Autor: Ing. Luděk Vejvara, Ph.D., FEng
Abstrakt
Vyšší využití zděných konstrukcí je tématem, jak efektivněji navrhovat tyto konstrukce. Týká se jak návrhu jednotlivých zděných konstrukcí, tak celých zděných staveb.
Tématika vyššího využití zděných konstrukcí má tři následující cíle. Prvním cílem je vyšší využití vlastního materiálu zděných konstrukcí, což vede k vyšší únosnosti a umožňuje ekonomičtější návrh. Druhým cílem je zvýšení celkové spolehlivosti zděné stavby, zajištění její vyšší kompaktnosti a také životnosti. Třetím cílem pak je zvýšení odolnosti zdiva při živelných pohromách, kdy účinky jsou vyšší než obvyklé normové hodnoty používané běžně pro návrh staveb. Zvýšení odolnosti zděných staveb je dnes aktuálním požadavkem pro snížení škod při zejména nadlimitních účincích větru neb jiných mimořádných situacích.
Konstrukce jsou dnes navrhovány podle platných norem a na základě empirické zkušenosti. Na mimořádné účinky jsou dimenzovány pouze v případech, kdy je to vyžadováno předpisy, zejména požárními. U zděných konstrukcích je dnes často postupováno podle zaběhnutých postupů a řešení těchto konstrukcí je mnohdy považováno za banální. Co když však poškození překročí účinky stanovené normami? Jak zvýšit odolnost stavby v jejím návrhu? Co mohu udělat, aby stavba byla stabilnější nebo jednoduše pevnější? Proto je tento text věnován návodům pro zvýšení odolnosti běžných nízkopodlažních i vícepodlažních zděných staveb včetně možností zvýšení odolnosti za běžnou mez danou současně platnými normami a zvyklostmi. Využito je i poznatků z účinků tornáda na jižní Moravě na zděné stavby.
Dokument byl zpracován za podpory ministerstva průmyslu a obchodu (MPO).
Obsah
ÚVOD
Tento text se zabývá vybranými případy návrhu a provádění zděných konstrukcí používaných v pozemním stavitelství.
Celý dokument má orientační charakter a je úvodem do celé popisované problematiky. Poukazuje na zjištěné skutečnosti v používání zděných konstrukcí. Předpokládá se jeho další rozpracování ve spolupráci s dalšími odborníky z praxe a z vysokých škol. Účelem dokumentu není kritika jiných názorů. Má zahájit seriózní technický rozbor, který povede k vyššímu využití zděných prvků, jejich navrhování a užívání na stavbách nízkopodlažních i vícepodlažních zděných staveb na straně jedné a ke snížení rizik vyplývajících z nevhodného použití zděných prvků na straně druhé. Cílem těchto prací je větší spolehlivost, životnost, odolnost a tuhost zděných staveb.
Zároveň se ukazuje názor, který spatřuje zvýšená rizika pro správné a spolehlivé působení zděných konstrukcí. Se zvýšenými riziky se setkáváme v průběhu praxe a při výrazných poruchách staveb způsobených při mimořádných klimatických účincích v posledních létech. Touto problematikou se zabýváme také proto, abychom ukázali na možná technická řešení ke zlepšení funkce zděných konstrukcí a zvýšení jejich spolehlivosti. Tímto chceme také ukázat na nevhodná, nedokonalá a nesprávná řešení, používaná dnes u některých staveb. Jedná se zejména o jejich lepší statické působení a vyšší využití průřezů zděných konstrukcí. To platí samozřejmě za použití současné platné technické normy pro navrhování zděných konstrukcí – Eurokódu 6.
Obr. 1 Příklad současných zděných konstrukcí – pálené cihly jako stěny bytového domu
Výrobci cihel zavedli v minulém období do svých katalogů řadu ukázkových detailů a technických řešení zděných konstrukcí pro používání jimi dodávaných prvků. Tato pomoc praxi je určitě vítána a ukazuje každému možnosti použití výrobků. Protože každá stavba je jiná, je pro konkrétní stavbu bezpodmínečně nutné zvážit použití nabízených vzorových řešení, což bývá u jednotlivých detailů uvedeno.
Důraz je v současné době kladen i na jiné faktory, než je statické řešení a konstrukčně ideální působení zdiva. Do zděné konstrukce zasahují tepelně izolační a akustické požadavky. Další faktorem jsou současné požadavky vlastní realizace na jednoduchost a rychlost provádění zdiva.
Správně by každá projektová dokumentace měla pro stavbu mít svůj návrh nosné konstrukce a svoje vlastní řešené detaily. Praxe je ovšem dnes často jiná. Vlivem zjednodušování přístupu k problému zděných konstrukcí a finančních úspor na projekty, dochází k nesprávnému technickému řešení zděných staveb. Bohužel svoji roli hraje zde i prosazováním nevhodných názorů a také technických neznalostí pracovníků na všech úrovních. Řešení se hledá právě v přebírání již jinde použitých detailů. Často nejsou vypracovány podrobné prováděcí výkresy stavby nebo se jednotlivé projektové činnosti rozplynou do dodavatelské dokumentace různých částí stavby, často bez dostatečné koordinace. To platí zejména u malých a nízkopodlažních staveb a individuální výstavby.
Větší využití zděných konstrukcí a materiálů je vhodným řešením pro zajištění vyšší efektivity zděných staveb při zajištění jejich celkové tuhosti. Myšlenka hledání většího využití zděných konstrukcí se objevila v chvíli, kdy jsme sledovali účinky tornáda na zděné stavby v roce 2021 na Jižní Moravě. Několikanásobné zvýšení tlaku větru a jeho extrémní sání způsobovalo poruchy zděných stěn až po rozvalení celých staveb. V té chvíli jsme si uvědomili, že současné běžně používané systémy a konstrukce zděných staveb by měly být uzpůsobeny také pro větší odolnost vůči takovým mimořádným účinkům. Samozřejmě nejde o to vytvořit zděnou stavbu tak mohutnou, která by odolala rychlosti větru za tornáda, která na Moravě byla třikrát větší, nežli je nejvyšší účinek větru vypočtený podle platných zatěžovacích norem. Jde však o to, aby zděná stavba byla odolnější a pevnější, a měla vyšší spolehlivost nad rámec běžného provádění a splnění požadavků současných norem. Aby tedy měla i své vnitřní rezervy vyplývající z vhodného uplatnění tlakových a tahových pevností materiálů, z jejich spolupůsobení apod. Z uvažovaných extrémních účinků nejde vždy jen o tornádo, ale i o výrazný vítr, vichřice a jiná mimořádné zatížení. Může jít o vnitřní i vnější výbuchy, například plynu. Vzhledem k událostem na Ukrajině v březnu 2022, může být aktuální řešit i zvýšení odolnosti vůči střelbě a jiné vojenské činnosti. Dále je zde také nebezpečí účinků zemětřesení, a to zejména v oblastech se seismicitou při západním, severním a východním okraji republiky. Možnosti posílení zděných staveb proti tomuto účinku ukazuje norma Eurokódu 8, ČSN EN 1998-1:2006 část 1, která je přímo určená pro navrhování stavebních konstrukcí odolných proti zemětřesení.
Cílem všech opatření je nejen zvýšení spolehlivosti a prodloužení životnosti zděných staveb, ale i snížení následků a nákladů na opravy. Základní otázkou je, jak zdivo a zděné stavby posílit. Chtěli bychom ukázat, že toho lze dosáhnout vhodnou volbou zdiva, jeho promaltováním a zavázáním, ztužením a vyztužením nebo spojením se stropními konstrukcemi. Příkladem takového řešení je účinnější řešení styku stropní konstrukce a zděné stěny.
Uváděná řešení by měla být uvažována pro všechny typy a materiály zdicích prvků, zejména pálené cihly, pórobeton, betonové cihly a bloky a vápenopískové cihly.
1 POŽADAVKY NA NÁVRH ZDĚNÝCH KONSTRUKCÍ
1.1 ZÁKLADNÍ ÚČEL ZDĚNÝCH KONSTRUKCÍ
Základní požadavek na použití zděných konstrukcí obecně zůstává stále stejný. Jde o zajištění mechanické odolnosti a stability jako prvního ze základních požadavků na stavby uvedených v platných předpisech, tj. vyhlášky č. 268/2009 Sb., o technických požadavcích na stavby, i v § 145 nového stavebního zákona (zákon č. 283/2021 Sb.). Je třeba také uvažovat i ostatní základní požadavky na stavby jako je úspora energie a energetická náročnost nebo odolnost proti hluku.
Cílem návrhu stavby je její stabilita, odolnost a v ideálním případě stav bez poruch.
V důsledku v současnosti vyráběného velkého množství tvarově i materiálově rozdílných zdících prvků lze říci, že pro každou sílu stěny a konkrétní materiál zdicího prvku je třeba užít trochu jiné řešení.
Obr. 2 Příklad – současné domy z pórobetonu, Zdivo 300 mm plus budoucí vnější kontaktní zateplovací systém
1.2 SOUČASNÉ POŽADAVKY NA ZDĚNÉ KONSTRUKCE
Zděná konstrukce musí splňovat v první řadě platné předpisy. Těmi nejvyššími jsou základní požadavky na stavby podle vyhlášky č. 268/2009 Sb. Jedná se o šest základních požadavků podle § 8:
Stavba musí být navržena a provedena tak, aby byla při respektování hospodárnosti vhodná pro určené využití a aby současně splnila základní požadavky, kterými jsou:
- a) mechanická odolnost a stabilita,
- b) požární bezpečnost,
- c) ochrana zdraví osob a zvířat, zdravých životních podmínek a životního prostředí,
- d) ochrana proti hluku,
- e) bezpečnost při užívání,
- f) úspora energie a tepelná ochrana.
1.3 POŽADAVKY PODLE NOVÉHO STAVEBNÍHO ZÁKONA
Požadavky na stavby přecházejí do nového stavebního zákona č. 283/2021 Sb. v § 145 s následujícím textem:
Stavba musí být navržena a provedena tak, aby byla vhodná pro určené využití a po celou dobu trvání plnila při běžné údržbě a působení běžně předvídatelných vlivů základní požadavky na stavby, kterými jsou:
- a) mechanická odolnost a stabilita,
- b) požární bezpečnost,
- c) ochrana zdraví,
- d) ochrana životního prostředí,
- e) bezpečnost při užívání, provozu a údržbě,
- f) úspora energie, úspora energie,
- g) udržitelné využívání přírodních zdrojů.
1.4 NORMY PRO NAVRHOVÁNÍ ZDIVA
Zděné stavební konstrukce v současné době navrhujeme a posuzujeme podle norem zahrnutých do skupiny Eurokódu 6. Pro tento Eurokód je celoevropsky určeno označení EN 1996.
Do Eurokódu 6 patří následující normy:
Základní norma:
ČSN EN 1996-1-1:2013 Eurokód 6. Navrhování zděných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla pro vyztužené a nevyztužené zděné konstrukce
Norma pro požární účinky:
ČSN EN 1996-1-2:2006 Eurokód 6. Navrhování zděných konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru
Norma pro provádění a materiály:
ČSN EN 1996-2:2007 Eurokód 6. Navrhování zděných konstrukcí – Část 2: Volba materiálů, konstruování a provádění zdiva
Norma pro zjednodušené metody výpočtu:
ČSN EN 1996-3:2007 Eurokód 6. Navrhování zděných konstrukcí – Část 3: Zjednodušené metody výpočtu nevyztužených zděných konstrukcí
Norma ČSN EN 1996-1-1 a související výše uvedené normy řady 1996 jsou jedinými platnými normami pro navrhování zděných konstrukcí v České republice od března 2010, kdy skončila platnost původní československé normy ČSN 73 1101 Navrhování zděných konstrukcí a byly zrušeny tzv. přednormy označené ENV.
2 SOUČASNÝ STAV ZDĚNÝCH KONSTRUKCÍ
2.1 SOUČASNÝ STAV
V uplynulých třiceti létech došlo k výraznému rozvoji zdicích prvků a posunu v technologii a výstavbě zděných pozemních staveb. Používány jsou nové zdicí prvky s většími rozměry a účelovými otvory, jiné typy malt a nové technologie vyzdívání. To přináší nové postupy oproti dříve užívaným a ověřeným metodám zdění, zejména z plných cihel při celoplošném maltování vodorovných i svislých spar.
2.2 DRUHY ZDICÍCH PRVKŮ
Zdicí prvky jsou podle stávající platné normy ČSN EN 1996-1-1 rozděleny do šesti skupin:
- pálené zdicí prvky podle normy ČSN EN 771-1;
- vápenopískové zdicí prvky podle ČSN EN 771-2;
- betonové tvárnice s hutným nebo pórovitým kamenivem podle ČSN EN 771-3;
- pórobetonové tvárnice podle ČSN EN 771-4;
- zdicí prvky z umělého kamene podle ČSN EN 771-5;
- pravidelné zdicí prvky z přírodního kamene podle ČSN EN 771-6.
Obr. 3 Ukázka stěny z betonových cihel BSK Livetherm v tloušťce 400 mm s vloženou tepelnou izolací
2.3 SKUPINY TYPŮ ZDICÍCH PRVKŮ PRO NOSNÉ KONSTRUKCE
- se svislými dutinami do 25 % – skupina 1 (1S do 5 %), převážně pro nosné a akustické zdivo;
- se svislými dutinami do 55 % – skupina 2, určené převážně pro nosné a akustické zdivo;
- se svislými dutinami do 70 %. skupina 3, určené pro nosné obvodové zdivo i pro vyzdívky skeletů;
- se svislými dutinami vyplněnými tepelnou izolací, skupina 3, určení jako předchozí;
- s velkými svislými dutinami vyplněnými tepelnou izolací, skupina 3, určení jako předchozí.
Podrobnější údaje k zařazení zdicích prvků do skupin jsou v tab. 1.
Tab. 1 Rozdělení zdicích prvků do skupin podle materiálů a provedení cihel
2.4 PROVEDENÍ ZDICÍCH PRVKŮ PODLE ROZMĚRŮ
- běžné, pro užití obyčejné malty a lehké malty;
- přesné – broušené pro užití tenkovrstvé malty.
2.5 SPOJENÍ ZDICÍCH PRVKŮ V LOŽNÉ (VODOROVNÉ) SPÁŘE
- obyčejná malta celoplošně nebo v pásech;
- lehká malta celoplošně nebo v pásech;
- tenkovrstvá malta celoplošně;
- tenkovrstvá malta v pásech;
- lepidla a pěna nahrazující maltu celoplošně (vč. pro pórobeton);
- zdicí pěna v pásech (několik výrobců pěny).
2.6 NEJVÍCE DNES UŽÍVANÝ TYP ZDIVA Z PÁLENÝCH ZDICÍCH PRVKŮ
- broušené pálené cihly;
- tenkovrstvá malta nebo zdicí pěna v pásech;
- nevyplněná styčná (svislá spára).
2.7 DVA HLAVNÍ TYPY OBVODOVÉHO ZDIVA
Pro uložení stropních konstrukcí a řešení detailů je důležité následující rozdělení zdiva na dva typy:
- Jednovrstvé zdivo, tj. s použitím jedné cihly na tloušťku stěny bez dalších úprav mimo omítky.
- Stěny z více vrstev, tj. s nosnou zděnou stěnou doplněnou vnější tepelnou izolací nebo i pláštěm.
Volba jednoho z uvedených typů je zásadní rozhodnutí pro řešení zděné konstrukce. Pro jednovrstvé zdivo vycházejí složitější detaily.
2.8 NAVRHOVÁNÍ ZDIVA PODLE EUROKÓDŮ ŘADY ČSN EN 1996
Pevnosti v tlaku zdicích prvků pro výpočty a návrh (normalizovaná pevnost v tlaku fb) lze podle normy získat ze zkoušek (v projektové praxi nereálné) nebo z údajů výrobců.
Eurokód uvažuje pouze s třemi druhy malt (obyčejná, lehká, tenkovrstvá), hodnoty pro užití jiných typů spojení (pěna) je nutno převzít od výrobců.
Obr. 4 Schéma současných zděných staveb s různým řešení nosné konstrukce
2.9 STATICKÉ ŘEŠENÍ
Podle statického působení konstrukcí stavby a vazby mezi vodorovnými nosnými konstrukcemi a zděnými stěnami můžeme zděné stavby rozdělit na několik typů. Jedná se o následující dělení:
- a) Přízemní jednopodlažní stavby pouze se střešní konstrukcí a zděnými stěnami nebo pilíři. Tyto stavby mají stěny, které musejí samy zabezpečit stabilitu stavby, pokud nelze využít vodorovné tuhosti střešní konstrukce a příčných stěn.
- b) Nízkopodlažní stavby jsou jedno až třípodlažní budovy s pevnými vodorovně tuhými stropními konstrukcemi. Patří sem i domy s druhým nebo třetím podlažím řešeným jako podkroví. Stropní konstrukci nad posledním podlažím může střešní konstrukce z vazníků nebo krovu.
- c) Vícepodlažní stavby od čtyř podlaží mají tuhé stropní konstrukce zavázané do příčných stěn. Při větším počtu podlaží, celkem do šesti, platí stejné zásady jako pro předchozí kategorii.
- d) Vysokopodlažní zděné stavby uvažujeme v našich podmínkách od sedmi podlaží. Musí obsahovat tuhé stropní konstrukce, které přenášejí účinky větru na příčné stěny.
3 FAKTORY A MOŽNOSTI ZVÝŠENÍ ODOLNOSTI ZDĚNÝCH STAVEB
3.1 FAKTORY ZVÝŠENÍ ODOLNOSTI
Jaké faktory jsou důležité pro zvýšení spolehlivosti zdiva? Jedná se o faktory, které ovlivňují konstrukce zdiva, jeho únosnost a stabilitu.
Jsou to:
- štíhlost stěny;
- opření o tuhé vodorovné konstrukce;
- vzdálenost příčných stěn;
- zesílení pilíři;
- průběžnost zdiva;
- maltování spar;
- neoslabování zdiva;
- osazení lokálních zatížení;
- spojení stěn a stropní konstrukce;
- omezení mimostředných zatížení.
3.2 ŠTÍHLOST STĚNY
Štíhlost stěny je vedle výstřednosti svislé síly základním faktorem, který má vliv na únosnost zdiva. Vyšší stěny a pilíře mají menší únosnost.
Zjednodušeně je možné říci, že štíhlost je u zdiva poměrem výšky stěny a její tloušťky. Přesnější definice hovoří o poměru vzpěrné neboli účinné výšky a tloušťky zdiva. To platí pro průběžné stěny a obdélníkový vodorovný průřez zdiva. Pro obecný nebo nepravidelný průřez se využije poměru vzpěrné výšky a poloměru setrvačnosti označeného běžně i.
Uvažovaná výška označená h je vzdálenosti mezi patou stěny u spodní stropní konstrukce nebo základu a hlavou stěny u horní nosné stropní konstrukce. To platí, pokud je stěna upnuta mezi pevné a tuhé stropní konstrukce. Obvykle se výška stěny pohybuje mezi 2 750 až 3 250 mm, pro bytové zděné stavby bývá obvykle 2 750 mm. Stěna může samozřejmě být i vyšší. Podle tloušťky můžeme stěny rozdělit na široké, tj. například 375, 440 nebo 500 mm a štíhlé, tj. například 240, 250 nebo 300 mm. Někteří výrobci přistupují jako ke stěnám nosným i k takovým, které mají šířku 175 mm. Existují dvě základní skupiny stěn podle štíhlosti při výšce kolem 3 000 mm a tuhém stropu – skupina širokých stěn se štíhlostí 60 až 80 mm a skupina štíhlých stěn se štíhlostí 100 až 125 mm. Pokud nebude stěna dobře opřena o strop (tedy nelze uplatnit předpoklad vetknutí do tuhé konstrukce), zvýší se štíhlost o 50 až 100 %. Při užších nebo vyšších stěnách budou štíhlosti ještě vyšší. Celou úvahou se zabýváme proto, že štíhlosti do 100 mm nejsou tak nebezpečné jako nad 200 mm, neboť tyto méně odolávají ve vzpěru, tj. vybočení stěny. Zdivo také není efektivně využito, o čemž svědčí nízký zmenšovací součinitel při výpočtu únosnosti. Navíc zde působí ještě výstřednost svislé síly ve zdivu, která velikost součinitele, a tím i únosnosti, dále snižuje. Je proto doporučeno užívat pro obvodové stěny široké cihly první skupiny, kde vzpěr nerozhoduje, nebo úzké cihly druhé skupiny s opřením o tuhé stropní tabule.
Ke snížení výstřednosti svislé síly a tím i vyššímu využití zdiva je velmi vhodná konstrukční úprava v uložení stropu. To znamená zpracovat návrh detailu uložení.
Obr. 5 Opření štíhlé stěny z vápenocementových cihle o tloušťce 175 mm do betonové stropní konstrukce (viditelný pás)
3.3 OPŘENÍ O STROPNÍ KONSTRUKCE
Opření zděné stěny v hlavě o stropní konstrukci je základním předpokladem pro zvýšení její únosnosti. Umožnuje snížení její vzpěrné výšky uvažované do výpočtu.
Druhým důvodem je možnost využití tuhé stropní roviny k přenosu vodorovných sil ze stěny na příčné stěny. Tím je zároveň zajišťována i vyšší tuhost celé stavby. Zejména u vysoko podlažních budov je takové schéma žádoucí. Spojením stěn ve dvou kolmých rovinách s pomocí stropní konstrukce se vytváří kompaktní soustava přirovnatelná k uzavřené krabičce sirek.
3.4 PRŮBĚŽNOST ZDIVA
Prvkem pro vyšší využití zdiva a tvorbu vnitřních rezerv je jeho průběžnost bez předělení vloženými prvky mimo stropů. Mezi cihly vložená tepelná izolace nebo do vodorovných spar vložené pásy zdivo rozdělují a neumožňují spojení maltou. Účinnost spojení zdiva a stropní konstrukce pak závisí pouze na tření. To je odvislé od velikosti svislé síly a součinitel tření mezi zdicím prvkem a materiálem pásy nebo stropu.
Propojení zdiva ve vodorovné spáře maltou zvyšuje jeho vzájemné spojení a v případě vzniku drobných tahů zachovává jeho kompaktnost až do překročení tahové pevnosti malty. To je právě rezerva pro vyšší odolnost proti účinku mimořádného zatížení. Proto je maltování staticky výhodné.
3.5 MALTOVÁNÍ ZDIVA
Maltování spar je důležité pro spojení cihel ve stěnu a roznesení zatíženou stěnou. Pokud maltujeme pouze vodorovné spáry, jak je dnes obvyklé, je propojení dnešních cihel a kompaktnost stěny zaručena pouze dobrou převazbou cihel a přitížením v této převazbě. Na styčné, tj. svislé spáry, které jsou mezi cihlami volné, se nelze spolehnout. To dobře může fungovat při svislém a téměř centrickém zatížení stěn.
Pokud bychom dosáhli i maltování styčných spar, vytvoříme ze zdiva kompaktnější blok pro přenos zatížení a zejména excentrických a vodorovných účinků. Excentrické účinky nám udávají stropní konstrukce a vodorovné účinky, například vítr. Maltování svislých spar je forma dalšího zpevnění zdiva a zajištění jeho vyšší odolnosti a spolehlivosti, což bylo se dříve běžně užívalo. I když dnes je trend cihly pouze sesazovat k sobě a maltovat jen ložné spáry, je třeba se zamyslet, zda je to vždy vhodné. Jde o pilíře, uložení nosníků a překladů nebo vodorovné zatížení větrem. Zde pro lepší funkci zdiva a jeho spojení je nutné styčné spáry maltovat. Případně je vhodné provést sérii experimentů, které ukáží, do jakých poměrů zatížení a štíhlostí je tento problém ještě zanedbatelný, a od jakých poměrů zatížení, štíhlostí a tuhostí konstrukce ho již zanedbat nelze. Zde se otevírá pole pro zkoušky jednotlivých typů zdicích prvků. Velmi dobrým řešením by bylo získání grantu pro tyto účely.
Obr. 6 Ukázka zdiva z pálených cihel na tenkovrstvou maltu (s doplněním poškozených styčných spar pěnou)
3.6 NEOSLABOVÁNÍ ZDIVA
Každý si dovede představit, že oslabení zdiva otvory pro průchody, okna nebo dveře a oslabení nikami má vliv na jeho nosnost. Oslabení je třeba rozdělit do dvou skupin. Do první skupiny patří oslabení zdiva vyplývající přímo z návrhu dispozice stavby. Jedná se o okenní otvory, dveře a průchody. Tato oslabení lze přímo řešit úpravou zděné konstrukce na únosnější nebo náhradou zdiva vloženými betonovými, železobetonovými nebo ocelovými sloupky. Druhá skupina zahrnuje prvotně neplánované otvory a niky. Jedná se o dříve neupřesněné prostupy a skříně pro instalace a zařízení nebo o změny ve stavbě.
Obr. 7 Možnosti ztužení dlouhých stěn nízkopodlažních budov (červeně nosné stěny, zeleně příčky)
3.7 OSAZENÍ LOKÁLNÍCH ZATÍŽENÍ
Lokální zatížení na zděnou stěnu mohou vyvolat dva případy. Tím prvním je osazení výrazně zatíženého průvlaku nebo jiného prvku, tím druhým zařízení umístěné přímo nad stěnou nebo na stěně.
Roznesení lokálního neboli soustředěného zatížení je podle údajů v normě nejvýše pod úhlem šedesáti stupňů. To platí i pro zdivo z cihel s nevyplněnými styčnými spárami.
3.8 SPOJENÍ STĚN A STROPNÍ KONSTRUKCE
Styk stěny a stropní konstrukce je základním prvkem pro zajištění tuhosti zděné stavby. Rozlišujeme styk obvodové a vnitřní stěny se stropem. U obvodové stěny musíme řešit jednostranné uložení stropní konstrukce a požadavky na tepelné izolování. U vnitřní stěny tyto záležitosti většinou odpadají.
V místě styku stropní konstrukce a zděné stěny dochází dnes vzhledem k uplatňování tepelně technických požadavků k rozšiřování tepelné izolace vkládané do stěny.
Stav a možnosti řešení jsou patrné z obr. 8.
Obr. 8 Roznášení pod soustředěným zatížením
Přehled variant:
- 1. platí pro stěny bez izolování nebo při použití vnější vrstvy tepelné izolace (izolace nezakreslena);
- 2. doporučené řešení s izolací na kraji stěny, kdy vzniká velká plocha betonu pro přenos tíhy od stěny a stropu na spodní část stěny;
- 3. řešení s věncovkou, a při vnějším zateplení (nezakresleno);
- 4. použití s betonovou věncovkou, která může přenést část svislé síly od stěny, a to podle svojí tuhosti. Bohužel betonové věncovky není obvyklé téměř používat a nejsou ani pro tento účel přímo vyráběny.
- 5. současné konstrukce, kde narůstá tloušťka tepelné izolace uvnitř stěny. Zmenšuje se plocha betonu a zdiva pod ním pro přenos svislé síly. Možným zlepšením je omezení tloušťky izolace ve spojení s užitím více účinné této izolace (o 20 až 40 %).
- 6. shodné řešení ad 4) s vloženou intenzivní slabší tepelnou izolací.
Navrhujeme používat staticky výhodnější řešení ad 2) s použitím více efektivní tepelné izolace. Tím dojde ke snížení tloušťky této izolace na cca 60 až 80 mm. Tato omezená tloušťka by měla být volena ze statických důvodů s ohledem na tloušťku stěny. Potřebná tepelně izolační schopnost celé stěny by měla být řešena mimo styk strop-stěna navýšením izolačních schopností běžné části stěny nebo její izolace.
a) Beton stropu včetně věnce je odskočen od vnějšího líce stěny.
Zatížení od horní stěny přenáší betonová část průřezu s excentricitou výslednice od horní stavby a s vlivem zmenšené úložné plochy na stěně. Průběh napětí je přibližně trojúhelníkový, lichoběžníkový až mezní obdélníkový podle velikosti a polohy výslednice.
Obr. 9 Schéma doporučených možností uložení betonové stropní konstrukce na zdivo
b) V líci stěny je použita cihelná věncovka, za ní tepelná izolace a zbytek je věnec a beton stropu.
Toto řešení v podstatě působí jako předchozí případ. Rozdíl je jen v tom, že odskok nahrazuje věncovka za ní měkká tepelná izolace. Je třeba si uvědomit, že věncovka je pálená svisle děrovaná cihla s pevnostní značkou nejvýše P15. Věncovka je z podstatně měkčího materiálu než beton a je uložena na vrstvě malty, případně dnes i spojovací pěny. Celá tato sestava je měkčí nežli betonová část průřezu vytvořená věncem a stropem. Zdivo věncovky má podstatně nižší modul pružnosti, který odpovídá tisícinásobku charakteristické pevnosti zdiva. U pórobetonu je tato hodnota uvažována ještě nižší, pouze jako sedmsetnásobek této pevnosti.
Tuhost ve stlačení ve zjednodušené podobě popisujeme jako součin modulu materiálu E a plochy A. Vynásobíme-li plochu betonu v místě uložení stropu a porovnáme s plochou a modulem zděné věncovky, vychází nám výrazně a jednoznačně vysoká tuhost pouze u betonové části průřezu. Jen moduly pružnosti pro beton se pohybují od 25 000 MPa výše, ale moduly pro zdivo jsou na úrovni o řád nižší. Uvažujeme-li beton C 20/25 podle dnes platné normy eurokódu 2, tak jeho tabulková hodnoty pro modul pružnosti E činí 29 000 MPa. Pálené zdivo má charakteristickou pevnost 2,0 MPa pro cihly P15 a cementovou maltu a modul pružnosti 2 000 MPa.
Celá předchozí úvaha záleží na pevnosti věncovky a použité maltě. Pokud bychom uvažovali že věncovka je pevnosti 15 MPa a je uložena na cementové maltě též o pevnosti 15 MPa, dalo by se uvažovat o zvýšení modulu pružnosti této části zdiva. Pouze s předběžnou úvahou a jistou odbornou zkušeností lze říci, že modul pružnosti by se pak pohyboval v tisících až nejvýše k 15 000 MPa. Tímto bychom se mohli dostat k tomu, že věncovka bude schopná přenést malou část zatížení v závislosti na svojí tuhosti.
c) Další možností je věncovka nebo zdivo na vnější straně a železobetonový strop s věncem je na druhé straně průřezu. Únosnost průřezu je dána únosností věncovky, která je více deformována tlakem než beton.
Výsledky modelování styku stěna-strop
V úloze je posouzeno napětí v detailu nadpraží zděné stěny tloušťky 440 mm a železobetonového stropu tloušťky 250 mm, který je doplněn o tepelnou izolaci a věncovku. Tento detail je zatížen silou 100 kN. V průběhu úlohy jsou posouzené tloušťky izolace od 70 mm po 150 mm v kombinaci s různou excentricitou síly odstupňovanou od centrického průřezu po excentricitu 80 mm.
Obr. 10 Modelování styku stropu a stěny s vloženou tepelnou izolací
Obr. 11 Průběh velikosti napětí ve styku ukazuje vyšší hodnoty za vloženou tepelnou izolací
3.9 ULOŽENÍ STROPU NA ZDĚNÉ KONSTRUKCE S POUŽITÍM ASFALTOVÝCH PÁSŮ
Současná praxe dnes ukazuje ve styku systémové keramické stropní konstrukce a zděné stěny použití asfaltových pásů. Pásy jsou umístěny pod a někdy i nad stropní konstrukci. Toto řešení ukazuje schématický detail na obr. 12 (vlevo).
U detailů je zakresleno položení keramicko-betonových stropů na těžký asfaltový pás. Ten je položen na poslední řadu cihel. Na pás jsou přímo položeny stropní trámce a provedena dobetonávka stropu včetně pozedního věnce. Pásy tak oddělují od zdiva stěny nejen trámce stropu, ale i dobetonávku s věncovou výztuží.
Obr. 12 Možnosti uložení stropu při dnešní jednovrstvé konstrukci stěny
Obr. 13 Možnosti uložení stropu při vícevrstvé konstrukci stěny
3.10 STŘEŠNÍ NADEZDÍVKY
U atik a u nadezdívek pod pozednicí krovu působí ještě vodorovné síly od konstrukce střechy, tj. účinků tíhy střechy, sněhu a větru. Velikost vodorovné síly závisí na sklonu střechy, velikosti výsledné síly od větru a typu a provedení krovu. Tyto síly v dané spáře u obvodové stěny vyvozují moment, kterému zdivo odolává jen svojí hmotností nebo za ukotvení. Zde se jedná i o stabilitu vlastního zdiva nadezdívky nebo atiky. Běžné je proto kotvení pozednice nebo ukotvení věnce na zdivu do stropu nebo do příčných stěn.
Obr. 14 Nevhodné vložení asfaltového pásu pod nadezdívku v podkroví
Zatížení nad stropem
Zatížení obvodové stěny nad stropem zahrnuje vždy tři složky vzájemně kolmých sil. Jedná se o svislou sílu, vodorovnou sílu příčnou a podélnou. Z nich podstatná je svislá výslednice sil, která vyplývá z tíhy konstrukcí a proměnných zatížení nad posuzovaným průřezem.
4 ZDĚNÉ STAVBY PŘI MIMOŘÁDNÝCH KLIMATICKÝCH ÚČINCÍCH
4.1 NÍZKOPODLAŽNÍ ZDĚNÉ STAVBY
Nízkopodlažní zděné budovy, tj. budovy s jedním nebo dvěma podlažími, popřípadě doplněné půdou pod střechou či podkrovím představují velkou část obytných a účelových staveb menšího charakteru. Najdeme je na venkově, v průmyslových a zemědělských areálech a na předměstích nebo v městských čtvrtích. Charakteristickým představitelem této kategorie jsou rodinné domy nebo provozovny se sklady různých podnikatelských subjektů. Můžeme je rozdělit na dvě kategorie – vícepodlažní stavby a jednopodlažní stavby pouze se střešní konstrukcí.
Mezi vícepodlažní zařazujeme stavby dvoupodlažní až třípodlažní většinou s podkrovím. Všechny uvedené typy staveb jsou konstrukčně řešeny jako jednotraktové nebo vícetraktové budovy. Jednotraktové přízemní stavby mají charakter halových staveb a staveb s pouze s nosnými obvodovými stěnami a vnitřními nenosnými příčkami.
Výška zděných stěn podlaží se pohybuje obvykle mezi 2,5 až 3,5 metru, přičemž častá výška zdiva vychází 2,75 m nebo 3,00 metru. U halových staveb je výška často vyšší, mezi 3 až 6 metry. Výšku stěn je vhodné vázat na násobek výšky použitých cihel, což obvykle činí 250 mm. Při výšce nad 3,5 metru musíme již ve zvýšené míře se v návrhu věnovat tuhosti stěny a ztužení v její hlavě.
Použité zdivo je třeba podle tloušťky rozdělit na tři kategorie. Uvažována je pouze tloušťka nosné konstrukce z cihel.
1. kategorií je zdivo o tloušťce do 300 mm při výšce 2,5 až 3 metry.
2. kategorií je užití masivních stěn tlouštěk 300 až 500 mm.
3. kategorii tvoří zdivo o větší tloušťce jak 440 mm, k použití zejména na halové stavby.
Zde již narážíme na neefektivitu zdění ze současných zdicích prvků a na ekonomii tohoto řešení. Historické a starší stavby vkládaly pro zajištění dostatečné tuhosti a stability do stěny masivní pilíře.
4.2 ÚČINKY NA STAVBY
Účinky zatížení na stavby můžeme rozdělit na běžné čili normativní, mimořádné, seismické a nadlimitní:
Běžné účinky – zděné stavby jsou navrhovány na běžné účinky odpovídající základní kombinaci zatížení podle platné normy pro zásady navrhování ČSN EN 1990. Jedná se o stanovení stálých a proměnných zatížení podle platných norem řady ČSN EN 1991-1 a jejich kombinaci podle rovnic 6.10 nebo 6.10a a 6.10b.
Mimořádné účinky – v tomto případě jsou zděné stavby namáhány mimořádnou kombinací zatížení, kde mimořádnou složku vytvářejí účinky od požáru, nárazu nebo výbuchu. Hodnoty mimořádného zatížení se stanovují v hodnotách podle platných norem. Samostatnou kombinací je uvažování seismického zatížení.
Nadlimitní účinky – tyto účinky na stavby jsou vyšší jak hodnoty, které jsou stanovené platnými normami. Představují například vyšší účinky větru, než pro stavby uvažujeme. Proto na ně nejsou stavby běžně dimenzovány a z ekonomických důvodů nelze prokazovat spolehlivost konstrukcí na tyto účinky. Je však možné, že vhodnou konstrukční úpravou můžeme odolnost stavby zvýšit a posunout tak její hodnotu nad rámec platných norem. Tohoto účinku lze dosáhnout konstrukčním řešením, zvýšením robustnosti některých prvků, ztužením, přikotvením, zvýšením tuhosti prvků nebo prostorovým roznesením účinku.
Pro zděné stavby jsou problémem především vodorovná zatížení. Ta jsou představována nárazem, výbuchem, větrem a seismickými silami.
Obr. 15 Schématické znázornění jednopodlažních zděných budov s rozdílnými vodorovnými konstrukcemi (autor)
Obr. 16 Ukázka poškození dvoupodlažních zděných domů – fotografie domu před a po přechodu tornáda, zdroj: internet Tornádo Morava – Google obrázky
Účinky extrémního větru
Účinky extrémního větru lze chápat jako podstatné zvýšení jeho rychlosti a dynamičnosti formou nárazů. Dochází k výraznému zvýšení jeho tlaku a sání na svislé, sklonité a vodorovné plochy stavby.
Na základě zkušeností s extrémním větrem včetně vysoce nadlimitních účinků tornáda je pro stavbu velmi nebezpečné působení sání a tlaku větru a jeho nevyrovnané a rozdílné lokální účinky. A ty se stavbu vedle stavby liší. Pro výpočty běžně uvažujeme s ustálenými náhradními a jednoduššími modely zatížení. Těmi jsou rovnoměrná, trojúhelníková nebo lokální zatížení. Zde ale dochází k velkým změnám zatížení v poloze a v čase. Jen u tornáda na jižní Moravě docházelo k rychlosti větru až 350–400 kilometrů za hodinu. To je až 75 m/s. To je až třikrát více než základní rychlost větru 25 m/s, která je uvažována pro výpočet jako nejvyšší v dané oblasti. Při užití stanovení součinitelů vnějšího tlaku a postupu podle platné normy bude nejvyšší účinek větru nižší a tím i vyšší násobek.
Obr. 17 Místa poškození nízkopodlažních zděných budov tornádem (autor)
Poškození zděných staveb sledovaná po zásahu tornáda na jižní Moravě
V důsledku účinků tornáda s působením větrného víru (tlaku) anebo sání větru o různé intenzitě byly poruchy zděných konstrukcí:
- pozorovány následující destrukce a poškození nezatížených a neztužených zděných stěn;
- poškození až vypadnutí neukotvených vyzdívek, volných neztužených štítů budov;
- poškození stropních konstrukcí sáním vzhůru, tj. opačnými účinky, nežli ne něž jsou navrhovány;
- poškození vyzdívek destrukcí či posunem střešní konstrukce.
Obr. 18 Štít poničený sáním větru s ponechanou částí zdiva v okolí zesilujícího pilířku, narušení štítové stěny v prvním podlaží (4)
4.3 NAVRHOVANÁ OPATŘENÍ
Otázkou nyní je, jaká opatření pro snížení negativních účinků zvolit. Základní opatření pro zděné stavby je možné přirovnat k doporučením a požadavkům stanovených pro zděné budovy v normě pro navrhování zděných konstrukcí řady ČSN EN 1996 a v normě pro účinky a navrhování v seismických oblastech ČSN EN 1998-1.
Technická opatření je možné shrnout do několika principů a bodů, které jsou na přiložených obrázcích. Důležité je správné a důsledné propojení a ztužení jednotlivých konstrukcí stavby ve všech třech směrech.
Možnosti řešení pro stěny, příčné stěny, stropní konstrukce a pozední věnce jsou ukázány na obr. 6. Další problematikou je řešení styku vodorovné konstrukce a zděné stěny. Jedná se o dostatečné uložení stropních konstrukcí na zdivu, svázaní se zdivem a omezení užití podkladních asfaltových pásů. Pro tento případ je připravován samostatný text přesahující rozsah příspěvku pro tuto konferenci.
Úpravy půdorysů jednopodlažních staveb se ztužujícími prvky jsou ukázány na obr. 7. Naznačeny jsou ztužení dlouhých štíhlých stěn vnitřními stěnami nebo stěnami krátkými o délce nejméně 20 % jejich výšky.
Obr. 19 Možnosti ztužení a minimální zvýšení odolnosti konstrukce zděných budov (autor)
To znamená, že pro výšku stěn h = 3 metry, bude příčná stěna dlouhá alespoň 600 mm. Bude zavázána do obvodové stěny a bude míst vlastní základ spojený se základy stavby. Příčné krátké stěny lze nahradit pilíři nebo železobetonovými či ocelovými sloupky vetknutými do základu. Tuhost obvodové stěny lze také zvýšit jejím zalomením s rozměry odpovídajícími uvedeným krátkým stěnám. Jedná se o jednoduché úpravy, které může znát každý projektant. Úpravy je možné aplikovat i na nízkopodlažní stavby se dvěma a třemi podlažími.
Zvýšení odolnosti zděných nízkopodlažních staveb je možné dosáhnout vhodnou volbou konstrukčního systému spojenou s uváženým užitím rozpětí vodorovných konstrukcí nad 6 metrů a doplněním půdorysu příčnými stěnami a vodorovně tuhými stropními a případně i střešními konstrukcemi. Vzdálenost příčných vazeb a stěn je doporučena mezi 6 až 7,5 metry a závisí na výšce a tuhosti zděných stěn. Pro stěny od tloušťky 375 mm lze volit vzdálenost větší. Základem je vždy statické posouzení a rozvaha o působení a tuhosti celé stavby.
Stropní a střešní konstrukce je potřeba provázat se stěnami a užít minimálně pozedních věnců a kotev odpovídají požadavkům eurokódu 6 pro zděné konstrukce a eurokódu 8 pro zemětřesení. Doporučují se větší dimenze konstrukcí a výztuže nežli pro běžné stavby. Je třeba počítat se zvýšeným účinkem sání a tlaku větru.
ZÁVĚR
Máme-li doporučení shrnout do jedné věty, tak platí, že konstrukce musí dobře zajistit splnění základního požadavku mechanické únosnosti a stability. Je třeba zajistit prostorovou tuhost budovy, spolupůsobení jednotlivých konstrukcí a mít určitou rezervu.
Další a podrobnější doporučení jsou uvedena v textu a na připojených obrázcích.
Celou problematiku lze doplnit podrobnějšími údaji a texty, které pro svůj rozsah nebyly pro tuto zprávu použity.
Téma částečně navazuje na příspěvky o účincích tornáda na konferenci ČKAIT v září 2021.
LITERATURA
[1] VEJVARA, L. Zděné konstrukce 1, vydavatelství Západočeské univerzity, Plzeň, 2015.
[2] Norma ČSN EN 1996-1-1 Eurokód 6: Navrhování zděných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla pro vyztužené a nevyztužené zděné konstrukce.
[3] Norma ČSN EN 1998-1 Eurokód 8: Navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení – Část 1: Obecná pravidla, seizmická zatížení a pravidla pro pozemní stavby.
[4] Podklady k seminářům konference ČKAIT a konferenci Statika staveb Plzeň 2021.
[5] Podklady ke konferenci ČKAIT 2022, 2023.
[6] Text pro publikaci ČKAIT Inženýrská komora 2023.