Zprávy a informace ČKAIT 2019|03

[caption id="attachment_3379" align="alignnone" width="766"] Obr. 1 Pohled na zřícenou konstrukci tělocvičny – deformace 1. až 6. vazníku (foto: Jan Chaloupský)[/caption]

Všechny níže uvedené nedostatky byly velmi závažné. Zajištění stability a dostatečné únosnosti spojů a průřezů v jejich namáhání jsou základní požadavky, které jsou primárně kladeny na nosné konstrukce. V procesu přípravy a výstavby mělo dojít k odstranění těchto nedostatků. Zejména měla být zjištěna fatální chyba spoje spodního pasu.

Konstrukční řešení objektu

Hala byla provedena po demolici části bývalé kotelny a komína. Nosná svislá konstrukce haly tělocvičny je železobetonový prefabrikovaný skelet sestávající z dvoustupňových patek, sloupů 500 × 500 mm, prahů 300 × 1200 mm a ztužidel 500 × 600 mm. Patky a sloupy jsou osazeny v modulu 6,0 m, rozpon v ose sloupů je 25,5 m. Ztužidla plní funkci průvlaků nesoucích střešní vazníky. Mezi sloupy skeletu bylo vyzděno obvodové zdivo z keramických cihel. Realizovaná střešní konstrukce byla provedena dřevěnými vazníky v osové vzdálenosti 3,0 m podle dokumentace subdodavatele dřevěných vazníků (viz obr. 2).

[caption id="attachment_3378" align="alignnone" width="800"] Obr. 2 Půdorys střešní konstrukce tělocvičny – červeně jsou vyznačeny polohy vazníků po havárii. Legenda poruch: Rh – porušení spoje styčníku horního pasu, Rd – porušení spoje styčníku dolního pasu, Zh – zlomení horního pasu, Zd – zlomení dolního pasu, PRh – podélně rozštípnutý horní pas.[/caption]

[caption id="attachment_3377" align="alignnone" width="800"] Obr. 3 Schéma vazníků – červeně je vyznačeno porušení vazníku po zřícení. V místě Rd došlo k přetržení spodního pasu. V oblasti PRh došlo k podélnému odštípnutí horního pasu.[/caption]

Posouzení stavu konstrukce po zřícení

Při ohledání konstrukce bylo zjištěno zřícení konstrukce střechy, nikoli poškození nebo ohrožení stability spodní stavby. Byla poškozena pouze ztužidla v místě kotvení vazníků. Vazníky byly přerušeny ve střední části. Na severní straně se sesunuly vazníky na stěnu objektu. Po prvotním ohledání konstrukce bylo zjištěno, že příčinou zřícení je přetržení dolního pasu vazníků. Na místě byly vazníky vyjmuty z prostoru haly a jejich stav byl podrobně dokumentován. 

Následně byl proveden odběr částí neporušené konstrukce, ze kterých byly vytvořeny zkušební vzorky porušených styčníků dolního pasu. Vzorky byly předány zkušební laboratoři ČVUT, Kloknerův ústav Praha. Program zkoušek byl vypracován doc. Ing. Mikešem. Byly provedeny zatěžovací zkoušky styčníku dřevěného vazníku na únosnost v tahu. Následně byly v laboratoři ověřeny mechanické vlastnosti lepeného dřeva a stanoveny vlhkosti vzorku řeziva. Byla provedena zkouška tahem kovového materiálu kolíků. Znalci provedli ověřovací statické výpočty dimenzí vazníků a krokví pro stav v okamžiku zřícení a pro stav požadovaný podle platných norem. Výpočty byly provedeny nezávisle odlišnými programy (Fine a Scia), aby se zabránilo vyloučení možnosti programové nebo numerické chyby. Výsledky byly porovnány s původním statickým výpočtem a výsledkem zkoušek (viz obr. 6, 7, 8).

Posuzovaná střešní konstrukce se skládala z jednotlivých příčných vazníků na teoretické rozpětí 25,5 m vzájemně vzdálených 3,0 m. Konstrukce střechy byla tvořena vaznicemi (krokve po vlašsku ve vzdálenostech 625 mm, uloženými na horních pasech vazníků). Vaznice byly spojité přes dvě pole a měřily 100/120 mm a 80/140 mm. Vaznice 80/140 mm (každá třetí) byly osedlány cca 20 mm na horní pas. Byly uloženy na vaznicích kotvených ze shora obvykle jedním vrutem o průměru 6 mm. Na vaznice byla hřebíky přitlučena deska KRONOSPAN FIRESTOP tl. 23 mm. Jednotlivé desky nebyly napojovány v místech vaznic a vazníků. V místě jejich napojení nebylo použito dřevěných latí, jak se předpokládá u tuhých plášťů v ČSN EN1995-1-1, v kapitolách 9.2.3.2 a 10.8.1. Desky byly spojeny na péro a drážku. Lepení ve spoji nebylo zjištěno. Spoje ve styčnících byly navrženy pomocí ocelových samozávrtných kolíků WS od firmy SFS INTEC o průměru 7 mm a délce 153 mm. Kolíky byly zapuštěny cca 10 mm pod povrch dřevěných prvků.

[caption id="attachment_3376" align="alignnone" width="800"] Obr. 4 Spoj vaznice a horního pasu ve styčníku (foto: Jan Chaloupský)[/caption]

Vývrty byly kryty sukovými zátkami o průměru 15 mm hl. 9 mm. Ve spoji byly vloženy dva styčníkové plechy tl. 5 mm. Vazníky byly uvažovány jako prosté nosníky. Pevná kloubová podpora byla na JZ straně, posuvná na SV straně. Spojení spodního pasu vazníku bylo zjištěno ve čtvrtém styčníku od JZ. Spoje spodního pasu byly identické svými dimenzemi, jak pro místa napojení diagonál bez přerušení spodního pasu, tak v místě spojení přerušeného spodního pasu. 

Místo spoje nebylo na výkresech definováno. Při realizaci byly lepené profily pasů vazníků spojeny u horního pasu ve vrcholu a ve čtvrtém styčníku od JZ u dolního pasu. Spojení bylo provedeno před transportem a osazením vazníku. Porušení spojení dolního pasu v místě styčníku bylo hlavní příčinou poruchy a následné havárie.

Fatální chyba spoje spodního pasu měla za následek zřícení celé střechy

Podle provedených analýz došlo k porušení spoje spodního pasu v místě čtvrtého styčníku od JZ. Bylo zjištěno ohnutí svorníků ve spoji a vytržení dřevěných pasů ze svorníků, avšak ne jejich porušení smykem. Dále bylo zjištěno porušení dřevní hmoty v místě spojů (viz obr. 5).

[caption id="attachment_3369" align="alignnone" width="800"] Obr. 5 Spoj spodního pasu vazníku a diagonály – červeně je vyznačeno chybné přerušení pasu.[/caption]

Spodní pas byl zlomen u většiny vazníků v poli přiléhajícím ke spoji. Došlo k sesunutí vazníku na severovýchodní stěně (posuvné ložisko) a jeho opření na obvodovou stěnu. Na JV straně byla pevná ložiska vytržena z betonových průvlaků přetržením kotevních šroubů. Na JZ došlo k částečnému vyklonění podporujícího průvlaku a poboření atikové nadezdívky. Jiné poškození nosné svislé konstrukce nebylo nikde zjištěno. Při ohledání byla zjištěna deformace zřícených vazníků 1–6 z roviny vazníků (viz obr. 1).

Došlo k oddělení střešního pláště, krokve se vytrhly z horních pasů, vruty se ohnuly, dřevo se vyštíplo, OSB desky se posunuly a rozpojily ve spojích. U vazníku 2 došlo k podélnému odštípnutí části horního pasu v poli u vrcholu. Ve vaznících 7–13 je patrné zachování roviny vazníku. Došlo pouze k vyklonění od svislé roviny po dopadu. Vaznice se vytrhly z podpor na štítových zdech. Byla zjištěna malá vzdálenost vrutů kotvicí vaznice od okraje horního pasu (10–30 mm).

Nebylo zjištěno žádné ztužidlo v rovině střechy, zabezpečující střechu proti vodorovným účinkům větru, vzpěru horního tlačeného pasu. Rovněž nebylo zjištěno žádné konstrukční opatření přenosu vodorovných sil ve střešní rovině do podpůrné konstrukce.

Rozpor mezi statickým výpočtem a realizací

Byly provedeny variantní kontrolní výpočty navrženého řešení. Zatížení konstrukce uvedené ve statickém výpočtu prováděcí firmy odpovídalo zatížení podle platných norem. 

Byl zjištěn rozpor mezi schématem uložení v předloženém výpočtu a realizací (viz obr. 11). Napojení diagonály na horní pas je ve statickém schématu vedeno přímo do podpory. Ve skutečnosti byla první diagonála připojena k hornímu pasu excentricky mimo podporu, a tudíž vyvozuje několikanásobně větší posouvající sílu, než uvažuje původní statický výpočet. Při výpočtu podle norem horní pas poblíž uložení nevyhoví a je přetížen o cca 88 %. Při uvažování zatížení působícího v době zřícení byla konstrukce v tomto detailu na hranici plného využití (cca 93 %). 

Soulad mezi ověřovacím výpočtem a zkouškami

Kontrolním přepočtem byla stanovena minimální normálová síla ve spodním pasu v době havárie na pravděpodobnou hodnotu 131 kN. V experimentálních laboratořích Kloknerova ústavu ČVUT v Praze byly otestovány 4 obdobné styčníky, které se porušily při hodnotách zatížení od 107 do 141 kN. To dobře odpovídá pravděpodobným hodnotám, při kterých došlo k porušení konstrukce při zřícení. U posuzované konstrukce došlo k porušení v místě spojení spodního taženého pasu příhradového vazníku (viz obr. 5). Porušení ve styčníku, kde byl proveden spoj spodního pasu, je patrné i z videozáznamů z doby havárie.

[caption id="attachment_3374" align="alignnone" width="800"] Obr. 6 Začátek zatěžovací zkoušky styčníku ve zkušební laboratoři ČVUT, Kloknerův ústav Praha[/caption]

Dimenze spoje určené kontrolními výpočty a ověřené tabulkovými hodnotami výrobce WS svorníků odpovídají návrhovému zatížení tahem ve spodním pasu N = 71,88 kN; charakteristické zatížení by odpovídalo cca N = 108 kN. V okamžiku přetržení byla vypočtená tahová síla ve spodním pasu N = 131 kN. Při zatížení podle ČSN je požadovaná únosnost N = 282 kN. Únosnost spoje byla naprosto nedostatečná. Při postupném zřícení vazníků docházelo k jejich dalšímu přitížení od pláště po zřícení sousední podpory. Původní zatěžovací šířka se zvětšila o cca 50 %. Navíc byl spoj zatížen účinky kroucení z roviny vazníku. Tyto přídavné účinky ještě znásobily přetížení spoje.

[caption id="attachment_3373" align="alignnone" width="762"] Obr. 7 Výsledky zatěžovací zkoušky styčníku – zkušební laboratoř ČVUT, Kloknerův ústav Praha[/caption]

[caption id="attachment_3372" align="alignnone" width="800"] Obr. 8 Styčník po přetržení ve zkušební laboratoři ČVUT, Kloknerův ústav Praha[/caption]

[caption id="attachment_3371" align="alignnone" width="800"] Obr. 9 Porušení spoje spodního pasu po havárii (foto: Jan Chaloupský)[/caption]

Problematické zajištění horního pasu proti vybočení

Projekt a statický výpočet nijak nespecifikoval zabezpečení tlačeného pasu pro vybočení z jeho roviny. Ve statickém výpočtu je uvedena vzpěrná délka pro vybočení horního pasu z roviny vazníku hodnotou Lcrz = 0. Ve skutečnosti nebyla konstrukce průběžně podepřena proti vybočení z roviny vazníku. Nebylo zjištěno ani navrženo žádné ztužidlo v rovině střechy, zabezpečující střechu proti vodorovným účinkům větru, vzpěru a klopení horního tlačeného pasu. 

Horní pas je ve směru kolmém na směr vazníku spojen s vaznicemi á 625 mm pomocí vrutu a osedláním krokví á 1875 mm. Projektant střešní konstrukce pravděpodobně uvažoval střešní desku z OSB desek a krokví jako tuhou desku, která zabezpečí přenos vodorovných sil do podpor. Podle kontrolního statického výpočtu by byly dimenze pasu dostačující při zabezpečení pasu ve vzdálenosti 1875 mm. Při realizovaném provedení však nebyly splněny podmínky k uvažování střešní konstrukce jako tuhé desky.

Hypotéza postupu porušení

U horního pasu druhého vazníku od štítu bylo zjištěno podélné odštípnutí části pasu u vrcholu. Na pasu bylo provedeno připevnění krokví a jejich napojení. Vzdálenost vrutů od kraje vazníku byla nedostatečná. V tomto místě mohlo dojít k porušení celistvosti střešní desky. Následně pak došlo k přetížení a porušení dalších vazníků. 

Tato hypotéza odpovídá videozáznamům z doby zřícení a způsobu destrukce vazníků. Podle videa došlo k primárnímu porušení vazníků v oblasti dále od vstupu do tělocvičny. Kolaps pravděpodobně inicioval vazník přitížený ocelovou konstrukcí basketbalového koše, která byla poměrně těžká a nejvíce přitěžovala 2. a 3. vazník. Důvod prvotního porušení zadních vazníků, dále od vstupu, je možné prohlásit za nahodilý (obdobně mohlo dojít k iniciaci a počátečnímu porušení vazníků s identickým přitížením konstrukcí basketbalového koše v přední části hned za otevřeným a v inkriminované době používaným vstupem do haly). Zatížení konstrukce v době zřícení bylo na hranici únosnosti, zejména spoje spodního pasu. 

Dalším možným vysvětlením je méně kvalitní provedení spojů krokví a horního pasu vazníku na druhém vazníku. Tomu nasvědčuje i výše popsané podélné porušení horního pasu. 

Naprosto jasnou příčinou zřícení bylo porušení styku spodního pasu ve čtvrtém styčníku od JZ, který svými dimenzemi neodpovídal navrhovaným účinkům zatížení podle ČSN. Spoj nevyhovoval ani zatížení v době zřícení. Únosnost spoje byla experimentálně ověřena zkouškami a plně se potvrdily závěry kontrolních výpočtů. 

Zabezpečení tlačeného pasu nebylo v souladu s normovými požadavky 

Uvažované ztužení konstrukce zastřešení nesplňovalo podmínky pro zabezpečení tlačeného horního pasu pro vybočení z roviny vazníku. Ztužující soustava měla přenést kromě zatížení větrem ještě stabilizující zatížení podle čl. 9.2.5.3 ČSN EN 1995-1-1. Hlavní úlohou příčného ztužení je, kromě přenesení sil od větru, zabezpečení horního pasu příhradových nosníků proti vybočení. V našem případě byla ztužující funkce přisouzena střešnímu plášti, který je tvořen vaznicemi a OSB deskou tl. 23 mm. Aby mohl být střešní plášť považován za dostatečně tuhý a schopný převzít ztužující funkci pro zabezpečení tlačených pasů vazníků z jejich vlastní roviny, musí být splněny určité požadavky dané normou ČSN EN 1995-1-1 v čl. 9.2.3.2 (Zjednodušená analýza střešních a stropních deskových konstrukcí):

• rozpětí l je v rozmezí 2b až 6b, kde b je šířka deskové konstrukce,
• kritická mezní návrhová podmínka je selhání spojovacích prostředků (a nikoliv desek),
• desky jsou připevněny podle konstrukčních zásad v 10.8.1,
• desky mezi krokvemi by měly být mimo krokve navzájem spojeny latěmi podle 10.1 ČSN EN 1995-1-1. 

Tato podmínka nebyla splněna. Přenos příčných sil do podpůrné konstrukce v podporách byl proveden pouze dvěma plechy a svorníky v podpoře. Posuvné ložisko bylo zabezpečeno na posun ve směru podpůrné stěny pouze vodicími plechy. 

Spoje vaznic a vazníku jsou provedeny pouze vruty s nedostatečnými dimenzemi. Síla od stabilizace horního pasu je z horního pasu do střešního pláště přenášena s teoretickou excentricitou cca 0,27 m.

[caption id="attachment_3375" align="alignnone" width="800"] Obr. 10 Konstrukčně je vazník uložen s excentricitou 318 mm na horním pasu. Mezi osou uložení a průsečíkem os první diagonály a horní pásnice však neměla být podle statického výpočtu žádná vzdálenost.[/caption]

Nevhodné bylo umístění přípojů vaznic v místech styčníkových plechů (viz obr. 4). Docházelo tak k dalšímu oslabení styčníkového spoje. Nedostatečná byla vzdálenost vrutů v přípojích vaznic k vazníkům. Pro nezatížené vruty je minimální vzdálenost od konce vaznice 7 d (pro průměr 6 mm tedy 42 mm). Protože by ale spoje měly přenášet stabilizační síly od horního pasu vazníku, je nutné tyto spoje považovat za zatížené vzhledem ke koncům vaznic, a potom je požadavek na minimální vzdálenost vrutu od konce vaznice 12 d (pro průměr 6 mm tedy 72 mm). Protože se ale nad horním pasem širokým 180 mm potkávaly proti sobě vaznice, nelze spoj považovat za detail, který by umožnil přenášet stabilizační síly z vazníku do střešního pláště a zabezpečit tak ztužení konstrukce. Vzhledem k způsobu porušení vazníků 2–4, kdy bylo zjištěno vybočení a deformace vazníku ve své rovině, mohlo být nezabezpečení pasu jedním z hlavních faktorů zřícení vazníků v oblasti vazníků 2–4. Toto tvrzení podporuje i způsob deformace střešního pláště v uvedené oblasti.

[caption id="attachment_3368" align="alignnone" width="800"] Obr. 11 Uložení vazníku na podporu po havárii (foto: Jan Chaloupský)[/caption]

Závěrečné poučení

ČSN EN 1995-1-1 v článku 10.7 Kontrola předepisuje, co má být předmětem kontroly během výroby, odborného provedení a dokončení konstrukce. Při dodržení požadavků normy by nemohlo dojít k takto katastrofálním následkům. Kontrolu by měla provádět ve všech etapách výstavby odborně kvalifikovaná osoba. 

Podklady:

• Znalecký posudek příčin zřícení střechy multifunkční sportovní haly v České Třebové, Ing. Jan Chaloupský, 5.2017
• Statický posudek – stavebně konstrukční část VOŠ a SŠ technická Česká Třebová – výstavba tělocvičny, Cecolegno, 4.2016
• Protokol o zkoušce 43/17/AL ČVUT Kloknerův ústav, 3.2017

POKRAČOVÁNÍ V TOMTO VYDÁNÍ Z+i 3/2019 - Za pád střechy sportovní haly v České Třebové může chyba projektantů. Krajský soud v Hradci Králové potvrdil prvoinstanční rozhodnutí Okresního soudu v Ústí nad Orlicí z loňského září. Ve věci pádu střechy multifunkční sportovní haly v České Třebové byly pravomocně odsouzeny dvě autorizované osoby

ODKAZY NA PŘEDCHOZÍ ČLÁNKY Z+i 1/2017 -  Havárie střechy tělocvičny v České Třebové  - pohled do veřejně dostupných dokumentů. Kdo bude odpovědný za pád střechy a mnohamilionovou škodu, určí až soud. Z veřejně dostupných podkladů je však možné vyčíst mnohé již nyní. Investor si pořídil levný projekt a vybral zhotovitele, který neměl dostatečně kvalifikovanou autorizovanou osobu pověřenou provádět zápisy do stavebního deníku.