STATICKÝ VÝPOČET KONSTRUKČNÍCH PRVKŮ NETRADIČNÍHO POLYFUNKČNÍHO DOMU

Žilinská univerzita v Žiline Stavebná fakulta

Študentská vedecká odborná činnosť Akademický rok 2006-2007

STATICKÝ VÝPOČET KONSTRUKČNÍCH PRVKŮ NETRADIČNÍHO POLYFUNKČNÍHO DOMU

Meno a priezvisko študenta : Ročník a odbor štúdia : Vedúci práce : Žilina :

Zbyněk Jarkuliš Ing. Pavla Matečková 24.05.2007

Studentská vědecká odborná činnost 2007 VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební Ludvíka Podéště 1875, 708 33 Ostrava-Poruba http://fast.vsb.cz

STATICKÝ VÝPOČET KONSTRUKČNÍCH PRVKŮ NETRADIČNÍHO POLYFUNKČNÍHO DOMU Řešitel: Odborný konzultant:

Zbyněk Jarkuliš VŠB – TU Ostrava, Fakulta stavební Ing. Pavla Matečková VŠB – TU Ostrava, Fakulta stavební

Anotace Navržený objekt je dům polyfunkčního typu s různorodými okolními vztahy. Naše pozornost se zaměřuje na návrh betonové konstrukce spodní části objektu, kterou tvoří příčné rámy spojené v podélném směru ztužidly. Zajímavá je komplikovanost provozu objektu a návrhové hodnoty vnitřních sil z výsledného zatížení. Objekt je situován do svahu s celkovým převýšením cca 10m mezi dvě městské komunikace. Na horní části svahu jsou umístěny zastávky městské hromadné dopravy odkud vede pěší zóna přes myšlený dům. Objekt je komunikací pro pěší komplikovaně rozdělen v podélném a horizontálním směru. Spodní část domu obsahuje dvě patra služeb tvořené železobetonovou konstrukcí zakončené plochou pochůzí střechou. Jeho horní zmenšená část určená pro bydlení je tvořena dřevostavbou vynesená vyčnívajícími betonovými sloupy. Takto je vizuálně objekt rozdělen horizontální rovinou komunikační zóny a odděluje dva odlišné materiály. Situaci znázorňuje prostorový model tvořen počítačovou grafikou z pohledu vlastních očí, aby byl prožitek co nejasnější a zároveň je to způsob, jak lze použít ve stavebnictví technologii počítačových her k předvedení své myšlenky v reálné čase.

Annotation Designed building is a polyfunction house whith defference envinronment relations. Our publicity is going to design concrete-steel structure of lower part of this buiding. It is creating of transverse frames. Intresting is its complicated form and usage for design load and statical analysis. The objekt is standing in base of slope whith drop 10 m. At top line of slope are standing bus stops and way is continues cross the our thinking house. The objekt is spliting to complicated segments in horizontal and longitudinal direction. We have got a three segments of this buiding. Lower part is using for services of two floors, whitch are creation of concrete-steel construction and up is using upside-down roof. Upper part is smaller and it is specified for living and it is created of wood material. There is a difference of this buiding All is in vizualization process for bester enyojment and imagination of the beholder. There is a way, how we can, in civil engineering, use the graphics technologies of computers games for visualizations in real time.

-2-


1 Návrh a myšlenka řešení Zvolené řešení se zaměřuje na objekt polyfunkčního typu využívající své spodní prostory k službám a horní pro bydlení. Je zde použita základní filozofie polyfunkčního domu, který je zasazen do fiktivního prostředí členitého terénu, navíc horizontálně i příčně rozdělen komunikacemi pro pěší. Navržené řešení se snaží využít každý plošný metr objektu a tím vyniká jeho funkčnost. Účelem práce nebylo vyřešit nastolený problém, konkrétního zadavatele předcházející i možné realizaci, nýbrž vytvořit zajímavý objekt , který zaujme svou členitostí a rozmanitostí a nevázat se na striktní hranice zadání.

2 Vytvořená situace Objekt je vsazen mezi dvě komunikace kopírující vrstevnicový obraz okolního terénu a leží ve svahu o celkovém výškovém převýšení 9,975m, tedy asi 10m. Uvažovaná úroveň čisté podlahy +-0,000 je vztažena k nadmořské výšce 288,100 m.n.m. Vysoký sklon terénu je pouze v oblasti usazení objektu. V patě i koruně svahu vedou komunikace různého stupně provozu a sklon terénu od obou míst dále pokračuje jako mírně svažitý. Nahoře na svahu jsou situovány autobusové zastávky městské hromadné dopravy, ulice Na vrchu, odkud vede komunikace pro pěší na severovýchod do obytné rochzóny sídlišť a opačně, jihozápadně klesá až k patě svahu na úroveň ulice Topolová a pází myšleným objektem.

Obr. 1. Západní – hlavní pohled na objekt

-3-


Objekt je tedy komunikací vertikálně rozdělen na dvě části zhruba ve třetině jeho hmoty. Tato komunikace tvořená terénními schodišti ve své podstatě jen kopíruje sklon svahu a pro osoby s omezenými schopnostmi pohybu a orientace, matky s kočárky je zvlášť vytvořená komunikace bez skokových výškových rozdílů. Ta vede v půdoryse podél schodišťové komunikace v jedné úrovni a lávkou se dostává na úroveň střechy objektu v jižní části s kótou 8,400m (počítáno od čisté podlahy). Toto je samostatně stojící objekt obsahující pouze jednu službu a to restauraci zasahující přes dvě podlaží. Zastavěná plocha objektu činí 160 m2 se střechou sloužící jako malé náměstí, vybaveno lavičkami a informačními cedulemi. V návaznosti na připojení lávky pro vozíčkáře a kočárky je umístěn venkovní hydraulický výtah umožňující dopravu na úroveň pěší zóny mezi oběma objekty v úrovni čisté podlahy.

Obr. 2. Pohled z východní strany, z vrcholu svahu na komunikaci pro pěší Aby bylo znemožněno kolemjdoucím jen bezsmyslně projít a opustit tento prostor jsou do komunikace umístěny vchody do obou částí objektu a zpřístupňují se tak jeho obchodní prostory, snažící se zákazníka jakkoli vizuálně přilákat. Od prostoru

objektu

hydraulického

výtahu

pokračuje

rampová

část

průběžné

s komunikací, jejichž výšková hladina je stejná v místě napojení na vnitřní prostory objektu. Dále pokračují stejným směrem vedle sebe každá podle svého způsobu změny výšky po délce.

-4-


Obr. 3. Pohled ze západní strany, z paty svahu na komunikaci pro pěší (vlevo) a pohled na střešní úroveň ploché pochůzí střechy menší části objektu (vpravo)

Úroveň střešní konstrukce, kam vede jedna z komunikací, není určena pouze pro dopravu pěších pojízdných dopravních prostředků, ale je to jakási druhá cesta jak se pohybovat po celém objektu a následně se dostat do severní části situace, kudy je možné ji také opustit. Střecha je po celé ploše objektu bez výškových skoků a je spojená lávkami s hlavní části domu. Ta je zde však jakýmsi otevřeným mezipatrem, které už není spojeno ve vnitřním prostoru se spodní částí stavby, nýbrž je zde zcela samostatně. Naopak, je odtud umožněn samostatný přístup do horních pater určené pro bydlení.

Obr. 4. Pohled na prostor mezipatra ze střešní komunikace

-5-


Ze střešní roviny je však v severozápadní části umístěno venkovní schodiště které spojuje obě spodní podlaží stavby obsahující obchody. Takto je možné se na druhé straně objektu dostat do jeho vnitřních prostor, opustit jej, nebo naopak tudy přijít. Vložené mezipatro obsahuje trojici obchodních ploch s vlastním zázemím a samostatným vstupem pro zaměstnance a zvlášť odděleným vstupem se schodišťovou částí pro horní podlaží. Konstrukce na rozhraní vnitřního a vnějšího prostředí tvoří prosklené lehké konstrukce hojně využívané pro zimní zahrady. Jejich funkce je pouze tepelně odizolovat vnitřní prostory a nebránit ve výhledu, či přísunu denního světla. Pro vozíčkáře je tato část však slepou uličkou a je jim umožněn pouze přístup do prostoru prodejních ploch. Ze střechy je tedy možný odchod pouze výtahem nebo zpět na horní úroveň svahu k zastávkám.

Obr. 5. Severozápadní část objektu s přístupovým venkovním schodištěm spojující nadzemní podlaží a střešní rovinu. Středová část domu, v místě s vloženým mezipatrem pak vystupuje výše a jeho nosná konstrukce nese další dvě podlaží tvořené montovanou dřevostavbou, ve které jsou umístěny celkově 4 byty kategorie 3+1. Přístup k bytům je umožněn z již zmíněné úrovně střešní konstrukce resp. 3.NP v blízkosti střešních lávek.

-6-


Spodní část domu

(1.NP a 2.NP) je tvořena masivnější konstrukcí ze

železobetonu a utváří tak svou hmotou pevný podklad. Její zastavěná plocha činí 520 m2, část vestavěného střešního patra 202,2 m2 a zastavěná plocha pro byty činí 280 m2 .V celkovém měřítku objekt nabízí 13 prodejních místností s patřičnými zázemími. Přidružený objekt s vlastní zastavěnou plochou 160 m2 je vymezený pouze jednou službou s vlastními hygienickými prostory. Aby nedocházelo ke střetům s rozdílnými materiály, jsou všechny železobetonové prvky zasahující nad úroveň ploché střešní konstrukce obložený jednak zateplující vrstvou a na vnější straně dřevěným obkladem. Zábradlí, lávky a venkovní schodiště na severozápadní straně jsou tvořeny ocelovými materiály. Tyto konstrukce na úrovni střechy jsou zcela přiznaná a nijak nezakrytá. Schodiště jako masivnější konstrukce a konstrukce venkovního výtahu jsou však ukryty svislým dřevěným laťováním, bez uzavírajících vrstev. Tento lehký plášť je jen vizuálně odděluje od vnějšího prostoru a ukrývá je. Stavebně se jedná v případě spodní části objektu a přístavby o otevřený prostor s nosnou konstrukcí z montovaného železobetonového skeletu v kombinaci s tradiční zděnou technologií POROTHERM. Skelet tvoří jednotlivé příčné vazby – rámové konstrukce – s nosnými sloupy čtvercových průřezů 400x400mm. Ty jsou dále přerušované a nesou průvlaky s konzolovou spodní částí pro uložení vodorovných prvků stropů. Ta je po obou stranách prvku v případě, že jsou prvky umístěný v dispozici objektu, či jednostrannou konzolou v pozicích po stranách budovy.

Obr. 6. Nosná železobetonová konstrukce spodní části objektu

-7-


Nosná konstrukce je vytvořena v modulové řadě po 7,0 m v obou směrech půdorysu a je založena na monolitických patkách s prefabrikovanými kalichy. Dle statické výpočtu vychází maximální složka normálové síly na vnitřním sloupu asi 3400 kN, což nás nutí vytvořit dostatečně velkou plochu základové patky pro vnitřní sloupy, aby kontaktní napětí nepřesáhlo mez únosnosti zeminy. V tomto případě uvažujeme skupinu ulehlých nesoudržných zemin zastoupené ve zdejší lokalitě, ve které je objekt osazen. V tomto případě hodnota kontaktního napětí pod železobetonovou patkou s celkovou plochou 6,25 m2 vychází do 0,6 MPa. Ostatní základové patky, pod severní částí a po obvodu jsou zatížené mnohem menším zatížením a nejsou tedy kladeny velké nároky na jejich rozměry.

Obr. 7. Pohled na jednotlivé části konstrukce

V půdoryse hlavní a řešené části je objekt založen na celkově 18 patkách vynášející nosný sloup čtvercového průřezu. Patky jsou založeny do předem vyhloubených jam, kde je ve spodní části vytvořen zhutněný násyp říčního štěrku frakce 8-32 o mocnosti polštáře 300 mm, právě z důvodů velké koncentrace napětí. Na tuto únosnější vrstvu je pak uložena armatura a monoliticky vytvořena betonová patka. Protože obvodové zdivo je v tomto případě pouze výplňové, spočívá na základových překladech ve předem vyhloubených rýhách. Překlady jsou také armované a monolitické, uložené na patkách jako prosté nosníky a patřičně ukotvené výztuží. Ustavení prefabrikovaných nosných sloupů skeletu zajišťují prefabrikované

-8-


kalichy, uložené na každé z patek, rovněž ukotvené výztuží, ve kterých je vyrovnán nosný prefabrikovaný sloup skeletu betonem C40/45 o tloušťce spáry 50 mm. Vodorovné konstrukce tvoří železobetonové předem předpjaté stropní panely SPIROLL výšky 250mm uložené na spodních částech průvlaků konzolového zakončení. V podélném směru, v místě obvodové výplňové konstrukce jsou stejně uloženy ŽB ztužidla. Horní část objektu je tvořena klasickou technologií dřevostaveb v kombinaci s nosnou částí z fošen 140x40 vyplněných minerální plstí a uzavřené OSB deskami a sádrokartonem na vnitřní straně a polystyrenem a omítkou na vnější straně. Obdobným způsobem jsou tvořeny stropní konstrukce a střešní konstrukce. Krytina na střeše je navržena keramická, tašky BRAMAC barvy cihlově červená. Objekt je zateplen na vnější straně kontaktním zateplovacím systémem z polystyrenu a v místech v kontaktu podzemní vlhkostí a střešní konstrukce extrudovaným polystyrenem, v případě dřevostavby minerální plstí. Zatepleny musí být i nosné sloupy vycházející nad střešní úroveň a atiky po jejím obvodu, aby nedocházelo k nežádoucímu ochlazování konstrukcí na styku s vnitřním prostředím, kde by bylo zvýšené riziko možné kondenzace vodních par.

3 Statický výpočet Pro výpočet je uvažována jedna příčná vazba vyjmuta ze středu objektu, kde se předpokládají, nehorší účinky vnějšího zatížení. Modulová řada vertikálních nosných prvků je po 7 metrech v obou směrech půdorysu, a proto spočívá na 1 metru běžném příčné vazby zatížení ze 7 metrového pásma z kolmého směru, tedy 3,5m zleva a 3,5m zprava. Vodorovné prvky – průvlaky jsou ve vnitřním poli rámové konstrukce rozdělené klouby a dva krajní průvlaky nesoucí na svých vyložených koncích vložený menší průvlak. Úsporně se tak snižují špičky záporných ohybových momentů krajních průvlaků.

-9-


Rám sestává ze 4 pater a o třech polích. Vertikálně je tato konstrukce symetrická, v horizontálním směru je pak výška jednotlivých podlaží dána jednotlivým typem prostředí objektu. Protože podlaha přízemí (1.NP) spočívá na terénu nijak nezatěžuje skeletovou konstrukci. Započítány jsou však obvodové výplňové zdi jejichž zatížení je do základu přenášeno monolitickými základovými překlady. Horní dvě patra rámu představují zjednodušeně dřevěnou nástavbu. Hlavním záměrem práce, bylo pojmout problematiku spodní betonové konstrukce a proto bylo důležité jednoduchou rámovou konstrukcí napodobit, jak asi ve skutečnosti zatíží myšlená dřevostavba spodní část betonového skeletu. Jde pouze o přiměřený přenos zatížení na úroveň druhého patra rámové konstrukce. Poslední rámová příčel představující poslední podlaží dřevostavby a zahrnuje i myšlenou střešní konstrukci, která se předpokládá šikmá se sklonem pod 30 stupňů.

Celkové užitné zatížení působící z několika podlaží může být dle normy sníženo redukčním součinitelem α n , ten se tedy počítá:

αn =

2 + (n − 2).ψ 0 2 + (3 − 2).0, 7 = = 0,9 => redukce užitného zatížení o 10% n 3

…kde n je počet podlaží a dřevostavba je uvažována pouze jako jedno patro

3.1

Použité konstrukce pro stanovení stálého zatížení

Obr. 7. Skladba podlah 2. a 3. NP

- 10 -


Obr. 7. Skladba střešní konstrukce v úrovni 3.NP

Obr. 8. Detail základové patky a uložení výplňového zdiva

Vlastní tíha výplňových konstrukcí v úrovní základů jsou uvažována jako silová s místem působiště v místě základové patky, čili podpory. Toto zatížení se skládá z monolitického železobetonového základového překladu uložený na protilehlých patkách, ten dále nese betonové základové bloky a nad úrovni upraveného terénu spočívají na hydroizolaci keramické obvodové bloky Porotherm tl. 300mm do výše stropní konstrukce následujícího podlaží.

- 11 -


Obr. 9. Navržené průřezy hlavní nosné soustavy – řez průvlakem uložený v příčném směru (vlevo), řez ztužidlem v podélném směru (uprostřed) a řez sloupem (vpravo)

Obr 10. Příklad pláště dřevostavby (vlevo), příklad stropní konstrukce (vpravo) Pořadí vrstev z vnější strany:-omítka, tepelná izolace k zamezení systematických tepelných mostů (vlivem fošen), OSB deska, fošny 140x40mm vyplněné minerální plstí, parozábrana a sádrokarton na vnitřním povrchu. V případě stropní konstrukce montované dřevostavby to je, sádrokarton, parozábrana, fošny 280x40mm, vyplněné minerální plstí, 2x únosnější OSB desky a koberec.

- 12 -


3. 2 Rámová konstrukce

Obr. 11. Posuzovaná příčná vazba rámové konstrukce ze železobetonu pro statický výpočet

3. 3 Zatěžovací stavy

Obr. 12. Zatížení stálé – silové, vlastní tíha sloupů, působení zdí… (vlevo), zatížení rovnoměrné, ostatní stálé zatížení vodorovnými konstrukcemi apod. (vpravo)

- 13 -


Návrhová norma určuje u složitějších rámových konstrukcí uvažovat vždy zatěžovací stavy, rozložené do šachovnicových pozic a pochopitelně po celé délce rámových příčlí, která vyvolávají kritická namáhání posuzované konstrukce.

Obr. 13. Zatížení nahodilé - zatěžovací stavy, které je nutné uvažovat vždy

Dále norma doporučuji uvážit také stavy, kdy by užitné zatížení vznikalo v pruzích pod sebou bez vertikálního střídání. Vzhledem k tomu, že je konstrukce po výšce nesymetrická, jsou vzaty v úvahu všechny kombinace, i když by stačily stavy pouze u jednoho směru. Nicméně jak ukáže výpočet, nevyvolává tato kombinace stavů s použitím účinku větru vnitřní síly rozhodující pro návrh.

- 14 -


Obr. 14. Zatížení nahodilé - zatěžovací stavy, které je vhodné uvažovat

- 15 -


Obr. 15. Zatížení nahodilé – vliv větru

4 Průběhy vnitřních sil Vykresleny jsou extrémy složek vnitřních sil z rozhodujících kombinací dle zadaných zatěžovací stavů.

4.1

Vnitřní síly sloupů

Obr. 16. Sloupy – průběh normálových sil

- 16 -


Obr. 17. Sloupy – průběh posouvajících sil

Obr. 18. Sloupy – průběh ohybových momentů

- 17 -


4.2

Vnitřní síly průvlaků

Obr. 19. Průvlaky – průběh normálových sil

Obr. 20. Průvlaky – průběh posouvajících sil

- 18 -


Obr. 21. Průvlaky – průběh ohybových momentů

5 Návrh nosných prvků Výpočet zatížení ukazuje velké vnitřní síly především na krajních sloupech rámu, než je tomu jinde uvnitř vazby. Z toho důvodu jsou sloupy dvojího typu. Vnitřní prvky jsou vyztuženy jen nosnou výztuží v rozích řezu prvku. Vnější sloupy, na které působí účinek ohybového momentu z obou stran jsou pak vyztuženy řadou rovnoběžných prutů viz obrázek.

Obr. 22. Dimenze sloupů

- 19 -


Nosný průvlak je pak vystaven namáhání kladného ohybového momentu v poli a záporného nad podporou. Jejich hodnotám pak odpovídá navržená výztuž viz obrázek.

Obr. 23. dimenze průvlaku Posuzovanou patku základu pod sloupy je nutné navrhnout na dva mezní stavy, mezní stav základové půdy a mezní stav železobetonové patky. Proto je potřeba zohlednit efektivní plochu základu, na které bude působit kontaktní výpočtové napění a kterému bude patka čelit. Velikost efektivní plochy závisí na výstřednosti danou podílem momentu a normálové síly. Výpočtové kontaktní napětí pod základovou patkou od zatížení vychází 0,6 MPa pro rozměry patky 2,5 x 2,5m. Tomu odpovídá štěrkovitá zemina třídy G3 – štěrky s příměsí jemných částic zeminy. Únosnost základové zeminy je po interpolaci z tabulky 637,5 kPa, tedy 0,64 MPa.

Obr. 24. Posouzení železobetonové monolitické patky (vlevo) a dimenze výztuže (vpravo)

- 20 -


6 Podklady a materiály 6.1

Software Hammer editor 3D Studio MAX verze 9 Wintermute engine - WME Acrobat 6.0 Photoshop 7.0 CE ACDSee 4.0 Nero Burning rom Version 5 Word 2000 Professional

6.2

Hardware Intel Core2 Duo 6600 2 GB RAM HP Nvidia Quadro FX 1500 17“ Samsung monitor bedničky Genius a myš Logitech

6.3

Použitá literatura Betonové konstrukce – navrhováni podle Eurokódu 2

- 21 -

STATICKÝ VÝPOČET KONSTRUKČNÍCH PRVKŮ NETRADIČNÍHO POLYFUNKČNÍHO DOMU

Recommend Documents