Vsebina SANACIJA GRADBENIH KONSTRUKCIJ. Definiciji

Transcript

1 SANACIJA GRADBENIH KONSTRUKCIJ PROTIPOTRESNA UTRDITEV IN PREPROJEKTIRANJE: PRIMER ZIDANIH STAVB III. DEL Miha Tomaževi evič Zavod za gradbeništvo Slovenije Dimičeva 12, 1000 Ljubljana Vsebina Obnašanje anje gradbenih konstrukcij med potresi. Kaj smo se naučili? Eksperimentalna simulacija obnašanja anja in ugotavljanje mehanskih lastnosti materialov. Primer zidanih stavb. Protipotresna utrditev in preprojektiranje. Primer zidanih stavb. Definiciji Popravilo (sanacija): vzpostavitev v prvotno stanje. Ukrep, s katerim ne povečamo osnovne nosilnosti konstrukcije Utrditev: ukrep, s katerim konstrukciji povečamo potresno odpornost na dogovorjeno raven Podeželska arhitektura Gradovi Mestna arhitektura Primeri stavb kulturne dediščine ine v Sloveniji

2 Zakaj so obstoječe e stavbe in stavbe kulturne dediščine ine ranljive? Njihove konstrukcije niso bile zasnovane za prevzem potresne obtežbe. be. Če e sploh, so bile projektirane samo za prevzem navpičnih nih obtežb; b; Zgrajene so iz materialov in v sistemih, ki so odporni na tlačne obremenitve, ne pa na upogib in strig; Slabo so vzdrževane, materiali so propadli zaradi vplivov okolja in časa; Pri njihovem projektiranju so bili upoštevani predpisi, ki ne ustrezajo današnjemu njemu stanju stroke. Je protipotresna utrditev teh stavb sploh možna? Tehnično: no: da. Poznamo metode in tehnologije, s katerimi takšne stavbe utrdimo do zahtevane stopnje; Pri stavbah kulturne dediščine ine morajo uporabljene metode ustrezati restavratorskim in konzervatorskim pogojem za ohranitev kulturne dediščine. ine. Ti pa seveda omejujejo izbiro metod in njihovo učinkovitost. Kakšna mora biti raven utrditve? Stanovanjske stavbe: načelno jih je treba utrditi toliko, da bodo dosegle enako raven potresne varnosti kot novogradnja. Dopušča a se manjša a redukcija projektnih potresnih sil; Monumentalne stavbe (spomeniki): vsaka stavba je poseben primer. Utrditev je kompromis med inženirskimi zahtevami in načeli za ohranitev kulturne dediščine. ine. SIST EN : Evrokod 8 Projektiranje potresnoodpornih konstrukcij 3. del: Preverjanje in utrditev stavb

3 Zakaj poseben standard? Zato, ker obstoječe konstrukcije Odražajo stanje stroke v času gradnje; Morda skrivajo hude napake; So bile lahko izpostavljene nepoznanim preobremenitvam (tudi potresom). Vrednotenje konstrukcij in posegi vanje so izpostavljeni nesorazmerno velikim negotovostim Področje in namen Da poda kriterije za vrednotenje obnašanja anja posameznih obstoječih konstrukcij pri potresu (se lahko uporablja tudi za stavbe na območjih, ki niso izpostavljena potresom); Da opiše e postopke za izbiro potrebnih korektivnih ukrepov; Da postavi kriterije za projektiranje sanacijskih in utrditvenih ukrepov (koncept, analizo konstrukcij, preprojektiranje). Postopek Ocenimo stanje in konstrukcijo vrednotimo; Izberemo ustrezne metode za utrditev; Konstrukcijo preprojektiramo; Izvedemo in/ali spremljamo izvedbo del. Ugotavljanje stanja in vrste konstrukcije Stanje ugotavlj vljamo vizualno; Pregledamo obstoječo dokumentacijo; o; Stanje ugotu gotavljamo z odpiranjem, meritvami in s preiskavami.

4 Splošni kriteriji za odločitev o posegu v konstrukcijo Stroški posega, ki vključujejo ujejo tako začetne kot bodoče stroške (vzdrževanje, popravila predvidenih poškodb), v primerjavi s pomembnostjo konstrukcije; Razpoložljiv ljivost preverjenih tehnoloških rešitev, usposobljenost izvajalcev del; Razpoložljivost ljivost učinkovitu inkovitega sistema kontrole kakovosti. Killari, Indija, 1995: Utrjevanje tradicionalno grajene zidane hiše e v Indiji z lokalno tehnologijo in delovno silo Sendai, Japonska: Utrditev šolske stavbe z zunanjo jekleno konstrukcijo Splošni kriteriji za odločitev o posegu v konstrukcijo Čas trajanja del; Vseljivost stavbe; Ohranitev arhitekturne identitete območja, upoštevanje zahtev varstva kulturno- zgodovinskih spomenikov, konzervatorskih in restavratorskih načel.

5 Tehnični kriteriji Vse ugotovljene napake je treba na ustrezen način odpraviti; Če e ima stavba nepravilno zasnovo (razporeditev( togosti, nosilnosti elementov), jo je treba kar najbolj izboljšati ti; Ustrezno je treba zavarovati in preprečiti rušenja nekonstrukcijskih elementov; Po posegu morajo biti izpolnjene vse zahteve ustreznih EC, še posebej EC8/1-1 1 in 1-3; 1 Težiti je k čim manjšemu spreminjanju lokalnih togosti; Težiti je k povečanju lokalne duktilnosti kritičnih točk k in paziti, da se ta s predvidenimi ukrepi ne zmanjša; Zagotoviti je treba trajnost novih in obstoječih elementov. Tehnični kriteriji Izbira načina, tehnološke rešitve, obsega in nujnosti posega se določi i na podlagi podatkov o konstrukciji, zbranih med njenim pregledom! Kaj moramo storiti, da izboljšamo potresno odpornost? Zagotovimo celovitost delovanja konstrukcije Nosilni elementi morajo biti ustrezno povezani. Stropne konstrukcije morajo toge v svoji ravnini in povezane z nosilnimi elementi, da se zagotovi enakomerna razporeditev potresnih sil Izboljšamo zasnovo konstrukcije Nosilni elementi morajo biti razporejeni simetrično in enakomerno v obeh nosilnih smereh konstrukcije. Togost se po višini ini ne sme skokovito spreminjati Kaj moramo storiti, da izboljšamo potresno odpornost? Izboljšamo odpornost konstrukcije Nosilni elementi morajo biti dovolj močni za prevzem pričakovane potresne obtežbe be Preverimo in po potrebi izboljšamo nosilnost temeljev Temelji morajo zagotoviti prenos mejnih obremenitev zgornje konstrukcije v temeljna tla

6 Izbira metode za utrditev Izboljšanje celovitosti konstrukcije Učinkovitost uporabljenih metod mora biti eksperimentalno preverjena Povezovanje zidov Tipične železne zidne vezi iz XVIII. stoletja

7 Stikovanje železne zidne vezi v kamniti stavbi iz XVIII. stoletja Detajl sidranja jeklenih zidnih vezi v opečni hiši (popotresna Ljubljana, začetek XX. stoletja) Položaj jeklenih zidnih vezi po višini ini Položaj jeklenih vezi v tlorisu podeželske elske kamnite hiše

8 Bovec, 1998: povezovanje zidov kamnite podeželske hiše z jeklenimi vezmi (Foto: J.Kos) Tipični detajli sidranja in stikovanja vezi Detajl sidranja zidnih vezi z jeklenimi ploščami???? Da ne bo slučajno kdo kaj odnesel!

9 Vgrajevanje nove a.b. zidne vezi na zaključku ku zidu pod strešno konstrukcijo Modela kamnite nepovezane (levo) in povezane kamnite hiše e (desno) med preiskavo na potresni mizi Tipično enostavno leseno ostrešje Povezovanje opečnih zidov z navpičnimi nimi jeklenimi vezmi

10 Zamenjava lesenih stropov z masivnimi ploščami Vgrajevanje a.b. navpične ne zidne vezi v opečni zid Umbrija, 1997: poškodbe zidovja zaradi toge a.b. plošče Simulacija poškodb med preiskavo modela na potresni mizi

11 Utrditev in sidranje obstoječih lesenih stropov Detajl naleganja in sidranja nove a.b. plošče e v kamnito zidovje Utrditev lesenih stropov z opažema v dveh pravokotnih smereh Utrjevanje lesenih stropov z jeklenim paličjem

12 Sidranje stropov v zidove Detajli sidranja lesenih stropov v kamnito zidovje Utrditev in povezava zidov na vogalih Utrditev območja vogala z veznimi kamni

13 Izboljšanje zasnove konstrukcije Povezovanje vogalov z jeklenimi šivi ivi Utrjevanje zidovja Posegi za izboljšanje zasnove morajo biti izvedeni pred potresom, sicer...

14 Metoda je odvisna od: Vrste in kakovosti obstoječega ega zidovja Zahtevane stopnje povečanja potresne odpornosti Kamnito zidovje Injektiranje cementna injekcijska masa (sestava je lahko projektirana zaradi posebnih zahtev); epoksidna injekcijska masa Prednapetje Oblaganje z armiranobetonsko oblogo Prezidava Struktura tipičnega kamnitega zidu Foto J. Kos Injektiranje kamnitega zidovja

15 Detajl prereza injektiranega kamnitega zidu po laboratorijski preiskavi 200 (b) 150 Grouted H (kn) Existing R (%) In-situ preiskava potresne odpornosti kamnitega zidu Kamnito zidovje Primerjava histereznih ovojnic, dobljenih s preiskavo kamnitih zidov, injektiranih z različnimi injekcijskimi mešanicami Injektiranje cementna injekcijska masa (sestava je lahko projektirana zaradi posebnih zahtev); epoksidna injekcijska masa Prednapetje Oblaganje z armiranobetonsko oblogo Prezidava

16 Injektiranje in oblaganje kamnitega zidu Povezava a.b. obloge s kamnitim zidom s strižnimi mozniki Kamnito zidovje Korodirana armaturna mreža a obloge kamnitega zidu Injektiranje cementna injekcijska masa (sestava je lahko projektirana zaradi posebnih zahtev); epoksidna injekcijska masa Prednapetje Oblaganje z armiranobetonsko oblogo Prezidava

17 Prezidava vmesnega dela močno poškodovanega kamnitega zidu Prezidava izbočenega dela kamnitega zidu Opečno zidovje Injektiranje razpok (a) cementc ementna na masa (b) epoe poksidna masa Prednapetje Oblaganje armirano-cementna obloga ferocement cementna na obloga z vlakni ojačeni polimeri Prefugiranje Prezidava Drugo Izvedba armirano-cementne obloge na opečnem zidu

18 Izvedba armirano-cementne obloge v območju razpok v opečnem zidu Sidranje oblog na vogalih in v sečiščih ih zidov Poškodbe obloženega opečnega zidu po končani preiskavi Pretrg armature med preiskavo

19 Opečno zidovje Odvisnost med povprečno strižno napetostjo in zasukom obstoječega ega in z oblogo utrjenega opečnega zidu Injektiranje razpok (a) cementna masa (b) epoksidna masa Prednapetje Oblaganje armirano-cementna obloga ferocementna obloga z vlakni ojačeni polimeri Prefugiranje Prezidava Drugo Armiranobetonski elementi Prefugiranje opečnega zidu

20 Sanacija poškodovanega dela a armiranobetonskega a stebra Utrditev armiranobetonskega stebra z obbetoniranjem Sanacija armiranobetonskega stebra z jekleno oblogo Tipične rešitve utrditve armiranobetonskih sten

21 Temelji Utrditev obstoječega ega kamnitega temeljnega zidu z obbetoniranjem oziroma s podbetoniranjem z a.b. pasovnim temeljem Namen raziskav Potresna izolacija Raziskati možnost uporabe polimernega vodonepropustnega sloja kot potresne izolacije Ugotoviti, če e potresna izolacija zmanjša a potrebo za vgraditev zidnih vezi v starih hišah Preveriti učinkovitost u utrjevanja opečnih zidanih stavb z nalepljenimi CFRP trakovi v pogojih dinamične ne potresne obtežbe be

22 Program preiskav Model M1: referenčni ni model dvenadstropne opečne zidane stavbe z lesenimi stropi in nepovezanimi zidovi Model M2: kot referenčni ni model, vendar s polimerno folijo vgrajeno med drugo in tretjo vrsto zidakov Model M3: kot referenčni ni model, vendar s 6 izolatorji, vloženimi med temeljno ploščo o in zgornjo konstrukcijo Model M4: kot referenčni ni model, vendar utrjen z nalepljenimi CFRP trakovi Model M5: kot model M4, vendar s 4 izolatorji, vloženimi med temeljno ploščo o in zgornjo konstrukcijo Zidanje modelov Položaj CFRP trakov in dimenzije modelov v prerezu (model M5) Polaganje polimerne folije v naležno no rego

23 Preizkušanje izolatorjev Preizkušanje modelnih zidov Povezava CFRP trakov na vogalih Instrumentiranje modelov Položaj izolatorjev

24 Model M1 Porušitev modelov z nepovezanim zidovjem Model M2 Model M3 Poškodbe na modelu M4 3,0 POMIKI - ZGORAJ 3,0 POMIKI - ZGORAJ [mm] 0,0 [mm] 0,0 [g] -3, t [sec] 0,8 POSPEŠKI - ZGORAJ 0,0-0, t [sec] 0,8 POSPEŠKI - POTRESNA MIZA [g] -3,0 0,4 0,0 POSPEŠKI - ZGORAJ -0, , t [sec] POSPEŠKI - POTRESNA MIZA [g] 0,0 [g] 0,0 Poškodbe na izoliranem in s CFRP trakovi utrjenem modelu M5-0, t [sec] Odziv modela M2: faza preiskave R075-0, Odziv modela M5: faza preiskave R075

25 [mm] 10 0 POMIKI - ZGORAJ [mm] 15 0 POMIKI - ZGORAJ 2,5 [g] [g] t [sec] 4,0 POSPEŠKI - ZGORAJ 0,0-4, t [sec] 4,0 POSPEŠKI - POTRESNA MIZA 0,0-4, t [sec] [g] [g] -15 4,0 0,0 POSPEŠKI - ZGORAJ -4, ,0 0, t [sec] POSPEŠKI - POTRESNA MIZA -4, Odpornost BSC [BSC] 2 1,5 1 0,5 Model 5 Model 4 Model 2 Odziv modela M4: faza preiskave R300 Odziv modela M5: faza preiskave R300 Model 3 Model ,2 0,4 0,6 0,8 1 Zasuk [%] Osnove za projektiranje Potresne sile in projektiranje na potres I. Preprečiti porušitev II. Omejiti obseg poškodb Pravilne konstrukcije: redukcija elastičnih potresni sil, projektiranje z uporabo modelov po teoriji elastičnosti Etažni zasuk pri mejnih stanjih: Krivulja odpornosti z mejnimi stanji Φ e % Φ Hmax % Φ u 1.0 %

26 Preverjanje potresne odpornosti Projektna potresna obtežba ba : projektna potresna odpornost Obstoječe e stanje OK: utrditev ni potrebna Obstoječe e stanje ne ustreza: preprojektiranje (utrditev) Potresne sile sila = masa x pospešek ek masa: odvisna od konstrukcije pospešek: ek: odvisen od potresnega gibanja tal in dinamičnih nih lastnosti (odziva) konstrukcije Mehka tla Mehka tla Vpadni kot Srednja tla Potresni val Trdna tla Hitrost širjenja vala Širjenje potresnih valov Spekter odziva pospeškov

27 Projektna potresna obtežba ba S Projektni spekter d (T) = a 2,5 S η q a g = projektni pospešek ek tal S = parameter tal η = korekcijski faktor dušenja 2,5 = maksimalna normalizirana spektralna vrednost q = faktor obnašanja anja konstrukcije (faktor redukcije sil) g S Faktor obnašanja anja konstrukcije q d (T) = a g 2,5 S η q Zaradi sposobnosti, da lahko prenašajo ajo obtežbo bo kljub poškodbam v nelinearnem področju, konstrukcije dimenzioniramo na sile, ki so manjše e kot sile, ki bi nastale pri elastičnem odzivu Uporabimo metode teorije elastičnosti, pri čemer zaradi zmožnosti, da konstrukcija disipira energijo (kontroliran obseg poškodb), upoštevamo sile, nastale pri elastičnem odzivu, vendar zmanjšane ane s faktorjem q Idealno elastično q = H e /H u q= (2 µ u -1) 1/2 Dejansko Vrednosti mejnega računskega koeficienta prečne sile za navadne zidane konstrukcije (q = 1,5) na trdnih tleh (S = 1,0) Intenziteta VI VII VIII VIII-IX IX EMS a g 0,05 0,10 0,20 0,25 BSC d,u 0,08 0,17 0,33 0,42 Kaj praktično pomeni faktor q? Navadno zidovje: Povezano zidovje: Armirano zidovje: q = 1,5 q = 2,0 q = 2,5 Primer Bovec: a g = 0,225 g Računske (projektne) sile za tri zidane stavbe enake velikost in zasnove, vendar sezidane v treh različnih sistemih, bodo v razmerju: S d = 0,375 W S d = 0,28 W S d = 0,225 W W = teža a stavbe

28 Sila 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,5 1 1,5 2 Pomik q = 1.5 q = 2.0 q = 2.5 Elastično Primerjava velikosti projektnih potresnih sil za različne sisteme zidanih konstrukcij Redukcija projektne potresne obtežbe be Če e se predvideni stroški prenove celotnega stavbnega fonda v urbanih območjih močno povečajo, če e se upoštevajo vrednosti a g, ki jih zahtevajo predpisi Če e bi v predpisih zahtevane vrednosti a g za preprojektiranje kulturnozgodovinskih spomenikov zahtevale popolnoma nesprejemljive arhitekturne spremembe Predlagane vrednosti faktorja redukcije γ n in reducirane vrednosti končnega nega projektnega koeficienta strižne sile Seizmičnost Nizka Srednja Visoka a g 0,1 g 0,2 g 0,3 g BSC du 0,17 0,33 0,50 γ n 1,00 0,84 0,67 BSC du,r 0,17 0,25 0,33 Potresna odpornost Sposobnost konstrukcije, da prevzame potresno obtežbo bo z nosilnostjo in duktilnostjo

29 Potresna odpornost Kateri model? Enostavni strižni modeli Modeli kinematičnih nih mehanizmov Modeli s končnimi nimi elementi Drugi Pri starih zidanih stavbah prevladuje etažni strižni mehanizem Odpornost zidu Povečanje natezne trdnosti s prednapetjem Strižni mehanizem H s,w f = A t w γ b m σ γ o f t + 1 Enačba se modificira za upoštevanje različnih metod utrditve (prednapetje, oblaganje). Upošteva se načelo ekvivalentnega zidu. m σ p,v mv = 1+ ftk H = mh sd,p ftk σ p,v + σd m v, m h = faktor povečanja trdnosti zaradi prednapetje v navpični ni oziroma vodoravni smeri f tk = karakteristična natezna trdnost zidovju sd m h = 1+ σ p,h ftk σ d = projektna tlačna napetost v zidu zaradi navpične ne obtežbe be σ p,v, σ p,h = tlačna napetosti zaradi prednapetja v navpični ni oziroma vodoravni smeri

30 Oblaganje: togost ekvivalentnega zidu Oblaganje: projektna strižna odpornost ekvivalentnega zidu K + e, eq = Ke,w Ke,coat fyk H sd,eq = CrhArh + C γ s rv A rv f γ yk s K e,eq e,eq = togost ekvivalentnega zidu (osnovne dimenzije, povečana odpornost) K e,w = togost osnovnega zidu K e,coat = togost armiranocementne obloge H sd,eq = projektna strižna odpornost ekvivalentnega zidu A rh, A rv = površina prereza vodoravne oziroma navpične ne armature C rh rh, C rv = faktor redukcije nosilnosti vodoravne oziroma navpične ne armature ( C rh = 0.9, C rv = 0.2) f y = meja tečenja enja armaturnega jekla γ s = delni faktor varnosti za jeklo (γ = 1.0) s Določanje karakterističnih vrednosti mehanskih lastnosti f * k = min (f/1,2; f min ) f vrednost, dobljena s preiskavo * Če e se preišče e en sam zid, se vrednost deli z 1,2! Mehanske lastnosti zidovja v obstoječem em in utrjenem stanju se ugotovijo s preiskavami γ M Material Razred Zidovje sezidano iz: A Zidakov kategorije I, projektirana malta a 1,5 1,7 2,0 2,2 2,5 B Zidakov kategorije I, predpisana malta b 1,7 2,0 2,2 2,5 2,7 C Zidakov kategorije II, katerakoli malta a, b, e 2,0 2,2 2,5 2,7 3,0 D Sidranje armaturnega jekla 1,7 2,0 2,2 2,5 2,7 E Jeklo za armiranje in prednapetje 1,15 F Dodatne komponente c, d 1,7 2,0 2,2 2,5 2,7 G Preklade v skladu z EN ,5 do 2,5 a Zahteve za projektirano malto so podane v EN in EN b Zahteve za predpisano malto so podane v EN in EN c Deklarirane vrednosti so srednje vrednosti. d Vlagonepropustne vrste so pokrite s faktorjem γ M za zidovje. e Če koeficient variacije za zidake kategorije II ni večji kot 25 %. Delni faktorji varnosti za zidovje (EC 6)

31 Faktor zaupanja CF Namesto delnega faktorja varnosti γ M se v primeru obstoječih konstrukcij uporablja faktor zaupanja CF, ki je odvisen od stopnje poznavanja konstrukcije (Evrokod 8, 3. del) Faktor zaupanja CF Vrednosti so dobljene s preiskavo na terenu ali na odvzetih vzorcih v laboratoriju: CF = 1,01 Vrednosti so privzete iz banke podatkov, podobnost zidovja je preverjena z identifikacijskimi preiskavami na terenu: CF = 1,21 Vrednosti so privzete iz banke podatkov brez identifikacijskih preiskav na terenu: CF = 1,71 Deformacije in poškodbe Strižne sile in upogibni momenti Konstrukcija etažne ovojnice odpornosti na podlagi bilinearno idealiziranih ovojnic nosilnih zidov Strižna stena s šibkimi slopi (etažni mehanizem)

32 Izvedba del : preprojektiranje SRC du BCS BCS d,ur Čeprav pred preprojektiranjem še e tako temeljito raziščemo obstoječe e stanje, lahko med izvedbo del naletimo na presenečenja; enja; Izvedbo del moramo spremljati in pravočasno asno predvideti potrebne spremembe osnovnega projekta utrditve. Preverjanje potresne odpornosti Primer Bovškega 1976: Furlanski potresi (intenziteta VIII po MSK), prizadeto in obnovljeno širše območje 1998: lokalni potres (intenziteta VII - VIII po EMS), obnovljeno 2004: lokalni potres (intenziteta VI - VII po EMS), nekaj utrjenih stavb poškodovanih Položaj in magnitude potresov 1998 and 2004

33 Pospešek [g] Bovec 2004 Breginj 9/1976 5% dušenje Stavba B Nihajni čas [s] Spektri odziva pospeškov (Fajfar in sod., 2004) Stavba A Zapis pospeškov tal med potresom 12. julija 2004 v Bovcu Tlorisa in prereza analiziranih stavb Stavba B Φ e = % Φ hmax = % Φ u = 1.0 % Stavba A Izračunani nelinearni odziv na potres Izračunani nelinearni odziv na potres

34 Prenovljeno, po 2004 Sklepi Poškodovano leta 1998 Prenovljene Drežni niške Ravne: po potresu leta 2004 Današnja nja znanja in razpoložljive ljive tehnologije omogočajo, da lahko tudi obstoječim gradbenim objektom zmanjšamo amo potresno tveganje na sprejemljivo raven Evrokod od 8-38 uveljavlja sodobne s kriterije in načela za popravila in utrjevanje konstrukcij gradbenih objektov Sklepi Razvite in preverjene so metodologije, ki omogočajo razmerma enostavno ocenjevanje potresne odpornosti vseh vrst obstoječih gradbenih konstrukcij Razvite in preverjene so tudi številne tehnološke rešitve za protipotresno utrditev obstoječih objektov. Rešitve so tudi stroškovno ovrednotene. HVALA!