Konstrukční systémy budov rozhodují o vlastnostech, statickém uspořádání a v neposlední řadě i o architektonickém pojetí stavby. Z hlediska konstrukčních systémů rozlišujeme základní skupiny na jednopodlažní, vícepodlažní budovy a halové stavby. Ty se pak dále člení na stěnové, sloupové, kombinované a systémy pro výškové budovy.
Svislé nosné konstrukce spolu s konstrukcemi vodorovnými vytvářejí rozhodující část nosného konstrukčního systému. Primární funkce svislých konstrukcí je nosná a ztužující. Kromě toho mohou svislé konstrukce plnit i další funkce, které však mohou být nahrazeny nebo doplněny přídavnými materiály a konstrukčními prvky.
Stěnové systémy
U staveb bytového charakteru se často používají stěnové systémy podélné nebo příčné. Pro systém hrubé stavby je u obytných staveb výhodné využívat zděné stěnové systémy, které vynikají jednoduchostí a rychlostí provádění a zejména cenou zhotovení. Jedním z nejčastěji používaných materiálů pro hrubé konstrukce budov jsou keramické tvarovky; pro vícepodlažní budovy se kombinují s železobetonovým monolitickým skeletem nebo stěnovým systémem.
Stavby se stěnovým systémem, a to zejména větší bytové stavby, kombinují i rozdílné technologie zdění. Jednopodlažní stavby především rodinných domů využívají v drtivé většině stěnové systémy, obvykle v kombinaci nosného obvodového zdiva a vnitřního zdiva nosného a příčkového. Zde je konstrukční systém velice často přizpůsoben požadavkům architektury a specifickým požadavkům zejména obvodového stěnového systému.
U vícepodlažních rodinných domů jsou pak kladeny požadavky i na statiku vnitřních nosných stěn. Pro celkové ztužení domů se velice často využívá těžké stropní konstrukce, například keramické, která přispívá k celkové tuhosti stavby. Tato konstrukce se ojediněle používá i pro zhotovení těžké střechy, kdy je konstrukce stropu provedena ve spádu střešní roviny a přispívá k lepšímu klimatu podkroví a v případě zvýšeného hluku (např. v blízkosti letiště nebo hlučné komunikace) eliminuje tuto zátěž v interiéru.
Čtěte také: Prefabrikované konstrukce: detailní pohled
Domy bez ztužení stropní konstrukcí je potřeba posuzovat zvlášť obezřetně a je vždy vhodné, aby takovéto zdivo (zejména obvodové) bylo masivnější, případně aby bylo ztuženo vnitřním systémem nosných stěn. Tzv. volné dispozice bez tuhých vnitřních stěn nejsou z hlediska statiky vhodné.
Stěnové systémy a vodorovná zatížení
Základním rozdělením konstrukčních systémů pro vícepodlažní budovy je prostorové uspořádání svislých prvků, jejich tvarové řešení a vzájemné propojení. Kritériem vhodnosti konstrukce je potom schopnost vzdorovat vodorovným zatížením. U stěnových systémů stěny přímo přenášejí vodorovná zatížení. Efektivnost přenosu závisí na vzájemném spojení stěn a jejich případném oslabení otvory.
V běžných případech, kdy ani vlastní stěna, ani jejich vzájemné spojení není nekonečně tuhé, uplatňuje se jednak vliv smykové poddajnosti dlouhých stěn, jednak vliv snížené tuhosti stěny otvory, reologickými vlastnostmi materiálu apod. Extrémním případem je potom vzájemné nespolupůsobení stěn, kdy každá z jejich dílčích částí se chová jako samostatný celek, a napětí, která její dílčí části přenášejí, jsou mnohonásobně vyšší než při teoretickém nekonečně tuhém spojení.
Jako příklad zde může sloužit ztužující stěna ve vícepodlažním montovaném objektu (např. panelový dům postavený před 40 lety). Styky mezi svislými panely byly v počátcích panelové výstavby navrhovány s hladkými bočnicemi bez smykových hmoždinek. Spojení se sousedními panely bylo realizováno pouze skobkou z hladké oceli, a to pouze v úrovni stropní konstrukce. Pokud skladbou stropních panelů nedojde ani k převázání svislého styku panelů a ve svislé zálivce mezi panely je smršťovací trhlina, liší se skutečné chování konstrukce od kdysi teoretického předpokladu spolupůsobení jednotlivých panelů. Tento stav je alarmující především u prováděných nástaveb na panelových domech, kdy se zvětšující se výškou objektu stoupá i zatížení větrem a projektant nástavby musí zajistit, aby stávající konstrukce tato přídavná zatížení přenesla.
Sloupové systémy
Konstrukce jednopodlažních objektů s volnou dispozicí se pak řeší za pomocí sloupového systému v kombinaci se zděnou vyzdívkou a používají se nejčastěji pro účely obchodu nebo skladování. U těchto objektů je kladen důraz především na funkci a statiku.
Čtěte také: Konstrukční vrut s talířovou hlavou TX40 – specifikace
Svislé nosné konstrukce (stěny, sloupy, pilíře) přenášejí zatížení ze stropních konstrukcí, schodišť a střechy do základů. Zatížení je přitom rozloženo buď liniově (stěny, stěnové pilíře), nebo je koncentrováno bodově (sloupy). Z hlediska působiště je vnější zatížení situováno dostředně (centricky) nebo mimostředně (excentricky). U štíhlých vysokých prutů (stěn) je rozhodující namáhání vzpěrným tlakem. O způsobilosti konstrukce potom rozhoduje možnost jejího vybočení ve směru menší tuhosti průřezu (menšího momentu setrvačnosti).
Z tohoto důvodu je vhodné pro tyčové prvky namáhané vzpěrným tlakem volit takové průřezy, jejichž tuhost je ve všech směrech přibližně stejná, nebo zvolit konstrukční úpravu, při níž lze vybočení zabránit. Stěna nebo stěnový pilíř lépe odolávají účinkům vzpěru, jsou-li lomené, případně spojené s kolmo orientovanými prvky. Vybočení prvku závisí také na upevnění jeho konců.
Prutové systémy
U prutových systémů přenášejí vodorovné účinky buď dvojice osových sil - tah a tlak (tzv. příhradové soustavy), anebo kombinace ohybového momentu a normálové síly (rámové soustavy). S ohledem na výšku budovy je nutná analýza vnitřních sil i z hlediska provádění montážních spojů. U nízkých rámových soustav (u nás běžných zhruba 10 - 15 podlaží) bývá volen montážní spoj v místě minimálního (nulového) ohybového momentu podle svislého zatížení příčle (vlastní váha stropní konstrukce, podlahy, příčky, užitné zatížení) přibližně v její čtvrtině délky. Ohybový moment od zatížení větrem není pro návrh rámového rohu zpravidla rozhodující. Naopak u velmi vysokých budov (Sears Tower, 442 m) rozhoduje o dimenzích rámového rohu vodorovné zatížení. Montážní spoj příčle je potom volen s ohledem na průběh momentu od větru na příčli uprostřed rozpětí.
Kombinované systémy
U kombinovaných systémů se často funkce nosná a ztužující oddělují. Některé svislé prvky, např. sloupy, působí jako kyvné stojky, slouží pouze k podpoře stropních konstrukcí a nepodílejí se na zajištění prostorové tuhosti. Ta je přiřazena seskupení dalších svislých konstrukcí, které jsou vzájemně propojeny a vytvářejí vnitřní nebo obvodová ztužidla. V případě stěnových ztužidel mohou sloužit zároveň jako vnitřní komunikační prostor, u příhradových se často uplatňují jako výrazný architektonický prvek na fasádě.
Konstrukční systémy výškových budov
Pojem „mrakodrap“ (anglicky skyscraper) se začal v souvislosti s vysokými budovami objevovat ve Spojených státech koncem 19. století. První vysoké budovy měly výšku do 100 metrů a svým vzhledem se nelišily od klasické městské zástavby. K dosažení této výšky však již bylo použito do té doby neklasického materiálu pro nosné konstrukce, a to litiny, později konstrukční oceli nebo železobetonu. Magickou výšku 100 metrů překonala budova Manhattanské životní pojišťovny (106,1 m) postavená v roce 1894 v New Yorku. Pro srovnání, pokud by v té době byly při výstavbě uplatněny zásady tehdy v Rakousko-uherské monarchii platného Stavebního řádu, budova by musela mít stěny v tloušťce několika metrů.
Čtěte také: Detailní popis tesařského vrutu
Teprve od počátku 70. let 20. století se začínají objevovat nové a vyšší budovy, a to nejen ve Spojených státech, ale i v asijských zemích (World Trade Center v New Yorku, USA, postaveno v letech 1971 až 1973, výška 417 m, Sears Tower v Chicagu, USA, postaveno 1974, výška včetně antény 519 m, Petronas Tower v Kuala Lumpur, Malajsie, postaveno 1998, výška 452 m).
U vysokopodlažních budov asi nad 40 pater se stává dominantní vodorovné zatížení. Pro menší počet pater se uplatňují obvykle systémy se ztužením uvnitř budovy, pro větší počet pater (od 40 až 60 pater) speciální systémy. S rostoucí výškou budovy se přibližně lineárně zvyšuje svislé zatížení sloupů a dalších svislých nosných prvků konstrukčního systému, podstatněji však vzrůstá význam zatížení větrem.
Nosný systém výškové budovy musí účinně snižovat nadměrné vodorovné deformace a kmitání konstrukce. Nejvíce namáhanou částí nosného systému jsou nosné konstrukce ve spodních podlažích, kde je zapotřebí zabránit vzniku tahových namáhání při kombinaci značně velkých svislých a vodorovných zatížení. Toho je možné dosáhnout dostatečně velkou ohybovou tuhostí svislých konstrukcí.
Způsoby ztužení konstrukce závisí na výšce budovy. Pro nižší počet pater se mohou použít rámová ztužidla, do 40 pater ztužidla příhradová (nebo konstrukce s jádrem). Pro budovy nad 40 pater je již potřebné, aby sloupy spolupůsobily v celé konstrukci, a proto se vkládají vodorovné ztužující pásy na šířku celých pater. S rostoucí výškou konstrukce rychle narůstají náklady na ztužení, proto je snahou omezit velikost nákladů vhodným konstrukčním řešením.
Pokud se do konstrukce výškové budovy vloží tuhé vnitřní jádro a zajistí spolupůsobení s obvodovým pláštěm (nosný plášť nyní tvoří vnější nosné jádro), pak dochází k interakci mezi ohybovým a smykovým působením. Interakce nosných konstrukcí vnějšího pláště a vnitřních ztužujících konstrukcí se využívá pro omezení deformací u trubkových systémů, u nichž je vnější konstrukce namáhána ohybově a vnitřní jádro smykově (toto uspořádání se nazývá v USA jako „tube in tube“).
Výškové budovy v České republice
Jedním z našich prvních výškových domů byl tzv. Baťův mrakodrap, postavený v letech 1937 - 1938 jako sídlo ředitelství obuvnické firmy Baťa ve Zlíně. Budova má třináct pater a měří 77,5 m.
Po druhé světové válce v roce 1954, v duchu socialistického realismu, byl v pražských Dejvicích postaven hotel Internacional (nyní Crowne Plaza Prague), dosahující výšky 88 m. Výšky přes 100 m dosahují v Praze pouze dva objekty - administrativní budova bývalého Motokovu (nyní City Empiria, výška 104 m, postaveno 1977) a bývalá budova rozhlasu (nyní City Tower, výška 109 m, výstavba od 1986).
K českým specifikům jistě náležejí i výškové obytné budovy postavené železobetonovými montovanými technologiemi. Jeden z nejvyšších montovaných obytných domů byl postaven v letech 1964 - 1967 v Praze 10. Jedná se o věžový obytný dům, který má dvacet nadzemních obytných podlaží, celková výška objektu je 64 m.
S připravovanými urbanistickými studiemi, které budou specifikovat území se zastavitelností výškovými budovami v Praze např. po vzoru Vídně, se výstavba výškových budov Praze do budoucna zcela jistě nevyhne. Výškové budovy budou vždy tvořit dominanty, u kterých by měla konstrukčně statická stránka tvořit součást koncepce architektonického řešení. Nerespektováním vlastností, které jsou z hlediska statiky pro výškové budovy zásadní, se zvyšují finanční nároky na realizaci těchto staveb.
Funkce svislých nosných konstrukcí
Svislé nosné konstrukce (stěny, sloupy, pilíře) přenášejí zatížení ze stropních konstrukcí, schodišť a střechy do základů. Zatížení je přitom rozloženo buď liniově (stěny, stěnové pilíře), nebo je koncentrováno bodově (sloupy).
Prvek mající v určitém směru vysokou ohybovou a smykovou tuhost plní v konstrukci i funkci ztužující. Svislé konstrukce oddělující prostory s různou teplotou prostředí mohou zajistit tepelnou pohodu v těchto prostorech. Zlepšování tepelnětechnických vlastností materiálů zpravidla snižuje jejich pevnost, a tím i celkovou únosnost konstrukce.
Svislé konstrukce (především stěny) mohou působit zároveň jako akustická izolace mezi jednotlivými prostory. Nosné konstrukce musejí být z hlediska bezpečnosti celého systému vytvořeny z nehořlavých materiálů nebo musejí být proti účinkům požáru chráněny. Stěnové konstrukce také mohou přímo oddělovat požární úseky a vytvářet chráněné únikové cesty.
Příklady výškových budov v Čechách
| Název budovy | Místo | Výška (m) | Rok dokončení | Poznámka |
|---|---|---|---|---|
| Baťův mrakodrap | Zlín | 77,5 | 1938 | Sídlo ředitelství firmy Baťa |
| Hotel Internacional (Crowne Plaza Prague) | Praha Dejvice | 88 | 1954 | Postaven v duchu socialistického realismu |
| City Empiria (bývalý Motokov) | Praha | 104 | 1977 | Administrativní budova |
| City Tower (bývalý Rozhlas) | Praha | 109 | 1986 (výstavba od) | Původně budova rozhlasu |
| Věžový obytný dům | Praha 10 | 64 | 1967 | Jeden z nejvyšších montovaných obytných domů |
tags: #konstrukcni #systemy #vicepodlaznich #staveb