asb-portal.cz - Odborný portál pro profesionály v oblasti stavebnictví

Sedání vysokých budov

15.01.2008
Vysoké budovy mají obvykle několik podzemních podlaží a značné hloubky založení, takže se u nich většinou nevyskytují problémy se splněním podmínek stability pro první skupinu mezních stavů, související s únosností základové půdy, a to ani při zohlednění seizmických účinků a nárazů větru. Hlavním problémem se proto stává druhá skupina mezních stavů, která souvisí se sedáním a jeho nerovnoměrnými složkami.

Vysoké budovy se naklánějí, jejich základy se prohýbají, zvětšují se i nerovnoměrné složky sedání okolních staveb. V mnohých velkých evropských městech, jako například ve Vídni, Frankfurtu nad Mohanem, ale i v menší Bratislavě, se vyskytují v různých hloubkách pod základy vysokých budov jílovité zeminy, které mají velkou stlačitelnost. Evropské výškové budovy jsou však poměrně nízké – v porovnání s nejvyššími budovami světa na Tajwanu, v Malajsii nebo v USA je jejich výška jen čtvrtinová, resp. poloviční.

Základy vysokých budov

Podle konkrétních podmínek se budovy s výškami kolem 100 až 150 m zakládají plošně na deskách (obr. 1a). Celé zatížení se přenáší do základové půdy bezprostředně v místě kontaktu se základovou deskou. Budovy vysoké 150 až 250 m se zakládají na pilotách s kombinovaným přenosem (obr. 1b). Jednu část zatížení přenášejí piloty, druhou zemina mezi nimi. Budovy vyšší než 250 m se obvykle zakládají na pilotách s plným přenosem, které jsou opřené nebo vetknuté do skalního podkladu (obr. 1c).


Obr. 1: Základy vysokých budov 
a) plošné, b) kombinované, c) hloubkové


V Bratislavě například sahají štěrkové zeminy do hloubky 14 až 20 m, pod nimi hlou­běji je vrstva neogenních jílů o tloušť­ce místy až 100 m, takže pro plošně založené vysoké budovy s menším počtem podzemních podlaží je takové podloží velmi výhodné. V málo stlačitelné štěrkovité vrstvě se koncentrují největší napětí, kterými se redukuje sedání. Pro bratislavské podmínky není vhodný kombinovaný přenos, protože pilotami se málo stlačitelnými štěrkovitými zeminami přenáší zatížení do podstatně stlačitelnějších jílovitých zemin. Na úpatích a svazích Karpat se těsně pod povrchem nebo v menší hloubce vyskytují krystalické horniny, které umožňují založit vysoké budovy plošně nebo hloubkově s plným přenosem zatížení do nestlačitelného podkladu.

Sedání vysokých budov

Při hloubení stavební jámy se odlehčuje jílovité podloží, úroveň základové spáry se zvedá a v aktivní zóně se zvětšuje stlačitelnost zemin podloží. Během výstavby se úroveň základové spáry i s podložím zatěžuje a přitěžuje.

Zatěžováním nazýváme tu část změny napjatosti, při níž se původní napětí, způsobené vlastní tíhou zemin v základové spáře, nahradilo stavbou. Přitížením rozumíme tu část kontaktního napětí, která je ve spáře plošného základu větší než původní napětí způsobené vlastní tíhou zemin. Takové rozlišování stavů napjatosti a jim odpovídajících charakteristik stlačitelnosti je potřeba respektovat při výpočtech zvedání a sedání základové spáry.

Na obr. 2 je uvedený vývoj maximálních posunů základové spáry pod středem výškové budovy Národní banky Slovenska (výška 111 m, tři podzemní podlaží, plošné založení na základové desce) ze speciálních měření společnosti GeoExperts a konečné sedání podle našich výpočtů. Základová spára se po výkopu stavební jámy zvedla o 56 mm a do konce roku 2006 sedla o 65 mm. Zvětšování sedání během provozu způsobila konsolidace neogenního podloží; podle našich výpočtů se zřejmě nepřekročí hodnota sedání 80 mm.



Obr. 2: Vývoj posunů základové spáry pod středem výškové budovy NBS v Bratislavě


Vybrané informace o sedání některých vysokých budov jsou v tab. 1. Plošně založené vysoké budovy ve Frankfurtu nad Mohanem sedají kolem 100 až 340 mm, v Bratislavě 55 až 65 mm, s kombinovaným přenosem ve Vídni a ve Frankfurtu 25 až 120 mm, s plným přenosem zatížení pilotami sedají 20 až 30 mm ve Frankfurtu a v Kuala Lumpur až do 60 mm.

Na obr. 3 je fotografie budovy DG Bank na Náměstí republiky ve Frankfurtu nad Mohanem, u níž se uvádí sedání 110 mm (Katzenbach 2006). Je vysoká 208 m, má 53 nadzemních a 3 podzemní podlaží, 25 výtahů; pracuje v ní 1 600 zaměstnanců. V podloží jsou Frankfurtské jíly, budova má kombinované pilotově-deskové založení, na které se použilo 40 vrtaných pilot dlouhých 30 m s průměrem 1,3 m.

Zakládání Millenium Tower

Velmi náročné geotechnické procedury se realizovaly ve Vídni při zakládání Millenium Tower, stavby vysoké 202 m (Brandl 2005). Mezi základovou spárou a povrchem terciérních hlinitých a jílovitých sedimentů byla vrstva štěrkovitých zemin o tloušťce 4 až 7 m. Po výkopu stavební jámy se tato vrstva zhutnila hloubkovou vibrací, potom bylo zabudováno 151 kontinuálně vrtaných pilot s průměrem 0,88 m a s délkou 13 až 16 m. Mezi hlavu každé piloty a dolní plochu základové desky o tloušťce 2,2 m se osadil plochý lis. Každá pilota se pomocí plochého lisu podrobila zatěžovací zkou­šce; při zatížení 3 500 kN se při prvním zatěžovacím stupni dosáhlo zatlačení hlav pilot v rozsahu od 9 mm do 37 mm. Z toho lze usoudit, že vlastnosti zemin v podloží stavby byly velmi rozdílné. Několikerým opakováním zatěžovacích a odlehčovacích cyklů se pomocí plochých lisů podařilo dosáhnout­ prakticky homogenních podmínek; při zatížení 3 000 kN byly přírůstky sedání všude stejné –5 mm. Potom se prostor v plochých lisech a jejich okolí vyplnil cementovou suspenzí.

Tab. 1: Informace o sedání některých vysokých budov



Závěr

Zakládání vysokých budov není v současnosti vážným technickým problémem ani u nás, ani v zahraničí. Nároky staveb, základové poměry, technologické možnosti a zkušenosti úspěšných geotechnických firem umožňují optimalizovat základové konstrukce – rozhodujícím požadavkem a kritériem bývá přiměřené sedání budovy.

Nehomogenní vlastnosti základových půd představují značná rizika při odběru neporušených vzorků a vedou k přeceňování výsledků laboratorních zkoušek. Proto si budování náročných vysokých staveb vyžaduje zodpovědný přístup už při geologickém průzkumu.

Podstatně spolehlivější jsou poznatky o chování hotových staveb v podobných podmínkách a monitoring nových staveb spolu s observační metodou, která umožňuje vykonat potřebné korekce projektů i během výstavby.

tab. 1 zcela jednoznačně vyplývá, že v Bratislavě jsou vhodné geotechnické podmínky k plošnému zakládání budov s výškou do 150 m. Různé argumenty o „bezpodmínečné“ potřebě stovek pilot, které málo stlačitelnými štěrkovitými zeminami nevhodně přenášejí zatížení do stlačitelnějších a méně pevných jílovitých zemin v podloží, o ekonomické nevýhodnosti základových desek s větší tloušťkou atd. jsou absolutně neopodstatněné. Jednoznačně předražují stavby a v podloží zbytečně pochovávají značné finanční prostředky investorů i budoucích nájemníků či majitelů administrativních a bytových prostor.


prof. Ing. Jozef Hulla, DrSc.
Foto a obrázky: autor

Příspěvek je součástí řešení projektu VEGA č. 1/3320/06 Interakcia vybratých geotechnických konštrukcií s horninovým prostredím.

Autor působí na Katedře geotechniky Stavební fakulty Slovenské technické univerzity v Bratislavě. 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: Geotechnics in Urban Areas. Bratislava: Stavebná fakulta STU, 2005, s. 17–46.
(2)    Gróf, V.: Výsledky meraní Národnej banky Slovenska v Bratislave za rok 2006. Žilina: GeoExperts.
(3)    Hulla, J. – Jesenák, J.– Masarovičová, M. – Mázor, J. – Slávik, J.: Dvíhanie dna stavebnej jamy a sadanie budovy Národnej banky Slovenska v Bratislave. Bratislava: Stavebná fakulta STU, 1997, 57 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: Geotechnics in Urban Areas. Bratislava: Stavebná fakulta STU, 2005, s. 47–60.
(5)    Katzenbach, R.: Hochhäuser in Frankfurt am Main. Frankfurt/Darmstadt: Technische Universität, 2006, 49 s.

Komentáře

Prepíšte text z obrázku do poľa. Ak nedokážete text rozoznať, kliknite na obrázok.

Další z Jaga Media