10. Haly velkých rozpětí.

Transkript

1 10. Haly velkých rozpětí. Rovinné konstrukce z tuhých prvků: nosníky plnostěnné a příhradové, oblouky. Prostorové konstrukce z tuhých prvků (rošty, příhradové desky, válcové klenby a skořepiny, kopule). Visuté konstrukce: lanové, membránové. Zavěšené konstrukce: s tuhými závěsy, netuhými závěsy. Pneumatické konstrukce s lany. Konstrukce s osově namáhanými prvky a skly. Tensegrity a tensairity konstrukce. Zvolené rozdělení podle hlavních nosných prvků: (doplní se o plášť, zavětrování, stěny atd.) konstrukce z tuhých prvků, visuté konstrukce, zavěšené konstrukce, pneumatické konstrukce s lany. rovinné soustavy, prostorové soustavy. OK01 Ocelové konstrukce (10) 1 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 1

2 Obecně platí: plnostěnný nosník spotřeba materiálu nároky na opěry příhradový nosník oblouk rám zavěšené konstrukce klesá stoupají visuté konstrukce OK01 Ocelové konstrukce (10) 2 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 2

3 1. Rovinné konstrukce s tuhých prvků Plnostěnný nosník Nevýhody: pro velká rozpětí těžký (řídké použití). Příklad: zastřešení vstupní haly Wilsonova nádraží (strop je parkovištěm automobilů) nosník s rozpětím L = 45 m, horní pás tvoří ortotropní (vyztužená) deska Výjimka: Nosník s tvarovanou tenkostěnnou stěnou tl. 2 4 mm, L až 50 m SIN nosníky Únavové zkoušky v laboratoři FSv ČVUT (potvrdily možnost užití SIN nosníků pro jeřábové nosníky) OK01 Ocelové konstrukce (10) 3 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 3

4 Příhradový nosník Nevýhody: - velká výška (až L/10), - nutné zajistit stabilitu tlačeného pásu. Modifikace: prostorový příhradový nosník (L cr jen mezi styčníky) horní pas je v obou případech zajištěn pro vybočení z roviny na vzdálenost jeho styčníků Příklady: Hala Vítkovice, L = 100 m Stadion Amsterdam, L = 177 m (s pohyblivou střechou) Oblouky (plnostěnné, příhradové) Nevýhody: - zakřivení působí potíže krytině (proto často polygonální tvar) Příklady: Olympijský stadion v Sydney, L = 300 m Olympijský stadion v Athénách, L = 304 m OK01 Ocelové konstrukce (10) 4 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 4

5 Olympijský stadion Athény: Oblouky s rozpětím L = 304 m, polykarbonátová krytina (návrh: španělský architekt Santiago Calatrava) OK01 Ocelové konstrukce (10) 5 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 5

6 Statika oblouku: H = M f v v L f trojkloubový oblouk (staticky určitý) Dvojkloubový a vetknutý oblouk (staticky neurčité): projeví se vliv stlačení střednice ( menší H), jsou citlivé na pokles podpor a teplotu, vhodné je vložit táhla do podlahy (k přenesení H). Stabilita oblouku: a) Přibližně posudek na vzpěr ve čtvrtině rozpětí oblouku (pro ) N x = L/4 ) ) l l / 2 pro vybočení v rovině oblouku: Lcr = β β = 0,7 2 β = 1,0 N pro vybočení z roviny oblouku: β = 1,15 L - vzdál. příčného držení L = β β 2L - nebo (β 1, β 2 dáno v Eurokódu podle geometrie cr 1 a zatížení) b) Přesněji teorií 2. řádu s imperfekcemi (velké oblouky) (imperfekce se zavedou v prvním kritickém tvaru, amplitudy podle Eurokódu) OK01 Ocelové konstrukce (10) 6 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 6

7 Rámy Nejrůznější typy uložení, náběhy apod. (Stabilita rámů - viz přednáška č. 1). spoje předpjatými šrouby (omezit deformace) L až 70 m Detail "kloubu" : (vetknutí vyžaduje příliš velké základy) šrouby v obrysu sloupu kloubové chování Prostorové soustavy rošty příhradové desky válcové klenby a skořepiny kopule Při prostorovém návrhu: - materiál je lépe využit, - tuhost konstrukce při výpočtu je větší, - výroba je však pracnější a montáž obtížnější. OK01 Ocelové konstrukce (10) 7 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 7

8 Rošty dvousměrné plnostěnné rovinné nosníky: příhradové (podpory jsou obvykle po obvodě) třísměrné rošty může se v půdoryse zkosit nutné zavětrování v obou směrech!! - jsou v půdorysu tuhé, zavětrování není nutné. Příhradové desky (obvykle trubkové) Liší se od roštů tím, že dolní pásy jsou posunuty o ½ příhrady: dvojsměrné pro kloubová spojení má konstrukce 1º vnitřní volnosti min. 4 svislé podpory! OK01 Ocelové konstrukce (10) 8 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 8

9 třísměrné Výhody příhradových desek podpory lze umístit podle potřeby (namáhání se řeší dimenzí prutů - "skryté průvlaky"), umožňuje nejrůznější půdorysy, některé pruty lze výhodně vypustit (např. části dolních pásů, diagonály). Nevýhody příhradových desek styčníky jsou složité (obvykle patentované), spotřeba materiálu je vysoká (z důvodu dodržení minimálních dimenzí trubek). Styčníky příhradových desek a) Svařenec z lisovaných polokoulí d t 40 d 1 2d d 1 - výlisky jsou lisovány za tepla do zápustky, - jedna trubka probíhá, - ostatní trubky v prostoru přivařeny na kouli tupým svarem ½ V. OK01 Ocelové konstrukce (10) 9 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 9

10 b) Patentované styčníky Systém Mero (SRN) Obdoba: KT-I (Japonsko): (mnohostěn - lze připojit až 18 trubek) šestihranný kryt pružina matice matice krytu šroub Řada modifikací, např.: válcový styčník (přenáší momenty), talířový styčník (pro jednovrstvé k.) Význačné stavby: Globe Arena (1987) Eden projekt (2000) Singapore Art C. (2002) S. Jordi (1992) OK01 Ocelové konstrukce (10) 10 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 10

11 Systém Triodetic (Kanada) svěrný šroub Význačné stavby: zploštělá trubka zaháknuta Skleník ve Vancouveru (1969) Toronto IMAX (1971) Hawaii Energy Center (2004) Systém Nodus (vyvinut pro čtverhranné trubky) (VB) VP šroub dělený styčník oka pro načepování trubkových diagonál čtverhranná trubka OK01 Ocelové konstrukce (10) 11 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 11

12 Válcové klenby a skořepiny plnostěnné příhradové obvykle ortotropní (s výztuhami) pro lokální tuhost. Příklad: sportovní hala Praha výstaviště (1962) L = 64 m, t = 4 mm jednovrstvé dvouvrstvé Příklad: lamelové konstrukce zimních stadionů v Kladně a Prostějově zkušebna v Moskvě (zřítila se kolem r. 1985). OK01 Ocelové konstrukce (10) 12 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 12

13 Statické řešení (podrobně v ČSN EN ) porucha ve štítu M x a) Pevnostní: ϕ trámová síla Nx oblouková síla N ϕ + smyková síla N xϕ - ohybová teorie výsledkem je 6 složek vnitřních sil (N x, N ϕ, N xϕ, M x, M ϕ, M xϕ ) - membránová teorie výsledkem jsou jen 3 normálové síly (N x, N ϕ, N xϕ ). Nutno uvážit ohybové poruchy (zejména u štítů M x ) b) Stabilitní ("prolomení" skořepiny): - globální ztráta stability (podobně jako u oblouků) w 0 - lokální ztráta stability (pro zvolené lokální imperfekce) OK01 Ocelové konstrukce (10) 13 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 13

14 Kopule rovnoběžková síla N ϑ meridiánní síla N ϕ membránová teorie + smyková síla N ϑϕ v patě tažený prstenec (nebo kotvení vodorovných sil), ve vrcholu zahuštění prutů výhodnější je tlačený závěrný prstenec. Jednovrstvé kopule Příklad: mřížový Z pavilon v Brně (1958); 93 m (trubky 60 2 až [mm]). tažený prstenec z trubky OK01 Ocelové konstrukce (10) 14 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 14

15 Dvouvrstvé kopule 2,5 m Stadion v Detroitu (1979) příhradových vazníků táhla 100 mm (S460) Hala Sazka (2004) obdobné haly: Anaheim LA (L = [m]) Chicago (L = [m]) Skleníky Eden (VB, 2000) Globe Arena (Stockholm, 1987) Historické kopule: báně Schwedlerovy, Zimmermanovy. Nové trendy: geodetické kopule (ikosaedr: má 12 vrcholů, 20 stěn, 30 stejných prutů). OK01 Ocelové konstrukce (10) 15 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 15

16 Skleníky Eden (VB, 2000) - systém MERO Globe Arena (Stockholm, 1987) - systém MERO OK01 Ocelové konstrukce (10) 16 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 16

17 Hala Sazka (2004) - hala pro diváků, - průměr 135 m, výška 9 m, - 36 vzpínadlových vazníků s předepnutým táhlem Macalloy 98 mm (S460), - středový tubus 18 m o váze 170 t (lze zavěsit dalších 30 t). OK01 Ocelové konstrukce (10) 17 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 17

18 Visuté konstrukce - lanové (vláknové), - membránové. Výhody: malá spotřeba materiálu, velké tvarové možnosti (architektonická rozmanitost). Nevýhody: tvarová nestálost M (x) = 0 Tvar závisí na zatížení, tzn.: - řešit teorií 2. řádu, - jsou vysoké nároky na krytinu. velké vodorovné reakce L f H = 2 q L 8f - vysoké nároky na podpory. OK01 Ocelové konstrukce (10) 18 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 18

19 Lana Vinutá, skládaná, jednopramenná, vícepramenná, otevřená, uzavřená (viz NNK): dráty pozink. Zn95Al5 (300g/m 2 ) mezery vyplněny voskem, polyuretanem Koncovky plastové trubky výplň: pryskyřice polymery cementy otevřená, zalitá zinkem válcová koncovka zalitá kovem nebo epoxidem (může mít vnější/vnitřní závit, nebo oka pro přípoj) otevřená kovaná koncovka srdcovka U svorka svorky OK01 Ocelové konstrukce (10) 19 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 19

20 Lanové konstrukce rovinné prostorové Rovinné lanové konstrukce (válcové střechy) a) jednovrstvé popř. obvodové lano kotvení do základů nebo do věnce: Pro zatížení sáním je nutno střechu stabilizovat: změna tvaru a kmitání a) zatížením (balastem), b) vyztužením (tuhými prvky, výztuhami), c) předpětím (dvojvrstvé konstrukce). OK01 Ocelové konstrukce (10) 20 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 20

21 b) dvojvrstvé předepnuté nosné a napínací lano spojovací táhla Jawerthův nosník (všechny prvky lanové, tažené) spojovací vzpěry Příklady: posluchárna univerzity v Utica (USA) zimní stadion Johannesburg (Stockholm) OK01 Ocelové konstrukce (10) 21 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 21

22 Prostorové lanové konstrukce a) s radiálními lany (obvykle kruhový půdorys) půdorys: nevhodné s vnitřním taženým prstencem řez: tlačený vnější prstenec dvojice lan vnitřní tažený prstenec b) lanové kopule Geigerovy tlačené svislice velká rozpětí (až 250 m) vrchní tažený prstenec předepnuté radiály tlačený prstenec tažené prstence Příklad: Pavilon USA v Bruselu, 1958 (104 m) Příklad: Olympijský stadion Seoul, 1988 (tkaninová krytina) Modifikace: systémy Tenstar (Atlanta, M. Levy), Twinstar (La Plata) OK01 Ocelové konstrukce (10) 22 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 22

23 Geigerův systém (na principu tensegrity konstrukce, viz dále) Statické chování Provedení P P/2 P/2 P P/2 P/2 P P/4 P/4 P tažené prstence P/4 P/4 P/2 P/2 tlačený prstenec Montáž předpínání tlačený prstenec dodávat tažené prstence OK01 Ocelové konstrukce (10) 23 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 23

24 c) lanové sítě 2 osnovy lan konkávní - nosná konvexní - předpínací 1. přímé obvodové prvky 2. obloukové obvodové prvky velké ohybové momenty Příklady: Č. Budějovice, Bratislava Pasienky, 1962 (72x66 m) Festivalový komplex Tartu (53,3x42,6 m): montáž a dokončení OK01 Ocelové konstrukce (10) 24 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 24

25 Membránové visuté konstrukce Nosná membrána může tvořit zároveň krytinu. Mohou být: válcové, t = 5 mm + žebra kruhové, elipsovité. drží tvar při sání připevnění podhledu Příklad: Moskva (elipsa 224x183 m): 224 x 183 tažený prstenec Obecně materiál membrán: nerez ocel (plech t = 4 5 mm), slitiny Al (do 70 m jenom t 2 mm), tkanina - obvykle polyester oboustranně pokrytý PVC a zalakovaný akrylovým nebo PVDF lakem; - skelná tkanina potažená PTFE (= teflon); popř. skelná tkanina potažená silikonem, - drahá, ale kvalitní TENARA (= expandovaný PTFE), pokrytá fluoropolymerem. fólie - dnes zejména ETFE (ethylene tetrafluoroethylene, Texlon) vynikající, zcela transparentní, pevný, - popř. THV (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-vinylidenefluoride terpolymer). OK01 Ocelové konstrukce (10) 25 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 25

26 Příklad plachtové konstrukce (polyesterová tkanina Ferrari Précontraint) Lineární obvodové prvky: obvodová lana, tkaninové pásy, kapsy, keder profily a lišty, tuhé profily atd. kotvení lan OK01 Ocelové konstrukce (10) 26 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 26

27 Zavěšené konstrukce Závěsy tvoří další podpory, které jsou poddajné. Jejich umístění je nutné optimalizovat. Závěsy jsou: tuhé (tyče, trubky - zejména jsou-li při sání větru tlačeny), lanové (ohebné: vzniká-li v nich při sání tlak, musí se předepnout). Zavěšené konstrukce střech: kotvení do základu sloupu vnější kotvení (nároky na pozemek) Příklad: Hangár Ruzyně 48 Zavěšené visuté konstrukce střech: Příklad: Olympijský stadion v Mnichově, 1972 Letiště Džida (pro poutníky do Mekky), m 2, 1980 Tkanina, plasty OK01 Ocelové konstrukce (10) 27 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 27

28 4. Pneumatické konstrukce stabilizované lany Tkaninové konstrukce s vnitřním přetlakem cca 0,003 at (= 0,0003 MPa = 0,3 kn/m 2 ). Příklady: Hala ve Vancouveru (1983) tkanina lana 80 mm Rozměr 232 x 190 m přetlak 0,003 at Big Egg Tokio (1988) lana 80 ā 8,5 m přetlak 0,003 at 201 m tkanina 0,8 mm Hala pro baseball, diváků, při tajfunech se vypouští. OK01 Ocelové konstrukce (10) 28 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 28

29 Konstrukce s taženými prvky a skly V pohledových konstrukcích (např. odbavovací a vstupní haly) se stále více uplatňují tažené tyčové prvky a skleněné konstrukce: systém DETAN systém MACALLOY Příklady: Expo Lisabon 1998 Granada Airport 1998 Madrid Barajas 2006 Senftenberg 1998 OK01 Ocelové konstrukce (10) 29 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 29

30 Skleněné fasády podepírané lanovými předpjatými nosníky Konstrukce vytvořené z předepnutých tyčí. Tlačené rozpěry z trubek podepírají skleněné tabule rektifikovatelnými bodovými držáky ("pavouky"). OK01 Ocelové konstrukce (10) 30 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 30

31 Prosklené fasády Bodové držáky (pavouky): prut konstrukce šroub čep pryž pro spoj dříků čep odlitek kulová hlava prutu podložky z PTFE očnicový šroub odlitek s možností natočení na prutu kloubový přípoj čep tyč se závitem dřík očnicový šroub OK01 Ocelové konstrukce (10) 31 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 31

32 Velkorozměrová skleněná fasáda (Mnichov) (na obrázku skleněné fasády je odraz obrazu fasády protějšího domu) bodové držáky OK01 Ocelové konstrukce (10) 32 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 32

33 Tensegrity konstrukce Tensegrirty konstrukce (podle B. Fullera, tensional integrity or floating compression) sestávají z izolovaných tlačených prvků propojených předpjatými táhly. lávka Kurilpa, L = 120 m (Brisbane, 2009) Tensairity konstrukce věž v Kalkatě (2010) princip věže podle Snelsona (1948) Tensairity konstrukci tvoří vzduchový nosník (membránový válec naplněný vzduchem s malým přetlakem) pevně spojeným s tlačeným (ocelovým) pásem a dvěma spirálovými lany spojenými v podporách s tlačeným pásem (Pedretti, 2004). D P T p L OK01 Ocelové konstrukce (10) 33 Prof. Ing. Josef Macháček, DrSc. 33