Havárie střešní konstrukce zatížené sněhem

V závěru příspěvku je ještě pro srovnání připojen výpočet zatížení sněhem v jeho ?normové? složce podle EUROKÓDU 1, změny ?Z1? z října 2006 pro srovnání zatěžovacích údajů se zatížením ve smyslu ČSN 73 0035 z roku 1986.

Popis konstrukčního systému střechy

Objekt má jedno nadzemní podlaží provedené z montovaného železobetonového skeletu s obvodovým cihelným zdivem. Plochá střecha nebyla dostatečně vodotěsná, a proto byl v roce 2000 vypracován projekt sedlové střechy, který lépe řešil problematické odvody vod z této plochy. Naštěstí původní netěsná železobetonová střecha nad hlavním prostorem zůstala, takže pád zastřešení a krovu se realizoval pouze na tuto stropní konstrukci. Ke zranění osob nedošlo. Konstrukce krovu byla navržena ze štíhlých příhradových vazníků soustavy GANG-NAIL, osově vzdálených 1200 mm. Spád střechy činil 15,50. Vazníky byly navrženy přes hlavní prostor přízemí objektu a překrývaly zčásti také krajní modul světlého rozponu 6,1 m, kde na obvodovou zeď přecházel horní pás vazníku, zčásti již bez příhradového řešení, jak je zřejmé ze stavebního řezu - obr. 1. Místo projektem navržené technologie GANG-NAIL byly provedeny jiné vazníky, sbíjené, detaily jsou patrné z fotografií.

Obr. 1 dílčí příčný řez objektem

Zatěžovací parametry sněhem dle ČSN 73 0035 z roku 1986

Požadavky normy pro zatížení stavebních konstrukcí
Dle platné ČSN 73 0035 - Zatížení stavebních konstrukcí z roku 1986 patří místo s posuzovaným objektem do rozhraní oblastí ?IV? a ?V? se základní tíhou sněhu min. s₀ = 1,5 kN/m^-2. Normová složka zatížení sněhem se vyčísluje ještě s ohledem na spád střešní roviny a hmotnost střešního pláště (krytina, podhledy apod.). V místě spadlé části a v dalších oblastech podhled nebyl.

s_n = s₀ . μ_s. χ = 1,5 . 1,0 . 1,2 = 1,8 kN.m^-2

μ_s = 1,0 (sklon střechy je menší než 250)

Plošné normové zatížení střešního pláště - lepenková krytina i s bedněním - 0,30 kN.m^-2, tedy do 0,5 kN.m^-2 podle čl. 138 ČSN 73 0035 - χ = 1,2.

Skutečnost zjištěná na stavbě
V době havárie bylo na střešním plášti min. 450 mm sněhu, v oblastech s návějemi ještě více. Sníh byl na střeše souvisle již od posledního prosincového týdne roku 2005, znamená to tedy, že se jednalo o sníh ulehlý. Před pádem střechy pršelo, sníh ještě ztěžkl. Podle údajů ?Technického průvodce Zatížení stavebních konstrukcí? [1] může činit hmotnost ulehlého mokrého sněhu až 550 kg/m³ (zatížení 5,5 kN/m³).

s_n = 0,45 . 5,5 kN/m³ = 2,475 kN/m² > 1,8 kN/m²

Hmotnost sněhu na střešním plášti byla v poměru k normovému požadavku 2,475/1,8 = 1,375. To znamená, že normový účinek byl překročen minimálně o 37,5 %.
Poměr nahodilého zatížení sněhem k stálému zatížení činil při zanedbání vlastní hmotnosti vazníků: n = 2,475/0,3 = 8,25.

Obr. 2 zlomení vazníku na střední zdi

Statický model vazníků a mechanismus zřícení střechy

Vazníky byly uloženy na krajní a střední zeď, přes kterou přesahovaly přibližně 3 m, jak je patrné z řezu - obr. 1. Řez je z projektové dokumentace pro stavební řízení a svislice i diagonály vazníku byly stavebním projektantem naznačeny pouze zcela orientačně - chybně, protože nad střední podporou je spodní pás vazníku namáhán ohybem, styčník s diagonálami je mimo podporu. Horní pás vazníku probíhal od poloviny rozpětí pole již bez příhrad až do vnější obvodové zdi. Vznikl tedy spojitý nosník o dvou polích - jedno pole nad velkým prostorem, tvořené příhradovým vazníkem, a druhé nad menším prostorem, tvořené převislým koncem příhradového nosníku s pokračující krokví horního pásu až na obvodovou zeď. V reálném provedení pak nad střední zdí byl ve spodním pásu styčník diagonál, v horním pásu vznikla velká tahová síla z titulu záporného ohybového momentu. Styk pásnic nad podporou byl proveden pouze vnitřní příložkou vloženou mezi pásnice. Její plocha činila 50 % plochy pásnic. Bylo to nejméně vhodné místo pro nastavení pásnic touto formou.
Ve střeše došlo k překročení meze únosnosti orologi replica negozio taženého dřevěného horního pásu vazníku v oblasti nad střední zdí, vznikl zde plastický kloub. To umožnilo v menším poli vytvoření prostého nosníku s plastickým kloubem v podpoře a dalším kloubem uprostřed - neboť místo projektovaného průběžného horního pásu bylo realizováno nastavení jedním svorníkem - viz obr 3. Takový statický model prostého nosníku není možný a znamená havárii, i když část zatížení mohla být ještě nějakou chvíli přenášena, kloub v reálné praxi nepůsobí vždy zcela ideálně, vznikají různá tření apod.

Obr. 3 detail kloubu - napojení konce vazníku na krokev uprostřed pole

Obr. 4 detail zlomu nad střední zdí

V projektovém návrhu sice tento kloub nebyl, ale i tak byl rozdíl ohybových tuhostí v napojení uprostřed pole více než zřejmý. Výpočet výseku příhradového vazníku byl proveden s modelovaným vetknutím podle obr. 5 v uzlech 8 a 13 (nad střední zdí) a vertikální podporou v uzlu 7 (obvodová zeď) se spojitě probíhajícím horním a spodním pásem a kloubově připojenými svislicemi a diagonálami. V uzlu 5 byl repliche orologi modelován kloub. Výsledné vybrané vnitřní síly pro spojité svislé zatížení horního pásu dokumentují v obr. 6 mimo jiné řádové nevyváženosti dimenzování prutů mezi uzly 3-4, 4-5 a uzly 5-6 a 6-7.

Obr. 5 osové schéma řešeného výseku vazníku s číslováním uzlů

Obr. 6 vybrané průběhy vnitřních sil mezi některými uzly

Příčiny zhroucení střechy

Dospěl jsem k názoru, že pád střechy byl zapříčiněn:

• nevhodným konstrukčním řešením vazníků a spojů a chybným statickým modelem - vazníky byly sice zřejmě staticky počítány, ale v rozhodujícím průřezu - nad střední zdí - byl horní tažený pás nastavován pouze ve vnitřním prostoru mezi pruty, z vnější strany nebyly žádné další příložky, to bylo nejméně vhodné místo pro stykování, neboť zde působila největší tahová síla horního pásu. Další hrubou konstrukční chybou realizace bylo napojení prutu (krokve) na vazník uprostřed pole kloubem, byť do okamžiku vzniku plastického kloubu nad podporou působila konstrukce jako spojitý Gerberův nosník. Samostatná napojená krokev nebyla dostatečně dimenzována na únosnost pro průřez uprostřed pole i pro případ, že by probíhala souvisle bez vloženého kloubu;
• přetížením sněhovou vrstvou - rozbor v odstavci o zatížení sněhem prokazuje, že vrstva sněhu 450 mm znamenala překročení normového požadavku o 37,5 %, pokud se uvažovala hmotnost ulehlého sněhu 5,5 kN/m³. Tato okolnost je významná právě u těchto lehkých plochých střech z toho důvodu, že podíl nahodilého zatížení (v tomto případě sněhové vrstvy) vůči stálému zatížení vlastní hmotností je velmi významný - zde činí 2,475 kN/m² (sníh):0,30 kN/m² (vl. tíha) = 8,25 (u těžších betonových střech je tento poměr většinou výrazně menší než 1);
• neodstraňováním sněhové vrstvy během zimního provozu - zde je třeba konstatovat, že od ledna 2006 do března 2006 bylo mnohokrát ve sdělovacích prostředcích upozorňováno na nutnost odstraňování sněhu ze střech, to provedeno nebylo;
• nedůsledným přístupem technického dozoru stavby - pečlivou kontrolou bylo možné zjistit nesoulad mezi projektovým řešením a realizací spojení vazníků a mohlo se ještě na staveništi doplnit posílení nevhodných kloubů a spojení (příložky apod.).

Výpočet zatížení sněhem podle ?EUROKÓDU 1?

Od října 2006 přestala platit v ČSN 73 0035 - Zatížení stavebních konstrukcí část týkající se zatížení sněhem a lze užívat EUROKÓD 1 (ČSN EN 1991-1-3: 2005/Z1: 2006). Podle mapy této normy se předmětné místo zařazuje do sněhové oblasti VI. Střešní plášť nebyl zateplen, proto se dle Národního aplikačního dokumentu uvažuje součinitel Cl hodnotou 0,8.

S = μ_i . C_e . C_l . S_k = 0,8. 1,0 .0,8 . 3,0 kN/m^-2 = 1,92 kN/m^-2

Je tedy zřejmé, že pro tento případ havárie se významnou měrou zatížení sněhem podle EUROKÓDU 1 a ČSN 73 0035 z roku 1986 v ?normových (provozních) složkách? nemění.

Použitá literatura
[1] Zatížení stavebních konstrukcí. Praha: SNTL, 1987, s. 261.