Odolnosť vysokých a supervysokých budov proti účinkom vetra a zemetrasení

Nosné systémy vysokých budov musia efektívne prenášať do základovej pôdy dve hlavné kategórie zaťažení: zvislé a vodorovné. Keďže vzdorujú veľkým vodorovným zaťaženiam vetrom a prípadným seizmickým účinkom, požiadavka na odolnosť nosného systému pri pôsobení vodorovného zaťaženia narastá súbežne so stúpajúcim počtom podlaží. Smerom nadol si narastajúce zvislé zaťaženia vyžadujú značné rozmery zvislých prvkov v dolných podlažiach, ktoré zároveň eliminujú účinky celkového klopiaceho momentu vodorovným zaťažením.

Konštrukčné systémy vysokých betónových budov
Výber vhodného konštrukčného systému vysokej budovy je komplexný proces, ktorý zahŕňa rôznorodé kritériá na efektívne využitie stavby. Súčasnou výzvou pre architektov a inžinierov je vypracovať návrh budovy tak, aby sa navrhované systémy využili na maximum svojich kapacít a zároveň aby systémy vytvorili vhodné vnútorné prostredie. S narastajúcimi skúsenosťami z realizovaných stavieb vo svete sa diferencovali poznatky o vhodnosti použitia rôznych konštrukčných systémov v závislosti od počtu podlaží vysokej budovy. Pre každú budovu sú optimálne zvislé nosné systémy prispôsobené počtu podlaží. Z tohto pohľadu môžeme rozdeliť betónové budovy na tri skupiny uvedené ďalej.

Viacpodlažné budovy
Do tejto skupiny patria budovy s maximálnym počtom 20 nadzemných podlaží. Ich nosný systém tvoria jednosmerné alebo priestorové dvojsmerné rámové konštrukcie (skelety), ktoré sa pri objektoch nad 10 podlaží dopĺňajú horizontálnym zavetrovaním pomocou niekoľkých rozptýlených železobetónových stužujúcich stien spravidla s hrúbkou 150 až 200 mm. Steny v moduloch s koncentrovanými vertikálnymi komunikáciami (steny okolo schodiska, výťahové šachty) môžu byť zoskupené do rôzne členených otvorených železobetónových stužujúcich jadier.

Stropné konštrukcie pozostávajú zo železobetónových dosiek, ktoré prenášajú zvislé zaťaženie v jednom alebo vo dvoch smeroch a sú uložené na prievlakoch skeletu. V prípade použitia bezprievlakových stropných dosiek sa stropy ukladajú priamo na stĺpy. Takýto horizontálne poddajný konštrukčný systém si vyžaduje horizontálne zavetrovanie, najčastejšie jedným alebo dvomi stužujúcimi jadrami umiestnenými vnútri pôdorysu budovy.

Vysoké budovy
Do tejto skupiny patria budovy s maximálne 40 nadzemnými podlažiami. V budovách s výrazne obdĺžnikovým pôdorysom môže nosný systém tvoriť sústava priečnych železobetónových stužujúcich stien (obr. 1), ktorými sa podopierajú železobetónové stropné dosky. Horizontálne zavetrovanie v pozdĺžnom smere zabezpečuje niekoľko pozdĺžnych železobetónových stien. Vzniká tak tuhá priestorová, tzv. doskostenová krabicová nosná konštrukcia. Jej nevýhodou je obmedzenie voľnej dispozície priestorov v jednotlivých podlažiach.

V budovách s pôdorysom približujúcim sa tvaru štvorca alebo obdĺžnika s pomerom strán maximálne 1 : 2 sa horizontálne zavetrovanie zabezpečuje najčastejšie jedným alebo dvomi spriahnutými železobetónovými stužujúcimi jadrami umiestnenými v centrálnej časti pôdorysu (obr. 2). Vnútri jadier sa umiestňujú vertikálne komunikácie, sociálne a pomocné miestnosti a tiež zvislé rozvody TZB (najmä rozvody elektriny, vetrania alebo klimatizácie). Stropy okolo jadier sa zvyčajne vytvárajú formou bezprievlakových železobetónových dosiek ukladaných priamo na stĺpy s konzolovým vyložením na obvode budovy.

Aby sa dosiahla dostatočná horizontálna tuhosť priestorovej nosnej konštrukcie objektu na obmedzenie vodorovných deformácií vplyvom účinkov vetra, majú mať steny vysokých budov hrúbku 250 až 300 mm. Táto tuhosť sa v niektorých prípadoch výrazne zvýši spriahnutím všetkých zvislých nosných prvkov prostredníctvom zvýšenia ohybovej tuhosti stropu nad najvyšším podlažím.
–>–>
Supervysoké a vežové budovy (mrakodrapy)
Do tejto skupiny patria budovy s viac ako 40 nadzemnými podlažiami. Ich nosný systém je charakteristický veľkopriestorovými škrupinovými tubusovými (rúrovými) konštrukciami, ktorých pôdorysný tvar je totožný s tvarom supervysokej vežovej budovy (vonkajší tubus vytvára nosný obvodových plášť), prípadne použitím viacnásobných tubusových konštrukcií, ktoré sú vložené do seba (obr. 3 a 4). Tieto tubusy môžu tvoriť kompaktný celok s niektorým typom zvislých konštrukcií opísaných pri vysokých budovách. Pri supervysokých budovách s viacej ako 80 nadzemnými podlažiami možno výrazne zvýšiť bočnú tuhosť obvodového tubusu pomocou diagonálnych prepojení (obr. 4d, e). Podobne ako pri vysokých stavbách tubusy a iné zvislé prvky nosnej konštrukcie navzájom priestorovo spolupôsobia pri prenášaní vodorovného zaťaženia prostredníctvom horizontálne tuhých stropných konštrukcií s membránovým správaním. Jednotlivé monolitické stropy pôsobia vo vodorovnom smere ako tuhé diafragmy, ktoré zabezpečujú priestorový tvar tubusovej nosnej konštrukcie.

Obr. 4  Nosné konštrukcie vysokých budov riešených na báze obvodového tubusu doplneného vnútorným stužujúcim jadrom – vnútorným tubusom. Členenie obvodového tubusu na viac sekcií

Prierezy zvislých nosných prvkov supervysokých budov musia byť také, aby odolali účinkom značných zvislých zaťažení a zároveň aby sa dosiahla dostatočná horizontálna tuhosť priestorovej tubusovej konštrukcie objektu na obmedzenie vodorovných deformácií od účinkov vetra. Táto tuhosť sa často výdatne zvyšuje rozptýlene po výške budovy nad skupinami nižších podlaží (zvyčajne v polovici výšky budovy alebo v tretinách či štvrtinách výšky) (obr. 4a, b). Počet ohybovo tuhých stropov rastie s počtom podlaží budovy. Takto vnútorne členená priestorová tubusová konštrukcia pôsobí pri prenášaní účinkov vodorovného zaťaženia ako zvislá konzola (ako veža) votknutá do mohutnej viacpodlažnej, tzv. krabicovej základovej konštrukcie.

Hlavným rysom obvodovej tubusovej konštrukcie sú husto rozmiestnené zvislé nosné prvky, ktoré sú súčasťou obvodových stien (obr. 3). Tieto prvky sú vodorovne prepojené vysokými nosníkmi, ktoré tvoria základnú kostru budovy a zaisťujú jej odolnosť proti účinkom priečneho vodorovného zaťaženia. Okenné otvory zvyčajne pokrývajú približne 50 percent plochy fasády supervysokej budovy. Veľké otvory v dolnom nadzemnom podlaží (ako sú výklady obchodov alebo vjazdy do podzemných garáží) možno vytvárať vďaka mohutným nosníkom, ktoré tvoria nadpražia týchto otvorov, aj keď sa miestne narušuje vonkajší uzavretý tubus priestorovej konštrukcie.

Pôsobenie zaťažení vetrom na vysoké budovy
Základným parametrom na určenie účinkov vetra na stavebnú konštrukciu sú poveternostné podmienky v lokalite, kde sa budova nachádza. Účinky vetra ďalej ovplyvňujú výška h nad terénom a miestne vplyvy, medzi ktoré patria drsnosť terénu a výškový tvar terénu danej oblasti.

Poveternostné podmienky častí územia jednotlivých európskych štátov sa podľa EN 1991-1-4 určujú hodnotami základnej rýchlosti vetra vb, 0, ktorá sa definuje ako stredná rýchlosť vetra z meraní počas 10 minút vo výške h = 10 m nad terénom v referenčnom teréne kategórie II (tab. 1) a pre pravdepodobný čas návratu vetra s maximálne uvažovaným účinkom (víchrica) raz za 50 rokov. Hodnoty rýchlosti vb, 0 na území Slovenska pre oblasti s nadmorskou výškou do 700 m sú 24 a 26 m/s. Rozhrania príslušných oblastí sú definované pohoriami a horstvami na území Slovenska. Pre územia s vyššou nadmorskou výškou od 700 m do 1 300 m n. m. je hodnota vb, 0 = 30 m/s, nad 1 300 m n. m. je hodnota vb, 0 = 33 m/s. Znamená to, že budovy na našom území sa navrhujú na strednú rýchlosť vetra vo výške 10 m nad terénom – od 86 km/h v údoliach do 119 km/h v horských oblastiach. Navyše tieto rýchlosti môže zvýšiť tvárnosť terénu (svahy, hrebene pohorí a pod.).

Pri charakteristickej strednej rýchlosti vetra vmh vo výške h nad terénom sú zohľadnené miestne vplyvy na území stavby, ako je najmä drsnosť terénu (súčiniteľ kr v tab. 1) a jeho tvárnosť. Prostredníctvom rýchlosti vmh určujeme strednú hodnotu základného tlaku vetra wbh (kN/m²) vo výške h nad terénom, ktorý je možné vyjadriť z rovnice laminárneho prúdenia plynov a kvapalín. Základný tlak vetra ovplyvňujú najmä nepravidelné javy turbulencií prúdenia vzduchu (nepravidelnosti a víry v prúdení vzduchu okolo budovy) pri obtekaní vysokej budovy (obr. 5). Pravdepodobnosť výskytu týchto javov zohľadňuje maximálny charakteristický tlak w0h (kN/m²), ktorý obsahuje príspevok od stredného základného tlaku a krátkodobých turbulencií vetra.

Obr. 5  Zmena pravidelného laminárneho prúdenia vzduchu pri obtekaní vysokej budovy na nepravidelné turbulentné prúdenie so vznikom sania na záveternej strane budovy

Silová odozva nosnej konštrukcie budovy na účinky vetra predstavuje fundamentálne vodorovné silové zaťaženie, ktoré sa musí uvažovať vo všetkých typoch konštrukcií. Pri výpočte silovej odozvy sa vychádza z hodnôt tlaku w0h (kN/m²) a používajú sa súčinitele, ktoré zohľadňujú veľkosť a silu vetra pri jeho pôsobení na budovu, ako aj tvar a vlastnosti samotnej nosnej konštrukcie. Silové účinky vetra na jednotlivé stropy budovy sú znázornené na obr. 6. Plošné zaťaženie vetrom nahradíme v j-tom strope vodorovnou výslednou silou Wj, ktorá pôsobí v strede náveternej šírky objektu B. Prenos vodorovného zaťaženia vetrom z obvodového plášťa do zvislých stužujúcich prvkov nosnej konštrukcie zabezpečujú stropné dosky svojou obrovskou horizontálnou tuhosťou.

Obr. 6  Schéma budovy na výpočet síl vplyvom vetra v smere y, uvažovaný priebeh maximálneho charakteristického tlaku w0h

Požiadavky na posúdenie účinkov vetra
Hlavným kritériom posúdenia účinkov vetra je bezpečnosť návrhu stavebnej konštrukcie a všetkých častí budovy (strecha, oplechovanie, obvodový plášť, architektonické detaily atď.). Spôsob výpočtu takýchto síl a sily vyvodené vetrom sú uvedené v európskej norme EN 1991-1-4. V prípade dynamických účinkov zaťaženia celej budovy alebo niektorej jej časti spôsobených vetrom treba všetky konštrukčné detaily prispôsobiť únavovému charakteru namáhania, a to tak, aby sa v nich maximálne obmedzila prípadná koncentrácia špičiek napätí (napríklad v lokálnom uchytení prvkov obvodového plášťa). Výskyt koncentrovaných vysokých napätí je častým zdrojom porúch, ktoré sa môžu prejaviť i po niekoľkoročnom užívaní budovy.

Pri niektorých prvkoch budovy nemožno vždy číselne vyjadriť ich kritériá bezpečnosti, ale i tak treba urobiť vhodné konštrukčné opatrenia, aby nedošlo k ich poruchám (týka sa to odtrhnutia oplechovaní, obkladových panelov, vháňania dažďa do škár a pod.). V európskej norme EN 1991-1-4 sú uvedené pri niektorých tvaroch budov a ich častí značné koncentrácie sania v blízkosti ostrých rohov a výčnelkov. Ak sa v takýchto chúlostivých miestach so saním nepočíta a neurobia sa vhodné konštrukčné opatrenia, môže v nich vzniknúť zdroj poruchy.

Vysokú budovu treba posudzovať aj z hľadiska medzných stavov používateľnosti. Ide o obmedzenie vodorovnej výchylky budovy od charakteristického zaťaženia vetrom. Pri betónových budovách sa odporúča, aby vodorovná výchylka bez vplyvu natočenia základovej škáry neprekročila hodnotu Hz/2 000, kde Hz je výška najvyššieho stropu nad základmi. Prekročenie tejto hodnoty má za následok opakované poruchy nenosných častí budovy (trhliny na vonkajších a vnútorných povrchoch, zošikmenie rohov otvorov, odpadávanie omietok, obkladov a pod.). Zabezpečenie vodorovnej výchylky býva pri vysokej budove rozhodujúce na posúdenie jej celkovej bočnej tuhosti a rozhoduje z hľadiska počtu stužujúcich vertikálnych prvkov (stužujúcich stien, jadier a pod.) a ich požadovaných prierezov.

Pri posudzovaní účinkov vetra na nosnú konštrukciu výškovej budovy si v mnohých prípadoch treba všímať i prevádzkyschopnosť stavby v nadväznosti na jej spôsob využitia. Účel stavby často nepripúšťa jej nadmerné deformácie, respektíve nadmerné kmitanie. Príkladom môžu byť obmedzenia amplitúd vodorovných pohybov v nadstavbách vysokých budov, kde bývajú uložené citlivé vysielacie zariadenia, alebo obmedzenie náklonu vysielacích televíznych antén a vykrývačov mobilných operátorov. Sem patrí i problematika obmedzenia úrovne kmitov s ohľadom na osobu, ktorá sa v posudzovanej budove zdržuje. Kmitanie má negatívny vplyv na psychiku, zhoršuje pracovnú výkonnosť a môže znamenať i ohrozenie zdravia.

Preto je nevyhnutné, aby vysoké budovy nemali zrýchlenia v dôsledku rozkmitania vetrom väčšie ako 0,15 m/s². Pritom prah citlivosti priemerného ľudského organizmu je na hranici 0,05 m/s².

Správanie vysokých budov pri zemetraseniach
Základy budovy sú miestom kontaktu s podložím. Preto sa účinky zemetrasenia prejavia na budove opakovaným premiestnení základov. Hmota budovy predstavuje pre kmitanie spôsobené zemetrasením prekážku, takže počas zemetrasenia začnú pôsobiť zotrvačné sily, ktorých veľkosť sa určuje podľa zásad uvedených v európskej norme EN 1998-1. Vo výpočtoch sa väčšinou zohľadňujú len horizontálne seizmické zaťaženia. Tie môžu prekročiť účinky vetra na vysokú budovu.

Vplyv vertikálnych účinkov zemetrasenia môže byť významný najmä na priestranstvách v blízkosti prieniku zlomov zemskej kôry na povrch terénu.

Zvislé účinky zemetrasenia nepôsobia na nosné konštrukcie zvyčajne nebezpečne. Predstavujú v našich podmienkach približne 5-percentný prírastok k bežnému zvislému (takmer stálemu) zaťaženiu, a to ešte v mimoriadnej kombinácii zaťažení. Tento prírastok je zaujímavý iba pre konzoly a konzolové výčnelky na prvkoch konštrukcie s vyššou hmotou (ťažké kamenné obklady, rímsy, balkóny, komíny na strechách a pod.). Iná situácia nastáva pri posudzovaní vodorovných seizmických síl, pretože predstavujú absolútny prírastok vodorovného zaťaženia (vo vodorovnom smere tiaž konštrukcie nepôsobí).

Veľkosť horizontálnej zotrvačnej sily F (obr. 7) závisí od hmoty budovy m (t), zrýchlenia podložia a (m/s²) a od vlastností budovy. Horizontálne seizmické zaťaženie, ktoré pôsobí na budovu, sa definuje nielen zrýchlením základovej konštrukcie, ale aj povahou reakcií budovy, jej základov a pod. Toto vzájomné pôsobenie (interakcia) medzi kmitaním budovy a podložia sa opisuje takzvanými spektrami odozvy.

Obr. 7  Interpretácia horizontálnej zotrvačnej sily F pri zemetrasení
a) nedeformovateľná tuhá konštrukcia, b) málo tuhá budova s malým priehybom, c) málo tuhá budova so značným priehybom

Porovnávaním následkov zemetrasení sa získali kvalitatívne výsledky, napríklad štatistiky škôd na určenie kritérií zemetrasení, rozbory správania rozličných typov stavebných konštrukcií a spôsoby ich porušenia. Všeobecne možno povedať, že zemetrasenie so svojimi nepriaznivými a často katastrofickými dôsledkami odkrýva nedokonalosti v návrhu a zhotovovaní stavebných konštrukcií, ktoré by sa za bežných okolností neprejavili (vzhľadom na bežne zavádzanú mieru bezpečnosti do návrhu konštrukcie), a ktoré sa takto náhodne stanú pozorovateľnými.

Poznámka:
Osobitným prejavom seizmických účinkov je tzv. seizmický nepokoj, ktorého príčinou je denný ruch (doprava, účinky strojov a pod.). Vo veľkých mestách býva často i makroseizmicky zistiteľný. Nebezpečenstvo seizmického nepokoja spočíva v tom, že spôsobuje v značnej miere kmity s periódami blízkymi periódam vlastného kmitania stavieb a pôsobí na rozdiel od zemetrasení takmer nepretržite. Veľkosť pôsobiacich zrýchlení býva značná – až 0,040 m/s². Seizmický nepokoj je tak príčinou únavy materiálov a poklesu ich pevnosti v čase.

Text: doc. Ing. Ivan Harvan, PhD.
Obrázky: autor

Autor pracuje na Katedre betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Článok vznikol za podpory výskumného projektu VEGA č. 1/0306/09 Aplikácia pravdepodobnostných metód na obnovenie spoľahlivosti betónových stavieb.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.