Pokles únosnosti stavebních materiálů a staveb v důsledku nezvládnutí srážkových vod
Příspěvek se zabývá poškozením staveb a stavebních materiálů v důsledku nezvládnutí režimu srážkových vod. Dopady jsou členěny podle místa poškození. Nejprve je prezentováno poškození střech a krovů, které následují příklady poškození obvodových stěn. Největší pozornost, včetně numerického 3D modelování, je věnována poškození základových konstrukcí a základů.
1. Úvod
Zaměříme-li se na počátek 18. století a oblast severovýchodních Čech, nemůžeme úplně opomenout dozvuky třicetileté války. Připomeňme, že počet obyvatel již bývalého Českého království se během této války v důsledku všech válečných hrůz snížil ze tří milionů na zhruba osm set tisíc. Zejména severní část bývalého království byla po válce v zuboženém stavu a můžeme říct, že povstávala téměř z popela. Stavby byly stavěny z lokálně dostupných materiálů místními zedníky a tesaři. Broumovská skupina kostelů byla postavena pod vlivem jednoho opata, Otmara Zinkeho, a jednou rodinou architektů, Dientzenhoferů. Původně dřevěné kostely byly nahrazeny stavbami kamennými. Musíme též připomenout, že náklady hradily jednotlivé obce. Peníze měly zapůjčené od benediktýnů z Broumovského kláštera a tyto postupně splácely.
Kostely navržené Dientzenhofery byly stavěny zhruba v letech 1718 až 1728. Nejprve kostely navrhoval Kryštof Dientzenhofer a po jeho smrti v roce 1722 v práci pokračoval jeho syn Kylián Ignác. Více informací a podrobností nalezneme v [1].
2. Střecha a krovy
Při posuzování historických konstrukcí je řada nejistot. Co se týče vrchní stavby, je celkem dobře popsatelná konstrukce střechy a krovu. Zručnost tesařů v dávných dobách byla značná, ve své době představovali určitou elitu společnosti a díky užívání ondřejských křížů jsou historické krovy výjimečně prostorově stabilní. Zaměříme-li se na Broumovskou skupinu kostelů, byly tyto používány především německých obyvatelstvem. V kostelích je řada pamětních desek připomínajících padlé 1. světové války. Po 2. světové válce však z důvodu odsunu Němců ztratily své užití a nastalo období, kdy jejich údržba byla naprosto nedostačující. Do krovů zatékalo a došlo k napadení dřevokaznými houbami a dřevokazným hmyzem. Vzhledem k tomu, že hlavní nosné prvky krovu jsou umístěny nejvýše, nebyl narušen hlavní nosný systém a poruchy se týkaly nosných trámů pochozí podlahy půdy a rovněž trámů stropu lodě. Asi nejvíce poškozený byl krov sv. Barbory v Otovicích. Dřevomorka způsobila uhnití krokví v oblasti pozednice, a to do nezanedbatelné výšky. Poškození je představeno na Obr. 1. Přítomnost tesaříků zachycuje Obr. 2. Zajímavé řešení ukazuje detail z oblasti krovu kostela sv. Anny, Obr. 3, kde je vidět průduch v nosné stěně. Proudění vzduchu zabraňuje růstu dřevokazných hub. Naopak uzavřeme-li prostor a zabráníme proudění vzduchu, začne se houbám dařit velmi dobře. Na obrázku je ale také vidět, že zatékání způsobilo poruch v oblasti korunní římsy, která místy dokonce odpadla; navíc došlo k výraznému lokálnímu poškození nosných prvků krovu. Asi by bylo dobré zdůraznit, že dalšímu pokračování poruchy brání konstrukce střešního pláště spolu s krytinou. Přestože prezentované poruchy mnohdy vypadají děsivě, jsou snadno detekovatelné, k opravě přístupné a bez problému zvládnutelné šikovnými tesaři.
Obr. 1: Poškození krokví kostela sv. Barbory v Otovicích dřevomorkou
Obr. 2: Přítomnost tesaříka krovového v trámech nesoucích podlahu půdního prostoru; sv. Barbora v Otovicích
Obr. 3: Kostel sv. Anny ve Vižňově, vlevo je zachyceno poškození krokve a diagonály ondřejského kříže, vpravo průduch v nosné stěně
3. Obvodové stěny
Únosnost historického zdiva je velmi závislá na zručnosti místních zedníků a samozřejmě na penězích. To se projeví třeba v hloubce založení konstrukce, míry opracování a tvaru jednotlivých kamenů a bloků a určitě i v kvalitě vápenné malty. Špatná skladba zdi a ochuzená vápenná malta parametry únosnosti výrazně sníží. Při nedostatečné údržbě se únosnost navíc sníží zvětráváním kamene, jakož i cihel, pokud byly místy použity. Únosnost též sníží přítomnost biotických činitelů, zejména řas, kterým se v místech zásobovaných z různých příčin vodou, velmi daří. Pokud uvedeme příklady, jedná se zejména o vzlínání vody, nefunkční okapy, účinek deště v místech odpadlé omítky atp. Pokud voda obsažená v pórech kameniva či ve stěně kostela následně zmrzne, mohou být následky fatální. Pro ilustraci představujeme na Obr. 4. poruchu zdiva u kostela sv. Anny vlivem promrzání a poruchy na kostelu Všech svatých v Heřmánkovicích. Na opadání omítky mělo vliv opršení stěny, výrazná trhlina ve stěně zákristie je způsobena degradací základů. Základy byly provedeny z kamenných bloků, v podobné skladbě jako vrchní zeď. Jak se ukázalo v provedeném vrtu, došlo vlivem vody a mrazu k úplnému rozpadu kamene.
Obr. 4: Vlevo je zachycena porucha obvodového zdiva kostelu sv. Anny ve Vižňově, vpravo vidíme stav obvodového zdiva kostela Všech svatých v Heřmánkovicích
Abychom uvedli nějaká čísla a přiblížili očekávanou únosnost kompozitu zdiva v tlaku, tahu a smyku. V tlaku se dá odhadovat pevnost od 2 MPa do 3 MPa. Toto doporučují např. italské standardy. Vyšší hodnota přísluší zdivu dobře opracovanému a kvalitní zednické práci. Tyto hodnoty byly potvrzeny i numerickou analýzou s použitím nelineárních kvazikřehkých materiálových modelů; konkrétně užitím software Athena fy. Červenka Consulting. Pevnost zdiva v tahu bývá odhadována mezi 1/10 a 1/20 tlakové pevnosti. Je velmi závislá na kvalitě malty a při horší kvalitě může být i okolo 0,1 MPa. Konečně třetí informace stran pevnosti zdiva se týká pevnosti smykové. Ta by měla být nejnižší a odhadovali bychom ji přibližně 90 % pevnosti tahové. Důvodem tohoto konstatování je vyvození čistého smyku ve stěně. Toho dosáhneme tak, že čtvercový výsek stěny zatížíme na dvou protilehlých stěnách konstantním tahovým napětím a na stěnách kolmých aplikujeme stejně velký tlak. Přestože je tlak z pohledu únosnosti velmi malý, měl by únosnost kompozitu zdiva ještě snížit. Zbývá nám teď jen ještě zdůraznit, že výše popsaná „tahotlaková“ napjatost se při rotaci o 45° promění v čistý smyk.
I zde jsou poruchy snadno detekovatelné, k opravě přístupné a bez problému zvládnutelné šikovnými řemeslníky. Co se však trhlin ve zdivu týče, musíme najít a odstranit příčinu, která bývá skryta v oblasti základů. Pokud trhlinu vyplníme a schováme pod omítku, je tato oprava pouze estetická a při neodstranění příčiny se trhlina objeví znovu.
4. Základy
Nejméně předvídatelná je oblast základů a podloží a zde se vyskytuje i nejvíce nejistot. Značným přínosem je, pokud máme k dispozici geologický profil v blízkosti stavby, nejlépe pokud máme k dispozici více geologických profilů z dané oblasti. Erudovaný inženýrský geolog a geotechnik je schopen popsat materiálové parametry jednotlivých vrstev, pomocí kterých můžeme počítat sedání stavby. Obrovským problémem je proudění podzemních vod v oblasti základů. Nejedná se pouze o stoupání či klesání hladiny podzemní vody. Hladina podzemní vody často bývá dostatečně hluboko, aby její vliv na sedání byl zanedbatelný.
Podle našeho mínění má však fatální účinky proudění podzemní vody v důsledku srážek. Je-li kostel situován v nakloněném terénu tak, že přehradí prameny v podzemí, dojde ke kumulaci v oblasti stěny a nárůstu hydraulického gradientu. Pokud hladina vystoupá do kritické výše, dojde k erozi půdy v podzákladí v důsledku sufóze. K poškození staveb a v extrémním případě i kolapsu může dojít nejen v důsledku extrémních srážek či povodní, jejichž výskytu obecně nelze zabránit, ale třeba i havárií vodovodních řadů, problémů v kanalizačních řadech, špatnými okapovými svody i různými většími výkopy, které dlouhodobě koncentrují i menší příděly vod. Jsou známy případy, kdy srážková voda sesbíraná z velké plochy střechy a přímo padající z velké výšky do oblasti základů způsobila kolaps celé stavby. Ještě horší je následek promrznutí nasyceného základového zdiva a jeho rozpadu. Dodatečné sedání v tomto případě několikrát převýší sedání, které již proběhlo v neporušených původních základových podmínkách. V případě jednolodních kostelů Broumovské skupiny vznikla v důsledku nerovnoměrného sedání řada trhlin v obvodovém zdivu.
Obr. 5: Eroze hlinitého písku z údolní nivy odebraného ve Veselí nad Lužnicí
Obr. 6: Velmi závažná trhlina ve zdi zákristie kostela Všech svatých v Heřmánkovicích
Vnitřní eroze v podzákladí dosažením kritických hydraulických gradientů ilustruje Obr. 5. Vzorek zeminy pochází z údolní nivy Lužnice a byl odebrán ve Veselí nad Lužnicí. Pro představu bych výsledek okomentoval, že „cihla eidamu se změnila v ementálský sýr“. Velmi podrobně se erozi půdy a vlivu podzemních vod na dodatečné sedání staveb věnoval ve své disertační práci Ing. Miroslav Brouček [2]. O kvalitě výsledků svědčí skutečnost, že práce byla oceněna cenou akademika Quidy Záruby v roce obhájení, jako nejlepší disertační práce v oboru geotechnika.
V půdě, či podloží existují zóny preferenčního proudění, které vznikly z různých důvodů. Asi nejznámější a nejpochopitelnější je případ, kdy jsou do země položeny různé trubní systémy, a ještě navíc je výkop nedbale zasypán. Vlivem srážkových vod dojde k nasycení těchto zón a následná eroze, v případě přívalových srážek s dostatečným gradientem, se již dostaví. Osvěta v oblasti vlivu působení podzemních vod a předcházení degradaci základových konstrukcí je ve stavební praxi opomíjena. Bohužel, co oči nevidí, to srdce nebolí. Nutno však zdůraznit, že všechny nastalé změny jsou nevratné. Navíc při dalším opakování a posilování eroze mohou být pro konstrukci vskutku fatální!
5. Validace příčin trhlin pomocí numerického řešení 3D modelů
Současný stav Broumovské skupiny sice není uspokojivý, ale svým způsobem ho můžeme považovat za stabilizovaný. Na konstrukci obvodových zdí se podepsala absence údržby, která trvala téměř 70 let. Hlavní podíl na současném stavu mají dopady srážek. Nefungující okapové svody způsobí lokální degradaci základů, v jejímž následkem je dodatečné sedání. Rovněž je důležité mít pod kontrolou režim podzemních vod či pramenů v důsledku srážkové činnosti. Jestliže umíme numerickými kódy vypočíst šíření trhlin, je toto cesta pro validaci na začátku odhadovaných příčin poruch, které jsou součástí vstupních údajů výpočtu, neboť v místě poruch doplňujeme výpočtový model konstrukce o dodatečné sedání. Více detailů představujících analýzu poruch kostelů obsahují diplomové práce [3, 4, 5, 6, 7]. Jako příklad je zde vybráno šíření trhlin v kostele sv. Jakuba. Průběhy trhlin byly vizualizovány šetřením na místě. Otázkou je kauzalita selhání. Pro modelování MKP byl v tomto případě zvolen software DIANA. DIANA nabízí různé konstituční modely pro celou řadu analýz. Pro analýzu byl vybrán „Trhlinový model založený na celkové deformaci“.
Obr. 7: 3D model obvodové stěny kostela sv. Jakuba se zvýrazněnými oblastmi dodatečného sedání
Nefungující žlaby a okapové svody jsou příčinou nerovnoměrného sedání v důsledku degradace základových konstrukcí. Na obr. 7. je zobrazen 3D model obvodové stěny kostela sv. Jakuba, kde jsme červeně zvýraznili oblast kolem svislých okapových svodů, ve kterých jsme následně zadali dodatečné sedání. Připomínáme, že při výpočtu interakce stavby a podloží musíme zohledňovat posloupnost zatěžovacích stavů, ke kterým v průběhu fungování konstrukce docházelo. Výpočtem se potvrdilo, že v určitém původním nepoškozeném stavu při daných víceméně homogenních základových podmínkách bylo sedání obvodových zdí rovnoměrné, a to velikosti dvou až tří centimetrů. V tomto případě obvodová zeď kostela nevykazovala trhliny. Zatížení bylo uvažováno dle platných standardů a působení krovu bylo zadáno jako odpovídající spojité liniové zatížení.
Degradaci základů jsme vyjádřili dodatečným sednutím o 2,5 cm. Inkrementální strategie byla rozdělena do 25 kroků. Pro úplnost v Tab. 1. uvádíme parametry zdiva použité v numerickém výpočtu, modul pružnosti, pevnost v tlaku, lomovou energii v tlaku, pevnost v tahu, lomovou energii v tahu a objemovou tíhu. Vznik trhlin v důsledku nerovnoměrného sedání zachycuje Obr. 8.
| E [GPa] | v | fc [MPa] | Gc [N/m] | ft [MPa] | Gt [N/m] | Ρ [kN/m3] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.3 | 0.2 | 3.0 | 7200 | 0.15 | 50.0 | 20.0 |
Obr. 8: Šíření trhlin v kostele sv. Jakuba v důsledku dodatečného sedání
Jako druhý příklad bylo vybráno nerovnoměrné sedání základů kostela sv. Barbory. Pro numerické řešení MKP byl v tomto případě zvolen software ATENA 3D. Pro konstitutivní modelování porušení byl vybrán podobný nelineární kvazikřehký konstitutivní model jako v předchozím případě, detaily nalezneme v [5]. Pro výpočet byly použity docela konzervativní parametry, jmenovitě modul pružnosti, pevnost v tlaku, lomovou energii v tlaku, pevnost v tahu, lomovou energii v tahu a objemovou tíhu, které jsou uvedeny v Tab. 2.
| E [GPa] | v | fc [MPa] | Gc [N/m] | ft [MPa] | Gt [N/m] | Ρ [kN/m3] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2.0 | 0.2 | 2.9 | 9100 | 0.2 | 70.0 | 20.0 |
Stupeň poškození lze klasifikovat jako zanedbatelný (šířka do 0,15 mm), velmi mírný (šířka kolem 1 mm), mírný (šířka do 5 mm), střední (šířka od 5 mm do 15 mm), závažný (šířka od 15 mm do 25 mm), velmi závažný (šířka větší než 25 mm); klasifikaci nalezneme v [8]. Aby se zvážil účinek nerovnoměrného sedání v numerickém modelu, bylo obdobně ve zvýrazněných oblastech aplikováno dodatečné sedání. V daném případě byla zvolena hodnota vyšší a činila 8 centimetrů. Zatěžováno bylo ve dvou zatěžovacích stavech. V prvním stádiu byla konstrukce zatížena standardně, vlastní tíhou a stálým zatížením nesených konstrukcí. Na základě geologického profilu byla rezistence podloží vyjádřena plošnou tuhostí pružin 26,36 MPa. To způsobilo rovnoměrné sedání 18 mm. Tato hodnota byla potvrzena i výpočtem jednodušším ve 2D na rozvinutém obvodu. Ve druhém zatěžovacím stavu bylo v místech očekávané degradace základů, v půdorysu jsou zvýrazněn , přidáno dodatečné sedání 80 mm Půdorys obvodových zdí kostela, spolu vyznačenými oblastmi dodatečného sedání, a výsledné porušení nosných zdí kostela sv. Barbory je zachyceno na Obr. 9. Ve druhé části obrázku jsou zachyceny pouze závažné trhliny šířky 15 mm.
Obr. 9: Šíření trhlin v kostele sv. Jakuba v důsledku dodatečného sedání
Hlavní důvod, proč tento výsledek uvádíme, spočívá v tom, že v dolní části obrázku zachycujícího trhliny vidíme, že výrazný pokles vytvoří určitou poruchovou oblast, která je překlenuta neporušenou zdí, a dá se tedy očekávat, že porucha je pouze lokální a nezpůsobila by kolaps konstrukce. Mnoho dalších zajímavých a komplexních výsledků týkajících se spolehlivosti staveb nalezneme v [7]. Dalším důvodem je i skutečnost, že existují pokročilé programy, pomocí kterých jsme schopni detekovat či předvídat neviditelné poruchy v základech pomocí viditelných poruch ve zdech.
6. Závěr
Poznamenáváme, že v rámci řešení projektu NAKI II jsme též využili mezinárodní spolupráci čtyř univerzit, kromě ČVUT v Praze, PU of Catalonia, University of Minho, University of Padua a UTAM. Na základě návrhu diplomových prací se na základě vlastního rozhodnutí studenti přihlásili. Zhruba tři měsíce pracovali na diplomových pracích, které úspěšně obhájili. Výhodou mezinárodní spolupráce je, že naše zjištění se svým způsobem zobjektivní. Je potěšující, že mladí stavební inženýři z různých částí světa docházejí k podobným závěrům. Nezanedbatelný je i značný kus práce, který ve svých diplomových pracích vykonají. Máme tedy spoustu nezávislých pozorování a názorů na současný stav Broumovské skupiny kostelů, která bývá v poslední době i značně medializována. Můžeme se pochlubit, že program, na kterém se nezanedbatelně podílíme, byl oceněn cenou EU za kulturní dědictví (cenou Europa Nostra 2017). Určitou představu o práci mladých odborníků, kterou vykonávají v rámci programu SAHC, zachycuje videozáznam [9]. Z průzkumu na místě a provedené analýzy vyplývá, a to bychom chtěli zejména zdůraznit, že významnou roli hraje datum realizace, lokalita, zednické dovednosti a náklady na stavbu kostela. Doporučené hodnoty únosnosti stěn, které nalezneme v mezinárodních standardech, byly potvrzeny i prezentovanými numerickými výpočty, porovnat můžeme v [10].
Obecně byla validována dostatečná únosnost konstrukcí. Udržitelnost však byla značně ovlivněna nedostatkem údržby. Špatná drenáž dešťové vody způsobila zhoršení základů a následně šíření trhlin v důsledku nerovnoměrného sedání. Současná situace je stabilní, ale stále je třeba skupinu pečlivě sledovat, zejména vliv dešťové vody, a to v rámci stavby a jejího okolí.
7. Literatura
- Prokop, B., Kotalik, J. T. and Suva, P.: Broumov Group of Churches – Guide to Czech Baroque in the Landscape of Sandstone Rocks, Vernerovice: Modry Andel, 2007.
- M. Brouček, “Subsoil Influenced by Groundwater Flow” Defense date 2013-06-04. PhD Thesis. CTU FCE. Department of Hydraulic Structures, 2013. https://dspace.cvut.cz/handle/10467/15703
- Susanti, E.: Numerical evaluation of the bearing capacity of the All Saints Church walls in Broumov, Master Thesis, CR, Prague: Czech Technical University in Prague, 2017. https://dspace.cvut.cz/handle/10467/73468
- Gajjar, P.: Nonlinear numerical evaluation of the wall bearing capacity and the structure stability of the St. Ann Church from the Broumov Group of Churches, Master Thesis, CR, Prague: Czech Technical University in Prague, 2018. https://dspace.cvut.cz/handle/10467/79024
- Scacco, J.: Nonlinear numerical evaluation of the wall bearing capacity and the structure stability of the St. Jacob Church from the Broumov Group of Churches, Master Thesis, CR, Prague: Czech Technical University in Prague, 2018. https://dspace.cvut.cz/handle/10467/79022
- Bozulic, I.: Stability analysis of St. Barbara Church in Otovice, Master Thesis, CR, Prague: Czech Technical University in Prague, 2019. https://dspace.cvut.cz/handle/10467/84590
- Mahato, Ch.: Reliability analysis of St. Barbara Church in Otovice, CR, Prague: Czech Technical University in Prague, 2019. https://dspace.cvut.cz/handle/10467/84586
- Masciotta, G. et al. 8th European Workshop on Structural Health Monitoring (EWSHM 2016), 5-8 July 2016, Spain, Bilbao, 2016
- Available https://www.youtube.com/watch?v=gQY3K0tglvE
- Circolare 2 febbraio 2009, n. 617 Istruzioni per l'applicazione delle «Nuove norme tecniche per le costruzioni» di cui al decreto ministeriale 14 gennaio 2008.
Poděkování
Výsledky uvedené v článku byl získány v rámci řešení projektu Ministerstva kultury České republiky DG16P02R049 NAKI II.
This contribution deals with damage to buildings and building materials due to bad manage of rainwater regime. Effects are divided according to location of damage. First, the damage of roofs and roof trusses is presented, which are followed by examples of damage to the enclosure walls. The most attention, including numerical 3D modeling, is devoted to damage to foundation structures and foundations.
