Problémy při zakládání vysokých budov

Budovy dosahují v současnosti výšky několika stovek metrů a je pouze otázkou času, kdy bude pokořena další hranice. Trendem je zvyšování počtu pilot s cílem minimalizovat nerovnoměrné složky sedání. Investoři by se měli rozhodnout, zda extrémní minimalizace sedání nesměřuje ke zbytečně velkým nákladům.

Přehled výšek budov založených na deskách a přehled maximálních hodnot sedání budov znázorňuje obr. 1. Vybereme-li jako příklad města Frankfurt nad Mohanem a Bratislavu, lze objevit podobnou geologii. Písečnaté a štěrkovité zeminy sahají do hloubek 10 až 20 m, pod nimi jsou do hloubky asi 100 až 150 m jílovité zeminy a hladina podzemní vody dosahuje hloubky 5 až 10 m pod povrchem území, při povodních i vyšší. Vysoké budovy ve Frankfurtu byly do roku 1980 zakládány pouze plošně. Budovy mají výšku 70 až 166 m a jsou založeny v hloubce 10 až 20 m pod povrchem území na základových deskách o tloušťce 1,5 až 4,0 m. Na obr. 3 je znázorněna budova Eurotower, která má výšku 148 m, pět podzemních podlaží a vytváří prostor pro 1 500 pracovníků.

Obr. 1: Vysoké budovy založené na deskách ve Frankfurtu nad Mohanem a v Bratislavě; jejich výšky a maximální hodnoty sedání

Plošné základy
Hodnoty maximálních sedání budov se pohybují v rozpětí od 50 do 340 mm. Relativně menší hodnoty v Bratislavě svědčí o lepších vlastnostech jílovitého podloží v porovnání s Frankfurtem. Maximální hodnotu sedání má hotel Mariot ve Frankfurtu nad Mohanem, který se stavěl v letech 1973 až 1976. Má 47 nadzemních a 3 podzemní podlaží. I při velké hodnotě sedání zde byly vyřešeny související problémy a objekt spolehlivě plní svoje funkce [5].

Na obr. 2 jsou znázorněny hodnoty sedání komplexu budov Národní banky Slovenska v Bratislavě [3]. Lze předpokládat, že hodnoty sedání se vlivem konsolidace neogenního podloží budou ještě zvyšovat, avšak vypočítaných konečných hodnot se nedosáhne. Základová deska pod výškovou budovou je od nižších částí oddělena těsněnou dilatační spárou, v níž vznikly rozdíly ve svislých posunech o 6 až 10 mm. Z rozdílného průběhu sedání základové desky lze vypočítat její naklonění o 0,12 mm/m. Z toho vyplývá horizontální odklon svislé osy mezi základovou a střešní částí budovy, který je 13,3 mm. U takových odklonů nemohou vznikat problémy s používáním či stabilitou stavby.

Obr. 2: Vypočítané a měřené hodnoty sedání objektů Národní banky Slovenska v Bratislavě

Hloubkové základy s kombinovaným přenosem
Při zakládání staveb s kombinovaným přenosem přenášejí jednu část zatížení piloty, druhou část základová deska na zeminu mezi pilotami. Většinou se předpokládá, že piloty přenesou asi polovinu zatížení, přičemž jejich počet vychází z únosnosti, nikoli z výpočtové únosnosti. Souvisí to s relativně velkými hodnotami sedání a se zatlačováním pilot do podloží.

Ve Frankfurtu nad Mohanem a ve Vídni byla výška takto založených budov 110 až 257 m. Maximální hodnoty sedání se pohybovaly v rozsahu od 25 do 120 mm. Od roku 1980 se téměř všechny vysoké budovy ve Frankfurtu nad Mohanem zakládají na pilotách.

Mezi prvními takto zakládanými budovami byla Veletržní věž (Messe­turm). Pod ní sahají třetihorní jíly do hloubky 150 m. Věž má 70 nadzemních a pouze 2 podzemní podlaží. Základovou desku s maximální tloušťkou 6,0 m podepírají 64 piloty dlouhé 26,9 až 34,9 m a s průměrem 1,3 m. Během výstavby se měnil poměr zatížení přenášeného pilotami a deskou. Po dokončení přenášely piloty 57 % a deska 43 % z celkového zatížení (asi 1 600 MN). Maximální hodnota sedání dosáhla 120 mm. Navzdory velké tloušťce a tuhosti se základová deska prohnula a oproti okrajům je uprostřed průhyb přibližně 40 mm. Maximální naklonění základové desky je 1 : 3 500, z čehož vyplývá, že výšková budova je nahoře odkloněná od svislice o 70 mm. Na plný přenos zatížení by bylo třeba zabudovat 316 pilot, což by představovalo rozdíl v nákladech více než 3 miliony eur.

V Bratislavě je na plovoucích pilotách s kombinovaným přenosem založeno více vysokých budov. Patří mezi ně například výšková budova komplexu Rozadol (obr. 4). O sedání těchto budov však dosud nebylo možné získat žádné informace. Určitě však podstatná část zatížení zůstává ve štěrkovitých zeminách a piloty v hlubším stlačitelnějším neogenním podloží budou přenášet pouze nepatrnou část zatížení.

Hloubkové základy s plným přenosem
Zakládání vysokých budov na plošných základech a na pilotách s kombinovaným přenosem má svá omezení. Budovy vyšší než 300 m je možné zakládat na plošných nebo na hloubkových základech s plným přenosem zatížení jen do skalních hornin.

Rozměry plošných základů jsou závislé na vlastnostech skalního podloží a působícího zatížení. Ukazuje se, že podíl přenosu zatížení plášťovým třením v jemnozrnných zeminách je zanedbatelný. Téměř celé zatížení se přenáší plášťovým třením a opřením paty ve skalním podkladu.

Budova Komerční banky (Commerzbank) ve Frankfurtu nad Mohanem (obr. 3) vysoká 299 m je založena na 111 pilotách o průměru 1,5 a 1,8 m, sahajících do hloubky 38 až 46 m. Piloty jsou vetknuty přibližně 7 m do vápence a sedání se pohybuje v rozsahu 20 až 30 mm.

Věže Petronas v Kuala Lumpuru jsou vysoké 452 m, založené jsou na 104 pilotách dlouhých 60 až 115 m, vázaných do vápenců, a základová deska má tloušťku 4,5 m. Sednutí dosahuje hodnoty přibližně 60 mm.

V Tchaj-wanu byla postavena věž Taipei 101 vysoká 509 m (obr. 5). Má 5 podzemních podlaží a je založená na 380 pilotách o průměru 1,5 m a délceu 30 m. Piloty jsou vázány do skalního podkladu a základová deska má tloušťku 5 m.

Další gigant – věž Burj Dubai – by měla mít po dokončení výšku 800 až 850 m. Je založená na 192 pilotách o délce 50 m, vázaných do skalního podkladu. Základová deska věže má tloušťku 3,7 m.

Pro piloty s plným přenosem zatížení, které jsou opřeny nebo vetknuty do skalního podloží, je důležitá kvalita betonu. Z toho důvodu se téměř všechny piloty kontrolují sonicky. Na základě rychlosti šíření zvukového impulsu lze odhalit polohy s poruchami nebo méně kvalitním betonem a kontrolovat také hloubky pilot. Poruchy v dříku i u paty pilot je nutné zodpovědně analyzovat z hlediska jejich vlivu na stabilitu konstrukcí a v případě potřeby je sanovat injektáží.

Stavební jámy
Vysoké budovy se obvykle zakládají v městských podmínkách, které jsou omezené okolní výstavbou, městskými komunikacemi, inženýrskými a telekomunikačními sítěmi. Hloubky stavebních jam běžně dosahují hodnoty 10 až 20 m. Z toho vyplývá, že svahové stavební jámy se nemohou v takových podmínkách uplatnit. K zabezpečení stability je třeba mírně skloněných svahů s velkými nároky pod hladinou podzemní vody. Kolem stavebních objektů se doporučuje zabezpečit dostatečně volný prostor.

Prvořadým úkolem je lokalizace a překládání podzemních a nadzemních vedení, povrchových komunikací, případně odstranění starších objektů.

Stavební jámy je možné pažit záporovými stěnami s kotevními stabilizačními systémy. Pomocí nich se dá dosáhnout volného prostoru na hloubení jámy i na výstavbu podzemních částí konstrukcí.

Ve většině případů však sahají základové spáry vysokých budov pod hladiny podzemních vod. Pažicí konstrukce musejí být z tohoto důvodu schopné plnit i těsnicí funkci. Svislé stěny se vytvářejí pomocí prořezávaných pilot technologií promíchávání zemin na místě (MIP – mixed in place), monolitickými železobetonovými podzemními stěnami vytvářenými v rýhách s jílovitou suspenzí, železobetonovými prefabrikáty v rýhách s betonovou směsí nebo se samotvrdnoucí suspenzí. Jejich stabilita se opět zabezpečuje jednou nebo více úrovněmi kotevních systémů.

Pažicí a těsnicí stěny se musejí vázat do nepropustné vrstvy. Tou mohou být přírodní neogenní zeminy nebo umělé injektované vrstvy ve štěrkovitých zeminách. V Bratislavě jde o neogenní zeminy, které však nejsou homogenní. V jílovitých zeminách se vyskytují neogenní písečnaté polohy s výrazně větší propustností. V nich se soustřeďují i vodní tlakové horizonty, které mají nepříznivý vliv na zvedání úrovně základové spáry a dna stavební jámy. Tento nepříznivý vliv odpružení podloží lze redukovat odlehčovacími vrty, které působí jako vertikální drény a uvolňují napětí ve vodních horizontech.

Specializované společnosti na zakládání staveb mají pro tuto činnost rozvinuté tech­nologie, moderní hloubicí zařízení a zkušené pracovníky. Netěsné polohy ve stěnách se proto vyskytují pouze výjimečně.
Stavební jáma pro Národní banku Slovenska (obr. 6) měla pažicí a těsnicí stěny vytvořeny z kotvených železobetonových prefabrikátů a samotvrdnoucích suspenzí. Stěny se vhodně vázaly do přírodního nepropustného jílovitého podkladu. Ze stavební jámy bylo nutné pomocí vrtaných studní čerpat vodu, v nepatrném množství jen 1 až 2 l/s.

Větší množství vody přitéká do stavebních jam přes jejich podloží pod dolními konci pažicích a těsnicích stěn. Během vytváření stěn se sleduje kvalita zemin pod dolními konci stěn. Na první pohled by tedy mělo být všechno v pořádku a z dokonale utěsněných jam by se nemělo čerpat větší množství vody. Hloubka stěn se navrhuje v projektech na základě výsledků inženýrskogeologického průzkumu. Investoři se však snaží redukovat náklady – dost často právě omezením rozsahu průzkumu. Zkušenosti z Bratislavy svědčí o tom, že povrch a tloušťky neogenních jílovitých zemin se u větších jam mohou mezi vzdálenějšími vrty významně měnit. Následně vznikne situace, kdy stěny jsou sice vázané do relativně nepropustné vrstvy, ta se však nenachází souvisle pod celou jámou. Do jámy zasahují propustnější písečnaté vrstvy z větších hloubek, jimiž sem proudí větší množství pozemních vod.

Jedním z takových případů v Bratislavě byla jáma pro komplex Rozadol (obr. 7). Z jámy se čerpalo více než 60 l/s, ale požadovaného snížení se nedosáhlo. Stěny byly tehdy poprvé v Bratislavě vytvořeny technologií promíchávání štěrkovitých zemin s cementovou suspenzí a na mnoha místech byly provrtány. Do jámy byly zabudovány pozorovací trubky, které umožnily kromě poloh hladin sledovat i rychlosti proudění průsakové vody. Na základě analýzy výsledků měření se prokázalo, že podstatná část z celkového množství vody přitéká do jámy přes písečnaté vrstvy pod dolními konci stěn. Doplnily se čerpací studny a z nejnižší části jámy pod výtahovou šachtou výškové budovy se voda odčerpávala povrchově.

Závěr
Zakládání vysokých budov je stále častěji podmíněno širokým využíváním pilot. Protože se zvětšují podíly zatížení, které musejí přenést, zvyšují se i jejich počty. Cílem je minimalizovat nerovnoměrné složky sedání. Investoři by se měli rozhodnout, zda extrémní minimalizace sedání nesměřuje ke zbytečně velkým nákladům na zakládání. V této souvislosti by neměli příliš šetřit na geotechnických průzkumných pracích. Kvalitní podklady mohou vést ke spolehlivým a ekonomicky efektivním řešením.

Stejný požadavek na spolehlivý geotechnický průzkum platí i pro stavební jámy. Hloubka pažicích a těsnicích stěn bezprostředně souvisí s čerpaným množstvím, odvedením vody i stabilitními problémy podloží vysokých budov.

Text a foto: prof. Ing. Jozef Hulla, DrSc.

Autor je profesorem na katedře geotechniky Stavební fakulty Slovenské technické univerzity. Zabývá se řešením vědeckých a odborných problémů stavební geo­techniky.

Literatura
1. Brandl, H.: Settlement Minimizing Pile and Diaphragm Wall Foundations for High-rise Buildings and Bridges. In: Geotechnika v urbanizovanom prostredí. Bratislava: SvF STU, 2005, s. 17–46.
2. Hulla, J.: Sedání vysokých budov. Realizace staveb 01/2007, s. 46–47.
3. Hulla, J. – Jesenák, J. – Masarovičová,M. – Slávik, I. – Mázor, J.: Dvíhanie dna stavebnej jamy a sadanie budovy Národnej banky Slovenska. Bratislava: SvF STU, 1997, 96 s.
4. Katzenbach, R. – Bachmann, G. – Boled-Mekascha, G. – Ramm, H.: The Combined Pile Raft Foundations (CPRF): An Apropriate Solution for the Foundation of High-rise Buildings. In: Geotechnika v urbanizovanom prostredí. Bratislava: Stavebná fakulta STU, 2005, s. 47–60.
5. Katzenbach, R.: Hochhäuser in Frankfurt am Main. Frankfurt/Darmstadt: Technische Universität, 2006, 49 s.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.