Chování vybraných konstrukčních systémů budov při tornádu

Tornádo zasáhlo dne 24. 06. 2021 oblast v délce cca 26 km od Břeclavi po Hodonín a v šířce cca 0,7 km. Byly poničeny objekty zděné, dřevěné, ocelové i betonové. Jednalo se o jednoduché plotové stěny, stožáry, dvorní stavení, rodinné domy, jednoduché haly ale také rozsáhlé průmyslové a zemědělské objekty.

Úvod

Tornádo představovalo zcela jistě mimořádné zatížení na všechny konstrukce v dané oblasti. Je to zatížení, na které nebyly konstrukce v minulosti ani v současné době navrhovány. Tornádo svým rozsahem způsobilo obrovské materiální škody na poměrně velké oblasti. Zpráva [1] ČHMÚ udává stupeň tornáda na Fujitově stupnici až F4, tedy vítr dosahující rychlosti cca 400 km/hod. U stupně F4 tornádo srovnává pevně postavené domy se zemí, konstrukce nedostatečně ukotvené jsou odnášeny pryč. Tornádo pohazuje s auty, vytváří projektily z těžkých předmětů.

Pro srovnání, v dané oblasti uvažujeme při výpočtech zatížení stavebních konstrukcí se základní rychlostí větru 25 m/s = 90 km/hod., [2]. Rychlost větru při tornádu tedy 3× až 4× přesahovala normové požadavky. Je zřejmé, že na takového rychlosti větru navrhovat běžné stavby není a nikdy nebude možné. Bylo by to mimo ekonomické možnosti společnosti. Nepředpokládá se, že by kvůli tomu byla upravena mapa větrových oblastí. Zvýšení základní rychlosti větru o pár m/s nemá totiž vzhledem k daným rychlostem tornáda význam.

Je ale možné se z chování jednotlivých staveb alespoň trochu poučit, popsat typové chování a následně se pokusit při projektování rekonstrukcí a nových staveb úpravou konstrukčního řešení předejít velkým destrukcím objektů – a alespoň částečně tím omezit případné vzniklé škody.

Při prohlížení zasažených staveb po tornádu se autoři setkali s poměrně rozmanitými typy staveb s rozmanitými konstrukčními systémy. Z celkového počtu cca 1200 [3] zasažených domů autoři článku měli možnost prohlédnout cca 100 objektů. Popis chování tedy vychází z osobně prohlédnutých objektů. Pochopitelně se tak v dané oblasti mohly vyskytovat i další objekty, které se mohly chovat jinak. Následující popis proto určitě není kompletní. Je třeba říci, že prvotní prohlídky byly prováděny na základě vizuálního zkoumání, bez zkoušek a průzkumů.

Jednoduché stavby

Jedná se o různé ploty mezi sousedními pozemky, sloupy elektrického vedení a osvětlení, vinohradnické sloupky, pomníky na hřbitovech, různé přístřešky apod. Tyto stavby nemívají velký statický význam, nesou převážně pouze vlastní tíhu. Většinou se proto navrhují konstrukčně. Ať už tyto konstrukce byly zděné, betonové, kamenné, drátěné nebo ocelové, bez ohledu na stáří dopadly většinou stejně. Nastala jejich naprostá destrukce, obr. 1 a 2.

Obr. 1 Poškozené pomníky na hřbitově v Moravské Nové Vsi

Obr. 2 Zlomený sloup veřejného rozhlasu

Přidružené stavby

Obr. 3 Poškozená krytina a stěny dvorního stavení

V zadních částech rodinných domů se nalézala různá dvorní hospodářská stavení (stodoly, chlévy, sklípky apod.). Jednalo se maximálně o jednopodlažní zděné objekty s dřevěným krovem a s krytinou z keramických tvarovek. Většinou již starší objekty, zděné tak říkajíc z toho, co obvykle někde zbylo. Použity byly pálené cihly, ale také nepálené (kotovice), cihly různého typu, tvaru (plné cihly, duté cihly, pórobetonové apod.), vazba mnohdy nevalné kvality. Objekty byly obvykle bez ztužujících věnců. Krov velmi často nebyl kotven do věnců ani do zdiva, obvykle byl i málo ztužen. Účinkem tornáda došlo u těchto objektů většinou k destrukci krytiny i krovu, často k pádu krovu dovnitř objektu. To mnohde znamenalo i statické narušení obvodových stěn a případných stropních konstrukcí. Oprava těchto objektů většinou nedávala z ekonomického hlediska smysl. V mnoha případech tyto objekty již nebyly léta využívány, a tak častým řešením byla jejich celková demolice, obr. 3 a 4. Pochopitelně odstraňování těchto objektů přicházelo na řadu až po zajištění základního obydlí majitelů.

Obr. 4 Destrukce dvorního stavení

Obr. 5 Poškozená ocelová zemědělská hala

Lehká ocelová zemědělská hala v zadní části pozemku rodinného domu zůstala po tornádu bez krytiny, došlo k deformaci většiny ocelových prvků konstrukce i konstrukce jako celku, k posunům výplňového zdiva a ztrátě integrity zdiva, obr. 5. Sanace takovýchto objektů by byla náročnější než jejich nová výstavba. Proto bylo u těchto objektů rozhodnuto o demolici.

Rodinné domy

Rodinné domy na jižní Moravě typicky vytvářejí řadovou zástavbu. Jednotlivé objekty jsou zpravidla různě provázané, místy se společnými štítovými stěnami, časté jsou sousední domy různé výškové úrovně. Z toho následně plynula celá řada typických poškození. Rodinné domy v této oblasti byly většinou zděné, jedno až dvou podlažní se sedlovou střechou s hřebenem rovnoběžným s uliční čarou. Velká část z nich měla klasickou půdu. Šlo se setkat s klasickými dřevěnými krovy (obvykle stojatá stolice), ale poměrně často se vyskytovaly i ocelové krovy, obr. 6 až obr. 8.

Obr. 6 Typické vypadnutí štítu rodinného domu

Obr. 7 Typické vypadnutí štítu rodinného domu s ocelovým krovem

Typické poškození těchto domů: domy obvykle přišly o krytinu, vlastní krov zůstal stát, poškozeny byly štíty, komíny, spodní zděné podlaží obvykle zůstávalo staticky nepoškozené nebo poškození bylo nevýznamné. Takto poškozených rodinných domů i větších zděných objektů byla dle zjištění autorů (u jimi posuzovaných objektů) naprostá většina.

Velmi záleželo na kvalitě ukotvení pozednic, zajištění fixace krovu a případné podezdívky ve vodorovném a příčném směru. I když tyto starší domy neměly obvykle ztužující věnce, tak u většiny domů byl krov ukotven dostatečně alespoň do zdiva. V menším počtu případů byly vysunuté krokve z uložení na pozednicích nebo vaznicích. V některých případech došlo k porušení zdiva, do kterého byla pozednice kotvena.

Obr. 8 Pohled do krovu, typické porušení štítu

Obr. 9 Destrukce podkroví spadlým štítem sousedního domu

Štítové stěny byly zděné obvykle na tloušťku cca 15 cm se zesilujícími pilířky 30 × 30 cm. Zřídka byly krovy opatřeny pozedními kleštěmi, a tak štít obvykle vypadl v lepším případě vedle domu, v horším případě došlo k pádu štítu na sousední dům a k proražení sousedního krovu a stropu, obr. 9. To je velká nevýhoda na sebe navazujících domů, které jsou rozdílné výškové úrovně. Je třeba říci, že kvalita štítového zdiva byla velmi rozdílná. Štíty byly často zděné z nekvalitního či nevhodného zdiva (z dutých cihel, typicky pro Hodonínsko i z hurdisek). Únosnost takového štítu je výrazně omezena ve srovnání se zdivem, které splňuje požadavky na nosné zdivo. Havárie takového zdiva je výrazně pravděpodobnější. V místech narušených štítů došlo k rozvolnění krovu, vaznice (celá střešní rovina) byly často deformované ve svislém směru (chyběla svislá podpěra v podobě zděného štítu).

Komínová tělesa (typicky zděné komíny z plných cihel bez vyvložkování) vykazovala množství trhlin (obr. 10), často spadly komíny nad úrovní střechy (nebo stropní konstrukce). Došlo i k narušení stropů pádem zdiva, obr. 11. Ve většině případů bylo nutné zbývající část komína odstranit a vystavět nový. Pokud komín zůstal stát a nevykazoval výrazné statické poruchy, byla nutná revizní prohlídka těsnosti kominíkem a jeho případné vyvložkování.

Obr. 10 Narušení komínového zdiva

Obr. 11 Narušení hurdiskového stropu pádem komínového zdiva

Obr. 12 Dům s dlouhodobě narušeným krovem a zdivem

Naprostá většina těchto domů byla dle názoru posuzovatelů opravitelná a opětovně obyvatelná. Nebylo nutné je bourat celé. Po provizorním zakrytí, revizi ukotvení a celkového stavu krovu, výstavbě nových štítů, bylo možné položit nový střešní plášť. U některých objektů, kde nebyl krov ukotven, tak „uletěl“, ale stavba pod ním zůstala prakticky nedotčena, kde byl ukotven řádně, tak se u řady domů významně potrhala i navazující konstrukce.

Majitele bylo často nutno upozorňovat na nepřetěžování stropních konstrukcí (sutí, krytinou, zdivem ze štítů a komínů). Množství sutin na stropech bylo často enormní.

Vyskytovaly se pochopitelně i starší rodinné domy, které byly dlouhodobě (nezávisle na tornádu) ve špatném stavebním stavu a ekonomicky se je nevyplatilo opravovat. V takovém případě bylo rozhodnutí o demolici domu vždy na majiteli nemovitosti, obr. 12.

Rodinné (bytové) domy s plochou střechou vykazovaly ze statického hlediska výrazně menší poškození, většinou se jednalo o narušené oplechování, atiky a střešní krytiny, obr. 13.

Několik novějších rodinných domů typu bungalov (s netuhou rovinou), u kterých by se očekávalo dostatečné ztužení obvodovými věnci a kotvení vazníků k věnci, zůstalo po tornádu zcela zdevastováno. Ukázala se tak nevýhoda absence tuhých stropů. Výrazně poškozeno totiž bylo i svislé nosné zdivo.

U rodinných domů s obytným podkrovím bylo zaznamenáno poškození podhledů, někdy i zlomené krokve a vaznice, obr. 14.

Při sanacích bude, zejména u novějších staveb, vhodné provést také kontrolu stavebních detailů, které nejsou přístupné a jejichž poškození není nebo nemusí být na první pohled zřejmé. Provedení takové kontroly může být i značně komplikovaný a obtížný úkol. Jedná se např. o poškození parotěsných, izolačních a hydroizolačních vrstev např. obytných podkroví. Poškození tohoto charakteru se projeví až s několikaletým zpožděním např. zvýšenou kondenzací vodních par a navazujícím poškozením dřevěných prvků, snížením tepelných vlastností souvrství atd.

Obr. 13 Nepoškozené domy s plochou střechou

Obr. 14 Posunutí krovu a podhledů v podkroví

Větší zděné objekty administrativní, bytové, kostel apod.

Jednalo se převážně o větší zděné objekty se šikmou střechou (různé bytové domy, penziony, administrativní objekty apod.). Spodní část těchto objektů je poměrně tuhá, obvykle bez výraznějšího statického poškození. Pro jejich poškození platí stejné poznámky jako pro rodinné domy výše. Tedy většinou byly poškozeny štíty, krov zůstal v zásadě zachován. Objekt tak nebylo nutné bourat. Statické opravy se týkaly zejména střešních konstrukcí.

Průmyslové a zemědělské areály

Zřejmě největší devastace nastala u rozsáhlých výrobních areálů (např. Moravské naftové doly v Lužicích nebo areál AgroMoravia v Moravské Nové Vsi, obr. 15 a 16). Jednalo se zejména o halové objekty, mající rozsáhlé plochy vystavené působení větru, obvykle ocelové, někdy betonové. Tyto objekty byly zničeny fatálně: poškozené byly obvodové pláště stěn i střech, poškozená nosná konstrukce. Jde samozřejmě najít výrazné rozdíly v chování ocelových konstrukcí a betonových konstrukcí. Je zřejmé, že betonové konstrukce se obecně chovaly o něco lépe. Jsou tužší a těžší, a tak se dá říci, že jejich poškození bylo menší. Nicméně poškozeny byly také, a to velmi výrazně.

Obr. 15 Poškození areálu v Lužici

Obr. 16 Poškození zemědělského areálu v Moravské Nové Vsi

U ocelových prvků byly některé části za běžného provozu namáhané tahem, při působení větru došlo ke změně způsobu namáhání na tlak, došlo tak k jejich výraznému poškození, obr. 17 a 18. Zmíněná změna silového namáhání se projevila typicky u ztužidel, která u některých ocelových konstrukcí vybočovala v řádu desítek centimetrů ze své původní osy. U hal, u kterých byla konstrukčně použita kombinace ocelových příčných vazeb s vyzděnými či betonovými štítovými stěnami, je nutné počítat s rozsáhlejšími investicemi, než se jeví. Nedošlo u nich ke zřícení, zřejmě vlivem vysoké tuhosti těchto štítových stěn, které navíc chránily mnohdy nedostatečně zavětrované vnitřní ocelové vazby. Došlo ale k nadměrným posunům a náklonům samotných stěn. V důsledku pak nezbývá, než je odstranit a opětovně vyzdít.

Obr. 17 Poškození ocelové konstrukce seníku

Obr. 18 Poškození vyzdívek a ocelové konstrukce

Vlastní nosná část většiny betonových skeletových konstrukcí na první pohled zůstala nepoškozená, nosný skelet zůstal stát, obr. 19. Je třeba upozornit, že to může mnohdy být pouze vizuální dojem. Pro případné opětovné využití objektu je dle názoru autorů třeba podrobnější stavební průzkum a případný přepočet. Ale i u těchto konstrukcí došlo k pádu těžkých střešních panelů a např. k zavalení zvířat, obr. 20.

Obr. 19 Poškození betonové skeletové konstrukce

Obr. 20 Poškození konstrukce kravínu – zavalení zvířat

Typické zemědělské zděné budovy kravínů byly kupodivu v mnoha případech v interiéru téměř nepoškozené, přestože všem chybělo zastřešení. Lze to přičítat těžkým zděným stropům, sestávajícím z velice subtilních kleneb na rozpětí přibližně 3–4 m, podpíraných příčně orientovanými průvlaky s podepřením na fasádním zdivu a vnitřních ocelových sloupech, obr. 21 a 22.

Obr. 21 Odnesená konstrukce krovu u kravína

Obr. 22 Vnitřní prostory kravínů s těžkými stropy bez zásadních poruch

Závěr

Je zřejmé, že v dané oblasti byly postiženy různé druhy stavebních systémů (stěnové, skeletové) a všechny materiálové systémy (zděné, dřevěné, betonové, ocelové). Pochopitelně ne všechny porušené objekty bylo možné v tomto článku popsat.

Při takovýchto prvotních prohlídkách náročných na provedení v krátkém čase s vysokým počtem objektů je velmi důležitá spolupráce více odborníků, zejména statiků. Je výhodné pracovat v malých skupinách, kterých je větší počet, a průběžně sdílet zkušenosti a poznatky. Proto si velmi vážíme spolupráce s ostatními statiky, s kterými jsme měli možnost se na místě setkat.

Tornádo byla jistě velká tragédie pro obyvatele zasažených obcí. Je to ale na druhou stranu velká příležitost k odstranění již řady nevyhovujících objektů, k vybudování objektů nových, popřípadě provedení zásadních rekonstrukcí.

Literatura

1. Český hydrometeorologický ústav, Zpráva k vyhodnocení tornáda na jihu Moravy 24. 6. 2021,
   https://www.chmi.cz/files/portal/docs/tiskove_zpravy/2021/Zprava_k_tornadu_1.pdf
2. ČSN EN 1991-1-4 (73 0035) Eurokód 1: Zatížení konstrukcí, Část 1-4: Obecná zatížení – zatížení větrem, ČNI, červenec 2005, oprava opr. 1 09.08, změna Z1 03.10, oprava opr. 2 05.10, změna Z2 11.11, změna Z3 04.13, Oprava 4 8.20t.
3. https://www.ceskenoviny.cz/zpravy/tornado-podle-hasicu-poskodilo-1202-budov-180-je-nutne-strhnout/2059719