KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB

Ing. Vladimír Jirka, Ph.D. Ústav stavitelství I fakulty architektury učební texty předmětu POZEMNÍ STAVITELSTVÍ KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB 2006

Obsah Členění konstrukčních systémů halových staveb strana 1 Funkce a součásti halových a velkoobjemových objektů 4 Účel a funkce halového objektu 4 Účelové využívání 5 Součásti halového objektu 6 Nosná konstrukce 7 Konstrukční systém halového objektu Vývoj v uplatňování materiálů 8 Vývoj konstrukcí v jednotlivých historických epochách 9 Principy konstrukčního a statického chování halových objektů Porovnání základních systémů 14 Konstrukce ohýbaná 16 Konstrukce tlačená a tažená 18 Materiálové a technologické varianty řešení 19 Stupňovitost statického řešení systému 21 Orientace a vzájemné uspořádání nosných prvků 22 Tvar podpor a orientace nosných prvků vůči nim 24 Prostorová tuhost halového objektu 26 Opěrné systémy halových soustav 28 Konstrukce ohýbané Deskové soustavy 31 Příhradové a strukturální deskové soustavy 34 Vazníkové soustavy 35 Betonové vazníky 37 Ocelové vazníky 38 Dřevěné vazníky 41 Rámové soustavy 44 Betonové rámy 47 Ocelové rámy 50 Dřevěné rámy 53 Konstrukce převážně tlačené 56 Opěrné systémy tlačených soustav 58 Obloukové soustavy 60 Betonové oblouky 62 Ocelové oblouky 64 Dřevěné oblouky 65 Tlačené konstrukce plošné klenby a skořepiny 68 Prutové a lomenicové struktury 73 Konstrukce převážně tažené 77 Visuté soustavy Vazníkové 78 Lanové 79 Stabilizace visutých lanových konstrukcí 80 Membránové 85 Soustavy nesené přetlakem vzduchu pneumatické Nízkotlaké 87 Vysokotlaké 88 Zavěšené soustavy 90 Literatura 94

Ing. Vladimír Jirka, Ph.D. Ústav stavitelství I fakulty architektury učební texty předmětu POZEMNÍ STAVITELSTVÍ KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB část první OBECNÉ ZÁSADY 2006

KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB - ČLENĚNÍ Konstrukční systémy halových staveb Konstrukční systémy namáhané převážně na ohyb deskové soustavy betonové bezvazníkové soustavy (a) příhradové strukturální deskové konstrukce (b) vazníkové soustavy s betonovými (c) ocelovými (d) dřevěnými prvky (e) rámové soustavy betonové (f) ocelové (g) dřevěné rámové soustavy (h) a c b e d f g h 1

a Konstrukční systémy převážně tlačené obloukové soustavy betonové (a) ocelové (b) dřevěné obloukové soustavy (c) plošné tlačené konstrukce klenby (d) skořepiny (e) prutové a lomenicové struktury prutové (f) lomenicové (g) b c d f g e 2

Konstrukční systémy převážně tažené soustavy visuté vazníky (a) konstrukce lanové (b) membránové (c) soustavy pneumatické nízkotlaké (d) vysokotlaké (e) soustavy zavěšené (f) b Konstrukční systémy halových staveb a c d e f 3

FUNKCE A SOUČÁSTI HALOVÝCH A VELKOOBJEMOVÝCH OBJEKTŮ Účel a funkce halového objektu Objekty halového typu umožňují tvorbu volných vnitřních prostor s malým počtem nebo zcela bez vnitřních podpor. Užívají se zejména tehdy, nevyžaduje-li provozní uspořádání více výškových úrovní užitných prostor nad sebou. Halový objekt může zahrnovat i vnitřní vestavěná podlaží s různými nároky na užitnou výšku prostor: dvoupodlažní haly velkoobjemové haly kombinované monobloky Sleduje se tím hospodárnější návrh i lepší využití pozemku (poměr kubatury (m 3 ) ku zastavěné ploše (m 2 ) je celkově příznivější). 4

Halové objekty jsou využívány zejména pro účely: kultury kina, divadla, výstavní pavilony, shromažďovací sály, sportu víceúčelové a sportovní haly, zastřešení tribun stadionů, plavecké bazény, výroby a skladování výrobní haly, tržnice, dopravy nádražní haly, zastřešení nástupišť, automobilové a autobusové garáže, opravny, kryté doky, lokomotivní depa 5

Součásti halového objektu NOSNÁ FUNKCE Přenáší statické a dynamické účinky klimatických zatížení, vlastní tíhu obalových a nosných konstrukcí, užitná a provozní zatížení. Sestává z konstrukcí: 4. nesoucí střechu 5. podpůrných a ztužujících a 6. základů 2 1 4 OBALOVÁ FUNKCE Zabezpečuje požadovaný stav vnitřního prostředí. Sestává ze: 1. střešního pláště 2. obvodového pláště a 3. hydroizolačního sytému spodní stavby 5 6 4 1 3 6 2 5 1 2 3 6

Nosná konstrukce a její funkce převládají půdorysné rozměry podstatná jsou svislá zatížení: stálé vlastní tíhou nahodilé sněhem pro lehké konstrukce zastřešení má značný vliv i účinek větru. Konstrukční systémy halových staveb Důležitým parametrem návrhu je požadované volné rozpětí konstrukce L (rozpon)! Velikost ohybového momentu M je kvadraticky úměrná rozponu, u dovoleného průhybu f vstupuje hodnota rozponu ve čtvrté (!) mocnině. zatížení q průhyb f = 5 /384 q. L 4.E -1.J -1 rozpon L prostý nosník tuhý rám podpora průběh momentu M = 1 /8 q. L 2 Návrh konstrukcí obalových (pláště, střechy) a dělících (příčky, vnitřní stěny) je limitován: řídkou osnovou opor (prvků nosné konstrukce) danou většími výškovými i půdorysnými parametry hal větší deformací nosné konstrukce (např. průhybem) Vnitřní prostředí halových staveb je navrhováno z hledisek: tepelně technických orientace oken zajišťující tepelnou stabilitu interiéru stavební prostorové akustiky a denního osvětlení boční omezené, doplňuje se střešními světlíky 7

KONSTRUKČNÍ SYSTÉM HALOVÉHO OBJEKTU Vývoj nosných konstrukčních systémů halových objektů: Byl dán potřebou stavění stále větších a objemnějších prostor hledáním konstrukcí s většími rozpony a materiálů pro ně vhodných: do 18. století: kámen, dřevo, hlína a pálená cihla poté litina, železo příhradové konstrukce, beton prostý, železový, předpjatý, spřažený současné: monolitický i prefabrikovaný železobeton, skořepiny, lepené dřevo, kompozitní materiály, torkretování tenkostěnných konstrukcí, plasty, slitiny lehkých kovů dřevo kámen, cihla kostel S.Miniato al Monte, Florncie, Itálie železo 8 Dřevo konstrukce přenášejí zatížení převáž-ně ohybem (menší životnost) Kámen, pálená cihla přenos zatížení převážně tlakem, konstrukce kleneb (gotika) a kupolí (renesance), desky se odlehčují v tyčové prvky, žebra) Železo, litina, ocel využití velmi dobrých tahových vlastností táhla, armatura do železobetonu, visuté a zavěšené konstrukce, rozvoj velkorozponových příhradových konstrukcí mostů a zastřešení. Beton a železobeton žebrové konstrukce (Monier 1867, Hennebique 1897), předpjaté a spřažené konstrukce (Freyssinet), tenkostěnné skořepiny (Nervi). Prefabrikace. Potřeby a možnosti společnosti zahrnovaly stavění: zpočátku obydlí, sakrálních staveb, mostů a dopravních staveb později kulturní a shromažďovací prostory výstavní haly, nádražní dvorany, divadla, tržnice, tovární haly, krytá sportoviště se zavěšenými konstrukcemi apod.

dolmen u Vallgorguiny (Barcelona) z doby bronzové Konstrukční systémy halových staveb Ramesseum, záp. Wéset, Egypt, 14.stol. př.n.l. sloupořadí Amenhotepa III. v Luksoru svatyně božstev pravěku a starověku překlad - kámen, dřevo poznámka: místopisné odkazy pod uváděnými fotografiemi jsou pouze informativní, nejsou cílem výuky tohoto předmětu. Parthenón, Athény, Řecko, 447-432 př.n.l., Iktin a Kalikratés, pentelický mramor ± 500 mm ± 2 m vlys (reliéf) architráv hlavice římsa torzo: Erechtheion, Akropole, Athény, Řecko - Filoklés 5.stol. př.n.l. 9

sloupořadí v Palmýře, Sýrie, přelom století kapitulní síň kláštera ve Veruele, Zaragoza, Španělsko ± 4 m sakrální stavby staro- i středověku klenutý oblouk, křížová klenba - kámen, cihla fiála opěrné oblouky hlavní loď opěrný pilíř (opěrák) boční loď ± 9 m ± 12 m opěrný systém katedrály Notre-Dame v Paříži,Francie katedrála v Remeši, stavěna od r.1211 interiér, půdorys a letecký pohled 10

nejdokonalejší antická kopule tvořená pomocí zmenšujících se kazet Konstrukční systémy halových staveb 43,2 m Pantheon, Řím, Itálie za císaře Hadriána cca 130 n.l. sakrální stavby starověku i renesance kopule - kámen, cihla bazilika sv. Petra ve Vatikánu, Řím, Itálie - renesanční stavba: Bramante, Raffael, de Sangallo, Michelangelo, 1507 1612 kámen, cihly 2,4 m lucerna 48 m plášť vnitřní vnější plášť atika tambur 11

první železný most, přes řeku Severn, Coalbrookdale, Anglie studovna Národní knihovny, Paříž, Francie - 1858-68, Henri Labroust 16 litinových sloupů, 9 sférických kleneb s prosklenými otvory ve vrchlících T.F.Pritchard, A.Darby II., 1779, litina, kámen délka 30 m velkorozponové stavby nové doby litina, ocel, beton, zdivo, kámen - příhradová oblouková konstrukce výstavní palác Crystal Palace, Londýn, Anglie - 1851, Joseph Paxton - svářková ocel, litina, sklo, 563 x 124 m Machine Hall, Paris, France Contamin, Dutert 1889 12

nádražní hala Kings Cross, Londýn haly Hlavního (Wilsonova) nádraží v Praze haly a jiné stavby na velká rozpětí 19. a 20. století litina, ocel, beton, zdivo, kámen most Císaře Františka Josefa 1. 1865-68 (Eliščin most; dnes Štefánikův, bývalý Švermův, 1951) visutý řetězový most přes Vltavu v Podolsku (90 m), projekt: ing. Gassner, B.Snirch 1847 (po roce 1960 přestěhován na Táborsko, do Stádlece, přes Lužnici ) Botanická zahrada, Schönbrunn, Wien, Österreich Nová tržnice v Paříži, Francie Victor Baltard, 1854-66, (zbourána 1972, dnes Centre Pompidou) 13

PRINCIPY STATICKÉHO A KONSTRUKČNÍHO CHOVÁNÍ HALOVÝCH OBJEKTŮ Ohýbaný, tlačený či tažený konstrukční systém Podstatou návrhu nosné konstrukce halového objektu je výběr vhodného schématu příčně zatížené rozporné konstrukce, přenášející svislé zatížení do podpor. konstrukce ohýbaná posuvné uložení konstrukce tlačená vetknutí konstrukce tažená primární konstrukce: tlačený oblouk sekundární: tažná lana kloub 14 vetknutí střecha olympijského stadionu v Athénách

Porovnání ohýbaných, tlačených a tažených konstrukcí Konstrukční systémy halových staveb TLAČENÉ A TAŽENÉ Millennium Dome, London, Greenwich 1999 OHÝBANÉ OHÝBANÉ versus výrobně jednoduchý tvar opěrná konstrukce (stěny, sloupy) není namáhána vodorovnou silou vnitřní prostor lépe využitelný TLAČENÉ versus TAŽENÉ tvarová stálost konstrukce vnitřní prostor lépe využitelný opěrná konstrukce je namáhána tlakovými silami směřujícími k základové spáře tvar vhodný pro odvodnění střechy TLAČENÉ TLAČENÉ A TAŽENÉ větší únosnost větší rozpětí architektonicky zajímavý tvar kce bez ohybové tuhosti, není namáhána momenty tažený průřez není namáhán vzpěrným tlakem střecha olympijského stadionu v Mnichově, 1972 TAŽENÉ 15

KONSTRUKCE OHÝBANÁ nosník převážně namáhaný na ohyb Je-li konstrukce podepřena ve vodorovném směru posuvně, nemůže vzniknout reakce B vodorovná, a proto celý moment M od vnějšího zatížení musí být přenesen dvojicí vnitřních sil výslednicí normálových napětí F v tažené a tlačené části průřezu. Rameno vnitřních sil r v ohýbané konstrukci je dáno tvarem průřezu. pevné uložení moment M zatížení posuvné uložení tlačená část tažená část reakce B rozpon L F normálové napětí r střednice přímá F M = r. F betonový přímý nosník Ι profilu s plnou stojinou ocelový přímý nosník příhradový střednice vzepjatá r Princip popsaného chování zůstává zachován bez ohledu na tvar střednice ohýbaného nosníku (vzepjaté, prověšené apod.). střednice prověšená r dřevěný vzepjatý nosník plný dřevěný vzepjatý nosník příhradový 16

Možnosti konstrukčního řešení ohýbaného prvku Schopnost konstrukce přenést ohybový moment je podmíněna možností vzniku zmiňované dvojice sil v tažené a tlačené části průřezu a rovněž smykovým propojením obou částí. To lze provést : plnou stěnou vysoká účinnost smykového spolupůsobení, jednoduchá výroba nosníku příhradovou konstrukcí umožňující snížení tíhy konstrukce při zachování vysoké únosnosti ohýbanými příčlemi Virendeelova kce Smykové spolupůsobení umožňuje zapojení tlačené a tažené části do jednoho průřezu. Je-li nedostatečné, snižuje se tím celková únosnost a zvyšují deformace průřezu. tlačená zóna stojina příhradová plná horní příruba dolní výztuž tažená zóna 17

Zamezíme-li vodorovnému posunu konstrukce, vznikne v podpoře vodorovná tahová nebo tlaková rozpěrová síla H 2. Její velikost je závislá na nadvýšení či průvěsu f konstrukce. Ohybový moment M je přenášen dvojicí sil osovou H 1 a vodorovnou reakcí H 2. Ramenem f těchto sil je vzepětí či průvěs konstrukce. KONSTRUKCE TLAČENÁ tlačený oblouk M = H. f H 1 Tvar střednice by měl odpovídat tvaru výslednicové čáry vnějšího zatížení. Odchyluje-li se část zatížení přenáší účinek ohybové tuhosti průřezu. H 2 f pevné uložení KONSTRUKCE TAŽENÁ visutý lanový či membránový prvek Tažená konstrukce nemá ohybovou tuhost. Je nucena se svým tvarem přizpůsobit výslednicové čáře zatížení a veškeré zatížení pak přenáší normálová síla. pevné uložení H 1 H 2 f plachtová střecha ze skleněné tkaniny uvnitř oblouku La Défensa v Paříži 18

Materiálové a technologické varianty řešení se volí podle charakteru namáhání nosných prvků (tlak, tah, ohyb, smyk), o nízké objemové hmotnosti a ceně. Tomu vyhovují: dřevo, lepené dřevo, železobeton, předpjatý beton, ocel a lehké slitiny; tažené visuté a pneumatické konstrukce využívají kromě oceli a dřeva také kompozity, plasty a textilie. Prostý beton a cihly se využívají pro tlačené podpěrné části (stěny, pilíře) dřevo konstrukce vázané dřevo lepené nosníky dřevo lano ocelové zdivo 19

železobeton železobeton předpjatý ocel Soustava o jediném převažujícím materiálu umožňuje jednotnou technologii, údržbu a má stejnou životnost prvků. Kombinované soustavy poskytují efektivnější využívání vlastností rozdílných materiálů. 20

Stupňovitost statického uspořádání nosného systému : jednostupňová konstrukce přenáší primární zatížení přímo do vertikálních podpor (stěn, rámů). Zahrnuje pouze jeden prvek: ohýbanou desku (a1) nebo tlačenou klenbu (b1) či visutou taženou membránu. Konstrukce je to jednoduchá, menší únosnosti a pro malé rozpony. a1) malé rozpony 1 v.p. 1 b1) v.p. (vertikální podpora) dvoustupňová konstrukce - je kombinací malorozponových prvků plošného charakteru (1) a tyčových nosníků většího rozponu (2) ležících na vertikálních podporách (v.p.). Také nosníky mohou přenášet zatížení ohybem, tlakem či tahem. Specializace prvků a2) zastřešení na dílčí nosné funkce umožňuje 2 v.p. 1 2 střední rozpony zvětšení rozponu oproti 1-stupňové konstrukci, která by na toto rozpětí byla příliš hmotná. třístupňová konstrukce přibírá další ty- a3) 3 čový nosník (3) (ohýbaný, 1 v.p. tlačený či tažený) což dále umožňuje zvětšovat 3 2 2 vzdálenosti vertikálních v.p. velké rozpony podpor (v.p.) a tím rozpon halové stavby. Volba konstrukčního schématu a jeho rozměrů se optimalizuje v závislosti na zatížení, materiálu a konstrukčních variantách jednotlivých částí zastřešení. 21

Orientace a vzájemné uspořádání nosných prvků ortogonální (pravoúhlé) osy hlavních a vedlejších (primárních a sekundárních) nosných prvků jsou vzájemně uspořádány kolmo (a) neortogonální (kosoúhlé) každý jiný úhel (b,c) a) 90 Soustava axiální (b) 22

Případem neortogonálního systému je radiální uspořádání (c) jehož hlavní nosné prvky (například příhradové, lanové) jsou paprskovitě uspořádány uvnitř půdorysu, kotveny na nosný prstenec po obvodě. Ve středu se buďto volně křižují nebo jsou sepnuty jiným prstencem a vzájemně se podpírají (viz.sazka-aréna) případně jsou podepřeny bodovou či kruhovou podporou. c) věnec tlačený, problémy s odvodněním, křížením lan vyplétané kolo lucerna příhradový radiální systém 23

Tvar podpor halových systémů a orientace nosných prvků vůči nim systémy jedno a dvousměrné či vícesměrné půdorys protáhlého tvaru: obdélník, elipsa apod. nosníky spíše v jednom směru (a), (b) půdorys sevřenějšího tvaru: čtverec, troj- a víceúhelník, kruh nosníky ve více směrech (c), (d), (e), (f) a) b) c) 24

d) Konstrukční systémy halových staveb e) f) 25

Prostorová tuhost halového objektu Ztužení halového objektu je soubor konstrukčních opatření sledujících zajištění celkové tuhosti objektu, tedy přenesení vodorovných zatížení do základů. Vedle svislých zatížení (pro návrh rozhodujících) je nutno zajistit i přenesení zatížení vodorovných. Jedná se především o účinky zatížení větrem, brzdnými silami jeřábů a seizmická zatížení. vnitřním diagonálním ztužením zakotvením vnějšími táhly vytvořením rámového rohu rámový roh kloubové uložení stojiny vetknutím stojin do základu 26

Systémy s netuhou střešní tabulí (a) se navrhují pro konstrukce visutých, tažených zastřešení, kde zajištění tuhosti tvarově poddajné tabule je obtížně proveditelné. Vodorovné zatížení působící na obvodový plášť přenáší primárně zatížený a) prvek samostatně bez dalšího spolupůsobení s ostatní konstrukcí. U systémů s tuhou střešní tabulí (b,c) je vodorovné zatížení přenášeno střešní tabulí do ztužujících konstrukcí (ztužující stěny, svislá ztužidla). Tuhost střešní tabule lze zajistit: spojením tuhých střešních desek příhradovými ztužidly opěrnou konstrukcí Příhradová ztužidla jsou tvořena prutovými nosníky smykově propojenými vloženými diagonálními prvky namáhanými na tlak či na tah. Umisťují se po obvodě střešní tabule, při větších rozponech i podél hřebene. Při delších diagonálách a tlakovém namáhání hrozí ztráta jejich stability. Zachování tenkých diagonál umožňuje princip dvojnásobné příhradové konstrukce umožňující vybočení tlačené diagonály bez ztráty tuhosti celé soustavy. 27

Opěrné systémy halových soustav obecně přenášejí: svislé (tlakové) reakce vodorovné (tahové) reakce ohybové momenty dle přenosu vodorovných a ohybových sil - systémy: otevřené (a),(b),(c) spojité (d),(e) uzavřené (f),(g),(h) směr zatížení směr zatížení ohyb kloub ohyb a) vetknutí b) c) vetknutí tlak tah tlak tlak tah U otevřených systémů podepření či ohybový moment zachycena přímo opěrnou konstrukcí (stěnou, sloupem, rámovou stojkou) 28

Spojité systémy podepření je možné navrhnout tehdy, jsou-li na jedné podpoře dvě stejné konstrukce. Vodorovné síly i ohybové momenty sousedních polí se tak vzájemně eliminují. d) ohyb moment - moment = 0 kloub tlak e) zatížení tah tah = 0 tah tlak 29

V uzavřených opěrných systémech je reakce protilehlých částí konstrukce eliminována působením opěrné konstrukce (táhla, rozpěry, příčle, obvodové věnce). Základová konstrukce je výhodně namáhána pouze svislými reakcemi. f) tah tlak g) prstencový věnec táhlo svislá reakce h) tlak věnec tah svislá reakce 30