Příspěvek do diskuse o poruchách stropních desek HURDIS

Poruchy stropních konstrukcí s deskami HURDIS mají jeden společný znak - desky HURDIS se porušují charakteristickým způsobem: oddělí se dolní části desek v jedné místnosti (společně s omítkou zdola nanesenou na desky), lomové plochy procházejí stojinami desek, destrukce nastává většinou náhle (po krátkodobém praskotu). V údobí před poruchou nedochází k varujícím vizuálním nebo výrazným akustickým jevům, svědčícím o blížící se poruše většího rozsahu. Destrukce nastává s určitým časovým odstupem po dohotovení stropní konstrukce - 1/2 roku až zhruba 6 let po dohotovení. Poruchy nastávají u desek HURDIS, které jsou uloženy do patek i u desek uložených na příruby válcovaných nosníků.

Teprve v roce 1998 se v České republice začaly šířit poznatky o tom, že pálené cihlářské výrobky, které jsou součástí stropních konstrukcí s velkým podílem betonu, jsou namáhány účinky sil od smršťování betonu přiléhajícího k páleným výrobkům a kromě toho účinky neobvyklého jevu - vyvolaného vlivem objemových změn páleného střepu desek HURDIS. Objemové změny střepu způsobené nevratnou objemovou vlhkostní roztažností (nevratnou za normálních teplotních podmínek) tohoto materiálu, se však nemohou realizovat, pokud neexistuje poddajný volný prostor blízko čel desek. V důsledku toho čela desek vyvíjejí tlak na patky a okolní desky HURDIS. Seznámení se s působením tohoto dlouhodobě probíhajícího vnitřního mechanismu v páleném střepu má velký význam pro výrobce desek, pro projektanty i další stavební odborníky.

Zatímco reologické vlastnosti betonu, resp. cementového potěru, jsou dostatečně popsány v odborných studiích a následně i v normách, o objemových změnách keramiky stále chybí nejen dostatek experimentálních podkladů, ale i všeobecná znalost existence tohoto fenoménu.

Výše uvedené skutečnosti lze shrnout takto. Pravděpodobnou příčinou poruch stropních konstrukcí s deskami HURDIS je společné působení účinků následujících zatížení a sil ve střepové hmotě desek HURDIS:

1. síly (tzv. smykový tok) vyvolané smršťováním vrstvy čerstvého uložené na horním povrchu desek HURDIS a pevně s ním spojené (soudržností),
2. vodorovné síly vyvolané nevratnou vlhkostní roztažností materiálu desek; tyto síly působí jako tlakové síly rovnoběžně s podélnými osami desek HURDIS; velikost a působiště těchto sil velmi závisí na dokonalosti kontaktu čel desek s patkami, mohou se projevit menší měrou i ve vodorovném směru kolmém na délku desky HURDIS,
3. v menší míře namáhání od účinků teplotních změn ve stropní konstrukci,
4. namáhání vyvolané účinky gravitačního zatížení, většinou zanedbatelné

Účinek výše popsaných sil a zatížení je dokládán statickým výpočtem. Nevratné objemové změny páleného cihlářského střepu vyvolané jeho vlhkostní roztažností náleží k charakteristickým vlastnostem cihlářského střepu. Jejich velikost a rychlost jejich průběhu je závislá na složení surovinové směsi a technologických podmínkách, zejména na podmínkách výpalu.

Havárie stropních konstrukcí stropů s pálenými cihlářskými konstrukčními prvky se vyskytovaly v řadě zemí. Ukázalo se však, že jejich řešení je časově náročné a vyžaduje značné odborné úsilí jak výrobců keramických stropních desek, tak i projektantů a prováděcích organizací. Nerespektování nevratných objemových změn střepu cihelných konstrukčních prvků při konstrukci stropu bylo označeno za hlavní příčinu většiny havárií stropů.

Studium tohoto významného jevu, který je projevem určitého stárnutí cihlářského střepu, je předmětem grantu GA ČR 103/00/0957 od roku 2000, jehož řešiteli jsou Kloknerův ústav ČVUT a Ústav skla a keramiky VŠCHT. Vzhledem k výše uvedeným skutečnostem jsme zvolili za nejvýznamnější předmět našeho výzkumu pálené stropní desky či tvarovky. Jedním z výrobků tohoto druhu jsou i stropní desky HURDIS.

Ve stropních konstrukcích byly dosud identifikovány dva druhy poruch; nejlépe tuto skutečnost charakterizuje příklad narušené celistvosti konstrukce v jedné bytové jednotce:

• vlasové trhliny v omítce na spodním líci stropu v místě styku patky a desky HURDIS, ze sondy provedené z prostoru nad stropem je zřejmé, že trhliny vycházejí z podpory, procházejí stojinami desek a vedou cca 500 mm ke středu desky (viz foto 1),



• trhlina vychází ze střední části desek a šiří se směrem k podporám (viz foto 2).




  

Rozdílný proces porušení je ovlivněn podmínkami uložení desky HURDIS. V prvním případě při iniciaci trhliny v krajní části se jedná o porušení způsobené sevřením desky v podpoře (tj. nedostatečnou poddajností podpory). V druhém případě, při porušení střední spodní části desek, dochází pravděpodobně k jednostrannému porušení desky, kdy horní část keramické desky je ztužena dostatečně silným cementovým potěrem.

K narušení stropů dochází pravděpodobně v následujícím sledu: v prvním údobí po zabudování desky působí smršťování cementového potěru, které vyvolává v desce HURDIS napjatost, která sama o sobě může vést ke vzniku trhlin. Tato napjatost je podmíněna spolehlivým spojením keramického střepu a potěru. Současně v cementovém potěru vznikají tahová napětí. Působení těchto objemových změn je časově omezeno, u tenkých vrstev potěru probíhá v několika týdnech, u silnějších vrstev po dobu několika měsíců, podle dostatečně spolehlivě popsaných závislostí. V betonu však napětí mohou s časem ochabovat, což má příznivý účinek na stav napjatosti.

Dlouhodobě, nekompromisně plouživě, působí nevratná vlhkostní roztažnost keramiky, strmost průběhu závisí jak na vlastnostech střepu, tak i na hygrometrických podmínkách prostředí. Ve vlhkém prostředí je průběh expanze strmý, v suchém prostředí se průběh expanze zastavuje. Podstatné je, že vlhkostní roztažnost střepu probíhá po řadu let.

Ve stropní konstrukci se oba účinky sčítají a v konečné fázi před kolapsem (i po několika letech), který je zřejmě vyvolán účinkem změny teploty, nastane deformace ocelových nosníků i keramiky, a následně dochází k celkové destrukci stropu. Určitou roli představuje i rozdíl teplot při montáži stropu a provozní hodnotou teploty stropu.

V laboratorních podmínkách byla uskutečněna řada experimentů, z nichž uvádíme dva, které simulují část uvedeného procesu. Na desku HURDIS byly uloženy cementové potěry tloušťky 10 mm, experimenty byly provedeny postupně, vlastnosti obou cementových potěrů se lišily. První deska je prostě podepřena, druhá deska je sevřena ve spodní části ocelovými podložkami navařenými na ocelový válcovaný nosník I 500 (tj. pomocí dvou pevných, neposuvných podpor).

Po určité době dochází k poruše obou desek, trhliny vycházejí z okrajových oblastí. Prostě podepřená deska byla porušena trhlinou za 32 dnů (viz foto 3); v tomto případě se uplatnilo smršťování betonu jako dominantní zatížení. U druhé desky, která se porušila za cca 300 dnů, bylo omezováno smršťování betonu tím, že deska byla pokryta fólií a dlouhodobě vlhčena. Vlhkostní roztažnost dosáhla hodnoty cca 0,3 mm/m (viz foto 4).

Tyto dva experimenty jsou simulovány numerickou lineární metodou konečných prvků, programovým výpočetním systémem FEAT V4.2 (SCIA s.r.o.). Úloha je řešena jako dvourozměrný problém, kde materiálové charakteristiky jsou stanoveny z experimentálních podkladů a z kvalifikovaného odhadu.

Na obr. 1 jsou zobrazeny směry hlavních napětí u prostě podepřené desky, zatížené pouze smršťováním betonu, na obr. 2 směry hlavních napětí u desky sevřené tuhými podporami v okrajové části. Napětí v hlavním tahu dosahují hodnot řádu 6 MPa u desky prostě uložené i u desky u desky sevřené.

Na základě současných poznatků doporučujeme, aby nové konstrukční uspořádání stropních konstrukcí umožnilo určité trvalé deformace desky HURDIS, které jsou vyvolány objemovými změnami střepu. Dále doporučujeme oddělit cementový potěr od střepu. Důležitou podmínkou pro spolehlivou konstrukci je stanovení limitní hodnoty nevratné vlhkostní roztažnosti střepu v době montáže stropu. Cílem je minimalizovat vlhkostní roztažnost střepu po zabudování do stropu.

Současné konstrukční uspořádání stropů s deskami HURDIS má sice v našich podmínkách dlouholetou tradici, ale je ve srovnání s jinými zeměmi odlišné. Tam se považuje za největší přípustný půdorysný rozměr pálených desek ve stropní konstrukci 500 mm. Zároveň se sledují hodnoty vlhkostní roztažnosti střepu a nesmí se překročit její předepsaná zbytková hodnota (tj. vlhkostní roztažnost střepu od montáže stropu po celou dobu jeho životnosti).
Závěrem poznámka. Na základě rozboru laboratorního vyšetřování poruch lze dovozovat, že havárie stropních konstrukcí s deskami HURDIS byly způsobeny objemovými změnami nesourodého kompozitu, tvořeného keramikou, podkladní maltou, betonem potěru a příp. ocelí. Zajímá-li odbornou veřejnost otázka, zda tyto desky jsou nebezpečnými výrobky, názor autorů tohoto příspěvku (s jistými zkušenostmi z experimentálního vyšetřování konstrukcí, z oboru navrhování konstrukcí z pálených výrobků a z oboru technologie výroby keramiky) zní: tak jako kterékoliv produkty, lze desky HURDIS bezpečně využívat pouze poučenými osobami, poučenými tvůrci norem, výrobci desek, projektanty, dodavateli stavebního díla, a konečně i pedagogy, kteří budou věnovat ve výuce této problematiky alespoň minimální pozornost.

Ing. Petr Bouška, CSc., KÚ ČVUT
Doc. Ing. Vladimír Hanykýř, DrSc., ÚSK VŠCHT
Ing. Dimitrij Pume, DrSc., KÚ ČVUT

Poznámka:

V souvislosti s širokými diskusemi o příčinách poruch stropních desek HURDIS jsou často uváděny protichůdné názory na existenci a účinek vlhkostní roztažnosti cihlářského střepu. Naše stanoviska vycházejí z experimentálních poznatků získaných za poslední tři roky na střepech vyrobených v 90-tých letech a z poznatků zahraničních laboratoří.