NATIONAL TECHNICAL LIBRARY NÁRODNÍ TECHNICKÁ KNIHOVNA

BUILDINGS BUDOVY NATIONAL TECHNICAL LIBRARY NÁRODNÍ TECHNICKÁ KNIHOVNA 38 Pavel KASAL Metrostav a.s. kasal@metrostav.cz Vladimír PÁNEK Metrostav a.s. panekv@metrostav.cz INTRODUCTION Martin PŮLPÁN HELIKA, a.s. martin.pulpan@helika.cz The National Technical Library belongs to the University campus of the Czech Technical University in Prague. The National Technical Library building features a curved square shape plan with the external dimensions of approx. 75 x 75 m. A rectangular atrium with dimensions of 17.3 x 28.35 m, centrally located within the floor plan, is opened up to the roof level and is enclosed with a steel skylight structure. The building consists of six above ground and three underground floors. The underground part features a car park, a book storage facilities and service areas. The ground floor and the first floor are for the public use and are intended to be used as a meeting space for visitors and students alike. Users have also access to a lecture hall, an exhibition space, a local branch of the Municipal Library, a café and an after-hours study room. On the other floors are located library premises, study rooms, lecture rooms and administrative facilities of the library. Fig. 1 Evening view of the completed building Obr. 1 Večerní pohled na dokončenou budovu I Fig. 2 Obr. 2 View of the completed building Pohled na dokončenou budovu BASIC PROJECT DATA TYPE OF STRUCTURE Monolithic reinforced concrete partial prestressed building GROUND PLAN DIMENSIONS 75 x 75 m TOTAL SITE AREA 5,200 m 2 ENCLOSED VOLUME 172,250 m 3 CLIENT State Technical Library ARCHITECT PROJEKTIL ARCHITEKTI s.r.o. GENERAL DESIGNER HELIKA, a.s. CONCRETE STRUCTURE DESIGNER HELIKA, a.s. (substructure), PPP, spol. s r.o. (superstructure) GENERAL CONTRACTOR Joint venture: Metrostav a.s. and OHL ŽS a.s. CONCRETE STRUCTURE CONTRACTOR Metrostav a.s., Division 6 POST-TENSIONING SUBCONTRACTOR VSL SYSTÉMY /CZ/, s.r.o. CONSTRUCTION TIME 2006 2008 BUILDING SUPERSTRUCTURE The structural system consists of a monolithic RC skeletal frame with in-situ concrete two-way slabs. The primary grid of the structure is 15 x15 m and it is condensed to 7.5 x7.5 m in the underground section with additional columns. The system is complemented by the RC walls of the vertical cores. The foundation slab has a thickness of 500 mm which is increased up to 1600 mm in the areas under the columns in order to provide the resistance against extrusion by the load from the columns. The underground substructure consists of monolithic RC perimeter walls, RC columns and slab with transverse beams. Thickness of the slabs is 250 mm. The columns were designed with different sections according to the space constraints. The rectangular sections range from 250 x 500mm up to 190 I 191

STRUCTURAL CONCRETE IN THE CZECH REPUBLIC 2006 2009 KONSTRUKČNÍ BETON V ČESKÉ REPUBLICE 2006 2009 190 191 Milan MUŽÍK PPP, spol. s r.o. milan_muzik@pppczech.cz Ivan ŠEMÍK PPP, spol. s r.o. ivan_semik@pppczech.cz Pavel SMÍŠEK VSL SYSTÉMY /CZ/, s.r.o. psmisek@vsl.cz Fig. 3 Obr. 3 Atrium Atrium ZÁKLADNÍ DATA PROJEKTU TYP KONSTRUKCE Železobetonová monolitická částečně předpjatá konstrukce PŮDORYSNÉ ROZMĚRY 75 x 75 m CELKOVÁ PLOCHA POZEMKU 5200 m 2 OBESTAVĚNÝ PROSTOR 172,250 m 3 INVESTOR ARCHITEKT GENERÁLNÍ PROJEKTANT PROJEKTANT BETONOVÉ KONSTRUKCE GENERÁLNÍ DODAVATEL DODAVATEL BETONOVÉ KONSTRUKCE Státní technická knihovna PROJEKTIL ARCHITEKTI s.r.o. HELIKA, a.s. HELIKA, a.s. (zakládání a spodní stavba), PPP, spol. s r.o. (vrchní stavba) Sdružení: Metrostav a.s. a OHL ŽS a.s. Metrostav a.s., divize 6 DODAVATEL PŘEPÍNACÍHO SYSTÉMU VSL SYSTÉMY /CZ/, s.r.o. DOBA VÝSTAVBY 2006 až 2008 podlažích budou umístěny především volné výběry fondů, studovny, učebny a administrativní zázemí knihovny. NOSNÁ KONSTRUKCE BUDOVY Nosný systém tvoří železobetonový monolitický skelet s částečně předpjatými hřibovými deskami působícími ve dvou směrech. Primární modulový systém nadzemních podlaží je 15 x 15m. V suterénních prostorách je zahuštěn rastrem sloupů v osových vzdálenostech 7,5 x 7,5m. Systém sloupů je doplněn stěnami komunikačních a instalačních jader. Objekt je založen na monolitické základové desce proměnné tloušťky v rozmezí 500 mm až 1600 mm. Proměnnost tloušťky základové desky vyplývá z nutnosti zajištění desky proti protlačení pod sloupy. Fig. 4 Obr. 4 Second floor Půdorys 2. NP ÚVOD Národní technická knihovna je součástí vysokoškolského komplexu technických škol, Vysoké školy chemicko-technologické a ČVUT v Praze. Národní technická knihovna má v půdorysu tvar zaobleného čtverce o vnějších rozměrech cca 75 x 75 m. Uprostřed objektu je umístěno obdélníkové atrium 17,3m x 28,35 m, které je otevřeno až do 6. nadzemního podlaží a je zakryto ocelovou konstrukcí světlíku. Objekt má 6 nadzemních a tři podzemní podlaží. V podzemní části bude umístěn parking, sklad knih a technické zázemí. 1. NP a 2. NP mají charakter veřejný s doplňkovými funkcemi a budou prostorem volné komunikace a setkávání návštěvníků areálu vysokých škol. V těchto podlažích bude také umístěn přednáškový sál, výstavní prostor, pobočka Městské knihovny, noční studovna a kavárna. V nadzemních

BUILDINGS BUDOVY NATIONAL TECHNICAL LIBRARY NÁRODNÍ TECHNICKÁ KNIHOVNA penetration into the interior of the building is achieved by using a combination of bentonite mats and waterproof concrete. The reinforcement of the foundation slab is designed for a maximum allowed crack width of 0.2 mm. The slab was then poured with a waterproof concrete. The construction joints were sealed with bitumen-coated plates. Tear strips were integrated into the perimeter walls, therefore the formation of the shrinkage cracks is controlled and they can be consequently sealed against the ingress of water. Fig. 5 Section of the structure Obr. 5 Řez objektem Fig. 6 View of the building under construction Obr. 6 Pohled na rozestavěnou budovu 500 x 1300 mm and the round ones vary from 500 to 900 mm in diameter. Due to the requirement of the flexible use of the upper floors, the designers had to allow for long span lengths of 15 m. This goal was achieved by the use of a two-way post-tensioned concrete slab with a constant thickness of 300 mm. The thickness is increased by domed column heads with diameters of 4.5; 5 and 6 m (according to the column diameter). The total thickness of the slab including the column head varies between 800 and 1000 mm. The vertical structural elements of the upper structure consist of columns with diameter of 500-900 mm and of core walls 200 250 mm thick. The outside and the atrium edges of the slabs are strengthened by perimeter beams. The main staircases are designed as prefabricated flights with landings cast in-situ. The staircase in the atrium is then fully monolithic. A technically challenging detail is the central part of the ceiling above the ground floor, which actually forms the floor of the atrium. The ceiling is suspended from the floor above using prestressed concrete rods with a diameter of 250 mm. WATERPROOFING OF THE SUBSTRUCTURE Protection against ground water and natural moisture POST-TENSIONING OF FLOORS The ceiling slabs were designed as two-way post-tensioned structures due to larger spans of 15 m in each direction. The slabs are stressed using a bonded multistrand, post-tensioning (PT) system with passive and active anchors. The slab system with four-strand cables in flat ducts was used as it is most suitable for post tensioning of the flat elements. The maximum eccentricity of the PT reinforcement relative to the centre line of the section could be fully utilized by the structure. The majority of the PT reinforcement is placed into the areas along the penetrations of columns with the slab. Typically 11 cables spaced 400 mm were placed into each column band. The spacing of the cables outside the column areas is typically 1500 mm. The anchors were placed along the edge of the slab in an alternating fashion when an active anchor is followed by a passive one. The vertical cores are separated from the horizontal structures by construction joints. This solution eliminates the transfer of the stressing forces from the PT cables and thus formation of cracks near the cores. Overall, approximately 310 t-tensioning reinforcement, 63,000 m of steel ducts, 2200 active and 2200 passive anchors were installed in the project. The PT system was assembled in situ as the cables could not be prefabricated in the workshop due to the lengths of the individual tendons and necessity of alternating of layers. The active anchors were installed first in the face of shuttering; ducts with the appropriate lengths were then placed onto supporting elements. Then, the strands were pushed into the ducts in the 192 I 193

STRUCTURAL CONCRETE IN THE CZECH REPUBLIC 2006 2009 KONSTRUKČNÍ BETON V ČESKÉ REPUBLICE 2006 2009 192 193 Fig. 7 Complete formwork of the ceiling with column heads Obr. 7 Dokončené bednění stropu s hlavicemi nad sloupy V podzemních podlažích jsou monolitické obvodové stěny. Stropní konstrukce podzemních podlaží je v prostoru garáží tvořena převážně deskou konstantní tloušťky 250 mm. Tato deska je místně (z důvodů vyššího zatížení) doplněna kruhovými hlavicemi. Stropní konstrukce centrální části budovy, vynášející velká zatížení od depozitářů, je navržena jako trámová s průvlaky. Sloupy v podzemních podlažích jsou dle potřeby dispozice jednak kruhové o průměru 500 mm až 900 mm, jednak obdélníkového průřezu 250 x 500 mm až 500 x 1300 mm. Z důvodů větší flexibility dispozičního řešení prostoru v nadzemních podlažích je navržena v těchto podlažích velkorozponová konstrukce s modulem 15 x 15 m. Základním nosným systémem všech stropů v nadzemní části objektu je obousměrně předepnutá hřibová stropní konstrukce. Deska má tloušťku 300 mm. Hlavice kuželovitého tvaru o průměru 4,5; 5 a 6 m mají výšku od 800 mm do 1000 mm včetně tloušťky stropní desky v závislosti na rozponu, průměru sloupu a světlé výšce podlaží. Svislé konstrukce tvoří sloupy o průměru 500 mm až 900 mm a stěny komunikačních a instalačních jader tloušťky 200 mm až 250 mm. Vnější okraje stropních desek i obvody vnitřních atrií nadzemních podlaží jsou ztuženy parapetními nosníky. Hlavní schodiště jsou navržena jako kombinace železobetonových prefabrikovaných schodišťových ramen a monolitických podest. Schodiště v atriu je pak plně monolitické. Technicky zajímavá je střední část stropu nad 1. NP, který vlastně tvoří podlahu atria. Tento strop je zavěšen za okraj stropu nad 2. NP pomocí předpjatých betonových táhel o průměru 250 mm. PŘEDPĚTÍ STROPNÍCH KONSTRUKCÍ Stropní hřibové desky v nadzemních podlažích bylo nutné z důvodů velkých rozpětí obousměrně předepnout. Desky jsou předpínané dodatečně lanovým přepínacím systémem se soudržností s pasivní a aktivní kotvou. Použity tak byly čtyřlanové kabely v plochých kanálcích, které jsou vhodné pro předpínání tenkých deskových konstrukcí z důvodu dosažení maximální excentricity přepínací výztuže vůči střednicové rovině předpínané konstrukce. Stropní deska je silně vyztužena těmito kabely ve sloupových pruzích, kde je 11 kabelů s osovou vzdáleností 400 mm. Mezipodporové pruhy jsou vyztuženy přepínacími kabely s typickou osovou vzdáleností 1500 mm. Kabely jsou kladeny tak, aby u okraje stropní konstrukce byly vždy vystřídány kabely s aktivní a pasivní kotvou. Protilehlá komunikační jádra jsou od stropní konstrukce dilatačně oddělena. Toto konstrukční řešení zajistilo, že vnesením přepínací síly do stropních desek nejsou komunikační jádra namáhána a je tak vyloučeno riziko vzniku trhlin v okolí jader. Celkově bylo uloženo přibližně 310 t předpínací výztuže, 63 km ocelových kanálků, 2200 aktivních a 2200 pasivních kotev. Fig. 8 Placing of post-tensioning cables Obr. 8 Ukládka přepínacích kabelů HYDROIZOLACE SPODNÍ STAVBY Ochrana proti průniku podzemní vody a zemní vlhkosti do vnitřních prostor objektu je zajištěna použitím kombinace bentonitových rohoží a vodonepropustné železobetonové konstrukce. Vyztužení železobetonové konstrukce základové desky a obvodových stěn je tedy navrženo na maximální výpočtovou šířku trhlin 0,2 mm a konstrukce je provedena z vodostavebního betonu, pracovní spáry jsou těsněny těsnícím plechem potaženým bitumenem. Do obvodových stěn byly vkládány tzv. trhací lišty, kterými jsou předurčena místa vzniku smršťovacích trhlin a zároveň jsou tyto trhliny těsněny vůči průniku vody.

BUILDINGS BUDOVY NATIONAL TECHNICAL LIBRARY NÁRODNÍ TECHNICKÁ KNIHOVNA Fig. 9 Post-tensioning cables in the area above the column Obr. 9 Předpínací kabely v oblasti nad sloupem ARCHITECTURAL CONCRETE Almost all visible surfaces of the National Technical Library building were designed to benefit from use of decorative concrete. After removing of the formwork, the concrete surfaces remained final and only colourless protective coating was applied to ensure the dust-free appearance. The structure of plywood boards and the sequence of the shuttering panels were prescribed by the architect in order to achieve the desired final look of the concrete surface. Fig. 10 Outlets of the heating system placed in the floor structure Obr. 10 Národní technická knihovna vývody topného systému uloženého v konstrukci stropu direction from the passive to the active anchors. After the fitting of grouting and venting connections at the apex of the cable and at the anchor, the top reinforcement was fixed in place. An average duration of placing the PT reinforcement of 14 days per floor was achieved. The stressing of the strands followed after 24 MPa cube strength of concrete was achieved once the pouring was finished. The stressing was scheduled into four stages. In principle, every fourth tendon was stressed in each run. This procedure had only limited impact on the performance and the typical stressing period was 5 days per floor. The ducts were grouted after stressing of each floor. Despite of the massive total length of PT cables of 10,500 m per floor, average grouting time was only 3 days The Peri Trio Struktur formwork system was used for shuttering the vertical structural elements. The system is based on formwork panels with overlapping plywood board to eliminate moulding of the steel frame into the concrete. High loading capacity and rigidity of the formwork together with its variability for use on various elements were utilized during the construction. The dimensions of the formwork panels were 1250 x 2500 mm. Form ties were spaced 1250 mm in the horizontal direction and they were always located in the formwork panel joint. The conical column heads represented a challenge for the formwork contractor. Firstly, the formwork had to be able to resist the vertical loads from a 1m thick layer of concrete. Secondly, the column head mould had to be formed using 6 to 10 mm thick stripes of plywood which were bent and secured into the preferred shape by timber pieces. CONSTRUCTION SCHEDULE The construction schedule was greatly influenced by several factors the requirement of the decorative finish of the concrete surfaces, then the necessity of post-tensioning works in the long-span floors and, last but not least, the chosen heating system with heating mats integrated to the centre of the concrete slab section. All contractors involved in the construction of the reinforcement concrete structures were obliged to strictly adhere to the pre-approved program of works. The most time consuming activity was the construction of the post-tensioned floors, but this task would have been unattainable using traditional technology. However, thanks to the excellent co-ordination of the contractors including the PT specialists, electricians, plumbers and traditional trades, a unique cycle of just 28 days per floor was achieved. The total construction time of the building shell was 10 months. CONCLUSION Dozens of post-tensioned structures have been already constructed in the Czech Republic. The building of the National Technical Library is one of the most important. It surely outperforms the previously finished projects in terms of its parameters, namely the span lengths and the volume of the utilized architectural concrete. Also the HVAC system used to achieve the energy efficiency level will set a benchmark for buildings within its range. CONSUMPTION OF MATERIALS AND COST TOTAL CONCRETE 19,450 m 3 REINFORCING STEEL 3,130 t PRESTRESSING STEEL 310 t FORMWORK 53,300 m 2 COST 54,000,000 EUR 194 I 195

STRUCTURAL CONCRETE IN THE CZECH REPUBLIC 2006 2009 KONSTRUKČNÍ BETON V ČESKÉ REPUBLICE 2006 2009 194 195 Předpínací kabely byly sestavovány přímo v bednění z důvodu jejich délky a střídání jejich vrstev s pouze minimálním využitím prefabrikace. Nejprve probíhala montáž aktivního kotvení do čela bednění a na připravené podpory byl sestaven kanálek v požadované délce kabelu. Následně byla směrem od pasivního kotvení prostrkána lana. Po osazení injektážích a odvzdušňovacích napojení ve vrcholech kabelu a v oblasti kotvení byla zahájena ukládka horní výztuže. Doba ukládky předpínacích kabelů jednoho patra trvala pouze 14 dnů. Po betonáži a dosažení pevnosti betonu 24 MPa bylo zahájeno napínání. Napínací postup byl v projektu rozdělen do 4 etap. V podstatě se jednalo o postupné napnutí každého čtvrtého kabelu po obvodě. S ohledem na množství kotev tento postup neměl zásadní vliv na produktivitu, napnutí jednoho patra bylo provedeno během 5 dnů. Injektáž kabelů byla provedena po dokončení každé stropní úrovně. Ačkoliv se jednalo o délku kanálků cca 10,5 km, injektáž patra proběhla během 3 dnů. POHLEDOVÝ BETON Povrch téměř všech železobetonových konstrukcí budovy Národní technické knihovny je navržen jako pohledový beton. Tyto betonové plochy po odbednění zůstaly již jako finální povrchy konstrukcí bez překrytí další vrstvou (omítkou, obkladem) a jsou pouze natřeny ochranným bezbarvým nátěrem zajišťujícím jejich bezprašnost. Rastr bednících překližek a rastr míst spínání viditelný na betonových plochách byl předem stanoven archi tektem s ohledem na použitý typ bednění. Na každou konstrukci byl vypracován projekt nasazení bednění s vyznačením spárořezu. Na bednění svislých vnitřních konstrukcí bylo použito bednění PERI TRIO Struktur. Základem tohoto bednění jsou panely rámového bednění TRIO, jejichž povrch je opatřen hladkou překližkou tak, že překrývá ocelový rám panelu a nedochází tak k otisku rámu do betonu. Při betonáži se tak zároveň využívala vysoká únosnost a tuhost rámového bednění i větší variabilita nasazení bednění na různé typy konstrukcí než u bednění nosníkového, které je zpravidla navrženo a vyrobeno právě na jednu danou konstrukci. Povrch bednění tak vytvářely hladké překližky o rozměrech 1250 x 2500 mm. Spínání bednění bylo navrženo ve vodorovném směru ve vzdálenosti 1250 mm a bylo vždy umístěno osově na styku dvou sousedních překližek. Velmi náročné bylo provedení bednění kuželových hlavic sloupů. Bednění bylo navrženo tak, aby přeneslo poměrně značné zatížení od vrstvy betonu tloušťky až 1m bez větších deformací. Základem bednění hlavice byl nosný trojúhelníkový prvek, sestavený z typových dřevěných příhradových nosníků doplněných dřevěnými hranoly a překližkou. Plášť bednění hlavice pak tvořily dvě vrstvy tenké překližky (10 mm a 6 mm), které umožnily překližku skroužit do požadovaného tvaru kuželové plochy. Bednění kuželové plochy každé hlavice bylo složeno z jednotlivých výsečí tak, že každá překližka vytvořila šestnáctinu kuželové plochy. tradičních profesí jako je tesař, železář a betonář podíleli také elektrikáři, montážníci přepínací výztuže a instalatéři, kteří prováděli ukládku topného systému. Doba výstavby jednoho stropu nadzemního podlaží byla díky vynikající koordinaci všech výše uvedených profesí pouze 28 dní. Celková doba výstavby hrubé stavby činila pouze 10 měsíců. ZÁVĚR V České republice byly zrealizovány již desítky dodatečně předpínaných nosných konstrukcí. Konstrukce Národní technické knihovny patří k těm nejvýznamnějším, z pohledu technologie dodatečného předpínání v některých parametrech bezesporu překonává ostatní do této doby dokončené projekty. Také rozsahem použití pohledového betonu se v případě Národní technické knihovny jedná o jednu z největších staveb v České republice. Náročnost výstavby takovéto konstrukce byla umocněna i volbou konstrukčního systému (velkorozponové předpínané stropy) a způsobem vytápění objektu pomocí podlahových rohoží. SPOTŘEBA MATERIÁLŮ A CENA CELKEM BETON 19 450 m 3 BETONÁŘSKÁ VÝZTUŽ 3130 t PŘEDPÍNACÍ VÝZTUŽ 310 t BEDNĚNÍ 53 300 m 2 CENA 54 000 000 EUR Fig. 11 View of the ground floor of the building Obr. 11 Pohled do vnitřního prostoru přízemí budovy Fig. 12 Library building during concreting of the top ceiling Obr. 12 Betonáž nejvyššího stropu POSTUP VÝSTAVBY Postup výstavby objektu byl značně ovlivněn hned několika skutečnostmi. Za prvé, požadavkem výstavby betonových konstrukcí v kvalitě pohledového betonu, dále pak nutností předpětí velkorozponových stropních konstrukcí a v neposlední řadě i zvoleným systémem vytápění budovy pomocí topných rohoží integrovaných do středu tloušťky betonové stropní konstrukce. Všechny profese podílející se na výstavbě železobetonových konstrukcí a návaznost jednotlivých činností, které byly nutné provést při výstavbě, byly předem důkladně analyzovány. Z časového hlediska byla nejvíce náročná výstavba stropů nadzemních podlaží s předpínanými stropy. Na výstavbě železobetonových konstrukcí stropu se kromě