BUILDINGS BUDOVY
NATIONAL TECHNICAL LIBRARY NÁRODNÍ TECHNICKÁ KNIHOVNA
38
Pavel KASAL
Vladimír PÁNEK
Martin PŮLPÁN
Metrostav a.s.
Metrostav a.s.
HELIKA, a.s.
[email protected]
[email protected]
[email protected]
INTRODUCTION The National Technical Library belongs to the University campus of the Czech Technical University in Prague. The National Technical Library building features a curved square shape plan with the external dimensions of approx. 75 x 75 m. A rectangular atrium with dimensions of 17.3 x 28.35 m, centrally located within the floor plan, is opened up to the roof level and is enclosed with a steel skylight structure. The building consists of six above ground and three underground floors. The underground part features a car park, a book storage facilities and service areas. The ground floor and the first floor are for the public use and are intended to be used as a meeting space for visitors and students alike. Users have also access to a lecture hall, an exhibition space, a local branch of the Municipal Library, a café and an after-hours study room. On the other floors are located library premises, study rooms, lecture rooms and administrative facilities of the library. Fig. 1 Evening view of the completed building Obr. 1 Večerní pohled na dokončenou budovu I
TYPE OF STRUCTURE GROUND PLAN DIMENSIONS TOTAL SITE AREA ENCLOSED VOLUME CLIENT ARCHITECT GENERAL DESIGNER CONCRETE STRUCTURE DESIGNER GENERAL CONTRACTOR CONCRETE STRUCTURE CONTRACTOR POST-TENSIONING SUBCONTRACTOR CONSTRUCTION TIME
Fig. 2 View of the completed building Obr. 2 Pohled na dokončenou budovu
190
I
191
BUILDING SUPERSTRUCTURE
BASIC PROJECT DATA Monolithic reinforced concrete partial prestressed building 75 x 75 m 5,200 m2 172,250 m3 State Technical Library PROJEKTIL ARCHITEKTI s.r.o. HELIKA, a.s. HELIKA, a.s. (substructure), PPP, spol. s r.o. (superstructure) Joint venture: Metrostav a.s. and OHL ŽS a.s. Metrostav a.s., Division 6 VSL SYSTÉMY /CZ/, s.r.o. 2006–2008
The structural system consists of a monolithic RC skeletal frame with in-situ concrete two-way slabs. The primary grid of the structure is 15 x15 m and it is condensed to 7.5 x7.5 m in the underground section with additional columns. The system is complemented by the RC walls of the vertical cores. The foundation slab has a thickness of 500 mm which is increased up to 1600 mm in the areas under the columns in order to provide the resistance against extrusion by the load from the columns. The underground substructure consists of monolithic RC perimeter walls, RC columns and slab with transverse beams. Thickness of the slabs is 250 mm. The columns were designed with different sections according to the space constraints. The rectangular sections range from 250 x 500mm up to
STRUCTURAL CONCRETE IN THE CZECH REPUBLIC 20062009
190
KONSTRUKČNÍ BETON V ČESKÉ REPUBLICE 20062009
191
Milan MUŽÍK
Ivan ŠEMÍK
Pavel SMÍŠEK
PPP, spol. s r.o.
PPP, spol. s r.o.
VSL SYSTÉMY /CZ/, s.r.o.
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Fig. 3 Atrium Obr. 3 Atrium
ZÁKLADNÍ DATA PROJEKTU TYP KONSTRUKCE PŮDORYSNÉ ROZMĚRY CELKOVÁ PLOCHA POZEMKU OBESTAVĚNÝ PROSTOR INVESTOR ARCHITEKT GENERÁLNÍ PROJEKTANT PROJEKTANT BETONOVÉ KONSTRUKCE GENERÁLNÍ DODAVATEL
Železobetonová monolitická částečně předpjatá konstrukce 75 x 75 m 5200 m2 172,250 m3 Státní technická knihovna PROJEKTIL ARCHITEKTI s.r.o. HELIKA, a.s. HELIKA, a.s. (zakládání a spodní stavba), PPP, spol. s r.o. (vrchní stavba) Sdružení: Metrostav a.s. a OHL ŽS a.s.
DODAVATEL BETONOVÉ KONSTRUKCE
Metrostav a.s., divize 6
DODAVATEL PŘEPÍNACÍHO SYSTÉMU
VSL SYSTÉMY /CZ/, s.r.o.
DOBA VÝSTAVBY
2006 až 2008
ÚVOD Národní technická knihovna je součástí vysokoškolského komplexu technických škol, Vysoké školy chemicko-technologické a ČVUT v Praze. Národní technická knihovna má v půdorysu tvar zaobleného čtverce o vnějších rozměrech cca 75 x 75 m. Uprostřed objektu je umístěno obdélníkové atrium 17,3m x 28,35 m, které je otevřeno až do 6. nadzemního podlaží a je zakryto ocelovou konstrukcí světlíku. Objekt má 6 nadzemních a tři podzemní podlaží. V podzemní části bude umístěn parking, sklad knih a technické zázemí. 1. NP a 2. NP mají charakter veřejný s doplňkovými funkcemi a budou prostorem volné komunikace a setkávání návštěvníků areálu vysokých škol. V těchto podlažích bude také umístěn přednáškový sál, výstavní prostor, pobočka Městské knihovny, noční studovna a kavárna. V nadzemních
podlažích budou umístěny především volné výběry fondů, studovny, učebny a administrativní zázemí knihovny. NOSNÁ KONSTRUKCE BUDOVY Nosný systém tvoří železobetonový monolitický skelet s částečně předpjatými hřibovými deskami působícími ve dvou směrech. Primární modulový systém nadzemních podlaží je 15 x 15m. V suterénních prostorách je zahuštěn rastrem sloupů v osových vzdálenostech 7,5 x 7,5m. Systém sloupů je doplněn stěnami komunikačních a instalačních jader. Objekt je založen na monolitické základové desce proměnné tloušťky v rozmezí 500 mm až 1600 mm. Proměnnost tloušťky základové desky vyplývá z nutnosti zajištění desky proti protlačení pod sloupy. Fig. 4 Second floor Obr. 4 Půdorys 2. NP
BUILDINGS
NATIONAL TECHNICAL LIBRARY
BUDOVY
NÁRODNÍ TECHNICKÁ KNIHOVNA penetration into the interior of the building is achieved by using a combination of bentonite mats and waterproof concrete. The reinforcement of the foundation slab is designed for a maximum allowed crack width of 0.2 mm. The slab was then poured with a waterproof concrete. The construction joints were sealed with bitumen-coated plates. Tear strips were integrated into the perimeter walls, therefore the formation of the shrinkage cracks is controlled and they can be consequently sealed against the ingress of water. POSTTENSIONING OF FLOORS
Fig. 5 Section of the structure Obr. 5 Řez objektem
Fig. 6 View of the building under construction Obr. 6 Pohled na rozestavěnou budovu
192
I
193
500 x 1300 mm and the round ones vary from 500 to 900 mm in diameter.
The ceiling slabs were designed as two-way post-tensioned structures due to larger spans of 15 m in each direction. The slabs are stressed using a bonded multistrand, post-tensioning (PT) system with passive and active anchors. The slab system with four-strand cables in flat ducts was used as it is most suitable for post tensioning of the flat elements. The maximum eccentricity of the PT reinforcement relative to the centre line of the section could be fully utilized by the structure. The majority of the PT reinforcement is placed into the areas along the penetrations of columns with the slab. Typically 11 cables spaced 400 mm were placed into each column band. The spacing of the cables outside the column areas is typically 1500 mm. The anchors were placed along the edge of the slab in an alternating fashion when an active anchor is followed by a passive one.
Due to the requirement of the flexible use of the upper floors, the designers had to allow for long span lengths of 15 m. This goal was achieved by the use of a two-way post-tensioned concrete slab with a constant thickness of 300 mm. The thickness is increased by domed column heads with diameters of 4.5; 5 and 6 m (according to the column diameter). The total thickness of the slab including the column head varies between 800 and 1000 mm. The vertical structural elements of the upper structure consist of columns with diameter of 500-900 mm and of core walls 200–250 mm thick. The outside and the atrium The vertical cores are separated from the horizontal structures by construction joints. This solution eliminates the transfer of edges of the slabs are strengthened by perimeter beams. the stressing forces from the PT cables and thus formation of The main staircases are designed as prefabricated flights with cracks near the cores. landings cast in-situ. The staircase in the atrium is then fully Overall, approximately 310 t-tensioning reinforcement, 63,000 m monolithic. of steel ducts, 2200 active and 2200 passive anchors were A technically challenging detail is the central part of the ceiling installed in the project. above the ground floor, which actually forms the floor of the atrium. The ceiling is suspended from the floor above using pre- The PT system was assembled in situ as the cables could not be prefabricated in the workshop due to the lengths of the stressed concrete rods with a diameter of 250 mm. individual tendons and necessity of alternating of layers. The active anchors were installed first in the face of shuttering; ducts WATERPROOFING OF THE SUBSTRUCTURE with the appropriate lengths were then placed onto supporting Protection against ground water and natural moisture elements. Then, the strands were pushed into the ducts in the
STRUCTURAL CONCRETE IN THE CZECH REPUBLIC 20062009
192
KONSTRUKČNÍ BETON V ČESKÉ REPUBLICE 20062009
193 Fig. 7 Complete formwork of the ceiling with column heads Obr. 7 Dokončené bednění stropu s hlavicemi nad sloupy
V podzemních podlažích jsou monolitické obvodové stěny. Stropní konstrukce podzemních podlaží je v prostoru garáží tvořena převážně deskou konstantní tloušťky 250 mm. Tato deska je místně (z důvodů vyššího zatížení) doplněna kruhovými hlavicemi. Stropní konstrukce centrální části budovy, vynášející velká zatížení od depozitářů, je navržena jako trámová s průvlaky. Sloupy v podzemních podlažích jsou dle potřeby dispozice jednak kruhové o průměru 500 mm až 900 mm, jednak obdélníkového průřezu 250 x 500 mm až 500 x 1300 mm. Z důvodů větší flexibility dispozičního řešení prostoru v nadzemních podlažích je navržena v těchto podlažích velkorozponová konstrukce s modulem 15 x 15 m. Základním nosným systémem všech stropů v nadzemní části objektu je obousměrně předepnutá hřibová stropní konstrukce. Deska má tloušťku 300 mm. Hlavice kuželovitého tvaru o průměru 4,5; 5 a 6 m mají výšku od 800 mm do 1000 mm včetně tloušťky stropní desky v závislosti na rozponu, průměru sloupu a světlé výšce podlaží. Svislé konstrukce tvoří sloupy o průměru 500 mm až 900 mm a stěny komunikačních a instalačních jader tloušťky 200 mm až 250 mm. Vnější okraje stropních desek i obvody vnitřních atrií nadzemních podlaží jsou ztuženy parapetními nosníky. Hlavní schodiště jsou navržena jako kombinace železobetonových prefabrikovaných schodišťových ramen a monolitických podest. Schodiště v atriu je pak plně monolitické. Technicky zajímavá je střední část stropu nad 1. NP, který vlastně tvoří podlahu atria. Tento strop je zavěšen za okraj stropu nad 2. NP pomocí předpjatých betonových táhel o průměru 250 mm. HYDROIZOLACE SPODNÍ STAVBY Ochrana proti průniku podzemní vody a zemní vlhkosti do vnitřních prostor objektu je zajištěna použitím kombinace bentonitových rohoží a vodonepropustné železobetonové konstrukce. Vyztužení železobetonové konstrukce základové desky a obvodových stěn je tedy navrženo na maximální výpočtovou šířku trhlin 0,2 mm a konstrukce je provedena z vodostavebního betonu, pracovní spáry jsou těsněny těsnícím plechem potaženým bitumenem. Do obvodových stěn byly vkládány tzv. trhací lišty, kterými jsou předurčena místa vzniku smršťovacích trhlin a zároveň jsou tyto trhliny těsněny vůči průniku vody.
PŘEDPĚTÍ STROPNÍCH KONSTRUKCÍ Stropní hřibové desky v nadzemních podlažích bylo nutné z důvodů velkých rozpětí obousměrně předepnout. Desky jsou předpínané dodatečně lanovým přepínacím systémem se soudržností s pasivní a aktivní kotvou. Použity tak byly čtyřlanové kabely v plochých kanálcích, které jsou vhodné pro předpínání tenkých deskových konstrukcí z důvodu dosažení maximální excentricity přepínací výztuže vůči střednicové rovině předpínané konstrukce. Stropní deska je silně vyztužena těmito kabely ve sloupových pruzích, kde je 11 kabelů s osovou vzdáleností 400 mm. Mezipodporové pruhy jsou vyztuženy přepínacími kabely s typickou osovou vzdáleností 1500 mm. Kabely jsou kladeny tak, aby u okraje stropní konstrukce byly vždy vystřídány kabely s aktivní a pasivní kotvou. Protilehlá komunikační jádra jsou od stropní konstrukce dilatačně oddělena. Toto konstrukční řešení zajistilo, že vnesením přepínací síly do stropních desek nejsou komunikační jádra namáhána a je tak vyloučeno riziko vzniku trhlin v okolí jader. Celkově bylo uloženo přibližně 310 t předpínací výztuže, 63 km ocelových kanálků, 2200 aktivních a 2200 pasivních kotev.
Fig. 8 Placing of post-tensioning cables Obr. 8 Ukládka přepínacích kabelů
BUILDINGS
NATIONAL TECHNICAL LIBRARY
BUDOVY
NÁRODNÍ TECHNICKÁ KNIHOVNA
Fig. 9 Post-tensioning cables in the area above the column Obr. 9 Předpínací kabely v oblasti nad sloupem
ARCHITECTURAL CONCRETE Almost all visible surfaces of the National Technical Library building were designed to benefit from use of decorative concrete. After removing of the formwork, the concrete surfaces remained final and only colourless protective coating was applied to ensure the dust-free appearance. The structure of plywood boards and the sequence of the shuttering panels were prescribed by the architect in order to achieve the desired final look of the concrete surface. The “Peri Trio Struktur” formwork system was used for shuttering the vertical structural elements. The system is based on formwork panels with overlapping plywood board to eliminate moulding of the steel frame into the concrete. High loading capacity and rigidity of the formwork together with its variability for use on various elements were utilized during the construction. The dimensions of the formwork panels were 1250 x 2500 mm. Form ties were spaced 1250 mm in the horizontal direction and they were always located in the formwork panel joint. The conical column heads represented a challenge for the formwork contractor. Firstly, the formwork had to be able to resist the vertical loads from a 1m thick layer of concrete. Secondly, the column head mould had to be formed using 6 to 10 mm thick stripes of plywood which were bent and secured into the preferred shape by timber pieces. direction from the passive to the active anchors. After the fitting of grouting and venting connections at the apex of the cable CONSTRUCTION SCHEDULE and at the anchor, the top reinforcement was fixed in place. An average duration of placing the PT reinforcement of 14 days per The construction schedule was greatly influenced by several floor was achieved. factors – the requirement of the decorative finish of the The stressing of the strands followed after 24 MPa cube strength concrete surfaces, then the necessity of post-tensioning works of concrete was achieved once the pouring was finished. The in the long-span floors and, last but not least, the chosen stressing was scheduled into four stages. In principle, every heating system with heating mats integrated to the centre of fourth tendon was stressed in each run. This procedure had only the concrete slab section.
Fig. 10 Outlets of the heating system placed in the floor structure Obr. 10 Národní technická knihovna – vývody topného systému uloženého v konstrukci stropu
limited impact on the performance and the typical stressing All contractors involved in the construction of the reinforcement period was 5 days per floor. concrete structures were obliged to strictly adhere to the The ducts were grouted after stressing of each floor. Despite pre-approved program of works. The most time consuming of the massive total length of PT cables of 10,500 m per floor, activity was the construction of the post-tensioned floors, but this task would have been unattainable using traditional average grouting time was only 3 days technology. However, thanks to the excellent co-ordination of the contractors including the PT specialists, electricians, plumbers and traditional trades, a unique cycle of just 28 days per floor was achieved. The total construction time of the building shell was 10 months. CONCLUSION Dozens of post-tensioned structures have been already constructed in the Czech Republic. The building of the National Technical Library is one of the most important. It surely outperforms the previously finished projects in terms of its parameters, namely the span lengths and the volume of the utilized architectural concrete. Also the HVAC system used to achieve the energy efficiency level will set a benchmark for buildings within its range. CONSUMPTION OF MATERIALS AND COST TOTAL CONCRETE REINFORCING STEEL PRESTRESSING STEEL FORMWORK COST
194
I
195
19,450 m3 3,130 t 310 t 53,300 m2 54,000,000 EUR
STRUCTURAL CONCRETE IN THE CZECH REPUBLIC 20062009
194
KONSTRUKČNÍ BETON V ČESKÉ REPUBLICE 20062009
195
Předpínací kabely byly sestavovány přímo v bednění z důvodu jejich délky a střídání jejich vrstev s pouze minimálním využitím prefabrikace. Nejprve probíhala montáž aktivního kotvení do čela bednění a na připravené podpory byl sestaven kanálek v požadované délce kabelu. Následně byla směrem od pasivního kotvení prostrkána lana. Po osazení injektážích a odvzdušňovacích napojení ve vrcholech kabelu a v oblasti kotvení byla zahájena ukládka horní výztuže. Doba ukládky předpínacích kabelů jednoho patra trvala pouze 14 dnů. Po betonáži a dosažení pevnosti betonu 24 MPa bylo zahájeno napínání. Napínací postup byl v projektu rozdělen do 4 etap. V podstatě se jednalo o postupné napnutí každého čtvrtého kabelu po obvodě. S ohledem na množství kotev tento postup neměl zásadní vliv na produktivitu, napnutí jednoho patra bylo provedeno během 5 dnů. Injektáž kabelů byla provedena po dokončení každé stropní úrovně. Ačkoliv se jednalo o délku kanálků cca 10,5 km, injektáž patra proběhla během 3 dnů. POHLEDOVÝ BETON Povrch téměř všech železobetonových konstrukcí budovy Národní technické knihovny je navržen jako pohledový beton. Tyto betonové plochy po odbednění zůstaly již jako finální povrchy konstrukcí bez překrytí další vrstvou (omítkou, obkladem) a jsou pouze natřeny ochranným bezbarvým nátěrem zajišťujícím jejich bezprašnost. Rastr bednících překližek a rastr míst spínání viditelný na betonových plochách byl předem stanoven architektem s ohledem na použitý typ bednění. Na každou konstrukci byl vypracován projekt nasazení bednění s vyznačením spárořezu. Na bednění svislých vnitřních konstrukcí bylo použito bednění PERI TRIO Struktur. Základem tohoto bednění jsou panely rámového bednění TRIO, jejichž povrch je opatřen hladkou překližkou tak, že překrývá ocelový rám panelu a nedochází tak k otisku rámu do betonu. Při betonáži se tak zároveň využívala vysoká únosnost a tuhost rámového bednění i větší variabilita nasazení bednění na různé typy konstrukcí než u bednění nosníkového, které je zpravidla navrženo a vyrobeno právě na jednu danou konstrukci. Povrch bednění tak vytvářely hladké překližky o rozměrech 1250 x 2500 mm. Spínání bednění bylo navrženo ve vodorovném směru ve vzdálenosti 1250 mm a bylo vždy umístěno osově na styku dvou sousedních překližek. Velmi náročné bylo provedení bednění kuželových hlavic sloupů. Bednění bylo navrženo tak, aby přeneslo poměrně značné zatížení od vrstvy betonu tloušťky až 1m bez větších deformací. Základem bednění hlavice byl nosný trojúhelníkový prvek, sestavený z typových dřevěných příhradových nosníků doplněných dřevěnými hranoly a překližkou. Plášť bednění hlavice pak tvořily dvě vrstvy tenké překližky (10 mm a 6 mm), které umožnily překližku skroužit do požadovaného tvaru kuželové plochy. Bednění kuželové plochy každé hlavice bylo složeno z jednotlivých výsečí tak, že každá překližka vytvořila šestnáctinu kuželové plochy. POSTUP VÝSTAVBY Postup výstavby objektu byl značně ovlivněn hned několika skutečnostmi. Za prvé, požadavkem výstavby betonových konstrukcí v kvalitě pohledového betonu, dále pak nutností předpětí velkorozponových stropních konstrukcí a v neposlední řadě i zvoleným systémem vytápění budovy pomocí topných rohoží integrovaných do středu tloušťky betonové stropní konstrukce. Všechny profese podílející se na výstavbě železobetonových konstrukcí a návaznost jednotlivých činností, které byly nutné provést při výstavbě, byly předem důkladně analyzovány. Z časového hlediska byla nejvíce náročná výstavba stropů nadzemních podlaží s předpínanými stropy. Na výstavbě železobetonových konstrukcí stropu se kromě
tradičních profesí jako je tesař, železář a betonář podíleli také elektrikáři, montážníci přepínací výztuže a instalatéři, kteří prováděli ukládku topného systému. Doba výstavby jednoho stropu nadzemního podlaží byla díky vynikající koordinaci všech výše uvedených profesí pouze 28 dní. Celková doba výstavby hrubé stavby činila pouze 10 měsíců.
Fig. 11 View of the ground floor of the building Obr. 11 Pohled do vnitřního prostoru přízemí budovy
ZÁVĚR V České republice byly zrealizovány již desítky dodatečně předpínaných nosných konstrukcí. Konstrukce Národní technické knihovny patří k těm nejvýznamnějším, z pohledu technologie dodatečného předpínání v některých parametrech bezesporu překonává ostatní do této doby dokončené projekty. Také rozsahem použití pohledového betonu se v případě Národní technické knihovny jedná o jednu z největších staveb v České republice. Náročnost výstavby takovéto konstrukce byla umocněna i volbou konstrukčního systému (velkorozponové předpínané stropy) a způsobem vytápění objektu pomocí podlahových rohoží. SPOTŘEBA MATERIÁLŮ A CENA CELKEM BETON BETONÁŘSKÁ VÝZTUŽ PŘEDPÍNACÍ VÝZTUŽ BEDNĚNÍ CENA
19 450 m3 3130 t 310 t 53 300 m2 54 000 000 EUR
Fig. 12 Library building during concreting of the top ceiling Obr. 12 Betonáž nejvyššího stropu
