Konstrukční systémy vícepodlažních budov

Svislé nosné konstrukce spolu s konstrukcemi vodorovnými vytvářejí rozhodující část nosného konstrukčního systému. Nerespektováním vlastností, které jsou z hlediska statiky u vysokých staveb zásadní, se mimo jiné zvyšují také finanční nároky na realizaci.

Primární funkce svislých konstrukcí je nosná a ztužující, kromě toho mohou svislé konstrukce plnit i další funkce, které lze nahradit nebo doplnit přídavnými materiá­ly a konstrukčními prvky. Podívejme se na některé z nich.

Základní funkce svislých konstrukcí
Nosná funkce
Svislé nosné konstrukce (stěny, sloupy, pilíře) přenášejí zatížení ze stropních konstrukcí, schodišť a střechy do základů. Zatížení je přitom rozloženo buď liniově (stěny, stěnové pilíře), nebo je koncentrováno bodově (sloupy). Z hlediska působiště je vnější zatížení situováno dostředně (centricky) nebo mimostředně (excentricky). Konstrukce je přitom namáhána dostředným (mimostředným) tlakem.

U štíhlých vysokých prutů (stěn) je rozhodující namáhání vzpěrným tlakem. O způsobilosti konstrukce potom rozhoduje možnost jejího vybočení ve směru menší tuhosti průřezu (menšího momentu setrvačnosti). Z tohoto důvodu je vhodné pro tyčové prvky namáhané vzpěrným tlakem volit takové průřezy, jejichž tuhost je ve všech směrech přibližně stejná, nebo zvolit konstrukční úpravu, při níž lze vybočení zabránit. Stěna nebo stěnový pilíř lépe odolávají účinkům vzpěru, jsou-li lomené, případně spojené s kolmo orientovanými prvky. Vybočení prvku závisí také na upevnění jeho konců. Teoretická délka střednice tlačeného prvku je při výpočtu zvětšena (zmenšena) součinitelem vyjadřujícím způsob upevnění.

Ztužující funkce
Svislé konstrukce, u kterých je jeden z půdorysných rozměrů výrazně větší než druhý rozměr (stěny a stěnové pilíře), jsou schopny ve směru delšího rozměru (většího momentu setrvačnosti průřezu) přenášet i zatížení vodorovná. Prvek mající v určitém směru vysokou ohybovou a smykovou tuhost plní v konstrukci i funkci ztužující. U tyčových prvků (sloupy), jež mají ve směru působícího vodorovného zatížení malou ohybovou a smykovou tuhost, lze obdobného ztužujícího efektu dosáhnout jejich vzájemným spřažením pomocí ohybově a smykově tuhých průvlaků nebo doplněním diagonálních ztužidel.

Dělicí funkce
Svým uspořádáním v konstrukčním systému svislé konstrukce oddělují jednotlivé dispoziční a provozní části budov.

Tepelněizolační funkce
Svislé konstrukce oddělující prostory s různou teplotou prostředí mohou zajistit tepelnou pohodu v těchto prostorech. Výborných tepelněizolačních vlastností lze dosáhnout vylehčováním materiálu přímo ve hmotě (pórobeton, mikrodutiny v pálené keramice) nebo vytvářením vzduchových mezer a dutin (děrované cihly, tvárnice apod.).

Zlepšování tepelnětechnických vlastností materiálů zpravidla snižuje jejich pevnost, a tím i celkovou únosnost konstrukce. Proto tepelněizolační funkci u vícepodlažních bu­dov nezabezpečujeme materiálem nosné kon­strukce, nýbrž dalšími účinnými tepelněizolačními vrstvami (tepelněizolační omítky, tepelněizolační vrstvy z izolačních desek z minerálních vláken či pěnového polystyrenu apod.).

Akustická funkce
Svislé konstrukce (především stěny) mohou působit zároveň jako akustická izolace mezi jednotlivými prostory. K zajištění potřebné zvukové izolace chráněných prostorů lze také využít relativně vysoké plošné hmotnosti nosných cihelných a betonových stěn (hodnota nad 350 kg/m² – odpovídá přibližně cihelnému zdivu z plných cihel o tloušťce 300 mm).

Protipožární funkce
Nosné konstrukce musejí být z hlediska bez­pečnosti celého systému vytvořeny z nehořlavých materiálů nebo musejí být proti účinkům požáru chráněny. Stěnové konstrukce také mohou přímo oddělovat požární úseky a vytvářet chráněné únikové cesty. Aby mohly svislé nosné konstrukce plnit především primární požadavky na mechanickou odolnost, je nutné jednotlivé části i celý nosný systém dimenzovat tak, aby předpokládané extrémní zatížení nezpůsobilo jejich porušení nebo ztrátu stability.

Specifika výškových 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:

• stěnové,
• prutové,
• kombinované.

U stěnových systémů závisí efektivnost přenosu na vzájemném spojení stěn a na jejich případném oslabení otvory. V ideálním případě tuhého spojení se soustava stěn chová podle teorie pružnosti; smykové napětí od vodorovného zatížení v jejich fiktivním spoji má po výšce styku lineární trojúhelníkový průběh a tomu odpovídající normálové napětí v patě stěny. V běžných případech, kdy ani stěna, ani vzájemné spojení stěn není nekonečně tuhé, se uplatňuje 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 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. Spojení se sousedními panely bylo realizováno pouze skobkou z hladké oceli v úrovni stropní konstrukce. Pokud skladbou stropních panelů nedojde ani k provázání 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. Se zvětšující se výškou objektu totiž 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 nastavované panelové budovy se v běžných případech neprověřuje a je jen otázkou času, kdy dojde k dalšímu porušování již tak poškozených styků v panelových domech, v krajním případě dokonce ke ztrátě stability některých konstrukčních prvků.

U prutových systémů přenášejí vodorovné účinky buď dvojice osových sil – tah a tlak (tzv. příhradové soustavy), anebo kombina­ce ohybového momentu a normálové síly (rámové soustavy). S ohledem na výšku budovy je nutná analýza vnitřních sil i z hledis­ka provádění montážních spojů. U nízkých rámových soustav (u nás běžných cca 10 až 15 podlaží) bývá volen montážní spoj v mís­tě minimálního (nulového) ohybového momentu podle svislého zatížení příčle (vlastní váha stropní konstrukce, podlahy, příčky, užitné zatížení) asi 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. U kombinovaných systémů se často odděluje nosná a ztužující funkce. Některé svislé prvky, například 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, jež 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.

Výškové budovy ve světě a u nás
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 metrů a svým vzhledem se nelišily od klasické městské zástavby. K výstavbě budov s takovou výškou se používala litina, do té doby netradiční materiál pro nosné konstrukce, později také konstrukční ocel nebo železobeton. Magickou výšku 100 metrů 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, stěny budovy by musely mít tloušťku několika metrů. Výška Empire State Building (449 m včetně antény), jednoho z nejznámějších mrakodrapů postaveného v roce 1931, nebyla po dlouhých čtyřicet let překonána.

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 v letech1971 až1973, výška 417 m, Sears Tower v Chicagu, USA, postaveno 1974, výška včetně antény 519 m, Petronas Tower v Kuala Lumpur, Malajsie, postaveno 1998, výška 452 m). Jedním z prvních výškových domů u nás byl tzv. Baťův mrakodrap, postavený v letech 1937 až 1938 jako sídlo ředitelství obuvnické firmy Baťa ve Zlíně. Budova má 13 pater a měří 77,5 metrů. Po druhé světové válce v roce 1954 byl v pražských Dejvicích v duchu socialistického realismu postaven hotel Internacionál (nyní Crowne Plaza Prague), dosahující výšky 88 metrů. Výšky přes 100 metrů dosahují v Praze pouze dva objekty – budova administrativní budovy Motokovu (nyní City Empiria, výška 104 m, postaveno 1977) a bývalá, dosud nedokončená budova Rozhlasu (nyní City Tower, výška 109 m, výstavba od 1986). Bouřlivé diskuse probíhají o zástavbě Pankrácké pláně výškovými budovami, které mají své odpůrce i zastánce.

K českým specifikům jistě náleží i výškové obytné budovy postavené ze železobetonu a montovaných prvků. Jeden z nejvyšších montovaných obytných domů byl postaven v letech 1964 až 1967 v Praze 10. Jedná se o věžový obytný dům, který má 20 nadzemních obytných podlaží, celková výška objektu je 64 metrů.

Závěr
S připravovanými urbanistickými studiemi, které budou specifikovat území se zastavitel­ností výškovými budovami v Praze, například po vzoru Vídně, se výstavba výškových budov našemu hlavnímu městu 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, jež jsou z hlediska statiky pro výškové budovy zásadní, se zvyšují finanční nároky na realizaci těchto staveb. Přepis dispozice nízkopodlažní stavby doslova 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.

TEXT: doc. Ing. Hana Gattermayerová, CSc.
FOTO: archiv autorky

Autorka působí na katedře konstrukcí pozemních staveb Stavební fakulty ČVUT v Praze.

Literatura
1.    V. Hájek a kol.: Konstrukce pozemních staveb 10, Nosné konstrukce. Skriptum. Praha: ČVUT, 2004.
2.    Gattermayerová: Sylaby přednášek Building Structures 3. Praha: Stavební fakulta ČVUT, 2006.
3.    Ing. Mag. Rudolf Zunke: Plánování městského rozvoje ve Vídni. Přednáška na mezinárodní konferenci Výškové budovy v historických centrech Evropy, Praha, září, 2007.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.