Konstrukční systémy vícepodlažních budov

Základním rozdělením konstrukčních systémů pro vícepodlažní budovy je prostorové uspořádání svislých prků, jejich tvarové řešení a vzájemné propojení. Kritériem vhodnosti konstrukce je potom schopnost vzdorovat vodorovným zatížením. Z tohoto pohledu jsou možné tyto systémy:

U stěnových systémů stěny přímo přenášejí vodorovná zatížení. Efektivnost přenosu závisí na vzájemném spojení stěn a jejich případném oslabení otvory. V ideálním případě tuhého („nekonečně tuhého“) spojení se soustava stěn chová podle teorie pružnosti, kde smykové napětí od vodorovného zatížení v jejich fiktivním spoji má po výšce styku lineární trojúhelníkový průběh a tomu odpovídající normálové napětí v patě stěny – obr. 6.

V běžných případech, kdy ani vlastní stěna, ani jejich vzájemné spojení není nekonečně tuhé, uplatňuje se jednak vliv smykové poddajnosti dlouhých stěn, jednak vliv snížené tuhosti stěny otvory, reologickými vlastnostmi materiálu apod. Extrémním případem je potom vzájemné nespolupůsobení stěn, kdy každá z jejich dílčích částí se chová jako samostatný celek a napětí, která její dílčí části přenášejí, jsou mnohonásobně vyšší, než při teoretickém nekonečně tuhém spojení.

Jako příklad zde může sloužit ztužující stěna ve vícepodlažním montovaném objektu (např. panelový dům postavený před 40 lety). Styky mezi svislými panely byly v počátcích panelové výstavby navrhovány s hladkými bočnicemi bez smykových hmoždinek – obr. 3. Spojení se sousedními panely bylo realizováno pouze skob­kou z hladké oceli, a to pouze v úrovni stropní konstrukce. Pokud skladbou stropních panelů nedojde ani k převázání svislého styku panelů a ve svislé zálivce mezi panely je smršťovací trhlina, liší se skutečné chování konstrukce od kdysi teoretického předpokladu spolupůsobení jednotlivých panelů. Tento stav je alarmující především u prováděných nástaveb na panelových domech, kdy se zvětšující se výškou objektu stoupá i zatížení větrem a projektant nástavby musí zajistit, aby stávající konstrukce tato přídavná zatížení přenesla. Ze zkušeností z expertní činnosti lze konstatovat, že stav styků stávající nastavované panelové budovy se v běžných případech projektovaných nástaveb neprověřuje a je jen otázkou času, kdy vlivem nástaveb dojde k dalšímu porušování již tak poškozených styků v panelových domech, v krajním případě i ke ztrátě stability některých konstrukčních prvků.

Obr. 3 (nahoře) Profilace bočnic stěnových panelů. Hladká spára, nepřenášející smykové napětí (počátky panelové výstavby), zazubené spáry, přenášející smykové napětí hmoždinkovým efektem.

Obr. 4 (vpravo) Průběh ohybových momentů na patrovém rámu od zatížení svislého (inflexní bod ve 1/4 délky příčle), od zatížení vodorovného (inflexní bod uprostřed příčle) a detail montážního styku příčle rámu u mrakodrapu Sears Tower

U prutových systémů přenášejí vodorovné účinky buď dvojice osových sil: tah a tlak (tzv. příhradové soustavy), a nebo kombinace ohybového momentu a normálové síly (rámové soustavy) – obr. 5. S ohledem na výšku budovy je nutná analýza vnitřních sil i z hlediska např. provádění montážních spojů. U nízkých rámových soustav (u nás běžných zhruba 10 – 15 podlaží) bývá volen montážní spoj v místě minimálního (nulového) ohybového momentu podle svislého zatížení příčle (vlastní váha stropní konstrukce, podlahy, příčky, užitné zatížení) přibližně v její čtvrtině délky. Ohybový moment od zatížení větrem není pro návrh rámového rohu zpravidla rozhodující. Naopak u velmi vysokých budov (Sears Tower, 442 m) rozhoduje o dimenzích rámového rohu vodorovné zatížení. Montážní spoj příčle je potom volen s ohledem na průběh momentu od větru na příčli uprostřed rozpětí – obr. 4. U kombinovaných systémů se často funkce nosná a ztužující oddělují. Některé svislé prvky, např. sloupy, působí jako kyvné stojky, slouží pouze k podpoře stropních konstrukcí a nepodílejí se na zajištění prostorové tuhosti. Ta je přiřazena seskupení dalších svislých konstrukcí, které jsou vzájemně propojeny a vytvářejí vnitřní nebo obvodová ztužidla. V případě stěnových ztužidel mohou sloužit zároveň jako vnitřní komunikační prostor, u příhradových se často uplatňují jako výrazný architektonický prvek na fasádě – obr. 2.

Obr. 5 Rozdělení vodorovného zatížení pruty. Přenos vodorovného zatížení u prutových soustav v závislosti na vzájemném spojení prutů a jejich tuhosti

Pojem „mrakodrap“ (anglicky skyscraper) se začal v souvislosti s vysokými budovami objevovat ve Spojených státech koncem 19. století. První vysoké budovy měly výšku do 100 m a svým vzhledem se nelišily od klasické městské zástavby. K dosažení této výšky však již bylo použito do té doby neklasického materiálu pro nosné konstrukce, a to litiny, později  konstrukční oceli nebo železobetonu. Magickou výšku 100 m překonala budova Manhattanské životní pojišťovny (106,1 m) postavená v roce 1894 v New Yorku.  Pro srovnání, pokud by v té době byly při výstavbě uplatněny zásady tehdy v Rakousko–uherské monarchii platného Stavebního řádu, budova by musela mít stěny v tloušťce několika metrů – obr. 7. Výška jednoho z nejznámějších mrakodrapů Empire State Building (449 m včetně antény, postaveno v roce 1931) byla po dlouhých čtyřicet let nepřekonaná.

Obr. 6 (nahoře) Rozdělení vodorovného zatížení u stěnových soustav v poměru ohybových a smykových tuhostí stěn a vazeb mezi nimi

Obr. 7 (vpravo) Tloušťky cihelného zdiva podle pražského Stavebního řádu z roku 1886

Teprve od počátku 70. let 20. století se začínají objevovat nové a vyšší budovy, a to nejen ve Spojených státech, ale i v asijských zemích (World Trade Center v New Yorku, USA, postaveno 1971 – 1973, výška 417 m, Sears Tower v Chicagu, USA, postaveno 1974, výška včetně antény 519 m, Petronas Towers v Kuala Lumpur, Malajsie, postaveno 1998, výška 452 m).

Jedním z našich prvních výškových domů byl tzv. Baťův mrakodrap, postavený v letech 1937 – 1938 jako sídlo ředitelství obuvnické firmy Baťa ve Zlíně. Budova má třináct pater a měří 77,5 m – obr. 1. Po druhé světové válce v roce 1954, v duchu socialistického realismu, byl v pražských Dejvicích postaven hotel Internacional (nyní Crowne Plaza Prague), dosahující výšky 88 m. Výšky přes 100 m dosahují v Praze pouze dva objekty – administrativní budova bývalého Motokovu (nyní City Empiria, výška 104 m, postaveno 1977) a bývalá budova rozhlasu (nyní City Tower, výška 109 m, výstavba od 1986). V současné době probíhají bouřlivé diskuse o další zástavbě Pankrácké pláně výškovými budovami, které mají své odpůrce i zastánce.
K českým specifikům jistě náležejí i výškové obytné budovy postavené železobetonovými montovanými technologiemi. Jeden z nejvyšších montovaných obytných domů byl postaven v letech 1964 – 1967 v Praze 10. Jedná se o věžový obytný dům, který má dvacet nadzemních obytných podlaží, celková výška objektu je 64 m – obr. 8.

S připravovanými urbanistickými studiemi, které budou specifikovat území se zastavitelností výškovými budovami v Praze např. po vzoru Vídně 5), se výstavba výškových budov Praze do budoucna zcela jistě nevyhne. Výškové budovy budou vždy tvořit dominanty, u kterých by měla konstrukčně statická stránka tvořit součást koncepce architektonického řešení. Nerespektováním vlastností, které jsou z hlediska statiky pro výškové budovy zásadní, se zvyšují finanční nároky na realizaci těchto staveb. Přepis dispozice nízkopodlažní stavby „nakopírované“ do většího počtu podlaží a opatřené pohledově efektní fasádou nemůže být považováno za vrcholné inženýrské dílo, což by si jistě naše budoucí výškové stavby zasluhovaly.