Havárie střechy rodinného domu a její příčiny

Ne všechny havárie střech však jsou způsobeny následkem mimořádné nadílky sněhu. Příčinou bývá i neodborný či neprofesionální přístup při jejich návrhu a realizaci. Bohužel se s podobným případem nesetkávám poprvé, a přestože se v mnoha případech jednalo o velmi jednoduchou stavbu (nebo právě proto), rozhodl jsem se svoji zkušenost publikovat a touto cestou na problém upozornit.
Například v lednu roku 2010 mě kontaktoval majitel rodinného domu (RD) v okresu Hodonín se žádostí o prohlídku a posouzení stavu krovu.

¤ Obr. 1. Pohled rovnoběžně s fasádou ("vysunutí" krokví a zdiva)

Statické uspořádání, geometrie konstrukce a dimenze jednotlivých střešních prvků RD

Provedl jsem zaměření geometrie konstrukce a dimenzí prvků, současně jsem zajistil fotodokumentaci stavu, ve kterém se krov v době šetření nacházel. Konstrukce byla kompletně ze smrkového řeziva a podle informací majitele byla dokončena necelý rok před havárií. Krov byl vytvořen nad obdélníkovým půdorysem cca 12x7,5 m. Krokve průřezu 100/115 mm byly uloženy na pozednicích, které byly volně uloženy na podélných obvodových stěnách budovy. Kleštiny v úrovni 1,5 m pod vrcholem krovu tvořila dvojice prvků průřezu 2x45/120 mm. Styk kleštiny s krokví byl proveden jedním ocelovým svorníkem o průměru 12 mm a dvěma hřebíky. Pozednice byla průřezu 140/140 mm. Vodorovné síly v patě krovu měly pravděpodobně zachytit vazné trámy průřezu 140/140 mm, které byly stykovány s pozednicí ?proříznutím? (kampováním jednostranným přeplátováním) zajištěné jedním hřebíkem. Z bezpečnostních důvodů nebylo možné dimenzi hřebíku změřit, odhaduji 6,3/160. Osová vzdálenost vazných trámů oscilovala kolem 4,7 m.

¤ Obr. 2. Selhání styku vazný tram-pozednice. Odtržení a oddálení pozednice od vazného trámu o cca 20 mm, odklonění zhlaví zdiva 1. NP cca 100 mm.

Stav konstrukce v době místního šetření

V době místního šetření byl zcela zřejmý vodorovný posun konstrukce v úrovni pozednice, ve směru kolmo na osu hřebene střechy. Maximální hodnoty dosahovaly v polovině délky vnější linie domu (cca 200 mm). Současně s posunem pozednice došlo i k posunu zhlaví zdiva 1. NP.

¤ Obr. 3. Styk kleština-krokev.

Posouzení konstrukce

Na základě zjištěné geometrie konstrukce a dimenzí jednotlivých prvků jsem vytvořil odpovídající statický model, který jsem zatížil vlastní tíhou konstrukce, tíhou střešního pláště, tíhou sněhu a účinky větru dle platné normy ČSN EN 1991-1-1 (Eurokód 1: Zatížení konstrukcí). Pro výpočet předpokládám, že dimenze jednotlivých spojů (krokev-kleština, krokev- pozednice) jsou navrženy a provedeny tak, aby byly schopny přenést požadovaná zatížení a v tomto případě je dále nehodnotím.
V článku chci zdůraznit nejčastější problém, se kterým se při své praxi setkávám, a to je zachycení vodorovných sil v patě konstrukce. Při navrhování konstrukcí je samozřejmě nutné nosnost styků prvků zodpovědně dimenzovat.
Střešní konstrukce RD byla pravděpodobně navržena jako jednoduchá soustava prutových prvků s neposuvnými klouby v patách (resp. táhlem spojujícím paty konstrukce). Při splnění této elementární podmínky by byly navržené dimenze krokví a kleštin dostačující a konstrukce by byla schopna odolávat uvažovanému zatížení.
Systém prvků zajišťující konstrukci proti účinkům vodorovných sil byl nedostatečný a zcela logicky selhal. Jako nejslabší element se jeví spoj vazného trámu s pozednicí, který nebyl schopen odolávat vnesené síle. Je zřejmé, že autor návrhu nevěnoval dostatečnou pozornost velikosti síly ve styku vazný trám-pozednice (cca 26 kN) a vytvořil spoj, který nebyl schopen přenést ani 10 % požadovaného zatížení.
Ale i za předpokladu, že by byl zvolen dostatečně únosný spoj a nedošlo by k jeho kolapsu, nebyla by pozednice schopna přenášet ohybový moment vyvolaný akcí vodorovné složky kotvení krokví. Vzhledem k osovým vzdálenostem vazných trámů (4,7 m), dimenzi pozednice (140/140 mm) a velikosti zatížení ve vodorovném směru (5,5 kN/m) by byla asi čtyřnásobně přetížena.

¤ Obr. 4. Normálové síly [kN] (model A - vodorovná vazba v patě konstrukce)

¤ Obr. 5. Ohybové momenty [kNm] (model A - vodorovná vazba v patě konstrukce)

Výpočet dvou základních modelů
Pro demonstraci chování konstrukce po selhání vodorovné vazby (nebo její úplné absence v návrhu) jsem provedl výpočet dvou základních modelů:

• A - pro stav, kdy jsou paty konstrukce svázány vodorovnou vazbou (vazní trám, táhlo, neposuvné klouby);
• B - pro stav po selhání vodorovné vazby.

Pro oba případy je zatížení následující
Charakteristické hodnoty:
krytina 0,55 kN/m²,
sníh symetricky 0,35 kN/ m² (oblast I - 0,7 kN/ m²),
vítr zleva 0,278 kN/ m2 (oblast II - 25 m/s, terén III).

Řešení obou případů je podle teorie II. řádu. Konstrukce vykazuje poměrně velké deformace (použit byl výpočtový program RFEM).

¤ Obr. 6. Normálové síly [kN] (model B - po selhání vodorovné vazby v patě konstrukce)

¤ Obr. 7. Ohybové momenty [kNm] (model B - po selhání vodorovné vazby v patě konstrukce)

Selhání vodorovné vazby se nejvíce projevilo na ohybovém namáhání krokví, kde se absolutní hodnota ohybového momentu zvětšila více než osmkrát. Dále původně tlačený prvek (kleštiny) musí po selhání vodorovné vazby odolávat tahu (normálová síla změnila znaménko a zdvojnásobila svoji hodnotu).
Po selhání vodorovné vazby v patě konstrukce a při uvážení klimatických zatížení v normou uvažovaných hodnotách je krokev přetížena přibližně sedminásobně a kolaps celé střechy je vysoce pravděpodobný.
Tyto závěry jsou jistě všem statikům jasné a nijak je nepřekvapují. Srovnání uvádím především pro ty z nás, kteří statický výpočet neprovádějí a k tak ?jednoduché? konstrukci statika nepřizvou, využívají empirických vzorců a vzorů konstrukcí, které vytvořily minulé generace stavitelů. Nic proti tomu. Je nutné si však uvědomit význam všech prvků, jejich vzájemných vazeb a statického modelu. Při zajištění všech předpokladů pro použití empirických vzorců a předloh (zachycení vodorovných sil v patě pro uvedenou soustavu k nim jistě patří) by takto navržená konstrukce v drtivé většině případů byla schopna předpokládaná zatížení bezpečně přenášet. Otázkou je, zda by splňovala všechny normativní požadavky současné doby.
Výpočet výše uvedené konstrukce je jednoduchý a je možné dosáhnout kvalitních výsledků i bez využití výpočetní techniky. S použitím odpovídajícího programu je výpočet samozřejmě snazší. Při stávající technické i cenové dostupnosti použitelných výsledků nevidím žádný důvod k neověřeným experimentům.

Závěr - zamyšlení nad selháním systému

Popisovanou konstrukci krovu je možné považovat jak z hlediska náročnosti statického výpočtu, tak z hlediska rozsahu konstrukce i náročnosti provádění za velmi jednoduchou. To je možná hlavní příčinou vzniku tak fatálních chyb, které vedly k výše popsaným poruchám. I malý a jednoduchý krov je nosnou konstrukcí, a proto podléhá režimu stavebního povolení (resp. ohlášení). Musí existovat projektová dokumentace, stavbu musí provádět, nebo alespoň dozorovat osoba se stanovenou kvalifikací. Splnění všech zákonem předepsaných podmínek se dokládá při kolaudaci. U všech zúčastněných pravděpodobně došlo k podcenění situace v důsledku již výše zmíněné jednoduchosti a nenáročnosti stavby. Při standardním zákonném postupu by tak nekvalitní dílo nemohlo nikdy vzniknout. Výše uvedený text není nijak významný z hlediska vlastního stavebního díla, proto jsem se podrobněji nevěnoval dalším prvkům konstrukce ani jejich vzájemným spojům a detailům. Většina kolegů inženýrů a techniků běžně podobné konstrukce s úspěchem navrhuje a realizuje. Téma je však závažné z hlediska přístupu zúčastněných osob a možných následků jejich lehkomyslnosti. Přesto, že se z pohledu zatížení jedná o poměrně lehkou konstrukci, její hmotnost je v případě zhroucení dostatečná k tomu, aby způsobila vážné zranění, v krajním případě i usmrcení osob v jejím dosahu.
Nepodceňujme návrh žádné konstrukce, ani v případě, že se jeví na první pohled jednoduchá. Věnujme mu pozornost, kterou si zaslouží. Odborně navržená konstrukce je bezpečnější a ve většině případů i levnější, protože kvalitně provedený statický výpočet umožňuje optimální využití materiálu. V našem případě stačilo zodpovědněji navrhnout styk pozednice - vazní trám (případně použít ocelové táhlo) a zmenšit osovou vzdálenost mezi těmito prvky tak, aby byla pozednice (při své dimenzi) schopna přenášet ohybové momenty způsobené vodorovnými silami.