Zesilování betonových sloupů a sanace betonových konstrukcí

V budovách, ať již pro občanskou, anebo pro průmyslovou výstavbu, se na území našeho státu jako nosný materiál používá beton prakticky již jeden a půl století. Nejprve se začal používat v základových konstrukcích a později i v klenbách stropních konstrukcí, na konci 19. století už i jako železový beton ve stropních konstrukcích formou moniérovských desek mezi ocelovými nosníky. Jak sílilo betonové stavitelství, vzrůstala potřeba vytvoření předpisů pro návrh betonových a vyztužených betonových konstrukcí.

Historie a vývoj norem pro betonové konstrukce

Z metodického hlediska postupně prošel návrh armovaných betonových průřezů od klasické teorie (dovolených namáhání) přes stupeň bezpečnosti až k mezním stavům. Současně s vývojem výztužných ocelí a poznatky o trvanlivosti betonu vzrůstaly požadavky na minimální tlakovou pevnost betonu. Podle přednormových předpisů se kvalita betonu předepisovala minimální krychelnou pevností (zkoušela se po šesti týdnech).

Z materiálového hlediska betonářské výztuže předepisoval dodatek předpisu z roku 1918 pro svářkové železo dovolená namáhání v tahu na 1 000 kg/cm² a ve smyku na 600 kg/cm², zatímco pro plávkovou ocel tyto hodnoty zvýšil na 1 200 kg/cm², resp. Je proto zřejmé, že svářkové železo se jako betonářská výztuž používalo podstatně déle než u klasických ocelových konstrukcí.

Stávající platná norma [7] zavedla pro železobetonové konstrukce požadavek minimální pevnostní třídy C12,5/15 (s kontrolní pevností 19 MPa). Z uvedeného je zřejmé, že na přelomu tisíciletí došlo k výraznějšímu zpřísnění požadavků na minimální pevnost betonu v tlaku, takže ani dříve hojně užívané betony zn. 135, resp. tř. I (a dokonce ani beton zn. 170 většiny prefabrikovaných betonových prvků ze 60. let 20. století) již nevyhovují.

Problematika návrhu a posudku zesílených konstrukcí

Problematika návrhu zesílení, resp. posudku únosnosti zesílených železobetonových průřezů je nesmírně obsáhlá. Při změně statického působení spojené navíc s aplikací nového betonu jako zesilující části prvku je i velmi náročná na matematicko-fyzikální znalosti posuzovatele. Vždyť je nutné uvážit spolupůsobení původní (zesilované) a zesilující části betonové konstrukce (průřezu) v čase včetně redistribuce napětí po zesíleném průřezu i vlivem dotvarování a změny tuhosti a tyto vlivy promítnout i do výpočtového modelu.

Čtěte také: Vše o betonu a stěrkování najdete zde

Faktory ovlivňující zesílení starších konstrukcí:

• Konstrukce postavené před rokem 1931 obsahují cement s dosti hrubým mletím slínku.
• Beton se míchal přímo na stavbě.
• Bylo používáno ruční dávkování jednotlivých složek (většinou poměrové) a někdy i ruční míchání.
• Používáno bylo kamenivo z místních zdrojů, většinou neprané a mnohdy kopané přímo či v blízkosti stavby (dosti často bylo silně zahliněné) a zároveň nebyly hlídány křivky zrnitosti (nejsou neobvyklá nadměrně velká zrna kameniva v betonu).
• Dávkování vody se prakticky neprovádělo (množství vody se přidávalo do míchačky citem).
• Ukládání a ošetřování betonu v bednění nebylo standardizováno a bylo silně odvislé od odborných zkušeností prováděcí firmy.

Výše uvedené tak klade požadavky na rozsah stavebně technického průzkumu, který proto bývá dosti objemný a tím pádem i drahý, čemuž se investoři brání. Výsledkem výše uvedených skutečností je obvykle zjištění velmi vysoké variability pevnosti betonu v konstrukci jako celku, ale i v rámci jednoho konstrukčního prvku.

Doporučení pro posuzování a zesilování

Doporučuji proto tyto konstrukce posuzovat podle podmínek pro navrhování železobetonových konstrukcí včetně platnosti Bernoulliho - Navierovy hypotézy. Při posudku nebo zesilování ale doporučuji, v závislosti na zakotvení výztuže v podporách, použít omezení napětí tažené žebírkové výztuže na hodnotu meze kluzu horších výztuží (tj. na cca 210 až 215 MPa), kdežto u hladké výztuže omezit namáhání o cca 15 až 20 %. Při posuzování konstrukcí z betonů těchto nízkých zbytkových pevností je nutné postupovat velmi obezřetně, protože již nepostačuje pouze snižovat napětí v tažené výztuži a omezovat poměrná přetvoření výztuže a betonu v tlačené oblasti.

Pokud se provádí zesilování stávajících železobetonových průřezů, je nutné tyto práce provádět na maximálně odlehčené konstrukci. Rovněž je vhodné nové materiály zabudovat s určitou aktivací (ať již aktivované při jejich zabudování do konstrukce, anebo aktivované dodatečně). Tato aktivace může být:

• Statická - např. běžně prováděným postupným přidáváním zatížení na zesílený prvek, ale také nadvýšením prvku dočasnými podporami (ale beze změny původního statického působení - prvek má po zesílení shodné statické schéma).
• Fyzikální - např. tepelným zahřátím části přídavné výztuže nebo jejím mechanickým dopnutím.
• Geometrická - např. změnou směru vedení přídavné výztuže.

Při návrhu zesílení je nutné přihlédnout i ke karbonataci betonu. V odborné literatuře se uvádí dělení karbonatace na čtyři etapy.

Sanační technologie pro různé materiály

Moderní přístup k sanacím je systematizován v normě ČSN EN 1504, která definuje jasné strategie a metody pro opravy betonových konstrukcí.

Čtěte také: Jak efektivně řešit praskliny v betonových konstrukcích

Sanace železobetonu

Sanace železobetonu je komplexní proces, který obvykle zahrnuje několik kroků:

1. Příprava podkladu: Zahrnuje mechanické odstranění veškerého degradovaného, nesoudržného a kontaminovaného betonu až na zdravé a pevné jádro. Obnažená výztuž musí být důkladně očištěna od všech produktů koroze.
2. Ochrana výztuže: Na očištěnou výztuž se aplikuje speciální antikorozní nátěr, který slouží jako adhezní můstek.
3. Reprofilace: Chybějící objem betonu se doplňuje speciálními sanačními (reprofilačními) maltami.
4. Injektáž trhlin: Pro obnovení celistvosti a vodotěsnosti konstrukce se trhliny vyplňují tlakovou injektáží. Podle charakteru trhliny (aktivní/pasivní, suchá/vlhká) a požadované funkce (zpevnění/utěsnění) se volí vhodný injektážní materiál:
   • Epoxidové pryskyřice: Pro statické zpevnění suchých trhlin.
   • Polyuretanové pryskyřice: Pro těsnění aktivních (pohyblivých) nebo vodonosných trhlin.
   • Cementové suspenze a akrylátové gely: Pro vyplňování větších dutin a pro plošné těsnící injektáže.
5. Povrchová ochrana: Finálním krokem je aplikace ochranného nátěru nebo stěrky, která sjednocuje vzhled opravené plochy a chrání konstrukci před dalším pronikáním agresivních látek.

Sanace zdiva

Sanace zdiva se zaměřuje především na řešení problémů s vlhkostí a obnovu statické integrity.

• Injektáž: Je klíčovou metodou jak pro zpevnění, tak pro vytvoření dodatečné hydroizolace.
• Mechanické metody: U závažných statických poruch, jako jsou rozsáhlé trhliny, se používá sešívání zdiva pomocí ocelových helikálních tyčí nebo stažení celého objektu ocelovými táhly.
• Sanační omítky: Jsou nezbytným doplňkem hydroizolačních opatření, s vysokou pórovitostí a paropropustností.

Sanace dřevěných konstrukcí

Cílem sanace dřevěných je zastavit degradační procesy a obnovit nebo zvýšit únosnost poškozených prvků.

• Chemická ochrana a sanace: Likvidace biotických škůdců a následná preventivní ochrana biocidními přípravky.
• Konstrukční sanace (tesařské opravy): Náhrada silně degradovaných částí prvků novým kusem zdravého dřeva (protéza, plomba).
• Zesilování příložkami: Pro zvýšení únosnosti oslabených prvků se používají příložky ze dřeva nebo oceli.

Sanace ocelových konstrukcí

Sanace ocelových konstrukcí se zaměřuje na dva hlavní problémy: korozi a nedostatečnou únosnost.

• Protikorozní ochrana: Dokonalá příprava povrchu a aplikace vícevrstvého ochranného systému (nátěry, pokovení).
• Zesilování: Zvýšení únosnosti navařením nebo přišroubováním dodatečných ocelových plechů nebo profilů.

Moderní metody zesilování

Vedle tradičních metod se v posledních desetiletích prosazují nové technologie, které nabízejí efektivní a šetrná řešení.

Čtěte také: novinky v navrhování betonových staveb

Zesilování pomocí externě lepených kompozitů (CFRP)

Tato metoda představuje revoluci v zesilování betonových, zděných i dřevěných konstrukcí. Na povrch zesilované konstrukce se pomocí speciálních epoxidových lepidel lepí prvky z kompozitních materiálů vyztužených uhlíkovými vlákny (Carbon Fibre Reinforced Polymer - CFRP). Tyto prvky mohou mít formu tenkých lamel nebo flexibilních tkanin.

Hlavními přednostmi jsou extrémně vysoká pevnost v tahu při velmi nízké vlastní hmotnosti, odolnost proti korozi, rychlá a relativně snadná aplikace s minimálním zásahem do geometrie konstrukce a provozu v objektu. Lamely se používají pro zvýšení ohybové únosnosti desek a trámů. Tkaniny se používají pro zvýšení smykové únosnosti trámů nebo pro „opásání“ sloupů, čímž se zvyšuje jejich únosnost v tlaku a duktilita (např. pro seizmické zesílení).

Katodická ochrana železobetonu

Jedná se o proaktivní elektrochemickou metodu, která jako jediná dokáže spolehlivě zastavit již probíhající korozní proces vyvolaný chloridy. Koroze je elektrochemický děj. Katodická ochrana tento děj „obrátí“ tím, že chráněnou ocelovou výztuž uměle učiní katodou korozního článku, na které nemůže docházet k rozpouštění železa. Toho se dosáhne buď připojením méně ušlechtilého kovu (obětovaná anoda, např. zinek), který koroduje přednostně, nebo připojením vnějšího zdroje stejnosměrného proudu, který vnutí výztuži záporný potenciál.

Metody katodické ochrany:

• Galvanická ochrana: Využívá obětované anody (např. zinkové pásky), které se vodivě propojí s výztuží. Je bezúdržbová, ale má omezenou životnost.
• Ochrana vnějším zdrojem (ICCP): Používá trvalou anodu (např. titanovou mřížku zalitou do sanační malty nebo vodivý nátěr) a malý zdroj stejnosměrného proudu. Umožňuje přesnou regulaci a dlouhodobou ochranu, ale vyžaduje monitoring.

Aplikace: Katodická ochrana je zvláště vhodná pro konstrukce masivně zasažené chloridy, jako jsou parkovací domy, mosty nebo přímořské stavby.

Příklad zesílení sloupů

Do opuštěné výrobní budovy původní textilky v Brně na rohu ulic Trnitá a Dornych bylo nutné vestavět velké fitness, které zabralo celé jedno podlaží dvou budov (dilatací oddělených vícepodlažních výrobních hal). Budovy továrního komplexu byly postaveny v letech 1922 až 1925 a jejich dokumentace se nedochovala. Konstrukčně se jedná o příčné rámy o třech polích s rozpětím krajních polí cca 4,5 m a vnitřního cca 9 m.

Provedeným podrobným průzkumem byla zjištěna značná variabilita zbytkové pevnosti betonu v konstrukcích, která odpovídala rozsahu tříd C8/10 až C16/20 podle [7], přičemž ve sloupech a průvlacích se jednalo spíše o lepší kvalitu betonů a ve stropních deskách a trámech o horší kvalitu (většinou třídy C8/10 v budově B a třídy C8/12,5 v budově A). Jako výztuž byly zjištěny kruhové profily s hladkým povrchem.

V daném případě byly stropní trámy zesíleny přídavnou, tepelně aktivovanou výztuží a včetně stropních desek spřaženou nadbetonávkou tloušťky 90 mm. Průvlaky byly ve smykové oblasti zesíleny přídavnými třmínky a pro ohyb bylo využito změny statického působení - pod průvlaky byly uloženy volně vedené předpínané kabely Monostrand jako vzpínadla. Sloupy byly, pokud to bylo nutné, zesíleny přídavnou výztuží s povrchovou vrstvou (obálkou) ze stříkaného betonu. Zajímavostí bylo použití lehkého konstrukčního betonu LC20/22 s objemovou hmotností do 1 750 kg/m³ pro zesilující spřaženou nadbetonovanou desku.

Případová studie: Zesílení sloupů hotelu

Stávající hotel má deset nadzemních a jedno podzemní podlaží. Půdorysné rozměry hotelu jsou cca 17,0×37,0 m. S hotelem sousedí třípodlažní přístavba cca 16,0×35,0 m (dvě nadzemní a jedno podzemní podlaží). Stávající hotel bude při rekonstrukci navýšen o jedno patro na celkových 11. Přístavba hotelu bude v části půdorysu rovněž navýšena o jedno podlaží.

Z konstrukčního hlediska jsou dvě nadzemní a jedno podzemní podlaží provedena jako železobetonový monolitický skelet. Sloupy jsou kruhového průřezu o Ø500 a 600 mm. Od třetího podlaží je pak nosný systém proveden jako prefabrikovaný železobetonový stěnový konstrukční systém s příčným uspořádáním nosných stěn - z panelového systému T 06 B. Tloušťka nosných stěn je 150mm. Hotel je založen plošně na základových patkách a pasech v úrovni únosných vrstev štěrků.

Po odstranění krycích azbestových potrubí bylo zjištěno na řadě sloupů množství lokálních „hnízd“ a také naměřeny nedostatečné odtahové pevnosti. Sloupy s takto zjištěnými poruchami byly sanovány za současného podepření konstrukce, vybourání povrchové vrstvy betonu na hloubku 80 až 100 mm.

Požadavkem minimálního zesílení ovinutím je zvýšení pevnosti o 6 MPa, tj. sloup bude nutno ovinout min. ≥ Rbg = 20 MPa. Požadavkem minimálního zesílení ovinutím je zvýšení pevnosti o 10 MPa, tj. sloup bude nutno ovinout min. fcFRP = fc + 4 · σx = 15 + 4 · 3,28 = 28,12 MPa ≥ Rbg = 25 MPa.

Technické informace o použité FRP tkanině od STADO CZ s.r.o.

Pro zlepšení kontaktní vrstvy betonu pomocí penetrace podkladu se počítá s očekávanou pevností betonu minimálně 20 MPa. V případě zesílení sloupů z původně zjištěné pevnosti 15 MPa na uvažovanou krychelnou pevnost 20 MPa sanační hmotou s pevností minimálně 30 MPa.

tags: #zesilování #betonových #sloupů #metody

Oblíbené příspěvky:

• Přečtěte si o problematice ztrát a nálezů v Kolíně a NAKA obrubníku
• Přečtěte si článek o koších na prádlo SIKO
• Odolné a funkční betonové květináče
• Zrcadla s dřevěným rámem
• Vše o zvukové a tepelné izolaci podlah