KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY POZEMNÍCH STAVEB STAVEBNÍ SOUSTAVY HALOVÝCH OBJEKTŮ NAMÁHANÉ PŘEVÁŽNĚ TLAKEM

Transkript

1 KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY POZEMNÍCH STAVEB STAVEBNÍ SOUSTAVY HALOVÝCH OBJEKTŮ NAMÁHANÉ PŘEVÁŽNĚ TLAKEM Ústav stavitelství I Fakulta architektury České vysoké učení technické v Praze Ing.Vladimír Jirka, Ph.D. poslední aktualizace: rok

2 KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY PŘEVÁŽNĚ TLAČENÉ Konstrukce nemá posuvné uložení existuje tedy vodorovná reakce v podpoře!!! Je-li tvar obloukové či plošné konstrukce navržen ve tvaru tlakové čáry působícího zatížení (výslednicová čára nebo plocha), přenáší konstrukce zatížení tlakem. Ale vnější zatížení bývá proměnné - tvar konstrukce stálý = část přenášena ohybovým momentem. Konstrukci je třeba navrhnout dle převládajícího zatížení vlastní tíhou a sněhem - vzniká parabolický tvar tlačené konstrukce. nestálé výslednice proměnná proměnné F 1 r tah ohybový moment tlak smyk tlak F 2 vodorovná reakce tlaková síla deformace zavětrování Opěrné systémy tlačených soustav Opěrný systém přenáší svislé a vodorovné reakce obloukové (tlačené) konstrukce a) oblouková konstrukce ukončená v úrovni terénu je opřena přímo o základovou konstrukci reakce tlaková 2

3 Ke statickému působení tlačené konstrukce lze dospět tvarováním rámové konstrukce (a). 1) rozkročením stojek (b) a 2) zalamováním příčle (c) lze snižovat ohybová namáhání rámu až k nulové hodnotě při parabolickém tvaru rámu (d). a 1 a) a 2 rámová konstrukce ohybový moment b b) rozkročení stojin c) ohybový moment c 1 rozkročení stojin i zalomení příčle ideální tvar d) kruhový či parabolický oblouk pouze tlak c 2 d 1 d 2 3

4 b) opěrná konstrukce oblouku uloženého výše nad terénem může být navržena jako ohýbaná směr zatížení reakce tlaková tahová c) popřípadě může přenášet zatížení nomálovými silami d) horizontálně tuhá konstrukce podpírá i ty obloukové vazby které nemají přímou opěrnou konstrukci e) v uzavřeném opěrném systému tlačené konstrukce je vodorovná síla zachycena táhlem radiálně uspořádané tlaky ve vrcholu konstrukce se rovněž vzájemně eliminují 4

5 Obloukové soustavy Tlačená oblouková konstrukce je dimenzována na vzpěrný tlak v kombinaci s ohybem. Vybočení v rovině oblouku brání tuhost průřezu konstrukce, z roviny oblouku tuhost střešní tabule i vlastní ohybová tuhost. Uložení: a) vetknutí nebo b) kloubový styk a) vetknutý oblouk lepší statické využití průřezu oblouku b) dvojkloubový oblouk menší namáhání konstrukce od objemových změn nebo sedání podpor oblouku e) trojkloubový oblouk zcela eliminuje vliv objemových změn a pokles podpor 3. kloub f) přemístěním třetího kloubu mimo vrchol lze upravit směr podporových reakcí 3. kloub směr reakce stav po zdvižení 5

6 g) trojkloubový tlačený nosník Betonové obloukové soustavy Vyskytují se méně často, jsou navrhovány jako oblouk: a) vetknutý montován jako trojkloubový h = 1/28 1/40 L d) průřez plný po dotvarování se klouby mění na tuhé styčníky h = 1/28 1/40 L e) průřez Virendeelův b) dvojkloubový L = m f) průřez skříňový c) často v proměnném provedení h = 1/28 1/40 L troj kloubový Ludvig Erhard Haus, Berlin, SRN; Grimshaw & Partners N.Grimshaw 1998 plavecký stadion v Praze Podolí (železobeton) 6

7 g) Železobetonový oblouk je v konstrukcích zastřešení často uplatněn jako součást obloukových vazníků. Horní betonový pas je s dolním táhlem propojen vzpěrami či táhly. Oblouky jsou efektivnější než klasické vazníky, navrhují se pro rozpětí až 50 m. tlak tlaková reakce táhla ohyb tah až 50 m tlak vzpěry táhlo tlak tlaková reakce lávka přes řeku Vltavu v Českých Budějovicích, ČR, M. a Š.Chalupovi, T.Havlíček, M.Rusina 275 metrů dlouhý a 50 metrů vysoký most přes Opárenské údolí Jedná se o dva železobetonové obloukové mosty o rozpětí 135 metrů se spolupůsobící podélně předpjatou deskovou mostovkou ve tvaru dvoutrámu. Oblouky byly z obou stran prováděny letmou betonáží po segmentech s délkou přibližně 5 m. Každý segment se zpětnými závěsy vyvěšuje přes pilíř, z něhož oblouk vyrůstá, do základového bloku vedlejšího pilíře. Stavbaři prodlužovali nosné oblouky symetricky z obou stran údolí rychlostí až půl metru za den. Betonářský vozík se posunoval v cyklu po osmi dnech. Vlivem oslunění se totiž obě asi 75 m dlouhé poloobloukové konzoly na kabelech pohybují a jejich odchylka dosahuje až řádu centimetrů." Podařilo se zeštíhlit konstrukci využitím vysokopevnostních betonů. Tato změna umožnila optimální vylehčení plánované konstrukce. 7

8 Ocelové obloukové soustavy plnostěnné, svařované ze segmentů otevřených či uzavřených průřezů a) vetknuté b) dvojkloubový pro menší rozpětí haly lze válcované profily ohýbat za studena b) a) Gatenway Arch, St. Louis, Missouri, USA, E.Saarinen 1966 příhradové trubkové, rovinné nebo prostorové c) dvoukloubové odlišného zakřivení přírub d) trojkloubové se souběžnými přírubami Pro dopravu a montáž se části oblouků rozdělují montážními styky lze je sestavovat a stykovat na zemi c) 1/ 5 1/7 L d) 1/ 30 L L = m kryté sportoviště, Ostrava- Dubina M.Chválek, M.Danyš

9 Obloukové soustavy na bázi dřeva Navrhují se jako dvojkloubové (a) nebo trojkloubové (b) nosníky z lepe-ných průřezů obdélníkového, I, T popřípadě skříňové. Často s výškově proměnným průřezem. Rozpon L = 30 až 110 m. 1/45 1/50 L a) 1/ 5 1/6 L b) c) d) Pro styk oblouků ve vrcholovém kloubu (c) a pro uložení na základovou konstrukci (d) se používá ocelových stykovacích desek a příložek. Dřevěný lepený průřez může být armován vlepením výztuže do drážek mezi lamely (e). e) tenisová hala, Břízky, Jablonec n.nisou API Studio s.r.o. Jablonec n.n. 9

10 Sedlového tvaru střechy na obloukové soustavě lze docílit použitím přímých vaznic podepřených vzpěrami uloženými na oblouku (f). Zjednoduší to konstrukci střešního pláště ale mění se tvar objektu. zavětrování f) vaznice Střešní plášť používá vaznic nebo kompletizované dřevěné panely. Zavětrování v rovině střechy pomocí diagonál. vzpěra obloukový nosník Tlačené konstrukce plošné (klenby a skořepiny) Klenby Tato tlačená konstrukce je namáhána vzpěrným tlakem a ohybem. Namáhání přenáší přepětím průřezu vlivem převládají cího svislého zatížení. Klenby přenášejí vzpěrný tlak s ohybem průřezem předepnutým vlivem převládajícího svislého zatížení. Má omezené možnosti přenosu bodových zatížení. zatížení vliv vzepětí e t / 6 klenby f na velikost vodorovných sil tlaková čára váha zdiva N v uložení H e H F t S Q f vzepětí klenák rozpon L S vnitřní oblouková tlaková síla N složka kolmá k ložné spáře Q složka ve směru ložné spáry H / F 1/10 1/5 f / L 1/2 Ke správné funkci je podstatný tvar výslednico- H vé čáry od zatížení vlastní tí- F hou konstrukce (tlakové čáry) musí zůstat vždy uvnitř jádra průřezu!! tj. ve vnitřní třetině výšky (obdélník). Zdivo cihelné, kamenné. Tvary kleneb: valená nad obdélným půdorysem, kupolové nad kružnicí, elipsou. 10

11 Konstrukčním důsledkem je masivní konstrukce klenby a omezená schopnost přenášet bodová zatížení. Pro správný návrh je důležitá znalost tvaru výslednicové čáry od zatížení vlastní vahou konstrukce. Užívaný materiál: kámen, cihla. Základní tvary: a) valená klenba nad obdélníkovým půdorysem mm 8 50 m b) klenba ve tvaru kupole na půdorysem kruhovým či jemu podobným = 5 40 m Skořepiny Konstrukce skořepiny bývá velmi subtilní o malé konstrukční tloušťce a ohybová namáhání přenáší pouze v omezené míře. Stabilita tlačených částí je zajišťována využitím tvaru konstrukce o dvojí křivosti nebo spolupůsobením s výztužnými žebry a čely skořepin. c) krátká válcová skořepina připomíná valenou klenbu ale stabilita subtilní tlačené části je zajištěna okrajovým žebrem nebo čelem skořepiny krátké skořepiny Kimbel Museum Forth Worth, Texas, USA Louis I. Kahn m 11

12 d) dlouhá válcová skořepina působí staticky jako nosníková konstrukce (d ) administrativní a výrobní hala Arch-Global s.r.o. tenisová hala, Harmony, Špindlerův Mlýn h = 1/300 1/450 L h=1/50 1/65 L plechové konstrukce: montáž haly Hupro, Celtima s.r.o. oblouk o průměru 9 36 m, nosnost zajištěna příčným a podélným tvarovaním d ) L = m Sluneční dóm, Australská akademie věd, Canberra L = e) rotační skořepina je podobná klenbě kupole, její stabilitu zajišťuje schopnost přenášet radiální tlaková a tahová namáhání. Dome of a Home, Ariola Dr. Pensacola Beach, Florida, USA Jonathan Zimmerman 12

13 f) příkladem skořepiny se zápornou křivostí střednicové plochy je tvar hyperbolického paraboloidu. Skořepiny jsou navrhovány ze železobetonu a kompozitních materiálů, přímkové plochy z tyčových prvků. Grace Harbor Church - Tustin, California f 2f f) L = 9 30 m jiný tvar hyperbolického paraboloidu James S. McDonnell Planetarium, Forest Park St. Louis, Missouri Gyo Obata 1963 Šedova střecha, z eliptických konoidů 13

14 Prutové a lomenicové struktur y a) Olympic oval, Calgary Canada zimní stadion Ledňáček, Vítkovice Prutové strukturální soustavy Působení strukturálních soustav je do jisté míry obdobné působení plošných konstrukcí stejného tvaru. Principem plošné ne = m bo prutové struktury je snaha o nahrazení statického působení plošné konstrukce prutovými prvky ze železobetonu, oceli, dřeb) va. Prutová struktura ve tvaru válcové klenby (a) působí jako válcová skořepina upnutá do tuhých čelních stěn. Stejně u dalších tvarů (b). ZOO Praha, pavilon indonéské džungle Nagoya Dome, Nagoya Ocel jednovrstvé nebo dvojvrstvé struktury v trojúhelníkových sítích. Žebrové konstrukce, příhradové lamely, Vierendeelovy dílce (d). Prutové struktury betonové bývají jednovrstvé s ohybově tuhými žebry (c). Lamelové dřevěné klenby mají ohybovou tuhost, tvoří je diago nálně uspořádaná žebra z lamel spojovanými svorníky (e). c) Pyramide du Louvre, Paris, France I.M.Pei 1989 e) d) 14

15 Lomenicové strukturální soustavy f) Jsou vytvořeny z plošných trojúhelníkových elementů vytvářejících g) tuhou prostorovou soustavu. Vhodnou volbou tvaru lomenice lze docílit tvaru translační či rotační plochy (f,g). h = 1/10 1/20 h L = 9 30 m Subway & Gas Station for Space Ships, Arizona USA Spaceship Earth Orlando, Florida, USA - Walt Disney World Strukturální lomenice vzniká ze: sítě čtyřúhelníkové (h) sítě trojúhelníkové (i) nahrazením prutů struktury plošnými elementy v rovině střednice prutu h) i) Elementy mohou být: konvexní konkávní kombinovány střídavě 15