Nový evropský dokument pro hodnocení existujících konstrukcí
Nový evropský dokument pro hodnocení existujících konstrukcí (CEN Technical Specification, TS) navazuje na koncepci a technické požadavky Eurokódů. Konečný návrh dokumentu byl předložen v dubnu 2018. Obsahuje materiálově nezávislé pokyny pro všechny druhy konstrukcí včetně geotechnických součástí, a libovolné druhy zatížení. Zahrnuje obecné zásady a pokyny pro postup hodnocení, aktualizaci dat, konstrukční analýzu, různé způsoby ověřování spolehlivosti (dílčí součinitele, pravděpodobnostní metody, analýzu rizik), hodnocení památkových objektů, a možnosti zásahů do existujících konstrukcí. Předložený příspěvek zahrnuje praktické příklady aplikace obecných pokynů při hodnocení existujících konstrukcí včetně panelových domů.
© bannafarsai - Fotolia.com
1. Úvod
Hodnocení existujících konstrukcí se stává velmi potřebnou odbornou činností, která se uplatňuje stále častěji v oblasti stavebnictví, ochrany památkových objektů a rozvoje národního hospodářství. Jde nejen o obytné a veřejné budovy, ale také o inženýrské konstrukce, mosty, průmyslové a energetické objekty. Potřeba efektivního řešení problematiky hodnocení existujících konstrukcí se projevuje současnou intensivní tvorbou národních a mezinárodních norem (ISO, CEN) i obsáhlých odborných publikací mezinárodních organizací (JCSS, CEB, FIB, fib).
Nově připravovaný evropský dokument pro hodnocení existujících konstrukcí ve formě technických specifikací TS (CEN Technical Specification – Assessment of existing structures) navazuje na koncepci a technické požadavky Eurokódů. Obsahuje materiálově nezávislé pokyny pro všechny druhy konstrukcí včetně geotechnických součástí a libovolné druhy zatížení. Zahrnuje obecné zásady a pokyny pro postup hodnocení, aktualizaci dat, konstrukční analýzu, různé způsoby ověřování spolehlivosti (dílčí součinitele, pravděpodobnostní metody, analýzu rizik), hodnocení památkových objektů a možnosti zásahů do existujících konstrukcí.
Předložený příspěvek zahrnuje obecné zásady hodnocení a teoretické podklady ověřování spolehlivosti existujících konstrukcí, včetně praktických příkladů aplikace obecných pokynů při hodnocení existujících konstrukcí včetně obytných domů a inženýrských konstrukcí.
2. Požadavky na hodnocení
V současné době se problematikou hodnocení existujících konstrukcí zabývá několik národních norem uvedených v rozsáhlé zprávě JRC Report (2015) [1]. Na základě této zprávy byl nedávno zpracován dokument CEN Technická specifikace [2]. Tento dokument je vlastně formou evropské před-normy, která se má stát novou součástí systému Eurokódů. Předložená publikace vychází z evropského dokumentu [2] a ze tři mezinárodních norem ISO 2394 (2015) [3], ČSN ISO 13822 (2010) [4] a ISO 12491 (1997) [5]. Mezinárodní norma ISO 13822, zavedená do systému českých předpisů pod označením ČSN ISO 13822 (2010) [4], je doplněna revidovanou českou normou ČSN 73 0038 (2015) [6], která poskytuje cenné informace o vlastnostech existujících konstrukčních materiálů.
Očekávaná evropská norma má navazovat na technickou specifikaci [2], základní Eurokód ČSN EN 1990 (2002) [7] (a návrh revize [8]), který uvádí obecné zásady spolehlivosti konstrukcí, které se uplatní rovněž při hodnocení existujících konstrukcí, a dále norma ČSN EN 1991-1-1 (2004) [9] pro ztížení stálá a užitná. Dodatečné odborné informace poskytují podklady uvedené ve zprávě JRC Report (2015) [1] a v řadě dalších publikací (např. [10], [11], [12] a [13]).
Existující konstrukce bývá zpravidla vystavena požadavku na hodnocení skutečné spolehlivosti v následujících případech:
- při rehabilitaci zabudovaného vybavení, během které jsou nové nosné prvky doplněny do existujícího nosného systému;
- při ověření nosné konstrukce s ohledem na očekávané změny vybavení, provozní změny nebo prodloužení návrhové životnosti;
- při opravě existující konstrukce, která je poškozena vlivem časově závislých vnějších vlivů nebo mimořádného zatížení;
- v případě pochybnosti o skutečné spolehlivosti.
2.1 Účel hodnocení
Účel hodnocení existující konstrukce včetně jeho založení má být stanoven dohodou objednatelem a příslušným úřadem s ohledem na mezní stavy:
- únosnosti, vztahující se na nosnou způsobilost a stabilitu konstrukce;
- použitelnosti, vztahující se na funkční způsobilost konstrukce, její vzhled a pohodlí uživatelů.
Mezní stavy se mají ověřovat s ohledem na odpovídající situace hodnocení (podobné návrhovým situacím při navrhování nové konstrukce). Analogicky jako pří navrhování nové konstrukce se tedy rozlišují následující situace hodnocení:
- trvalá situace hodnocení (vztahující se k běžným podmínkám působení ve zbývající provozní době);
- dočasná situace hodnocení (vztahující se k dočasným podmínkám, např. během zásahů do konstrukce s ohledem na případná konstrukční opatření);
- mimořádná situace hodnocení (vztahující se k mimořádným zatížením jako je náraz, výbuch a požár).
Pří hodnocení spolehlivosti konstrukcí je nutné přihlížet k podmínkám prostředí, trvanlivosti a kulturním aspektům hodnocené konstrukce. Rovněž je třeba ověřit robustnost (konstrukční integritu) s ohledem na možné působení mimořádných zatížení a vliv ostatních nepříznivých jevů. Hodnocení existující konstrukce včetně návrhu případných opatření může zahrnovat vyhodnocení hledisek udržitelnosti, pokud je to požadováno místními úřady nebo objednatelem.
2.2 Zásady hodnocení
Dvě důležité zásady jsou obvykle přijaty pro hodnocení existující konstrukce:
- Aplikuje se metodika současně platných norem a předpisů pro ověřování spolehlivosti konstrukcí, předchozí dokumenty se využijí jako podkladové materiály.
- Uvažují se skutečné charakteristiky materiálů, zatížení, geometrických dat a chování konstrukce, původní dokumentace se užije pouze jako podklad.
První zásada má za účel stanovit úroveň spolehlivosti stejným způsobem jako u nové konstrukce a umožnit tak porovnání stanovené spolehlivosti různých konstrukcí. Většina současných norem pro navrhování nových konstrukcí se opírá o principy mezních stavů v kombinaci s metodou dílčích součinitelů. Nedávné revize platných dokumentů však umožňují aplikaci metody návrhových hodnot, pravděpodobnostních postupů i analýzy rizik.
Účelem druhé zásady je přihlížet ke všem skutečným podmínkám, které mohou ovlivnit spolehlivost existující konstrukce a nikoli k předpokládaným charakteristikám základních veličin jako při navrhování nové konstrukce. Tato zásada naznačuje, že vizuální i experimentální vyšetřování hodnocené stavby je ve většině případů žádoucí. Zpravidla je však zcela nezbytné provést podrobný průzkum pochybných, poškozených nebo opravovaných částí konstrukce.
2.3 Směrná úroveň spolehlivosti
Směrná úroveň spolehlivosti, akceptovatelná rizika a dalších ukazatele přijatelnosti existujících konstrukcí se stanoví se souhlasem odpovídajících úřadů. Stanovené požadavky zahrnují směrnou úroveň indexu spolehlivosti βt, přijatelnou pravděpodobnost poruchy Pft, popř. přijatelnou úroveň očekávaného rizika ERt. Pro stanovenou referenční dobu (např. jeden rok nebo 50 let) je obecně index spolehlivosti β vztažen k pravděpodobnosti poruchy Pf vztahem
kde Φ označuje kumulativní distribuční funkci normovaného normálního rozdělení. Vztah (2.1) mezi indexem spolehlivosti β a pravděpodobností poruchy Pf, který platí rovněž mezi směrnou hodnotou indexu spolehlivosti βt a přijatelnou pravděpodobností poruchy Pft, naznačuje Tab. 1.
| Pf | 10−1 | 10−2 | 10−3 | 10−4 | 10−5 | 10−6 | 10−7 |
| β | 1,28 | 2,32 | 3,09 | 3,72 | 4,27 | 4,75 | 5,20 |
Směrná pravděpodobnost poruch Pft (nebo βt) omezuje skutečnou pravděpodobnost poruchy Pf, Pf < Pft (nebo β > βt). Tab. 1 naznačuje, že směrná úroveň spolehlivosti Pft (nebo βt) pro hodnocení existujících konstrukcí se může lišit od předpokládané úrovně uvedené v předpisech pro navrhování nových konstrukcí.
Směrnou úroveň spolehlivosti lze stanovit na základě analýzy rizik s ohledem na sociální a ekonomická kritéria. Tato analýza by měla přihlížet k významu konstrukce a ekonomických i sociálních následkům její poruchy. Směrné úrovně spolehlivosti uvedené v platných dokumentech nebo předchozích normách lze uplatnit jako podklad pro stanovení odpovídajících hodnot pro existující konstrukce. Předchozí normy a dokumenty však mohou být zastaralé a mohou vést k nesprávným úvahám a chybným závěrům. Současná hlediska ekonomická, sociální a požadavky udržitelného vývoje mohou vést k rozdílným hodnotám směrné spolehlivosti od hodnot, které se uplatňují při návrhu nové konstrukce.
3. Ověřování spolehlivosti existujících konstrukcí
3.1 Metody ověřování
Hodnocení existujících konstrukcí se opírá o ověřování mezních stavů únosnosti a použitelnosti. Přihlíží se při tom ke skutečnému stavu a podmínkám působení konstrukce, vnějším vlivům, degradaci a požadované zbytkové životnosti. Ve všech hodnotících situací se ověří, že s dostatečnou spolehlivostí žádný mezní stav nebude překročen. U existujících konstrukcí lze tuto podmínku zpravidla vyjádřit prostřednictvím rezervy spolehlivosti g dané zjednodušeným výrazem ve tvaru g(Xi) ≈ R − E, kde symbol Xi označuje základní veličiny (materiálové vlastnosti, zatížení, geometrické parametry, modelové nejistoty). Ve zjednodušeném tvaru symbol R označuje odolnost a E účinek zatížení.
Přestože je možné existující konstrukce opakovaně prohlížet a zkoumat zůstávají téměř všechny základní veličiny Xi včetně vlastností materiálů zatíženy nejistotami a náhodnými vlivy. Je tedy nezbytné považovat základní veličiny za náhodné veličiny, jejichž vlastnosti je však možné aktualizovat s ohledem na nově dostupné experimentální informace. Podobně jako při navrhování nových konstrukcí je třeba ověřovat spolehlivost konstrukcí se zřetelem k příslušným mezním stavům.
Stejně jako u nových konstrukcí se dostatečná spolehlivost vyjadřuje indexem spolehlivosti β, který odpovídá omezené pravděpodobnosti (např. 10−4), že příslušný mezní stav může být překročen během zbytkové provozní doby. S touto omezenou pravděpodobností tedy může být překročena podmínka spolehlivosti požadující positivní rezervu spolehlivosti:
Při ověřování podmínky spolehlivosti (6.1) se zpravidla uplatňují postupy analogické těm, které se aplikují při navrhování nových konstrukcí:
- metoda dílčích součinitelů s přizpůsobenými součiniteli,
- metoda stanovených (návrhových) hodnot základních veličin,
- pravděpodobnostní metody,
- metody analýzy rizik a optimalizace.
Uvedené metody jsou seřazeny v pořadí náročnosti jejich praktické operativní aplikace a snižujícím se vlivem konzervativních faktorů (zvyšujícím se stupněm výstižnosti). Nejjednodušší avšak nanejvýš konzervativní je metoda dílčích součinitelů. Je zpravidla součástí počátečního postupu hodnocení. Pokud neposkytne vyhovující nebo dostatečně přesvědčivý výsledek, je možné využít další poněkud náročnější avšak výstižnější postupy, metodu stanovených (návrhových) hodnot nebo přímo aplikovat pravděpodobnostní metody, popřípadě metody rizikového inženýrství.
3.2 Metoda dílčích součinitelů s přizpůsobenými součiniteli
Při ověřování spolehlivosti se v obvyklých případech se nejdříve použije metoda dílčích součinitelů s doplňujícími pokyny v ČSN ISO 13822. Dílčí součinitele doporučené v normách ČSN EN 1990 až ČSN EN 1999 mohou být upraveny s ohledem na skutečné vlastnosti základních veličin a požadovanou úroveň spolehlivosti existujících konstrukcí. Spolehlivost konstrukcí se ověřuje na základě stanovených (návrhových) hodnot xai základních veličin Xi, které se stanoví z charakteristických hodnot xki, které jsou stejné jako u nových konstrukcí, a dílčích součinitelů γai, které se mohou lišit od součinitelů pro nové konstrukce. Dolní index „a“ u některých symbolů je počátečním písmenem anglického termínu „assessment“.
V souladu se zásadami normy ČSN EN 1990 se v metodě dílčích součinitelů obecná podmínka spolehlivosti (6.1) nahrazuje požadavkem na kladnou rezervu spolehlivosti g(xai), vyjádřenou na základě stanovených (návrhových) hodnot xai vztahem
kde u veličin zatížení xai = xki ∙ γai, Ea = E(xa1, xa2, xa3, ...), nebo u veličin odolnosti xai = xki / γai, Ra = R(xa1, xa2, xa3, ...).
Charakteristické hodnoty xki základních veličin se stanoví v souladu se zásadami ČSN EN 1990 a materiálově orientovaných norem. Dílčí součinitele γai se stanoví pro stanovenou hodnotu indexu spolehlivosti β, zbývající provozní dobu nebo referenční dobu, skutečné vlastnosti základních veličin a modelových nejistot. U veličin popisující zatížení
U veličin popisující odolnost platí
V uvedených rovnicích se v souladu s ČSN EN 1990 předpokládají součinitele citlivosti αE = 0,7 a αR = −0,8. Součinitele αR a αE však závisí na relativní proměnlivosti základních veličin a mohou být v opodstatněných případech upraveny, například když je náhodná proměnlivost některé základní veličiny zcela dominantní. Pak se doporučuje pro tuto veličinu uvažovat součinitel citlivosti roven v absolutní hodnotě jedné.
V důsledku obecně modifikované hodnoty indexu spolehlivosti β se dílčí součinitele γai pro hodnocení existujících konstrukcí mohou lišit od součinitelů používaných při navrhování nových konstrukcí (po úpravách vycházejí zpravidla nižší).
3.3 Metoda stanovených hodnot
Metoda stanovených hodnot vychází přímo ze stanovených (návrhových) hodnot xai bez užití charakteristických hodnot xki a dílčích součinitelů γai, které jsou zpravidla konzervativní (větší než teoretické hodnoty). Uvažuje se stejná podmínka spolehlivosti (6.2) jako u metody dílčích součinitelů, hodnoty xai se však stanoví přímo na základě pravděpodobnostních vztahů:
u veličin zatížení se stanoví z rovnice
u veličin odolnosti se stanoví z rovnice
Pravděpodobnosti na levých stranách rovnic musí být stanoveny na základě dostupných informací a experimentálních dat o příslušné základní veličině, s přihlédnutím modelovým nejistotám a ke zbytkové životnosti existující konstrukce. Proto je tato metoda náročnější než běžná metoda dílčích součinitelů. Poskytuje však zpravidla příznivější výsledky než metoda dílčích součinitelů (nižší hodnoty zatížení a vyšší hodnosti odolnosti).
3.4 Pravděpodobnostní metody
Při použití pravděpodobnostních metod se spolehlivost existující konstrukce ověřuje na základě pravděpodobnosti poruchy Pf. Konstrukce se považuje za spolehlivou, pokud pravděpodobnost poruchy Pf splňuje podmínku:
kde Pft označuje směrnou pravděpodobnost poruchy během zbytkové životnosti nebo dané referenční doby. Pravděpodobnostní metody se zpravidla uplatní po aplikaci metody dílčích součinitelů a metody stanovených hodnot. Aplikaci metody se doporučuje v souladu se zásadami normy ISO 2394 a pracovními podklady mezinárodní odborné komise JCSS. Směrná pravděpodobnost Pft má být projednána se zadavatelem a příslušnými institucemi.
3.5 Metody analýzy rizik
Metody analýzy rizik se uplatní zejména v případech kdy ekonomické a sociální následky poruchy jsou velmi významné. Základním kritériem analýzy rizik je omezení očekávaných následků, které lze zjednodušeně zapsat ve tvaru podmínky:
kde ER označuje očekávané následky poruchy, C označuje následky poruchy a ERt směrnou úroveň očekávaných následků (přijatelné riziko). Největší problém aplikace této metody je analýza následků, které mohou zahrnovat ekonomické a sociální, popř. kulturní složky. Kombinace obou všech možných druhů následků je velmi složité stejně jako stanovení příslušných směrných (přípustných) hodnot. Dílčí výsledky analýzy rizik lze v některých případech využít k pravděpodobnostním úvahám o optimalizaci celkových nákladů a rizik.
Metody analýzy rizik se zpravidla uplatňují pouze v případech, kdy ostatní způsoby ověřování spolehlivosti existujících konstrukcí neposkytují přesvědčivé závěry. V těchto případech se doporučuje uplatnit obecné zásady analýzy rizik uvedené v normě ISO 2394 [3] a pracovních materiálech mezinárodní společnosti ISO a JCSS.
4. Souhrn
Při hodnocení existujících konstrukcí se uplatňují dvě důležité zásady:
- Aplikuje se metodika současně platných norem a předpisů.
- Uvažují se skutečné charakteristiky materiálů, zatížení, geometrických dat.
Směrná úroveň spolehlivosti existujících konstrukcí se může lišit od úrovně obvykle přijaté po nové konstrukce. Ověřování spolehlivosti lze provést na základě
- metody dílčích součinitelů s přizpůsobenými součiniteli,
- metody stanovených (návrhových) hodnot základních veličin,
- pravděpodobnostní metody,
- metody analýzy rizik a optimalizace.
Poděkování
Tento příspěvek byl zpracován v rámci řešení projektu GAČR 16-11378S.
Literatura
- Luechinger, Paul et al.: New European Technical Rules for the Assessment and Retrofitting of Existing Structures (JRC Science and Policy Report 94918). pp. 125, 2015.
- CEN Technical Specification TS. Assessment of existing structures, CEN/TC 250, 2018.
- ISO 2394. General principles on reliability for structures, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland, 112 pages, 2015.
- ČSN ISO 13822 Zásady navrhování konstrukcí – Hodnocení existujících konstrukcí. ČNI, 2005.
- ISO 12491. (1997). Statistical methods for quality control of building materials and components, Geneva, Switzerland, 1997.
- ČSN 73 0038. Hodnocení a ověřování existujících konstrukcí – Doplňující ustanovení. ČSNI, 2015.
- ČSN EN 1990 Eurokód. Zásady navrhování konstrukcí. ČNI, 2004.
- prEN 1990 Eurocode – Basis of structural design, draft 2018.
- ČSN EN 1991-1-1, Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-1: Obecná zatížení, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb. ČNI, 2004.
- Rackwitz, Rudiger. Optimization – the basis of code-making and reliability verification. Structural Safety, 22(1): p. 27–60, 2000.
- JCSS Joint Committee for Structural Safety. “Probabilistic Model Code”, http://www.jcss.byg.dtu.dk/, 2001.
- Holický, Milan. Reliability analysis for structural design, SUN MeDIA Stellenbosch, ZA, ISBN 978-1-920338-11-4, 199 pages, 2009.
- Holický, Milan. Operational approach to assessment of existing structures, ICOSSAR. Vienna, 2017.
- Holický, Milan. Introduction to Probability and Statistics for Engineers, Springer, Heidelberg, New York, London, 2013.
- Holický, Milan. Aplikace pravděpodobnosti a matematické statistiky, ČVUT 2015.
The upcoming CEN Technical Specification (TS) on assessment of existing structures is related to the fundamental concepts and requirements of the current generation of EN Eurocodes. The final draft of the Technical specification was already submitted to the technical committee CEN TC250 in April 2018. The document concerns all types of buildings, bridges and construction works, including geotechnical structures, exposed to all kinds of actions. It contains requirements, general framework of assessment, data updating, structural analysis, different verification methods (partial factors, probabilistic methods, risk assessment), interventions, heritage building. The submitted contribution provides background information on the principles accepted in the final draft of TS and practical examples of applications of existing structures including panel buildings.
