Návrh ocelové konstrukce štítových stěn Amazon Court River City Prague

19. srpna 2009

Ing. Jaromír Tomek

Stavby administrativní Vyšlo v čísle 08/2009

Amazon Court je třetím objektem atraktivního administrativního komplexu River City Prague, který vyrůstá na Rohanském ostrově, na pravém břehu Vltavy v těsném sousedství Negrelliho viaduktu.

Autor:

Ing. Jaromír Tomek

Druhá část série článků navazující na první díl o ocelové konstrukci zastřešení stavby uveřejněný v časopise Stavebnictví 10/08 představuje návrh štítových stěn. Architektonické řešení zahraničních kanceláří (SHL, RFR) je i v tomto případě velmi náročné v celku i detailu stavby. Návrhy byly podrobeny důsledné kontrole a vše bylo podřízeno cíli dosáhnout prvotřídní kvality. Příprava projektové dokumentace ocelových konstrukcí byla pro kancelář PARS, která navrhovala i ocelové konstrukce předchozích dvou staveb administrativního komplexu River City Prague, velkým závazkem i výzvou.

Architektonické řešení
Nadzemní část budovy Amazon Court se skládá ze dvou železobetonových administrativních budov vzájemně propojených deseti ocelovými mosty, ve kterých jsou také umístěny kanceláře. Suterén je vyhrazen parkovišti a technickému zázemí. Vnitřní prostor mezi budovami - atrium - je přestřešen polštáři z ETFE fólie (obdoba Allianz arény v Mnichově) a z boků je ohraničen prosklenými štítovými stěnami. Nosné konstrukce mostů, konstrukce přestřešení i konstrukce štítových stěn jsou navrženy z oceli.

¤ Budova Amazon Court River City Prague, severní fasáda budovy

Ocelové štítové stěny stavby
Přestože hmotnost ocelové konstrukce štítových stěn je v porovnání s hmotností ostatních nosných konstrukcí (mostů, střechy) zanedbatelná, patřil jejich návrh k nejobtížnějším úkolům. Složitost řešení vyplývá zejména z okrajových podmínek podepření stěn. Z důvodu dosažení potřebné štíhlosti jsou štítové stěny ve svislém řezu koncipovány podle současných běžných zvyklostí jako zavěšené (curtain wall). V podélném řezu jsou podporovány paždíky, které jsou předepnuty lany.
Konstrukce jsou ve svislém řezu zavěšeny na předepnutých tyčových táhlech mezi mosty uspořádanými nad sebou, ve vodorovném řezu mezi bočními stěnami administrativních budov, které vymezují prostor atria. Nosná konstrukce zavěšených štítových stěn je prostorově uložena na okolní konstrukce, ke kterým se kotví (mosty a železobetonové objekty). Paždíky nesoucí zasklení mají rozpětí 30 m. Nosný pas nosníku paždíku má plný průřez 60x300 mm a je nestandardně umístěn do exteriéru před sklo. Je to hmotný tepelný vodič, který se v letním období ohřívá a roztahuje a v zimním ochlazuje a smršťuje. Lano, které předpíná paždík, je naopak umístěno v relativně teplotně stálém prostředí interiéru atria. Předpětí bylo zvoleno takové velikosti, aby v žádném z možných zatěžovacích stavů nevznikl po dobu životnosti stavby v táhle tlak. Norma pro navrhování nosných elementů lan poskytuje konzervativní návrh, který nebyl v souladu s požadavkem na tvarování těchto elementů. Únosnost sedla i klémy pro ukotvení lana do paždíku bylo proto nutné stanovit zkouškou ve zkušebně. Štítové stěny představují velmi komplikovanou soustavu, která musí respektovat pohyby okolních konstrukcí, na něž je zavěšena a od kterých odvozuje svoji tuhost. Stejně tak se musí vyrovnat i s účinky nerovnoměrného oteplení/ochlazení vnější a vnitřní konstrukce a musí mít i přijatelnou vlastní frekvenci. Nejzajímavější částí této části projektu byl právě návrh kotvicích prvků a inženýrská predikce chování konstrukce jako celku. Mosty se pohybují a prohýbají, mírně se pohybují i okolní betonové konstrukce, nicméně zavěšená štítová stěna musí vždy zůstat na svém místě a s těmito pohyby se vyrovnat.
Také podmínky pro uložení skel musely být dodrženy. Sklo je křehké, proto by zabránění některému z pohybů mohlo vést k jeho popraskání. Do kotvení táhel i paždíků byly začleněny pantografy s pružinami, které vyrovnávají vnitřní síly v táhlech a udržují prvek v potřebné geometrii a tím i táhla stále v napnutém stavu. Jedná se víceméně o posuvné vetknutí. Konstrukce je spíše jednoduchým strojem než stavební konstrukcí, ale detaily musí být navrženy výrobně co nejjednodušeji tak, jak to vyžaduje stavební prostředí. Toto je obecný imperativ návrhu, ke kterému se navíc přidružuje požadavek architekta dosáhnout u některých prvků specifického designu, který je často založen na maximálním využití možnosti materiálu, tj. na bezpečném dimenzování ?na doraz?. Toto klade velké nároky na inženýra i na software MKP. Konstrukce štítových stěn musí ve výsledku působit velmi nenápadně, prostě. Paradoxem je, že prvky, které daly nejvíce práce a které jsou velmi sofistikované konstrukčním řešením, jsou ukryty pod fasádou, nikdo je nevidí a slouží pouze k zajištění správné funkčnosti fasády. Uplatnila se ocel jakosti S355, S460 a lana Pfeifer.

¤ Statické schéma uložení štítových stěn

¤ 3D celkový model stěny

Příprava a práce na projektu
Úspěch designu stavby často závisí na správném pochopení architektovy myšlenky. S francouzským architektem z ateliéru RFR jsme spolupracovali na dvou předchozích stavbách, což nám pomáhalo rozumět jeho záměru. Design štítových stěn je podřízen celku, je založen na jednoduchých, a přitom promyšlených tvarech v celku i detailu. V těsném sousedství je sloup podpírající most, jehož obklad je řešen v tvarosloví českého kubizmu. Ten je i mottem návrhu střešních ?motýlků?. Tvarování všech prvků štítových stěn byla proto věnována velká pozornost, aby bylo docíleno co nejlepšího výsledného efektu. Konstrukční návrh byl několikrát přepracován, protože optimální konstrukční a tvarové řešení zpravidla nelze nalézt v jednom kroku. Detaily štítových stěn byly nakonec podle běžných zvyklostí dotvořeny pomocí vizualizace, obdobně jako u ostatních částí stavby. Obecně platí, že je-li nutné zajistit kvalitu detailu i správnou funkci konstrukce, je také třeba, aby projektant připravil i výrobní a montážní dokumentaci a realizaci stavby sledoval. Čím je konstrukce složitější a očekávání architekta vyšší, tím je tento požadavek naléhavější. Nelze oddělit návrh od finálního provedení, konzistence návrhu by jinak byla nenávratně ztracena. Základem je vždy konstrukční detail. Výstupy z 3D programů a animace velmi pomohly při koordinaci, při jednání s architekty, jako 3D vstupy pro výpočty i při zadávání díla do výroby. Obecně lze konstatovat, že i v tomto případě úspěch designu závisí především na tom, aby přípravu i realizaci řídili a prováděli lidé, kteří mají osobní zájem odvést co nejlepší práci a zároveň mají i estetické cítění. Podle našeho mínění není možné dopředu dobře odhadnout množství práce, které bude nutné vynaložit. Původní odhad bývá zavádějící a je zpravidla mnohonásobně překročen. Proto je nutné, aby měli investoři pochopení a včas vytvořili odpovídající podmínky. Pod tlakem nikdo nic dobrého nevymyslí a bez peněz a zázemí to také nejde. Je těžké si představit, že návrh doslova pár kilogramů železa vyžaduje šest a více měsíců práce několika zkušených lidí, i zázemí výkonných a spolehlivých softwarů.

¤ Dispozice štítových stěn

Výpočty
Výpočtový model nebyl triviální. Detailní výpočet štítových stěn byl prováděn nelineárně na komplikované prutové soustavě s předpětím a s pružinami, která si kladla za cíl co nejvěrněji napodobit chování skutečné konstrukce. Do prutové soustavy byly začleněny pantografy, pružiny a významné uzly byly modelovány z objemových prvků - solidů. Předpětí bylo modelováno ochlazením. Uplatnila se materiálová i geometrická nelinearita, chování prvků s vyloučeným tlakem bylo garantováno funkcí. Pro predikci napjatostních stavů velmi namáhaných prvků modelovaných objemovými prvky - solidy - je zejména důležité mít možnost uplatnit materiálovou nelinearitu, tj. mít možnost nechat zplastizovat materiál. Pro výpočet vlastních frekvencí se uplatnila nelineární modální analýza s předpětím. Technickou podporu poskytoval Ing. P. Šperka ze společnosti MSC software.
Současné 3D moderní programy pro výpočet MKP naštěstí umožňují velmi dobře analyzovat a tím predikovat chování podobné konstrukce. Z hlediska současných potřeb se ani zdaleka nevyužijí možnosti nabízené softwarovým mixem produktů. Jsou vyvinuty tak, aby splňovaly náročná kritéria vývojových pracovišť automobilového, leteckého a kosmického průmyslu. Obsahují široký výběr lineárních i nelineárních entit - od prutů, po solidy, offsety, kontakty, gapy, funkce, interpolační elementy atd. Obsahují velice výkonné a spolehlivé řešiče. Běžné úlohy řeší až na výjimky řádově ve vteřinách. Nabízejí animace a výstupy do funkcí, ze kterých je chování konstrukce názorné, nabízejí optimalizaci. Technická podpora bývá na vysoké úrovni. Velmi důležité je, že umožňují výměnu dat mezi různými programy a tím i možnost ověřit správnost modelu jiným programem. Jsou spolehlivé, velmi rychlé a umí-li člověk s nimi pracovat, tj. rozumí-li MKP, jsou přiměřeně přesné. Nabízejí dobrý obraz o tom, co se v konstrukci děje a jak se chová. Je pouze na inženýrovi, jak umí výsledky interpretovat a využít ve prospěch návrhu a spolehlivosti konstrukce.
Dimenzování prvků se provádělo podle běžných zvyklostí metodikou euronorem platných pro navrhování. Proces přijímání těchto norem v ČR práci projektanta velmi komplikuje. Původní ČSN normy přestávají platit, předběžné Eurokódy (ČSN-P-ENV) se mění za konečné Eurokódy (ČSN-EN). Tento fakt klade na inženýra dodatečný požadavek být neustále ve střehu a pružně aktualizovat již dříve připravené vzorové výpočty v Excelu. Tímto způsobem nekontrolovaně narůstají náklady spojené s projektovou dokumentací, nároky na potřebnou dobu jejího zpracování, komplikují se termíny a zneklidňují inženýra, zda postupuje správně. Navíc je v mezinárodním týmu třeba mít i na zřeteli, že zvyklosti i uchopení některých jevů uplatněných při navrhování, nemusí být napříč EU vždy identické. Zvláště dimenzuje-li se ?na doraz?, je nutné, aby všichni spolehlivě interpretovali výklad norem. Objednatele toto zpravidla vůbec nezajímá. Náklady včetně příslušenství s tímto spojené nese projektant.

Základní údaje o stavbě
Investor: RCP Amazon s.r.o.
Řízení projektu: ARCADIS project management s.r.o.
Generální dodavatel: Metrostav a.s., div. 3
Architekt: SHL, Dánsko
Architekt OK: RFR, Francie
Generální projektant: Atrea spol. s r.o.
Projektant OK: PARS building, spol. s r.o.
Na návrhu štítových stěn spolupracovali: Ing. P. Beneš (statické řešení), Ing. J. Tomková (konstrukční dílenské provedení). Za objednatele projekt řídil Ing. M. Fučík ze společnosti SIPRAL, pro kterou se dokumentace zpracovávala. Technickou podporu pro lanové systémy poskytoval zástupce dodavatele lan Pfeifer Ing. M. Voplakal.
Dodavatel štítových stěn: SIPRAL a.s.