KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB

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 halových staveb

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

tah

smyk tlak

F1

ohybový moment

r F2

tlaková síla

deformace

vodorovná reakce

@

zavětrování

Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 56

Konstrukční systémy halových staveb 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)


@


@

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

tahová



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


@


@

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

f) přemístěním

třetího kloubu mimo vrchol lze upravit směr podporových reakcí

směr reakce

3. kloub

g) trojkloubový

tlačený nosník



@

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



g) Železobetonový oblouk je v konstrukcích zastřešení často uplatněn jako

závěsy

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 táhlo až 50 m

h) Uložení obloukové

konstrukce na základ:

tlak

opačná reakce tlak tah

svislá reakce Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 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)

b) 1/ 30 L

L = 60 ¸ 90 m

1/ 5¸1/7 L

@

c)

d)



Obloukové soustavy na bázi dřeva

a) 1/45¸1/50 L

1/ 5¸1/6 L

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.

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)


@


@

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.


Konstrukční systémy halových staveb Příklady halových staveb užívajících konstrukci převážně tlačenou: plavecký stadion v Praze–Podolí (železobeton)

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)


@


@

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:

a) valená klenba nad obdélníkovým půdorysem

70 ¸ 600 mm

8 ¸ 50 m

Klenby přenášejí vzpěrný tlak s ohybem průřezem předepnutým vlivem převládajícího svislého zatížení. Má omezené možnosti přenosu bodových zatížení.

vliv vzepětí klenby f na 3 velikost vodorovných sil 2 v uložení H

H/F

1

zatížení

e£t/6

tlaková čára

1/10

N

váha zdiva t

S

F

f/L

1/2

e Q

klenák f

H

1/5

S – vnitřní oblouková tlaková síla N – složka kolmá k ložné spáře Q – složka ve směru ložné spáry

vzepětí H F rozpon L

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. Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 68


@

b) klenba ve tvaru kupole na půdorysem kruhovým či jemu podobným

Æ = 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



@

d) dlouhá válcová skořepina působí staticky jako nosníková konstr. (d´) d´) h=1/50¸1/65 L

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 tahová namáhání.

L = 15 ¸ 120 m



f) příkladem skořepiny se zápornou křivostí střednicové plochy je tvar hy-

perbolického paraboloidu. Skořepiny jsou navrhovány ze železobetonu a kompozitních materiálů, přímkové plochy z tyčových prvků. f 2f

f) L = 9 ¸ 30 m

rotační hyperbolický paraboloid

Šedova střecha, z eliptických konoidů


@


@

… 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



@

Prutové a lomenicové struktury 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)

Æ = 15 ¸ 100 m



@

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)



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)

h = 1/10 ¸ 1/20 h

g)

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


@


@

… 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



KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY PŘEVÁŽNĚ TAŽENÉ Mezi tažené konstrukční systémy náleží konstrukce: visuté (a), pneumatické (b) a zavěšené (c) tah

a)

c) tahová reakce

tlaková reakce

a)

b) tah přetlak

tahová reakce

b)

…. visuté a pneumatické konstrukce jsou charakteristické malou tvarovou stálostí vlivem nízké ohybové tuhosti podpora

konstrukce

c)

tah

závěs

c) ohyb tlaková reakce

a) střecha olympijského stadionu v Athénách – 2004, 25.000 m2 polykarbonátových desek Makrolon Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 77

@


@

Visuté soustavy Mezi tažené konstrukční systémy visuté náleží konstrukce: § vazníkové, § deskové (skořepiny jednoho a dvojího zakřivení) § lanové a § membránové Vazníkové visuté konstrukce tah RÁMOVÁ KONSTRUKCE ¬ S TAŽENOU PŘÍČLÍ tvar deformace ohyb tlaková reakce kloub PŘÍHRADOVÝ NOSNÍK ®

tah

ohyb tlaková reakce kloub

tah

tlaková - tahová reakce

PLNOSTĚNNÝ ¬ NOSNÍK

ohyb tah tlaková reakce

klouby

tah

ohyb

tah

TROJKLOUBOVÝ NOSNÍK PLNOSTĚNNÝ « PŘÍHRADOVÝ

tlaková reakce tah

tlaková - tahová reakce klouby

ohyb

POLYGONOVÝ NOSNÍK tahová

tlaková reakce

tlaková reakce



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 m2, 58 nosných sloupů, tabule 2,75 x 2,75 m tl. 4mm, sklo samočisticí

napojení diagonál

stabilizační lano závěs pokryvu


@


@

Příklady stabilizace visutých lanových konstrukcí S V

paralelní lana

H

q(x) V

S H

a) hmotností střešního pláště …q(x) -

S

b) sepnutím centrální

V

q(x)

H

konstrukcí ®

radiální lana

napínací lano táhlo vzpěra nosné lano

uspořádání konvexní V

q(x)

H

V H

nosné lano táhlo

c) napětím ®

předpínacích lan

napínací lano uspořádání konkávní

vzpěry


nosná lana


Varianty zachycení vodorovné reakce visutého zastřešení : systémy otevřené

tah

ohyb

tlaková – tahová reakce tah

tlaková – tahová reakce

tah

tlaková – tahová reakce Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 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


Konstrukční systémy halových staveb 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.

tažená tlačený lucerna princip výpletu ochoz cyklistického kola

nosná lana napínací lana plavecký stadion v Českých Budějovicích


@


@

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



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 tkaninový stan lanový, vyztužený tkaninový stan síť z předpjaté oceli s tkaninovým překrytím

rozpětí (m) 9 ¸ 18 18 ¸ 60 25 ¸ 100

zakřivení (m) 25 ¸ 35 80 ¸ 100 100 ¸ 300

zoologická zahrada Schönbrunn, Wien, Österreich - Lechner 1994

nákupní centrum Kirchsberg


@


@

nosné hřebenové lano

opěra opěra napínací lana

membránová výztuha

nosný (opěrný) příhradový oblouk Ashford Retail Village, United Kingdom, 2000



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 tah

tah

přetlak tahová reakce

Silver Dome, Pontiac, USA Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 87

@

Konstrukční systémy halových staveb 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 tah nosná žebra přetlak

tahová reakce

@

nosná žebra

tah

nosné žebro

tlaková reakce výstavní pavilon Fudži, světová výstava v Ósace, Japonsko 1970 - J.Murata a Kawaguči: půdorys 50 x 80 metrů ¯



@

soustavy čočkové a polštářové tah

tah

tahová reakce

ohyb

spojitá konstrukce

tlaková reakce

opěrná konstrukce

vzpěrný tlak ohyb kombinace s vazníky tlaková reakce

přetlakový pneumatický rámový stavební systém Spolková republika Německo



@

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 tah

tlaková reakce 60 ¸150 m

centrální nosník



tlačený oblouk táhla zavěšený nosník

tlačený oblouk táhla

zavěšená deska

zastřešení olympijského stadionu v Athénách, Řecko, 2004 - 25.000 m2 polykarbonátových desek Makrolon


@


@

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 tahových 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 Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 92


@

lanové závěsy

tah

tah vzpěra

zavěšená membrána

tahové reakce

tlaková reakce

Millennium Dome, Greenwich, London, United Kingdom, R.Rogers 1999 – rozpětí 365 m



@

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


KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB

Recommend Documents