Majáky prestíže očami statika

Nosný systém prvých výškových budov tvorili murované steny. V roku 1891 dosiahla v USA budova Monadock so 16 podlažiami limit najvyššej technicky možnej výšky. Hrúbka murovaných stien v nižších podlažiach dosahovala 2 metre. Vynález výťahu a jeho prvé použitie v budove v roku 1870, ako aj požiadavky industrializácie podnietili ďalší rozvoj výstavby výškových budov. Nové materiály ako liatina a oceľ umožnili stavať budovy s väčšími otvormi a voľnejšou dispozíciou.

Výstavbu výškových budov na Slovensku nepodnietil ekonomický tlak ani požiadavka koncentrovať pracovníkov na jednom mieste. Aj napriek tomu sa na Slovensku do roku 1989 postavili budovy až do výšky 30 nadzemných podlaží. Nosnú konštrukciu v prevažnej miere tvorili železobetónové konštrukcie, okrem bratislavského hotela Kyjev a výškových budov v Banskej Bystrici a Považskej Bystrici, ktoré boli navrhnuté ako oceľové. Konštrukciu bratislavskej budovy Tower 115 (predtým Pravda) tvorí kombinovaná nosná konštrukcia zo železobetónu a ocele.

Návrh nosného systému výškovej budovy sa začína už v počiatkoch architektonickej tvorby. Nosný systém do značnej miery ovplyvňuje ekonomiku výstavby a pri extrémne vysokých budovách môže ovplyvniť aj architektonické riešenie. Už pri prvých návrhoch projektu je spolupráca architekta a statika nevyhnutná. Od architektonického riešenia sa okrem splnenia požiadaviek záväzných noriem a predpisov vyžaduje i splnenie nárokov klienta na dispozičné riešenie budovy. Základná koncepcia nosného systému môže vychádzať z empirických skúseností a predbežných výpočtov. V počiatočnom návrhu (architektonickej štúdii, projekte na územné konanie) sa na základe požiadaviek na dispozičné riešenie navrhuje poloha hlavných nosných prvkov.

Pri návrhu založenia budovy je vhodné umiestniť vysokú budovu tak, aby výslednica tiaže budovy bola čo najbližšie k ťažisku kontaktnej plochy. Väčšina budov má však podzemné podlažia, ktorých rozsah je determinovaný využitím pozemku. Tým je určená aj plocha kontaktu. Výškové budovy zväčša susedia s inými málopodlažnými objektmi. Pri navrhovaní dilatácie možno jej polohou korigovať kontaktnú plochu. V prípade málo únosných základových pôd s vysokou stlačiteľnosťou nestačí založenie na plošných základoch. V takomto prípade možno budovu založiť na kombinácii plošného a hlbinného založenia alebo len na hlbinných základoch (pilóty, kesóny).

Pri návrhu založenia budovy treba pamätať okrem podmienok únosnosti aj na podmienku stability objektu, a to najmä pri veľmi vysokých a štíhlych budovách. Hrúbka základových dosiek sa pri veľmi vysokých budovách pohybuje od 1,4 m do 6 m (napr. Messeturm, Frankfurt, 256 m, 60 podlaží, základová doska od 3 do 6 m, 64 pilót s priemerom 1,3 m, dĺžka 27 až 30 m; Commerz Bank Frankfurt, 299 m, základová doska 4,5 m, 111 pilót s priemerom 1,8 m do hĺbky 48, 5 m; výšková budova NBS, základová doska 2,7 m; Polus City Center Bratislava – Milénium Tower I, základová doska 1,8 m; Milénium Tower II AB2 2,1 m; Dominant Bratislava-Petržalka, 1,8 m hrubá doska na pilótach).  

Konštrukčné riešenie a poloha zvislých nosných konštrukcií často určujú dispozičné riešenie objektu. Pri návrhu sa odporúča dodržať určitú pravidelnosť v rozmiestnení zvislých prvkov, aby boli približne rovnako zaťažené od zvislých zaťažení. Ďalej je dobré v maximálnej miere sa vyhnúť zmene tvaru prierezov stĺpov alebo ich pootočeniam po výške budovy. Posuny neutrálnych osí stĺpov po výške budovy (čo nebýva až takou výnimkou v projekčnej praxi) vyvolávajú veľké prídavné namáhanie stĺpov či stien a sú preto úplne nevhodné. Minimálne rozmery stĺpov súvisia aj s požadovanou požiarnou odolnosťou. Pri vysokých budovách sa zvyčajne požaduje požiarna odolnosť 120 min. Vhodným riešením je rovnaký priečny rez po celej výške budovy, čo sa pri budovách do 30 poschodí dá zrealizovať. Odstupňované je potom iba vystuženie prierezu alebo hrúbky častí prierezu, resp. materiál prierezu pri oceľových konštrukciách.

Nosný systém budovy, ktorý zabezpečuje prenos horizontálnych síl, je vždy súčasťou vertikálneho nosného systému. V našich podmienkach, aj keď podľa literatúry možno do výšky 20 podlaží použiť rámové konštrukcie, sa najčastejšie požíva systém so železobetónovým nosným jadrom a stĺpmi podopierajúcimi lokálne podopreté dosky. Ich rozpätia sa pohybujú od 6 do 8,1 m, výnimočne 9 m. Výrazná úspora sa dosahuje použitím hlavíc s rozmermi 1/6 rozpätia na každú stranu stĺpa, ktorých výška predstavuje 1,25 hrúbky stropnej dosky. Tento spôsob často pomôže vyriešiť aj problém s pretlačením stĺpa. Úspory hmotnosti možno dosiahnuť i pomocou rebrových kazetových (rozpätie až 12 m) alebo predpätých stropov v oblasti železobetónových dosiek. Pri oceľových konštrukciách stropu sa používajú spriahnuté stropné dosky s hrúbkou od 100 do 180 mm, jednosmerne vystužené dosky betónované do trapézového plechu s minimálnou hrúbkou 60 mm čispriahnuté oceľovo-betónové dosky. V zahraničí a najmä v USA sa často využívajú stropné dosky s hlavnými priehradovými nosníkmi alebo s nosníkmi s otvormi (prelamované nosníky). Konštrukcie na prenos horizontálnych síl do základov majú byť symetricky umiestnené s ohľadom na polohu ťažiska budovy alebo pôsobisko horizontálnych síl vetra. Pri predbežnom návrhu možno vychádzať z modelu konzoly s prierezom vytvoreným horizontálnym rezom šmykových stien alebo jadra s rešpektovaním ich ťažiska.

Nosný systém výškových budov u nás často tvoria železobetónové jadrá, ktoré zaisťujú vodorovnú tuhosť budovy. Nahradenie jadra prútom si vyžaduje zvýšenú opatrnosť. Jadro, vzhľadom na jeho funkciu, oslabuje množstvo otvorov, ktorých vplyv treba zahrnúť do výpočtu tuhosti náhradného prúta. Pri náhrade jadra sa musí zohľadniť oslabenie pásových prútov a šmykové oslabenie steny. Náhradný konzolový prút má mať po výške premennú osovú aj ohybovú tuhosť. Náhradným prútom sa nedá zvládnuť zmena ťažiska prierezu jadra po výške budovy. Všeobecne treba pri návrhu prihliadať na skutočné pôsobenie nosného systému (oslabenie šmykových stien otvormi, šmykové ochabnutie stien atď.). Pri rámových konštrukciách možno použiť model výseku rámu.

V počiatočnom štádiu navrhovania sa podľa zahraničných skúseností pri projekte veľmi vysokých budov počíta až s 15 typmi nosných systémov a každý má rovnakú šancu na realizáciu. U nás sa väčšinou uprednostňuje jeden druh konštrukcie a materiálu, pričom na hľadanie najvhodnejšieho riešenia sa zabúda. Pre investorov je často zaujímavejšia cena za projekt, a nie efektivita riešenia v konečnom štádiu. Neplatí to však všeobecne.

Seriózne vypracovanie rôznych variantov nosného systému, podložené výpočtami (i keď predbežnými), si vyžaduje čas, odbornosť, skúsenosti a kvalifikovanú oponentúru zo strany odborných inštitúcií a nezávislých odborníkov. Investícia v prípravnej fáze projektu nosnej konštrukcie sa zhodnotí v kvalite a cene realizovaného diela. Výsledkom počiatočného štádia projektu je užší výber vhodného nosného systému a špecifikácia parametrov výškovej budovy. Vhodný systém zahŕňa prvky navrhnuté na zvislé zaťaženie, ktoré vo veľkej miere postačujú aj na prenos horizontálnych účinkov vetra alebo seizmicity. Na porovnanie vplyvu výberu vhodného nosného systému, ako aj použitia kvalitnejších materiálov na spotrebu konštrukčnej ocele uvádzame tabuľku 1 podľa (3). Údaje uvedené v tejto tabuľke ukazujú vplyv účinnosti nosného systému na určité výšky budov.

V praxi sa postupne prechádza na navrhovanie podľa Európskych noriem. Významnú rolu pri tom zohráva špecifikácia systému noriem. Neodporúča sa kombinovať rôzne systémy noriem, napriek tomu, že v oblasti navrhovania požiarnej odolnosti sa tomu nemožno vyhnúť.

Z pohľadu statika konštrukčné riešenie výškovej budovy podmieňujú účinky horizontálnych síl vyvolaných vetrom a seizmicitou, ktoré treba zohľadniť už v počiatkoch procesu navrhovania.

Základným problémom je prenos pomerne veľkých zvislých a vodorovných zaťažení do základových konštrukcií a zabezpečenie horizontálnej tuhosti budovy s ohľadom na účinky statických a dynamických zaťažení. Medzi dynamické zaťaženia patrí zaťaženie vetrom a seizmicitou. Statické riešenie vysokej budovy musí spĺňať požiadavky mechanickej odolnosti a stability, ale aj vytvorenia komfortu pri užívaní budovy. Na adekvátnu spoľahlivosť treba prihliadať pri každom prvku a pri všetkých prípustných kombináciách zaťažení. Zvláštna pozornosť sa musí venovať prvkom, ktorých zlyhanie môže iniciovať reťazové zrútenie budovy. Pri navrhovaní veľmi vysokých budov sa zohľadňuje aj vplyv deformácií na vnútorné sily v konštrukcii (teória II. rádu). Pri riešení budovy si nevystačíme iba s jedným výpočtovým modelom.

Vždy je pri návrhu základu potrebné riešiť interakciu budovy s hornou stavbou. Pri posúdení stability budovy proti preklopeniu sa zohľadňuje rozdielna poloha ťažiska kontaktnej plochy základu a zvislého zaťaženia. Pri veľkých rozdieloch sa problém rieši pomocou zmeny v podopretí základovej konštrukcie. Na titulnom obrázku je príklad riešenia horeuvedeného problému, kde boli časti dosky vylúčené z kontaktu s podložím (Výšková budova AB2,  Polus City Center Bratislava).

Interakcia nosného systému s podložím môže mať významný vplyv na správanie nosného systému. Pri použití stužujúceho jadra je pri plošnom založení objektu sadnutie pod jadrom o 20 až 30 % väčšie ako sadnutie na okraji budovy. Rozdiel sadania sa prejaví na redistribúcii síl vo vodorovných a zvislých nosných konštrukciách.

Správanie konštrukcie ovplyvňuje i postup výstavby. Stlačenie stĺpov od zmrašťovania a dotvarovania betónu, ovplyvnené postupom výstavby, treba zohľadniť už pri návrhu stropov, ale aj pri riešení detailov deliacich konštrukcií. Pri budove s 80 podlažiami podľa (4) s oceľovou konštrukciou z ocele vysokej pevnosti je pružné skrátenie stĺpa 180 až 220 mm. Pri budove zo železobetónu je pružné skrátenie 65 mm, celkové 180 až 225 mm. Na výpočet tohto účinku sa v (2) a (4) uvádza praktický postup. Komerčne dostupné výpočtové programy v nadväznosti na postup výstavby obyčajne tento efekt nezohľadňujú. Ďalším účinkom je účinok teploty na stĺpy budovy. Podľa (2) treba efekt brať do úvahy pri budovách s výškou viac ako 60 m.

Kritickými miestami pre nosné konštrukcie výškových budov sú pri šmykových stenách a jadrách nadpražia otvorov v ťažisku rezu šmykovej steny a okraje stien v šírke minimálne dvojnásobku hrúbky steny. Do týchto miest sa neodporúča umiestňovať otvory. Otvory v nadpražiach lokalizovaných blízko ťažiska prierezu steny znižujú ohybovú tuhosť steny. Pre stropné nosné konštrukcie sú kritickými miestami oblasti podpier (stĺpy).

Priekopníkom v oblasti navrhovania vysokých budov a autorom známej monografie Vysoké budovy bol Dr. J. Kozák (Alfa 1980). Poznatky z navrhovania vysokých budov sa v súčasnosti u nás objavujú ako príspevky na domácich a zahraničných konferenciách. Významným svetoznámym odborníkom v navrhovaní vysokých budov bol Dr. Fazlur Rahman Khan (1929 – 1982), ktorý je autorom mnohých publikácii o vysokých budovách ako aj nosných konštrukcií vysokých budov. Pôvodom z Bangladéša, po ňom v roku 1998 v Chicagu na jeho počesť pomenovali ulicu pri budove Sears Tower (110 poschodí, výška 442 m, spotreba ocele 76-tisíc ton). Postupy doporučované Dr. Khanom sa používajú dodnes. Nové poznatky pri navrhovaní vysokých budov sú dostupné aj na internete, podobne ako články z konferencií, skúsenosti z realizácií a podobne.

Vysoké budovy patria k náročným technickým dielam, ktoré si pri statickom riešení nosného systému vyžadujú čas, odborné vedomosti a v neposlednom rade aj skúsenosti. Vďaka rozvoju výpočtovej techniky už nie je nevyhnutná rutinná práca, tvorivá činnosť je však stále závislá od času. Čas na prípravu projektu sa výrazne skrátil, pričom projekt 20- až 30-poschodovej budovy sa očakáva v lehote niekoľkých mesiacov. Zostáva však zodpovednosťou statika postarať sa o bezpečný návrh nosnej konštrukcie.

Ing. Daniel Bukov,
autorizovaný stavebný inžinier
Foto: archív autora