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

V minulém čísle jste byli seznámeni s poruchami dřevěných stropních konstrukcí hradu, jejich příčinami, projekčním přípravou a ukázkami řešení opravy průvlaků a stropních trámů arkádového přístavku Císařského paláce. V dnešním článku budeme pokračovat ukázkami již realizovaných prací při opravě stropů Císařského paláce a Velké věže.

Posílení stropních trámů diagonálním záklopem - řešení použité v podkroví Císařského paláce

Jedná se o variantu k posílení přetížených průvlaků dřevěným členěným nosníkem (viz. předchozí článek). Důvodem ke změně řešení byla malá výška násypu neumožňující skrýt v podlahových vrstvách horní pásnici členěného nosníku a též menší užitné zatížení. Podstatou řešení je posílení stropních trámů jejich spojením s dřevěnou deskou záklopu, a tedy vytvoření nosníku tvaru "T". Nový nosník je navržen tak, aby byl schopen přenášet zatížení na celý rozpon stropních trámů. Přetížené průvlaky, které původně podpíraly stropní trámy uprostřed rozpětí, budou nyní odlehčeny nebo v případě závažných poruch zcela vyřazeny z funkce, aniž by byla nutná jejich výměna nebo oprava. Míra odlehčení průvlaků závisí na velikosti nadvýšení stropních trámů před jejich spojením se záklopem. Původní překládaný záklop byl bez demontáže "utažen" novými klínovými prkny vloženými do mezery nad prkna spodní vrstvy. Na takto upravenou plochu byly položeny dvě vrstvy nového diagonálně a křížem kladeného záklopu. Nová prkna po obvodu opatřena polodrážkou byla při kladení utahována v příčném i podélném směru. Všechny vrstvy záklopu jsou vzájemně spojeny vruty. Takto vytvořená deska je kotvena ke stropním trámům kolíky z tvrdého dřeva zaraženými do předvrtaných otvorů stejného průměru na disperzní vodostálé lepidlo. Kolíky zde mají funkci hmoždíků namáhaných na smyk a v krajních úsecích T-nosníku též na tah. Na přesnosti jejich osazení závisí poddajnost spojů a tedy konečný průhyb a celková únosnost nosníku. Z tohoto důvodu byly použity kolíky soustružené, na místě kalibrované podélným drážkováním podle skutečného průměru vrtu. Podélné strany záklopu jsou lemovány prahy z modřínových hranolů, kotvených do zhlaví stropních trámů kampy a tesařskými vruty. Šikmé seříznutí styčné plochy prahu se záklopem umožňuje utažení záklopových prken v podélném směru a rovněž posiluje kotvení okraje záklopu proti vytržení. Nevýhodou tohoto řešení je absence rektifikace. Při stanovení modulu pružnosti a konečného průhybu T-nosníků, na kterých závisí míra odlehčení průvlaků, je nutné se zcela spolehnout na výpočet. Dodatečné úpravy průhybu T-nosníků jsou velmi obtížně řešitelné. V úvahu přichází snad pouze korekce výšky uložení zhlaví trámů ve zdivu. Záklop byl po dokončení zakryt vrstvou původního násypu a cihelnou půdovkovou dlažbou do maltového lože.

Oprava stropu pod podlahou kaple sv. Kříže

Stavební zásah v prostředí výjimečné kulturní hodnoty je vždy obtížnou úlohou. V případě kaple sv. Kříže je tato obtížnost dána nejen přítomností mnoha uměleckých děl, inventáře a cenné výzdoby, ale i její nedostupností. Kaple je umístěna ve druhém podlaží Velké věže, na nejvyšším bodě hradního ostrohu, na místě programově nedobytném. Jakákoliv v běžném prostředí triviální stavební činnost, je-li prováděna v kapli sv. Kříže, vyžaduje náročnou přípravu dopravních tras a nákladná ochranná opatření. Z archivní dokumentace bylo patrné, že podlaha kaple je nesena samonosným dřevěným stropem uloženým těsně nad vrcholem kleneb nižšího podlaží. Mezi oběma konstrukcemi je uzavřen nepřístupný prostor, o jehož stavu a konstrukčním uspořádání jsme neměli žádné informace. Po podrobných nedestruktivních průzkumech (viz předchozí články) byl mezistrop zpřístupněn dvěma průleznými sondami. Potvrdil se předpoklad, že dřevěná stropní konstrukce pochází z období Mockerovy přestavby hradu. Prostor pod kaplí je rozdělen příčnou stěnou na dvě části zastropené trámovými stropy se dvěma průvlaky. Stropní trámy jsou zakryty překládaným záklopem s násypem a keramickou dlažbou do maltového lože. Pod reliéfní dlažbou z 19. století byla překvapivě objevena starší avšak Mockerem přeložená barevně glazovaná dlažba. Tato dodatečná úprava, o jejíchž příčinách se lze pouze dohadovat, podstatně ovlivnila zatížení stropu a stala se spolu s neregulovaným návštěvnickým provozem hlavní příčinou statických problémů této konstrukce.
Návrhy opravy byly podstatně ovlivněny omezujícími podmínkami objednatele. Demontáž podlahových vrstev byla zcela vyloučena. Přístup do mezistropu pro dopravu materiálu a pracovníky stavby byl umožněn pouze dvěma již existujícími sondami rozměrů 800/800 mm. Mezi další omezující faktory lze uvést stísněný prostor mezistropu se světlou výškou mezi vrcholem klenby a spodní úrovní průvlaku 200 mm a malou tloušťku klenby (150 mm) vylučující podepření nebo heverování průvlaků.
Z variantního návrhu stavby vyšlo vítězně řešení posilující stávající průvlaky ocelovým vzpínadlem. K zamítnutí dřevěné varianty založené na podepření průvlaků vzpěradlovou vazbou vedly především důvody spojené s obavou o recidivu závažné statické poruchy jihozápadního nároží Velké věže, po staletí ohrožující její stabilitu, která byla úspěšně sanována až na sklonku minulého století v průběhu mockerovské restaurace hradu. Mezi nevýhody dřevěné vzpěradlové konstrukce vnášející díky malému vzepětí do obvodového zdiva značné vodorovné síly lze uvést též podstatné zásahy do původních konstrukcí spojené s jejím kotvením, nutnost nadvýšení stropní konstrukce a rizika spojená s velkou hmotností přepravovaných břemen. Vzpínadlo nebo též armovaný nosník je historická konstrukce běžně uváděná v literatuře 19. století jako způsob posílení hlavních nosných dřevěných prvků. Toto neobvyklé řešení bylo po diskusích zvoleno pro své četné klady. Jedná se o přiloženou konstrukci, kdykoliv demontovatelnou, která vyžaduje zcela minimální zásahy do původních prvků. Nosník nevyvozuje vodorovné síly. Na místě je prováděna pouze čistá montáž s prvky malé hmotnosti. Nosník má vlastní rektifikaci umožňující jeho aktivaci. Účinnost trojúhelníkového nosníku je závislá na jeho vzepětí. Z důvodu nedostatku místa pod průvlakem jsme využili nabízející se volné mezery mezi stropními trámy a tlačenou pásnici nosníku umístili nad průvlak. Mezery mezi stropními trámy jsou doplněny masivními dubovými hranoly s klínovou rektifikací. Měkké dřevo stropních trámů je proti otlačení chráněno roznášecími fošnovými podložkami z dubu. Vzájemné spoje nových dřevěných prvků jsou provedeny křížovými kampy, spoje s původními prvky tesařskými vruty. Ocelová část nosníku sestává z párových táhel systému DETAN s litinovými vidlicemi osazenými na dvě krajní a jedno střední ložisko. Nadvýšení nosníku zajišťují aktivační šrouby středního ložiska. Litinová konzola pod zhlavím průvlaku kompenzuje jeho nedostatečné uložení ve zdivu (pouze 130 mm). Za zmínku stojí aplikace spojů převzatých z dřevěných konstrukcí na ocelové prvky. Krajní ložiska jsou spojena s dubovými hranoly pásnice křížovými kampy hloubky 20 mm, zhotovenými frézováním v ocelové desce tl. 60 mm. Aktivace litinové konzoly pod zhlavím průvlaku je provedena plochým ocelovým frézovaným klínem uloženým do klínového lůžka konzoly.

Oprava stropu nad klenbou kaple sv. Kříže.

Kaple je zastropena dvěma křížovými žebrovými klenbami tloušťky 300 mm. Těsně nad vrcholem kleneb je založena tesařská konstrukce dřevěného trámového stropu. Stropní trámy jsou podporovány dvěma průvlaky uloženými na vzpěradlových vazbách tvaru ležaté stolice. Vazby kopírující tvar klenby jsou založeny na kamenných konzolách kotvených v obvodovém zdivu. Dvě ze šesti vazeb podporují kromě stropu též dřevěné schodiště do vyšších pater. Stropní trámy jsou kryty záklopem, násypem a cihelnou půdovkovou dlažbou do maltového lože.
Dřevěná konstrukce vykazovala četné poruchy z nichž nejzávažnější byly trvalé průhyby stropních trámů (až 1/100 rozpětí) způsobené poklesy vzpěradlových vazeb. K poklesům přispělo kromě malého vzepětí vazeb především špatné dimenzování a následné otlačení čepových spojů, které postrádaly nezbytné zapuštění. Nové zadání požadovalo kromě možnosti využití podlaží pro návštěvníky hradu též vyřešení požární ochrany kaple. Katastrofický scénář předpokládá požár krovu a tří dřevěných stropů vyšších podlaží a jejich následné zřícení na klenbu kaple. Tento problém byl teoreticky řešen již několika generacemi projektantů. Požární vodovod realizovaný počátkem 20. století se později ukázal jako neúčinný. Železobetonové a ocelobetonové požární stropy navržené v 70. a 80. letech minulého století projektanty SÚRPMO nebyly z památkových důvodů realizovány. Náš návrh vychází z poznání historických požárních stropů využívajících jako nespalnou konstrukci dřevěný poval krytý dlažbou s násypem nebo hliněnou mazaninou. Požární odolnost takového stropu je kromě ochrany násypem a dlažbou dána mohutnou dimenzí jednotlivých povalových trámů, která vylučuje jejich přehoření a přesným sesazením respektive vhodným utěsněním styčných ploch, které brání proudění vzduchu mezi oběma patry. Důležitá je též vysoká statická únosnost povalu bránící jeho přetížení sutinami z vyšších podlaží. V uvedeném případě jsme na zhotovení povalu použili 70 modřínových trámů průřezu 240/315 mm a délky 10,5 m. Poval, který nahradil původní stropní trámy, je uložen na existující odskok obvodových stěn bez nutnosti bourání obvodového zdiva. Původní vaznice a vzpěradlové vazby byly zachovány jako pojistná nosná konstrukce, která nebude při běžném provozu objektu zatížena. Poval dimenzovaný na šířku podlaží je založen na nízké dubové pozednice. Toto nadvýšení je navrženo tak, aby k využití původní konstrukce došlo pouze v případě vzniku mimořádného nahodilého zatížení způsobeného požárem. Povalové trámy jsou vzájemně spojeny soustruženými dubovými kolíky zaraženými nasucho do předvrtaných otvorů. Povrch kolíků je podélně drážkován raznicí. Styčné plochy povalových trámů jsou namístě upravovány hoblováním do roviny. Použité řezivo bylo přirozeně sušeno jeden rok a skladováno v hráních stažených svorníky a proložených vodorovně i svisle latěmi. Samostatnou kapitolu tvoří staveništní doprava povalových trámů do Velké věže. Konfigurace terénu a omezená průjezdnost hradních bran vylučuje použití běžné zvedací techniky. Těžká technika (autojeřáb COLES) byla využita pouze k dopravě trámů k patě věže, kde byla k tomu účelu zřízena skladová plošina. Odsud do třetího patra věže jsou jednotlivé trámy hmotnosti 600 kg dopravovány vozíky a lanovými zvedáky.

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
Zámečnické konstrukce: kovářství Prošek, Zbečno

Ing. Vít Mlázovský
statik na Karlštejně