Rekonštrukcie nosných konštrukcií budov prof. Ing Josef Vičan, CSc. Žilinská univerzita v žiline Stavebná fakulta Katedra stavebných konštrukcií a mostov Rekonštrukcie nosných konštrukcií budov prof. Ing Josef Vičan, CSc.

Rekonštrukcie Rekonštrukcia je súhrn činností investičného charakteru, ktorých cieľom je adaptácia nosnej konštrukcie na zmenené podmienky a požiadavky prevádzky so snahou zvýšiť jej technické parametre. Druhy rekonštrukcií: - zosilňovanie - obnovy - dostavby - výmeny - premiestňovanie konštrukcií - zvláštne spôsoby rekonštrukcií

Rekonštrukcie Zosilňovanie je úprava prierezov a prvkov nosnej konštrukcie s cieľom zvýšiť ich odolnosť formou zväčšenia ich prierezových charakteristík. Priame zosilňovanie – zosilňovaná a zosilňujúca časť tvoria jeden konštrukčný prvok; Nepriame zosilňovanie – dve samostatné časti. Obnovy sú úpravy konštrukčných prvkov alebo konštrukcií so snahou obnoviť pôvodný stav konštrukcie po havárii alebo inej mimoriadnej udalosti.

Rekonštrukcie Dostavby – nadstavby alebo prístavby predstavujú rozšírenie existujúcej časti alebo celej konštrukcie. Výmeny sú rekonštrukcie, pri ktorých sa nahrádza pôvodná konštrukcia alebo jej časť novou s previazaním na jestvujúce dispozičné usporiadanie. Premiestňovanie je typ rekonštrukcie, pri ktorej sa časť pôvodnej alebo celá konštrukcia premiestni s príp. možnosťou inej formy exploatácie.

Rekonštrukcie Zvláštne druhy rekonštrukcií - nepriame zosilňovanie - zmeny statického systému - predpínanie - zmena formy exploatácie konštrukcie

Zosilňovanie prierezov a prvkov Zosilňovanie je možné realizovať: Vyňatím prvku z konštrukcie a jeho zosilnením Efektívny spôsob zosilnenia, potreba provizórneho podoprenia, náhrady vyňatého prvku apod. Prvok je však zosilnený na všetko zaťaženie Zosilnením priamo v konštrukcii – pod napätím Zosilnenie je efektívne len na zaťaženie, ktoré v čase zosilňovania je vylúčené. Netreba provizórnych opatrení.

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov Ťahané prvky Vyskytujú sa najmä v priehradových konštrukciách nosných strešných konštrukcií pozemných stavieb. Pružnostný postup:

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov kde: A1 je plocha zosilňovaného (pôvodného) prierezu prvku, A2 je plocha zosilnenia prierezu, NEd,1 je návrhová hodnota osovej sily v pôvodnom priereze prvku pri zosilňovaní (obvykle osová sila od stáleho zaťaženia), NEd,2 je návrhová hodnota osovej sily priťažujúca prierez po zosilnení, t.j. osová sila od krátkodobého zaťaženia, ktoré bolo pri zosilňovaní vylúčené, fyd = fy/M0 je návrhová hodnota odolnosti materiálu zosilňovaného prierezu.

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov Potrebnú plochu zosilnenia A2 stanovíme zo vzťahu (1) Pre konštrukcie pozemných stavieb je hore uvedený postup konzervatívny, nakoľko môžeme aplikovať plastickú podmienku overenia spoľahlivosti prierezu ťahaného prúta v tvare, ktorý predpokladá vyrovnanie napätosti po celom priereze, teda plné využitie aj zosilňujúcich častí.

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov (2) Porovnaním výsledných vzťahov (1) a (2) môžeme stanoviť efektívnosť plastického prístupu.

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov Tlačené prvky Na rozdiel od ťahaných prvkov je dôležité pri tlačených prvkoch aj správne umiestnenie zosilňujúcej časti prierezu. Zosilňovaním prierezu tlačeného prvku sa mení okrem plochy prierezu aj tuhosť celého prvku, čo ovplyvňuje štíhlosť prúta. Vhodným umiestnením zosilňujúcej časti prierezu možno ušetriť na množstve pridávaného materiálu. Z teoretického hľadiska predstavuje zosilnenie tlačeného prvku komplikovaný problém, pretože technológiou pripojovania prídavného materiálu sa menia imperfekcie zosilňovaného prvku a tým aj celkové správanie sa zosilneného prvku.

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov Z podmienky spoľahlivosti tlačeného prvku Dostaneme po úprave výraz pre potrebnú plochu zosilnenia v tvare (3)

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov  = 2/1 Potrebnú plochu zosilnenia prierezu tlačeného prvku stanovíme len za predpokladu znalosti hodnoty súčiniteľa vzperu 2 po zosilnení. Je možné aplikovať iteračný postup, kedy v prvom kroku zvolíme  = 2/1 = 1,0 a po určení potrebnej plochy A2 zosilnenia prierezu hodnotu súčiniteľa vzperu 2 vypočítame podľa polohy pridaného zosilňujúceho materiálu a následne výpočet potrebnej plochy A2 upresníme. Môžeme však aj nájsť potrebnú optimálnu plochu zosilnenia výpočtom za predpokladu splnenia požiadavky hospodárnosti zosilnenia.

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov Vzťah vyjadruje podmienku, aby prírastok vzpernej odolnosti prvku po zosilnení bol väčší ako prírastok prostej tlakovej odolnosti. Po úprave odvodíme vzťah pre v tvare (4)

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov Vyčíslením vzťahu odvodeného vzťahu pre a následne dosadením výsledku do výrazu pre A2 získame optimálnu plochu zosilnenia prierezu tlačeného prvku. Uvedený postup zaručuje optimálne využitie zosilňujúceho materiálu. V praktickom postupe však sa nemusí podariť dosiahnuť takto optimálneho stavu, nakoľko závisí od polohy pridávaného materiálu a nie vždy je možné ho umiestniť do optimálnej polohy.

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov Príklad Ako príklad zosilnenia prierezu tlačeného prvku uvádzame možnosti pridania zosilňujúceho materiálu pri valcovanom profile I 200, pri ktorom rozhoduje vybočenie v smere osi z. Pred zosilnením profilu vykazoval rozhodujúci prierez tlačeného prúta tieto parametre. A = 3,35 . 10-3m2 iy = 0,08 m 1 = 0,693 fyd = fy/M1 = 235/1,10 MPa

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov Prierez je potrebné zosilniť, aby preniesol prírastok osovej sily daný stupňom priťaženia po zosilnení Zo vzťahu (4) stanovíme optimálny súčiniteľ vzperu po zosilnení, ktorý po dosadení hore uvedených veličín bude mať hodnotu 2  0,763, čomu zodpovedá pomer  = 1,10. Zo vzťahu (3) vyčíslime potrebnú plochu zosilnenia pôvodného prierezu I 200 v hodnote A2 = 0,294 . A1 = 0,985 . 10-3m2.

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov Ak túto plochu vyjadríme 2 príložkami P 5x100 mm, ktoré privaríme na pásnice pôvodného profilu podľa obr. Zosilnený prierez získa tieto parametre: A1 + A2 = 4,35 . 10-3m2, iy = 0,0856 ,2 = 0,724 ≤ 0,763 Umiestnenie zosilnenia nevyhovuje .

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov Ak overíme zosilnenie pôvodného prierezu uvedené na obr. b, získame podstatne priaznivejšiu hodnotu súčiniteľa vzperu v hodnote 2 = 0,769, ktorá vyhovuje optimálnej a tiež zosilnený prierez vyhovie podmienke poľahlivosti. V obr. c je vykreslený optimálny prípad zosilnenia pôvodného profilu pre vzper v smere osi y pri rovnakých zaťažovacích parametroch prúta ako pre vzper v smere osi z. Uvedená forma zosilnenia vykazuje hodnotu súčiniteľa vzperu 2 = 0,8, čo je hodnota vyššia ako je potrebná a prierez bezpečne vyhovie podmienke spoľahlivosti.

Zosilňovanie osovo namáhaných prvkov V prípade prierezu klasifikovaných do tried 1 a 2 namáhaných statickým zaťažením je možné využiť ich plastickú rezervu a prierez overiť na podmienku spoľahlivosti v tvare Nakoľko však nie vždy je dostatočne preukázateľná kvalita oceli zosilňovaného prvku a nie sú postačujúce znalosti o plastickej rezerve starších ocelí, neodporúča sa postup podľa tohto vzťahu zovšeobecňovať. Je vhodnejšie ušetriť množstvo pridávaného zosilňujúceho materiálu hľadaním jeho optimálnej polohy po zosilňovanom priereze tlačeného prvku.

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Nosníky Najčastejší prípad zosilňovania. Prierez triedy 3

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Krajné vlákna pôvodného zosilňovaného prierezu musia spĺňať podmienku spoľahlivosti v tvare (5) kde h1 je výška pôvodného prierezu pred zosilnením, hz výška zosilneného prierezu, Wel,1 je elastický modul pôvodného prierezu pred zosilnením, Wel,z je elastický modul prierezu po zosilnení, fyd,1 = fy1/MO je návrhová hodnota odolnosti materiálu zosilňovaného prierezu.

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Ak zosilňujeme prierez materiálom tej istej kvality ako je materiál pôvodného prierezu, podmienka spoľahlivosti zabezpečuje overenie spoľahlivosti celého prierezu vrátane zosilňujúcej časti. Ak sú kvality materiálov rozdielne, je potrebné kontrolovať aj krajné vlákna zosilňujúcej časti podmienkou (6)

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Optimálneho zosilňovania prierezu namáhaného ohybom dosiahneme ak krajné vlákna pôvodného prierezu a zosilneného prierezu budú rovnako využité. Táto podmienka znamená dosiahnutie návrhovej odolnosti súčasne v obidvoch krajných vláknach a jej aplikáciou získame za predpokladu fyd,1 = fyd,2 = fyd hodnotu požadovaného pomeru výšok prierezu pred (h1) a po zosilnení (hz) v tvare (7)

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Prierezy triedy 1, 2 V prípade prierezov triedy 1 a 2 je možné využiť ich plastickú rezervu čiastočným alebo úplným splastizovaním prierezu. Čiastočnú plastizáciu pôvodného prierezu dosiahneme, ak za podmienku spoľahlivosti volíme iba vzťah (6), ktorý kontroluje pružný stav v krajných vláknach zosilňujúcej časti, ale nevšíma si napätosti v krajných vláknach zosilňovanej časti prierezu.

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Z podmienky dosiahnutia návrhovej hodnoty odolnosti fyd,1 pôvodného materiálu vo vláknach vo vzdialenosti hel/2 od neutrálnej osi prierezu v tvare

Zosilňovanie ohýbaných prvkov určíme výšku pružnej časti prierezu vzťahom z ktorého splastizovanú časť definuje vzťah

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Pri úplnom splastizovaní pôvodného ako aj pridaného zosilňujúceho materiálu sa jeho ohybová odolnosť stanoví s využitím priebehu napätosti podľa obr. b)

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Spoľahlivosť prierezu overíme pomocou podmienky Z podmienky spoľahlivosti je možné stanoviť plochu potrebnú na zosilnenie prierezu tak, aby preniesol priťaženie charakterizované ohybovým momentom MSd,2 Celkovú požadovanú plochu zosilnenia určuje vzťah

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Za predpokladu malého priťaženia MEd,2 bude platiť ψ ≈1 sa vzťah zjednoduší a umožní priamy výpočet potrebnej plochy zosilnenia (8)

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Zovšeobecnením postupu zosilnenia prierezu namáhaného ohybom je prípad zosilnenia nesymetrického prierezu. Ak považujeme za medzný stav zosilneného prierezu dosiahnutie návrhovej odolnosti materiálu v krajných vláknach zosilňovaného pôvodného prierezu, podmienka sa zovšeobec-ní do tvarov (9) (10)

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Wel,1 je elastický modul prierezu pre horné vlákna pôvodného prierezu, Wel,12 je elastický modul prierezu pre dolné vlákna pôvodného prierezu, Wel,z1 je elastický modul prierezu pre horné vlákna zosilneného prierezu, Wel,z2 je elastický modul prierezu pre dolné vlákna zosilneného prierezu.

Zosilňovanie ohýbaných prvkov Za podmienku hospodárnosti zosilnenia môžeme považovať dosiahnutie návrhovej odolnosti v obidvoch krajných vláknach pôvodného prierezu súčasne. Porovnaním vzťahov (9) a (10) získame výraz pre posun ťažiskovej osi zosilneného prierezu v tvare Hore opísaný prístup sa uplatní aj pre prierezy triedy 4. Pri týchto prierezoch vzniká nesymetria v dôsledku vydúvania štíhlych častí, najmä steny, čo sa v praktických výpočtoch zohľadňuje pomocou efektívnej prierezovej plochy v zmysle príslušných noriem.

Technológia zosilňovania Zosilňovanie pôvodných prierezov je vhodné realizovať zvaraním – podmienkou je zvariteľný materiál. Pri zváraní prídavnej časti je potrebné venovať zvýšenú pozornosť kvalite zvarov a rešpektovať postup zvárania odporučený zváracím technológom. Postup zvarovania by mal vylúčiť vznik nepriaznivých pnutí od zvarovania, V zásade uprednostňujeme symetrické zvary realizované elektródami menšieho prierezu. Je potrebné sa vyhýbať hromadeniu zvarov, vytváraniu vrubov a detailov sprevádzaných špičkami napätia iniciujúcimi krehký alebo únavový lom pri dynamicky namáhaných konštrukciách.

Technológia zosilňovania Zosilňovanie nitovaných prierezov zváraním

Technológia zosilňovania Pri nezvariteľnom materiále sa zosilnenie nitovaného prierezu realizuje pridaním príložky prípadne vhodne umiestnených uholníkov. Tento prístup si však vyžaduje roznitovanie prierezu – zmena napätosti po priereze. Efekt zosilnenia sa tak výrazne znižuje, nakoľko obnovenie prierezu vrátane pridanej zosilňujúcej časti je pre pôsobiace namáhanie neúčinné a jeho efekt sa prejaví len pre zaťaženie, ktoré bude počas realizácie zosilnenia vylúčené. Nity v zosilňovanom priereze môžeme nahrádiť skrutkami alebo pri prvkoch mostných konštrukcií uprednostňujeme vysokopevné skrutky 8.8 a 10.9.

Technológia zosilňovania Zosilňovanie nitovaných prierezov nitovaním

Zosilovanie spriahnutím s betónom Zosilňovanie prierezov oceľových prvkov spriahnutím s betónovou zosilňujúcou časťou vznikajú kompozitné oceľobetónové prierezy. Touto metódou zosilňovania sa zvyšuje: odolnosť prierezov, tuhosť celého prvku s cieľom zvýšiť odolnosť proti strate stability tvaru prvku alebo konštrukcie. Je však potrebné venovať zvýšenú pozornosť priťaženiu pôvodnej konštrukcie respektíve jej prvku, ktoré zo sebou tento spôsob zosilňovania prináša.

Zosilovanie spriahnutím s betónom Optimálny prípad zosilnenia spriahnutím s betónom je vtedy, ak betónová časť bola súčasťou pôvodnej konštrukcie, ale nebola zapojená do spolupôsobenia s časťou oceľovou. Vtedy dimenzie oceľovej konštrukcie zohľadňujú vplyv tiaže betónovej časti a ich vzájomné spriahnutie do kompozitného systému bude najefektívnejšie. Ak sa však betónová zosilňujúca časť pridáva v priebehu exploatácie konštrukcie, takže vplyv tiaže betónovej časti je potrebné zohľadniť dodatočne, nebýva táto metóda zosilňovania veľmi efektívna.

Zosilovanie spriahnutím s betónom Betónová zosilňujúca časť sa umiestňuje v zosilňovanom priereze vždy do jeho tlačenej časti. Preto sa spriahnutím zosilňujú najmä ohýbané prvky, prípadne prvky namáhané tlakom. Betónová zosilňujúca časť je: monolitická, prefabrikovaná. Monolitický betón vyžaduje debnenie a dobu na získanie požadovanej pevnosti - predlženie doby rekonštrukcie a výlúčenia prevádzky. Betónová monolitická časť sa obvykle realizuje bez podoprenia nosného zosilňovaného prvku – oceľová časť musí preniesť cele stále zaťaženie.

Zosilovanie spriahnutím s betónom Prierezy triedy 3 a 4 Montáž bez medziľahlého podoprenia S podoprením

Zosilovanie spriahnutím s betónom Pri monolitickej betónovej časti aplikovanej s oceľovým prierezom triedy 3 alebo 4 je potrebné rešpektovať z hľadiska medzného stavu únosnosti aj vplyvy dotvarovania a zmrašťovania betónu. Tieto reologické procesy sú funkciou času a vzhľadom k spriahnutiu s oceľovou časťou dochádza k časovej zmene v priebehu napätosti po spriahnutom priereze. S časom sa napätosť sťahuje do oceľovej časti, ktorá tak bude namáhaná viacej ako v dobe uvedenia zosilneného prierezu do prevádzky.

Zosilovanie spriahnutím s betónom Prierezy triedy 1 a 2 V prípade prierezov triedy 1 a 2 je možné z hľadiska medzného stavu únosnosti využiť plastickú odolnosť zosilneného spriahnutého prierezu (pozri obr.). Reologické javy ani postup zosilňovania nie je potrebné zohľadňovať. Vyžaduje sa ale v zmysle príslušných noriem STN EN overenie medzného stavu používateľnosti preukázaním, že pri prevádzkovom zaťažení bude prvok v pružnom stave.

Zosilovanie spriahnutím s betónom

Zosilovanie spriahnutím s betónom Pri tomto spôsobe zosilňovania sa užívajú betóny obvyklých značiek C 16/20 až C 35/45. Kvalitnejší betón nemá význam používať, pretože obvykle pri overovaní spoľahlivosti rozhoduje zosilňovaný oceľový prierez. Ako prvky spriahnutia sa využívajú najmä tŕne prípadne zarážky Hilti pre ich rýchlu montáž nastreľovaním na horné povrchy oceľových častí. Pri doskových oceľových prvkoch sa s výhodou uplatnia spriahujúce lišty, ktoré vo fáze betonáže majú funkciu pozdĺžnych výstuh podporujúcich doskové časti.

Zosilovanie spriahnutím s betónom Prefabrikovaná betónová zosilňujúca časť sa spriahuje najčastejšie pomocou predpätých vysokopevných skrutiek. Overení spoľahlivosti prierezu zosilneného spriahnutím s prefabri-kovanou betónovou časťou je rovnaké ako pri monolitickom betóne. V pružnostnom postupe overenia spoľahlivosti zosilneného prierezu je možné zanedbať reologické vplyvy, ktoré sú pri prefabrikovaných prvkoch nepodstatné.

Zosilovanie spriahnutím s betónom V konštrukciách pozemných stavieb sa s prípadom zosilnenia spriahnutím s betónovou časťou môžeme stretnúť pri rekonštrukciách nosných stropných konštrukcií. Spriahnutie novej monolitickej stropnej dosky s pôvodnou oceľovou stropnicou predstavuje efektívny spôsob zvýšenia únosnosti stropnej konštrukcie.

Zosilovanie spriahnutím s betónom Zosilnenie nosnej konštrukcie zariadenia na zachytávanie a odstraňovanie nečistôt na Vodnom diele Hričov.

Zosilovanie spriahnutím s betónom Oceľový komorový spojitý trám pôdorysne lomený do dvoch vetví kolmých na seba o rozpätiach polí 17 + 22 + 20 m v jednej vetvi a 21 + 21 m vo vetvi druhej. Komorový trám má výšku 1 500 mm a šírku 2 000 mm. Vzhľadom k malým hrúbkam pásov i stien (8÷10 mm) bolo potrebné ich vystuženie. Horný pás je vystužený 9 pozdĺžnymi výstuhami tvaru I 100 privarenými hornými pásnicami k plechu pásu. Dolný pás je vystužený len jednou pozdĺžnou výstuhou I 100, steny sú vystužené uholníkmi ∟100 x 100 x 8 mm. Po dvoch metroch sú vždy osadené priečne výstuhy pásov i stien.

Zosilovanie spriahnutím s betónom Oceľová konštrukcia predstavuje v podstate mostnú konštrukciu, ktorá nesie zariadenie na zachytávanie nečistôt pred výtokom vody z priehrady a súčasne slúži ako most pre ľahké vozidlo s drapákom, ktorým sa nečistoty vyberajú a odvážajú na skládku. Požiadavka na zvýšenie hmotnosti vozidiel zabezpeču-júcich vyberanie a odvoz nečistôt vyvolala potrebu overenia nosného systému. Statickým prepočtom sa preukázala nízka zaťažiteľnosť ortotropnej mostovky, ktorá bola pre pohyb požadovaného kolesového vozidla nedostatočná.

Zosilovanie spriahnutím s betónom Hlavný nosný systém mal dostatočnú rezervu únosnosti bolo navrhnuté zosilnenie ortotropnej mostovky jej spriahnutím s monolitickou železobetónovou doskou, ktorá sa vybetónovala na existujúcu mostovku v priemernej hrúbke 120 mm. Spriahnutie bolo zabezpečené trňami, alternatívne boli navrhnuté aj perforované spriahujúce lišty, ktoré zvyšujú tuhosť pásu vo fáze tvrdnutia betónu.

Zosilovanie spriahnutím s betónom