Stavební opravy hradu Karlštejna po roce 1997 - havárie dřevěných stropních konstrukcí

V průběhu restaurace hradu na konci 19. století byly s výjimkou přízemí Mariánské věže vyměněny téměř všechny dřevěné stropní konstrukce. O kvalitě trámových stropů navržených architektem Mockerem podle podrobně prozkoumaných fragmentů původního zastropení nebylo sebemenších pochyb. Tyto konstrukce byly chápány a prezentovány jako příklad špičkového tesařského řemesla 19. století, ke kterému jsme vzhlíželi s obdivem. O to větší údiv vyvolaly statické poruchy, které se na mockerovských stropech začaly projevovat od roku 1997, tedy po dosažení stoleté životnosti.

Impulsem k rozsáhlé projekční a stavební činnosti se stala havárie stropních konstrukcí arkádového přístavku Císařského paláce. Za její hlavní příčinu, zcela netypickou pro ostatní konstrukce hradu, lze označit skrytou vadu stavby (excentrické uložení dubových sloupů třípodlažního objektu). Sloup 1. patra nesoucí zatížení ze dvou vyšších podlaží byl z nejasných důvodů založen na jediném stropním trámu 580 mm od osy průvlaku a sloupu přízemí. Na jaře 1997 došlo k porušení tohoto stropního trámu pod sloupem smykovou trhlinou a následně k poklesu výše položených stropních konstrukcí o 150-170 mm. Porucha se vyvíjela velmi rychle a nebýt duchapřítomného zásahu památkového architekta, který zajistil provizorní podepření, došlo by zcela jistě ke zřícení dotčených stropních konstrukcí, na kterých do poslední chvíle probíhal návštěvnický provoz. Tato událost se stala popudem k zahájení stavebnětechnického průzkumu dřevěných stropů celého hradu, při kterém byly objeveny další závažné poruchy. Výsledky předběžného statického posudku byly alarmující. Převážná část hradních stropů nevyhověla požadovanému zatížení.

Průzkumy a projekční příprava

Členité prostory hradu jsou zakryty několika typy stropních konstrukcí z nichž dominantní jsou trámové stropy s překládaným záklopem podepřené uprostřed rozpětí podélně orientovanými průvlaky. Podhledy stropních prvků jsou zdobeny historizující profilací s polychromií. Záklopy jsou kryty stavební sutí a reliéfní keramickou dlažbou do maltového lože. Průvlaky jsou uloženy na příčné stěny nebo při větších rozměrech místností na dubové resp. kamenné sloupy. Pro pomalý vývoj poruch bylo rozhodující, že stropní trámy na rozdíl od průvlaků nejsou nad střední podporou dělené a působí tedy jako spojité nosníky.
Z průzkumů vyplynulo, že stropní prvky vykazují závažné statické poruchy a to u ohýbaných prvků trhliny přetínající spodní rohová vlákna, smykové trhliny v blízkosti podpor a extrémní průhyby dosahující hodnot až 1/60 rozpětí. Z předběžného statického posudku vyplynulo, že hodnoty výpočtových pevností dřeva v ohybu jsou v extrémních případech překročeny až o 200 %. Pro dosažení maximální objektivity výpočtu bylo provedeno přesné geodetické zaměření průhybů stropních prvků, laboratorní vyšetření objemové hmotnosti podlahových materiálů a laboratorní vyšetření pevnostních charakteristik použitého dřeva. Již při vizuálním zatřídění dřeva podle pevnosti však bylo zřejmé, že výpočtovou pevnost nebude možné příliš zvyšovat. Použité borové dřevo je velmi řídké (letokruhy šířky až 10 mm) s častým výskytem velkých suků. Výpočtový model zpracovaný v programu Ida Nexis byl zpřesněn zavedením poklesu podpor dle geodetického zaměření. I takto zpřesněný výpočet však pouze potvrdil havarijní stav převážné části stropních konstrukcí hradu. Za hlavní příčiny poruch lze označit velkou výšku podlahových násypů (až 250 mm), enormní zátěž návštěvnickým provozem (60 osob ve skupině á 10 min.) a pokles podpor způsobený seschnutím a dotvarováním dřeva zatíženého kolmo na vlákna. K výše vyjmenovaným příčinám poruch lze připojit též změnu Mockerova projektu, která vedla ke zvětšení osové vzdálenosti stropních trámů. Architekt v prováděcí dokumentaci upustil od původně navrženého gotického členění stropních trámů (osová vzdálenost je rovna 1,5 násobku jejich výšky), které vycházelo z nálezu fragmentálně dochovaných původních konstrukcí a přistoupil patrně na základě investorského tlaku k úspornému řešení.
Překvapením bylo též nekvalitní provedení spojů vzpěradlových konstrukcí podporujících strop nad kaplí sv. Kříže a příčných nosných stěn Audienční síně. Absence zapuštění a z toho plynoucí otlačení čepových spojů vedlo k extrémním průhybům těchto konstrukcí a následně k jejich havarijnímu stavu.
Nebývalý rozsah problému, podmíněný rozlohou a členitostí hradních prostor a různorodostí konstrukčních systémů vedl objednatele ke jmenování pracovního týmu jehož prvním krokem byl návrh a okamžitá realizace provizorního podepření ohrožených prvků. Následná projekční příprava byla limitována požadavky objednatele na minimální omezování návštěvnického provozu v průběhu oprav a minimální zásahy do podlahových vrstev. Nejprve se uvažovalo o plošném rozebrání dlažby a výměně zásypů za lehčí materiál. Od této myšlenky jsme kromě památkových důvodů ustoupili proto, že náhrada násypů a s ní spojená celoplošná výměna dlažby by s sebou přinesla četné technické problémy, přičemž náklady by několikanásobně převýšily cenu statického zajištění prvků. Toto rozhodnutí však podstatně ovlivnilo nově navržená statická řešení. Projekční příprava byla zpracována ve třech stupních. V prvním stupni byla vypracována obecná studie statických řešení opravy nejvíce poškozených prvků - průvlaků. Z osmi předložených variant ověřujících reálně použitelné technologie a materiály byly do stupně návrh stavby vybrány tři, z nichž vítězné řešení se stalo podkladem k vypracování prováděcí dokumentace. Podle stupně ohrožení objektů byla příprava a následná realizace rozdělena do několika etap. K dnešnímu dni byly bez povrchových úprav dokončeny etapy č. 1, 2 a 3 tj. oprava stropních konstrukcí Arkádového přístavku, oprava stropů Císařského paláce a oprava stropu pod podlahou kaple sv. Kříže. V současné době probíhá oprava stropní konstrukce nad kaplí sv. Kříže a stropu III. a IV. patra Velké věže. Jako poslední je plánována oprava stropů Mariánské věže s kostelem Panny Marie. Z rozsáhlé dokumentace vybíráme dále některé ukázky již provedených prací.

Posílení průvlaku dřevěným členěným nosníkem - návrh použitý v Císařském paláci

Podstatou řešení je vytvoření samosvorného vysokého členěného nosníku (trámového roštu) složeného ze spodní pásnice tvořené původním průvlakem, horní pásnice tvořené dvojicí nových hranolů skrytých v násypu podlahy a střední vrstvy tvořené původními stropními trámy a novými hranolovými vložkami oboustranně krytými mockerovským bedněním. Hranoly horní pásnice jsou vyrobeny z masivního dubového dřeva přirozeně sušeného 1 rok (vlhkost při zabudování nad 30%), hranolové vložky jsou sesazeny ze tří dubových fošen vlhkosti 12% na dubové kolíky. Přenesení smykových sil zajišťují klínové a hranolové hmoždíky z průmyslově sušeného dubového dřeva. Vzájemné spojení všech částí nosníku je navrženo svorníky a vruty z vysokopevnostní oceli. Spodní závitové podložky svorníků jsou osazeny do drážky, frézované zboku do průvlaku kolmo na svislou osu svorníku. Důvodem jsou špatné zkušenosti s víčkováním drážek na spodní straně trámů tj. v tažené oblasti. Drážka je dodatečně zavíčkována kónickou vložkou vyrobenou z vyjmutých částí mockerovských trámů. Původní průvlak byl před výrobou nosníku nadvýšen o 1/200 rozpětí. Po vyhodnocení velmi přesně provedených vzorků byly při realizaci vypuštěny rektifikační klíny hmoždíků a ojedinělé výrobní nepřesnosti byly těsněny olověným plechem. Horní pásnice byla po sestavení nosníku zakryta geotextilií a zasypána násypem. Svorníky jsou průběžně dotahovány v závislosti na sesychání horní pásnice k tomu účelu vynechanými otvory v dlažbě podlahy.

Vyvěšení poškozených stropních trámů - návrh použitý v arkádovém přístavku Císařského paláce

Nalomené stropní trámy bez výrazných deformací byly vyvěšeny do nového dřevěného nosníku složeného ze dvou vedle sebe položených dubových hranolů skrytých v násypu podlahy. Zavěšení je provedeno dřevěnými motýlkovými svorníky osazenými do šikmých dlabů a zajištěnými klíny. Obdobně je navrženo vzájemné sepnutí obou částí nosníku. Motýlkové svorníky, které byly navrženy jako alternativa ke standardně používaným ocelovým svorníkům, byly vyrobeny štípáním z přirozeně zakřiveného dubového a akátového dřeva. Aby při zatížení svorníku nedošlo k usmyknutí jeho klínové části musí dřevní vlákna kopírovat tvar klínové strany.

Údaje o stavbě:

Investor: Státní památkový ústav středních Čech v Praze
Správa hradu Karlštejna: Ing. Jaromír Kubů
Památkový dohled: ing. arch. Zdeněk Chudárek
Technický dozor investora: Archa a.s., Kolín, Ing. Vít Kosina
Vedoucí projektant: ing. arch. Jan Adámek
Statika: Ing. Vít Mlázovský, Ing. Marie Stiburková, Ing. Zdeněk Rieger
Generální dodavatel: ALVA spol. s r.o., Příbram
Tesařské konstrukce: ARS TIGNARIA spol. s r.o., Petr Růžička

Pokračování v příštím čísle

Ing. Vít Mlázovský
statik na Karlštejně