Stavební materiály a konstrukční řešení pro seismické oblasti

Mnoho oblastí se nachází v neustálém ohrožení zemětřesením. Stroje, zařízení, budovy a mosty jsou poškozovány nebo ničeny a v nebezpečí jsou i lidské životy. Pro konstrukce v oblastech ohrožených zemětřesením existují další ochranné systémy ve formě řízených systémů tlumení vibrací (TMCS).

Dynamická odezva stavebních konstrukcí

Disertační práce pojednává o vybraných problémech v oblasti řešení dynamické odezvy stavebních konstrukcí na nestacionární zatížení nuceným pohybem v místě uložení. Jedná se o seizmické zatížení. Jsou doporučeny postupy, jak využít seizmické záznamy buzení s ohledem na přesnost dynamických výpočtů. Elastická spektra odezvy je nutno upravit tak, aby byla zajištěna požadovaná spolehlivosti návrhu. Je ukázáno, jak generovat vhodné syntetické akcelerogramy pro řešení požadované odezvy.

Podle vytvořené vlastní metodiky byl generován syntetický akcelerogram pro užití při experimentální seizmické zkoušce zděného objektu z autoklávovaného betonu v modelovém měřítku. Odezvové veličiny pohybu získané v měřených místech při experimentu byly porovnány s lineárními a nelineárními dynamickými výpočty na modelech sestavenými metodou konečných prvků. Byly použity numerické modely s různými úrovněmi detailnosti. Smykové chování stěn bylo modelováno s užitím konstitutivních vztahů zahrnující možnost křehkého porušení a dále s užitím nelineárního interakčního rozhraní zahrnující delaminaci mezi zdicími prvky. Chování matematického modelu stěnových systémů bylo kalibrováno s ohledem na měřená data při smykových zkouškách stěn ve skutečném a modelovém měřítku.

Sevřené zdivo jako řešení pro seizmické oblasti

Definice a historie

Sevřeným zdivem (confined masonry) ve smyslu ČSN EN 1996-1-1:2023 [1], dále EC6_2G, se rozumí zdivo, které je dodatečně (po vyzdění) obetonované železobetonovými ztužujícími prvky nebo prvky z vyztuženého zdiva. Tyto ztužující prvky zdivo svírají tak, aby všechny materiály spolupůsobily proti účinku zatížení. V žádném případě se nejedná o železobetonový skelet dodatečně vyzdívaný, kde je opačný postup výstavby (nejprve betonáž ŽB prvků a následně zdění).

Uvádí se [5], že první provedení staveb ze sevřeného zdiva bylo v Itálii po katastrofálním zemětřeseních v italské Messině v roce 1908, a potom v Chile po zemětřesní „Talca earthquake“ v roce 1928. Konstrukcemi ze sevřeného zdiva byla snaha naplnit oprávněný požadavek, aby nově budované tradiční zděné stavby byly odolnější k účinkům zemětřesení. Mezi evropské země, kde se využívá delší dobu sevřené zdivo, se řadí Itálie, Srbsko, Slovinsko, celý Balkánský poloostrov, Rumunsko a určité zkušenosti jsou také z Řecka a Portugalska.

Čtěte také: Výhodný prodej prken v Lounech

Z výše uvedeného je zřejmé, že navrhování sevřeného zdiva je spojeno s návrhem konstrukce na seizmickou návrhovou situaci dle EC8. Nová generace EC8 v době přípravy této publikace nebyla v úplnosti vydána. V současnosti platná ČSN EN 1998-1:2013 [7], dále EC8_1G, bude v druhé generaci rozšířena a rozdělena do 2 částí, a to 1. část „actions“ a 2. část „building“.

Konstrukční zásady dle EC6_2G

V konstrukčních zásadách EC6_2G je uveden základní požadavek na vybetonování ztužujících prvků až po dokončení zděné stěny, což je hlavní znak sevřeného zdiva. Předpis EC6_2G nepokrývá sevřené zdivo ze zdicích prvků skupiny 4 (s vodorovnými otvory). Charakteristická pevnost betonu v tlaku pro ztužující prvky sevřeného zdiva nemá být menší než větší z hodnot pevnosti v tlaku zdiva nebo než 20 MPa.

Ztužující prvky pro sevření zdiva se umístí v úrovni každého stropu, v každém křížení stěn a podél obou okrajů otvorů o ploše větší 1,5 m2. Mají se také provést třmínky o průměru ≥ 5 mm o vzdálenosti rovné menší z hodnot 250 mm nebo tloušťka stěny. Do vzdálenosti 0,6 m od konců ztužujících prvků nemá být osová vzdálenost třmínků větší než 150 mm. Podle EC6_2G mají být splněny určité požadavky pro zajištění spolupůsobení ztužujících prvků a zdiva. U sevřeného zdiva se mají zdicí prvky, které navazují na ztužující prvky pro sevření, vzájemně přesahovat podle ustanovení pro vazbu zdiva. Alternativně se má provést vyztužení pruty o průměru alespoň 5 mm, které jsou umístěny ve vzdálenosti nanejvýš 300 mm a plně zakotveny do výplňového betonu a maltových spár. Je třeba upozornit, že EC8_1G obsahuje další konstrukční zásady a požadavky pro sevřené zdivo při seizmické návrhové situaci, které jsou mnohdy přísnější než ustanovení v EC6_2G.

Posuzování mezních stavů únosnosti

Pro posuzování mezních stavů únosnosti sevřeného zdiva se vychází ze způsobů porušení, které může být jednak v tlaku, ohybem a/nebo smykem v rovině zdiva. Obvykle pro seizmicky exponovanou a namáhanou konstrukci ze sevřeného zdiva není rozhodující samotné svislé zatížení (při trvalé návrhové situaci), ale jeho kombinace s vodorovným seizmickým zatížením (při seizmické návrhové situaci).

Pokud po výšce nedochází ke změně průřezu stěny, potom v dolních podlažích je obvykle kritické porušení v rovině (smyková stěna), ale v horních podlažích může rozhodovat zatížení vodorovnými setrvačnými silami příčně na rovinu zdiva. První generace EC6_1G obsahuje jen zásady, nikoli aplikační pravidla. Druhá generace EC6_2G zavádí aplikační pravidla přímo ve formě analytických vztahů pro sevřené zdivo. Přičemž obecné zásady jsou víceméně zachovány, případně upřesněny. Jako délka stěny se zde uvažuje vždy délka zdiva včetně svírajících prvků.

Čtěte také: Stavební řezivo Luštěnice: Přehled cen

Odolnost sevřeného zdiva na převážně svislé účinky nebyla v předchozím vydání EC6_1G a ve zde uvedených zásadách speciálně komentována, byla komentována společně s ohybem v rovině stěny. U nově zavedeného aplikačního pravidla v EC6_2G lze ovšem tvrdit, že splňuje zásady z předchozího vydání EC6_1G, tj. účinek tlačené výztuže se neuvažuje. V EC6_2G je také upřesněno, že délkou sevřeného zdiva se rozumí délka včetně svírajících prvků. Podle Marques & Lourenço [4] je tento analytický vztah velmi konzervativní. U sevřeného zdiva nedojde při trvalé návrhové situaci ke zvýšení odolnosti stěny v tlaku oproti nevyztuženému zdivu.

Únosnost v ohybu v rovině stěny dle EC6_2G je v souladu se zásadami uvedenými v předchozím vydání EC6_1G. Odolnost stěny v ohybu v rovině se stanovuje na základě předpokladů zobrazených na obr. 5. Předpokládá se, že je plně aktivována návrhová hodnota meze kluzu výztuže v tahu a že v tlaku působí obdélníkové tlakové napětí v betonu a zdivu, který je v souladu s ekvivalentním obdélníkovým pracovním diagramem (čl. 5.8.1). Pokud tlačená oblast zasahuje i do zdiva, potom se volí pevnost v tlaku podle méně pevnějšího materiálu. Pokud je ale veliká hodnota svislého zatížení NEd, nemusí dojít k plnému aktivování fyd, případně použít složitější (iterační) výpočet.

V zásadách předchozího vydání EC6_1G je uvedeno, že platí předpoklady jako pro nevyztužené zdivo a že délka tlačené oblasti průřezu ls se předpokládá jako délka zdiva. Nová generace EC6_2G místo ls zavádí ve vzorci pro smykovou odolnost účinnou výšku průřezu d, tj. vzdálenost těžiště výztuže ve svírajícím prvku táhlo-sloup k opačnému konci sevřené smykové stěny. Jinak jsou předchozí zásady nezměněny. Postup je analogický k posouzení nevyztuženého zdiva. Průměrné svislé tlakové napětí působící na stěnu vzdorující smyku, které je vstupním parametrem pro stanovení fvd, není v EC6_2G komentováno. Mezi ostatní zatěžovací podmínky se řadí zejména zatížení příčným zatížením na rovinu sevřeného zdiva při seizmické návrhové situaci, které může být rozhodující pro vyšší podlaží zděného objektu.

Navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení dle EC8

Při navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení je třeba vycházet z ustanovení v EC8. Druhá generace v době přípravy příspěvku nebyla uceleně publikována, resp. EN 1998-1-2, která bude obsahovat další požadavky na zděné konstrukce, zatím není schválena. Předpis EN 1998-1-1 je vzhledem k EC8_1G velmi přepracován, ale základní principy jsou zachovány. V případě nutnosti provést analýzu konstrukce, tak se vychází ze seizmické návrhové situace s odpovídajícími součiniteli spolehlivosti zatížení a součiniteli kombinace dle EC8. Analytické vztahy pro sevřené zdivo jsou vyjádřeny pro vnitřní síly. Pro maximální využití kapacity konstrukce lze doporučit použití nelineární inkrementální metody, kdy jsou vnitřní síly při dosažení podmínek plasticity v jednom konstrukčním prvku dále plasticky přerozděleny po konstrukci. Efektivní je tzv. pushover analýza.

Příklad posouzení konstrukce ze sevřeného zdiva Wienerberger Climamur

Úkolem je posoudit konstrukci ze sevřeného zdiva provedenou ze zdicích prvků Wienerberger Climamur [9, 10], a to v průřezu v úrovni terénu. Zdivo je provedeno z prvků Climamur 30 na Dryfix s dvěma pruhy, tloušťka zdiva je t = 300 mm. Zdicí prvky Climamur 30 mají v sortimentu zvláštní bloky se svislými otvory pro ztužující prvky sevřeného zdiva, svislé otvory mají rozměr 150 × 150 mm a osa otvoru (těžiště výztuže) je 150 mm od okraje zdiva. Při seizmické návrhové situaci předpokládejme pro vysvětlení analytických vztahů pro sevřené zdivo zjednodušeně zatížení svislými a příčnými silami (Fxi,d a Fzi,d). Při seizmické návrhové situaci se uvažuje dílčí součinitel materiálu pro ocel γs = 1,00. Zdicí prvky Climamur 30 patří do skupiny 3 dle EC6_2G. Poměrné přetvoření výztuže na mezi kluzu εsy se určí z výrazu εsy = fyd / Es, kde se uvažuje Es = 200 GPa, viz čl. 3.2.7 v ČSN 1992-1-1 ed. 2 [11].

Čtěte také: Využití stavebního řeziva Odry

Pro stěnu vlevo je NEd1 = 367,6 kN a MEd = 331,5 kNm. Pro stěnu vpravo jsou účinky zatížení NEd2 = 571,6 kN a MEd = 331,5 kNm. Napětí ve výztuži lze odhadnout hodnotou σs(1) = fyd εs / εsy, což je první odhad do složitějšího iteračního výpočtu, kdy souřadnici N.O. je třeba znovu přepočítat opakováním výpočtu od výrazu (10) s napětím σs(1) místo fyd a určit zpřesněný nový odhad σs(i). Pro stěnu vlevo je VEd = 89,4 kN a NEd1 = 367,6 kN. Potom charakteristická hodnota pevnosti zdiva ve smyku fvk je dána výrazem (viz čl. 5.5), kde charakteristická hodnota součinitele tření µf je uvažována hodnotou 0,4 (čl. 5.7.2.3). Pro stěnu vpravo je VEd = 89,4 kN a NEd2 = 571,6 kN. Analytické vztahy odolnosti průřezu pro sevřené zdivo uvedené v EC_2G byly výše uvedeným příkladem jistě dostatečně vysvětleny. Obdobně je ale nutné posoudit také všechny ostatní průřezy i ve vyšších úrovních. Svislé zatížení se s počtem podlaží směrem nahoru mění přibližně lineárně, ale příčné síly nikoli.

Tato nová aplikační pravidla většinou respektují zásady v předchozí generaci EC6_1G, resp. Metoda ověření sevřeného zdiva zatíženého převážně svislým zatížením je identická s ověřováním nevyztuženého zdiva. Pro tento případ se délka zdiva uvažuje včetně ztužujících prvků a pevnost se uvažuje toho méně pevného materiálu, tj. obvykle pevnost zdiva. Nedochází tedy při trvalé návrhové situaci ke zvýšení únosnosti na převážně svislé zatížení vlivem provedení ztužujících prvků táhlo-sloup a táhlo-trám. Analytické vztahy pro sevřené zdivo uvedené v EC6_2G je ovšem třeba chápat v kontextu skutečného chování konstrukce jako zjednodušující. Publikace týmu Marques at al. [4, 5, 6] i další publikace např. na portále Confined Masonry Network [3] ukazují, že skutečné rozdělení svislého normálového napětí v patě sevřeného zdiva u smykové stěny při seizmické návrhové situaci není rovnoměrné, ale spíše trojúhelníkové. Je třeba také upozornit, že EC8_1G pro navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení uvádí další požadavky, a to mnohdy přísnější, než jsou v EC6_2G.

Odlehčené betonové konstrukce a systémy MODULO

Plnou cihlu už dneska skoro nepotkáte, okna jsou také samá vzduchová komora a rovněž betonové nosníky a zdicí bloky jsou dnes maximálně odlehčené. Bohužel celý dům nelze poskládat jenom z prefabrikátů, pořád je na stavbě větší spotřeba betonu litého. Ale i jeho množství lze radikálně snížit, protože 50 % (někdy i více) z jeho objemu neplní žádnou pevnostní funkci a slouží pouze jako stále dražší výplň.

Jednou ze stále populárnějších technologií jsou klenbové prvky z levného plastového recyklátu, kterými lze poměrně snadno a levně odlehčit betonové desky, čímž se sníží tlak stavby na podloží. Ušetří se až 70 % betonu, odpadne skoro všechna hutněná výplň, nahradí se hydroizolace a ještě můžeme získat volný prostor, ve kterém lze natáhnout rozvody, izolovat teplo nebo odvádět nežádoucí radon a vlhkost. Celosvětově nejrozšířenějším systémem klenbových prvků je systém MODULO italského výrobce Geoplast. Pro snadnou montáž se vyrábí v panelech různého formátu a výškách od 3 cm po 70 cm. Pro větší výšky až do 250 cm se používá odvozený systém NEW ELEVETOR. K těmto systémům existuje také bohaté příslušenství, včetně koncových čel a teleskopických bloků, jejichž funkcí je ochrana před zatékáním betonu dovnitř klenby.

Využití systémů MODULO

  • Odvětrání vlhkosti a radonu: U historických budov a jiné starší zástavby bývají největším problémem vlhké zdi, podlahy a podmáčené sklepy. Účinné podřezávání zdiva nebývá často technicky proveditelné a chemické nebo elektroosmotické vysoušení nepřináší vždy očekávané výsledky. Proto se v těchto případech nejčastěji pod podlahu vestavují větrací prvky MINIMODULO a MODULO malé výšky 3, 6, 9 nebo 13 cm. U všech realizovaných akcí tyto systémy fungují naprosto spolehlivě prostým komínovým efektem, takže většinou není nutný ani odtahový ventilátor. Zejména u historických staveb s extrémně silnými zdmi - typicky hrady, zámky a sakrální stavby - se jako doplněk instalují kolem základů a zahozených zdí vertikální větrací panely DEFENDER tloušťky 7 cm, které zajišťují účinné větrání a odvod vody do vespod uložené drenážní trubky.
  • Odlehčení železobetonových desek: V tomto případě je prvořadá úspora betonu v oblastech, kde nemá žádnou pevnostní funkci, na druhém místě je pak funkce hydroizolace a protiradonové ochrany a teprve na třetím místě může technologie fungovat jako doplňková tepelná izolace a volný prostor pro natažení rozvodů. Klenbové panely MODULO tak místo homogenní železobetonové desky vytvoří mnohem lehčí, ale pevnostně stejně odolnou konstrukci křížové klenby s integrovanou hydroizolací. Pracnost je nepatrně vyšší, ale celková úspora nákladů je zhruba 30 %. Jen samotného betonu se ušetří 50 až 80 %. U většiny novostaveb odpadá také doprava a hutnění výplňového písku nebo stále hůře dostupného recyklátu.
  • Náhrada hutněné výplně: Místo mocné výplňové vrstvy stačí zpevnit podklad jalovým betonem nebo štěrkem, se spárami zalitými řídkým betonem. Na tento podklad se pak vyskládá systém MODULO potřebné výšky, na něj se položí armovací síť a vše se zalije kvalitní a dobře zavibrovanou betonovou směsí do výšky 5 až 15 cm podle požadavků na zatížení podlahy. Kromě úspory betonu a hutněné výplně slouží vzduchová vrstva pod klenbami panelů MODULO také jako kvalitní tepelná izolace podlahové desky. V tomto případě musí zůstat systém MODULO uzavřený, bez možnosti provětrávání.
  • Výstavba monolitických základových konstrukcí: Je možné odlít základové pasy společně s podlahovou deskou. Získá se tak nesmírně pevný základový monolit, který se uplatňuje především v oblastech se zvýšeným seismickým rizikem nebo měkkým a nestabilním podložím. Stavby s takto vytvořenou monolitickou základovou deskou na nestabilním podloží se označují jako stavby s plovoucí základnou (rafting basement).
  • Řízená tepelná izolace mrazíren a kluzišť: U podlahových konstrukcí, dlouhodobě vystavených teplotám pod bodem mrazu, dojde časem k průchodu mrazové teploty do půdy, bez ohledu na tloušťku a kvalitu tepelné izolace. Aby se tomu zabránilo, používají se u mrazírenských hal a zimních stadionů podlahy s řízenou izolací, kdy se pod vrstvu pasivní tepelné izolace instaluje systém MODULO s regulovanou cirkulací vzduchu. Vždy, když teplota pod tepelnou izolací klesne pod bod mrazu, systém se otevře a vpustí se do něj trochu teplejšího vzduchu, aby se zabránilo zmrznutí podloží a jeho následnému vzdouvání.
  • Levná výstavba podzemních zásobníků vody: Nejlevnějším způsobem výstavby podzemních zásobníků z litého betonu je jejich zastropení systémem NEW ELEVETOR. Ten se skládá z klenbových prvků a nosných trubek HT DN125, které se vylévají betonem. Rozteč nosných sloupů je 58 x 58 cm.

Reference

  • ČSN EN 1996-1-1:2024 Eurokód 6: Navrhování zděných konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla pro vyztužené a nevyztužené zděné konstrukce.
  • ČSN EN 1996-1-1+A1:2013 Eurokód 6: Navrhování zděných konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla pro vyztužené a nevyztužené zděné konstrukce.
  • Confined Masonry Network | Promoting seismically safe, economical housing worldwide. Online. 2018.
  • Marques, R., Lourenço, P.B. Structural behaviour and design rules of confined masonry walls: Review and proposals. Construction & building materials.
  • Marques, R., Lourenço, P.B. A model for pushover analysis of confined masonry structures: implementation and validation.
  • Rui Marques, João M. Pereira, Paulo B. Lourenço. Lateral in-plane seismic response of confined masonry walls: From numerical to backbone models. Engineering Structures.
  • ČSN EN 1998-1 ed. 2:2013 Eurokód 8: Navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení - Část 1: Obecná pravidla, seizmická zatížení a pravidla pro pozemní stavby.
  • Magenes, Guido. A method for pushover analysis in seismic assessment of masonry buildings.
  • Wienerberger S.A.S. Climamur un nouvel art de vivre. Documentation technique.
  • Wienerberger S.A.S. Guide de mise en oeuvre, Briques de mur Porotherm Climamur.
  • ČSN 1992-1-1 ed. 2:2019 Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby.

tags: #stavebni #material #pro #seismicke #oblasti

Oblíbené příspěvky: