Aké konštrukčné riešenia ponúkajú dve novostavby výškových budov v Bratislave?

V príspevku sa venujeme najvyššej obytnej budove na Slovensku, 36-poschodovej Klingerke, a budúcej najvyššej budove EUROVEA so 46 nadzemnými podlažiami. Cieľom príspevku je ukázať návrh nosného systému a zakladania železobetónových konštrukcií týchto výškových objektov. Príspevok uvádza aj niektoré porovnania prístupu k navrhovaniu a realizácii jednotlivých konštrukčných častí z pohľadu vývoja navrhovania a skúseností s realizáciou.

Obytná výšková budova Klingerka je lokalizovaná v širšom centre Bratislavy ako súčasť administratívno-bytového komplexu Klingerka 1 (obr. 1). Administratívna budova má 11 nadzemných podlaží a výšku po hornú hranu atiky 49,80 m. Bytový dom s 36 nadzemnými podlažiami s hornou hranou atiky 115,00 m a s výškou posledného obytného podlažia +110,195 m je v súčasnosti najvyššou obytnou budovou v Slovenskej republike.

Objekty sú dispozične prepojené cez štvorpodlažný parkovací dom. Charakteristickým znakom obidvoch objektov je pôdorys elipsovitého tvaru. Bytová veža EUROVEA 2 je súčasťou multifunkčného komplexu EUROVEA 2, ktorý je pokračovaním projektu Eurovea 1 (obr. 2).

Celý komplex je situovaný na ľavom brehu rieky Dunaj v širšom centre hlavného mesta. Multifunkčný komplex Eurovea 2 s pôdorysnými rozmermi 292,7 × 116,2 m má štyri podzemné podlažia určené prevažne na parkovanie. Dominantou komplexu je výšková obytná budova so 46 nadzemnými podlažiami s celkovou výškou 168,00 m od úrovne prízemia. Posledné obytné podlažie je na úrovni 155,660 m.

Klingerka

Nosnú konštrukciu objektu Klingerka tvorí železobetónový skelet so šmykovými stenami a s jadrom. Jadro má hrúbky stien v rozsahu od 600 do 220 mm s triedami betónu C30/37 až C60/75. V spodnej časti jadra majú steny hrúbku do 600 mm z betónu C60/75 vzhľadom na značné oslabenie otvormi.

Šmykové steny tvoria zároveň medzibytové priečky zabezpečujúce aj akustické požiadavky na oddelenie bytov. Ostatné deliace konštrukcie tvoria sadrokartónové priečky. Steny výťahových šácht sú prefabrikované a dilatačne oddelené od stien jadra. Stropné nosné konštrukcie tvoria lokálne podopreté železobetónové dosky s hrúbkami 150, 200 a 250 mm z betónu C30/37.

Stropná doska vnútri jadra je z akustických dôvodov oddilatovaná od stien jadra. V mieste stĺpov a stien navrhnutých z betónu C60/75 je navrhnutá oblasť so šírkou rovnou dvojnásobku hrúbky dosky z betónu triedy C40/50.

Odolnosť stropných dosiek proti pretlačeniu sa rieši využitím šmykových tŕňov. Budova je založené na dosko-pilótovom základe. Základová doska s hrúbkou 1 500 mm z betónu C30/37 je podopretá vŕtanými pilótami s priemerom 900 mm s dĺžkami v rozsahu od 11,5 do 19,5 m. Podzemné podlažia sú navrhnuté ako vodotesná železobetónová konštrukcia. Hrúbky stien a prierezy stĺpov sú navrhnuté z betónov vyššej pevnosti, čím sa okrem efektívnejšieho využitia pôdorysnej plochy znížilo aj množstvo výstuže.

Eurovea Tower

Nosnú konštrukciu objektu Eurovea Tower tvorí železobetónový skelet so stĺpmi a jadrom. Jadro má trojuholníkový tvar so skosenými rohmi. Hrúbky jeho stien sú v rozsahu od 250 do 600 mm. Steny jadra majú do 9. nadzemného podlažia hrúbky od 600 do 450 mm a sú z betónu C60/75.

Stena s hrúbkou 600 mm je len v hornej časti jadra s dvernými otvormi. Stĺpy s obdĺžnikovým prierezom majú rozmery 900 × 1 700 mm a sú z betónu C60/75, na 33. nadzemnom podlaží má stĺp rozmer 500 × 900 mm a je z betónu C40/50.

Na rohoch budovy je od 1. nadzemného podlažia navrhnutý stĺp v tvare písmena V, ktorý prechádza v podzemných podlažiach do lichobežníkového prierezu s rozmermi 2 300 – 1 200 x 1 200 mm a je z betónu C60/75. V hornej časti je stĺp prepojený nosníkom.

Od 3. nadzemného podlažia sú na rohoch budovy dvojice kruhových kompozitných stĺpov (šesť stĺpov) s priemerom od 600 do 550 mm. Stĺpy sú vystužené betonárskou výstužou d = 40 mm oceľovou vložkou z valcovaného profilu HD 320 × 245 z materiálu HISTAR fy = 460 MPa. Výstužné vložky sa spájajú skrutkovanými spojmi. Styk valcovaných profilov sa rieši kontaktom na presne ofrézované čelné dosky s hrúbkou 50 mm.

Stĺpy sú realizované zo samozhutňujúceho betónu C60/75. Územie na výstavbu Eurovey 2 sa nachádza na nábreží rieky Dunaj a tvoria ho sedimenty neogénu a kvartéru. Hladina podzemnej vody priamo súvisí s hladinou vody v Dunaji.

Povrch územia sa nachádza približne na kóte 139,0 m n. m. Hladina podzemnej vody môže dosiahnuť úroveň 135,0 m n. m. Základová škára výškovej budovy sa nachádza na kóte 123,5 m n. m., to znamená 11,5 m pod maximálnou predpokladanou hladinou podzemnej vody. Na otvorenie stavebnej jamy s rozmermi približne 293 × 117 m bolo treba vybudovať podzemnú tesniacu a pažiacu stenu.

Eurovea 2 susedí s už zrealizovanou časťou Eurovea 1, s ktorou je vodotesne prepojená. Dosko-pilótový základ celého komplexu je navrhnutý ako jeden dilatačný celok z vodostavebného betónu, tzn. ako biela vaňa. Základová doska s hrúbkou 3 m (pod vežou) z betónu C30/37 a C40/50 spolupôsobí s vŕtanými pilótami s priemerom 900 mm a dĺžkou od 22 do 32 m.

Pod vežou je spolu 136 ks pilót. Pri navrhovaní základov bolo treba venovať veľkú pozornosť vzájomnému sadnutiu veže a susedných dilatačných celkov. Časti komplexu Eurovea 2 v blízkosti veže majú len 4 podzemné podlažia a sú namáhané vztlakom vody. V týchto miestach sú navrhnuté pilóty na ťah pre zabezpečenie objektov proti nadvihnutiu. Na sledovanie sadania komplexu sa vybudovali pozorovacie vrty s osadenými deformetrami.

V súčasnosti je nosná konštrukcia veže v realizácii. Namerané sadania, ktoré sa priebežne realizujú, sú v súlade s predpokladanými hodnotami. Základová doska veže sa realizovala kontinuálnou betonážou počas približne 60 hodín. Celkový objem betónu predstavuje 7 060 m³. Počas betonáže sa monitorovala teplota v priereze dosky, pričom teploty nepresiahli limitné hodnoty.

Návrh a overenie spoľahlivosti nosného systému Návrh nosného systému výškových budov bol determinovaný architektonickým riešením a požiadavkami na technické vybavenie objektu. Pri objekte Klingerka tvorí nosný systém jadro a šmykové steny, ktoré sú zároveň deliacimi medzibytovými stenami. Poloha zvislých nosných konštrukcií bola determinovaná riešením dispozícií bytov.

V pôdoryse vzniklo pomerne rozdielne podopretie stropných nosných konštrukcií, čo viedlo k návrhu stropných dosiek s rôznou hrúbkou. Odstupňovanie hrúbok stropných dosiek sa rieši v mieste deliacich konštrukcií tak, aby nenarušilo podhľady stropov v miestnostiach.

Nevýhodu prirodzeného rozloženia tuhosti kompenzuje väčší počet šmykových stien v smere kolmom na pozdĺžnu os objektu. Nosný systém výškovej obytnej budovy Eurovea Tower je koncepčne navrhnutý ako systém so stužujúcim jadrom a so stĺpmi.

Stužujúce jadro je tvarovo determinované architektonickým riešením. Účinky vetra sú pri trojuholníkovom tvare budovy výrazne závislé od smeru jeho pôsobenia. Nosný systém je vzhľadom na otvory nepravidelne rozdelené v pôdoryse (hlavne v spodných podlažiach) nesymetrický, preto bolo potrebné venovať zvláštnu pozornosť vodorovným účinkom pri uvažovaní účinkov vetra vo viacerých smeroch.

Na stanovenie účinkov vetra sa vykonal test vo vetrovom tuneli RWDI vo Veľkej Británii (http://www.rwdi.com/). Výsledkom testu boli účinky vetra v úrovni jednotlivých podlaží pre 24 smerov. Hodnoty sa prevzali do výpočtu. Na analýzu účinkov vetra bola vypracovaná aj analýza metódou fluidnej dynamiky (CFD) spoločnosťou SIMULÁCIE BUDOV, s. r. o.

Overenie spoľahlivosti nosných systémov z hľadiska mechanickej odolnosti (medzného stavu únosnosti MSÚ a medzného stavu používateľnosti MSP) sa vykonalo na priestorových výpočtových modeloch s využitím dvoch nezávislých výpočtových programov SCIA Engineer a ETABS. Takýto postup sa autorom osvedčil aj ako nezávislá kontrola a zároveň umožňuje využiť prednosti jednotlivých výpočtových programov.

Na riešenie interakcie stavby s podložím sa využil program SCIA Engineer s modulom SOILIN. Riešenie odozvy na statické a dynamické zaťaženie sa realizovalo programom ETABS. Stropné dosky boli riešené v programe SCIA Engineer a SAFE. Odozva objektu Klingerka na zaťaženie vetrom sa riešila podľa STN EN 1991 1-4 s prihliadnutím na výsledky výpočtu účinkov vetra na fasády budov, ktorý bol realizovaný metódou fluidnej dynamiky (CFD) spoločnosťou SIMULÁCIE BUDOV, s. r. o.

Výsledky štúdie obsahovali súčinitele tlaku vetra ako lokálne tlaky na plochy, nie ako integrálne výslednice na podlažia. Použitie takýchto výsledkov na výpočet síl od vetra je prakticky nemožné, no na odhad súčiniteľov tlaku a satia bolo nápomocné. Mechanická odolnosť nosného systému budovy bola preverená statickým a dynamickým výpočtom na základe 3D výpočtového modelu programami ETABS 2016 a Scia Engineer 2016.

Prvá vlastná frekvencia ohybového kmitania budovy má periódu 4,28 s (0,233 Hz) v smere kolmo na hlavnú os elipsy. Druhá vlastná frekvencia s periódou 2,98 s (0,335 Hz) je ohybovým kmitaním budovy v smere hlavnej osi elipsy. Pri riešení odozvy na účinky vetra pri objekte Eurovea Tower sa použili výsledky testu z vetrového tunela. Vykonalo sa aj porovnanie výsledkov s riešením podľa STN EN 1991 1-4.

Horizontálny nosný systém tvorí ŽB jadro s trojuholníkovým pôdorysom. Mechanická odolnosť nosného systému budovy bola preverená statickým a dynamickým výpočtom na základe 3D výpočtového modelu programami ETABS 2016 a Scia Engineer 2016.

Prvá vlastná frekvencia ohybového kmitania budovy Eurovea Tower má periódu 5,471 s (0,182 Hz). Druhá vlastná frekvencia s periódou 4,647 s (0,215 Hz) je ohybovým kmitaním budovy. Prvá vlastná frekvencia ohybového kmitania budovy Klingerka má periódu 4,28 s (0,233 Hz) v smere kolmo na hlavnú os elipsy. Druhá vlastná frekvencia s periódou 2,98 s (0,335 Hz) je ohybovým kmitaním budovy v smere hlavnej osi elipsy.

Pri výškových budovách sa pomerne výrazne prejavuje vplyv postupného budovania objektu. Zohľadnenie priebehu zmrašťovania a dotvarovania v zvislých nosných konštrukciách ovplyvňuje správanie nosného systému. Skrátenie stĺpov a zvislých nosných konštrukcií ovplyvňuje vnútorné sily a deformácie konštrukcií.

Riešenie odozvy so zahrnutím postupného budovania nosnej konštrukcie a reologických vlastností betónu má vplyv na redistribúciu síl od zvislého zaťaženia a lepšie vystihuje skutočné pôsobenie nosnej konštrukcie. Riešenie odozvy na seizmické zaťaženie sa vykonalo metódou lineárnych spektier odozvy s návrhovým seizmickým zrýchlením daným geologickým prieskumom.

Parametre spektra odozvy sú podľa geologického prieskumu a STN EN 1998-1/NA/Z2 takéto: referenčné špičkové zrýchlenie agr = 0,0675 m/s2 , súčiniteľ podložia S = 1,5 (podložie kategórie D), hraničné periódy Tb = 0,125 s, Tc = 1,0 s, Td = 3,0 s, súčiniteľ významnosti objektu γI = 1,2 a útlm = 2 %

Záver

Výškové objekty Klingerka a Eurovea Tower s 36 a 46 nadzemnými podlažiami sú dobrým príkladom použitia progresívnych konštrukcií a návrhov v projekčnej praxi. Pri realizácii musíme oceniť pozitívny prístup všetkých zúčastnených, hlavne developera JTRE, ktorý akceptoval požiadavky na vykonanie podrobných prieskumov a testov. Ďalej musíme vyzdvihnúť veľmi korektný a kreatívny prístup dodávateľa STRABAG Pozemné staviteľstvo, s. r. o., potrebný pri realizácii každej stavby.

Literatúra:

1. Anil K. Chopra: Earthquake Dynamics of Structures Theory and Application to Earthquake Engineering. Prentice Hall, Second edition, 2001.
2. Mario Paz, William Leigh: Structural Dynamics – Theory and Computation. Springer Science + Business Media. LLC, Fifth edition, 2004.
3. Edward L. Wilson: Three-Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures Computers and Structures. Inc. Berkeley, California, USA, 2002.
4. Bilčík, J. – Filo, Ľ. – Halvoník, J.: Betónové konštrukcie navrhovanie podľa EN 1992-1-1, Betoning, s. r. o., Bratislava, 2005, 314 s.
5. Stafford-Smith, Alex Coull: Tall Building Structures Analysis and Design. Wiley- -Interscience, 1991, 536 p. 6. Bungale S. Taranath: Steel, Concrete and Composite Design of Tall Buildings. McGraw-Hill, 1997, Second edition, 998 p.