Interakcia železobetónovej konštrukcie s podložím

Návrh koncepcie a statické riešenie nosných konštrukcií dostavby areálu Ostravskej univerzity v Ostrave-Hladnove predstavoval pomerne veľkú výzvu. Univerzita sa nachádza na Hladnovskom kopci, pre ktorý sú charakteristické zložité základové pomery. Ide o tektonicky nestabilné poddolované územie s výskytom tekutých pieskov. Suterén novej prístavby zasahuje takmer 4 m pod základovú škáru existujúcich nepodpivničených objektov. V rámci projektu bolo nevyhnutné vyriešiť aj podchytenie pôvodných základov murovanej budovy univerzity, ktorá bezprostredne prilieha k novej budove.

Budovy Prírodovedeckej fakulty Ostravskej univerzity v Ostrave-Hladnove prešli v minulých rokoch radom významných zmien. Pôvodné murované objekty, silno poškodené nespojitými banskými poklesmi, sa postupne odstránili. Zachovala sa iba robustná a najmenej poškodená železobetónová konštrukcia budovy posluchárne a priliehajúci obytný dom. Zdroj poškodenia existujúcich murovaných objektov pochádzal zo zistených tektonických porúch aktivovaných banskou činnosťou. Projektový návrh a samotnú realizáciu nových stavebných objektov tak komplikovali zložité základové pomery tektonicky porušeného a nestabilného poddolovaného územia Hladnovského kopca s výskytom tekutých pieskov [3, 5]. Preto bolo nevyhnutné navrhnúť koncepciu nosnej konštrukcie a staticky vyriešiť železobetónový skelet v interakcii s podložím so zadanými parametrami poddolovania. Najdôležitejším prvkom riešenia nových stavebných objektov bolo ich členenie do dilatačných celkov s minimálnymi pôdorysnými rozmermi a jednoduchým obdĺžnikovým tvarom.Základové konštrukcie a podzemné podlažie sa navrhli ako tuhé, takzvané krabicové železobetónové systémy s využitím reologických klzných škár [1, 6 až 9]. Klzné škáry tak môžu výrazne znížiť treciu silu v základovej škáre a eliminovať vnútorné sily vnášané do základovej konštrukcie. Zároveň sa na zníženie zemného tlaku na konštrukciu využili predsadené železobetónové konštrukcie (takzvané anglické dvorce).

Železobetónová konštrukcia budovy
Druhá etapa výstavby v roku 2011 nadviazala na prvú etapu, ktorá prebiehala v roku 2002 [3, 5]. V úvode opísané konštrukčné zásady sa uplatnili na všetkých stavebných objektoch postupnej výstavby budov Ostravskej univerzity v Hladnove. Nosná konštrukcia nového objektu je v nadzemných častiach navrhnutá ako päťpodlažná železobetónová skeletová konštrukcia s lokálne podporovanými stropnými doskami a okrajovými stužujúcimi rebrami (obr. 3). S ohľadom na dosiahnutie požadovanej tuhosti na prenos účinkov poddolovania a prípadných prejavov tektonického zlomu sú základové konštrukcie jednotlivých dilatačných celkov navrhnuté ako uzatvorené doskostenové konštrukcie so základovou doskou vystuženou obráteným roštom. Tým sa dosiahla rovinná zá­kladová škára na aplikáciu klzných škár a zároveň sa rebrami stužila základová doska. Členenie stavebného objektu na dilatačné celky je navrhnuté tak, aby sa zabezpečila ich nezávislá deformácia v prípade aktivácie starých tektonických porúch [5]. Nový objekt sa musel navrhnúť s ohľadom na hĺbku založenia a výškové úrovne podlaží priľahlých budov. Suterén novej prístavby univerzity zasahuje takmer 4 m pod základovú škáru priľahlej existujúcej murovanej posluchárne a obytného domu. Tieto objekty sa museli zabezpečiť mikropilótovou podzemnou stenou a striekaným betónom, ktoré kotvili predpínacie laná (obr. 3). Podobná metóda zabezpečenia sa použila aj v predchádzajúcej etape [4] (obr. 1).

Eliminácia vplyvov banskej činnosti
Pri návrhu rozmerov dilatácií sa zohľadnili očakávané vnútorné sily, výškové členenie objektu a požiadavky ČSN 73 0039 [1]. Základová doska s rovným spodným lícom umožnila použiť takzvanú klznú škáru z nataviteľných asfaltovaných izolačných pásov, ktorej reologické vlastnosti výrazne obmedzujú prenos deformácií podložia od poddolovania do nosnej konštrukcie [13]. Bližšie informácie o spôsobe využitia tejto technológie a vykonaných experimentálnych meraniach možno nájsť v samostatných publikáciách [8 až 11, 13, 14]. Realizáciu klznej škáry v mieste dilatácie objektov vidieť na obr. 1 a 2.

Obr. 1 Základová jama dostavby s podkladovým betónom a klznou škárou

Obr. 2 Realizácia dilatácie a klznej škáry na podkladovom betóne

Obr. 3 Vystuženie základovej dosky a rebier v mieste existujúceho bytového domu a posluchárne zabezpečených kotviacou podzemnou stenou

Obr. 4 Príklad výpočtu vnútorných síl na dilatačnom celku I

Priestorový model MKP
Statický výpočet priestorovo pôsobiacej železobetónovej konštrukcie jednotlivých dilatačných celkov sa realizoval s ohľadom na interakciu so zemným prostredím a vplyvmi poddolovania [3, 5 až 7]. Priestorový model konštrukcie tvorili doskostenové a prútové prvky MKP (metóda konečných prvkov) (obr. 4). Na tomto modeli sa tak mohol stanoviť vplyv pretvárajúceho sa terénu nielen na samotnú základovú dosku, ale aj na všetky ďalšie konštrukčné prvky hornej stavby. Vplyv deformujúceho sa zemného prostredia charakterizujú parametre trenia C1x, respektíve C1y, ktoré možno stanoviť z podmienky rovnakých maximálnych hodnôt ťahových síl. Pre náhradný prierez základov sa stanovil podľa vzorca [2, 12]:

kde    F_x    je    prípadná pôsobiaca vodorovná sila,
    Ec    –    modul pružnosti betónu,
    A_c    –    prierezová plocha,
    L    –    dĺžka náhradného prútu,
    ε_max     –    extrémna hodnota pretvorenia terénu poddolovaním.

Podobným spôsobom možno zohľadniť deformačné zaťaženie spôsobené zmenami teplôt, dotvarovaním a zmrašťovaním betónu.

Rohové stĺpy dilatačných celkov majú osadené stabilizované meracie body. Teo­reticky vypočítané deformácie sa tak priebežne porovnávali so skutočne nameranými hodnotami výškopisného a polohopisného merania už pri výstavbe. Budova je v súčasnosti dokončená a odovzdaná do užívania univerzite. Po vyhodnotení merania v ďalších rokoch prevádzky budovy bude možné realizovať výsledné porovnanie deformácií a overiť teoretické predpoklady riešenia so skutočnosťou.

Záver
V článku sa predstavujú koncepcia, návrh a spôsob realizácie monolitickej železobetónovej konštrukcie, ktorá je namáhaná extrémnymi účinkami zaťaženia poddolovaním v zložitých geologických podmienkach [6, 7]. Pôvodné murované budovy boli výrazne poškodené vplyvom nestabilného podložia, pohybom prebiehajúceho tektonického zlomu a nespojitými deformáciami terénu, ktoré spôsobilo poddolovanie [1]. Po ich odstránení sa v pôvodnom vysokoškolskom areáli postupne stavajú nové moderné budovy, ktoré sú zabezpečené proti prípadným pohybom podložia vyvolaným banskou činnosťou [4, 5]. Koncepcia plošného založenia a statický návrh rešpektujú dané nepriaznivé základové pomery, využívajú moderné výpočtové postupy a výsledky skúšok pretvárnych vlastností materiálov klzných škár [8 až 14]. Stavebné objekty realizované v druhej etape dostavby Prírodovedeckej fakulty Ostravskej univerzity v Ostrave-Hladnove sa dokončili v roku 2011 a v súčasnosti v nich už prebieha prevádzka. Po dokončení plánovanej tretej etapy bude v atraktívnej lokalite s výhľadom na panorámu Ostravy vybudované moderné univerzitné a výskumné pracovisko s podzemnými garážami, učebňami a laboratóriami (obr. 5).

TEXT: prof. Ing. Radim Čajka, CSc., Ing. Vladimír Gřunděl, Ing. Kamil Burkovič
obrázky a FOTO: archív autorov

Prof. Ing. Radim Čajka, CSc. pôsobí na Katedre konštrukcií Stavebnej fakulty VŠB – TU Ostrava v Ostrave a je konateľom a technickým riaditeľom spoločnosti ARMING, spol. s r. o.

Ing. Vladimír Gřunděl je výrobným riaditeľom spoločnosti ARMING, spol. s r. o.

Ing. Kamil Burkovič je vedúcim projektantom spoločnosti ARMING, spol. s r. o.

Poďakovanie
Príspevok vznikol s podporou Ministerstva priemyslu a obchodu, program TIP projekt číslo FR-TI2/745 – Reologická klzná škára s teplotne riadenými vysokoelastickými vlastnosťami a čiastočne projektu Tvorba a internacionalizácia špičkových vedeckých tímov a zvyšovania ich excelencie na Fakulte stavebnej VŠB-TUO, reg. No. CZ.1.07/2.3.00/20.0013.

Literatúra
1.    ČSN 73 0039: 1989 a 1991 Navrhování objektů na poddolovaném území.
2.    Čajka, R.: Snížení napjatosti betonových podlah pomocí reologických kluzných spar. In: Beton – technologie, konstrukce, sanace, 2001, č. 4, ISSN 1213-3116.
3.    Čajka, R.: Nelineární průběh parametrů tření v podloží od účinků poddolování. In: Sborník příspěvků 29. konference Zakládání staveb 2001. Riziková analýza v zakládání staveb. Brno, listopad 2001, ISBN 80-7204-217-3.
4.    Čajka, R. – Starzyczny, S.: Podchycení základů Ostravské university pomocí mikropilotové podzemní stěny kotvené předpětím. In: Sborník příspěvků 7. mezinárodního semináře Zpevňování, těsnění a kotvení horninového masivu a stavebních konstrukcí 2002. Ostrava: FAST VŠB-TU, 2002, ISBN 80-248-0061-6.
5.    Čajka, R.: Interakce prostorové základové konstrukce na poddolovaném území s tektonickým zlomem. In: Sborník příspěvků 30. konference se zahraniční účastí Zakládání staveb 2002. Brno, listopad 2002, ISBN 80-7204-252-1.
6.    Cajka, R.: Soil – Structure Interaction in Case of Exceptional Mining and Flood Actions. In: Improvement of Buildings Structural Quality by New Technologies. Innsbruck: University of Innsbruck, 2005, ISBN 04 1536 609 7.
7.    Cajka, R. – Manasek, P.: Building Structures in Danger of Flooding. In: IABSE Conference Role of Structural Engineers towards Reduction of Poverty, India, New Delhi. Zürich: IABSE-AIPC-IVBH, 2005, pp. 551 – 558, ISBN 978-3-85748-111-6, WOS: 000245746100072.
8.    Cajka, R. – Manasek, P.: Finite Element Analysis of a Structure with a Sliding Joint Affected by Deformation Loading. In: Proceedings of the Eleventh International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing. Stirlingshire: Civil-Comp Press, 2007, p. 18.
9.    Cajka, R. – Manasek, P.: Physical and Finite Element Shear Load Response Modelling of Viscoelasticity Materials. In: Proceedings of the Eighth International Conference on Computational Structures Technology. Stirlingshire: Civil-Comp Press, 2006, p. 240, doi: 10.4203/ccp.83.240.
10    Cajka, R. – Mateckova, P. – Janulikova, M. – Stara, M.: Laboratory Testing of Asphalt Belts with the Influence of Temperature. In: Transactions of the VSB – Technical University of Ostrava, Construction Series, Vol. XI, No. 2, 2011, ISSN 1804-4824 (Online). doi: 10.2478/v10160-011-0020-0.
11.    Cajka, R. – Janulikova, M. – Mateckova, P. – Stara, M.: Modelling of Foundation Structures with Slide Joints of Temperature Dependant Characteristics. In: Proceedings of the Thirteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing. Stirlingshire: Civil-Comp Press, 2011, p. 208, doi: 10.4203/ccp.96.208.
12.    Cajka, R.: Determination of Friction Parameters for Soil – Structure Interaction Tasks. Recent Researches in Environmental & Geological Sciences. In: Proceedings of the 7th WSEAS International Conference on Continuum Mechanics (CM ´12). Kos Island, Greece, July 14 – 17, 2012. In: Energy, Environmental and Structural Engineering Series, No. 4, 2012, pp. 435 – 440, ISSN 2227-4359, ISBN 978-1-61804-110-4.
13.    Matečková, P. – Janulíková, M. – Stará, M.: Měření smykového odporu asfaltové reologické kluzné spáry a její aplikace v základové konstrukci na poddolovaném území. In: Betonárske dni, Bratislava, 2012.
14.    Janulikova, M. – Mateckova, P. – Stara, M.: Numerical Modeling of Foundation Structures with Sliding Joints. In: The 9th fib International PhD Symposium in Civil Engineering. Karlsruhe: Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 2012.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.