KONSTRUKČNÍ SYSTÉMY POZEMNÍCH STAVEB STAVEBNÍ SOUSTAVY PODLAŽNÍCH OBJEKTŮ STĚNOVÉ Ústav stavitelství I Fakulta architektury České vysoké učení technické v Praze Ing.Vladimír Jirka, Ph.D.
poslední aktualizace: rok 2011
1
Konstrukční systémy pozemních staveb Definice: Konstrukční systém je celek tvořený navzájem propojenými konstrukčními prvky a subsystémy, které jsou vzhledem k vnějšímu působení okolí (např. zatížení aj.) ve vztahu vzájemné interakce. Stavební konstrukce vytvářejí prvky navzájem spojené do systému, které vymezují a rozdělují prostor stavby a přebírají, rozdělují a přenášejí zatížení. Účinky zatížení se v konstrukčním systému projevují přímo silově nebo způsobují v některých prvcích deformace. Proto se rozeznávají silové účinky zatížení (síly, momenty, napětí) a přetvárné účinky zatížení (statické: průhyb, posun, pootočení; dynamické: kmitání konstrukce). Silové účinky zatížení, venkovní síly, vyvolávají v konstrukčním systému síly vnitřní, které s nimi musí být v rovnováze. někdy se silové účinky zatížení záměrně vyvolávají a zavádějí jako tvůrčí element (např. přetlak vzduchu u pneumatických konstrukcí hal). Silové účinky jsou objektivně dány, vnitřní síly jsou ovlivnitelné návrhem konstrukce. Rovnováhu lze vyvolat různými vnitřními silami znamenající odlišné nároky na spotřebu a kvalitu materiálu nosné konstrukce. Cílem je minimální spotřeba hmot a materiálů, minimální pracnost, což lze ovlivnit správným návrhem (projektem) tak, aby vnitřní síly byly co nejmenší, kvalitativně nejvýhodnější a působily na nejmenších drahách. K efektivnosti konstrukce tedy vede zmenšování sil, nahrazování ohybu a tahu tlakem (u materiálů odloných vůči tlaku – beton, železobeton) nebo ohybu a tlaku tahem (u materiálů odolávajících lépe tahu – ocel). Rovněž detailní úprava konstrukčních prvků (podélný tvar, příčný průřez, osazení apod.) ovlivňují efektivnost konstrukce, která je podkladem pro definování pojmu konstrukční systém. Konstrukční třídění Konstrukční systémy Základní funkce konstrukčního systému: jednopodlažních a vícepodlažních budov: § architektonická funkce § stěnové systémy § statická funkce § sloupové systémy § tepelně technická funkce § kombinované systémy § akustická funkce § konstrukční systémy výškových budov § protipožární funkce § superkonstrukce § další funkce vyplývající z obecných pohalových staveb: žadavků na konstrukce § namáhané převážně ohybem § vývoj konstrukčních systémů ve vztahu § systémy převážně tlačené na architektonické slohy § systémy převážně tažené Dílčí prvky nosného konstrukčního systému: § stěny § nesoucí svislá (gravitační) zatížení § ztužující (čelí vodorovným zatížením: větru, tlaku zeminy, spodní vody) § rámy s tuhými či kloubovými styčníky § rámové stojky (sloupy, pilíře) § rámové příčle (průvlaky) § sloupy, pilíře (mimo rámy) § horizontální nosné prvky § tyčové (nosníky: trámky, žebra, vazníky, překlady, ztužidla) § plošné (desky, rošty, prutové struktury, tvarované skořepiny, lomenice) § prostorové ztužující prvky (stěnová jádra) § obloukové konstrukce (tlačené) § tyčové (plnostěnné, vylehčené, příhradové) § plošné (klenby, prutové struktury, skořepiny a lomenice) § pnuté konstrukce (tažené) § lanové (visuté, napínací, závěsné, síťové) § membránové (pnuté lany, pnuté přetlakem vzduchu) 2
Členění konstrukčních systémů podle typu vertikálních podpor: § stěnový § sloupový (kostrový, skelet) § s viditelnými průvlaky § se skrytými průvlaky § kombinovaný § z prostorových stavebních prefa-jednotek
Členění konstrukčních systémů podle orientace vertikálních podpor (stěn či rámů): § ortogonální (pravoúhlý) § podélný § příčný § kombinovaný § neortogonální (troj či víceúhelný)
Členění konstrukčních systémů podle druhu stavebních materiálů: § kámen § dřevo § keramické zdící prvky § cihelné § tvárnice § železobeton § ocel, kovy § kombinace předchozích
Členění konstrukčních systémů podle tech nologie provádění: § monolitická (lití do formy – železobeton) § montovaná (z prefabrikátů) § zdění § montáž prefabrikátů: § železobetonových § ocelových § dřevěných § jiných § kombinovaná (monolit x montáž)
Rozhodnutí o volbě konstrukčního systému je dobré vycházet ze znalosti následujících předpokladů: § prostorové řešení objektu – tvar půdorysu, výškové členění, podlažnost, konstruční výšku, předsazená i ustupující podlaží, dilatační celky apod. § rozvržení vztažných rozměrů celého systému v příčném i podélném směru (ortogonální prvky) nebo další parametry u systémů neortogonálních § rozpony (vzdálenosti podpor) horizontálních prvků jako desek, nosníků, prvků střechy, což úzce souvisí s bodem předchozím § konstrukční výšky v jednotlivých podlažích: podzemních, parteru, typických, posledním § optimalizace konstrukčního, materiálového i technologického řešení, případně jeho kombinace s ohledem na ekonomickou, bezpečnostní, ekologickou a další stránku záměru To vše obvykle probíhá za součinnosti specialistů na jednotlivé části stavby: architekta, stavebního inženýra, statika, tvůrce systému požární bezpečnosti, profesí TZB, organizace výstavby apod. §
§ § § § §
Zatížení konstrukčního systému vlastní tíhou konstrukce = vlastní hmotnost dílčích částí a prvků použité konstrukce. Správná volba ovlivňuje dimenze budoucích nosných prvků, spotřebu materiálu, práce a tím i výslednou cenu stavby. Vyšší hmotnost má kladný vliv na stabilitu vícepodlažních objektů, vyšší hmotnost dělících stěn podporuje jejich vzduchovou neprůzvučnost. zatížení užitná: obsazení osobami, vybavení nábytkem a provozním zařízením zatížení větrem: tlak i sání větru zatížení sněhem (→) či vodou: na střešní konstrukci i spodní stavbu zatížení v důsledku objemových změn materiálů při změnách teplot zatížení seismická (→), tlakem okolní zeminy
§ zatížení ostatními vlivy jako například: vlhkostí, radiací, hlukem, požárem, dynamickými účinky provozu, výbuchem, vlivy působícími mechanické opotřebení stavby, chemickými a biologickými vlivy na prvky systému. 3
Rozdělení podlažních konstrukčních systémů stěnových: stěnové: ortogonální a neortogonální užití pro deskové nebo centrální „bodové“ objekty § podélný systém (stavby občanské, výrobní, variabilnější dispozice, 2, 3 a více trakty, méně podlažní) § příčný systém (stavby bytové (zvuková izolace), pravi delné či prostřídané rozpony cca 5 m, 25-podlažní) § obousměrný systém (stavby bytové, vícepodlažní až výškové, rozpony jako u příčného systému) délka objektu
stavební soustava T15, obytný dům ve Vršovicích
rozpon traktu
podélný
ztužující stěna
Podélný systém Je tradičním konstrukčním uspořádáním vícepodlažních budov masívního typu (označován jako gravitační) s průčelními (fasádními) stěnami a s jednou až dvěma stěnami vnitřními. Původně se jednalo o soustavu samostatných nosných stěn vetknutých do podloží. Příčně orientované účinky větru zachycovala pouze návětrná stěna, která byla ohýbána samostatně, nezávisle na ostatních, neboť dřevěné stroipy s volně uloženými trámy žádné spolupůsobení nezajišťovaly. Takové řešení bylo staticky málo vyhovující v důsledku značných tahových napětí ve zdivu. (Stavební řád pro Prahu (1886) předepisoval min. tl. stěny 450 mm v nejvyšším podlaží a zesílení o 150 mm v každém druhém nižším podlaží) Tehdy tuhosti budovy přispívaly i příčky. Až v době, kdy se jako stropní konstrukce začínají používat materiály vytvářející tuhé vodorovné tabule (monolitický i prefabrikovaný železobeton, keramobeton) se do systému zapojují všechny nosné stěny. Stropní prvky kloubově (neposuvně) uložené do stěn působí jako rozpěry zajišťující rovnoměrnost horizontálních průhybů všech stěn. Současně s využívají poznatky o spolupůsobení příčně orientovaných stěn, případně i příček. Vzniká tak jakýsi nosník profilu H, ve kterém podélné stěny tvoří mohuté příruby velmi účinně přenášející dvojice sil.
4
Příčný systém Většina stěnových konstrukčních systémů ortogonálního uspořádání je orientována ve směru příčném k hlavní podélné ose budovy. Část těchto sestav je umístěna do oblasti kolem této podélné osy budovy, aby zajišťovala přenos vodorovného zatížení v podélném směru. Dochází zde ke spolupůsobení vnitřních podélných stěn a ztužujících sestav s příčnými stěnami. Podélná stěna ztrácí původní smysl zavětrovací stěny. Hlavní její funkcí je vázání relativně účinných stěn a sestav příčných do prostorové sestavy tvaru písmena H. Výhodou příčného systému je skutečnost, že stěny tvořené únosnými konstrukčními materiály vykazují vzhledem ke své vysoké plošné hmotnosti dobré zvukoizolační schopnosti a tedy zabezpečují potřebnou míru vzduchové neprůzvučnosti. Nehořlavost či vysoká požární odolnost materiálů používaných pro stěny (beton, železobeton, pálená keramika) zabezpečují účinné požární oddělení vymezených prostor budovy. Nároky na rozsah uplatnění příček (nenosných dělících konstrukcí) jsou výrazně snížené. Má-li být konstrukční systém současně ekonomický, je zapotřebí navrhnout vzdálenost nosných prvků (stěn), tedy rozpon vodorovných nosných prvků, dle požadavků provozu budovy ale s ohledem na účinné využití navržených materiálů a konstrukcí. Odpor vůči gravitačnímu zatížení je do značné míry závislý na míře odporu vůči vzpěru, což vyvolává potřebu vhodné volby poměru mezi tloušťkou stěn, výškou podlaží a vzdáleností propojení kolmých stěn. Nosné stěnové prvky a stropy se účinně propojují což umožňuje jejich kooperaci při přenosu svislých i vodorovných zatížení. Tím se namáhání jednotlivých prvků vyrovnává a zvyšuje celková odolnost.
Profil vertikálních prvků by měl mít vysoký moment setrvačnosti ve směru působení vodorovných zatížení.
délka objektu
šířka objektu
příčný
rozpon traktu podélná stěna
5
Obousměrný ortogonální systém Jedná se o systém ve kterém četnost nosných prvků orientovaných v jednom směru výrazně nepřevyšuje četnost nosných stěnových prvků orientovaných ve směru kolmém. Původně příčný systém může malou úpravou přejít do obousměrného a naopak. Obousměrný systém stěnový vytváří buňkové (krabicové) prostory. Význam spřažení mezi svislými prvky je kladný při účinku vodorvného zatížení (větru), nejasný u zatížení gravitačního (svislého) a jasně negativní při účinku objemových změn.
obousměrný
rozpon traktu
délka traktu
Velmi malá odolnost stěn vůči ohybovým momentům působícím kolmo na jejich střednice vyžaduje aby konstrukční stěnový systém budovy byl tvořen soustavou vzájemně kolmých stěn. Nutno respektovat vnitřní členění. Rozmístění a vzájemné propojení stěn orientovaných příčně i podélně zajišťuje potřebnou míru odporu budovy jak vůči gravitačnímu (svislému) zatížení tak i vůči vodorovnému namáhání větrem či vlnou Tsunami.
neortogonální: troj a víceúhelníkové až kruhové a hvězdicové → ↓ Pentagon (USA) letohrádek Hvěza (Praha)
hrad Zvíkov (ČR)
6
Stěnové konstrukční systémy v materiálových a technologickýc variantách Materiály: kámen, pálená keramika, beton, železobeton, dřevo, stavební ocel Technologie: § montáž: přenesení prvku ze skládky nebo přepravního prostředku na předurčené místo ve stavbě, stabilizace, spojení se sousedními prvky (pojivem (maltou), mechanicky (na sucho), lepením, sbíjením (hřeby, stykovací prvky), šroubováním, nýtováním, svařováním, tesařsky), celkové spojení ve funkční celek (desku, nosník, rám apod.) § lití do formy (bednění) – monolitická výroba armovaného (ocelí vyztuženého) betonu Stěnové konstrukční systémy zděné
zdivo kamenné mívalo obvykle dřevěný trámový strop ↑↓
zdivo z cihel nebo tvárnic ↑ technologie zdění ↓
cihla
tvárnice
stropní či střešní konstrukce ↑↓ montované železobetonové panely ↓, dřevěné vazníky ↑,
7
keramobetonové nosníky s vložkami ↓
Stěnové konstrukční systémy montované ze železobetonových prefabrikátů Čtyřicetiletá historie typizované panelové výstavby. Ve druhé polovině dvacétého století, v éře socialismu, se začala prosazovat tuhá industrializace (zprůmyslnění) ve výstavbě. To vedlo ke vzniku stěnových systémů montovaných ze železobetonových stěnových i stropních prefabrikátů – panelů.
Od roku 1953 započala systémová výstavba, kdy jednotlivé soustavy dostávaly svá označení. První pětipodlažní dům nesl označení G40. V domě se nacházelo 40 bytů. Dům z panelů byl pouze čtyřpodlažní a páté suterénní (ztužující) bylo provedeno jako monolitické. U dalších panelových domů G 55 a G 57 byla tepelná izolace ze silikorku nahrazena pazderobetonem. Široké uplatnění zaznamenal zejména typ G57, stavěný od roku 1956. Ve více provozovnách byla zavedena rozšířená sériová výroba panelů. V Praze vznikla velká sídliště ve Strašnicích, Petřinách nebo na Červeném Vrchu. Tepelně technické vlastnosti obvodových plášťů z pazderobetonu byly nedostatečné. U domů G57 byl v následujících letech, vlivem velkých tepelných ztrát, zaznamenán vznik plísní a značné náklady na vytápění. Závady vykazovaly také spáry mezi obvodovými panely, neboť dnes běžné trvale pružné těsnicí materiály nebyly k dispozici. Docházelo k zatékání a tvorbě poruch. Domy byly v následujících letech různě sanovány. Mezníkem ve vývoji panelových stěnových systémů je rok 1962, kdy se zvolna ukončuje výstavba domů řady G. Systémy se zaměřily nosné stěnové konstrukce v příčném uspořádání. V modulových odstupech jsou provedeny příčné nosné stěny z betonových panelů, na které jsou kolmo kladeny stropní panely. Prvním zástupcem této konstrukce je dům typu T 06 B. Stropní panely měly délku 3,6 m a tloušťku 120 mm. Další dům, který byl experimentálně vyzkoušen v Praze 10 na Invalidovně, je typ T 08 B. U tohoto reprezentanta již byla osová vzdálenost příčných nosných stěn 6 m a dutinové panely mají délku 5,90 m. Vzhledem k rozponu narostla i tloušťka panelů na 200 mm a poprvé se ve výrobě panelů použilo technologie předpínaného betonu. Tím byl řešen nárůst deformací panelů v důsledku velkých rozponů.
Předpětí se vnášelo odporovým elektroohřevem a napnutím ukotvené výztuže. Kotvy se po vytvrdnutí betonu stropního panelu odstranily a předpětí přešlo do vyrobeného dílce. Tento velkorozponový systém byl v Praze upraven do systému VVÚ-ETA, který začal být uplatňován od roku 1970. Umožnil vyšší variabilitu vnitřního řešení a různorodost provedených bytů. 8
Stěnové konstrukční systémy železobetonové, monolitické Betonová směs se lije do připravených forem ze systémových bednění, do kterých je vložena svázaná výztuž. Bednění je defacto stavebnice překližkových desek, výztužných ocelových nosníků a opěr. Rychloupínací spoje zefektivňují práci, umožňují opakované použití i rychlé odbednění stavebních dílů, které dosáhly požadované pevnosti. Betonová směs se dopravuje prostřednictvím zásobníků nebo vháněna čerpadly z automixu.
9
Stěnové konstrukční systémy dřevěné roubené, srubové
roubení je sestava vodorovně vrstvených trámů, vázaných v nároží tesařskými spoji. K roubení se používalo rovné jehličnaté dřevo, přičemž u obytných staveb se preferovala jedle. Disproporce silnějších a slabších konců kmenů se vyrovnávala jejich střídavým kladením. Různě zpracovány s určitými vývojovými tendencemi byly i profily stěnových trámů. Nejstarší jsou nehraněné kuláče. Ty se někdy u obytných staveb zčásti přitesávaly zvenčí tak, aby se odstranily více vyčnívající části, a stěna se pokryla izolační vrstvou hliněné mazaniny.
Pozdější typy roubení užívají trámy opracované v daleko větším rozsahu a již po celé délce ze dvou a později všech čtyřech stran, tj. do podoby zcela hraněných trámů nebo širokých a vysokých desek. Děje se tak na rámové pile a později na pilách se strojním pohonem, což znamená stále rovnější a hladší povrch ploch v místě řezu. 10
Stěnové konstrukční systémy dřevěné hrázděné či kostrové
OKNO
NOSNÝ SLOUPEK 120/140
DVEŘE
nx 800 ÷1000 PRÁH
DIAGONÁLY >30°
PODEZDÍVKA STROPNÍ FOŠNY
OKNO
DVEŘE
nx 400÷500 SBÍJENÁ FOŠNOVÁ KOSTRA
konstrukční výška
PAŽDÍK
VLOŽENÝ SLOUPEK
LEŽINA
± 600
TESAŘSKY VÁZANÁ KOSTRA
STROPNÍ TRÁMKY
800÷900
PODEZDÍVKA 11
