Multifunkčná hala Arény Brezno

Štúdium prírodných organizmov vytvárajúcich multifunkčné systémy umožňuje získať dôležité informácie, na základe ktorých možno ďalej vytvárať optimálne projekty bionických konštrukcií.

V októbri 2009 bola odovzdaná do užívania Aréna Brezno (obr. 1), multifunkčná hala zimného štadióna v Brezne pre 3 000 divákov, ktorá sa radí medzi najkrajšie súčasné drevené stavby svojho druhu  na Slovensku. Nosný systém strechy haly tvorí konštrukcia z drevených lepených hlavných nosníkov s bionickým podhľadom z prvkov z rezaného dreva. Bionický podhľad symbolizuje korunu stromu, tvorenú v dolnej časti pňom, ktorý sa postupne rozvetvuje až do tenkých konárov na vrchole. Bionický podhľad tvorený mohutným hlavným nosným oblúkom z lepeného dreva, ktorý sa postupne rozvetvuje do oblúka podvesenej bionickej klenby a do jej subtílnych prvkov z rezaného dreva vo vrchole. Vytvoril sa tým esteticky i funkčne zaujímavý interiér haly. Podvesená bionická klenba súčasne tvorí zavetrovanie ako aj nosný systém pre interné osvetlenie, ozvučenie, vykurovanie a pre uloženie potrubí klimatizácie haly.

Obr. 1 Aréna Brezno	Obr. 2 Čelný pohľad na halu

Osvetlenie denným svetlom zabezpečujú bočné svetlíky so zvislými sklenenými stenami ako aj presvetľovacími zvislými čelnými stenami (obr. 2). Pri stavbe sa, okrem iného, zohľadnila aj optimalizácia geometrického tvaru haly a to tak, aby sa dosiahlo cielených zosuvov snehu, a tým aj redukcia extrémneho zaťaženia snehom charakteristického pre záťažovú oblasť, do ktorej Brezno patrí ([1] až [3]).

Konštrukcia
Vzhľadom na lokalizáciu Brezna uprostred lesov a hôr Horehronia, už v úvodných fázach projektovania vystúpila do popredia dôrazná požiadavka investora na vytvorenie atraktívnej drevenej konštrukcie prekrytia zimného štadióna ako symbolu kultúrnych tradícií obyvateľov daného územia (obr. 3 až 6).

Obr. 3 Pohľad na nosnú konštrukciu haly počas montáže	Obr. 4 Pohľad na dokončenú halu
Obr. 5 Pohľad na tribúny haly	Obr. 6 Interiér haly

Zakladanie
Na základe vykonaného geologického prieskumu sa špecifikoval spôsob zakladania základových pätiek hlavných nosníkov na systéme pilot vŕtaných do hĺbky od –1,0 až do asi –10,0 m. Na vŕtané pilóty sa uložil armovaný základový pás s hrúbkou 1,0 a šírkou 2,0 m, na ktorý sa umiestnili kotevné pätky s výškou 3,0 m s konštantným obdĺžnikovým prierezom 1,0 × 2,0 m. Na pätky sa uložili oceľové konštrukcie kotevných koncových kĺbov hlavných nosných oblúkov. Pod každou kotevnou pätkou sa nachádzajú štyri vŕtané pilóty.

Strešná konštrukcia, nosný systém
Nad ľadovou plochou sa realizovala strešná konštrukcia, tvorená hlavnými nosnými oblúkmi z lepeného dreva, umiestnenými v modulových vzdialenostiach po 6 000 mm. Hlavné oblúky sú spojené s podvesenými nosníkmi zavetrovacej bionickej klenby štadióna, vytvorenej z prvkov rezaného dreva. Bionická klenba je staticky zakomponovaná do nosnej konštrukcie oblúkov ako výstužný a zavetrovací systém, ktorý súčasne nesie podstrešnú osvetľovaciu plochu štadióna.

Hlavné drevené nosné oblúky navrhnutej strešnej konštrukcie zimného štadióna tvoria dvojice paralelne umiestnených trojkĺbových podoblúkov. Celkové rozpätie hlavného dreveného nosného oblúka je 56 m. Hrúbka prierezu každého hlavného dreveného nosného oblúka je po celej dĺžke konštantná, s rozmerom 2 × 200 mm, s medziľahlou medzerou 200 mm na umiestnenie podoblúka, na ktorom je podvesená zavetrovacia klenba. Výška prierezu každého hlavného dreveného nosného oblúka je po dĺžke rozpätia premenná, od 1 800 mm v mieste uloženia na koncové kĺby na pätkách až do 780 mm v kĺbovom uložení v strede rozpätia. Dvojica nosníkov každého hlavného nosného oblúka z lepeného dreva je uložená vo vzájomnej osovej vzdialenosti po 400 mm, so svetlosťou medziľahlého prierezu 200 mm.

Statické prepočty a posúdenia haly vychádzali z lineárne pružného pôsobenia síl v ťahaných zónach nosnej konštrukcie a pružne-plastického pôsobenia síl v tlačených zónach lepených drevených nosných prvkov.
Celková výška nosnej konštrukcie zastrešenia je 22 m. Celková dĺžka nosnej konštrukcie štadióna je 78 m. Podhľad podstrešnej osvetľovacej plochy štadióna tvorí podvesená bionická štruktúra vzájomne pospájaných drevených prútových prvkov, ktoré tvoria súčasne zavetrovanie konštrukcie v pozdĺžnom i v priečnom smere. Maximálna výška ­bionickej osvetľovacej oblohy nad ľadovou plochou je 14 m.

Ako materiál hlavných nosných oblúkov a oblúkov bionickej štruktúry klenby podhľadu sa použilo lepené drevo na báze oravského smreka, odporúčaná trieda SA, podľa zrušenej STN 73 1701: 1983 (Nahradená STN EN 1995-1-1+A1: 2008: Eurokód 5. Navrhovanie drevených konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecne – Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy a STN EN 1995-1-2: 2008: Eurokód 5. Navrhovanie drevených konštrukcií. Časť 1-2: Všeobecné pravidlá. Navrhovanie konštrukcií na účinky požiaru). Použité drevo smrek obyčajný (Picea abies) má mechanické vlastnosti spĺňajúce požiadavky STN EN 384: 2004: Drevo na stavebné nosné konštrukcie. Zisťovanie charakteristických hodnôt mechanických vlastností a hustoty, trieda C27. Na spojovanie sa použilo špeciálne epoxidové lepidlo s viskozitou 600 až 1 200 (Pa . s) nanášané pri teplote 25 ˚C. Ako materiál prútových prvkov bionickej štruktúry podhľadu sa použilo rezané drevo na báze oravského smreka. Drevené nosné oblúky sú okuté v miestach koncových uložení, ako aj kĺbu v strede rozpätia oceľovými koncovkami respektíve pätkami.

Strešný plášť tvoria drevené hranoly 250/120, s rozpätím 6 m, na ktoré sa uložil drevený záklop, všetky normou požadované izolačné vrstvy a povrchový hliníkový plech.

Čelné steny na východnej a západnej strane haly tvoria oceľové hlavné nosníky, s predsadeným oceľovým roštom, ktorý tvorí nosný systém pre farebne tónované sklenené okná. Nosný systém tribún sa realizoval zo železobetónu.

Problémy a analýzy nosného systému haly
Okrem problémov optimalizácie geometrie realizovanej na dosiahnutie cielených zosuvov snehu a odľahčenia konštrukcie počas jej zimnej prevádzky, vystúpili pri statickej analýze do popredia otázky multifunkčného spolupôsobenia jednotlivých prvkov nosného systému pri rôznych druhoch zaťaženia. Multifunkčné spolupôsobenie je prvkom filozofie návrhu, spočívajúcej v integrácii viacerých projektových funkcií každého konštrukčného prvku. Napríklad hlavné nosné oblúky majú funkcie jednak z aspektov prenosu vertikálnych zaťažení od vlastnej váhy, snehu, vetra a teploty, súčasne sú ale aj prvkami komplexného škrupinového pôsobenia nosného systému haly. Komplexné škrupinové pôsobenie reprezentuje škrupina strešného plášťa, ortotropne vystužená hlavnými nosnými oblúkmi, ktorá pôsobí v interakčnom prepojení s priehradovou škrupinou podvesenej bionickej klenby. Samotná bio­nická klenba má jednak statický účinok: jednak prenáša vertikálne zaťaženie od vlastnej hmotnosti, hmotnosti zabudovaných potrubí a osvetlenia, jednak plní funkciu komplexného zavetrenia nosnej konštrukcie. Hierarchickou konfiguráciu bio­nickej štruktúry sa zo statického hľadiska dosiahli efektívne silové toky v konštrukcii, a tým jej optimálne materiá­lové a tvarové vlastnosti na prenos ohybových, šmykových a torzných namáhaní. Výpočtový model s číslovaním uzlov hlavného nosného oblúka, použitý pri analýze konštrukcie, je znázornený na obr. 7.

Obr. 7 Model hlavného nosného oblúka haly

Použitý laminátový kompozit je vybavený zabudovanými samohojiteľnými mechanizmami, ktoré sa aktivujú v prípade vzniku lokálnej poruchy, respektíve trhliny v materiáli. Mechanizmus tvoria rovnomerne rozložené lokálne bunky použitého špeciálneho lepidla vo vnútri kompozitu, ktoré sa automaticky aktivizujú pri preťažení materiálu, respektíve konštrukcie. Lokálne bunky sa aplikovali v hierarchickej konfigurácii kompozitu a sú dostatočne malé na to, aby nenastala výrazná zmena jeho výsledných štrukturálnych parametrov. Pri preťažení sa bunky odpoja od priľahlých prvkov ešte pred vznikom fatálneho poškodenia a ich opätovné spojenie nastáva vplyvom vznikajúcej redistribúcie napätia v kompozite. Veľký počet týchto buniek zabezpečuje, že sa konštrukcia ako celok dostáva do medzného pôsobenia až tesne pred fatálnou deštrukciou, čím sa vytvára časový priestor na záchranné práce.

Na zabezpečenie kompozitného spolupôsobenia sa použili špeciálne šmykové konektory v zónach koncentrovaných síl respektíve zaťažení. Konektory sa aplikovali so zreteľom na tri hlavné parametre, dané zmenami v tuhosti, v momentovej odolnosti a v tvárnosti. Pri dynamických zaťaženiach (napríklad účinky vetra alebo cielené zosuvy snehu) sa konektormi zabezpečuje požadovaná multifunkčnosť celého nosného systému.

Prístupy použité pri optimálnom návrhu prvkov škrupinovej drevenej strešnej konštrukcie haly boli založené na zohľadnení nasledovných dimenzačných limitov:

• geometrické limity – minimálne a maximálne plochy, rozmery a tuhosť použitých konštrukčných prvkov,
• napäťové limity – maximálne prípustné napätie,
• deformačné limity – maximálne prípustná deformácia a pootočenie,
• predpísané rezonančné, stabilitné a únavové limity.

Uvedené limity platia pre všetky vystupujúce statické a dynamické zaťaženia haly. Napäťové, deformačné, rezonančné, stabilitné a únavové limity sú nelineárnymi funkciami návrhových premenných.

Záver
Špecifikácia geometrického tvaru priečneho rezu haly vychádzala z požiadaviek na funkčnosť a estetiku. Pri návrhu haly sa použili techniky optimalizácie, aby sa dosiahli cielené zosuvy snehu na odľahčenie konštrukcie počas jej zimnej prevádzky ([1] až [3]).

Ide o viacúčelovú halu, vybavenú najmodernejšími technológiami klimatizácie, vykurovania i chladenia, výroby ľadu a interného vybavenia.

Investorom stavby bol Magistrát mesta Brezno. Návrh zastrešenia a projektovú dokumentáciu vypracovala Inžinierska kancelária TESÁR & PARTNER, Bratislava. Generálnym zhotoviteľom stavby bola firma UNISTAV, a. s., Prešov. Výrobu a montáž lepených a rezaných hlavných drevených nosných oblúkov, ako aj prvkov podvesenej bionickej drevenej klenby uskutočnili firmy TECHNOMOL, a. s., Dolný Kubín a TESCO, a. s., Praha.

TEXT: hosť. prof. Ing. Alexander Tesár, PhD., DrSc.
Foto: autor

Hosť. prof. Ing. Alexander Tesár, PhD., DrSc., je komplexným autorizovaným inžinierom SKSI (Inžinierska kancelária Tesár a Partner) a pracovníkom Ústavu stavebníctva a architektúry SAV.

Literatúra
1.  Tesar, A.: Bionics and fractal configurations in structural engineering. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2006, 68, 790 to 807.
2.  Tesar, A.: Optimization control of bionics shell roofs­ subjected to snow skidding. International Journal for Numerical Methods in Engineering 2007, 69, 1446 to 1459.
3.  Tesár, A.: Komplexná projektová dokumentácia dostavby zimného štadióna v Brezne na viacúčelovú halu. Inžinierska kancelária TESÁR & PARTNER, Bratislava, 2005 až 2009 (archív Magistrátu mesta Brezno).

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.