Plnostenné rámové a priehradové konštrukcie z ocele

Oceľ je stavebný konštrukčný materiál, ktorý sa vyznačuje vyváženými vlastnosťami – tvrdosťou, pevnosťou a pružnosťou. Výhodami sú aj ľahká opracovateľnosť a možnosť recyklácie. Patrí cena medzi obmedzujúce kritériá na jej použitie pri návrhu a realizácii konštrukčných prvkov stavebných objektov?

Z celoeurópskeho pohľadu možno konštatovať, že medzi voľbou typu stavebného materiálu na daný projekt, formou a kvalitou spracovania jednotlivých konštrukčných celkov a ekonomickým potenciálom danej krajiny, daného regiónu existuje priama súvislosť.

Medzi základné kritériá voľby ocele na realizáciu nosných konštrukcií patrí:

• cena ocele ako základného stavebného materiálu (vrátane montáže oceľových prvkov pri splnení požiadaviek životnosti, požiarnej odolnosti, architektonického riešenia a podobne),
• vplyv konštrukcie na vlastnosti a celkovú cenu stavby (náročnosť zakladania, schopnosť prenášania dynamických účinkov, využiteľnosť veľkorozponových riešení a podobne),
• rýchlosť výstavby (v porovnaní s mokrými procesmi),
• vyriešenie styčných plôch v nadväznosti na ostatné stavebné konštrukcie (združené využitie aj na hliníkové fasádne systémy, technologické rozvody a podobne),
• konštrukčné a výtvarné stvárnenie nosnej konštrukcie (pripomínajúce prírodné štruktúry).

Každé obdobie zviditeľnilo jedno spomenuté kritérium alebo kombináciu viacerých z nich. V osemdesiatych a deväťdesiatych rokoch minulého storočia sa zaznamenal najmä vo východnej Európe veľký rozmach a dopyt po systémových oceľových halách, ktoré sa vyrábali aj v bývalom Česko-Slovensku. Pri ich návrhu sa vychádzalo zo základných predpokladov – pomerne nízkej ceny vstupného materiálu, ľahkej manipulovateľnosti a skladovateľnosti, minimalizácie nákladov na dopravu a jednoduchej montáže. Po určitom čase sa systémy oceľových hál vyprofilovali ako dva obchodne úspešné systémy – systém založený na plnostennom ráme a systém, ktorého nosnú časť tvorili tenkostenné pozinkované profily ohýbané za studena (obr. 1). Zdokonalením systému založeného na plnostennom ráme, a to zámenou plnostenného priečnika za priehradovú konštrukciu, sa dosiahlo efektívnejšie využitie vlastností ocele.

Obr. 2, 3, 4, 5 Typová hala – použitie kónických alebo za tepla valcovaných priamych stĺpov

Zníženie ceny oproti tradičným systémom sa docielilo nielen zníženou hmotnosťou konštrukcie, ale najmä používaním primárneho materiálu (vo forme zvitkov či valcovaných profilov) alebo produktov z neho (sendvičové panely alebo trapézové plechy). V súčasnosti majú projektanti možnosť pracovať s typovými halami, ktoré sa skladajú z typizovaných konštrukčných prvkov, ako aj typizovaných detailov nielen nosnej konštrukcie, ale aj opláštenia (obr. 2 až 5). V prípade návrhu väčších vzdialeností rámov (až do 12 m) sa strešná konštrukcia tvorí strešnými väznicami. Pri projektovaní vzdialenosti rámov treba zvážiť použitie typu opláštenia (sendvičový panel – obr. 6, skladaný plášť pri použití C-kaziet a trapézového plechu) a polohu fasádnych prvkov (horizontálne alebo vertikálne uloženie). Typ opláštenia a poloha fasádnych prvkov majú priamy vplyv na potrebu doplnkovej podpornej konštrukcie opláštenia s následným zvýšením konečnej jednotkovej ceny na štvorcový meter.

Tip pre projektanta a investora
Najekonomickejšie riešenie konštrukcií sa dosahuje pri vzdialenosti hlavných rámov od 6 do 7,5 m, pri výške do 10 m a pri rozpone od 20 až 30 m. Pri vzdialenosti rámov nad 6 m sa odporúča použiť opláštenie skladaného plášťa alebo vertikálne uloženie sendvičových panelov a pri vzdialenosti rámov do 6 m horizontálne uloženie panela. Najlacnejší variant strešnej konštrukcie predstavuje sendvičový panel. Pri použití sendvičových panelov sa odporúča dodržiavať minimálny sklon strechy 5 %.

Plnostenné rámové konštrukcie
Plnostenné rámové konštrukcie boli a sú prirodzenou vývojovou fázou oceľových nosných konštrukcií na našom stavebnom trhu. Na ich výrobu sa používajú za tepla valcované profily (ako vstupný materiál sa používajú obe hlavné triedy ocele S235 a S355), ktoré našli svoje uplatnenie najmä vďaka jednoduchej a nenáročnej výrobe. Z hľadiska výrobných nákladov sa manipulácia obmedzuje na privarenie čelných dosiek alebo výstuh. Jedným z hlavných ukazovateľov kvality je pri tomto type konštrukcií presnosť výroby styčných plôch, povrchová úprava a pôvod vstupného materiálu. Tento typ konštrukcií je vhodný v prípade stredných a menších hál, ktoré sú nenáročné na celkový tvar, keď sa môže naplno prejaviť nenáročná, a teda aj lacnejšia výroba a fakt, že nosnú konštrukciu objektu možno prepraviť iba na jednom aute. Oproti murovaným alebo monolitickým konštrukciám je ich výhodou kratší čas potrebný na postavenia hlavných rámov a strešnej konštrukcie.

V západnej a strednej Európe sa dnes vyžaduje väčšia variabilita rámových konštrukcií a typizované požiadavky investorov na stavebné prvky predurčujú ich tvar alebo použitie. Príkladom takéhoto použitia rámovej konštrukcie bola dodávka plnostennej rámovej konštrukcie pre projekt nábytkového centra Naceva v Bratislave (obr. 7 a 8). Na rámovú konštrukciu sa uložila bezväznicová strecha (trapézový plech TR 153) celá konštrukcia sa riešila ako nadstavba železobetónového skeletu.

Priehradové konštrukcie
So zdokonaľovaním a skúsenosťami v oblasti návrhu a výroby oceľových konštrukcií sa po odbornej a technologickej konsolidácii výrob začali opäť presadzovať priehradové konštrukcie a začali byť zaujímavé aj pre koncových užívateľov. Priehradovými konštrukciami sa vytvára vzdušnejší typ vnútorného priestoru, ktorý umožňuje umiestniť všetkyh horizontálne rozvody vo výške nosníka. Spodným pásom sa vytvára optické ohraničenie manipulačnej plochy, vhodnej na umiestnenie osvetlenia alebo technologických rozvodov. Tvar nosníkov vychádza z potrieb architektonického stvárnenia pultovej alebo sedlovej strechy.

Konštrukcia strechy
Tlak na znižovanie hmotnosti priniesol opätovné hľadanie najekonomickejšieho riešenia nosnej konštrukcie strechy. Príkladom môžu byť systémové haly, pri ktorých nosnú časť strešnej konštrukcie tvoria pozinkované nosné profily v tvare Z s výškou 200 až 300 mm na rozpätie až 12 m v kombinácii s nízkym trapézom TR 35, TR 40, prípadne TR 55 pri vzdialenosti väzníc 1,5 až 3,0 m. Poloha umiestnenia strešných väzníc určuje aj ich statické posúdenie. Pri polohe nad rámovou konštrukciou sa odporúča väznicu navrhovať väčšinou ako spojitý nosník, čím sa dosahujú výhodnejšie dimenzie (a teda aj cena) prvkov ako pri uložení medzi hlavné rámy (čo je už prípad prostého nosníka). Druhé riešenie predstavuje použitie bezväznicového systému z vysokého trapézu (TR 130, TR 153). Celková priemerná cena na 1 m² dodávky je porovnateľná s prvým riešením, ale s jedným rozdielom: montáž bezväznicovej strechy sa vykonáva v jednom montážnom kroku. Vzhľadom na jednoduchšiu montáž a porovnateľné zriaďovacie náklady získava druhé riešenie čoraz väčšie uplatnenie nielen pri železobetónových skeletoch, ale aj pri oceľových konštrukciách.

Obr. 9 Zábavno-obchodné centrum MAX v Trenčíne

Tip pre projektanta a investora
Najlacnejší typ strešnej konštrukcie predstavuje kombinácia väznicového systému a strešných sendvičových panelov. Pri tomto riešení sa maximálne využíva subtílnosť tvarovaných pozinkovaných väzníc a sendvičových panelov, ktoré treba podoprieť v priemere každé 3 m. Pri spádoch striech dlhších ako 15 m treba počítať s napojením strešných panelov. Preto je nevyhnutné doplniť ďalšiu podperu. Pri použití spriahnutých stropov možno docieliť až 25-percentné zníženie hmotnosti nosnej oceľovej konštrukcie. Napríklad pri realizácii stropnej konštrukcie zábavno-obchodného centra MAX Trenčín (obr. 9 a 10) sa použili špeciálne trapézové plechy Steelcomp – 7 000 m². Uvedené riešenia možno použiť pri všetkých viacpodlažných oceľových skeletoch, ako aj pri administratívnych vstavbách s oceľovou nosnou konštrukciou (aj menšieho rozsahu).

Kombinované nosné systémy – železobetón a oceľ
V poslednom období začali oceľové systémy vytláčať z trhu železobetónové skelety, a to najmä v oblasti logistických skladov alebo väčších výrobných celkov. Vo väčšej miere sa začali uplatňovať kombinované nosné systémy železobetónových stĺpov a oceľových strešných väzníkov, ktorými sa nahrádza ťažší železobetón. Uvedené riešenie má veľký potenciál vo využití konštrukčných výhod oboch materiálov. Alternatívou k týmto systémom však stále ostáva oceľový priehradový systém tvorený hlavným priehradovým väzníkom a strešnými väznicami s rozponmi 15 až 21 m. Uvedené systémy sa odporúča použiť na realizáciu priestorov s požiadavkou na vnútorné moduly s rozmermi 18 až 24 m.

Požiadavky na kvalitu
V novej norme STN EN 1090-2: 2010 Technické požiadavky na oceľové konštrukcie, platnej od 1. 4. 2010, sa špecifikuje niekoľko noviniek, okrem iného kategorizácia výroby oceľových konštrukcií. Nové triedenie stanovuje štyri triedy zhotovenia, ktoré zabezpečujú rozdielnu úroveň sledovania materiálov a dokumentov pri výrobe, ako aj technologický spôsob výroby. Každé sledovanie materiálu alebo činnosti, každé dômyselnejšie opracovanie má zákonite vplyv aj na potrebu ďalších investícií do strojového vybavenia. Preto je na dohovore medzi projektantom a investorom, aké očakávané kvalitatívne vlastnosti má dodaná konštrukcia spĺňať – či už z hľadiska životnosti, alebo estetického vnímania.

Skúsenosti zo stavieb ukazujú, že pri kvalitne vyrobenej konštrukcii možno čas výstavby skrátiť až o 20 %, naopak, pri nedoriešených detailoch alebo nekvalitnej výrobe sa tento čas môže predĺžiť aj o 50 %. Montážne náklady tvoria približne 15 až 20 % z ceny dodávanej štandardnej oceľovej konštrukcie. Cena sa väčšinou kalkuluje ako jednotková na kilogram dodanej konštrukcie.

Základným predpokladom bezproblémovej montáže napríklad fasádnych prvkov je koordinácia výškového osadenia objektu. Tým sa eliminuje možnosť vzniku bezspádových vodných plôch pri nízkospádových fóliových strechách.

Uprednostňovanie výroby s požiadavkou na vyššiu kvalitu a dostatočnú kapacitu tak predstavuje logickú cestou minimalizácie rizík vyplývajúcich z oneskoreného odovzdania stavby alebo neskorších skrytých porúch.

Materiálové skladby skeletov podľa charakteru stavieb
Športové a multifunkčné haly
Využitie ocele na nosné konštrukcie športových a multifunkčných hál (hlavne strešné alebo obvodové konštrukcie) sa odvíja od požiadavky na veľkorozmerové rozpony a vizuálnu formu stvárnenia. Pri tomto type konštrukcií sa uplatňujú vyššie triedy ocele (S355J2G3).

Logistické centrá a veľkoplošné výrobné závody
Pri stavbách s vnútornou výškou nad 12 m sa odporúča voliť kombináciu železobetónových stĺpov a oceľovej strešnej konštrukcie. Ako najekonomickejšie riešenie sa ukazuje kombinácia priehradových nosníkov so železobetónovými stĺpmi a bezväznicovej strechy pri štandardných rozponoch 6 m tvorených trapézovým plechom TR 153. Dimenzovanie hrúbky plechu je závislé od snehovej oblasti, v ktorej sa stavebný objekt bude nachádzať, a uvažovaného dodatočného zaťaženia na samotnú konštrukciu plechu. Uvedeným spôsobom realizujú svoje stavby takmer všetky automobilky a dodávateľské spoločnosti, ktoré nedisponujú vlastnou výrobou železobetónových alebo oceľových skeletov.

Strojárske výrobné závody alebo technologické celky
Navrhovanie nosného skeletu stavebných konštrukcií sa často spája s navrhovaním výrobných technológií, žeriavov, vstavieb na jeho spoločné využitie. Pri uvedených projektoch je neodmysliteľná projekcia v 3D systémoch.

Energetické objekty
Energetické objekty tvoria samostatnú kapitolu. Uplatnenie oceľových konštrukcií sa odvíja najmä od všestranných vlastností ocele, ktorá umožňuje realizovať materiá­lovo ľahké, vysoké alebo tvarovo náročné konštrukcie. Aj v tomto prípade je neodmysliteľná projekcia v 3D systémoch. Vďaka modelovaniu v 3D systémoch, to znamená ešte predtým, ako sa vynaložia náklady na výrobu alebo montáž, možno už pri navrhovaní technologických rozvodov alebo zariadení identifikovať akúkoľvek vzájomnú kolíziu.

Oceľové systémy sú vďaka svojím vlastnostiam a možnostiam vhodné aj na reali­záciu doplnkových architektonických konštrukcií obchodných centier, administratívnych alebo polyfunkčných budov.

Záver
Na úspešné uplatnenie oceľových prvkov pri navrhovaní a realizácii stavebných konštrukcií majú jednoznačne vplyv viaceré faktory. Sú to predovšetkým zohľadnenie skutočnej výhody ocele ako stavebného materiálu, úzka spolupráca zúčastnených strán na projekte od začiatku projektovania, prispôsobenie typu nosného skeletu podmienkam zakladania a prevádzke budovy, typ opláštenia stien a strechy, požadovaná konštrukčná nadväznosť jednotlivých častí, spoľahlivosť dodržiavania termínov výroby a profesionálna montáž.

TEXT: Ing. Ivan Brezovský
FOTO: Ruukki Slovakia

Ing. Ivan Brezovský je obchodným manažérom firmy Ruukki Slovakia, s. r. o.

Clánok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.