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 Účel a funkce halového objektu Účelové využívání Součásti halového objektu Nosná konstrukce

4 4 5 6 7

Konstrukční systém halového objektu Vývoj v uplatňování materiálů Vývoj konstrukcí v jednotlivých historických epochách

8 9

Principy konstrukčního a statického chování halových objektů Porovnání základních systémů Konstrukce ohýbaná Konstrukce tlačená a tažená Materiálové a technologické varianty řešení Stupňovitost statického řešení systému Orientace a vzájemné uspořádání nosných prvků Tvar podpor a orientace nosných prvků vůči nim Prostorová tuhost halového objektu Opěrné systémy halových soustav

14 16 18 19 21 22 24 26 28

Konstrukce ohýbané Deskové soustavy Příhradové a strukturální deskové soustavy Vazníkové soustavy Betonové vazníky Ocelové vazníky Dřevěné vazníky Rámové soustavy Betonové rámy Ocelové rámy Dřevěné rámy

31 34 35 37 38 41 44 47 50 53

Konstrukce převážně tlačené

56

Opěrné systémy tlačených soustav Obloukové soustavy Betonové oblouky Ocelové oblouky Dřevěné oblouky Tlačené konstrukce plošné – klenby a skořepiny Prutové a lomenicové struktury Konstrukce převážně tažené Visuté soustavy Vazníkové Lanové Stabilizace visutých lanových konstrukcí Membránové Soustavy nesené přetlakem vzduchu – pneumatické Nízkotlaké Vysokotlaké Zavěšené soustavy Literatura

58 60 62 64 65 68 73 77 78 79 80 85 87 88 90 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

@

KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB - ČLENĚNÍ 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

Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 1


@

a

Konstrukční systémy převážně tlačené

b

§ 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)

c

d

f g

e



@

Konstrukční systémy převážně tažené

§ soustavy visuté § vazníky (a) § konstrukce lanové (b) § membránové (c) § soustavy pneumatické § nízkotlaké (d) § vysokotlaké (e) § soustavy zavěšené (f)

a

c

b

d

e

f Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 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 (m3) ku zastavěné ploše (m2) je celkově příznivější).



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 …


@


@

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

4

1

2 5

OBALOVÁ FUNKCE Zabezpečuje požadovaný stav vnitřního prostředí. Sestává ze: 1. střešního pláště 2. obvodového pláště a 3. hydroizolačního sytému spodní stavby

6

1 4

3

2 6

1

2 3 Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 6

5


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.

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 . L4.E-1.J -1 rozpon

L

prostý nosník podpora

tuhý rám průběh momentu M = 1/8 q . L2

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

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. Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 8


@

dolmen u Vallgorguiny (Barcelona) z doby bronzové ® 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

±2m

± 500 mm římsa

vlys (reliéf) architráv hlavice

¬ torzo: Erechtheion, Akropole, Athény, Řecko - Filoklés 5.stol. př.n.l.



@

sloupořadí v Palmýře, Sýrie, přelom století

kapitulní síň kláštera ve Veruele, Zaragoza, Španělsko

±4m sakrální stavby staro- i středověku klenutý oblouk, křížová klenba - kámen, cihla

fiála opěrné oblouky

hlavní loď

± 12 m

opěrný pilíř (opěrák) boční loď

±9m

katedrála v Remeši, stavěna od r.1211 – interiér, půdorys a letecký pohled opěrný systém katedrály Notre-Dame v Paříži,Francie


Konstrukční systémy halových staveb … nejdokonalejší antická kopule tvořená pomocí zmenšujících se kazet ®

@

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

plášť vnitřní 48 m

vnější plášť

atika

tambur



@

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



@

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) ¯



@

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

vetknutí střecha olympijského stadionu v Athénách Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 14


Porovnání ohýbaných, tlačených a tažených konstrukcí

TLAČENÉ A TAŽENÉ Millennium Dome, London, Greenwich 1999

OHÝBANÉ

OHÝBANÉ versus výrobně jednoduchý tvar opěrná konstrukce (stěny, sloupy) není namáhána vodorovnou silou

TLAČENÉ A TAŽENÉ větší únosnost F větší rozpětí architektonicky zajímavý tvar

vnitřní prostor lépe využitelný TLAČENÉ versus tvarová stálost konstrukce vnitřní prostor lépe využitelný opěrná konstrukce je namáhána tlakovými silami směřujícími k základové spáře tvar vhodný pro odvodnění střechy

TAŽENÉ kce bez ohybové tuhosti, není namáhána momenty tažený průřez není namáhán vzpěrným tlakem

TLAČENÉ

střecha olympijského stadionu v Mnichově, 1972

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

zatížení posuvné uložení

pevné uložení moment M

reakce B rozpon L F – normálové napětí

tlačená část

r tažená část

F

M=r.F

betonový přímý nosník I profilu s plnou stojinou

střednice vzepjatá

střednice přímá

ocelový přímý nosník příhradový

Princip popsaného chování zůstává zachován bez ohledu na tvar střednice ohýbaného nosníku (vzepjaté, prověšené apod.).

r

střednice prověšená

r

dřevěný vzepjatý nosník plný

dřevěný vzepjatý nosník příhradový Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 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.

horní příruba dolní

výztuž

plná

stojina příhradová

tlačená zóna

tažená zóna


@

Konstrukční systémy halových staveb Zamezíme-li vodorovnému posunu konstrukce, vznikne v podpoře vodorovná tahová nebo tlaková rozpěrová síla H2. Její velikost je závislá na nadvýšení či průvěsu f konstrukce. Ohybový moment M je přenášen dvojicí sil – osovou H1 a vodorovnou reakcí H2. Ramenem f těchto sil je vzepětí či průvěs konstrukce.

KONSTRUKCE TLAČENÁ – tlačený oblouk M = H.f H1 Tvar střednice by měl odpovídat tvaru výslednicové čáry vnějšího zatížení. Odchyluje-li se – část zatížení přenáší účinek ohybové tuhosti průřezu.

H2

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

H2 H1

plachtová střecha ze skleněné tkaniny uvnitř oblouku La Défensa v Paříži

@


f


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

zdivo

lano ocelové


@


@

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. Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 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) 1 v.p. malé rozpony

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 zvětšení rozponu oproti 1 1-stupňové konstrukci, střední 2 která by na toto rozpětí rozpony byla příliš hmotná. v.p. 2

a3) třístupňová kon3 strukce – přibírá další ty1 čový nosník (3) (ohýbaný, v.p. tlačený či tažený) což dá2 2 3 le umožňuje zvětšovat v.p. vzdálenosti vertikálních 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.


@


@

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 a x i á l n í (b) ¯


Konstrukční systémy halových staveb 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 Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 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)



@

d)

e)

f)



@

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


Konstrukční systémy halových staveb 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. Fakulta architektury, ústav stavitelství I, ing.Vladimír Jirka, Ph.D. 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

ohyb kloub

a)

vetknutí tlak

b) tah

c) tlak

tlak

U otevřených systémů podepření - či ohybový moment zachycena přímo opěrnou konstrukcí (stěnou, sloupem, rámovou stojkou)


vetknutí tah

Konstrukční systémy halových staveb 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) moment - moment = 0 kloub ohyb

tlak tah – tah = 0

e)

tah

zatížení

tlak


@


@

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

prstencový věnec

g)

táhlo

svislá reakce

věnec

h)

tlak

tah

svislá reakce


KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY HALOVÝCH STAVEB

Recommend Documents