Ing. Vladimír Jirka, Ph.D. Ústav stavitelství I fakulty architektury učební texty předmětu POZEMNÍ STAVITELSTVÍ KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB část třetí KONSTRUKCE PŘEVÁŽNĚ TLAČENÉ ČI TAŽENÉ 2006
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 smyk proměnné F 1 r ohybový moment tlak F 2 vodorovná reakce tlaková síla deformace zavětrování 56
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). ohyb a) rámová konstrukce ohyb b) ohyb c) ideální tvar pouze tlak d) 57
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 b) opěrná konstrukce oblouku uloženého výše nad terénem může být navržena jako ohýbaná směr zatížení c) popřípadě může přenášet zatížení normálovými silami reakce tlaková ová 58
d) horizontálně tuhá konstrukce podpírá i ty obloukové vazby které nemají přímou opěrnou konstrukci Konstrukční systémy halových staveb e) v uzavřeném opěrném systému tlačené konstrukce je vodorovná síla zachycena táhlem 59
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 60
e) trojkloubový oblouk zcela eliminuje vliv objemových změn a pokles podpor Konstrukční systémy halových staveb f) přemístěním třetího kloubu mimo vrchol lze upravit směr podporových reakcí 3. kloub směr reakce g) trojkloubový tlačený nosník 61
Betonové obloukové soustavy Vyskytují se méně často, jsou navrhovány jako oblouk: a) vetknutý montován jako trojkloubový po dotvarování se klouby mění na tuhé styčníky h = 1/28 1/40 L h = 1/28 1/40 L b) dvojkloubový L = 15 60 m c) trojkloubový h = 1/28 1/40 L d) průřez plný e) průřez Virendeelův f) průřez skříňový často v proměnném provedení 62
g) Železobetonový oblouk je v konstrukcích zastřešení často uplatněn jako součást obloukových vazníků. Horní betonový pas je s dolním táhlem propojen vzpěrami. Oblouky jsou efektivnější než klasické vazníky, navrhují se pro rozpětí až 50 m. vzpěry závěsy táhlo až 50 m h) Uložení obloukové konstrukce na základ: tlak opačná reakce tlak svislá reakce 63
Ocelové obloukové soustavy příhradové trubkové, rovinné nebo prostorové a) dvoukloubové odlišného zakřivení přírub b) trojkloubové se souběžnými přírubami Pro dopravu a montáž se části oblouků rozdělují montážními styky lze je sestavovat a stykovat na zemi plnostěnné, svařované ze segmentů otevřených či uzavřených průřezů c) vetknuté d) dvojkloubový pro menší rozpětí haly lze válcované profily ohýbat za studena a) 1/ 30 L b) L = 60 90 m 1/ 5 1/7 L c) d) 64
Obloukové soustavy na bázi dřeva Navrhují se jako dvojkloubové (a) nebo trojkloubové (b) nosníky z lepených 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) 65
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 charakter tvaru objektu. vaznice f) vzpěra obloukový nosník zavětrování Střešní plášť používá vaznic nebo kompletizované dřevěné panely. Zavětrování v rovině střechy pomocí diagonál. 66
Příklady halových staveb užívajících konstrukci převážně tlačenou: plavecký stadion v Praze Podolí (železobeton) Konstrukční systémy halových staveb hala "Big Eye" v Oita City, Japan arch. Kurokawa, r. 2001 rozpon 274 m (ocel) zimní stadion v Chebu (dřevo) haly hlavního nádraží v Praze (Wilson Cross) (ocel) výstavní hala Turin, Italy Pier Luigi Nervi 1949, (železobeton) (místo konání ZOH 2006) 67
Tlačené konstrukce plošné (klenby a skořepiny) Klenby Tato tlačená konstrukce je namáhána vzpěrným tlakem a ohybem. Namáhání přenáší přepětím průřezu vlivem převládajícího svislého zatížení. 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: 70 600 mm a) valená klenba nad obdélníkovým půdorysem 8 50 m Klenby přenášejí vzpěrný tlak s ohybem průřezem předepnutým vlivem převládajícího svislého zatížení. Má omezené možnosti přenosu bodových zatížení. zatížení e t / 6 tlaková čára váha zdiva N e vliv vzepětí klenby f na velikost vodorovných sil v uložení H 3 2 1 H / F 1/10 1/5 f / L 1/2 t S Q f vzepětí klenák H F S vnitřní oblouková tlaková síla N složka kolmá k ložné spáře Q složka ve směru ložné spáry rozpon L F H Ke správné funkci je podstatný tvar výslednicové čáry od zatížení vlastní tíhou 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. 68
b) klenba ve tvaru kupole na půdorysem kruhovým či jemu podobným Konstrukční systémy halových staveb = 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 c) 6 18 m Kimbel Museum Forth Worth, Texas, USA Louis I. Kahn 1972 69
d) dlouhá válcová skořepina působí staticky jako nosníková konstr. (d ) h=1/50 1/65 L d ) h = 1/300 1/450 L L = 25 40 m e) rotační skořepina je podobná klenbě kupole, její stabilitu zajišťuje schopnost přenášet radiální tlaková a ová namáhání. L = 15 120 m 70
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. f) f 2f L = 9 30 m rotační hyperbolický paraboloid Šedova střecha, z eliptických konoidů 71
jiné příklady uplatnění skořepinových konstrukcí : kostel Panny Marie Praha Strašnice, 1994, atel. AMA, J.Synek dřevěné skořepiny TWA Terminal, Airport JFK, New York, USA - Eero Saarinen 1962 72
Prutové a lomenicové struktury Konstrukční systémy halových staveb Prutové strukturální soustavy Působení strukturálních soustav je do jisté míry obdobné působení plošných konstrukcí stejného tvaru. Principem plošné nebo prutové struktury je snaha o nahrazení statického působení plošné konstrukce prutovými prvky ze železobetonu, oceli, dřeva. Prutová struktura ve tvaru válcové klenby (a) působí jako válcová skořepina upnutá do tuhých čelních stěn. Stejně u dalších tvarů (b). a) b) = 15 100 m 73
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 diagonálně uspořádaná žebra z lamel spojovanými svorníky (e). c) d) Pyramide du Louvre, Paris, France I.M.Pei 1989 USA Pavilon Expo 67, Montreal, Canada B.Fuller, S.Sadao e) 74
Lomenicové strukturální soustavy jsou vytvořeny z plošných trojúhelníkových elementů vytvářejících tuhou prostorovou soustavu. Vhodnou volbou tvaru lomenice lze docílit tvaru translační či rotační plochy (f,g). f) g) h = 1/10 1/20 h L = 9 30 m h) i) Strukturální lomenice vzniká ze: sítě čtyřúhelníkové (h) sítě trojúhelníkové (i) nahrazením prutů struktury plošnými elementy v rovině střednice prutu Elementy mohou být: konvexní konkávní kombinovány střídavě 75
jiné příklady uplatnění skořepinových konstrukcí a prutových struktur : Eduardo Torroja: dostihové závodiště La Zarzuela, Madrid, Španělsko 1935 železobetonová skořepina střechy tribuny skleník (oranžérie) v zahradách Pražského hradu skleník botanické zahrady 76
KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY PŘEVÁŽNĚ TAŽENÉ Mezi tažené konstrukční systémy náleží konstrukce: visuté (a), pneumatické (b) a zavěšené (c) a) c) ová reakce tlaková reakce a) b) přetlak ová reakce b). visuté a pneumatické konstrukce jsou charakteristické malou tvarovou stálostí vlivem nízké ohybové tuhosti podpora konstrukce c) závěs c) ohyb tlaková reakce a) střecha olympijského stadionu v Athénách 2004, 25.000 m 2 polykarbonátových desek Makrolon 77
Visuté soustavy Mezi tažené konstrukční systémy visuté náleží konstrukce: vazníkové, deskové (skořepiny jednoho a dvojího zakřivení) lanové a membránové Vazníkové visuté konstrukce tvar deformace RÁMOVÁ KONSTRUKCE S TAŽENOU PŘÍČLÍ ohyb tlaková reakce PŘÍHRADOVÝ NOSNÍK kloub ohyb tlaková reakce kloub tlaková - ová reakce ohyb PLNOSTĚNNÝ NOSNÍK tlaková reakce klouby ohyb tlaková reakce TROJKLOUBOVÝ NOSNÍK PLNOSTĚNNÝ PŘÍHRADOVÝ tlaková - ová reakce klouby POLYGONOVÝ NOSNÍK ová tlaková reakce tlaková reakce 78 ohyb
Lanové visuté konstrukce Lanové prvky bez ohybové tuhosti jsou uspořádány paralelně nebo radiálně, v jednovrstvém nebo dvouvrstvém uspořádání. Sestavují se z ocelových drátů, nekovových vláken apod., které jsou subtilní bez ohybové tuhosti, tvarem přizpůsobivé výslednicové čáře vnějšího zatížení. Přenos zatížení probíhá prostřednictvím normálové síly v profilu vlákna a vodorovnou složkou podporové reakce. Tato složka namáhá opěrný systém vysoko nad terénem což vyžaduje jeho efektivní konstrukční návrh. profil lana L = 30 180 m křížení lan olympijský stadion v Mnichově, 1972: akrylové sklo, 75 000 m 2, 58 nosných sloupů, tabule 2,75 x 2,75 m tl. 4mm, sklo samočisticí napojení diagonál stabilizační lano závěs pokryvu 79
Příklady stabilizace visutých lanových konstrukcí H S V q (x) paralelní lana V S H a) hmotností střešního pláště q (x) S V q(x) b) sepnutím centrální konstrukcí H napínací lano táhlo vzpěra nosné lano uspořádání konvexní radiální lana q (x) V H V H nosné lano c) napětím předpínacích lan táhlo napínací lano uspořádání konkávní nosná lana vzpěry 80
Varianty zachycení vodorovné reakce visutého zastřešení : systémy otevřené Konstrukční systémy halových staveb ohyb tlaková ová reakce tlaková ová reakce tlaková ová reakce 81
systémy uzavřené: olympijský zimní stadion v Calgary, Kanada 1988 Cribb s Causeway United Kingdom Praha, projekt stanice metra Střížkov, trasa C, Patrik Kotas 2004. závěsná táhla nákupní centrum Kirchsberg 82
příklad podporového systému visutého zastřešení nosná lanová konstrukce střešní desky La Grande Arche, Paris, France J.Otto von Spreckelsen 1990 zavětrování příklad spojitého podporového systému visutého zastřešení Příklady uzavřených nosných systémů visutého lanového zastřešení: centrální tenisový kurt Rothenbaum Hamburg - Schweger & comp. tlačený ochoz tažená lucerna princip výpletu cyklistického kola nosná lana napínací lana plavecký stadion v Českých Budějovicích 83
olympijský stadion v Mnichově, Německo Gunther Behnisch: 1972, beton a akrylové sklo, 75 000 m2, 58 nosných sloupů, tabule 2,75 x 2,75 m tl. 4mm, sklo samočisticí 84
Membránové visuté soustavy Membrána visuté střechy se navrhuje z plošně působící volně zavěšené nebo napjaté tkaniny, plechu, kompozitní textilie a podobně. Přebírá pouze síly ve střednicové ploše, to znamená že navozuje membránový stav napětí. Stabilizace tvaru tenké membrány vyžaduje ztužující žebra, tvarování s dvojí křivostí, příp. vhodné přitížení podvěsem. konstrukce rozpětí (m) zakřivení (m) tkaninový stan 9 18 25 35 lanový, vyztužený tkaninový stan 18 60 80 100 síť z předpjaté oceli s tkaninovým překrytím 25 100 100 300 zoologická zahrada Schönbrunn, Wien, Österreich - Lechner 1994 nákupní centrum Kirchsberg 85
nosné hřebenové lano opěra opěra napínací lana membránová výztuha Ashford Retail Village, United Kingdom, 2000 nosný (opěrný) příhradový oblouk 86
Soustavy nesené přetlakem vzduchu Pneumatická konstrukce nesená přetlakem vnitřního vzduchu je tvořena tenkou membránou předepnutou vnitřním přetlakem. Nízkotlaké přetlak vzduchu v celém vnitřním prostoru činí cca 100 300 Pa. Při velkých rozponech se tvar stabilizuje kombinací s povrchovými ztužujícími lany. B membrána z nerez oceli B = 80 300 m z tkaniny B = 15 45 m přetlak ová reakce Silver Dome, Pontiac, USA 87
Vysokotlaké vysoký přetlak vzduchu, 0,1 0,5 MPa je soustředěn v tzv. kostře (skeletu) objektu (žebrech, obloucích). Užívají se menší rozpony 25 m. Náleží sem rovněž soustavy čočkové a polštářové. L = 6 45 m membrána nosná žebra přetlak ová reakce nosná žebra nosné žebro tlaková reakce výstavní pavilon Fudži, světová výstava v Ósace, Japonsko 1970 - J.Murata a Kawaguči: půdorys 50 x 80 metrů 88
soustavy čočkové a polštářové Konstrukční systémy halových staveb spojitá konstrukce ohyb ová reakce tlaková reakce opěrná konstrukce ohyb vzpěrný tlak kombinace s vazníky tlaková reakce přetlakový pneumatický rámový stavební systém Spolková republika Německo 89
Zavěšené soustavy Základním principem konstrukce je zavěšení střešní nosníkové konstrukce pomocí táhel ukotvených ke tlačeným pilotám, obloukům, rámům apod. Jedná se o vícestupňový systém připomínající působení tzv. superkonstrukcí ve vícepodlažních budovách. Náleží proto k efektivním systémům pro zastřešení staveb velkých rozpětí. nárožní pylony tlaková reakce 60 150 m centrální nosník 90
tlačený oblouk zavěšený nosník táhla tlačený oblouk táhla zavěšená deska zastřešení olympijského stadionu v Athénách, Řecko, 2004-25.000 m 2 polykarbonátových desek Makrolon 91
Táhla se nejčastěji navrhují z ocelových lan a kabelů a tvoří tak systém pružného podepření norníkové či obloukové konstrukce. Střešní plášť lze řešit způsobem obdobným jiným tuhým soustavám (vazníkovým, rámovým, apod.) Výhodnou konstrukční variantou jsou zavěšené soustavy spojité. Nevyžadují kotvení ových složek v základech. zavěšený konzolový nosník tribuny sportovních stadionů Jihomoravská plynárenská a.s. Brno, Radlas, 1995-6, zavěšená střecha haly (skladu) protizávaží "vagon" administrativy; dodavatel ocelové konstr. Metal Progres s.r.o. Brno 92
lanové závěsy vzpěra zavěšená membrána ové reakce tlaková reakce Millennium Dome, Greenwich, London, United Kingdom, R.Rogers 1999 rozpětí 365 m 93
Použité prameny a doporučená literatura: Doc.Ing. Petr Hájek, CSc. a kol. KONSTRUKCE POZEMNÍCH STAVEB 10 Nosné konstrukce I skriptum FSv ČVUT, 2002 převzaté fotografie: časopisy STAVBA a MATERIÁLY PRO STAVBU Springer Media CZ, 1998-2005 knihy DĚJINY UMĚNÍ, José Pijoan, Odeon 1982 Balios, Knižní klub 2002 STAVBY SVĚTA, Nigel Hawkes, Slováry, 2001 ARCHITEKTURA A STAVEBNICTVÍ ČR, Jan Konicar, Torus 1995.. a podobné publikace webové stránky: www.greatbuildings.com www.takenaka.co.jp www.earchitekt.cz a další 94