Pozadie zosilňovania konštrukcií

Za posledné dve desaťročia je stavebný priemysel pod čoraz väčším tlakom znižovať svoju environmentálnu stopu a opätovne využívať existujúci stavebný fond, aby vyhovel rastúcim sociálno-ekonomickým požiadavkám – najmä v mestskom prostredí, kde značná časť železobetónových budov a mostov dosiahla koniec svojej životnosti a vyžaduje si buď rekonštrukciu, alebo demoláciu.

Okrem konca životnosti existuje niekoľko dôvodov na zosilňovanie existujúcich konštrukcií, medzi ktoré patria:

• zmena využitia alebo obsadenia budovy,
• rozšírenie pôdorysu budovy,
• pridanie ďalších podlaží v husto zastavaných mestských oblastiach, kde horizontálne rozšírenie nie je možné,
• zavedenie nových stavebných noriem,
• výskyt chýb alebo iných nedostatkov v pôvodnej výstavbe,
• potreba riešiť problémy s trvanlivosťou spôsobené známymi rizikami, ako sú požiar alebo zemetrasenie.

Rozhodovanie medzi ZOSILnením a demoláciou

Rozhodnutie, či existujúcu konštrukciu zosilniť alebo zbúrať a postaviť nanovo, nie je vždy jednoduché. Závisí od aktuálneho stavu konštrukcie, požiadaviek klienta a kultúrneho, historického či spoločenského významu stavby.
Ak statik určí, že je možné zosilniť celú konštrukciu, dôkazy naznačujú, že návrat do prevádzky (definovaný ako čas medzi ukončením činnosti v budove alebo na moste a jeho opätovným uvedením do prevádzky) môže byť o 15–70 % rýchlejší v porovnaní s demoláciou a novou výstavbou.
Okrem úspory času môže zosilnenie konštrukcie priniesť 10–75 % zníženie nárokov na zdroje vďaka úsporám práce a materiálu, čo má priamy vplyv na environmentálnu a uhlíkovú stopu stavby [1].
Rýchlejší návrat do prevádzky a nižšia počiatočná investícia sú zároveň kľúčovými faktormi pre klientov.

Riešenia na spevnenie a výberový proces

Tieto potenciálne úspory sú však závislé od schopnosti stavebného inžiniera vybrať a schopnosti stavebného priemyslu poskytnúť a nainštalovať vhodné riešenia na zosilnenie, ktoré riešia identifikované lokálne a/alebo globálne nedostatky. Zatiaľ čo väčšina projektov zosilňovania zvyčajne zahŕňa viacero riešení, niektoré sú vylúčené kvôli architektonickým, prevádzkovým alebo geometrickým obmedzeniam, nedostatku znalostí v oblasti návrhu a/alebo realizácie, nedostupnosti vhodného vybavenia, čo zužuje zoznam potenciálnych riešení. Tento výber je ďalej ovplyvnený výhodami a nevýhodami týchto riešení a nie sú to "strieborné guľky", ktoré zázračne riešia konštrukčné nedostatky. Ďalšou vrstvou zložitosti je potenciál chybnej implementácie týchto riešení, ktorá môže viesť k spevneniu určitej časti konštrukcie, ale oslabeniu inej, čo je ilustrované nasledujúcimi dvoma príkladmi, jedným na lokálnej a druhým na globálnej úrovni.

1. Lokálne: zosilnenie dosky spriahajúcou betónovou doskou so zanedbaním dodatočných zaťažení na nosníkoch.
2. Globálne: vysoká koncentrácia šmykových výplňových stien na jednej strane konštrukcie umožňuje navýšiť požiadavky na zaťaženie, čo však môže mať opačný efekt na druhej strane konštrukcie.

Na „lokálnej“ úrovni môžu nedostatky zahŕňať jednotlivé betónové prvky, ako sú nosníky, stĺpy, dosky, steny a základy, ktoré nemajú dostatočnú odolnosť, aby zabránili zlyhaniu v ťahu, tlaku, ohybe, šmyku, pretlačeniu, krútení a iných účinkoch spôsobených novými zaťažovacími požiadavkami. Riešenia pre jednotlivé prvky zahŕňajú okrem iného:

• Betónové prekrytia (spriahnutie dvoch betónov) alebo tzv "opláštenie betónom" , ako je vidieť na obrázku 1,
• Dodatočne inštalovaná výstuž,
• Oceľové plášte,
• Povrchovo montované (NSM) alebo lepené dosky,
• Obaly a pásy z vláknom vystuženého polyméru (FRP),
• Externé predpätie.

Obrázok 1: Príklad betónového prekrytia / opláštenia stĺpov.

Zosilnenie na „globálnej“ úrovni zvyčajne zahŕňa riešenie problémov týkajúcich sa celej konštrukcie, ako sú seizmické, požiarne, únavové a veterné účinky, zavedením riešení, ako sú:

• Šmykové výplňové steny, ako je znázornené na obrázku 2,
• Oceľové výstuhy,
• Mikropilóty,
• Základová izolácia,
• Zariadenia na rozptyl energie / tlmiace zariadenia.

Obrázok 2: Príklad šmykových výplňových stien medzi stĺpmi

Spevňovanie betónových prvkov oslabených v šmyku

Predstavme si budovu, ktorá predtým slúžila ako kancelárske priestory, no po zmene vlastníctva sa jej využitie zmenilo na komerčné. Vyšší pohyb osôb zvýši zaťaženie napríklad na podlahu, ktoré musia znášať všetky nosné prvky – dosky, nosníky, stĺpy a základy.
Po overení môže statik zistiť, že nosníky nemajú dostatočnú odolnosť voči ohybu aj šmyku, alebo v niektorých prípadoch len voči šmyku. Podľa väčšiny návrhových noriem, ako napríklad časť 6.2 normy EN 1992-1-1: 2004 [2], závisí odolnosť betónového prvku voči šmyku od nasledujúcich šiestich parametrov:

1. Pevnosť betónu
2. Šírka a výška prierezu
3. Efektívna hĺbka výstuže od horného vlákna v tlaku
4. Dĺžka podpery
5. Množstvo pozdĺžnej výstuže
6. Množstvo šmykovej (priečnej) výstuže

Použitie rôznych dostupných „lokálnych“ riešení na zlepšenie jedného alebo viacerých z týchto parametrov môže zvýšiť šmykovú odolnosť v rôznej miere. Avšak, každé riešenie predstavuje kompromis z hľadiska invazívnosti, nákladov, dostupnosti a ďalších faktorov.
Niektoré úpravy nemusia byť vôbec realizovateľné – napríklad zvýšenie pevnosti betónu existujúceho nosníka. Iné, ako napríklad pridanie ďalších podpier prostredníctvom stĺpov na zníženie šmykového zaťaženia jedného nosníka, môžu zaťažiť iný nosník a vyžadujú prenos zaťaženia do základov.
Preto sa potenciálne riešenia na zlepšenie parametrov (1) až (6) môžu podobať na Tabuľku 1.

Tabuľka 1: Možné riešenia na zosilnenie betónu oslabeného v šmyku

Priame zvýšenie množstva šmykovej výstuže vedie k úmernému zvýšeniu šmykovej odolnosti, pričom aktuálne dostupné riešenia v stavebnom priemysle sú zvyčajne minimálne invazívne a obmedzujú narušenie ostatných konštrukčných prvkov.
Naopak, pri zvyšovaní šmykovej odolnosti samotného betónu vedie použitie alternatívnych riešení spravidla k neúmernému zvýšeniu odolnosti, s výnimkou betónového nástreku, ktorý je však spojený s vlastnými kompromismi.

V posledných rokoch vývoj a dostatočná vyspelosť technológie dodatočne inštalovaných kotiev umožnili jej využitie aj mimo aplikácií ako spojenie ocele s betónom či betónu s betónom. Jedným z využití pri spevňovaní je betónový nástrek, kde lepené aj mechanické kotvy slúžia na spevnenie rozhrania medzi existujúcim a novým betónom. Viac podrobností o spevňovaní pomocou betónového nástreku nájdete v Whitepaper [3].
Ďalším využitím systému chemických kotiev pri spevňovaní je novovyvinuté riešenie Hilti „HIT-Shear“, ktoré priamo zvyšuje odolnosť železobetónových prvkov voči šmykovému zaťaženiu, ako je znázornené na Obrázku 3, podobne ako zabudované strmene.

Obrázok 3: Hilti HIT-RE 500 V4, tyče HAS(-U) a sada na vyplňovanie použité ako dodatočne inštalovaná šmyková výstuž

Toto riešenie sa inštaluje podobne ako chemická kotva – t. j. vŕtanie do pevne stanovenej hĺbky kolmo na povrch betónu, dôkladné vyčistenie otvorov od prachu a nečistôt, injektovanie chemickej hmoty a následné vloženie tyčí. Po vytvrdnutí chemickej hmoty je možné matice dotiahnuť na maximálnu špecifikovanú hodnotu.

Poznámka: Pokiaľ to nie je výslovne zohľadnené v návrhu, vŕtaniu a prerezávaniu ohybovej výstuže je potrebné sa vyhnúť, kdekoľvek je to možné, aby sa zabránilo ďalšiemu oslabeniu konštrukcie. Ak sa tomu nedá vyhnúť – napríklad kvôli hustej výstuži v oblasti vŕtania – je potrebné prijať dodatočné opatrenia s výslovným súhlasom zodpovedného projektanta, aby sa kompenzovala strata ohybovej výstuže.

Nové Hilti riešenie na dodatočné šmykové ZOSILNenie „HIT-Shear“

Nové spevňovacie riešenie Hilti HIT-Shear pozostáva z nasledujúcich komponentov:

Toto riešenie kombinuje chemickú hmotu HIT-RE 500 V4 s závitovými tyčami Hilti HAS vo veľkostiach M12, M16, M20 a M24, pričom všetky sú dostupné vo verzii z uhlíkovej aj nehrdzavejúcej ocele – pre použitie v interiéri aj exteriéri. Oceľové prvky dopĺňa Hilti Výplňový Set, ktorý pozostáva z tesniacej a guľovej podložky, matice a voliteľnej kontramatice, taktiež dostupných v oboch materiálových vyhotoveniach pre každý priemer tyče.

Univerzálnosť systému je založená na vysoko výkonnom zložení chemickej hmoty, čo umožňuje jeho použitie v betóne:

• s hrúbkou od 200 do 2200 mm,
• s pevnosťou od C20/25 po C50/60,
• suchom, vodou nasýtenom aj vodou zaplnenom,
• pri maximálnych krátkodobých a dlhodobých teplotách +60 °C a +43 °C,
• a pri zaťažení statickom, kvázi-statickom aj únavovom.

Aj keď je inštalácia do betónového prvku možná z oboch strán (napr. zhora nadol alebo zdola nahor v prípade nosníka či dosky), kľúčovým prvkom systému je inštalácia závitových tyčí do špecifikovanej dĺžky osadenia, l_sw, ktorá závisí od hrúbky prvku h a zvyškového krytia, c_res. Toto krytie zabraňuje – z hľadiska inštalácie – odlupovaniu betónu na opačnej strane vŕtania. Ako je znázornené na Obrázku 4, zvyškové krytie sa líši podľa priemeru tyče.
Z návrhového hľadiska zabezpečuje pevne stanovená dĺžka osadenia spoľahlivé zakotvenie tyčí, ktoré simuluje princíp priehradového modelu vytvoreného zabudovanými strmeňmi.

Obrázok 4: Priečny rez zobrazujúci hĺbku osadenia a zvyškové krytie riešenia na šmykové zosilnenie HIT-Shear

Rozsah riešenia v rámci nemeckého národného schválenia

Vzhľadom na absenciu existujúceho európskeho hodnotiaceho dokumentu (EAD) alebo harmonizovanej európskej normy (hEN) bolo riešenie Hilti HIT-Shear na šmykové spevnenie overené z hľadiska vhodnosti pre túto aplikáciu Nemeckým inštitútom pre stavebnú techniku (DIBt) a získalo „všeobecné povolenie na stavebnú techniku“, tzv. aBG, Z-15.5-383 [4]. Toto povolenie spĺňa národné požiadavky na stavebné práce podľa MVV TB (Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen), ktoré slúžia ako vzor pre administratívne ustanovenia – technické stavebné pravidlá implementované na federálnej úrovni v Nemecku.

Flexibilita vo vašich rukách – využite silu PROFIS Engineering

Cloudový návrhový softvér Hilti PROFIS Engineering obsahuje nový špecializovaný modul na posudzovanie a spevňovanie betónových prvkov oslabených v šmyku, ktorý pomáha statikom pri hodnotení odolnosti existujúcich prvkov a ich spevňovaní, čím zabezpečuje bezpečnejší a efektívnejší pracovný postup.
Nový modul Šmykové zosilnenie v PROFIS Engineering umožňuje:

• Výber medzi nosníkmi, stĺpmi, doskami a stenami a definovanie ich materiálových vlastností a geometrie
• Overenie odolnosti existujúceho betónu podľa EN 1992-1-1:2004 + národný dodatok alebo SIA 262:2017 [5]
• Spevnenie s výberom zo štyroch priemerov výstuže z uhlíkovej alebo nehrdzavejúcej ocele a voľným zadaním rozstupov a vzdialeností od okrajov
• Rozdelenie prvku na individuálne zóny a využitie metódy variabilného sklonu diagonály (Variable Strut Inclination Method) na maximalizáciu odolnosti s minimálnym množstvom výstuže
• Generovanie komplexnej návrhovej správy so všetkými overeniami, detailmi výstuže a inštalačnými pokynmi

Zhrnutie

Transformácia a opätovné využitie starších konštrukcií môže priniesť množstvo výhod oproti novostavbám, pričom každá stavba si pri spevňovaní vyžaduje splnenie špecifických cieľov. Na základe zvolenej návrhovej filozofie môže statik riešiť šmykové nedostatky v lineárnych alebo plošných betónových prvkoch rôznymi metódami – niektoré sú menej invazívne než iné.
Použitie dodatočne inštalovanej šmykovej výstuže, ako je riešenie Hilti s závitovými tyčami HAS(-U) a chemickou hmotou HIT-RE 500 V4, predstavuje nový príklad minimálne invazívnej metódy, ktorá môže výrazne zvýšiť šmykovú odolnosť konštrukčného prvku.
Toto riešenie bolo primerane posúdené a ako systém získalo všeobecné povolenie na stavebnú techniku (aBG) od DIBt, čo umožňuje statikom použiť známy návrhový prístup založený na Eurokóde 2, integrovaný do softvéru Hilti PROFIS Engineering Suite. Vďaka možnosti výberu kľúčových návrhových parametrov – priemeru, rozstupu a sklonu diagonály – môžu statici dospieť k realizovateľnému riešeniu.
S intuitívnym rozhraním nový modul Šmykové zosilnenie pomáha statikom šetriť čas počas návrhovej fázy, prináša hodnotu klientom a zároveň prispieva k bezpečnejšiemu a odolnejšiemu stavebnému prostrediu.
👉 Viac informácií nájdete v našom Whitepaperi, ktorý podrobne rozoberá túto tému.
👉 Začnite navrhovať na: https://profisengineering.hilti.com/

Odkazy

1.   N. Addy, “Making sustainable refurbishment of existing buildings financially viable”, in Sustainable Retrofitting of Commercial Buildings - Cool Climates, S. Burton, Ed., Abingdon, Routledge, 2015, pp. 57-73.

2.   EN 1992-1-1:2004: “Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings”, Brussels: CEN, 2004.

3.   K. S and G. Genesio, “Whitepaper on Shear-friction Applications and Concrete Overlays”, Hilti AG, Liechtenstein, Dec. 2023.

4.   Deutsches Institut für Bautechnik, “Z-15.5-383 - Hilti Querkraft-Verstärkungssystem mit Hilti HIT-RE 500 V4”, DIBt, Berlin, 2024.

5.   SIA, “SIA 262: Concrete Structures,” SIA, Zürich, 2017.