Dosavadní výzkum existujících betonových příhradových vazníků v Česku a v zahraničí

Betonové příhradové vazníky představují významnou skupinu prefabrikovaných konstrukcí, které byly v průběhu 20. století široce využívány při výstavbě průmyslových hal, skladů a dalších objektů s požadavkem na velká volná rozpětí. Největšího rozšíření dosáhly zejména po druhé světové válce, kdy byla snaha o rychlou obnovu průmyslových kapacit spojena s nedostatkem oceli a požadavkem na hospodárné využití dostupných materiálů. Díky efektivnímu využití betonu a předpínací výztuže umožňovaly tyto konstrukce překlenout velká rozpětí při nižší vlastní hmotnosti než klasické plnostěnné železobetonové vazníky.

První konstrukce byly navrhovány jako železobetonové, později se začaly uplatňovat varianty z předpjatého betonu, které umožnily delší rozpětí a snížení spotřeby materiálu. Jeden z nejdelších známých předpjatých příhradových vazníků byl postaven ve 30. letech 20. století v Berlíně a dosahoval rozpětí až 71 m (obr. 1) [1]. Problematikou historického vývoje a jednotlivých typů příhradových střešních vazníků se podrobněji zabývá například práce uvedená v literatuře níže pod signací [2].

 

Obr. 1 – Předpjatý příhradový vazník hangáru v Berlíně ze 30. let 20. století [1].

Obr. 2 – Sklad potravin v Londýně [3].

Nejčastěji se betonové příhradové vazníky využívaly jako hlavní nosné prvky střešních konstrukcí jednopodlažních hal. Střešní plášť přitom nemusel být uložen pouze na horním pásu vazníku. V praxi se lze setkat také s jeho uložením na dolním pásu nebo střídavě na horním a dolním pásu, což umožňovalo využít otvory mezi pásy jako střešní světlíky pro zajištění přirozeného osvětlení haly (obr. 2) [3]. Specifickou variantu představovaly příhradové vazníky navržené přes výšku celého podlaží, které umožňovaly vytvoření rozsáhlých vnitřních prostorů bez nutnosti použití mezilehlých podpor (obr. 3) [4].

Obr. 3 – Ciba-Geigy Life Science Building [4].

Velmi zajímavým konstrukčním řešením bylo zastřešení hangáru Gatwick u Londýna, které tvoří betonová prostorová příhradová konstrukce. Dolní pás je tvořen jedním prutem, který je pomocí diagonál propojen s horním pásem sestávajícím ze šesti prutů s osovou vzdáleností 1 m. Spolupůsobení celé konstrukce je zajištěno příčným předpětím (obr. 4) [5].

V Československu výzkum příhradových betonových vazníků započal v průběhu 50. let 20. století, první typizované vazníky se začínají vyrábět koncem 50. let. Konstrukční systém předepnutých příhradových vazníků se v Československu rozšířil v 60. letech minulého století pro vazníky na rozpon 18 a 24 m. Z dobových podkladů vyplývá, že měla být nachystána i výroba pro vazníky na rozpětí 30 m [2], avšak doposud není známo, že by se při průzkumu hal někdo s tímto typem vazníku setkal. Systém předepnutých vazníků je doplněn systémem předepnutých průvlaků na rozpon 12 m. Střešní nosníky (vazníky a průvlaky) byly na stavbu dopravovány v třímetrových nebo šestimetrových dílech a na místě sestavovány. Výztuž formou sdružených sesvorkovaných drátů byla na stavbě nasouvána do předem připravených kanálů. Na koncích byly kabely rozvinuty a nasazeny na napínací zařízení a každý drát byl samostatně zajištěn a následně předepnut. Problémem byla skutečnost, že dráty ve svazku měly rozdílnou dráhu. Toto provedení vedlo k nestejnoměrnému napnutí všech drátů. Vše měla uzavřít injektáž kabelových kanálků, která by případné uvolněné dráty sevřela a chránila proti korozi. Injektáž řídkou směsí nebyla funkční (obr. 5).

 

Obr. 4 – Předpjatá prostorová příhradová konstrukce střechy hangáru Gatwick [5].

Obr. 5 – Nedokonale injektovaný kanálek [7] způsobený segregací vody od malty.

Konstrukční systém předepnutých příhradových konstrukcí byl ve své době úsporný, efektivní a zároveň hospodárný. V dnešní době je v českém a slovenském konstrukčním prostředí spojován s případy poruch těchto konstrukcí nejen v posledních desetiletích [6], ale také již v době jejich prvního většího rozšíření v 60. letech (obr. 6) [7]. Vazníky se dnes dostávají přes více jak 50letou životnost. Příčinou vad a poruch není samotné konstrukční řešení příhradového předepnutého vazníku, ale rozdělení do snadno přepravitelných částí vazníku spínaných na stavbě a nedodržení technologických předpisů pro předpínání kabelů a nerovnoměrné napnutí drátů v kabelu. V kanálcích přepínacích drátů, které nejsou plně injektovány, se vytváří prostor pro zatékání vody a korozi. Vazníky jsou navrženy v nízkém sklonu. Modifikované asfaltové pásy se začaly vyrábět až v 90. letech minulého století. Do té doby se hydroizolace střech prováděla vrstvenými nátěry, které nebyly pružné a praskaly. Vlivem malého sklonu docházelo k zatékání do konstrukcí a otázkou zůstává, jaké bylo chemické složení daných srážek zejména v průmyslových oblastech.

Obr. 6 – Zřícený příhradový vazník ze 60. let 20. století, Československo [7].

Lze předpokládat, a naše průzkumy to dokazují, že určitou mírou koroze v důsledku špatné injektáže kabelových kanálků a zatékání jsou napadeny ve větší či menší šíři všechny popisované halové systémy. Z provedených průzkumů zjišťujeme, že zhruba 15 % vazníků je v havarijním stavu. Pozornost je věnována vizuální prohlídce pomocí dronu s vysokým rozlišením a následnou kontrolou skenů na monitoru počítače.

V současné době zpracováváme automatizované řešení vyhledání poruch pomocí AI na základě dřívějších zkušeností. Tím bychom chtěli zrychlit a zpřesnit diagnostiku konstrukcí. Nedestruktivní průzkum bude ve vytypovaných případech doplněn semidestruktivním průzkumem za účelem zjištění stavu předpínací výztuže z hlediska koroze, stavu za injektování s následným rozborem injektážní malty a stanovení časové prognózy fungování konstrukce. V současné době spravujeme konstrukce, které jsou v tzv. havarijním stavu a vykazují narušení statické funkce. Výhledově odhadujeme, že v průběhu následujících 15 let dojde k plošnému rozvoji poruch zejména příhradových vazníků. Proto je třeba v horizontu tří let opakovat kontrolní prohlídku střešní konstrukce.

POTÝKAJÍ SE V ZAHRANIČÍ U BETONOVÝCH PŘÍHRADOVÝCH VAZNÍKŮ S PODOBNÝMI
PROBLÉMY JAKO V ČESKU?

Ohledně popisovaných konstrukcí existuje poměrně málo anglicky psaných technických nebo vědeckých článků zaměřených na hodnocení jejich současného technického stavu. Při rešerši dostupné literatury byly nalezeny především práce publikované v českém a polském jazyce. Tato skutečnost může naznačovat, že poznatky získané při průzkumech a hodnocení těchto konstrukcí mohou být i v dalších zemích publikovány především na národní úrovni.

Polské odborné články se zabývají diagnostikou a hodnocením technického stavu betonových příhradových vazníků [8–11]. Publikované zkušenosti ukazují, že se při průzkumech těchto konstrukcí objevují podobné problémy jako v České republice. Jedná se zejména o nedostatečně injektované kabelové kanálky, poruchy betonu, trhliny nebo nejistoty spojené se skutečným stavem předpínací výztuže (obr. 7–9). V článku viz odkaz [8] autoři kromě prezentace jednotlivých typů zjištěných poruch stručně uvádějí také možné způsoby jejich řešení. Pro zvýšení únosnosti a prodloužení životnosti konstrukcí doporučují zejména využití dodatečného vnějšího zesílení pomocí ocelových prvků nebo kompozitních materiálů.

 

Obr. 7 – Poškození vazníku při osazování technologií [8].

Obr. 8 – Detail spáry mezi segmenty [8].

Obr. 9 – Zatékání vody v místě uložení vazníku na sloupu [8].

AKTUÁLNĚ PROVÁDĚNÝ
VÝZKUM AUTORŮ ČLÁNKU

Dosavadní poznatky ukazují, že hodnocení existujících betonových příhradových vazníků je často založeno především na diagnostickém průzkumu konstrukce. Samotný průzkum však neposkytuje úplnou informaci o spolehlivosti konstrukce. Pro její objektivní posouzení je nezbytné propojit výsledky diagnostiky se statickou analýzou a experimentálním ověřením skutečného chování konstrukce.

V rámci probíhajícího výzkumu je řešena mimo jiné vhodnost různých typů výpočtových modelů pro hodnocení betonových příhradových vazníků. Bylo zjištěno, že běžně používaný prutový model není schopen dostatečně vystihnout chování oblasti uložení vazníku na sloup. Tato oblast se vyznačuje výraznou tuhostí, kterou dnes běžně používané prutové modely nezohledňují. S rostoucí vzdáleností od oblasti uložení se však rozdíly mezi jednotlivými typy modelů postupně snižují. Pokročilejší modely využívající stěnové a prostorové konečné prvky umožňují detailněji popsat rozložení napětí v oblasti uložení a objasnit vznik typických trhlin v oblasti uložení a v prvním prvku tlačeného horního pásu vazníku. Výsledky této části výzkumu budou publikovány v zahraničním odborném časopise.

Obr. 10 – Zkoušený vazník SPP 6 18/6 osazený na zatěžovací stolici.

Další část výzkumu je zaměřena na experimentální ověření skutečného chování betonových příhradových vazníků. Byly získány různé typy příhradových vazníků SPP, jež budou postupně podrobeny zatěžovacím zkouškám. V současné době je zkoumán vazník typu SPP 6 18/6, který byl z důvodu transportu rozdělen na jednotlivé segmenty a následně opět sestaven pomocí systému vyvinutého firmou PEEM (obr. 10). Samotná možnost opětovného sestavení prefabrikované konstrukce představuje zajímavý směr dalšího výzkumu, při úplném vyloučení původní výztuže a plném nahrazení novou externí výztuží. Zatěžovací zkoušky umožní ověřit skutečné chování vazníku po jeho opětovném sestavení.

Významnou oblastí výzkumu je také problematika předpínací výztuže. Byly zajištěny vzorky dobových předpínacích drátů, které byly záměrně vystaveny působení chloridů a následně zkoušeny v laboratořích VUT FAST. Výsledky ukazují, že jedním z nejrizikovějších mechanismů degradace předpínacích drátů je důlková koroze, při které dochází k lokálnímu oslabení průřezu drátu.

Praktické zkušenosti z průzkumů dále ukazují, že u spínaných příhradových vazníků typu SPP se lze setkat s nedokonale injektovanými kabelovými kanálky. V kombinaci se zatékáním vody může tento stav představovat riziko pro dlouhodobou ochranu předpínacích drátů. Z tohoto důvodu byla v rámci průzkumu konkrétní konstrukce ověřena možnost dodatečné injektáže kabelových kanálků. Provedená zkouška potvrdila proveditelnost tohoto postupu a podrobnější výsledky budou dále publikovány.

Nejrozšířenější jsou vazníky na rozpon 18 m, ale existují vazníky na rozpon 24 m. Společnost PEEM vyvinula systém zesílení umožňující aplikaci externího předpětí také u vazníků na toto rozpětí 24 m.

ZÁVĚR

Problematice existujících betonových příhradových vazníků není v dostupné zahraniční odborné literatuře věnována výrazná pozornost. Nelze však vyloučit, že se touto problematikou jednotlivé státy zabývají na národní úrovni a výsledky těchto prací jsou publikovány především v lokálních odborných časopisech, což může komplikovat jejich dohledání.

Literatura

1. FINSTERWALDER ULRICH. EISENBETONTRÄGER
   MIT SELBSTTÄTIGER VORSPANNUNG. Bauingenieur.
   1938, 19, 495–499.
2. MOŠTĚK PETR a KLUSÁČEK LADISLAV. Prestressed truss girders after 60 years. In: 27th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE ON COVIL ENGINEERING JUNIORSTAV 2025: JUNIORSTAV 2025 Proceedings of the 27th International Scientific Conference on Civil Engineering. [online]. Brno: Brno University of Technology Faculty of Civil Engineering, 2025. ISBN 978-80-86433-88- Dostupné z: doi:10.13164/juniorstav.2025.25052
3. FORREST J. C. M. A warehouse to rest fire. Concrete. 1969, 3(8).
4. MATTHYS P. LEVY a TONY YOSHIZAWA. Interstitial Precast Prestressed Concrete Trusses for Ciba-Geigy Life Science Building. PCI JOURNAL. 1992, (November-December).
5. Montovaná konstrukce hangáru z předpjatého betonu [Prefabricated Prestressed Concrete Hangar Structure]. Inženýrské stavby. 1959, (7).
6. BUREŠ VLADISLAV, MYNARČÍK PETR, ČÍTEK DAVID, HLAVÁČEK ARNOŠT a ČAPEK KAREL. Zkušenosti z průzkumů dodatečně předpjatých vazníků průmyslových hal [Experience from inspections of post-tensioned roof truss girders in industrial buildings]. Konstrukce.cz [online]. 11. září 2024. Dostupné z: https://konstrukce.cz/projektovani/zkusenosti-z-pruzkumu-dodatecne-predpjatych-vazniku-prumyslovych-hal-1484
7. JAVOROVÁ MILADA. K problematice předpjatých železobetonových korálkových konstrukcí [On the Issues of Prestressed Reinforced Concrete Segmented Structures]. Pozemní stavby. 1968, 16(4), 195.
8. KRZYWOŃ, Rafał a Jacek HULIMKA. Common Defects of Prefabricated Prestressed Elements for Industrial Construction. Buildings [online]. 2024, 14(3), 673. ISSN 2075-5309. Dostupné z: doi:10.3390/buildings14030673
9. BEDNARZ, Lukasz, Dariusz BAJNO, Zygmunt MATKOWSKI, Izabela SKRZYPCZAK a Agnieszka LEŚNIAK. Elements of Pathway
   for Quick and Reliable Health Monitoring of Concrete Behavior in Cable Post-Tensioned Concrete Girders. Materials [online]. 2021, 14(6), 1503. ISSN 1996-1944. Dostupné z: doi:10.3390/ma14061503
10. RUNKIEWICZ LEONARD a PLECHAWSKI TANISŁAW. Ocena stanu technicznego sprężonych dźwigarów dachowych w eksploatowanych obiektach budowlanych [Assessment of the technical condition of prestressed roof girders in operating buildings]. Przegląd budowlany. 2008. ISSN 0033-2038.
11. RUNKIEWICZ LEONARD a SIECZKOWSKI JAN. Badania i oceny żelbetowych sprężonych dźwigarów dachowych w obiektach eksploatowanych [Tests and evaluation of reinforced concrete prestressed roof girders in operated structures]. Przegląd budowlany [online]. 2018. ISSN 0033-2038. Dostupné z: https://www.przegladbudowlany.pl/2018/03/2018-03-PB-41-46-PROB-Runkiewicz-Badania.pdf