Modelovanie nosnej konštrukcie športovej haly so zmenou zaťažovacích podmienok

Úvod

V rámci obnovy obalových konštrukcií objektov vznikajú situácie, že až počas obnovy sú objavené poruchy, ktoré obnovu spomalia a ktoré vyvolajú neplánované náklady. Stáva sa to najmä v prípadoch, kedy pred obnovou nebola urobená podrobnejšia diagnostika jestvujúceho stavu nielen obalových, ale aj nosných konštrukcií.

Náklady na prevádzku objektov postavených pred 30–40 rokmi sú v súčasnosti podstatne vyššie, ako tomu bolo pri výstavbe. Mnohé materiály používané v strešných a obvodových plášťoch sú degradované, skladby strešných a obvodových plášťov už nevyhovujú súčasným požiadavkám prevádzky najmä z energetického hľadiska. Celoročná prevádzka športových objektov je nákladná ako v zimných, tak aj v letných mesiacoch, pretože pôvodné skladby stien a striech obsahujú zväčša tepelnoizolačné vrstvy ktoré už dávno neplnia požadovanú funkciu.

Okrem degradácie tepelnoizolačných vrstiev dochádza po 30–40 rokoch aj k poruchám krytiny, zmenené vlhkostné pomery ovplyvňujú nielen samotné obalové konštrukcie, ale môže dochádzať aj ovplyvneniu nosných konštrukcií.

Tieto javy sú prvým hlavným dôvodom, prečo je diagnostika nosnej konštrukcie pred obnovou objektu nielen vhodná, ale aj potrebná.

Druhým dôvodom je skutočnosť, že obnova objektu so sebou často prináša aj zmenu zaťažovacích podmienok, prípadne aj menšie alebo väčšie zmeny nosného systému, ktoré musia byť v procese obnovy zohľadnené.

Tretím dôvodom je snaha o minimalizovanie nákladov pri obnove objektu. Náklady na diagnostiku konštrukcie sú v porovnaní s nákladmi na obnovu objektu zanedbateľnou čiastkou. Zo skúseností vieme, že pravidelnú diagnostiku konštrukcií robia majitelia objektov naozaj zriedkakedy, pričom každá nosná konštrukcia by mala byť pravidelne kontrolovaná, interval kontroly závisí od typu objektu a tiež od jeho veku. A práve pripravovaná obnova je tým vhodným momentom, kedy diagnostiku konštrukcie urobiť treba.

Diagnostika drevenej trojkĺbovej halovej konštrukcie bola vypracovaná práve pred plánovanou obnovou obvodového a strešného plášťa haly. Okrem zmeny strešných vrstiev je plánované osadenie fotovoltických panelov na jednu polovicu strechy.

Pre účely vypracovania výpočtových modelov bolo v prvom kroku realizované orientačné zameranie nosnej konštrukcie, pretože v čase diagnostiky nebola k dispozícii projektová dokumentácia haly. Túto získal majiteľ objektu až v nasledujúcich mesiacoch, keď sa projekt obnovy začal pripravovať podrobnejšie.

Prieskum pre prípravu výpočtového modelu

Nosná konštrukcia bola projektovaná a postavená v roku 1988.

Prehliadku nosnej konštrukcie, počas ktorej bol vizuálne skontrolovaný stav drevenej hmoty, stav prípojov a tiež stav sekundárnych nosných konštrukcií, sme urobili na jeseň 2020.

Pre účely prieskumu bolo potrebné zhotoviť sondy, aby sa dali identifikovať hlavné a sekundárne nosné prvky. Boli demontované podhľady vo vyznačených pozíciách a demontovaný obklad fasádneho stĺpa v mieste prípoja stĺpa na strechu a na základ.

Nosná konštrukcia

Nosná konštrukcia haly je tvorená sústavou desiatich trojkĺbových rámov z lepeného lamelového dreva. Rozpätie rámu je 43,0 m, osové vzdialenosti rámov sú 5,0 m. Rámy sú vystužené sústavou priečnych oceľových vystužovadiel v každom druhom poli. Vystužovadlá sú z kruhovej ocele v oblasti priečlí a z oceľových uholníkov v oblasti stĺpov. Medzi rámy sú osadené drevené väznice. Na väzniciach je latovanie a plechová krytina. Podhľad je tvorený veľkoplošnými drevotrieskovými doskami.

Výška haly v hrebeni je 10,1 m.

Prierez rámu je obdĺžnik, šírka prierezu je 215 mm, výška je premenná od 640 mm vo vrchole do 1300 mm v mieste zakrivenia. Predpokladaná trieda pevnosti LLD je SA (podľa normy STN 731701 z roku 1988).

Rámy sú pripojené kĺbovo čapovými prípojmi na železobetónové pätky.

Štítové steny sú zhotovené ako sendvičová konštrukcia s drevenými stĺpmi z LLD v osových vzdialenostiach 3,0 m a s vodorovnými nosníkmi. Štítová stena je opláštená zvonka dreveným obkladom a zvnútra veľkoplošnými drevotrieskovými doskami.

Stav nosných konštrukcií

Na drevenej nosnej konštrukcii rámov boli zistené trhliny vo vrcholovom spoji všetkých rámov. Ide o mechanické poškodenie spôsobené nevhodným riešením detailu vrcholového kĺbu.

Ďalej boli identifikované viaceré výsušné trhliny v priečli aj v stĺpoch.

Prevádzkovateľ haly upozornil na netesnosť strešného plášťa. Je možné predpokladať, že vplyvom dlhodobého zatekania strechy mohlo dôjsť k degradácii drevnej hmoty niektorých väzníc. Tieto prvky budú skontrolované pri demontáži existujúcej strešnej krytiny. V prípade, že sa ukáže aj poškodenie hlavných drevených rámov, bude potrebné bezodkladne kontaktovať autorov posudku.

Model a kontrolný statický výpočet drevenej nosnej konštrukcie

Rámy boli modelované s premenným prierezom. Štíhle prúty vystužovadiel boli nastavené tak, aby preberali iba ťahové osové sily. Z toho dôvodu bol vykonaný nelineárny výpočtový postup pre elimináciu tlakových osových síl v štíhlych prvkoch.

Boli spracované tri základné výpočtové modely:

1. Rovinný výpočtový model pre stabilitný výpočet a určenie vzperných dĺžok.
2. Priestorový výpočtový model pre zaťažovacie stavy stálych zaťažení, zaťaženia snehom a vetrom.
3. Priestorový výpočtový model pre zaťažovacie stavy stálych zaťažení a úžitkového zaťaženia podľa kategórie H.

Modely 2 a 3 boli ďalej rozdelené pre výpočet okamžitých a dlhodobých priehybov hlavných konštrukčných prvkov. Rozdiel je v nastavení deformačných parametrov k_def pre triedu použitia 1.

Vzhľadom na zámer investora vymeniť strešný plášť, a teda možnú zmenu zaťažovacích podmienok, boli statické výpočty vypracované v zmysle platných európskych noriem STN EN, aby bolo možné zistiť namáhania a prípadné rezervy v odolnostiach nosných prvkov.

Kombinácie zaťažovacích stavov

Kombinácie zaťažovacích stavov boli vytvorené podľa STN EN 1990 pre medzný stav únosnosti a používateľnosti.

Kombinácie zaťažovacích stavov pre medzný stav únosnosti pre trvalé a dočasné návrhové situácie sú charakterizované predpisom:

Charakteristické kombinácie zaťažovacích stavov pre medzný stav používateľnosti sú charakterizované predpisom:

Stabilitný výpočet

Stabilitný výpočet bol spracovaný za účelom zistenia vzperných dĺžok v rovine hlavných rámov. Výpočet bol spracovaný pre symetrické aj nesymetrické zaťažovacie stavy. Prierez pre určenie vzperných dĺžok bol uvažovaný v pozícii 0,65násobku dĺžky premennej časti nosníka.

Vnútorné sily a posúdenia

Zo zistených namáhaní je možné konštatovať, že drevená nosná konštrukcia vyhovuje pre súčasné zaťažovacie podmienky, avšak nemá rezervy v odolnosti pre ďalšie dodatočné zaťaženia.

Výmena strešného plášťa môže byť iba za predpokladu zachovania súčasných zaťažovacích podmienok. Pred realizáciou nového strešného plášťa bude potrebné opraviť zistené poškodenia nosnej konštrukcie.

Aplikácia dodatočných zaťažení bude možná iba za predpokladu zosilnenia alebo doplnenia existujúcej drevenej konštrukcie.

Záver

Analýza drevenej nosnej konštrukcie tenisovej haly preukázala, že nosné konštrukcie sú po 31 rokoch v dobrom stave.

Zámerom investora je výmena strešného plášťa, preto bol na základe zamerania spracovaný kontrolný statický výpočet za účelom zistenia namáhaní jednotlivých nosných prvkov. Kontrolný statický výpočet bol spracovaný v zmysle súčasne platných európskych noriem STN EN. Kontrolnými statickými výpočtami boli zistené namáhania drevených nosných prvkov a ich prípojov.

V miestach, kde nie sú splnené podmienky platných európskych noriem STN EN, boli navrhnuté sanačné opatrenia tak, aby konštrukcia bola užívaniaschopná počas ďalších desaťročí.

Pripomíname, že pravidelná diagnostická kontrola nosnej konštrukcie resp. všetkých častí objektu by mala byť samozrejmou súčasťou práce správcu objektu a/alebo autorizovaných osôb. Pravidelnou kontrolou sa dá veľmi často predchádzať vážnejším poruchám konštrukcií, čím sa znižujú náklady na ich prevádzku.

Literatúra

1. Športová hala. Prieskum a kontrolný statický výpočet drevenej nosnej konštrukcie, Kristián Sógel – Jaroslav Sandanus, č. zák. 39/2020
2. STN 731701 – Navrhovanie drevených konštrukcií, 1988
3. STN EN 1995-1-1 – Navrhovanie drevených konštrukcií, 2008