených kotevních systém a zavád ní zapouzd ených systém podle bodu 3.2.2. Kotevní oblasti lze provád t bu pomocí p idané železobetonové konstrukce, nebo v materiálu sanované konstrukce. V metod náhradních kabelových kanálk lze s výhodou provád t kotvení lan v p vodním materiálu za pomocí ezacích diamantové technologie popsané v Kap. 2. Roznášecí (dosedací) rovinná plocha pod roznášecí ocelovou deskou je navržena jako ezaná. Obr. 3.14 potom detailn ukazuje takto zhotovenou plochu v betonu trámové konstrukce (vlevo) a uspo ádání takto dodate n zhotovených kotev v zesilované šikmé deskové konstrukci (vpravo). P i návrhu velikosti roznášecích desek lze postupovat podle kap 2; monolitického charakteru montované kotvy se dosahuje podmazáním desky epoxidovými živicemi, p ípadn vysokopevnostními cementovými tmely. Epoxidové živice vyžadují ádn vyschnutý beton, což zdržuje provád ní prací. Naproti tomu vysokopevnostní tmely na bázi cementu tvrdnou i na vlhkém podkladu, lze tedy použít vodu pro išt ní detail a to je pro stavbu výhodné. P i montáži roznášecích desek je vhodné vyvodit pomocnými kotvami lepící p ítlak, aby bylo zajišt no celoplošné zmonolitn ní desky s betonem. N kterými pracovními skupinami je tento krok vynecháván a k zajišt ní lepícího p ítlaku je využíváno samotné p edpínací lano inicializa n napnuté na minimální síly do 5 kN. P edpínací lana (monostrendy) jsou pak kotveny samostatnými kotevními objímkami. Na základ zkušeností s tímto kotevním systémem lze íci, že jde o bezpe né a trvanlivé ešení, i když je náro né na kvalitu a kontrolu provád ných prací. Práv pe livost p i provád ní detail rozhodujícím zp sobem ovliv uje životnost. Takto byly navrženy a realizovány kotevní oblasti u ady uvád ných mostních konstrukcí v hab. práci. Je samoz ejm nutné podotknout, že dlouhodobé zkoušky odolnosti proti agresivnímu prost edí provád ny nebyly.
19
3.2.2 Zapouzd ené kotvy Nejnov jší názory na ochranu výztuže v prostupu kotvou tento postup p ekonávají a požadují hermeticky
Obr. 3.21 Kotvení kabel s více lany pomocí jednolanového zapouzd eného systému DYWIDAG vlevo – t í-lanové kabely; roznášecí a montážní sva enec ve tvaru plášt tetragonu vpravo – ty -lanové kabely; sva enec ve tvaru pentagonu
Wz
3~4 Wz M2 P2
r2 M1 r1
Wz
3~4 Wz
Obr. 3.23
a)
P1
b)
Doporu ené uspo ádání kotvení lan na nároží budovy ( ást a); pr ezy zdiva ohrožené odlomením momentovými ú inky p edpínacích sil v kotv ( ást b)
obalované kotvy v etn roznášecích desek s vodot sným spojením obalu lana a kotvy. Po p edepnutí se taková kotva zakryje op t plastovým víkem a celý prostor se proinjektuje stejnou pasiva ní hmotou, jaká byla použita v samotném lanu. Tento kotevní systém byl vyvinut pro nové monolitické konstrukce p edpínané monostrendy, je tedy ur en k zabetonování. Proto nejsou na závadu odchylky roznášecí desky od ideální roviny a zaoblení nutná pro bezporuchovou funkci plastového obalu. P i sanaci konstrukcí je možné jej také použít, avšak po p edchozím vypln ní kotevních sklípk vrstvou vyrovnávacího vysokopevnostního mikrobetonu, nebo dosedací plocha není rovinná a samotná plocha je nedostate ná pro roznos p edpínací síly
20
do p vodního betonu konstrukce. Vyrovnávací vrstva pak má tlouš ku cca 200 až 300 mm, lze do ní umístit p ídavnou výztuž pro zachycení p ídavných sil (št pných sil). Takto koncipovaná kotevní oblast získává potom charakter monolitické zálivky, i když se jedná o dodate n zhotovené detaily. Jednolanový kotevní systém spole nosti DYWIDAG má op rnou plochu rovinnou a tedy je pro dodate né zabudování vhodn jší (Obr. 3.21). Je složen z kompaktní kotvy obalené plastem, dále z návleku, který t sní p echod z lana do kotvy, a z krycího ví ka, kterým se zajiš uje uzav ení samosvorného kotevního t í elis ového systému po zakotvení a od íznutí lana. Je ho možné podložit b žnými záme nicky vyrobenými roznášecími deskami nebo sva enci podle konkrétního tvaru a pot eb. Na Obr. 3.21 jsou uvedeny p íklady použití tohoto systému p i kotvení kabel složených z n kolika monostrend . 3.2.3 Kotevní oblasti ve zdivu P i kotvení ve zdivu sanovaných nebo zesilovaných zd ných budov jsou z etelné dva p ístupy. Starší, živelný a nep íliš teoreticky a experimentáln rozvíjený dokumentuje Obr. 3.22. v habilita ní práci.P edpínací výztuž se kotví do p idaných ocelových profil , nej ast ji válcovaných profil U, nebo ocelových roznášecích desek a sva enc , umíst ných na povrchu zdiva. Jde o primitivní postup up ednost ující konstruk ní nenáro nost s obhajujícím p ístupem : „Nech je na konstrukci vid t náš zásah provedený dnes, v moderní dob , pomocí našich nových materiál a technologií“. Podle posledních odborných pohled na tuto problematiku jde o zcestný názor, obhajující myšlenkovou nenáro nost a halící neschopnost tv r ího konstruktérského p ístupu do hávu jakési všeobhajující modernosti. Památkovou ve ejností je tento p ístup rozhodn odmítán. Takto navrhované a provedené sanace zd ných budov z po átku 90. let znehodnotily nejednu budovu, dnes jsou odbornými zástupci – architekty z Ústav památkové pé e odmítány práv pro narušení estetického vzhledu budov. P edpínací výztuž (lana, p edpínací dráty, ty e) je zde pouze empiricky kotvena prost ednictvím ploch ocelových válcovaných profil . U-nosníky byly navíc využívány jako p í né vazby mezi dv ma nebo n kolika kotvami. Desky se osazovaly na líc zdiva po odstran ní omítky, kotevní objímky se chránily nát rem nebo krytem z ocelových trubek, výjime n zalitými epoxidovými živicemi. P i pohledu na konstrukci potom z staly profily viditelné, chrán né nát ry a navždy hyzdící p vodní architektonický vzhled objektu. U konstrukcí podle [1R, 2R, 3R, 5R] byl prosazen p ístup, který maximáln šet í p vodní architektonický vzhled budovy. P i návrhu kotevního technologického a konstruk ního ešení se vychází z toho, že sana ní zásahy p edp tím má smysl provád t z hlediska investi ních náklad zejména u rozlehlejších budov ob anského, historického, sakrálního charakteru, jejichž tlouš ky zdiva jsou v tšinou v tší než 450 mm (600 až 800 mm, i více), dále pak zd ných z plného zdiva cihelného, smíšeného nebo kamenného. Zde jsou tedy dány dostate nou tlouš kou zdiva p edpoklady pro umíst ní kotev p edp tí do prostoru zdiva samotného
Ø36
Ø36
Ø36
Obr. 3.32 Náhradní kabelové kanálky v mezerách mezi výztuží vlevo - možné varianty vedení kanálk pro jeden monostrend uprost ed - kanálek φ52 mm ve vhodné meze e mostního trámu φ
a tím lze zcela vylou it rušivé zásahy do estetického výrazu stavby. Estetická funkce ob anských, historických a památkových staveb jako jedna z d ležitých a chrán ných hodnot z stává zachována. Tento konstruktérský p ístup autora práce byl nejednou kladn ocen n pracovníky památkové pé e a rozhodující
21
m rou p isp l ke kladnému stavebnímu ízení význa ných staveb p edp tím [1R, 2R, 3R, 5R]. 3.3
a následnému povolení vlastní realizace p i sanacích
NÁHRADNÍ KABELOVÉ KANÁLKY
Kapitola habilita ní práce popisuje definování dodate n zhotovovaných náhradních kabelových kanálk , dále jejich umíst ní ve vhodných mezerách mezi p vodní betoná skou výztuží a technologická rozší ení p ed kotvami. Na Obr. 3.32 je uvedena ukázka kanálk zhotovených mezi výztuží trámového spojitého mostu z roku 1928. Pro kanálky je nutné využívat pouze vnit ní mezery mezi výztuží – je to nutné kv li zamezení usmýknutí té ásti betonu, o kterou se v trámu opírá sedlo. K tomu by mohlo dojít p i zhotovení kanálk na vn jších stranách krajních profil p vodní podélné výztuže. P vodní výztuž lemující kanálky potom ú inn roznášejí lokální tlaky v okolí sedel a toto nebezpe í nenastává. 4
ZESILOVÁNÍ MOST TRÁMOVÝCH A DESKOVÝCH
Trámové mosty se stav ly od samých po átk železobetonu. Nejstarší žb. trámové mosty na naší silni ní síti z let 1905 – 1915, jsou navrhované ješt podle Mostního ádu rakouského ministerstva železnic z roku 1904. Nejv tším zatížením pro silni ní mosty na silnicích 1. t ídy byl tehdy parní silni ní válec 18 t (180 kN) nebo rovnom rné zatížení 460 kg/m2 (4,6 kN/ m2) po ploše mostu. V dalších normách a p edpisech byla pohyblivá zatížení zvyšována, až do roku 1968 nap . platilo za nejv tší b emeno pro zat žovací t ídu A vozidlo 60 t ( 600 kN). Na dnes platné hodnoty (jediné vozidlo 80 t (800 kN) pro zat žovací t ídu A) proto logicky není dimenzována v tšina most na silni ní síti, z nichž zna ná ást jsou práv trámové a deskové mosty ze železobetonu. Tato kapitola habilita ní práce se nejprve v nuje kritice p ekonaných zp sob zesilování trámových most ty ovou výztuží, které neobsahuje dostate nou ochranu proti korozi a které neumož uje uschování citlivé p edpínací výztuže do betonu p vodní konstrukce. Dále popisuje základní konstruk ní zásady a uspo ádání kabel v metod náhradních kabelových kanálk u most deskových, trámových prostých i spojitých, zábradelních, prefabrikovaných a komorových. V kapitole Statické p sobení p edpínacích kabel p i zesilování dodate ným p edpínáním jsou p edstaveny základní výhody metody: redukce ú ink vlastní tíhy, díl í zvýšení únosnosti pr ez a redukce posouvajících sil. V dalších kapitolách je popsán postup návrhu zesílení a jednotlivé kroky zesílení. Polední bod této kapitoly je v nován ov ení zesílení konstrukce m ením deformací p ed a po zesílení, která prokazují významné efekty dodate ného p edepnutí. V tomto dalším textu jsou vybrány pojednání o statických efektech zesílení a ukázka m ení na zesílené konstrukci.
ZESILOVÁNÍ ŽELEZOBETONOVÝCH MOST METODOU NÁHRADNÍCH KABELOVÝCH KANÁLK
4.1
Základní konstruk ní uspo ádání p edpínacích kabel p i zesilování trámových most metodou náhradních kabelových kanálk je uvedeno na Obr. 4.4. S využitím popsaných postup se v trámu po p edchozí diagnostice stanoví využitelné mezery mezi výztuží a trámem, kde se provrtají náhradní kabelové kanálky. Sm rové vedení a uspo ádání kanálk se volí zám rn tak, aby se kotevní oblast dala provést nad nebo až za osou uložení a umíst ní sedel bylo v souladu se statickým výpo tem vzdáleno l/5 až l/4 od teoretické podpory. P íprava pro kabel se dokon í zhotovením sedel. Radiální síly kabelu sm ují p ímo do betonu
(1/4~1/5).L L
Obr. 4.4 Základní konstruk ní schéma zesílení prosté žb. trámové konstrukce volnými kabely metodou náhradních kabelových kanál vlevo – uspo ádání dráhy p edpínacích kabel vpravo – kanálky dodate n zhotovené v mezerách mezi p vodní výztuží konstrukce
sanované konstrukce a odpadá tedy složitá a nejasná transformace sil. Po p edepnutí se zapravují kotevní oblasti betonem a kabely (lana) na spodním líci trám se kryjí p idanou krycí vrstvou, p ípadn jsou skryty
22
v rekonstruované p vodní krycí vrstv . Metoda je vhodná a byla realizována pro deskové a trámové mosty prosté i spojité s rozp tím pole od 8 do 25 m. Pomocí kabel v náhradních kanálcích lze zesilovat železobetonové trámové konstrukce prosté i spojité. V p ípad konstrukcí prostých (jde v tšinou o prost uložené rošty) se kanálky a p edpínací výztuž uspo ádá podle Obr. 4.4 , u konstrukcí spojitých podle Obr. 4.10. Spojité konstrukce lze efektivn p edpínat pr b žnými zvedanými kabely napínanými z obou konc . Ty lze doplnit podle statické pot eby i nepr b žnými kabely, kotvenými ve sp ažené desce nebo v kotevních blocích (nálitcích), které se umístí mezi p vodní trámy. Sou initel t ení p i p edpínání monostrend , který se uplat uje p i tomto uspo ádání jenom v sedlech, má hodnotu 0,06 až 0,1. Tato hodnota byla n kolikrát ov ena p i p edpínání takto zesilovaných konstrukcí porovnáním vypo tených a skute n dosažených velikostí protažení lan. V p ímých úsecích kabelových drah se t ení neuplatní (monostrendy zde v tšinou probíhají tém p ímkov od sedla k sedlu, tedy vzduchem a bez t ení).
KABEL V KANÁLKU ( ÁRKOVAN ) A NA SPODNÍM POVRCHU TRÁMU KABELY 1. SOUSTAVY
KABEL VOLNÝ, SEDLO V BETONOVÉM BLOKU KABELY 2. SOUSTAVY
Obr. 4.10 Zesílení spojité trámové konstrukce o t ech polích kabely v náhradních kanálcích naho e – uspo ádání pr b žných kabel 1. soustavy (v kanálcích a na spodním povrchu trám ) a kabel 2. soustavy (volné kabely zesilující vnit ní pole) dole – ukázky pr chodu kanálk φ 52 mm mezi výztuží trám
4.2 STATICKÉ P SOBENÍ P EDPÍNACÍCH KABEL P I ZESILOVÁNÍ DODATE NÝM P EDPÍNÁNÍM Statické p sobení p edpínacích kabel dodate n zabudovaných do p vodních železobetonových konstrukcí je v zásad shodné s p sobením p edpínací výztuže v b žném p edpjatém betonu. To je dosaženo práv tím, že kabely dodate ného p edp tí jsou s pomocí náhradních kanálk zabudovány do pr ezu zesilovaných konstrukcí podobn , jak je tomu u nových, v tšinou pln p edpjatých konstrukcí. Rozdíly provozním stádiu nejsou prakticky žádné, zde se projevují p ízniv p edevším radiální ú inky dodate n vložené p edpínací soustavy, zatím co ú inek p íznivého p sobení samotné p edpínací síly se sice projevuje také, ale není výrazný. To je dáno malými, ale posta ujícími stupni p edp tí λ = 0,12 až 0,25. Ve stadiu mezní únosnosti je hlavní odlišnost v tom, že kabely složen z monostrend p sobí jako kabely volné (bez soudržnosti s betonem), i když zabudovány a zainjektovány v pr ezu. Mezní momenty únosnosti se p esto také zv tšují, a to práv dodate n p sobícími p edpínacími silami, které p evedou p vodní ist ohýbané pr ezy na mimost edn tla ené.
4.2.1
Zmenšení ú ink vlastní tíhy
Základní statická funkce takto koncipovaného zesílení trámových most je uvedena na Obr. 4.17. Je znázorn na na prosté konstrukci, použitý p ístup lze rozší it i na konstrukci spojitou. Radiálním p sobením dodate ných kabel se dosahuje zmenšení ú ink vlastní tíhy. Dodate n se tak aplikuje metoda LBM (metoda vyrovnání zatížení – Load Balancing Method).
23
Trámová mostní konstrukce je zatížena vlastní tíhou g0, ostatním stálým zatížením (dlouhodobým nahodilým 4.17a) Uspo ádání p edpínací soustavy p i zesilování dodate ným p edp tím
Vz
4.17b) Zatížení konstrukce vlastní tíhou g0, ostatním stálým zatížením g1, nahodilým (zatížitelnost) vz
g1 g0
Mg0+g1
+
MDIM U
4.17c) Využití momentu únosnosti MU p ed zesílením
δ.Mvz
-
4.17d) Momentový ú inek dodate ného p edepnutí
MP
+
MDIM UZ
4.17e) Využití momentu únosnosti MUZ po zesílením
δ.Mvz
Obr. 4.17 Statické p sobení volných kabel vedených v polygonální dráze p i dodate ném zesilování
– tíha všech vrstev vozovky s p ípadným p itížením od zvyšované a p evrstvené vozovky) g1, a nahodilým zatížením v. Velikost nahodilého zatížení je zpravidla p ed zahájením sana ních p íprav stanovena jako xUZ
xU δ.Mv
MDIM U
a) Obr. 4.18 a) b) c) d)
P
Mg1
MDIM UZ
Mg0
b)
Mg0
δ.Mvz
Mg1 MP
c)
d)
Vyjád ení vlivu zesílení p edp tím momentovými ú inky na pr ezu trámové konstrukce - pr ez p ed zesílením s výškou neutrálné osy xU - momentové ú inky p ed zesílením - pr ez po zesílením p edp tím s výškou neutrálné osy xUZ - momentové ú inky po zesílení p edp tím
zatížitelnosti mostu podle [5L]. Zde se definuje zatížitelnost mostu, která je stanovena t mito hodnotami: zatížitelnost normální Vn – nejv tší hmotnost vozidla v seskupení vozidel podle schematu Ia nebo Ib,
24
N (kN)
p ípadn velikost náhradního rovnom rného zatížení ve 3 m širokém pásu podle schematu II, zatížitelnost výhradní Vr – nejv tší hmotnost ty nápravového vozidla, zatížitelnost výjime ná Ve – nejv tší hmotnost sestavy taha e a podvalníku, pohybující se st edem mostu. Podle p íslušné normy (u nás je to pro mosty na státní silni ní síti a mosty na místních komunikacích [4L]) lze stanovit pro kritické pr ezy konstrukce moment únosnosti, tj. moment, kterým smí být pr ez namáhán, aby nebyla p ekro ena normou stanovená namáhání oceli a betonu. Na Obr. 4.17 c) je znázorn no, jakou ást momentu únosnosti lze využít pro moment ur ující zatížitelnost mostu. Zatížení rozhodné pro zatížitelnost mostu p ed zesílením m že p sobit nejv tším statickým momentem Mv, jeho celkový ú inek je zv tšený dynamickým sou initelem pohyblivého zatížení δ. Podle propo t a studií n kolika desítek trámových most z let 1915 až 1950, vycházejí zatížitelnosti p vodních most velmi nízké. Zatížitelnosti normální Vn se pohybují od 8 do 15 t, zatížitelnosti výhradní jsou zpravidla 15 až 30 t, vyjád eno vzhledem k momentu únosnosti lze pro zatížitelnosti využít 1/4 až 1/3 momentu únosnosti pr ezu. U p esypaných most , tj. u most jejichž vozovka byla v minulosti jednoduše p evýšena dalšími nabalenými vrstvami asfaltobetonu, to bývá pravidla ješt mén , asto 1/10 až 1/4 momentu únosnosti. Nez ídka se lze setkat s paradoxní situací, kdy je celý moment únosnosti „spot ebován“ vlastní tíhou, p ípadn je dokonce menší. Taková konstrukce výpo tov nep enese ani vlastní tíhu. Jak je ukázáno na Obr.4.17 d), e), momentové ú inky vhodn navrženého dodate ného p edp tí výhodn snižují momenty od stálých zatížení. Pro momentové namáhání ur ující zatížitelnosti mostu lze využít o tolik v tší ást celkového momentu únosnosti, o kolik jsou momentové ú inky stálých zatížení ( g0 , g1 ) sníženy momenty od p edp tí Mp. Již p i malých stupních p edp tí λ = 0,1 až 0,2 je momentový zisk u takto zesílených konstrukcí zna ný a pro momenty ur ující zatížitelnosti lze po p edepnutí konstrukce využít n kolikrát v tší ást momentu únosnosti, než p ed zesílením. Lze psát, že Mvz = (2 ∼ 3) Mv, kde Mvz je nejv tší moment ur ující zatížitelnost po π = [NU; MU] zesílené konstrukce p edp tím, Mv je nejv tší moment ur ující zatížitelnost na p vodní, nep edpjaté konstrukci. Jsou-li využitelné momenty Mvz po zesílení n kolikanásobn v tší, než momenty Mv, p ed zesílením, stoupá také zatížitelnost takto zesílených trámových most . B žn lze ÁST FUNKCE PORUŠENÍ π VYUŽÍVANÁ P I λ = 0,1∼0,25 zvýšit zatížitelnosti o 200 až 300% vzhledem k p vodním P [NU=P;MU=MUZ hodnotám p ed zesílením, byly také zesíleny deskové mosty, ] u nichž bylo dosaženo 10x vyšších hodnot zatížitelnosti M (kNm) [N=0; MU] normální a 6x vyšších u zatížitelnosti výhradní.
4.2.2
Zvýšení únosnosti pr ezu
Obr. 4.19 π P MUZ NU; MU
Zvýšení únosnosti pr ezu funkce porušení p edpínací síla moment únosnosti po zesílení sou adnice bod funkce porušení π
Mírný vliv na skute né zesílení pr ezu, tedy na zvýšení momentu únosnosti, má také normálová složka p edpínací síly. P vodn ist ohýbaný pr ez podle Obr. 4.18 a) se m ní na excentricky tla ený pr ez a to je doprovázeno zv tšením tla ené oblasti betonu pr ezu (Obr. 4.18 c). Tato skute nost teoreticky zp sobuje mírný nár st momentu únosnosti podle Obr. 4.19. Ohýbaný mostní trámový pr ez p ed zesílením je charakterizován dvojicí vnit ních sil N = 0; M = MU. Podle velikosti p sobícího momentu M lze jeho aktuální namáhání vyjád it pouze na vodorovné ose funkce porušení. Po zesílení se do pr ezu vnese také p edpínací síla P. Podle dosaženého stupn p edp tí λ potom pro zesílený pr ez platí jakákoli vodorovná ára ve vyzna ené oblasti uvnit funkce porušení. Pr se ík této áry s funkcí porušení je dán dvojicí N = P; M = MUZ. Pro každou vodorovnou áru uvnit vyzna ené oblasti (tedy pro každou nenulovou P) a na základ tvaru funkce porušení potom musí platit, že: MUZ > MU, kde P je p edpínací síla vnesená p i zesílení dodate ným p edp tím MU je moment únosnosti pr ezu p ed zesílením, MUZ je moment únosnosti pr ezu po zesílení p edpínací silou P
25
Zv tšení výšky tla ené oblasti zesíleného pr ezu zv tšuje ideální moment setrva nosti v okolí nejvíce namáhaných pr ez . To má teoreticky za následek na zmenšení pr hyb konstrukce (ztužení konstrukce), +
Tg0+g1+δTv -
a)
TP b)
+
-
Tg0+g1+δTv+TP
+
-
c)
Obr. 4.20 Redukce posouvajících sil p í nými ú inky p edpínacích kabel p i zesílení trámové konstrukce z Obr. 4.17 a) – pr b h posouvajících sil vlivem vlastní tíhy a zatížení Vr b) – redukce posouvajících sil vlivem radiálních sil v sedlech c) – pr b h posouvajících po redukci
které bylo také experimentáln nam eno a potvrzeno (odstavec 4.3). Zasluhuje pozornosti, že p i používaných nízkých stupních p edp tí je posun neutrálné osy relativn malý a tomu odpovídající zv tšení ideálního momentu setrva nosti pr ezu je oproti p vodnímu je cca 10% až 15%. V žádném p ípad nelze o ekávat plné p edepnutí pr ez . Jejich p etvárné chování po zesílení je v podstat stejné, jako p ed ním (op t dochází k rozevírání trhlin v tažené ásti pr ezu vlivem zbývající, nevybalancované ásti stálých zatížení a zatížení nahodilých), pouze dojde ke zmenšení jejich ší ek a k mírnému zmenšení pr hyb vlivem nahodilých zatížení. Je z ejmé, že i p i nízkých stupních p ep tí jsou efekty zesílení trámových most vysoké. Hodnoty zatížitelnosti se po zesílení zvyšují na n kolikanásobky p vodních hodnot. Pouhé snížení ú ink vlastní tíhy konstrukce (nap . snesením p esypaných vrstev vozovky apod.), které také uvol uje ást momentu únosnosti pro p enos nahodilých zatížení, lze použít s podivem jen z ídkakdy. Rozhodující je v tšinou niveleta komunikace a ta je dána návazností p ed a za mostem. Její snížení na most vyvolává velké a tedy finan n náro né úpravy dlouhých úsek komunikace.
4.2.3
Redukce posouvajících sil
Podobn posouvající síly jsou ú inn redukovány p edp tím. Redukce je znázorn na na Obr. 4.20. V ásti a) je p íklad typického pr b hu posouvajících sil do stálých zatížení a zatížitelnosti Vr po zesílení konstrukce. V ásti b) je pr b h posouvajících sil od p edp tí – má opa né znaménko. Výsledný redukovaný pr b h posouvající sil je uveden v ásti c). ím je vzdálenost sedla od podpory v tší, tím menší je úhel kabelu v i ose trámu a tím menšími posouvajícími silami schopnými redukovat p vodní posouvající síly p edpínací kabel p sobí. Z hlediska posouvajících sil by bylo lépe provád t sedla blíž k podpo e, z hlediska momentového co nejdále od podpory. I když konkrétní návrh závisí na mnoha dalších faktorech obecn velmi rozm rov a skladebn rozmanitých konstrukcí, výsledky dosud navržených a realizovaných zesílení vedou na výše zmín ný poznatek, že optimální vzdálenost v intervalu pro umíst ní sedel v poli je 1/5 až 1/4 l. To platí pro konstrukce prosté i pro konstrukce spojité. Konstrukce s náb hy vyžadují zvláštní pozornost. Jsou –li náb hy p ímkové, potom za átky náb h v tšinou odpovídají výše uvedenému doporu ení. Sedla lze v metod náhradních kabelových kanálk umístit do za átk náb hu. Jsou – li náb hy delší ( nap . parabolické náb hy asto dosahují až do l/3), je nutné použít zvláš vybetonované bloky mezi trámy a ty umístit do doporu ených vzdáleností. Trámové a deskové železobetonové mosty lze p edpínáním monostrendy metodou náhradních kabelových kanálk s využitím konstruk ních a statických p ístup popsaných v 4.2 a 4.3. Nezbytná je vždy diagnostika rozm r , materiál a vyztužení stávající konstrukce. Následn lze p istoupit k návrhu zesílení a vlastnímu provedení dodate ného p edepnutí. Uvedené postupy byly použity p i zesílení most nap . podle [4R a dalších, uvedených v habilita ní práci].
26
4.3 DEFORMACE ZÁBRADELNÍHO MOSTU P I P EDPÍNÁNÍ A P I ZAT ŽOVACÍ ZKOUŠCE Dále uvedená konstrukce je trámový zábradelní most o jednom poli z roku 1928. Dva prosté zábradelní (hlavní) nosníky nesou mostovku. Ta je tvo ena roštem z p í ník , které nesou desku mostovky. Nosná konstrukce je provedena ze železobetonu. Rozp tí hlavních nosník je 14,1 m; volná ší ka na most 6,0 m a celková ší ka mostu je 7,0 m. Vozovka je na most p evrstvena. Na p vodním vozovkovém souvrství s žulovou dlážd nou vozovkou leží pr m rn 100 až 130 mm asfaltobetonu, což významn zvyšuje vlastní tíhu mostu. V pr b hu stavby dálnice v okolí byla vozovka zvýšena v rámci úpravy komunikace o dalších 80 mm. To vedlo ke zúžení provozu po most na jeden jízdní pruh s nevyhovující zatížitelností. Zesílení mostu bylo navrženo p edp tím volnými p edpínacími kabely alespo na zat žovací t ídu B podle SN 736203. Byly zesíleny hlavní nosníky a p í níky volnými p edpínacími kabely uloženými v náhradních (vyvrtaných) kabelových kanálcích a p i spodním povrchu trám . P evrstvená mostovka pro zat žovací t ídu B vyhov la. Zesílení bylo provád no za provozu (p i zúžení na jeden pruh st edem mostu). K zesílení byly použity ty lanové kabely v hlavních trámech a dvoulanové kabely v p í nících složené z monostrend , které jsou vedeny v polygonální dráze a byly napínány z obou konc . Betonem trám procházejí kabely náhradními kabelovými kanálky v mezerách mezi p vodní výztuží. Kabely byly kotveny v kotevních oblastech uzav eným jednolanovým kotevním systémem DYWIDAG. Prostory pod a nad kotvami byly zality vysokopevnostním mikrobetonem. Na spodním líci trám a p í ník byly kabely ochrán ny rekonstruovaným p ikotveným a vyztuženým betonovým krytím.
KABEL 2 KABEL 1 T3
T4
T1
T3
KABEL 3
T2
Obr. 4.31 M ení pr hyb p i p edpínání zábradelního mostu naho e – pr b h kabel a umíst ní pr hybom r v podélném ezu na p í nících vlevo dole – kabely a pr hybom ry v p í ném ezu na hlavních nosnících a na p í níku vpravo dole – m ení pr hybu induk nostním sníma em dráhy s pr b žným záznamem
Použila se p edpínací lana obalovaná typu MONOSTREND φ Ls 15,7/20 mm 1600/1800 MPa (výrobce AUSTRIA DRAHT). Lana byla napínána na 196 kN s podržením nap tí 5 minut. Pro napínání se použila jednolanová p edpínací pistole s rozsahem do 200 kN. Lana byla napánána z jedné strany a potom se dopínala z druhé stany, op t s podržením nap tí 5 minut. Nejprve byla napínána krajní lana ze tve ice lan v deviátoru, naposledy lano st ední. Postup napínání byl stanoven tak, aby bylo vnášení p edpínací síly do hlavních nosník a p í ník co nejrovnom rn jší. Nejprve byly napnuty kabely . 1 v obou hlavních nosnících sou asn (synchronizovanou dvojící jednolanových napínacích souprav), dále kabely .2 v hlavních nosnících a teprve potom kabely . 3 v p í nících postupem od st edního p í níku symetricky k ob ma op rám mostu.
27
Statický ú inek zesílení byl sledován zat žovací zkouškou p ed zesílením, m ením vzepnutí konstrukce p i p edpínání a zat žovací zkouškou po zesílení mostu. M ení probíhala následovn : 1. Zkouška p ed zesílením P ed zesílením bylo provedena zat žovací zkouška dv ma vozidly v nejú inn jší poloze tak, aby byly stanoveny pr hyby konstrukce p ed zesílením. Tenzometricky byly m eny pr hyb pravého hlavního nosníku v bod T1, pr hyb levého hlavního nosníku v bod T2 a pr hyb dvou st edních p í níku ( . 9 a . 8) v bod T4 a T3. 2. Deformace p i p edpínání P i vlastním zesilování mostu – p i p edpínání – byly ve výše uvedených bodech m eny negativní pr hyby (p izvednutí konstrukce) dosažené volnými kabely v hlavních nosnících a v p í nících. 3. Zkouška po zesílení pomocí volných kabel Po zesílení byla provedena zat žovací zkouška op t dv ma stejnými vozidly v nejú inn jší poloze tak, aby byly stanoveny pr hyby konstrukce po zesílením ve stejném postavení, ve kterém byly m eny pr hyby p ed zesílením. M ení prob hlo op t sledováním bod m ených již p i zkoušce p ed zesílením. Sledované body jsou uvedeny na Obr. 4.31. Na Obr. 4.32 v habil. práci jsou dokumentováno postavení zat žovacích vozidel b hem zat žovací zkoušky po zesílení. Na Obr. 4.33 v habil. práci je uvedena ukázka z rozsáhlého souboru zm ených pr hyb a vzepnutí p i p edpínání. P i vyhodnocení efektu zesílení byly nam ené hodnoty pr m rovány. Souhrn výsledných hodnot je uveden v Tab.4.1. Na základ zm ených údaj lze zesílení nosných prvk zábradelního mostu hodnotit následovn : 1. Zesílení hlavních nosník Zm na vnit ních sil, která vedla na zvýšení zatížitelnosti hlavních nosník a tedy i celého mostu, má svoji deforma ní podobu ve vzepnutí hlavních nosník a v pom ru m ených pr hyb p ed a po zesílení. P edepnutím se hlavní nosníky vzepnuly (prohnuly nahoru) o 2,4 mm. To je v absolutní hodnot 4,6 x vyšší p íznivý deforma ní ú inek, než jaký byl vyvolán dv ma vozidly Tatra s hmotností 2 x 22 t. To je doklad vysoké efektivnosti provedeného zesílení. Po zesílení klesly m ené pr hyby hlavních nosník zatížených stejnými vozidly na 86% pr hyb p ed zesílením. To je doklad ztužení hlavních nosník dosažný provedeným zesílením. Je to poprvé, kdy bylo deforma ní ztužení prokázáno, a to i p i malém stupni p edp tí (λ = 0,14). 2. Zesílení p í ník Zm na vnit ních sil se projevila také v pom ru zm ených pr hyb p ed a po zesílení p í ník . P edepnutím se p í níky vzepnuly (prohnuly nahoru) o 3,0 mm. To je v absolutní hodnot 2,4 x vyšší p íznivý deforma ní ú inek, než jaký byl vyvolán dv ma vozidly Tatra s hmotností 2 x 22 t. To je také ukázka vysoké statické efektivnosti provedeného zesílení. Po zesílení klesly m ené pr hyby p í ník zatížených stejnými vozidly na 91% pr hyb p ed zesílením. To je op t doklad ztužení p í ník dosažný provedeným zesílením. Je to poprvé, kdy bylo deforma ní ztužení prokázáno, a to i p i malém stupni p edp tí (λ = 0,12). PR HYBY KONSTRUKCE [mm]; DOL +; NAHORU ÁST KONSTRUKCE HL. NOSNÍK HL. NOSNÍK P Í NÍK P Í NÍK
T1 T2 T3 T4
P ED ZESÍLENÍM 0,50 0,54 1,75 1,78
ZESÍLENÍ -2,6 -2,2 -5,6 -5,2
PO ZESÍLENÍ 0,47 0,43 1,50 1,70
POM R PR M RNÝCH PR HYB PO/P ED ZESÍLENÍ 0,86 0,91
Tab. 4.1 Vyhodnocení pr hyb p ed a po zesílení zábradelního mostu
5
ZESILOVÁNÍ ZD NÝCH MOST
Na silni ní a železni ní síti R, ale také i na místních komunikacích, je stále n kolik set mostních kleneb z kamenného nebo cihelného zdiva. asto vyhovují svojí dispozicí a pr to ným profilem, pouze jsou p íliš úzké a jejich p í ný sm r je porušen podélnými trhlinami. Stá í mostních kleneb je v tšinou více než 120 let, jejich výstavbu lze datovat do 17. až 19 století. P í inou podélných trhlin jsou nej ast ji zemní tlaky silni ního
28
t lesa a p í ná tahová nap tí vznikajících kolem st edu kleneb p evrstvením a zvýšením užitného zatížení (n kolikanásobné zvýšení nápravových tlak vozidel a intenzity dopravy). Zesilování t chto zd ných most je zesilování kleneb p í ným p edp tím. Efektivn se uplat uje u válcových mostních silni ních a železni ních kleneb, jež jsou porušovány oproti klenbám užívaným v pozemním stavitelství soustavami podélných trhlin (trhliny v rovinách rovnob žných s rovinou rozp tí). Ty porušují klenbu nejen na úrovni rubu elních st n, ale i uprost ed ší ky zhruba v ose p evád né komunikace. Na klenby je nahlíženo nikoli jako na konstrukce prutové, ale jako na konstrukce sko epinové. Pomocí sko epinových model lze vysv tlit vznik p í ných tah a tedy podélné trhliny ve stávajících klenbách. Kapitola habilita ní práce popisuje základní zp soby návrhu a konstruk ního uspo ádání systému zesílení mostních kleneb kombinací p í ného p edepnutí a nových betonových elních st n. 5.1
PRUTOVÝ A PROSTOROVÝ MODEL MOSTNÍ KLENBY
Mostní klenby byly navrhovány pomocí b žného prutového modelu. Pro n j byly odvozeny a používány vzorce analytického ešení. Prutové modely s využitím programové podpory jsou pro ešení v podélném sm ru používány dodnes. Klenba se nahrazuje rovinným prutovým modelem, který m že vystihnout jakýkoliv tvar st ednice klenby (kruhový, eliptický, parabolický). Zkouškami, provedenými v N mecku, bylo již kolem roku 1900 prokázáno, že p etvá ení kleneb prutovým model p íliš neodpovídá a že jejich únosnosti jsou ve skute nosti n kolikanásobn vyšší. To se projevilo hlavn u kleneb s relativn malým rozp tím (cca do 10m), u oblouk s rozp tím v tším se již za ala projevovat shoda. Uvedené poznatky nazna ují, že skute né silové pom ry u malých kleneb budou výsledkem složit jšího p sobení. Obvykle se klenba nahrazuje pásem zdiva ší ky 1 m. P sobící vnit ní síly jsou jen síly ve svislé rovin : normálová síla Nx a ohybový moment My. Prutový model neposkytuje žádné síly v p í ném sm ru a tedy ani žádná namáhání, která by mohla klenbu porušovat. Prostorový, alespo sko epinový, model klenby je uvedena na Obr. 5.4 dole v habilita ní práci. P i zatížení tíhou násypu, který je asto p evrstven spíše uprost ed klenby, než na okrajích, a p i pohyblivém zatížení, které se pohybuje spíše v blízkosti st edu klenby, obdržíme deformaci v tší ve st edních ástech klenby, než na okrajích. Deformace ve vrcholu je vyzna ena erven . Pr b h této áry nazna uje, že konstrukce klenby je namáhána také tahy v p í ném sm ru, kterým je schopna vzdorovat jen malou pevností zdiva v tahu. Tento pr b h se dále ješt zvýrazní, když se vezme v úvahu st nová tuhost elních st n spojených s klenbou, která brání volné deformaci okraje klenby. V souladu s touto deformací vznikají na sko epinovém modelu síly v podélném sm ru (jako na modelu prutovém), tedy Nx a My, ale také síly v p í ném sm ru Ny a Mx. P í né normálové síly jsou síly vycházející jako síly tahové, p í né momenty Mx táhnou spodní vlákna klenby. P i následném pr kazu únosnosti pr ez se na v tšin studovaných kleneb také potvrdilo, že klenby nejsou v p í ném sm ru dimenzovatelné, tedy že jejich únosnost je nedostate ná. To je v souladu s výskytem podélných trhlin kolem st ed kleneb a také vysv tluje vznik po áte ních, inicializa ních trhlin, jež se následn zv tšují pov trnostními vlivy. 5.2 ZESILOVÁNÍ KLENEB P Í NÝM P EDP TÍM Sko epinové modely tedy ukazují, že v t chto konstrukcích vznikají také p í ná namáhání (ohybové momenty a tahy), se kterými nebylo nikdy uvažováno a kterým zdivo není schopno dlouhodob odolávat. Tato namáhání je vhodné eliminovat p í ným p edp tím. Tím se konstrukce klenby zesílí tak, že ji lze využívat pro plné zatížitelnosti stanovené na prutovém nebo st nodeskovém modelu v podélném sm ru a p itom již dále nejsou porušovány p í ným namáháním, které vniká z prostorového p sobení konstrukce. Myšlenka posilování kleneb v p í ném sm ru není zcela nová. Již d íve byly n které, zejména železni ní klenby zesíleny p í nými táhly. Táhla ale nemohla dosáhnou zmonolitn ní porušeného zdiva a také kotvení bylo provád no pouze do litinových nebo ocelových desek na p vodních elních st nách. To mohlo být vyhovující pro táhla, pro kotvení p edpínacích sil je roznos do zdiva elních st n a do klenby nedostate ný. P í né p edp tí kleneb lze aplikovat jako sou ást konstruk ního systému, který se skládá z nových elních st n a z p edpínacích kabel (Obr. 5.5). Toto spojení je výhodné, protože v nových, asto rozši ujících žb. elních st nách je možné kabely zakotvit osv d eným zp sobem a prost ednictvím nových elních st n lze dosáhnou tém rovnom rného roznosu sil v kotvách do zdiva klenby. Vlastní stabilita rozši ujících st n ve svislé rovin je zajišt na silami v kotvách, st novou tuhostí op r a prostorovou tuhostí již zesílené klenby. Síly v kotvách vytvá ejí ve vodorovném sm ru rovnovážnou soustavu. Kabelové dráhy využívají všechny b žné konstruk ní detaily a postupy, zmín né v kap. 2, 3 a 4. Krom stability elních st n je t eba kontrolovat
29
maximální velikost p edp tí ve zdivu klenby a op r, p sobícího rovnob žn s ložnou spárou kusového staviva. Nové st ny lze navrhnout jako relativn tenké železobetonové st ny, jejichž p evažující namáhání je ale deskové. Jejich vlastní tíhu b hem výstavby p enášejí malé plošné základy (patky, pásy), po p edepnutí se zdivem klenby se namáhání asem p erozd lí a jejich tíha je p enášena základy p vodních mostních op r. Tvar elních st n lze snadno p izp sobit p ekážce (korytu vodote e apod.). Velkou výhodou uvedeného
NOVÉ ELNÍ ST NY
P EDPÍNACÍ KABELY
P VODNÍ ELNÍ ST NY
Obr. 5.5 Konstruk ní systém zesílení kleneb p í ným p edp tím a elními st nami vlevo – pohled na novou elní st nu s kotvami kabel vpravo – uspo ádání klenby, elních st n a p í ných kabel
konstruk ního systému je snadné rozší ení vozovky na most , p ípadn z ízení chodník , prost ednictvím mohutných konzol, jež lze snadno vysadit na ob strany elních st n. 5.3
REKONSTRUKCE MOSTNÍ KLENBY V HAVARIJNÍM STAVU
Jako ukázka z této kapitoly je uveden most na silnici I.t . (Obr.5.19), který byl poškozen podélnými trhlinami do té míry, že jeho elní zdi byly n kolik let podep eny. Nosnou konstrukcí byla eliptická klenba z kamenného zdiva. Zdivo bylo vyzd no na okrajích klenby z žulových kvádr ist špicovaných, uvnit v ploše klenby z kvádr hrubých na spáru pololožnou. Rozp tí klenby bylo 3,3 m, ší ka mostu (klenby) 10 m. D vodem rekonstrukce silni ní mostní klenby bylo vyklán ní obou elních zdí mostu s následným vznikem podélných trhlin mezi klenbou a elními zídkami v ší ce 20 – 40 mm a podélných vlasových trhlin ší ky 2 mm v t etinách klenby, procházejících až do poloviny výšky op r. Špatným stavebním stavem kamenného zdiva všech šikmých svahových k ídel došlo k jejich deformaci. Aktivním zemním tlakem došlo k porušení stability
Obr. 5.19 Rekonstrukce mostu na silnici I. t . [24R] vlevo naho e – tvar elní st ny s rozmíst ním kabel a kotev vpravo naho e – p í ný ez rekonstrukce s rozší ením vozovky na kategorii S 9,5 a p evedením cyklostezky na vyložené desce na stran po vod vlevo dole – provizorní zap ení elní zdi p ed rekonstrukcí
30
obou elních zdí, což ohrožovalo bezpe nost mostní konstrukce. V roce 2002 bylo provedeno do asné zajišt ní stability elních zdí zapažením výd evou (Obr. 5.19). Rekonstrukce klenby byla navržena systémem dodate ného p í ného p edp tí s p ibetonovanými ely. Tím došlo k sanaci klenby jejím zmonolitn ním v p í ném sm ru a tedy k vylou ení vlivu podélných trhlin. Dosáhlo se rozší ení mostu na budoucí volnou ší ku 9,5m a p evedení plánované cyklostezky p es koryto
Obr. 5.20 Mostní klenba na silnici I. t . po dokon ení vlevo – p í né kabely v mostním otvoru p ed zapravením vpravo – konstrukce po dokon ení v pohledu na stranu s cyklostezkou
potoka vyložením ímsy na stran po vod . Tato ší ka zatím nebyla využita pro silni ní provoz, nebo ší kové pom ry silnice p ed a za mostem jsou užší. Rozší ení mostu, provedené v rámci rekonstrukce, bude využito p i plánované rekonstrukci celého silni ního tahu. elní st ny jsou stabilizovány p í ným p edp tím p edpínacími kabely. Kabely jsou sestaveny ze t í p edpínacích lan Ls 15.7 mm NPE (chrán ná p edpínací lana proti korozi). Kabely se ve zdivu umístily do náhradních kanálk a drážek, které byly po p edepnutí mostu vypln ny injektáží a zapraveny. S ohledem na havarijní stav byly kabely napínány ve dvou fázích. Nejprve byly napnuty kabely v patách klenby a po zhotovení elních st n v celé výšce byly napnuty kabely zbývající. Na Obr. 5.20 je ukázka mostu po dokon ení a klenby po p edepnutí. 6
P EDPÍNÁNÍ ZD NÝCH KONSTRUKCÍ
P edpínáním zd ných konstrukcí, popisovaným v této kapitole, je dodate né vnášení p edp tí do již existujících stavebních konstrukcí nejr zn jšího charakteru a stavebního slohu, jejichž p evažujícím stavivem je zdivo. Není rozhodující, zda jde o zdivo cihelné, kamenné nebo smíšené. Jde o materiál s minimální pevností v tahu, tedy neodolávající tahovým silám vyvozujícím v n m tahová nap tí. P edp tí provád né vysoce tažnými p edpínacími lany zajiš uje eliminaci tahového namáhání zdiva. Je potom základním
VYKLÁN NÍ PILÍ
TRHLINY
SÍLY V KOTVÁCH
Obr. 6. 42 Zesílení barokních staveb v p í ném sm ru p edepnutím pilí vlevo – základní schéma rozmíst ní p edpínacích kabel (lan) vpravo – st nový model oblouku s podp rnými pilí i
a kleneb
31
a nutným krokem každé následné stavební obnovy konstrukce (sanace) a je navrhováno a provád no jako statické zesílení (n kdy je používáno ozna ení statické zajišt ní), p echázející každé stavební rekonstrukci, která si klade za cíl dosažení spolehlivého a dlouhodob stabilního stavu zd né konstrukce. Proto je možné ozna ovat dodate né p edpínání také jako rekonstrukci (p ípadn její ást). Tato kapitola je rozd lena v habilita ní práci na p t podkapitol. V první jsou diskutovány ztráty p edp tí p i p edpínání tohoto neobvyklého stavebního materiálu, zejména, jde-li o historické zdivo. Dále jsou zde popisovány základní zp soby p edpínání zd ných konstrukcí – horizontální, vertikální a zesilování zd ných konstrukcí obecn vedeným p edp tím v etn p edp tí kleneb, které se uplat uje s výhodou u barokních staveb. Ve druhé podkapitole je popsáno použití vertikálního p edp tí p i stabilizaci obvodového zdiva, nap . zámecké jízdárny. Ve t etí je potom podrobn rozebráno dodate né p edpínání zd ných oblouk a kleneb. Kombinace zesilování kleneb a pilí svislým dodate ným p edepnutím je pospána v podkapitole tvrté, a to jako konstruk ní zp sob velmi vhodný pro trvalou stabilizaci barokních staveb. Pátá podkapitola je v nována zesilování základ (rozši ování základové spáry) zd ných staveb základovými klenbami a konzolami. Tato jsou spojeny se základy p vodními a sou asn aktivovány práv dodate nými p edpínacími kabely. Tato kapitola je rozsáhlá a jako ukázka je v tezích uvedeno zesilování barokních staveb. -100.0
-29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4 -29.4
-29.4
-626.3
-100.0
6.5
-29.4
13.7
-13.7
283.6 80.0
-80.0
90.4
13.7
-53.0 -53.0 -53.0 -53.0 -53.0 -53.0
53.0 53.0 53.0 53.0 53.0 53.0
-930.8 90.4
-13.7
5.2
-235.0
Obr. 6. 43 St nový model MKP barokních konstrukcí vlevo – ekvivalentní soustava sil od p edp tí vpravo – napjatosti st edu oblouku p ed zesílením (naho e) a po zesílení (dole – tlaková rezerva [kPa])
6.1 ZESILOVÁNÍ P Í NÉ VAZBY STAVEB S KLENBAMI PODÉLNÝM A SVISLÝM P EDPÍNÁNÍM Velké st edové úhly st ednic barokních oblouk vedou p i aplikaci zesilování dodate ným p edp tím na sklony kanálk v patách kleneb kolem 45°, n kdy i víc. Potom nelze zachytit svislé složky p edpínací síly gravitací zdiva a tyto složky se stávají omezením této metody; jsou to vlastn nežádoucí složky, které by jinak použití podélného p edpínání znemožnily. V takových p ípadech lze ovšem použít kombinaci podélného a svislého p edpínání. Jde o podélné p edpínání vlastních klenbových oblouk a tém svislé p edpínání podp rných pilí , jak je popsáno v 6.2. Svislé p edp tí lze zvolit tak velké, aby zcela zredukovalo nežádoucí svislé složky v kotvách podélného p edepnutí kleneb. Systém vlastn vznikl kombinací již výše uvedených postup : zesilování svislým p edpínáním pilí a podélným p edpínáním kleneb. Schématicky je výsledné zesílení p í né vazby barokních konstrukcí zobrazeno na Obr. 6.42 vlevo. Návrh p edp tí je nutno provád t a ov it s využitím po íta ového modelování pomocí MKP. Lze s úsp chem použít i relativn jednoduché prutové modely. St nové modely v rn ji vystihují pr ezové zm ny a vytvá ejí názorn jší p edstavu analyzované konstrukce (Obr. 6.42 vpravo). P edpínací lana lze v obou p ípadech modelovat ekvivalentní soustavou sil od p edp tí, p ípadn lze p ímo modelovat i p edpínací lana 1D prvky (pruty) a p edp tí vystihnout vynuceným p etvo ením zadaných prut . Podobn jako v 6.2 a 6.3 práv vnesená tlaková rezerva oprav uje použití lineárních model i pro tyto historické konstrukce. Na Obr. 6.43
32
vlevo je ukázka ekvivalentní soustavy sil od navrženého zesílení p edp tím konstrukce podle Obr. 6.42, na Obr. 6.43 vpravo je potom ukázka výsledné napjatosti vrcholového pr ezu oblouku p ed a po p edepnutí. Výsledné napjatosti poskytují tahy (a tedy i trhliny ve zdivu) na spodní stran vrcholových pr ez oblouk již vlivem samotné vlastní tíhy konstrukce. P i zapo tení vynuceného posunutí podp rných pilí v d sledku dalších vliv (dotvarování zdiva, poklesy, dlouhodobá vodorovná deformace podloží) je již pr ez ve vrcholu zcela tažený. Pouze dodate né p edp tí má potom schopnost vytvo it v takové konstrukci pot ebnou tlakovou rezervu.
Obr. 6. 44 Poruchy zámecké lodžie vlevo – pohled na konstrukci (barokní kolonáda se sloupy z pískovce a k ížovými klenbami) vpravo – vyklán ní sloup a kleneb o 80 až100 mm; trhliny ve st edu kleneb
Jako p íklad velmi úsp šné aplikace této metody lze uvést zesílení konstrukce zámecké lodžie podle [5R]. Ze t í stran otev ená jednopodlažní stavba o sedmi polích je zaklenuta cihelnými klenbami, spo ívajícími na osmi pískovcových sloupech (Obr.6.44); její zadní ást je uzav ena dvoupodlažní stavbou o stejné délce. Základovou konstrukci tvo í zd né základové pasy a patky pod zdmi a sloupy z plných pálených cihel
CIHELNÁ KLENBA ZADNÍ ST NA
PÍSKOVCOVÉ SLOUPY
P EDPÍNACÍ LANA V NÁHRADNÍCH KANÁLCÍCH
„MRTVÉ“
KOTVENÍ
Obr. 6. 45 Zesílení zámecké lodžie dodate ným p edepnutím vlevo – uspo ádání p edpínací soustavy vpravo – p edpínání kleneb; kotvy pro klenby a sloupy
33
a neopracovaných kamen ; základová spára je v hloubce 0,75 - 1,10 m pod úrovní podlahy 1. NP., zdi jsou zd né z plných pálených cihel na vápennou maltu. Stropy nad kolonádou jsou klenuté, cihelné, nad ostatními místnostmi jsou d ev né trámové stropy. Krov je d ev ný, stolicový, st ešním plášt m je plechová krytina. Jedná se o historicky a architektonicky mimo ádn cenný stavební soubor, který dotvá í a uzavírá zámeckou zahradu. Sloupy kolonády byly siln vyklon ny svojí horní ástí ven z objektu, náklon byl zm en 80 až 100 mm v hlavách sloup . Vychylování sloup bylo zp sobeno vodorovným tlakem kleneb, které byly ve vrcholu narušeny trhlinou tl. 2 až 5 mm, mírn prosedaly a ztrácely p vodní polokruhový tvar. P í inou odchylování sloup byla ztráta vodorovné tuhosti konstrukce zp sobená rozpadem d ev n ných vazních trám na rubu klenby a d ev ných táhel skrytých kleštin. Statické zajišt ní p edcházelo stavebním úpravám. Hlavní myšlenkou zesílení stavby bylo ztužení p í né vazby konstrukce kolonády soustavou p í ných a svislých p edpínacích lan nad klenbovými pásy v návaznosti na jednotlivé sloupy (Obr. 6.45). Aby byly zachyceny svislé složky p edpínacích sil v kotvách, p edepnul se každý sloup k základu tém svislým lanem ve vrtaných kanálcích v pískovci sloupu. Kanálky byly zakon eny až v základové patce sloupu, kde se z ídilo mrtvé kotvení. Vrtání kanálk ve sloupech byla operace mimo ádn náro ná na p esnost (byl použit vrtací suport). Pro všeobecné ztužení objektu a ochranu p edpínacích lan se provedl nad klenbami následn železobetonový rošt. P vodní základové patky z cihelného zdiva nebyly pro tzv. mrtvé kotvení lan ve sloupech dosta ující. Proto byly základy obetonovány, do betonu byla vložena v ncová výztuž (podélná a t mínková). P es p vodní základ se pak kanálkem protáhlo lano, které se rozpletlo do dvou pramen , jejichž konce se pak p ihnuly tak, aby koncový oblouk byl umíst n v novém železobetonu. V podélné st n se mrtvé kotvení provedlo ukotvením ve zdivu (op t s rozpletením do dvou konc ). Kanálky s lany se posléze vyplnily cementovou injektáží s mírným p etlakem. Ztužení kolonády bylo úsp šn provedeno v ervnu 2002 jako p edpoklad pro celkovou stavební obnovu konstrukce. Ta byla následn provedena v roce 2005. 7
ZESILOVÁNÍ MONTOVANÝCH KONSTRUKCÍ A KONSTRUKCÍ V PR MYSLU
Zesilování konstrukcí montovaných je pojednáno v habilita ní práci spole n se zesilováním konstrukcí pr myslových hal, nebo se navzájem prolínají. Betonové pr myslové haly byly od 50. let 20. stol. stav ny p evážn jako montované; montované soustavy pronikly také do oblasti konstrukcí pozemních staveb ve ejného, obchodního i ob anského využití. Sanaci poruch, p ípadn zesilování konstrukcí dodate ným p edpínáním lze ve v tšin p ípad zobecnit a využít t chto postup u všech konstrukcí, bez ohledu na ú el, pro který byly postaveny. Tato kapitola je rozd lena v habilita ní práci na p t podkapitol. První dv se v nují zesilování konstrukcí pr myslových hal, kde lze dodate ným p edpínáním výrazn zvýšit únosnost stávajících betonových nosník je ábových drah, krátkých konzol podp rných sloup a podp rných sloup samotných. Druhá podkapitola popisuje možnosti p edpínání p vodních st ešních obloukových vazník s táhlem, kdy lze dosáhnout výrazného zv tšení podst ešního prostoru bez nežádoucího vodorovného vysunutí pat vazník . Ve t etí podkapitole je popsána sanace nadm rných pokles stropních prvk montovaných skelet dodate ným p edepnutím, jež zde eší ve v tšin p ípad d sledky dlouhodobých pr hyb zp sobených dotvarováním betonu. tvrtá podkapitola je v nována možnostem zesilování panelových budov, kde lze ešit nejen díl í trhliny mezi panely, ale zm nu dispozice stávajících panelových budov vyložením prefabrikovaných konstrukcí. Pátá ukazuje podrobn zesilování rozmanit porušených konstrukcí v pr myslu (základ , komín , blok apod.), jejichž spole ným rysem je zmonolit ování dlouhodobým provozem odd lených ástí konstrukce dodate ným p edepnutím sty né spáry. Jako ukázka rozmanitých možností uplatn ní dodate ného p edpínání p vodních pr myslových konstrukcí je v tezích uvedeno zesilování krátkých konzol je ábových drah, jež je sou asné patentov chrán no. 7.1
ZESILOVÁNÍ KRÁTKÝCH KONZOL
Zesílení krátkých konzol je založeno na redukci vznikajících tah dodate n vyvolaným p edepnutím. Je z ejmé, že vznik trhlin obou osnov odpovídá pr b hu hlavního nap tí v tahu. Trhliny osnovy I vznikají již záhy (p i provozním zatížení) a odpovídající pružnému p etvo ení ohybové výztuže, umíst né p i horním okraji konzoly. Pokud je ohybová výztuž dostate n únosná, potom trhliny osnovy I nerozhodují o celkové únosnosti konzoly. Trhliny osnovy II vznikají v zak ivené tla ené vzp e mezi p sobišt m svislé síly a po átkem náb hu konzoly. Na jejich vzniku se spolupodílejí p í né tahy, vznikající v siln tla eném prvku a radiální sily, které zak ivují tok tlakového nap tí od místa p sobišt svislé síly do d íku sloupu. Únosnost
34
konzoly jako celku je potom dána p ekro ením únosnosti železobetonového prvku v hlavním tahu. Podle výzkum [22L] dojde bu k usmyknutí celé ásti konzoly pod trhlinou osnovy II, nebo k odsmyknutí hranolu pod uložením nosníku p i vn jším horním povrchu konzoly. Snížením hlavního nap tí v tahu (vzhledem k velikosti p sobící svislé síly) dojde k posunutí kolapsu prvku, tedy ke zvýšení únosnosti. Hlavní nap tí v tahu lze snížit nap íklad zavedením vhodného vodorovného p edp tí, které do konzoly vnese dodate né tlakové pole. Série obrázk na Obr. 7.6 ukazuje pokles hlavního nap tí v tahu konzoly zatížené svislou silou 1000kN v závislosti na vn jší (dodate né) p edpínací síle vnesené t emi p edpínacími jednotkami z ela konzoly [23L]. Analýza nap tí je provedena pro jednostrannou konzolu. Pro oboustrannou se obdrží prakticky stejné výsledky. Protože se p edp tím vytvá í tlaková rezerva, posta uje použití lineární analýzy. Napjatost a návrh p edp tí lze studovat na st novém modelu FEM (Finite Element Method). Na Obr. 7.7 je uvedeno základní silové schéma, které je aplikací výše uvedené analýzy na konkrétní zesilované betonové konstrukci. P vodní konzoly z let 1920 až 1950 jsou vyztuženy nevhodn pomocí svislých t mínk a šikmých, málo zakotvených ohyb a mají r zné sklony šikmého líce. V levé ásti Obr. 7.7 je zobrazeno schéma p sobících sil tak, aby byl beton v míst obou trhlin osnovy I a osnovy II p edepnut po celé výšce pr ezu. Dolní kotva by ale po šikmé ploše konzoly sjížd la, proto je nutné zachytit sesouvající
Obr. 7.6 Redukce nap tí v hlavním tahu vodorovn vnesenou p edpínací silou vlevo – bez p edp tí uprost ed – p edpínací síla 3 x 200 kN vpravo – p edpínací síla 3 x 400 kN
složku. To lze provést snadno táhlem ke kotv horní, jak je znázorn no na st ední ásti Obr. 7.7. Zachycená a p evedená síla se p i ítá k p sobící síle F a to zp sobí mírné zv tšení svislého namáhání konzoly. Zv tšení namáhání ne iní t žkosti, nebo pot ebné p edp tí se dá zv tšit použitím zvýšené p edpínací síly ( na obrázku k .F, kde k ≥ 1, obvykle k = 2). Zachycení složky rovnob žné se šikmým povrchem konzoly má další p íznivý efekt. Tím je p sobení druhé složky p edpínací síly v dolní kotv kolmo k povrchu, tedy tém ve sm ru hlavních tah podle Obr. 7.6 a tém kolmo na trhlinu osnovy II. Toto ešení je vhodné pro málo sklon né konzoly, kde úhel sklonu k vodorovné α ≥ 45°. Aplikujeme – li na již porušenou konzolu model F
F P
P P
P
k.P
F k.P
P
P
P
P
P
P
Obr. 7.7 Redukce hlavních tah zesilovaných krátkých konzol horizontálním p edp tím vlevo – konzola se skonem α ≥ 45° ; základní schéma soustavy p edpínacích sil P uprost ed – konzola se skonem α ≥ 45° ; šikmá složka p edpínací síly v dolní kotv je p evedena táhlem k horní kotv a s ítá se s p sobící silou F; nár st sil se zachytí zv tšenou p edpínací silou v horní kotv k.F vpravo – konzola se skonem α < 45° ; základní schéma soustavy p edpínacích sil P
vzp ra – táhlo, pak tato složka p sobí ve sm ru sklon ných t mínk . Protože ale zesilované konzoly takto vyztuženy nejsou, nahrazuje tato složka síly v pomyslné výztuži tím, že v této oblasti betonu vytvá í p edpjaté táhlo.
35
V pravé ásti Obr. 7.7 je zobrazeno schéma p sobících sil pro velmi sklon né konzoly, kde úhel sklonu k vodorovné α < 45°. Takto byly provedeny konzoly z pozd jšího období, p ibližn z let 1950 až 1970. V t chto p ípadech by již rozklad sil nebyl p íliš efektivní a je vhodn jší vnesení p edpínací síly p ibližn centricky do ela konzoly. To je možné podle konkrétní situace p vodního vyztužení jednou p edpínací jednotkou s v tším po tem lan, nebo i n kolika jednolanovými kabely.
Obr. 7.8 Konstruk ní provedení horizontálního p edpínání krátkých konzol vlevo – p edepnutí dv ma kabely s dolní kotvou uloženou šikmo uprost ed – p edepnutí dv ma kabely s dolní kotvou zapušt nou do vývrtu a uloženou kolmo vpravo – skute né provedení se šikmo uloženou dolní kotvou a s táhlem
V souladu s výše uvedeným se návrh p edpínacích sil, rozmíst ní p edpínacích kabel a umíst ní kotev opírá o p edchozí analýzu MKP na st novém modelu. S p ihlédnutím k sou asné úrovni poznání problému se p edp tí navrhuje tak velké, aby nebylo vy erpáno ani po zapo tení výrobních a provozních ztrát p edp tí p i použití koeficientu bezpe nosti alespo 2 p i provozním zatížení. Hlavní tahy jsou tedy p evedeny na tlakové namáhání a p íznivý vliv p vodní betoná ské výztuže není zapo ten. Její polohu a množství je p esto vhodné ur it. Prvním d vodem znalosti skute ného vyztužení konzoly betoná skou výztuží je nutnost rozhodnout, zda je pot ebné zesilovat. Druhým d vodem m že být co nejvhodn jší rozmíst ní vrtaných kabelových kanálk tak, aby bylo p vodní vyztužení co nejmén narušeno. P vodní výztuž lze diagnostikovat magnetoinduk ními metodami, radiografií nebo radarem. Je také vhodné diagnostikovat rozsah tahového porušení
Obr. 7.9 M ení deforma ní odezvy zesilovaní konzoly vlevo – schéma zesílení konzoly a umíst ní sníma posunu (sníma e H,S D) uprost ed – umíst ní sníma na konzole vpravo – elní pohled na zesílenou konzolu po napnutí
betonu konzoly p ed zesílením metodami nelineární akustické emise podle [24L]. Beton konzoly je tedy udržován b hem další dobu využívání ve stavu bez trhlin. Tento koncept zohled uje skute nost, že zkoušky mezní únosnosti nebyly dosud s dostate nou pr kazností provedeny.
36
Konstruk ní ešení se opírá o metodu náhradních kabelových kanálk , zhotovených dodate n diamantovou technologií (Obr. 7.8). Využívá dvou kabel lan vedených náhradními kanálky horizontáln v betonu konzol. Dv nebo t i horní lana jsou soust ed na do jednoho kanálku. V n kterých p ípadech je vhodné a praktické p edpínat pouze jedním kabelem ze svislé plochy konzoly. Tvary konzol z let 1925 až 1970 jsou velmi rozli né a m ní se u nich sklon spodního sešikmení. Podle jeho velikosti se používá pro spodní lano zahloubení nebo op ení o šikmou plochu s konstruk ním zachycením složky p sobící síly; p i zvláš velkých sklonech lze všechny kotvy rozmístit na ele konzoly. V odborné literatu e je asto uvád na informace o tom, že pomocí krátkého p edpínacího lana nelze do konstrukce vnést dostate n ú innou p edpínací sílu, nebo tato se ztratí pokluzem lana v kotv . Pe liv zvolený technologický postup p edpínání s dostate ným prostorem pro relaxaci a následné dopínání umožnil vnést do konstrukce i pomocí krátkého lana nebo ty e dostate n ú innou sílu. P i m ení síly v lan po zakotvení p i použití bezpokluzového systému bylo prokázáno vnesení p edpínací síly v jednom lan b žn 180 kN. Ov ení vlivu zesílení konzoly dodate ným p edp tím bylo shledáno jako nezbytná podmínka pro prokázání provozní spolehlivosti navržené a realizované metody. Bylo vyvoláno zejména závažností problému z hlediska ohrožení výroby a život lidí, nebo selhání konzoly, jež je staticky ur itou konstrukcí, by vedlo k pádu je ábové dráhy a mostového je ábu. M ení bylo provád no p i každém užití tohoto zp sobu zesílení. M ená konzola byla na obou stranách osazena Hollanovými m ícími m stky s délkou základny 200 mm (Obr. 7.9). M ícím prvkem byly induk nostní sníma e s rozsahem 2 mm s citlivostí 0,1 µm. Signál sníma byl pr b žn snímán m ícím po íta em. Byl monitorován pr b h vlastních p edpínacích prací a dále pr b h zat žovací zkoušky tíhou je ábu s podv šeným b emenem. P edpínání bylo provedeno synchronizovanou trojicí jednolanových napínacích souprav; všechna lana byla tedy napínána sou asn – dv v horní pozici a jedno v dolní. P edepnutí konzoly bylo provád no ve p ti stupních z 0 kN až na kone nou hodnotu 220 kN. Jednotlivé stupn p edpínání jsou dob e z etelné. Po dosažení maximální hodnoty p edpínací síly byla lana kabelu dopínána s prodlevou 15 min. Tím byly tém zcela vylou eny ztráty relaxací p edpínací výztuže. Proces kotvení je spojen s technologickým pokluzem v jednolanových t í elis ových objímkách o pr m rné velikosti 2,8 mm. Následný pokles tlakového p etvo ení betonu konzoly je výrazný (asi 20% - sníma H) a je z ejmé, že použití bezpokluzových kotevních systém nebo eliminace pokluzu jsou vhodné. Po ukon ení p edpínání byla provád na zat žovací zkouška s podv šeným b emenem 8 t, tedy s maximálním b emenem pro stávající je áb. B emeno se nacházelo v krajní poloze tak, aby byla na m enou konzolu vyvozena maximální možná reakce je ábu. P edp tí bylo tímto b emenem vy erpáno hodnotou 10µm/m´. To ukazuje, že p edp tí konzoly bylo vy erpáno pouze z 15% a že p edp tím byla vytvo ena velká rezerva, jež je využitelná instalací je ábu s vyšší únosností. Impulsy v nam eném grafu p i odjezdu je ábu ukazují na reálný dynamický sou initel o velikosti až 1,5. Rezerva byla zvolena z d vodu p ípadných dlouhodobých ztrát p edp tí a dalších, dosud jednozna n nestanovených vliv . T mi mohou být: 1. Dlouhodobá složka relaxace p edpínacích lan ( i když se použila lana nízkorelaxa ní a p edp tí bylo dopínání s prodlevou 15 minut). 2. Dotvarování betonu konzoly (nep edpokládá se velké vzhledem k reáln dosahovanému p edp tí do 3.0 MPa). 3. Vliv kolísání teplot nestejného sou initele teplotní roztažnosti oceli a betonu v p ípad , kdy jsou napnuta relativn krátká p edpínací lana. 4. Vliv malé délky p edpínacích lan na ú innost a spolehlivost samosvorných kotevních systém . Lze shrnout, že snížením hlavního nap tí v tahu, p ípadn jeho vylou ením v provozním stadiu plným p edp tím, lze docílit výrazného zvýšení únosnosti konzoly jako celku, oddálení vzniku trhlin a tím zvýšení životností konstrukce. Toho lze dosáhnou i p i malých hladinách p edp tí. M ení na reálných konstrukcích ukazuje, že využití dodate ného p edp tí pro zesílení krátkých železobetonových konzol je velmi efektivní metoda. Velikosti zm ených p etvo ení betonu ukazují, že metoda vykazuje zna né rezervy. Bude patrn možné dosáhnout dalším vývojem snížení velikosti nutného p edp tí p i zachování vysoké ú innosti této metody. 8
ZÁV R
V habilita ní práci je podrobn popsáno zesilování konstrukcí dodate ným p edpínáním. Zesilování konstrukcí je sou ástí rekonstrukcí stávajících inženýrských objekt (most ), konstrukcí pozemních staveb a také konstrukcí pro pr myslovou výrobu. P estože základní teoretické základy p sobení p edp tí na
37
konstrukce byly položeny již d íve, jeho rozší ení v oboru rekonstrukcí bylo možné až s technologickým pokrokem po vyvinutí p edpínacích systém pro napínání monostrend , obalovaných p edpínacích lan, zapouzd eného kotvení a nových možností malé stavební mechanizace, jež umožnily d íve neznámé obráb ní stavebních materiál (vrtání, ezání). Vhodným užitím teoretických znalostí s technologickými postupy vzniká možnost aplikovat p edp tí i tam, kde to dosud bylo neznámé a n kdy i nep edstavitelné: pro zesilování klenbových most , p i stabilizaci a záchran historických zd ných památek, v oblasti subtilních montovaných staveb. Metoda zesilování konstrukcí dodate ným p edpínáním je v p edložené prací rozší ena konstruk ním systémem náhradních kabelový kanálk , který umož uje významn rozší it obor p edpínání a p ispívá k set ení ostrých hranic mezi konstrukcemi p edpjatými a nep edpjatými, nebo mezi p edpjatým a zd nými, a koli toto rozlišení je jinak dosud b žnou praxí striktn uznáváno. Systém náhradních kanálk je rozší en o pot ebné konstruk ní a technologické sou ásti a o zásady navrhování p i zesilování konstrukcí dodate ným p edpínáním. Vyvinutý systém zesilování je aplikován na zesilování most železobetonových a klenbových, dále na stabilizaci a p edpínání zd ných konstrukcí a konstrukcí v pr myslu. Vždy je podrobn rozebráno teoretické p sobení, jsou uvedeny zásady pro návrh a je ukázáno konstruk ní použití. V každé oblasti konstrukcí jsou dále uvedeny úsp šné p íklady použití. P edpokládané p sobení dodate ného p edpínání je dokumentováno na m ení deforma ní odezvy zesilovaných konstrukcí, z nichž n která jsou provedena na popsaných konstrukcích v bec poprvé. Jejich výsledky potvrzují oprávn nost navržených ešení a n které jsou také experimentálním potvrzením trvanlivosti zesilování popisovanou metodou. Všechna m ení dokazují vysokou statickou ú innost metody dodate ného p edpínání, jež p ed í v mnoha p ípadech konkuren ní metody p edevším tím, že se aktivn , cílen a zám rn m ní vnit ní síly a napjatost zesilované konstrukce tak, aby se lépe využilo p íznivých vlastností použitých materiál . Dosažená ú innost je p edpokladem nejenom pro vysokou efektivitu metody, ale i pro zesilování t ch konstrukcí, které by jinak byly zbourány (neúnosné mosty, porušené zd né stavby a klenby, málo únosné pr myslové haly). Popsané zp soby m ení zesilovaných konstrukcí jsou využitelné p i kontrole navrženého zesílení, což je vítáno investory oprav a rekonstrukcí a je výhodou oproti jiným, pasivním, zp sob m zesilování, které za ínají p sobit až po další, zpravidla nežádoucí, deformaci konstrukce. Rovn ž oce ovanou vlastností metody dodate ného p edpínání v oblasti památek je minimalizace zásah do konstrukce, skrytý zp sob konstruk ního ešení a tedy absence vzhledového ovlivn ní v tšinou ojedin lých a cenných historických konstrukcí. Popsanou metodu je možné dále detailizovat a optimalizovat zejména v oblasti návrhu soustavy p edpínacích sil a jejich velikostí u most a u zd ných konstrukcí. I když konstruk ní souvislosti jsou jistým omezením, bylo by vhodné vyvinout pro b žné užití optimalizované postupy návrhu. Také interakce zesilovaných základ a zd ných konstrukcí v bec s podložím a další dlouhodobá sledování konstrukcí zesílených uvedenou metodou p edstavují další sm r zkoumání. V práci popsané zp soby návrhu, konstruk ního ešení a postup p i zesilování ástí konstrukcí i celých staveb byly provedeny jako p vodní teoretická, konstruk ní a technologická ešení. Jsou také p ednášeny v rámci p edm tu Statika p i rekonstrukcích v magisterském stupni studia oboru Konstrukce pozemních staveb a Konstrukce a dopravní stavby. Lze je využít p i zesilování v projek ní a provád cí praxi. N které zp soby zesilování v oblasti pr myslových konstrukcí, jež z popsané metody obecn vycházejí, jsou p edm tem patentové ochrany. Lze shrnout, že dodate né p edpínání konstrukcí s využitím konstruk ního systému náhradních kanálk je vysoce ú inná metoda spolehlivého a trvanlivého zesílení, kterou lze použít p i efektivním zesilování a rekonstrukci železobetonových a zd ných staveb. LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6]
38
VOVES, B., Navrhování konstrukcí z p edpjatého betonu v p íkladech. Praha SNTL, 1980 VOVES, B., Technologie p edpjatého betonu v p íkladech. Praha SNTL, 1976 WALTHER, R., Teiweise Vorspannung. Berlin Deutscher Ausschuss Für Stahlbeton, 1973 SN 736207 Navrhování mostních konstrukcí z p edpjatého betonu. Praha, eský normaliza ní institut, 1993 SN 736220 Zatížitelnost a evidence most pozemních komunikací. Praha, eský normaliza ní institut, 1996 SN 731201 Navrhování betonových konstrukcí. Praha, eský normaliza ní institut, 1988
[7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32]
SN 731101 Navrhování zd ných konstrukcí. Praha, eský normaliza ní institut, 1986 Zulassungsbescheid der Spanndrahtlitzen St 1570/1770 aus sieben kaltgezogenen glatten Einzeldrähten und ein Korrosionsschutztsystem für die Nenndurchmesser 12,5 – 12,9 – 15,3 – 15,7 mm. Institut für Bautechnik, Berlin , 1990 až 1996. Vystaveno pro monostrendy firmy Drahtwerk Köln GmbH. SN 732401 Provád ní a kontrola konstrukcí z p edpjatého betonu. Praha, eský normaliza ní institut, 1987 Z DA, K., Výpo et staticky neur itých mostních konstrukcí z p edpjatého betonu. Praha, SNTL 1971 HOCHREITHER, H. W. M., Bemessungsregeln für Teilweise Vorgespannte, Biegebeanspruchte Betonkonstruktionen, Begründung und Auswirkung. Doktor-Ingenieurs Disertation, Technische Universität München, 1982 LEONHARDT, F., P edpjatý beton v praxi. Praha, SNTL, 1958 VÁCHA, J., Firemní materiál STAVOCONSULT, Brno, 1992 ERMÁK, J., KU ERA, J., PRAX A.: Ekologické podmínky trvalé koexistence vzrostlé zelen a zástavby na sídlištích. Sborník p ísp vk , Brno 1986 „Zakládání na objemov nestálých zeminách se zohledn ním vlivu vegetace“ PERLA, J., Rekonstrukce zd ného objektu základní školy. Beton a zdivo, 3/1997 TOMICA, V., SOKOLÍK, A., ZEMKO, Š., Údržba a rekonštrukcia mostov. Bratislava, ALFA 1993 CESTELLI – GUIDI, C., Strenghthening of Building Structures – Therapy. Symposium IABSE, Venezia 1983, str. 81 až 120. SN 736203 Zatížení most . Praha, Ú ad pro normalizaci a m ení, 1987 Mostní ád Rakouského ministerstva železnic z 28. 8. 1904. Technický obzor XII, str. 335 až 370, 1904 Typové podklady p edpínacího systému VSL: Spannferfahren, Bern, 1998 Typové podklady p edpínacího systému DIWIDAG: Bericht 1 až 8, Mnichov, 1996 až 2000 HORÁ EK. E. (1962), Únosnost železobetonových konzol. Inženýrské stavby 5/1962, str. 182 až 187. SLEPI KA, P. (2007), Využití dodate ného p edp tí v oboru rekonstrukce a zesilování betonových konstrukcí se zam ením na zesilování krátkých konzol. In: Text státní odborné zkoušky, Brno 2007. JERGA, J., POKORNÝ, M. (2005), Linear and nonlinear acoustic NDT methods. In: Proceedings of 4th International Conference on New Trends in Statics and Dynamics of Buildings. Faculty of Civil Engineering STU Bratislava, Slovakia. eský užitný vzor Zesílený nosník - íslo dokumentu 14466, PEEM eská p ihláška vynálezu pod íslem PV 2004-412 – Zpevn ná konzola, PEEM eská p ihláška vynálezu PV 2004-413 – Zesílený sloup, PEEM Evropský patent. Reinforced console column and the method of its production. EP 1705313 , 2007 KLUSÁ EK, L., Návrh a výroba vrtacího suportu pro vrtání náhradních kanálk . Výkresová dokumentace 1994. KLOKNER, F., Technický pr vodce, Statické tabulky TP 14. Schubert P., Hoffmann G. (1994), Druckfestigkeit von Mauerwerk parallel zu den Lagerfugen. In: Mauerwerk-Kalender 1994, Ernst & Sohn Berlin British Standard BS 5628, part 2
REALIZOVANÁ DÍLA Významná díla podle l. 2 sm rnice VUT [1] BAŽANT, Z., KLUSÁ EK, L., Statické zajišt ní kostela ve Švábenicích. Projektová dokumentace 1997 až 1998. Realizace 1998. [2] KLUSÁ EK, L., Statické zajišt ní zimní jízdárny zámku v Letovicích – ást A) Sanace zdiva svislým p edp tím. Projektová dokumentace 1999. Realizace 1999 [3] BAŽANT, Z., KLUSÁ EK, L., Statické zajišt ní v že radnice ve Vyškov . Projektová dokumentace 1999. Realizace 1999 až 2000 [4] KLUSÁ EK, L., Oprava mostu p es Be vu ve Vsetín – ást zesílení žb. spojité desky o dvou polích l = 2 x 22 m na zat žovací t ídu A. Projektová dokumentace 2001. Realizace 2001 až 2002. [5] KLUSÁ EK, L., Statické zajišt ní zahradní lodžie ve Vyškov , Dokumentace 2001. Stabilizace barokní kolonády p edepnutím kleneb a podp rných pískovcových sloup . Realizace 2002. [6] KLUSÁ EK, L.: Rekonstrukce mostu 11-061 v obci Rybná nad Zdobicí - rekonstrukce a zesílení zd ného kamenného klenbového mostu l = 6 m dodate ným p í ným p edpínáním. Projektová dokumentace 2002 až 2003. Realizace 2003. [7] KLUSÁ EK, L., CHALABALA, J., SOLA ÍK, M.: Zesílení je ábové dráhy v Siemens Drásov. Zesílení nosník a krátkých konzol pr myslové haly dodate ným p edepnutím. Patentov chrán né ešení. Návrh a dokumentace 2003. Realizace 2003 až 2006.
39
ABSTRACT A detailed description of strengthening of structures by prestressing is presented in the ,,habilitation,, thesis. Strengthening of structures is part of reconstruction of existing engineering structures (e.g. bridges) ,terrestrial structures and as well as industrial structures. Although basic theoretical (technical) foundations for action of prestressing of structures were laid much earlier, their wider application in the field of reconstruction got enhanced after advancement in technology with development of prestressing system for making monostrands, development of covered strand and encased anchorage and development of new options of small building machines which have enhanced formally unknown working of building material (drilling, cutting). Through suitable usage of theoretical knowledge and technological procedures, the option of application of prestressing where till now had been unknown and sometimes unimaginable develops: for strengthening of vault bridges, when stabilizing and during preservation of historical brick wall buildings, in the area of subtle prefabricated structures The method of strengthening of structures by post-tensioning in this presented thesis is extended by a construction system of substituted cable ducts, which allows for significantly extending the field of prestressing and contributes to minimizing sharp interfaces between prestressed structures and non – prestressed structures or between prestressed and brick-walled structures, although this differentiation is otherwise till now under normal practise strictly recognized. The method of substituted cable ducts is extended by desired structural and technological parts and by the principles of designing when reinforcing structures by post-tensioning. This developed system of strengthening is applied to strengthening reinforced concrete and vault bridges, as well as to stabilization and prestressing of brick-walled structures and industrial structures. Theoretical action is always analysed in detail, principles of design are mentioned and the structural usage is shown. Successful examples of usage are also mentioned in each area of constructions. The assumed action of post-tensioning is documented in measurement of deformation reactions of reinforced structures, out of which some are performed on the described structures for the very first time. Their results confirm the authenticity of the designed approach and some are also experimental confirmation of durability of reinforcement by the described method. All measurements prove the high static efficiency of the subsequent prestressing method which excels in many cases over competitive methods especially in that it actively and objectively changes internal forces and tension in reinforced structures so as to better utilise favourable properties of used materials. The achieved efficiency is a presumption not only for high effectiveness of the method but as well as for reinforcing the structures which otherwise would have been demolished (bridges of very low load-carrying capacity brick-walled and vault structures which have failed, industrial hangars (sheds) of low load-carrying capacity). The described methods of measuring reinforced structures are usable when checking the designed strengthening which is welcomed by investors of repairs and reconstructions and it is advantageous contrary to others by passive methods of reinforcement which start acting after other undesirable deformations of the structures. Another appreciated property of the method of post-tensioning in the area of historical buildings is the minimization of interventions into the constructions, unseen method of cable arrangement and hence the absence of impact on appearance valued historical constructions. It is also possible to elaborate and optimize the described method especially in the area of the design of the system of prestressing forces and their magnitudes for bridges and for masonry constructions. Even though constructional connections are a bit of restriction, it would be convenient to develop for normal usage optimized procedures of design. In the thesis the described methods of design, structural approach and procedures when reinforcing parts of constructions as well as the whole of structures have been performed as original theoretical, structural and technological approach. It is possible to apply them when reinforcing for both design and realization works. Some methods of strengthening in the area of industrial structures which are commonly based on this described method, are patented. It is possible to summarise that post-tensioning of structures through the construction system of substituted cable ducts is a highly effective method of reliable and durable strengthening, which is possible to make use of in effective strengthening and reconstruction of reinforced concrete and brick-walled structures.
40
