Ocelové konstrukce střech a průvlaků

6. června 2008

Ing. Michael Trnka, CSc.

Zastřešení tvoří uzavřený prstenec po celém obvodě stadionu, a to v celé půdorysné ploše tribun. U západní a severní tribuny překrývá i části přístaveb. Celá střecha je mírně skloněna ve směru západo-jižním. Centrální nezakrytý prostor přibližně rozměrově odpovídá fotbalovému hřišti. Podpory střechy jsou vysunuty mimo divácká místa tribun.

Autor:

Ing. Michael Trnka, CSc.

Absolvent Fakulty stavební ČVUT v Praze, obor konstruktivně dopravní. Je autorizován v oborech mosty a inženýrské konstrukce, statika a dynamika staveb. Pracoval ve firmách Železniční stavitelství Praha, Energoprojekt Praha a ŠKODA PRAHA a.s. V současnosti spolupracuje s kanceláří ALLCONS Industry s.r.o. Začínal jako stavbyvedoucí, po přechodu do projektových kanceláří projektoval ocelové konstrukce českých i zahraničních elektráren, pozemních staveb i mostů a lávek. Aktivně pracoval v ČSSI a následně i v ČKAIT. Je předsedou redakční rady časopisu Stavebnictví.

Konstrukce zastřešení tribun

Při hledání vhodného konstrukčního systému byly prověřeny a početně posouzeny tři alternativy. První konstrukční úprava, která se přímo nabízela, bylo klasické řešení se střechou zavěšenou na ocelových pylonech. Tato varianta byla opuštěna, neboť vyčnívající pylony s táhly rušily představu o čisté a elegantní střešní konstrukci.
Další velmi podrobně posuzovanou alternativou byla konstrukční soustava, důsledně využívající prostorové tuhosti a tuhosti na kroucení uzavřeného prstence, tj. konstrukce bez kotvení konců vazníků pomocí táhel. U tohoto systému při daném rozmístění podpor bylo obtížné dimenzačně zajistit dostatečnou tuhost.
Jako výsledná konstrukční soustava byla zvolena konstrukce prostorově spolupůsobící, tuhá v rovině střechy i tuhá na kroucení, podepřená na vnější hraně železobetonových tribun a stabilizovaná táhly zakotvenými do železobetonové konstrukce přístaveb, nebo přímo do pilot vně spodních staveb. Původně bylo uvažováno rovnoměrné rozdělení vazníků po 15,0 m, ale nakonec, s ohledem na nosný systém spodní stavby a architektonické a dispoziční řešení, byly rozteče upraveny v rozsahu od 7,5 m až po 22,5 m, a to symetricky vůči centrální ose západ-východ.

Konstrukční řešení
Nosná konstrukce střechy je navržena z ocelových prvků. Celá střecha tvoří jeden celek bez dilatací. Tím je dosaženo potřebného prostorového spolupůsobení excentricky podepřené konstrukce. Zajištění prostorového spolupůsobení bylo podřízeno i konstrukční řešení, které účelným propojením jednotlivých prvků vytváří uzavřený prstenec, tuhý v rovině střechy.
Hlavním konstrukčním prvkem jsou vazníky, které určují kapkovitý tvar příčného řezu střechy. Vazníky jsou navrženy jako příhradové nosníky s plnostěnným zakončením na obou koncích, pasy jsou ze svařovaných T profilů, diagonály a svislice z trubek (obr. 3).
Vazníky, prosté nosníky proměnného rozpětí s převislým koncem o vyložení 24,5 m, jsou uloženy přímo (západní a severní tribuna) anebo zprostředkovaně prostřednictvím ocelových stojek (ostatní tribuny) na železobetonové konstrukci tribun. Tahové reakce vazníků přejímají ocelová táhla ukotvená u severní a východní tribuny do železobetonové konstrukce přístavby (obr. 13), u ostatních tribun na úrovni terénu do pilot. Všechna kotevní táhla jsou navržena jako tuhé pruty schopné přenést i tlakovou sílu. Toto řešení bylo zvoleno s ohledem na velmi nízkou hmotnost střechy a možný vznik střídavého namáhání všech prvků při zatížení větrem. Citlivost na zatížení větrem je dána aerodynamicky složitým tvarem zastřešení s konkávně tvarovaným horním a konvexním dolním povrchem.
Tvar střechy, její umístění i naklonění vytváří složité podmínky pro obtékání vzdušných proudů. Projektant požadoval aerodynamické vyhodnocení celého areálu na modelu ve větrném tunelu. Při tomto experimentu nemělo být zjišťováno pouze zatížení střešní konstrukce větrem, ale i proudění v prostoru hřiště a pohoda na tribunách. Bohužel byl experiment odmítnut.
Proudění vzduchu vyvozuje sání na obou površích střechy. Velikost sání je úměrná rychlosti obtékání v tom kterém místě. Může tedy také vzniknout situace, a to zvláště u východní tribuny, že rychlost proudu vzduchu v prostoru mezi tribunou a spodní plochou střechy bude výrazně vyšší než při horním povrchu střechy. To znamená, že bude střecha přitěžována zvýšeným sáním na dolním povrchu. Tak byl stanoven nejnepříznivější zatěžovací stav střechy: teplota -30 ºC, plné zatížení sněhem a vítr vanoucí od východu. Na tento stav byla dimenzována střešní konstrukce. Posudek konstrukce byl vypracován při užití teorie druhého řádu, neboť k zatížení střechy ve vodorovném směru výrazně přispívají horizontální reakce, vyvolané vychýlením stojek podpírajících východní tribunu, které jsou funkcí svislé reakce a měnící se výchylky. Rozhodující pro stabilitu celé soustavy je tedy vodorovná tuhost prstence střechy. Po nahrazení trapézového plechu podhledu dřevěnými prkny (k vypuštění plechu došlo až po odevzdání dokumentace pro provedení stavby), bylo obtížné stanovit horizontální tuhost střechy výpočtem. Proto byla skutečná tuhost střechy zjištěna zatěžovací zkouškou. Střecha východní tribuny byla v místech středových vazníků zatížena silou 2x100,0 kN. Změřená deformace byla poloviční (16 mm) než maximální výchylka stanovená porovnávacím výpočtem, který vycházel z horizontální tuhosti prstence střechy potřebné pro bezpečné zajištění stability konstrukce namáhané nejnepříznivější kombinací zatížení, [1], [2]. Zatěžovací zkoušku realizovali pracovníci Zkušební laboratoře FS ČVUT pod vedením Ing. Jiřího Litoše, Ph.D.
Samozřejmě, může dojít i k opačnému efektu zatížení střechy větrem. Proud vzduchu může být zablokován tribunou a střecha obtékána pouze při horním povrchu, což je situace pravděpodobná u západní a severní tribuny. To navozuje zatěžovací stav: vlastní tíha + sání na horním povrchu střechy + tlak větru působící na spodní plochu střechy. V tomto případě vzniká tah v podpěrách a nebezpečí nadzvednutí z ložisek a tlak ve vnějších táhlech. Proto byla táhla dimenzována rovněž na tlak a vazníky uložené na mostní ložiska byly zajištěny táhly proti nadzdvižení (obr. 12).
Opláštění střechy je neseno vaznicemi. Rozteč vaznic je 6,0 m. Vnitřní vaznice jsou navrženy jako příhradové nosníky, vaznice při prosvětlovacím pásu je navržena jako příhradová, opláštěná plechem a krajní vaznice jsou navrženy jako duté profily. Výška vaznic kopíruje tvar vazníků, a je tedy proměnná. Složitý tvar mají vaznice v rozích střechy. Stabilita pasů vaznic z roviny je v horní úrovni zajištěna trapézovým plechem (nesoucím střešní krytinu) a v dolní úrovni Z profily (nesoucími podhled).
Vnitřní příhradové vaznice, které prstencovitě propojují všechny vazníky, stabilizují dolní tlačený pas vazníků a celkově také konstrukci střechy v případě nerovnoměrných zatížení (obr. 3). Stabilizačním prvkem snižujícím relativní deformace mezi jednotlivými vazníky jsou rovněž krajní vaznice, navržené jako duté svařované profily tuhé na kroucení. Dalšími prvky, které jsou potřebné pro zajištění tuhosti v kroucení celé soustavy, jsou diagonály ztužení v rovinách dolního a horního pasu vazníku a mezilehlé stabilizující pruty. Tyto mezilehlé stabilizující pruty propojují jednotlivé vaznice v polích mezi vazníky a zajišťují jejich polohu během montáže trapézového plechu. Trapézový plech při horním povrchu a dřevěný podhled při dolním povrchu zajišťují svojí tuhostí v rovině konečnou stabilitu celé soustavy.
Při návrhu konstrukce bylo rovněž nutno počítat s lokálním zatížením zavěšenými televizními kamerami, reproduktory a osvětlovacími tělesy. Ve dvou rozích jsou zavěšeny na konstrukci střechy rozměrné velkoplošné obrazovky.

Střešní plášť
Střešní plášť ve složení OSB desky, ke kterým je mechanicky přikotvena krytina z PVC-P fólie Sikaplan 12G, armovaná tkaninou z polyesterových vláken je uložen na trapézový plech. V prostoru při vnitřním okraji střechy je navržen prosvětlovací pás z polykarbonátových komůrkových desek, které jsou podpírány ocelovým roštem. Pod tímto pásem není podhled (obr. 9). Žlaby i svody dešťové vody budou za mrazu vyhřívány, aby byl zajištěn bezpečný odvod vody z tajícího sněhu, a bylo tak zabráněno tvoření nebezpečných rampouchů a přetížení střechy.

Tepelná dilatace a stabilita střechy
Prstenec střechy je stabilizován ve vodorovném směru omezením volného pohybu ve čtyřech pevných bodech. Stabilizační pevné body blokující pohyb ve směru sever-jih jsou na západní a na východní tribuně. Kotvení ve středu jižní a severní tribuny blokuje pohyb ve směru východ-západ. V ostatních podpěrných bodech, a samozřejmě v bodech kotvených táhly, je zajištěn všesměrný vodorovný pohyb. Toto uspořádání umožňuje překlenout jednolitou ocelovou konstrukcí střechy dilatace spodní stavby a zajišťuje volnou tepelnou dilataci střechy - max. ±40 mm. Ocelová konstrukce střechy je, díky své poměrné pružnosti, schopna bez následků vyrovnat i malé rozdíly v sedání spodní stavby. Konstrukce střechy je na západní a severní tribuně uložena na železobetonovou konstrukci prostřednictvím elastomerových, horizontálně všesměrně pohyblivých mostních ložisek.
U vazníků jsou táhla i podpěry kotveny šikmo vůči ose vazníku - rovina kolmá na osu čepu směřuje do středu plochy hřiště, což je bod, vůči kterému střecha dilatuje. Toto uspořádání zajišťuje dilataci konstrukce bez příčení v čepech a bez vzniku podružných namáhání.
Na jižní a východní tribuně je konstrukce střechy uložena na ocelových kyvných stojkách, které jsou zakotveny do železobetonové konstrukce tribun. V stabilizačních bodech jsou kyvné stojky doplněny vertikálními ztužidly, která blokují pohyb ve směru podélné osy příslušné tribuny.

Pomocné konstrukce
Uvnitř prostoru střechy jsou umístěny servisní lávky s nosnou ocelovou konstrukcí a s podlahou navrženou z žárově pozinkovaných pororoštů. Z lávek je v několika místech umožněn výstup na střechu.

Tribuna a ocelové průvlaky

Ocelové průvlaky v jihozápadním a severozápadním rohu tribuny přemosťují prostor nad vstupy na stadion (obr. 4, 5). Průvlaky o rozpětí 20,97 m jsou uloženy na +2,98 m. Ocelové průvlaky nesou podlaží +3,62 m a všechna podlaží betonové stavby tribuny nad touto úrovní.
Celkové zatížení, které každý z průvlaků přenáší, je 4960 kN.

Konstrukční řešení
Poloha a dimenze prvků ocelových průvlaků byly podřízeny jednak požadavkům statika železobetonové části tribun, jednak požadavkům architekta. Rozhodujícím požadavkem bylo omezení deformací průvlaků na max. 20 mm uprostřed rozpětí, a to od zatížení výpočtového. Architekt ovlivnil volbu profilů diagonál a jejich rozmístění.
Průvlaky byly navrženy jako celosvařované příhradové nosníky. Pasy jsou tvořeny dvojicí profilů HEM 400, které jsou v části mezi železobetonovými sloupy horních podlaží propojeny diagonálami z obdélníkových trubek 300/200/16. V krajních částech byly navrženy zesílené diagonály 300/200/16 + 2xP12x135. Nepravidelné rozmístění diagonál bylo dáno požadavkem architekta. Pasy jsou v místě připojení diagonál zesíleny vloženými svislými výztuhami, které zajišťují přenos poměrně značných sil z diagonál do pasů a zpět. Pasy jsou z materiálu S235 - rozhoduje deformace průvlaku, diagonály jsou z materiálu S355 - rozhoduje únosnost.
Monolitické železobetonové desky obou podlaží jsou zapuštěny do horního i dolního pasu průvlaků. Nad pasem průvlaků byla protažena tažená výztuž, tlačená část desky je zesílena náběhem a opírá se o dolní přírubu a stěnu HEM profilů pasů. Stěny horních pasů jsou vyztuženy dalšími vloženými výztuhami tak, aby bezpečně přenesly tlak náběhů železobetonové vykonzolované desky do přírub profilů. Zapuštění profilů pasů do betonové desky snížilo konstrukční výšku podlaží a současně bezpečně zajistí stabilitu pasů ve směru kolmém na rovinu průvlaku. Průvlaky jsou zakotveny a stabilizovány pomocí předem zabetonovaných kotevních šroubů.

Návrh ocelové konstrukce zastřešení
Návrh ocelové konstrukce zastřešení byl zadán kanceláři Malcon s.r.o. Statické a dynamické posouzení konstrukce bylo vypracováno pomocí programu Nexis 32, výkresy byly kresleny s využitím programů AdvanceSteel a AUTO CAD.

Výroba a montáž
Dílenskou dokumentaci připravili projektanti a konstruktéři kanceláře Fobos. Ocelovou konstrukci střechy stadionu vyrobili i smontovali pracovníci mostárny KEPÁK, spol. s r.o. Spolupráce s vedoucími pracovníky firmy, panem Zdeňkem Kepákem a výrobním ředitelem Ing. Luďkem Hemzalem během výroby i montáže i s šéfmontérem panem Josefem Voborným přímo na místě montáže byla příkladná.

Základní údaje
Generální projektant: OMICRON-K, architektonický ateliér, Žitná 2, 120 00 Praha 2
Projektant ocelové konstrukce zastřešení: MALCON, s.r.o., U Bulhara 3, 110 00 Praha 1
Výroba a montáž ocelové konstrukce: Kepák, spol. s r.o., Sportovní 4, 602 00 Brno

Použitá literatura
[1] Trnka, M.: Statický výpočet ocelové konstrukce střechy nad tribunami, Praha, 10/2007
[2] Protokol č. 181136/2008 Zatěžovací zkouška střechy - fotbalový stadion Slavie Praha 10 z 24. 4. 2008; ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Zkušební laboratoř, Thákurova 7, 166 29, Praha 6

¤ Obr. 2. Konstrukce nad jižní tribunou bez vnitřních částí