Tradiční hliněné stavby a konstrukční zásady snižující rizika jejich destrukce

1. Úvod

Jako snadno dostupné, recyklovatelné a ekologické stavivo nabývá hliněný materiál znovu na významu. Velkými výhodami hliněného materiálu jsou například výborné akumulační vlastnosti a přirozená regulace vlhkosti v objektu. Nedostatkem hlíny jako stavebního materiálu je však nejen nízká odolnost proti tekoucí vodě či vzlínající zemní vlhkosti, ale také nízká odolnost nestabilizovaných hliněných konstrukcí proti otřesům.

Velký podíl hliněných staveb se nachází právě v zemích s vysokou seismickou aktivitou. Zvláště v rurálních oblastech méně ekonomicky rozvinutých regionů jsou hliněné stavby nejrozšířenější. Jedním z důležitých důvodů, proč však obyvatelstvo doposud žijící v hliněných stavbách od této technologie opouští, je právě nízká odolnost nestabilizovaných hliněných staveb vůči zemětřesení a také fakt, že je tento materiál považován za materiál chudých. Původní stavební technologie jsou zde postupně nahrazovány těmi moderními, jejichž místní konstrukční provedení však často není zárukou bezpečné stavby. Ekonomická situace zde hraje zásadní roli, své domovy si v těchto regionech obyvatelé staví obvykle svépomocí, bez dohledu odborníka. Potřeba správných konstrukčních provedení hliněných staveb v oblastech ohrožovaných zemětřesením se dotýká nejen bezpečnosti obyvatel, kteří tyto stavby po celém světě obývají, ale je také důležitá pro zachování kulturního dědictví reflektující vývoj stavební kultury po celá staletí. Ta byla přerušená nástupem nových technologických a standardizovaných postupů v globalizovaném světě, majících tendenci unifikace a pozvolné vytěsnění tradiční a přírodě blízké architektury [1]. Tento příspěvek podává souhrnný přehled opatření, která zajišťují vyšší seismickou odolnost staveb z hliněného materiálu.

2. Zemětřesení – základní fakta

Zemětřesení je náhlé uvolnění deformační energie nahromaděné v horninách ve formě elastických vln. Studiu zemětřesení se věnuje geofyzika konkrétně její součást seismologie Místo vzniku zemětřesení se nazývá ohnisko neboli hypocentrum, epicentrum je svislý průmět hypocentra na povrch Země Intenzita zemětřesení se určuje veličinou Magnitudo (M), jedna ze stupnic měření magnituda je Richterova stupnice, v hodnotách jedna až deset (osm = téměř úplné zničení budov). Většina zemětřesení je tektonického původu, dále se rozlišují na řítivá, vznikající např. zřícením stropů podzemních dutin v krasových nebo poddolovaných oblastech, či zemětřesení sopečného původu [2].

2.1 Zemětřesení – výskyt ve světě, Evropě a České republice

Většina tektonických zemětřesení se vyskytuje v pásmu ohraničující Pacifik v oblasti nazývané Ohnivý kruh, zahrnující pobřeží Severní a Jižní Ameriky, Japonsko, Filipíny, Indonésie, Nový Zéland. Další se vyskytují v zóně, která se táhne od Azor přes Severní Afriku, Středozemní moře, Apeninský poloostrov, Alpy, Dinárské hory, Turecko, Írán až po Himálaj [3]. V Evropě je většina pohybů zemských desek měřena v nižších hodnotách, nejvyšší seismická aktivita je vykazována v Itálii, Portugalsku, Řecku, ve státech bývalé Jugoslávie (Tab. 1). V České republice se zemětřesení vnímané člověkem vyskytují pouze vzácně, zaznamenána bývají několikrát do roka, často k němu dochází v souvislosti s důlní činností a nedochází k velkým škodám ani ztrátám na životech. Nejčastěji dochází k otřesům v oblastech západních a severovýchodních Čech, na severní Moravě a Slezsku [2]. V tabulkách jsou pro srovnání vyznačeny frekvence a intensita zemětřesení v Evropě v posledních dvou letech (Tab. 1) a poslední největší zemětřesení ve světě (Tab. 2).

3. Konstrukční zásady a opatření pro tradiční hliněné konstrukce odolávající zemětřesením

Dopad zemětřesení na samotnou stavební konstrukci závisí nejen na magnitudu, ale také hloubce vzniku zemětřesení, vzdálenosti postiženého místa od epicentra, délce trvání otřesů a frekvenci opakování, či typu podloží. Konstrukce bývají většinou zasaženy horizontálními pohyby zemětřesení, vertikální pohyby tvoří asi polovinu z pohybů horizontálních. Největším problémem horizontálních otřesů působících na hliněné konstrukce je rozpad vnějších stěn konstrukce a následný kolaps střechy. Pokud má být konstrukce odolná vůči zemětřesení, musí být stavba zajištěna proti zhroucení stěn a také střecha musí být ke stěnám pevně ukotvena, či lépe konstrukčně zcela nezávislá na stěnách [7]. Odolnost staveb vůči zemětřesení závisí přímo na těchto faktorech: Podloží, materiál, konstrukce a know-how [4].

Opatření, na jejichž základě je dosaženo seismické odolnosti staveb, jsou v tomto příspěvku zaměřená především na jednoduché, jedno- až dvoupodlažní hliněné konstrukce. Tyto nacházíme v současné době ve velké většině v rurálních oblastech Jižní Ameriky a Asie.

3.1 Umístění objektu, výběr pozemku

V oblastech s častým zemětřesením by před stavbou mělo být dbáno na důkladný výběr polohy objektu v rámci lokality. Je třeba se vyhnout místům v příkrých a nestabilních svazích s rizikem sesuvů půdy. V neposlední řadě je také důležitá kvalita podloží.

Pokud je objekt postaven ve svahu, obvodové stěny objektu by neměly být do svahu přímo zasekány, přilehlá stěna by se tlakem zeminy totiž mohla zřítit. Odstup objektu by měl být tedy alespoň 3 m od opěrné zdi [7].

3.2 Tuhost versus poddajnost

Stavba vzdorující zemětřesení má být, v závislosti na materiálu, tuhá (např. z dusané hlíny) anebo poddajná, flexibilní (bambus). U tuhé konstrukce jsou stěny, střecha a základy dobře propojené výztuží a tím pádem dostatečně tuhé vůči zemětřesení. Flexibilní konstrukce absorbují kinetickou energii zemětřesení deformací. Veškeré spoje mezi jednotlivými částmi konstrukce zde musí být opět dostatečně pevné anebo je střešní část konstrukce oddělena a leží na sloupech nezávislých na hliněné konstrukci, takže tyto konstrukce pohybují při zemětřesení nezávisle na sobě, s různými frekvencemi.

3.3 Náležité plánování objektu

Tvar, velikost a rozvržení objektu má důležitý vliv na jeho stabilitu. Asymetrické a vícepodlažní konstrukce mají horší resistenci vůči zemětřesení. Naopak nejlepší stability dosahují kompaktní půdorysy. Čtvercový půdorys je tedy vhodnější než obdélníkový, nejlépe však odolává půdorys kruhový (Obr. 1). Rohy stěn nerovnoměrných půdorysů jsou při otřesech namáhány více a je větší pravděpodobnost zřícení konstrukce. Pokud má plánovaný objekt nepravidelný půdorys, měly by jednotlivé části být opět od sebe konstrukčně oddělěny a tvořit opět pravidelné celky. Stejně jako úzké, dlouhé půdorysy. Ty mohou být případně děleny příčnými stěnami či ztuženy venkovními pilíři (Obr. 2). Poměr délky stavby či jejích oddělených celků by neměl přesahovat 3× šířku [5]. Stabilita stěn hliněného materiálu se také zvyšuje s jejich tloušťkou [6].

Obr. 1

Obr. 2: Použití pilířů u konstrukce z dusané hlíny, Nepál (foto: Eva Neumayerová)

4. Zajištění seismické stability konstrukcí podle stavební technologie

4.1 Dusaná hlína

Ve srovnání se stavbami z adobe (nepálená cihla) jsou dusané konstrukce stabilnější, protože jsou monolitické. Seismické stability lze dosáhnout několika technikami. Stěny z dusané hlíny, které jsou silné 0,6–1 m a ne příliš vysoké, mohou odolávat zemětřesení bez dodatečného vyztužení, tedy masou hmoty. V současné době se však zejména z ekonomických důvodů takto silné stěny nestaví, je tedy třeba využít jiných opatření proti otřesům. Důležitá je volba tvaru stěn, podle Minkeho [7] je u tenčích stěn vhodné použít tvary stěn do L, T, U, X, Y, Z. Díky jejich úhlům je prokázána lepší stabilita vůči horizontálním silám. Pokud je stěna silná 30 cm, měly by její volné konce být v rozmezí 1/3–3/4 jejich výšky. Tento rozměr je důležitý pro přenos zatížení do soklu či základu diagonálně. V zásadě by výška stěny neměla přesahovat svou šířku více než 8krát. Stabilita konstrukce se dále zvyšuje zkosením rohů stěn.

Další možností, jak stabilizovat dusané stěny proti vodorovným silám zemětřesení je použití vertikální výztuže, z oceli, bambusu či dřeva. Tato výztuž musí procházet stěnou dobře upevněna jak do základu, tak do horního věnce. Doporučuje se umístit výztuž v odstupu 1,5krát tloušťky stěny [7]. V neposlední řadě je třeba provést i vyztužení rohů (geosítí, či spoj na pero a drážku). Variantou je také stabilizace přidáním 5–10 % cementu do směsi (často praktikované u novodobých hliněných staveb v USA, Austrálii nebo Indii).

4.2 Adobe – nepálené cihly, kompresované cihly (compressed earth blocks)

Vyztužení všech těchto forem hliněných staveb proti působení otřesů lze zajistit opět vertikální výztuží propojující celou konstrukci od základu po horní věnec. V případě nepálených cihel je třeba též dbát na kvalitu spojovací malty a dbát i na dostatečné vyplnění svislých spojů mezi cihlami maltou, u vodorovných spojů by vrstva malty neměla být silnější než 1,5 cm. Nepálené cihly jsou obvykle kladeny těsně vedle sebe, vertikální vyztužení by mělo probíhat minimálně v rozích konstrukce. Lépe pokud umístíme vertikální výztuž ve stěně pravidelně, tedy vytvoříme na hranách cihel díry „obtékající vertikální výztuž“. V rozích konstrukce by měly být vytvořeny přesahy, tedy pilíře. Pokud délka stěny přesahuje 12krát svou šířku, měly by být tyto pilíře umístěny i uprostřed stěny. Pilíře mohou být případně nahrazeny železobetonovými sloupky zabudovanými do rohů konstrukce. Dále existuje alternativa nazývaná „Interlocking blocks“, jde o prefabrikované kompresované cihly z nepálené hlíny, které jsou vytvořeny tak, aby do sebe zapadaly jako stavebnice a jsou perforované ve dvou místech, tedy umožňují jednoduché umístění výztuže. Jelikož zděné konstrukce z nepálených cihel nejsou příliš dobře odolné seismickým otřesům, je železobetonový skelet s vyzdívkou z nepálených cihel v poslední době nejčastěji užívanou konstrukční metodou, pokud jsou samozřejmě výztuž i cement finančně možné. Železobetonové sloupy by měly mít vertikální výztuž 4 × 14 mm minimálně [7]. Nově je také využíván a testován systém externí vyztužovací polymerové geosítě aplikovaný plošně na vnější strany zdí z nepálených cihel a následně omítaný [8].

4.3 Wattle and Daub

Tento typ seismicky odolné flexibilní konstrukce sestává z vertikálních, horizontálních a případně i diagonálních elementů nejčastěji ze dřeva či bambusu. Tyto elementy jsou omítány hliněnou omítkou, případně je hlínou vyplněn i prostor zdi. Nevýhodou tohoto konstrukčního systému je nutnost časté pravidelné údržby, protože dochází k časté tvorbě prasklin v omítce kvůli smršťování výpletu.

4.4 Superadobe

Konstrukce superadobe, ač nemá dlouhodobou tradici (začala se více používat v 70. letech 20. stol.), se dobře osvědčila v seismických oblastech. Je zde opět důležité uplatnit náležité konstrukční zásady.

5. Konstrukční prvky – zásady seismicky odolné konstrukce

Jedním z největších problémů způsobujících kolaps staveb je nedostatečné propojení jednotlivých částí konstrukce. Propojení prvků základ-stěna-střecha je základním předpokladem seismicky odolné stavby [7].

5.1 Základy

Hliněný materiál není dostatečně pevný, aby odolal silám zemětřesení, doporučuje se použít kámen, pálenou cihlu nebo beton. Hloubka základu by měla být minimálně 0,9 m, na skalnatém podloží je možno redukovat až na 0,3 m. šířka základu závisí též na kvalitě podloží a tloušťce stěny. Pro stěnu tloušťky 30–40 cm je doporučeno rozšířit základ o 20 cm tloušťky stěny. Sokl, který konstrukci chrání vůči vlhkosti, by měl mít výšku alespoň 30 cm [7].

5.2 Otvory ve stěně

Velké otvory a jejich velký počet stěny oslabují. Šířka otvorů by neměla přesahovat 1,2 m a vzdálenost mezi vnějším rohem budovy a otvoru ve stěně a stejně tak vzdálenost mezi dvěma otvory ve stěně by neměla být menší než 0,6 m. Celkově by otvory ve zdech neměly překročit 50 % z celkové délky stěny [5].

5.3 Překlady

Překlady by měly zasahovat do stěny alespoň o 40 cm z každé strany šířky otvoru. Nejlepším řešením je použít překlad zároveň jako věnec po celém obvodu stěn.

5.4 Střecha

V seismických oblastech je vhodné uplatnit co možná nejlehčí střešní konstrukci, Těžká střecha špatně odolává otřesům a může hrozit kolaps. Nejbezpečnějším řešením je oddělit střešní konstrukci od obvodových zdí a umístit ji na sloupky uvnitř nebo vně zděné konstrukce. Protože stěny a střecha reagují na zemětřesení různými pohyby, mohou se takto pohybovat nezávisle na sobě.

5.5 Věnec

Spojení zdi a věnce musí být vždy velice pevné. Je třeba dbát na ztužení rohů věnců, při použití věnce ze dřeva či bambusu je vhodné věnec v rozích dodatečně ztužit diagonálním prvkem. (Obr. 3, 4)

Obr. 3

Obr. 4: Konstrukce bambusového věnce, Nepál
(foto: Eva Neumayerová)

5.6 Štíty

Štíty staveb nejsou seismicky stabilní, je vhodné je zkonstruovat z lehkých materiálů připevněných pouze ke střeše či stabilizovat štít ke stěně pilířem [7].

6. Shrnutí základních zásad při stavbě objektů z hliněného materiálu v seismických oblastech:

• Stavět nejlépe pouze jednopodlažní objekty, pokud jde o konstrukce vícepodlažní, měly by být ve vyšších patrech použity lehké materiály (např. dřevěná konstrukce)
• Použití solidně vyztužených věnců, sokl, dostatečně pevně propojit jednotlivé části konstrukce od základu po střechu, ta by neměla být příliš těžká
• Navrhovat čtvercové půdorysy, či půdorysy s vhodným poměrem stran
• Stavět stěny s nízkým poměrem šířky k výšce stěny
• Minimalizovat velikost otvorů (oken, dveří), zajistit v návrhu dostatečné vzdálenosti mezi těmito otvory i vzdálenosti otvorů k rohům konstrukce
• Užívat kvalitní materiály a kvalifikovanou pracovní sílu [6].

7. Tradice seismicky odolných opatření v Evropě

V jižní Evropě, kde je ve srovnání s ostatními evropskými zeměmi výskyt zemětřesení častější, byly principy seismicky odolných staveb aplikovány v tradiční architektuře obdobným způsobem, jako je dnes uváděno v aktuálních příručkách pro seismicky odolné stavby. Tyto principy byly ozkoušeny staletími. Například výše zmíněné ztužující dřevěné věnce byly používány jako jedna z nejvíce efektivních metod zajištění seismické stability hliněných a kamenných staveb. S tímto opatřením se můžeme setkat u tradičních staveb v mnoha regionech se seismickou aktivitou. Byly uplatňovány již v období před naším letopočtem v Řecku, běžně se také vyskytují v Turecku, Pákistánu, Nepálu a Indii. Tyto tradiční znalosti se přenesly do současnosti a uplatňují se v některých těchto zemích jako součástí stavebních norem pro seismicky stabilní hliněné a kamenné konstrukce (Nepál, Indie) [1] [9] [10]. Časté bylo také použití opěrných pilířů, či kovových kotev propojujících podlahy ke stěnám (Itálie, Portugalsko, Španělsko, Řecko). Frekvence výskytu zemětřesení a rozvoj stavebního povědomí o seismicky odolných konstrukčních metodách jsou v úzké souvislosti. Vzhledem k velmi dlouhým mezidobím bez zemětřesení v jižní Evropě (zbylá část Evropy byla velkým zemětřesením zasažena prakticky výjimečně) byly v historii užívané techniky seismicky odolných staveb vždy tématem pouze několika málo generací, které proběhlé katastrofy zažily, později bylo od této prevence opět upuštěno.

8. Závěr

O principech seismicky odolných staveb se ve středoevropském kontextu dovídáme málo, v současné době v těchto zeměpisných šířkách k velkým otřesům dochází zřídka. V celosvětovém měřítku je však toto téma velice aktuální. Cílem tohoto textu bylo přiblížit problematiku tradičních hliněných staveb ve vztahu k zemětřesení v širším, celosvětovém měřítku a zmínit všeobecně platné zásady seismicky odolných hliněných staveb.

Výše zmíněné konstrukční principy se staly součástí osvětových tréninků pro obyvatele zasažených oblastí, které jsou obvykle pořádány mezinárodními neziskovými organizacemi ve spolupráci a vládou postižených států i dílčími státními institucemi zaměřenými na průzkum a prevenci zemětřesení.

Literatura

1. ORTEGA, J., VASCONCELOS, G., RODRIGUES H., CORREIA M., LOURENCO P. B. Traditional earthquake resistant techniques for vernacular architecture and local seismic cultures: A literature review. Journal of Cultural Heritage. 2017, 27, 181–196.
2. ZEDNÍK, J. Zemětřesení. 2009 [online]. Dostupné z: http://saruman.ig.cas.cz/userdata/files/popular/Zemetreseni_brozura.pdf
3. HOUBEN, H., GUILLAUD H. Earth Construction: a Comprehensive Guide, Intermediate Technology Publications, London, 1994
4. MENDES, M. F., HOSTA, J., LE GALL O. Technical guide for master trainers: Earthquake resistant buildings using local materials in Dolakha, Ramechhap and Sindhuli – Nepal. CRA-Terre. 2015 [online]. Dostupné z:
   https://issuu.com/doc_aecc/docs/technical_guide_for_master_trainers_74f82e1543c327
5. ERRA. Guidelines for EQ Resistant Construction of Non-Engineered Rural and Suburban Masonry Houses in C/S mortar in Earthquake Affected Areas. 2006.
6. MORRIS, H. Natural disasters and earth buildings: resistant design and construction. Modern earth buildings: Materials, engineering, construction and applications. 2012, 481–537.
7. MINKE, G. Constrution manual for earthquake-resistant houses built of earth. GATE-BASIN v GTZ GmbH. 2001.
8. TORREALVA, D., CERRÓN, C., ESPINOZA, Y. Shear and out of plane bending strenght of adobe walls externally reinforced with polypropylene grids.The 14^th world conference on Earthquake Engineering, Beijing China. 2008.
9. IS-13827 Improving earthquake resistance of earthen buildings – Guidelines, Bureau of Indian Standards (BIS), New Delhi, India, 1993.
   IS-13828 Improving earthquake resistance of low strength masonry buildings – Guidelines, Bureau of Indian Standards (BIS), New Delhi, India,1993.
10. NBC-203 Guidelines for earthquake resistant building construction: low strength masonry, Government of Nepal, Kathmandu, Nepal, 1994.
    NBC-204 Guidelines for earthquake resistant building construction: earthen building, Government of Nepal, Kathmandu, Nepal, 1994. Dostupné z: http://www.dudbc.gov.np/buildingcode.