Je možné stav dodatečně předpjatých vazníků průmyslových hal spolehlivě posoudit endoskopem, nebo dronem?

Dodatečně předpjaté příhradové vazníky průmyslových hal mohou být v důsledku neúplné injektáže kabelových kanálků a následné koroze předpínací výztuže ohroženy náhlým porušením bez předchozího vzniku viditelných trhlin či nadměrných deformací. Jaké informace o jejich skutečném stavu poskytne endoskopie a co lze zjistit pomocí dronu? Zaměřujeme se na možnosti i limity obou metod, vliv skutečného zatížení střešního pláště a mechanismus, který může vést k náhlému selhání zdánlivě neporušeného vazníku.

Problematika nedostatečné statické spolehlivosti dodatečně předpjatých příhradových vazníků střech průmyslových hal, realizovaných zhruba od 60. do 90. let minulého století, je v současné době předmětem zájmu řady odborných pracovišť i firem, které se sanací vazníků zabývají. Dodatečně předpjaté vazníky typu SPP, obvykle na modulové rozpětí 18 nebo 24 m, jsou zpravidla spínané ze tří nebo čtyř montážních dílů o délce přibližně 6 m a jsou na místě sepnuty předpínacími kabely do jednoho celku. Vazník tohoto typu lze na stavbě snadno identifikovat podle zdvojených svislic v místě styku jednotlivých dílů – viz obr. 1. Existují ale i dodatečně předpjaté vazníky typu SPP 1-18/6 až SPP4-18/6, které byly vyráběny vcelku z jednoho dílu – viz obr. 2. Předpínací kabely, skládající se podle typu vazníku ze svazku o různém počtu souběžných drátů o průměru drátu 4,5 mm, byly při montáži vazníku provlečeny skrze kabelové kanálky průměru 29 až 42 mm. Po předepnutí kabelů měly být kabelové kanálky s osazenou předpínací výztuží zainjektovány cementovou zálivkou, jejímž úkolem mimo jiné bylo ochránit předpínací výztuž proti korozi.

Obr. 1 – Dělený vazník SPP 6 – 18/6 (1961).

Obr. 2 – Nedělený, dodatečně předpjatý vazník SPP 3 – 18/6 (1961).

Společným problémem dodatečně předpjatých vazníků typu SPP je systémová vada, která spočívá v tom, že u velkého procenta vazníků byly kabelové kanálky po osazení předpínací výztuže zainjektovány pouze částečně nebo vůbec. V těchto případech pak není předpínací výztuž chráněna proti korozi. Koroze nastává především v případech, kdy do kabelového kanálku proniká vlhkost, v extrémním případě do něj přímo zatéká dešťová voda v důsledku poškozené střešní krytiny. Významným zdrojem vlhkosti v kabelových kanálcích je kondenzace vlhkosti v místě tepelných mostů u nedostatečně tepelně izolovaných střech. Ze zkušeností plyne, že nejvíce ohroženým místem je horní úložný styčník vazníku v místě uložení vazníku na sloup, kde je předpínací výztuž kotvena pomocí vroubkovaných kuželíků do ocelové kotevní desky – viz obr. 3. Koroze předpínací výztuže v blízkosti kotevní desky již vedla k celé řadě havárií vazníků tohoto typu jak v Čechách, tak na Slovensku – viz [1]. Nepříjemným faktem je, že k selhání vazníku dochází náhle, bez jakéhokoli předchozího varování, jako je předchozí průhyb vazníku nebo vznik viditelných trhlin na vazníku.

Obr. 3 – Kotva se zbytky předpínací výztuže vypreparovaná ze zříceného vazníku.

Nejdůležitější a často rozhodující etapou celé operace směřující k odstranění rizika havárie vazníku je včasná diagnostika korozního stavu výztuže. Nejde o snadno řešitelný úkol, protože předpínací výztuž je skryta v kabelových kanálcích, a tedy obtížně kontrolovatelná. Obvyklý a nejčastější způsob kontroly předpínací výztuže je vyšetření kabelového kanálku endoskopem.

Při postupu podle metodiky Experimentálního a diagnostického stavebního centra Fakulty stavební VŠB TU Ostrava následuje po vyhledání kanálku elektromagnetickým hledačem ověřovací vrt o průměru 6 mm do kabelového kanálku a posléze rozšíření vrtu vrtákem většího průměru. Při vrtání je potřeba postupovat maximálně opatrně, jsou známy případy, kdy po neopatrném navrtání došlo k přerušení jednoho nebo i více drátů kabelu. Poté lze provést vyšetření kanálku endoskopem a pořídit fotografickou dokumentaci stavu kanálku a výztuže. Tímto vyšetřením lze zkontrolovat, zda je kanálek zcela, nebo alespoň částečně vyplněný injektáží, a u nezainjektovaných kanálků lze posoudit korozní stav výztuže.

Pro klasifikaci korozního stavu výztuže sestavili pracovníci Experimentálního a diagnostického stavebního centra klasifikační tabulku tab. 1, kterou využívá i firma Rada Building. Tabulka 1 vychází z podobných starších tabulek pro hodnocení stupně koroze předpínací výztuže, sestavených různými autory pro různé účely – viz zejména [2] a [3].

Nedostatkem tohoto typu vyšetření je fakt, že přináší pouze lokální informaci o stavu výztuže v místě endoskopické sondy a jejím nejbližším okolí. Jak se může korozní stav po délce předpjatého prutu měnit, dokladuje obr. 4.

Obr. 4 – Průběh korozního stavu předpínací výztuže u krajní tažené diagonály vazníku.

Dalším rizikem endoskopického vyšetření je běžný výskyt kabelových kanálů, které jsou vyplněny injektážní zálivkou pouze ve spodní části kruhového průřezu kabelového kanálku. To může u endoskopických sond, realizovaných na podhledu vodorovného dolního pásu vazníku, vést k mylnému závěru, že je kanálek vyplněný injektáží i v případě, že je horní část kanálku prázdná a dráty v horní části kanálku jsou zkorodované. Viz obr. 5. V krajním případě může být horní část kanálku vyplněna vodou. Když dále uvážíme, že v řadě případů jsou vazníky obtížně přístupné, je zřejmé, že seriózní endoskopické vyšetření kabelových kanálků, někdy realizovatelné pouze s využitím lezecké techniky pro výškové práce, je pracné, časově náročné a vyžaduje značné zkušenosti.

 

Pro hodnocení spolehlivosti střešních vazníků (statické posouzení) je dále zásadní znalost velikosti stálého zatížení střechy vlastní tíhou střešního pláště. Vazníky byly v minulosti navrhovány typicky na celkovou charakteristickou tíhu střešního pláště s hodnotou 2,10 kN/m². V důsledku častých neodborně prováděných oprav střech, do kterých zatékalo, docházelo často k neodbornému a nekontrolovanému přidávání dalších vrstev na střechu. K dodatečnému vrstvení střešní izolace dochází v praxi dokonce i v případech, kdy do střechy vůbec nezatéká a jako zatékání je chybně interpretována kondenzace pod nedostatečně zateplenou střechou. Další zvýšení zatížení někdy způsobuje i promočení střešních vrstev (typicky tepelná izolace z pórobetonových desek) vodou. V praxi se můžeme setkat s případy, kdy tíha střešního pláště dosahuje hodnoty 3,5 kN/m² i více. Pro ověření skladby střešního pláště je ale nutné realizovat sondu do střešního pláště, což je další nepopulární součást průzkumu, které se řada firem vyhýbá. V zatížení střechy hraje dále podstatnou roli zatížení sněhem. Vazníky byly v minulosti navrhovány na jednotné zatížení sněhem s charakteristickou tíhou sněhu na střeše 0,75 kN/m², pouze některé typy, vyráběné po roce 1966, na zatížení 1,0 kN/m². V současné době ale tyto vazníky nacházíme i na objektech postavených v VI. sněhové oblasti podle aktuálně platných předpisů s charakteristickou tíhou sněhu 3,5 kN/m² i více (Jablonec nad Nisou).

Obr. 5 – Průřez dolním pásem s nezainjektovanou horní částí kanálku předpínací výztuže.

Výše uvedené problémy jsou důvodem, proč se některé firmy orientují pouze na vizuální průzkum vazníků s využitím dronů. Průzkum dronem je rychlý, bezpečný, a tudíž i levný. Nijak nezasahuje do střešního pláště a po finanční stránce mu nelze konkurovat. Průzkum dronem je zaměřen především na identifikaci trhlin. Vazníky porušené trhlinami se pak zesílí a vazníky bez trhlin se prohlásí za vyhovující. V dalším textu vysvětlíme, proč tento způsob průzkumu, použitý jako jediná průzkumná metoda, považujeme za nedostatečný a neprofesionální.Zásadním problémem pro bezpečnost staveb jsou konstrukce, u nichž hrozí náhlé porušení charakteru křehkého lomu, bez předchozího varování, kterým může být nadměrná viditelná deformace konstrukce nebo její porušení širokými trhlinami. To je také důvod, proč betonářské předpisy požadují jistou minimální výztuž u tažených železobetonových prutů i u tažených částí průřezů ohýbaných železobetonových nosníků.
 

Je všeobecně známo, že beton má vynikající pevnost v tlaku (běžně 40–50 MPa), ale malou pevnost v tahu, která představuje zhruba necelou desetinu pevnosti v tlaku. Tahová pevnost betonu je navíc nejistá veličina, jež závisí na celé řadě obtížně kontrolovatelných vlivů. Proto pevnost betonu v tahu při běžných betonářských výpočtech ve prospěch bezpečnosti zanedbáváme. Účelem předepsané minimální plochy betonářské výztuže, vkládané do tažené části průřezu, je vyloučení náhlého křehkého porušení prvku v okamžiku, kdy vznikne v taženém betonu trhlina. Beton se v tahu poruší při poměrném přetvoření kolem 0,1 ‰. Pevnost betonu v tahu je sice poměrně nízká, ale průřezová plocha betonu je v porovnání s průřezovou plochou výztuže velká, takže beton průřezu před porušením v tahu přenese poměrně velkou sílu. V taženém průřezu spolupracuje ve stadiu před vznikem trhliny v betonu jak tažený beton, tak tažená betonářská výztuž. Z Hookeova zákona ale plyne, že při přetvoření v tahu 0,1 ‰ vznikne v tažené výztuži s modulem pružnosti E = 200 000 MPa napětí pouze 20 MPa a před vznikem první trhliny v betonu se výztuž na přenášení zatížení významně nepodílí. Předepsaná minimální průřezová plocha tažené výztuže tedy zajišťuje, že je výztuž po vzniku první trhliny v betonu schopna převzít sílu, která v okamžiku porušení betonu náhle vymizí z betonového průřezu a náhle se přelije do výztuže.

Tuto teorii dále aplikujeme na tažené pruty příhradového nosníku, vyztužené hlavně předpínací výztuží. Betonářská (tzv. „měkká“) výztuž tažených prutů je minimální – běžně 4 Ø 6 mm. V případě, že průřezová plocha předpjaté výztuže oslabená korozí klesne pod hodnotu minimální výztuže v duchu betonářských předpisů a předchozího odstavce, hrozí náhlá havárie konstrukce charakteru křehkého porušení bez jakéhokoli předchozího varování.

To je vysvětlení průběhu několika havárií, kdy došlo k náhlému zřícení vazníků, jež nebyly porušeny trhlinami. Kromě toho se běžně při endoskopických průzkumech setkáváme s případy, kdy vyšetření prokázalo pokročilou korozi předpínací výztuže ve stupni 5 podle tab. 1 na prutu bez trhlin.

 

Obr. 6 – Lomová plocha porušené diagonály.

Obr. 7 – Endoskopické vyšetření výztuže.

Na obr. 6 je fotografie čerstvé lomové plochy tažené krajní diagonály zříceného vazníku fotografovaná bezprostředně po havárii. Na obr. 7 je endoskopické vyšetření kabelového kanálku u téže diagonály. Korozní úbytek výztuže je prakticky 100 %, jak je vidět na obr. 7 i na předchozím obr. 3.

Příhradové předpjaté vazníky byly betonovány z betonu B400 nebo B500 podle ČSN 73 2001 (1958), což odpovídá třídě betonu C28/35 a C35/45 podle aktuálně platných norem pro betonové konstrukce. Jde i z dnešního hlediska o kvalitní betony. V tabulce 2 jsou uvedeny minimální, průměrné a maximální hodnoty pevnosti betonu v prostém tahu podle aktuálně platné normy ČSN EN 1992-1-1 a odpovídající charakteristické síly, které na mezi pevnosti betonu v tahu přenese prostý beton průřezu krajní tažené diagonály vazníku s modulovým rozpětím 18 m po odečtení oslabení průřezu kabelovými kanálky.

Z tabulky 2 je vidět, že prostý beton průřezu krajní tažené diagonály je schopen přenést tahovou sílu v krajní diagonále vazníku od stálého zatížení vazníku. V případě, že předpínací výztuž zkoroduje do stadia, kdy nesplňuje požadavky na minimální výztuž, dojde při náhlém porušení betonu v tahu k okamžité havárii vazníku. Současně je ještě potřeba vzít v úvahu, že při náhlém porušení taženého betonu (které může být iniciováno například změnou teploty nebo dynamickým zatížením při kmitání střechy vyvolaném větrem) vznikne dynamický efekt, který lze vyjádřit dynamickým součinitelem, jehož hodnota byla pro konkrétní vazník s rozpětím 18 m vypočtena na δ = 1,40.

ZÁVĚREM

Z uvedených faktů plyne následující – hodnotit statickou spolehlivost dodatečně předpjatých příhradových vazníků pouze a jedině na základě vizuální prohlídky vazníku dronem s tím, že vazníky bez viditelných trhlin jsou hodnoceny jako vyhovující, je hazardováním s majetkem, zdravím a životy pracovníků v hale. Na základě našich zkušeností můžeme konstatovat, že k nejobjektivnějšímu hodnocení tohoto typu konstrukcí se přibližujeme pomocí kombinací metod endoskopického průzkumu kanálků s předpínací výztuží a velmi podrobné vizuální prohlídky celého vnějšího povrchu vazníku.

Literatura:

1. Upozornění ČKAIT na riziko havárií betonových předpínaných vazníků z poloviny 20. století,
   ČKAIT, 5. 12. 2018
2. Kolísko, J., Vacek, V., Pokorný, P., Kostelecká, M.: Vlastnosti předpínací výztuže ovlivněné korozí,
   článek v časopisu Beton TKS 6/2019, str. 3–9
3. Farhidzadeh, A., Ebrahimkhanlou, A., Salamone, S.: Corrosion damage estimation in multi-wire
   steel strands using guided ultrasonic waves. Proceedings of SPIE – The international Society
   for Optical Engineering, 2015

Autoři odborného článku děkují společnosti Rada Building za podporu výzkumu problematiky koroze výztuže dodatečně předpjatých vazníků.