Hodnotenie dodatočne predpätých väzníkov striech priemyselných hál

Havárie stavebných konštrukcií zhotovených z dodatočne predpätých väzníkov sú spôsobené nedostatočnou ochranou predpínacích lán pred koróziou.

V nedávnej minulosti sa v Česku aj na Slovensku rozvírila diskusia o spoľahlivosti (bezpečnosti) starších predpätých mostných konštrukcií. Túto diskusiu vyvolali havárie dodatočne predpätých mostov v zahraničí aj v Českej republike. Medzi najznámejšie udalosti tohto typu patrí zrútenie Morandiho mosta v blízkosti Janova v Taliansku v auguste 2018 a zrútenie Trojskej lávky v Prahe v decembri 2017. Spoločným znakom týchto havárií bola korózia predpínacej výstuže v káblových kanálikoch.

Rovnaký jav ohrozuje aj spoľahlivosť striech niektorých halových konštrukcií, na výstavbu ktorých sa použili dodatočne predpäté strešné väzníky. V Českej republike prišlo najmenej k trom haváriám dodatočne predpätých väzníkov striech priemyselných hál, a to v západných Čechách v rokoch 2010 a 2018, a v severných Čechách v roku 2023. Dalšie problémy sa vyskytli aj na Slovensku. Na základe toho možno konštatovať, že aj v odbore pozemného staviteľstva čelíme v súčasnosti problému systémovej poruchy dodatočne predpätých priehradových strešných väzníkov, ktoré sa hromadne používali zhruba medzi rokmi 1960 až 1975. Boli
pôvodne navrhnuté na použitie pre priemyselné haly s rozpätím 18 alebo 24 m. Z dnešného pohľadu teda pre stavby v triede následkov CC2 podľa STN EN 1990.

Ide o systémovú poruchu opakovane používanej stavebnej konštrukcie, ktorá má potenciál spôsobiť škody väčšieho rozsahu, poprípade aj straty na životoch, ak sa nebude včas a účinným spôsobom riešiť. Problém sa stal predmetom štúdií po opakovanej havárii strešného väzníka priemyselnej haly v auguste 2018 a následne bolo v decembri 2018 vydané Upozornenie ČKAIT [1]. Takéto situácie, keď výskyt systémovej poruchy ohrozuje nejakú časť spoločnosti vo väčšom rozsahu, sú známe aj z iných oblastí – napríklad z automobilového priemyslu. Z času na čas sa však možno s nimi stretnúť aj v stavebníctve.

Príkladom môžu byť opakované havárie hurdiskových stropov, ktoré boli v strede záujmu stavebných odborníkov a aj odbornej verejnosti približne medzi rokmi 1995 až 2010, keď došlo k celému radu havárií rovnakého typu. Nepríjemným javom, ktorý sa zhodou okolností týka uvedeného prípadu hurdiskových stropov a aj aktuálne riešenej problematiky dodatočne predpätých priehradových väzníkov, je, že k zlyhaniu konštrukcie môže prísť náhle a bez predchádzajúceho varovania. Tento spôsob porušenia konštrukcie považujeme za nebezpečný a ak je to možné, snažíme sa mu vo všeobecnosti pri navrhovaní konštrukcií vyhnúť.

Dodatočne predpínané väzníky na rozpätie 18 alebo 24 m sa z dôvodu dopravy vyrábali z troch alebo štyroch dielov s dĺžkou približne 6 m a na stavbe sa dodatočne zopli do jedného celku predpínacími lanami, prevlečenými pozdĺžne cez káblové kanáliky dolných a čiastočne aj horných pásov väzníkov. Pri väzníkoch na rozpätie 18 m s označením SPP 12-18/6 sa predpínacie laná s profilom 13 Ø P4,5 uložili v kanálikoch s priemerom 29 mm. Po predopnutí lán sa mali tieto kanáliky dodatočne zainjektovať. Účelom injektáže bola predovšetkým ochrana lana pred koróziou jeho obetónovaním.

Systémová vada spočíva v tom, že kanáliky sa s technológiou používanou v čase výstavby podarilo kvalitne zainjektovať iba v malom percente prípadov a bežne sa tak v súčasnosti stretávame so skutočnosťou, že nechránená predpínacia výstuž existujúcich väzníkov je v rôznej miere napadnutá koróziou. Situáciu komplikuje skutočnosť, že posúdiť zodpovedne mieru korozívneho napadnutia predpínacích lán uložených v konštrukcii je náročné a zatiaľ nie je k dispozícii úplne vyhovujúca diagnostická metóda.

Obvyklou diagnostickou metódou je endoskopické vyšetrenie káblového kanálika s výstužou pomocou vrtu s priemerom približne 10 mm, ktorý sa do káblového kanálika opatrne navŕta. Nevýhodou tejto metódy je problematické hodnotenie stupňa korózie
výstuže v stiesnenom priestore vrtu a navyše obmedzený prístup k výstuži iba z jednej strany. Inou možnosťou je vybúranie väčšej sondy do oblasti predpínacieho kanálika a priame vizuálne posúdenie stavu kanálika a predpínacej výstuže. S ohľadom na malé rozmery prierezov prútov priehradového väzníka (typicky pri pásoch 160/300 mm) je však potrebné takéto sondy realizovať s citom a rozumom a ihneď po ich vyhodnotení ich dôkladne opraviť.

Spoločnou veľkou nevýhodou obidvoch uvedených metód je len lokálne overenie stavu výstuže v mieste sondy. Nie je tak možné zaznamenať prípady lokálnej korózie výstuže mimo polohy sondy. Aby bolo možné realizovať kvalitatívne vizuálne hodnotenie rozsahu korózie predpínacej výstuže, vytvorili pracovníci Kloknerovho ústavu ČVUT škálu rozsahu korózie (tab. 1, prevzatá z článku [2]). Zatriedenie konkrétneho stavu výstuže do škály podľa tab. 1 nemusí byť vždy jednoduché, pretože rozdiel medzi koróznym stavom 4 a 5 nie je na obrázku veľmi viditeľný. Niektorí spracovatelia prieskumov používajú inú (podobnú) hodnotiacu škálu, prevzatú a upravenú podľa [8] (tab. 2).

Korózia výstuže predpínacích lán je pri porovnaní s koróznym ohrozením
mäkkej výstuže z betonárskych prútov omnoho nebezpečnejšia z týchto dôvodov. Po prvé, prierezová plocha lana, skladajúca sa z 13 tenkých drôtov, je približne 4x citlivejšia na korózny úbytok na povrchu drôtov ako jedna betonárska vložka s rovnakou prierezovouplochou. To ilustruje tab. 3.

Po druhé, v medzerách medzi jednotlivými drôtmi sa jednoduchšie udržuje
a šíry vlhkosť. A po tretie, pri koróznom oslabení väčšom ako 5 % plochy prierezov
spôsobuje korózia aj významný pokles mechanických vlastností ocele, predovšetkým medze klzu. Problematika poklesu mechanických vlastností výstuže v dôsledku korózie je podrobne rozobraná v článku [2].

V tab. 4, prevzatej z článku [2], vidieť celkový vplyv korózie pre korózny stupeň 3 až 6 na únosnosť lana. V poslednom stĺpci tabuľky je „fiktívna zvyšná plocha prierezu výstuže“ vypočítaná za predpokladu pôvodnej pevnosti ocele 1 700 MPa. Veľký pokles „fiktívnej zvyškovej plochy prierezu“ je spôsobený súčasným zmenšením prierezovej plochy v dôsledku korozívneho oslabenia v kombinácii s poklesom pevnosti výstuže.

V stĺpci ťažnosť vidieť dramatický pokles ťažnosti ocele pri vyšších stupňoch korózie, čo spôsobuje pokles plastickej rezervy výstuže. Hodnotenie vplyvu korózneho oslabenia predpätej výstuže na stav konštrukcie nie je zahrnuté do žiadneho stavebného predpisu v odbore pozemných stavieb. V primeranej miere možno na tento účel použiť českú technickú normu ČSN 73 6221 Prehliadky mostov pozemných komunikácií. Táto norma hodnotí stavebný stav mosta v závislosti od stavu káblových kanálikov a oslabenie predpínacej výstuže korózie spôsobom podľa tab. 5.

Stavebný stav V – zlý alebo VI – veľmi zlý znamená, že obnovenie spoľahlivosti
mosta bude potrebné zabezpečiť jeho rekonštrukciou (stavebnými úpravami,
modernizáciou). Korózia predpínacej výstuže na úrovni prekračujúcej oslabenie prierezovej plochy o 5 % sa hodnotí ako havarijný stav. Havarijný stavebný stav znamená okamžité uzatvorenie mosta alebo okamžité provizórne zabezpečenie jeho spoľahlivosti, napr. podoprením. Na základe porovnania tabuliek 1 a 4 možno teda konštatovať, že stupeň korózie 4 podľa tab. 1 treba považovať za limitný, stupeň korózie 5 už znamená havarijný stav konštrukcie.

Rizikové faktory
Vo všeobecnosti platí, že k mechanickému zlyhaniu prvku príde, ak účinky
namáhania niektorého z prierezov prvku prekročia jeho únosnosť. V teórii
medzných stavov platí, že návrhový účinok zaťaženia musí byť vždy menší ako návrhová odolnosť prvku.
Ed ≤ Rd
Ako namáhanie (zaťaženie), tak aj únosnosť (odolnosť) prierezov prvkov závisí
od celého radu faktorov, ktoré majú charakter náhodne premenných veličín.
V niektorých prípadoch je dominantná príčina zlyhania prierezu zrejmá, no nemusí to tak byť vždy. Problémy, ktoré zvyšujú riziko zlyhania konštrukcie, sa vyskytujú tak na strane odolnosti prierezu (korózny úbytok, pokles mechanických vlastností materiálu), ako aj na strane účinkov zaťaženia.

Časté je preťaženie existujúcich väzníkov. To býva spôsobené jednak príliš
vysokou vlastnou tiažou strešného plášťa, ktorá sa v minulosti nekontrolovane
navýšila rôznymi problematickými úpravami strechy (ďalšie vrstvy krytiny
vrátane rôznych izolačných a vyrovnávacích vrstiev, nasýtenie nefunkčnej tepelnej izolácie vodou). Strecha sa môže dodatočne priťažiť technológiou osadenou na strešný plášť – v súčasnosti napríklad fotovoltickými panelmi. Ďalej býva priťaženie konštrukcie spôsobené rôznou dodatočne namontovanou technológiou (niekedy už aj nefunkčnou), zavesenou na spodné pásy väzníkov. Samostatnou záležitosťou je zaťaženie strechy snehom.

Do roku 1968 predpisovali normy pre zaťaženie stavebných konštrukcií zaťaženie
snehom na plochej streche jednotne hodnotu 0,75 kN/m2 na celom území
Československa s výnimkou horských oblastí s nadmorskou výškou nad 600 m.
Väčšina dodatočne predpätých spínaných väzníkov bola navrhnutá pred
rokom 1968 podľa týchto predpisov. To vedie k situáciám, keď sú napríklad v Jablonci
nad Nisou v severných Čechách takto navrhnuté väzníky použité v VII. snehovej oblasti, pre ktorú dnešné normy predpisujú tiaž snehom na zemi hodnotu
3,50 kN/m2. Problémy na strane odolnosti konštrukcie vyplývajú z problematického navrhovania systému injektáže výstuže v kanálikoch s priemerom 29 mm v kombinácii s nízkou úrovňou vtedajšej technologickej a pracovnej morálky. Na ilustráciu možno uviesť vyjadrenia pamätníkov:

„Nepodarené väzníky, pri ktorých boli problémy s predpínaním a injektážou, sa používali do štítov hál a ako zdvojené väzníky v mieste dilatácií hál.“ To z hľadiska dnešných predpisov vyzerá absurdne. Z toho vyplýva hlavné riziko, ktoré predstavuje korózia predpätej výstuže. Ďalšie riziká môžu vyplývať z nekvalitnej výroby väzníkov v prípadoch, keď sa vyrábali ako staveniskové prefabrikáty, prípadne z montáže konštrukcie, pri ktorej sa nedodržiavali montážne tolerancie. Žiaľ, zatiaľ nie je k dispozícii žiaden univerzálny postup a hodnotenie konštrukcie je potrebné realizovať individuálne. Ako bolo už uvedené, samotná diagnostika (prieskum) a ohodnotenie miery rizika na základe prehliadky a výsledkov diagnostiky nie je jednoduchou záležitosťou. Sú však známe rizikové faktory na strane zaťaženia aj na strane odolnosti konštrukcie. Medzi rizikové faktory na strane zaťaženia konštrukcie patria:

• priťaženie väzníkov vlastnou tiažou
  strechy (neodborne dodatočne navýšená);
• priťaženie podhľadu haly (zavesená
  technológia);
• priťaženie strešného plášťa (fotovoltika,
  technológia na streche);
• realizácia stavby vo vyššej snehovej
  oblasti, než na akú bola navrhnutá;
• použitie konštrukcie v mieste s väčšou,
  než veľmi malou seizmicitou podľa
  EN 1998-1 (keď je potrebné uvažovať
  seizmické zaťaženie konštrukcie);
• použitie strechy pre stavbu s triedou
  následkov CC3 a vyššie;
• zvýšená korózna agresivita prostredia
  v hale;
• použitie pre viacloďové haly s úžľabiami
  medzi loďami, rizikové miesta,
  zatekanie;
• kondenzácia vlhkosti vo vnútri haly, tepelné mosty na konštrukcii.
  Medzi rizikové faktory z hľadiska odolnosti konštrukcie patria:
• identifikácia dodatočne predpätých (spínaných) strešných väzníkov;
• hodnotenie zostávajúcich väzníkov haly, pri ktorých už došlo k havárii niektorých z väzníkov;
• prieskumom diagnostikovaná korózia
  predpínacej výstuže;
• hrdzavé stopy od koróznych produktov výstuže na konštrukcii;
• trhliny v betóne predpätých ťahaných
  prútov priehradoviny;
• viditeľný priehyb alebo iná deformácia väzníkov;
• prieskumom diagnostikované nezainjektovanie kanálikov;
• stopy po zatekaní do konštrukcie bez farebných škvŕn od korózie;
• stopy od kondenzácie vody na konštrukcii;
• neodborné zásahy do konštrukcie (vysekané drážky, vŕtanie do prútov);
• výskyt trhlín s nadmernou šírkou na prútoch väzníkov s mäkkou výstužou;
• vady pri výrobe väzníkov;
• vady pri montáži haly (nedodržiavanie tolerancií, imperfekcia v uložení);
• poškodenie väzníkov v minulosti (požiar, náraz žeriava a pod.);
• statické poruchy haly spôsobené inými príčinami (sadanie základov);
• degradácia konštrukcie – opotrebovanie vekom (zvyčajná životnosť je 50 rokov).

O poradí nebezpečnosti jednotlivých rizikových faktorov možno viesť diskusiu.
V tomto článku bola snaha radiť ich od najdôležitejších po menej dôležité, ale dôležitosť jednotlivých rizikových faktorov je vždy otázkou konkrétneho
prípadu.

Hodnotenie spoľahlivosti konštrukcie

Hodnotenie spoľahlivosti existujúcej konštrukcie možno realizovať podľa
STN ISO 13822, prípadne s prihliadnutím na české technické normy ČSN
73 0038 a ČSN 73 6221. Norma rozlišuje predbežné hodnotenie a podrobné
hodnotenie. Predbežné hodnotenie možno realizovať na základe štúdia dostupných podkladov a predbežnej prehliadky na mieste. Z predbežného hodnotenia môžu vyplynúť rozhodnutia o okamžitých opatreniach, ak sú potrebné, a odporúčania
pre podrobné hodnotenie. Podrobné hodnotenie vychádza z prieskumu konštrukcie (napr. overenie skutočnej skladby strechy, endoskopické vyšetrenie káblových kanálikov atď.) a z analýzy konštrukcie – statický výpočet.

Dnes je väčšinou pre daný typ väzníkov k dispozícii archívna dokumentácia, ktorá v kombinácii s prieskumom konštrukcie umožní overenie konštrukcie statickým výpočtom. Ak sa vypracováva statický výpočet, je potrebné ho vždy vypracovať na základe aktuálnych informácií o vlastnostiach použitých materiálov, o skutočnej geometrii konštrukcie a o skutočnom zaťažení konštrukcie, ktoré je overené prieskumom. Statický výpočet je vždy potrebné vypracovávať podľa aktuálne platných noriem pre zaťaženie a navrhovanie. Ak sa navrhuje zosilnenie konštrukcie, musí sa vždy overiť statickým výpočtom.

Ak nedochádza k zmenám v usporiadaní zaťaženia konštrukcie oproti predpokladom pôvodného statického výpočtu (rovnomerné zaťaženie strechy vlastnou tiažou, snehom a malé, rovnomerne rozdelené technologické zaťaženie na podhľade sústredené do styčníkov väzníkov) ani k žiadnym zmenám v konštrukcii väzníkov a ak sa na konštrukcii nezistia žiadne statické poruchy ani nadmerná degradácia, možno statický výpočet obmedziť na porovnanie účinkov zaťaženia. Ak účinky zaťaženia neprevýšia účinky uvažované pri návrhu väzníka, nie je potrebné realizovať statický výpočet väzníkov. Pri konštrukciách navrhnutých podľa starších predpisov, ČSN ISO 13822 umožňuje v kapitole 8 hodnotenie konštrukcie bez statického výpočtu na základe skoršej uspokojivej spôsobilosti. Podľa tohto ustanovenia možno konštrukciu považovať za spoľahlivú (bezpečnú), ak:

• dôkladná prehliadka neodhalí žiadne známky staticky významného poškodenia, preťaženia alebo degradácie;
• sa preskúma konštrukčný systém a prehliadnu sa kritické detaily;
• konštrukcia vykazuje uspokojivú spôsobilosť v priebehu dostatočne dlhého
  časového obdobia;
• predikovaná ďalšia degradácia nemá vplyv na trvanlivosť;
• počas ďalšej plánovanej životnosti nenastanú zmeny, ktoré by mohli zvýšiť
  zaťaženie konštrukcie alebo ovplyvniť jej trvanlivosť.

Hodnotenie spoľahlivosti konštrukcie podľa tejto kapitoly (teda prehlásenie
konštrukcie za spoľahlivú bez statického výpočtu) môže v niektorých prípadoch byť jednou z možností (alebo aj jedinou možnosťou), ako konštrukciu prehlásiť za vyhovujúcu konštrukciu použitú vo vyššej snehovej oblasti, než do akej sa navrhla. Tento spôsob hodnotenia možno však použiť, iba ak sú splnené všetky v norme uvedené podmienky. Predovšetkým tá, že sa nezistilo významné poškodenie predpínacej výstuže koróziou (degradácia výstuže). Ak konštrukciu nemožno považovať za spoľahlivú, je potrebné prijať príslušné opatrenia na zaistenie tejto spoľahlivosti. Počas obmedzeného času možno v niektorých prípadoch konštrukciu
ďalej prevádzkovať s využitím režimu riadenia rizík. Teda obmedzením rizík, napríklad zaťaženia (zhadzovanie snehu), a trvalým sledovaním konštrukcie a jej odozvy na zaťaženie.

Na trvalé zabezpečenie predpätých väzníkov, pri ktorých nie je možné inak zabezpečiť dostatočnú spoľahlivosť, vyvinula firma Rada Building, s. r. o., metódu zabezpečenia (zosilnenia) väzníkov dodatočne pridanou externou oceľovou konštrukciou. Nová pridaná konštrukcia je navrhnutá tak, aby sama preniesla celé zaťaženie ťahaných predpätých prútov väzníkov a spoľahlivo zabezpečila bezpečnosť konštrukcie.

Vo výnimočnom prípade, keď sa pri odbornej prehliadke alebo v rámci stavebno-technického prieskumu zistí havarijný stav, ktorý priamo ohrozuje zdravie a životy osôb, malo by po oboznámení vlastníka stavby s výsledkami prehliadky nasledovať oznámenie stavby príslušnému stavebnému úradu. V tomto prípade je v kompetencii stavebného úradu zvážiť možnosť postupu podľa paragrafov stavebného zákona, ktoré umožnia nariadiť vlastníkovi stavby bezodkladné vykonanie nevyhnutných zabezpečovacích prác na odvrátenie hroziaceho nebezpečenstva.

Literatúra
1. Upozornenie ČKAIT na riziko havárií betonových předpínaných
vazníků z poloviny 20. století, ČKAIT, 5. 12. 2018.
2. Kolísko, J. – Vacek, V. – Pokorný, P.
– Kostelecká, M.: Vlastnosti předpínací výztuže ovlivněné
korozí. Článok v časopise Beton TKS 6/2019, str. 3 – 9.
3. Rada, S. – Hejl, J.: Dodatečně předpjaté konstrukce
střešních vazníků. Článok v časopise Stavebnictví 01
– 02/2021, str. 18 – 23.
4. Rada, S.: Dodatečně předpjaté konstrukce střešních
vazníků, 2. díl. Článok v časopise Stavebnictví 03/2021,
str. 18 – 23.
5. Mynarčík, P.: Dodatečně předpjaté konstrukce střešních
vazníků, 3. díl. Článok v časopise Stavebnictví 04/2021,
str. 20 – 24.
6. Cieslar, S.: Koroze předpínací výztuže se týká i střešních
konstrukcí hal. Celospolečenská závažnost problému je již
vnímána. Řešení existuje. Článok v časopise Konstrukce
02/2021.
7. Cejnar, J.: Havárie betonových předpjatých vazníků
halových objektů – systémové řešení. Článok v časopise
Konstrukce 03/2021.
8. Farhidzadeh, A. – Ebrahimkhanlou, A.
– Salamone, S.: Corrosion damage estimation in
multi-wire steel strands using guided ultrasonic waves.
Proceedings of SPIE – The international Society for
Optical Engineering, 2015.
9. ČSN 73 1310 Zatížení stavebních konstrukcí, vydaná 1958.