Betonové a železobetonové stoky: Historie, konstrukce a sanace

Betonové a železobetonové konstrukce hrají v moderním stavitelství nezastupitelnou roli, a to zejména v infrastruktuře, jako jsou kanalizační stoky. Dlouhá životnost, pevnost a stálost těchto materiálů jsou klíčovými faktory jejich oblíbenosti. Vynález železobetonu znamenal zásadní zvrat ve stavebnictví a otevřel cestu k realizaci mnoha projektů, které by bez něj nebyly možné.

Historie vývoje betonového stavitelství

Historie materiálů na bázi hydraulických pojiv sahá až do starověku. Kolem roku 1000 př.n.l. Féničané v Jeruzalémě stavěli velké vodní cisterny a vodovodní přivaděče s použitím částečně hydraulických malt. Na tyto znalosti navazovali Řekové, kteří ve 2. století př.n.l. začali používat novou zdicí techniku, kde byla mezera mezi lícovými stěnami vyplňována litou maltou prokládanou lomovým kamenem. Římané mimořádně propracovali a rozvinuli používání hydraulických malt, které nazývali „opus caementum“. Tento termín se v dalším vývoji změnil a dnes jím označujeme novodobá hydraulická pojiva.

Římské lité zdivo obsahovalo drcený kámen nebo štěrk smíchaný s maltou z hydraulického pojiva, tvořeného vápnem a cihelnou moučkou nebo sopečným tufem. I když římský beton nebyl srovnatelný s dnešním, umožnil Římanům realizovat řadu velkolepých staveb.

Rozvoj průmyslové výroby v západní Evropě v 17. a 18. století oživil zájem o přírodní hydraulická pojiva. J. Smeaton (1724-1792) přinesl zlom v hledání tajemství umělé hydraulicity, když v roce 1791 odhalil, že pevnost zatvrdlého vápna závisí na jiných vlastnostech vápence než na jeho tvrdosti. Tím nalezl klíč k poznání základních tajemství hydraulicity. V roce 1796 J. Parker přihlašuje anglický patent na románský cement, který se stal na více než půl století převažujícím typem komerčně dostupného hydraulického pojiva. Rychle tuhnul a měl velmi dobré hydraulické vlastnosti.

Na počátku 19. století práce Vicatovy (1786-1861) shrnuly tehdejší teoretické vědomosti. V roce 1818 Vicat přihlašuje anglický patent na výrobu umělého hydraulického vápna. Dále J. Apsdin (1778-1855) v roce 1824 přihlašuje patent na „Zlepšení ve výrobě umělého kamene“ a v roce 1825 zakládá továrnu, kde vyrábí pojivo pod obchodním názvem „portlandský cement“. Teprve I. Ch. Johnson (1811-1911) v roce 1844 dospěl k poznatkům o nutnosti pálení suroviny až na mez slinutí. Na přelomu 19. a 20. století tak byla výroba cementu, rámcově srovnatelného s dnešními cementy, teoreticky zvládnuta. V 50. letech 19. století se rozbíhá výroba portlandského cementu v Německu i v Rakousku. V roce 1877 byl založen Spolek německých výrobců cementu, který formuloval první normu pro vlastnosti a kvalitu portlandského cementu.

Čtěte také: Využití betonových prken v zahradě

Vznik a vývoj železobetonu

Paralelně s vývojem cementu šla ruku v ruce i teorie a výroba betonu a jeho vyztužování. Francouz F. Coigniet (1814-1888) patřil mezi průkopníky betonových staveb. Ve svém patentu z roku 1855 formuluje řadu zásad pro zprůmyslnění výroby betonu, jako je důkladné hutnění, minimální množství vody v betonové směsi, využití strojů a vícenásobně použitelné bednění. V témže roce buduje v Paříži soukromý obytný dům s plochou betonovou střechou - terasou, do které navrhuje výztuž z I nosníků. V roce 1861 zakládá podnik, který provádí betonové kanalizační stavby, opěrné zdi, základy a sklepy. V roce 1867 staví Coigniet šestipodlažní betonový dům a 1,5 km dlouhý betonový akvadukt.

Za vynálezce železobetonu je často považován francouzský zahradník Joseph Monier (1823-1906). Jemu vadilo, že mu přes zimu praskají květináče, a tak ho napadlo při jejich výrobě přidávat do betonu drátěné pletivo, které je vyztužilo. Monier však neuvažoval o statickém spolupůsobení betonu a oceli, výztuž umísťoval do osy průřezů. Svou osobní energií a podnikavostí přispěl k popularizaci a rozšíření železobetonu, zejména v Německu, Rakousku-Uhersku, Rusku a Skandinávii. Jeho základní patent pochází z roku 1867.

V roce 1885 díky M. Koenenovi (1849-1924) vzniká první teorie interpretující působení vnitřních sil v železobetonovém průřezu. Francouz F. Hennebique (1842-1921) je jedním z nejznámějších dovršitelů aplikačních možností železobetonu. V roce 1892 přihlašuje svůj první patent. Typickým znakem Hennebiqova systému je důsledná monolitičnost celé konstrukce, což z hlediska statiky mimořádně zvyšuje její tuhost a únosnost. Rok 1900 se považoval za významný předěl ve vztahu odborníků, podnikatelů i veřejnosti k železobetonu; nedůvěra a pochyby definitivně ustupují a dochází k prudkému rozvoji.

Co je železobeton?

Železobeton, jinak zvaný železový beton nebo železobetonový beton, je kompozitní materiál, který je tvořen betonem se železnou nebo ocelovou výztuží. Výztuž se do betonu zalévá při výrobě a doplňuje tak vlastnosti betonu. Beton má vysokou pevnost v tlaku, ale velmi malou pevnost v tahu, proto se musí vyztužovat ocelí. Pro výrobu železobetonu se obvykle používá ocelová výztuž - roxor kruhového průřezu s povrchem opatřenými příčnými žebírky nebo vtisky, která je do betonu ukládána volně ve formě tyčí, svařovaných sítí nebo prostorových nosníků. Výztuž může být dále konkrétně upravena v tzv. armovnách - ohýbárnách. Dlouhá životnost, pevnost, stálost, odolnost, nosnost a hospodárnost jsou hlavní a zásadní výhody železobetonu, díky nimž je jeho využití tak rozsáhlé v mnoha oblastech. Bez výztuže by nebylo možno stavět žádné moderní konstrukce z betonu.

Železobeton se používá v průmyslově vyráběných betonových prefabrikátech, jako jsou panely nebo nosníky, zároveň i přímo na stavbách vytvářením ocelových konstrukcí pomocí sváření a vázání, které se následně vylévají betonem. Díky svým vlastnostem a koncepčnímu řešení je právě železobeton ideální pro všechny stavební konstrukce. Výztuž musí mít dostatečnou hloubku uložení v betonové směsi, tedy nad výztuží musí být dostatečná krycí vrstva. U vodorovných nosníků je větší část výztuže uložena ve spodní části průřezu, protože se při zatížení prohýbají a ocelová výztuž tomu zabrání.

Čtěte také: Postup výroby betonových prken

Kanalizační stoky a jejich význam

Velký portál stoky s mříží a modrým zábradlím je součástí důležité infrastruktury. Za normálních okolností by odpadní vody do řek či potoků vtékat neměly. Kanalizační soustava, která odvádí splašky i dešťové vody z odvodňovaného území na čistírnu odpadních vod (ČOV) společně, se nazývá jednotná. Při silných deštích jsou splaškové vody v jednotných stokách natolik zředěny dešťovou vodou ze střech, chodníků a silnic, že je možné část vypouštět (odlehčovat) do vodních toků, aby zbytečně nezatěžovaly kanalizační soustavu a čističky. Průtok od silných přívalových dešťů může svou vydatností překročit kapacitu ČOV; aby nedošlo k jejímu vyplavení, budují se na stokách zařízení, která mají za úkol nadbytečný průtok odvést do nejbližší vodoteče, tzv. odlehčovací komory.

Opravdu netradiční kanalizační stoka na sebe upozorní větrákem, který značně připomíná větrací komínky krytů civilní obrany. Dešťové stoky nepatří zrovna mezi místa, kde bychom mohli očekávat nějaká překvapení. Tato je od počátku výjimečná tím, že je tvořena dvěma souběžnými troubami, které jsou díky 1500mm světlosti průchozí. Ve městech mívají řeky zvláštní přítoky, do jejich břehů jsou zasazeny temné otvory ústí dešťových stok, zatrubněných potoků a přepadů z odlehčovacích komor. Při použití v podzemních stavbách, jako jsou kanalizační stoky, je rychlý náběh pevností nutností.

Sanace železobetonu v chemicky náročném prostředí

Opravy železobetonu lze považovat za dobře zavedenou technologii. Obecné postupy však nemusí vést k zcela správnému výsledku, pokud prostředí, kterému je buď původní, nebo opravená konstrukce vystavena, zahrnuje látky poškozující cementový tmel, případně mají schopnost poškozovat výztuž betonu bez zjevného poškození povrchu. Tato problematika se týká zejména mostních konstrukcí a staveb spojených s likvidací kalů, případně potravin. Pro úspěšné provedení sanačního zásahu nestačí použití kvalitního materiálu. Úspěšný sanační zásah je mimo jiné podmíněn dostatečnými znalostmi o konstrukci, které by měly být dodány stavebně technickým průzkumem (diagnostikou). Stavebně technický průzkum by měl vycházet z obecných technologických principů materiálů použitých ve stávající konstrukci a stejně tak z vnějších účinků, které na danou konstrukci působí. To určuje typové zaměření a rozsah zkoušek. Na základě provedené diagnostiky je navrženo řešení, které odpovídá okrajovým podmínkám, použitým materiálům, působícím vnějším účinkům.

Pokud hovoříme o složitých okrajových podmínkách, myslíme tím zejména málo mrazuvzdorný nebo nemrazuvzdorný podklad, nízkou alkalitu cementového tmelu způsobenou karbonatací, případně konstrukci zasaženou chloridy. Dále se může jednat o konstrukce vystavené přímému ataku k cementovému tmelu agresivním médiím, nebo konstrukce extrémně zatížené, nebo dokonce přetížené. Technologický postup opravy betonové konstrukce v náročných okolních podmínkách tomu musí být přizpůsoben. Toto přizpůsobení zahrnuje volbu vhodných materiálů, volbu způsobu adheze nových materiálů k podkladu, šíři a pořadí jednotlivých sanačních vrstev a samozřejmě předpřípravu podkladu.

Prostředí a korozní procesy

I zdánlivě normální prostředí může být pro stavební hmoty náročné až degradující v závislosti na celé řadě okrajových podmínek. Většina korozních procesů je závislá na přítomnosti vody. „Nejideálnějším“ stavem z hlediska přítomnosti vody pro korozi betonu je jeho nasycení cca z 60 %. Přítomnost vody a vzduchu je základem pro valnou většinu chemických reakcí, které mají za důsledek degradaci cementem pojených materiálů. Prostup vody do betonové konstrukce, případně k výztuži, je tedy zásadní. Základním korozním procesem spojeným s vodou je vymývání cementového tmelu. Dále jsou betonové konstrukce vystaveny poškození vlivem působení mrazu a u konstrukcí spojených s pozemními komunikacemi i chemických rozmrazovacích látek.

Čtěte také: Dlažba pro nevidomé BEST – KLASIKO

Obecně známý proces karbonatace je způsobován reakcí cementového tmelu, resp. jeho minerálů, se vzdušným CO2. Riziko karbonatace je tedy u všech cementem pojených materiálů bez povrchové úpravy. Běžně dochází rovněž k tomu, že jsou konstrukce vystaveny působení látek rozpuštěných ve vodě a celá řada z nich může působit agresivně na cementový tmel.

Posledním, ovšem nezanedbatelným, faktorem pro realizaci sanačního zásahu je teplota prostředí, kde se sanační zásah provádí. Při nízkých teplotách může použití správných materiálů zkrátit technologické doby provádění, v některých případech dokonce mohou být jediným možným řešením.

Postup sanace a předúprava podkladu

Standardní postup klasického sanačního zásahu na železobetonových konstrukcích, za předpokladu předešlého stavebně technického průzkumu, zahrnuje dokonalé očištění podkladu (předpříprava podkladu), očištění a případné doplnění výztuže, ošetření výztuže, provedení adhezní vrstvy a konečně obnovení krycí vrstvy nad výztuží. Závěrem může být povrchová úprava konstrukce, která zajistí vyšší odolnost konstrukce proti vlivům prostředí.

Pokud lze podklad i výztuž očistit, aniž by došlo k uvolnění výztuže v celém obvodu, není v provedení sanačního zásahu problém. Stejně tak při relativně běžném poškození podkladu vlivem okolních médií jako je karbonatace, nebo vyplavení cementového tmelu, není nutný žádný speciálnější přístup. Pro zajištění adheze lze provést buď pouze dostatečné provlhčení podkladu (je-li dostatečně soudržný), nebo použití adhezního můstku pro zpevnění podkladu a zlepšení jeho lepivosti.

Naopak, pokud je podklad nesoudržný vlivem extrémní ztráty vazných schopností pojiva, je nutné použít speciální postupy. Těmi jsou např. zpevnění podkladu pomocí injektáže epoxidovými pryskyřicemi, v extrémních případech i reprofilace pomocí plastmalt. Pokud je podklad zasažen roztoky solí, které mají vliv na korozi betonu, nebo výztuže, jako jsou zejména chloridy, sírany a uhličitany, je nutné zajistit adhezi reprofilačních malt ke stávající konstrukci pomocí mechanického přikotvení. Přikotvení je realizováno pomocí navázání ocelové síťky na trny zakotvené dostatečně hluboko do podkladu. Dostatečná je ocelová výztužná síťka s oky 40 x 40 mm a tloušťkou drátu 2 mm. Tato výztužná síťka umožňuje mechanické přikotvení reprofilace k podkladu a je dostatečně flexibilní pro tvarování i na složitějších konstrukčních prvcích. Stejný postup je nutné zvolit i při opravách stávajících exteriérových konstrukcí z betonu, který neodolává působení mrazu a chemických rozmrazovacích látek. Při mechanickém kotvení dojde k vytvoření „samonosné vrstvy“, jejíž přídržnost není závislá na adhezi k podkladu, který nesplňuje potřebná kritéria.

Použití speciálních materiálů

Náročné prostředí logicky vyžaduje speciální materiály. V železobetonové konstrukci je hlavním nosným prvkem betonářská výztuž. Ta je chráněna proti korozi alkalitou cementové matrice. Pokud alkalita cementové matrice klesne pod hodnotu 9,6 pH, není výztuž v betonu chráněna a je umožněna koroze výztuže i bez povrchových defektů krycí vrstvy nad výztuží. Stejně je tomu i v případě, že pasivace výztuže je dostatečná, ale v železobetonové konstrukci je přítomno nadlimitní množství chloridových iontů. Řešením takového stavu jsou dvě možnosti: vybourání a nahrazení celého konstrukčního prvku, nebo eliminace přístupu vlhkosti k výztuži. Tím je bráněno její korozi. Nejjednodušší metodou je použití materiálů obsahujících krystalizační přísady. V kombinaci s výše popsaným mechanickým kotvením je tento technologický postup ideálním řešením.

Pro aplikace v prostředích se zvýšeným výskytem síranů je vhodné použít materiály, které se sírany nereagují a nedochází k jejich korozi. Jedná se zejména o materiály, jejichž pojivem je speciální, korozi odolný, druh cementu. Lze použít síranovzdorné cementy, ale jako účinnější a univerzálnější se jeví použití materiálů s cementy na bázi syntetických slínkových minerálů. Jedná se o cementy obsahující pouze alitické (C3S) slínkové minerály. Síranová koroze probíhá zejména mezi síranovými ionty a C2S (dicalciumsilikát) a C3A (tricalciumaluminát). Skutečnost, že synteticky vyrobený cement neobsahuje ani C2S, ani C3A, zaručuje vysokou odolnost vůči působení síranů. Vedlejší výhodou je rychlost daného materiálu, což umožňuje použití těchto cementem pojených materiálů v prostředí s nízkou teplotou.

Konstrukce Masaryk Centre I

Článek se zabývá návrhem a probíhající realizací nosné konstrukce objektu Masaryk Centre I, jehož investorem je skupina Penta. Nová dominanta Prahy bude v budoucnu sloužit jako administrativní budova s tím, že první dvě podlaží budou zaujímat komerční plochy a vstupní části objektu, od 3. NP výše pak budou čistě administrativní plochy. V suterénech pak bude parking, sklady a technické zázemí objektu. Realizaci monolitických betonových konstrukcí včetně dynamického filtru mezi pažením a suterény, hydroizolaci spodní stavby, prvků vložených do monolitu a přípravy pro navázání další etapy, má na starosti stavební firma Metrostav, a. s., Divize 6, provoz železobetonových konstrukcí. Masaryčka je součástí obřího komplexu v blízkosti Masarykova nádraží podle návrhu kanceláře Zaha Hadid Architects.

Hlavní hmota objektu Masaryčka je tvořena dvěma nadzemními částmi se společným dvoupodlažním suterénem. Objekt má sedm až devět nadzemních podlaží. Půdorysný tvar představuje přibližně protáhlý obdélník, celkové hlavní rozměry v úrovni prvního suterénu jsou cca 212 × 28 metrů. Výška objektu bez koruny 9. NP části činí cca 37 metrů a u 7. NP části cca 30 metrů. Konstrukční systém představuje železobetonový monolitický sloupový skelet se systémem vnitřních komunikačních jader.

Stropní a stěnové konstrukce

Stropní konstrukce v nadzemních patrech nad 1. NP a 2. NP tvoří desky tloušťky 250 mm. Ve vyšších kancelářských patrech 3. až 6. NP pak převážně desky tloušťky 220 mm. Desky 7. NP až 9. NP pak tloušťky 250 až 300 mm. Desky mají po obvodě plochý ztužující trám (obrubu tloušťky min. 450 mm). Ve vnitřních polích desek jsou nad sloupy hlavice běžně tloušťky 420 a 450 mm s půdorysným rozměrem 2,7 × 2,7 metru a v rozhodujících nutných místech s větším rozponem zesílené a spojené, do plochých trámů výšky 450 až 500 mm. Po obvodě ve 2. NP a 3. NP pak protažené hlavice a trámy tloušťky 450 mm. Desky střech činí 250 až 300 mm podle skladeb a požadovaného užitného zatížení technologiemi, zástěnami a fasádami, s obvodovým trámem minimálně 450 až 560 mm, atikami a vnitřními hlavicemi tloušťky 450 až 550 mm.

Svislé nosné konstrukce tvoří stěny a sloupy. Obvodové stěny jader jsou převážně v dimenzích 250 a 300 mm, vnitřní stěny 200 až 250 mm. Sloupy jsou převážně kruhové profilu 600 až 750 mm, v posledních podlažích profilu 500 mm. Ve 3. NP a 4. NP je většina krajních sloupů navržena jako šikmá, z důvodu ustoupené fasády 1. NP - 2. NP. Konce stropu nad 2. NP jsou zavěšeny na železobetonová táhla z 3. NP z důvodu snížení výšky trámů na max. 450 mm s ohledem na řešení fasád.

Založení objektu

Konstrukce spodní stavby je kombinací sloupového a stěnového monolitického železobetonového systému. Suterén objektu tvoří železobetonová krabice, dimenzovaná i na účinky zemního a případného vodního tlaku při nastoupání hladiny při povodni a přenášející síly z horní stavby do základů. Ustálená běžná hladina podzemní vody je pod základovou spárou 2. PP. Piloty pro založení objektu byly navrženy osově pod vnitřními sloupy a stěnami a excentricky pod obvodovými stěnami suterénu. Navrhovaná délka pilot činí 7 až 18 metrů. Piloty jsou dimenzovány tak, aby celkové sednutí konstrukce bylo omezeno na max. 20 mm. Základová deska a obvodové stěny suterénů budou izolované povlakovými izolacemi. Všechny piloty jsou vyztuženy svařovanými armokoši.

Tloušťky stropních desek v suterénu jsou následující: nad 2. PP 250 mm, nad 1. PP 300 mm, pod venkovním prostorem 300 až 350 mm. Lokální zesílení desek je provedeno hlavicemi nad sloupy, případně deskovými průvlaky na cca tloušťky 450 až 550 mm ve 2. PP a 450 až 700 mm v 1. PP. Ve stropě nad 1. PP je lokálně proveden transfer sloupů, které budou vynášeny trámy. Trámy budou mít výšku 1 300 mm až 1 500 mm. Obvodové stěny suterénů mají tloušťku 300 mm, lokálně 400 mm. Pro omezení vlivu smršťování jsou do všech obvodových suterénních sousedících stěn osazeny tzv. dilatační klíče.

Speciální konstrukční řešení

Na určitém místě objektu byla navržena tzv. “rotated plaza“ s postupně se otáčející fasádou kolem středního bodu. Fasáda zde na jedné straně v každém podlaží o něco ustoupí a na protilehlé straně se naopak vykonzoluje - celkově od 1. NP po 6. NP (resp. 7. NP) o cca 15 metrů. Řešení tohoto místa je založeno na provedení šikmých sloupů nebo přesazovaných stěnových pilířů, konzolových trámů a železobetonových táhel, na kterých jsou vykonzolované nižší stropy vyvěšeny. Výška konzolových trámů procházejících zde, ale i jinde po obvodě stropů přes rovinu fasády, je limitována na 450 mm s ohledem na řešení fasád. Střední sloupy musí projít až na základovou desku. Stabilita domu jako celku proti účinku vodorovných sil je v nadzemních částech zajištěna železobetonovými stěnami jader, tuhostí skeletu a přídavnými železobetonovými příčnými ztužujícími stěnami, ty jsou nezbytné s ohledem na značné vodorovné reakce od šikmých sloupů.

V 1. PP až 2. NP jsou pro přívod a odvod vzduchu do kancelářských podlaží vzduchotechnické kanály svislé a vodorovné jako železobetonové monolitické konstrukce. Stěny kanálů jsou tloušťky 160 mm, stropy svislých kanálů a vodorovné kanály pod stropními deskami tloušťky 150 mm a vložené izolace. Vodorovné kanály jsou převážně zavěšené na hlavní stropní desce pomocí táhel z oceli. Táhla byla navržena z trubek vyplněných betonem a opatřených na obou koncích navařenými čelními kotevními deskami s výztuhami.

Postup výstavby vykonzolovaných pater

Samostatnou kapitolou je postup výstavby vykonzolovaných pater domu. Tato patra musí být podepřena již z úrovně základové desky. Podepření musí unést váhu všech vykonzolovaných částí pater nad ním. Konstrukce bude samostatně fungovat až po betonáži a vytvrzení posledního stropu - tj. nejdříve 28 dní po betonáži stropu nad 7. NP u jedné části objektu a 6. NP u části druhé. Pak teprve bylo možno montážní podepření postupně odstranit. Rozsáhlý projekt kolem Masaryčky má šest fází - největší proměna čeká ulici Na Florenci.

Tabulka: Tloušťky betonových konstrukcí v Masaryk Centre I

tags: #betonova #a #zelezobetonova #stoka #informace

Oblíbené příspěvky:

• Zjistěte vše o flexibilním mrazuvzdorném lepidle na dlažbu ARDEX
• Bylinné obklady na záněty
• Podrobnosti o transparentním lepidle a tmelu CEYS
• Průvodce lepením podlahových lišt
• Nápady na podzimní dekorace