Strana 1 HALOVÉ KONSTRUKCE Halové konstrukce slouží nejčastěji jako objekty pro různé typy průmyslových činností nebo jako prostory pro skladování. Jsou také velice často stavěny pro provozování rozmanitých kulturních a tělovýchovných aktivit. Rovněž značný objem halových konstrukcí (obvykle spíše mimořádných konstrukčních parametrů) je navrhován v souvislosti s dopravní problematikou (haly velkých nádraží a letišť). Pokud se týká technologického postupu jejich zhotovování jsou halové konstrukce, nejčastěji prováděny jako prefabrikované. Možnost provádění prefabrikovaných konstrukcí (cca od roku 1950) téměř úplně vytlačila z konstrukcí hal technologii monolitického betonu. Důvodem jsou hlavní přednosti této technologie, kterými jsou rychlost zhotovení konstrukce na staveništi a poměrně snadná dosažitelnost vysoké jakosti jednotlivých prvků, ze kterých je konstrukce provedena, a to jak z hlediska technického tak i estetického (subtilnost prvků a vysoká kvalita povrchu prefabrikátů). Ty jsou dosažitelné zejména z toho důvodu, že pro zhotovení halové konstrukce je obvykle zapotřebí většího počtu buď naprosto shodných prvků (např. střešní vazníky), a nebo prvků jejichž geometrie je shodná, ale jednotlivé prvky se navzájem odlišují jen v detailech (zabetonované součásti umožňující vzájemné spojení nebo připojení jiných součástí konstrukce) nebo množstvím výztuže. Lze tudíž věnovat odpovídající finanční prostředky pro zhotovení dokonalých forem. Nevýhodami prefabrikovaného způsobu provedení jsou jednak nižší prostorová tuhost konstrukce a obvykle vyšší cena. Z hlediska prostorového uspořádání, lze haly rozdělit na konstrukce jedno- a vícelodní. Jedná se ve značném procentu případů o konstrukce jednopodlažní a nepodsklepené. Základní konstrukce haly bývá poměrně často doplněna o tak zvané konstrukce přístavků, které jsou obvykle zhotovovány jako vícepodlažní konstrukce skeletové. Přístavky prostorově pokrývají ostatní požadavky vyplývající z nároků na funkčnost celé konstrukce (administrativní prostory, šatny a ostatní sociální zázemí a další). Podle základního principu konstrukčního uspořádání lze halové konstrukce rozdělit na konstrukce vazníkové (hlavním prvkem střešní konstrukce je vazník) a bezvazníkové. Geometrie hlavního prvku konstrukce střechy umožňuje rozdělit halové konstrukce na konstrukce s plochou střechou a nebo, především u hal vazníkových, na konstrukce se složitější geometrií střešní plochy. Tam je její tvar definován geometrií horního pásu vazníku. Z hlediska technického vybavení lze haly rozdělit na halové konstrukce s jeřáby a bez jeřábů. Konstrukce jeřábů jsou v podstatě dvojí. Jeřáby, které mají umožnit manipulaci s většími břemeny, se opírají o nosnou konstrukci haly, tj. nosníky jeřábových drah jsou nejčastěji uloženy a krátkých konzolách umístěných na sloupech halové konstrukce. V případě jeřábů, které mají umožnit manipulaci s lehkými břemeny, se používá možnosti zavěšení nosníků jeřábové dráhy na nosné prvky konstrukce střechy, v případě vazníkových hal na vazníky. VAZNÍKOVÉ HALY: Jak již bylo řečeno v úvodu, je hlavním nosným prvkem střešní konstrukce těchto hal vazník, který se obvykle opírá o nosné sloupy. Schopnost vazníku přenést zatížení konstrukcí střechy a zatížení na střeše, je určující pro jeden hlavní půdorysný rozměr haly. Druhý půdorysný rozměr je určen dosažitelným rozpětím střešní desky, která (na rozdíl od
Strana 2 ocelových hal, kde je mezi vazník a střešní desku ještě vložena tzv. vaznice), určuje osovou vzdálenost vazníků. Příklad složení konstrukce vazníkové haly je naznačen na Obr.1. 1 - základová patka (prefabrikát nebo monolit) 2 - nosný sloup (prefabrikát) 3 - základové ztužidlo (prefabrikát) 4 - obvodový plášť 5 - střešní ztužidlo (prefabrikát) 6 - střešní vazník (prefabrikát) 7 - střešní desky (prefabrikát) Obr.1: Skladba prvků vazníkové haly Základová patka: V monolitickém a nebo, častěji, prefabrikovaném provedení je obvyklým způsobem založení halových konstrukcí. Sloupy jsou obvykle ukotveny osazením do kalicha. Každý sloup halové konstrukce je založen na samostatné patce. Výjimkou jsou patky v místě dilatací, kde je obvykle do kalicha jedné základové patky osazena dvojice nosných sloupů. Základové ztužidlo: Trámový prvek osazený na základové patky. Je prvkem s kombinovanou úlohou. Jednak může, v případě samonosného opláštění, být základovým prvkem nesoucím tíhu obvodového pláště, jednak je prvkem, který překonává rozdíl mezi úrovní terénu vně haly a úrovní podlahy v hale samotné. Sloupy halové konstrukce: Lze je rozdělit podle jejich podle jejich funkce v halové konstrukci, dále podle jejich polohy a také podle způsobu jakým jsou provedeny. Podle funkce v konstrukci lze sloupy rozdělit na ty, které především přenášejí svislé zatížení vyvolané podporovými reakcemi vazníků a účinky jeřábové dráhy a na sloupy, které čelí zejména účinkům zatížení vodorovného. Druhou skupinu sloupů představují tak zvané štítové sloupy, jejichž hlavní funkcí je přenos účinků od zatížení větrem vanoucím ve směru kolmém na polohy hlavních vazeb halové konstrukce tj. kolmo na podélnou osu vazníků. Svislým zatížením těchto sloupů je obvykle pouze jejich vlastní tíha. V jejich patním průřezu tudíž obvykle převažuje momentový účinek nad účinkem svislé síly. Tyto sloupy jsou, zejména v případě hal s poněkud vyšší konstrukční výškou, sloupy s nejmohutnějším průřezem. Rovněž velikost jejich patky je z téhož důvodu často větší, než velikost patek do kterých jsou ukotveny sloupy nesoucí zatížení vyvolané podporovou reakcí vazníků. Podle polohy v halovém objektu dělíme sloupy na obvodové (ty dále na krajní, rohové a štítové) a vnitřní.
Strana 3 Podle provedení dělíme sloupy na sloupy plnostěnné (obdélníkového průřezu) a na sloupy s vylehčeným průřezem (obdélníkový průřez je vylehčen do tvaru I ). Sloupy mohou být navrženy i jako sloupy příhradové (Obr. 2a) nebo sloupy, které mají geometrii Vierendelových nosníků (Obr. 2b). Užití takto vylehčených sloupů je velmi výjimečné a to z důvodů jejich složitého geometrického tvaru (vysoká cena formy) a tím i složitého způsobu vyztužení. Přicházejí v úvahu jen v případě velmi speciálních podmínek. Střešní ztužidlo: Prefabrikovaný nosník, který nepřenáší žádné výraznější zatížení (je obvykle navržen pouze na účinky vlastní tíhy a zatížení z malé části střešní konstrukce), který však má nezanedbatelný vliv na prostorovou tuhost konstrukce. Při vhodném spojení s vazníky zabraňuje možnému porušení stability vazníků od účinků vodorovného zatížení. Střešní desky: Nejčastěji lehké žebírkové desky navrhované na rozpětí 6 m. Klasický rozměr betonové jednopodlažní haly má tudíž základní půdorysný rozměr 6 x rozpětí vazníku. Obr.2: Sloupy s vylehčeným průřezem Vazník: Podle použitého způsobu vyztužení je rozdělujeme na železobetonové a předpjaté. Z hlediska geometrie na plnostěnné a příhradové a dále na pultové a sedlové. Plnostěnné vazníky mají obvykle průřez T a nebo I. Pultové se používají pro menší rozpětí (v případě železobetonu cca 9 15m), sedlové pro rozpětí větší (plnostěnné železobetonové 12 21m, příhradové do cca 24m, předpjaté až do 33 m). Vazníky mohou být, a to především v případě předpjatého betonu i složitějšího průřezu např. komůrkového. Použití vazníku takovéhoto typu přichází v úvahu při konstruování hal mimořádných rozpětí. Poznámka ke statickému výpočtu vazníku: Vazník je staticky poměrně jednoduchý prvek, při jehož návrhu i posouzení je však třeba přihlédnout k několika specifickým vlastnostem vyplývajícím z jeho geometrie.
Strana 4 V podporovém průřezu a je třeba přihlédnout jednak ke způsobu uložení vazníku na sloup, jednak ke skutečnosti, že se jedná o oblast s náhlou změnou výšky průřezu (jednak snížení výšky v místě uložení, jednak redukce plného průřezu obvykle na tvar I ). Tudíž je nezbytné posoudit spolehlivost v této oblasti minimálně ve třech průřezech ( líc podpory, v místě ve kterém dochází ke snížení výšky průřezu a konečně v místě, ve kterém je plný průřez vylehčen do tvaru I ). V mezipodporovém průřezu 1 se jedná o poněkud jiný problém. Vzhledem k proměnné výšce vazníku je polovina rozpětí (při obvyklém zatížení) místem maximálního ohybového momentu. Současně však i místem, ve kterém má vazník maximální výšku a tudíž i statickou výšku. Nejnepříznivějším průřezem tudíž nemusí být právě polovina rozpětí, ale je jím ten průřez, ve kterém funkce M x / h x dosahuje svého maxima. Tímto místem sice může být polovina rozpětí, ale nemusí. Pokud to polovina rozpětí není, nebylo by posouzení středního průřezu dostatečným průkazem spolehlivosti prvku. Při výpočtu vazníku je dále třeba posoudit velikost průhybu a zejména v průmyslových provozech s emisemi agresivních látek, které by mohly např. způsobit korozi výztuže, také rozevření trhlin. Výpočet musí být doplněn i o posouzení vazníku při manipulaci a to včetně posouzení spolehlivosti manipulačních úchytů. Poslední poznámka k výpočtu vazníku je věnována snížení výšky vazníku v oblasti blízké uložení na sloup (viz Obr.4). Obr.4: Předpoklady posouzení stability střešních vazníků při zatížení větrem
Strana 5 Vodorovná síla W může způsobit ztrátu stability skupiny vazníků a to zejména v případě krátkých hal, tedy v případě, ve kterém je počet vazníků malý. Účinek ohybového momentu (W. z i ) musí být menší než moment, který překlopení brání, jehož velikost je ( R i,min. a), kde R i,min je minimální suma podporových reakcí v posuzovaném místě haly vazníků. Z obrázku je zřejmé, že v případě snížené výšky zhlaví střešního vazníku je spolehlivost konstrukce z tohoto hlediska vyšší. Jiné prvky: Jsou v halových konstrukcích používány např. v souvislosti s nutností osvětlení v prostoru haly. Jedná se tudíž o nosníky lemující konstrukce světlíků event. i o vlastní konstrukci světlíku. Statický výpočet konstrukce haly: Konstrukce haly představuje obvykle systém konzol vetknutých do základových patek. Ty spočívají na základové zemině, která může být uvažována např. jako pružný poloprostor. Připojení vazníků k temenům sloupu je obvykle modelováno a konstruováno jako kloubové. Vzhledem k nesymetrii svisle působícího zatížení i existenci vodorovného zatížení, které je na jednotlivých sloupech řešené vazby rozmístěno rovněž nestejnoměrně (zatížení tlakem větru působí na stěnu a sloupy na návětrné straně, sání větru na straně závětrné), má každý ze sloupů tendenci k jiné hodnotě průhybu volného konce. Vzhledem k propojení temenní průřezů sloupů vazníky, působí vazníky jako prvky, které průhyby konzol sjednocují. V důsledku toho vznikají v jednotlivých vaznících osové síly X i, jejichž výpočet je předmětem statického řešení. S jejich pomocí je posléze stanoven průběh statických veličin ve všech hlavních nosných prvcích halové konstrukce. Samostatným problémem halových konstrukcí je účinek zatížení provozem jeřábů. Mimo vyhledání nejnepříznivější polohy jeřábového břemene (která je pro každý sloup a ostatní působící zatížení obecně jiná, je třeba počítat i s vodorovnými silami, které pohyb jeřábu se zavěšeným břemenem může vyvodit. Tyto síly mohou působit v obou hlavních směrech tj. v důsledku pohybu břemene ve směru jeřábového mostu (brzdné síly od pojezdu kočky jeřábu - ve směru roviny vazníku) a nebo ve směru kolmém tj. ve směru nosníků jeřábové dráhy (brzdné síly od pojezdu jeřábového mostu - kolmo na rovinu vazníku). Vzhledem ke skutečnosti, že pohyb břemene je dynamická záležitost, je třeba v rámci výpočtu zohlednit i tuto skutečnost. Komentář: Sloupy v řadách a a b, pokud by nebyly s ostatní konstrukcí spojeny vazníky, jsou působícím zatížením ohýbány tak, že jejich temenní průřez se posune směrem doprava. U každého sloupu bude obecně velikost posunu jiná. Pokud by byl stejně uvolněn i sloup v řadě c, jeho temenní průřez by se posunul směrem doleva. Pro stanovení momentů ve sloupech je třeba určit síly X1 a X2 tak, aby deformace temenních průřezů všech tří sloupů byly shodné. Obr.5: příklad deformace halové konstrukce
Strana 6 HALY VE KTERÝCH JE SOUČASNĚ POUŽITO VAZNÍKŮ A PRŮVLAKŮ Kombinace vazníků s průvlaku umožňuje redukovat počet nosných sloupů a tím z půdorysu objektu odstranit část překážek, kterými sloupy z hlediska možností využití objektu jsou. Část vazníků je umístěna přímo na sloupy, zbytek je nesen průvlaky. Ze statického hlediska je průvlak velmi nepříznivě zatíženým prvkem, neboť je zatížen osamělým břemenem působícím právě v polovině rozpětí. Tudíž v místě největší pořadnice příčinkové čáry ohybového momentu. Rovněž obrazec posouvajících sil je krajně nepříznivý, neboť velikost posouvající síly je, zanedbáme-li téměř nepodstatný vliv vlastní váhy průvlaku, konstantní po celé délce prvku. Průvlaky mohou být navrženy jako prvky plnostěnné trámové a nebo při větších rozpětích jako konstrukce komůrkové. Tyto skutečnosti naznačují, že se, zejména v případě použití technologie předpjatého betonu, jedná o konstrukce, které již mají charakter konstrukcí mostních. Obr.6: Půdorysné schéma části haly s vazníky a průvlaky BEZVAZNÍKOVÉ HALY: Hlavními prvky střešní konstrukce těchto hal jsou průvlaky. Ty jsou doplněny střešními prvky schopnými překlenout podstatně větší rozpětí nežli klasická střešní žebírková deska. U řady těchto prvků je využíváno technologie předpjatého betonu. Těmito prvky jsou často trámové prvky o průřezu TT, může být použito i prvků skořepinových nebo tzv. lomenic, tedy tenkostěnných prvků složených z deskostěnových elementů. Spádu střechy může být u všech typů těchto hal dosahováno různou délkou sloupů v jednotlivých řadách. JINÉ VARIANTY KONSTRUKČNÍHO USPOŘÁDÁNÍ HALY: a) Italská varianta bezvazníkové haly: Jedná se o bezvazníkovou halu, ve které má střešní deska příčný řez ve tvaru T, podélný pohled je téměř shodný s pohledem na střešní vazník. Výška prvku se směrem k podpoře výrazně snižuje, desková část je vetnuta do hlavního nosníku a příčných trámů navržených v místě uložení na průvlak. Ten je navržen jako trám konstantního průřezu, příčný řez má podobu Y nebo X. V horní části je díky geometrii průřezu vytvořen prostor pro odvodnění střešní roviny Zajímavé je i pevné připojení průvlaků k temeni sloupů, které zabezpečuje střešní konstrukci proti účinkům sil, které by mohly způsobit porušení stability průvlaků sklopením (viz Obr.7).
Strana 7 Střešní deska je schopna překlenout rozpětí do 12m, průvlaky (v závislosti na rozpětí desek) od 10 do 26 metrů. Geometrický tvar jednotlivých prvků svědčí o snaze o optimální úspornost konstrukčního řešení. Varianta Y Varianta X Varianta X: Průvlak tohoto příčného řezu je přišroubován k ocelovým trnům vyčnívajícím z temenní části nosného sloupu. Geometrie styčných ploch sloupu i průvlaku je shodně tvarována se shodným zalomením, které zlepšuje přenesení příčných vodorovných sil z průvlaku do sloupu. Varianta Y: Průvlak tvaru Y je osazen do rozvidleného konce nosného sloupu. Detail je komplikovanější na zhotovení, ale jednodušší při montáži na staveništi. Stejně jako u varianty X je průvlak v místě sloupu osazen na neoprénovou podkladní desku, která příznivě ovlivňuje rozdělení napětí v úložné ploše. Obr. 7: Geometrický tvar střešní desky a skica příčného řezu průvlaků ve variantách X a Y
b) příklad vazníkové haly mimořádného rozpětí: Strana 8 Obr. 9: Hala mimořádného rozpětí Trojúhelníkový předpjatý vazník o rozpětí 45 m byl navržen z předpjatého betonu. Skládá se z prvků délky cca 5m, které byly sepnuty na staveništi. Jelikož šířka haly byla právě 45m, je celý prostor haly bez jediného vnitřního sloupu. Rovněž desky mezi vazníky byly navrženy z předpjatého betonu. Bylo použito lehkého konstrukčního betonu. Osová vzdálenost vazníků je 10m. Vazník je osazen do speciálního prefabrikátu tvořícího sedlo, které zaručuje jeho stabilitu. To je ke sloupu připojeno připnutím. DILATAČNÍ CELKY: Půdorysné rozměry halových konstrukcí často dosahují mimořádných rozměrů. Navzdory tomu, že jsou navrhovány jako prefabrikované, je při jejich návrhu třeba se vypořádat s účinky teplotní dilatace. Rozměr dilatačního celku, pokud se přesnějším výpočtem neprokáže jiná možnost, nesmí přesáhnout 60m. Dilatace se navrhuje nejčastěji v podobě zdvojení nosných sloupů, které jsou osazeny do společné základové patky, a použitím atypických prvků v opláštění i v konstrukci střechy. POSOUZENÍ PREFABRIKOVANÉHO SLOUPU HALOVÉ KONSTRUKCE: Tento prvek je typickou ukázkou prefabrikátu, pro který mnohdy nemusí být namáhání jimž je vystaven v definitivní konstrukci, nejnepříznivějším zatěžovacím stavem. Sloup je obvykle zhotovován v poloze naležato a tudíž první zatížení jemuž je vystaven, je účinek jeho vlastní váhy, která působí na prostý nosník s převislými konci. Místa podpor jsou určena polohou manipulačních závěsů. Vzhledem k časté potřebě opatření sloupu krátkými konzolami (podpory jeřábové dráhy), je sloup betonován tak, že jeho větší průřezový rozměr je při betonáži šířkou průřezu a nikoliv výškou. U sloupů značných výšek může tento zatěžovací stav vyvolat větší potřebu výztuže než zatížení, kterým sloup vzdoruje v definitivní konstrukci. Při provizorním uložení ve výrobně nebo na stavbě je třeba dohlédnout, aby se ležící sloup opíral o podkladní prvky vložené pod místa manipulačních závěsů. Dalším zatěžovacím stavem je zvedání sloupu při osazení do základové patky. Prakticky celý sloup je v tuto chvíli namáhán osovým tahem. Tudíž statickou veličinou, která se v průběhu jeho dalšího působení v žádném okamžiku ani průřezu nevyskytne. Sloup je při této manipulaci zavěšen za ocelový trn, který prochází otvorem vynechaným v horní části sloupu. Teprve po osazení do základové patky a po dokončení konstrukce je sloup vystaven těm účinkům, pro které byl, jako pro hlavní a v pravém slova smyslu užitné, navrhován.
KRÁTKÉ KONZOLY: BETONOVÉ KONSTRUCE 30 - Přednáška 4 Strana 9 Představují konstrukční detail, který nejčastěji umožňuje uložení nosníků jeřábových drah na nosných sloupech halové konstrukce. Jedná se prvek, který může být namáhán výraznými účinky podporové reakce vyvolané odpovídající polohou břemene dopravovaného konstrukcí jeřábu. Konzola je namáhána nejen odpovídajícím účinkem momentovým, ale i výraznými účinky smyku. Na Obr. jsou vyznačeny 2 varianty hlavního výztužného profilu a naopak není zakreslena jakákoliv výztuž základního sloupu Obr. 10: Příklad vyztužení krátké konzoly nesoucí nosník jeřábové dráhy KONSTRUKCE PODLAHY: Podlahové konstrukce průmyslových hal jsou obvykle jedinými monoliticky prováděnými konstrukcemi halových objektů. Jakkoliv je na tyto konstrukce pohlíženo jako na konstrukce velmi obyčejné, je pravý opak pravdou. Jedná se o konstrukce které jsou často vystaveny velmi intenzivnímu lokálnímu namáhání, navíc v přímém účinku na povrch konstrukce. Poloha lokálního břemene je buďto zcela obecná a v čase proměnná (pojíždění podlahové konstrukce vysokozdvižnými nebo jinými vozidly), a nebo téměř obecná, ale dlouhodobě stálá co do polohy, proměnná co do velikosti (např. stojiny regálů v halách určených pro skladování). Na tyto konstrukce jsou kladeny i značné požadavky estetické, které jsou definovány jednak jako vysoké nároky na geometrickou přesnost povrchu (přípustná je obvykle jen několikamilimetrová odchylka na třímetrové délce), jednak jako požadavky na omezení vzniku trhlin. Navíc se jedná o konstrukce rozsáhlé, které je obvykle třeba dilatovat, přičemž zejména u pojížděných povrchů je každá dilatační spára místem, ve kterém je hrana betonové konstrukce vystavena vysokým namáháním. Má tudíž při opakovaném vystavení účinkům pojezdu tendenci k porušování. Vzhledem ke všem uvedeným skutečnostem je tyto konstrukce poměrně obtížné vyztužovat klasickou výztuží z prutů, sítí nebo rohoží, neboť např. těmito výztužnými prvky nelze dostatečně spolehlivě vyztužit beton v oblasti blízké hraně u dilatační spáry. Z uvedených důvodů jsou průmyslové podlahy konstrukcemi, ve kterých se již po řadu let uplatňuje princip vyztužení struktury betonu vlákny. Nejčastěji dosud používanými vlákny jsou v této oblasti vlákna ocelová, začínají se však uplatňovat i vlákna skleněná nebo syntetická.