Ocelová konstrukce zastřešení O2 arény

Úvod, záměr projektu

Víceúčelová O2 (Sazka) aréna oslaví v tomto roce 12 let své úspěšné existence. Kromě sportovních akcí v mnoha odvětvích se zde pořádají kulturní a společenské akce různého druhu. Výstavbu arény financovala Sazka, a.s. prostřednictvím dceřiné společnosti Bestsport, a.s. s podporou hlavního iniciátora záměru generálního ředitele Sazky Aleše Hušáka. Aréna byla dokončena (GD Skanska, a.s.) v rekordním čase 16 měsíců k datu konání mistrovství světa v ledním hokeji v Praze v dubnu 2004. Autory architektonicko-urbanistického řešení jsou architekti Martin Vokatý, Vladimír Vokatý a Jiří Vít. Aréna je vybavena moderní technologií s pohyblivými spodními tribunami a podii a ve střešním prostoru kruhovými mosty a pohyblivými lávkami, které umožňují rychlé změny scénáře jejího využití. Zastavěná plocha arény je 35 000 m², obestavěný prostor 990 000 m³. Hlavní aréna pojme 11 000 až 20 000 diváků podle účelu, ke kterému hala právě slouží. Střecha byla architekty navržena ve tvaru kulového vrchlíku. Pro její nosnou ocelovou konstrukci jsme zvolili netradiční, ale velice efektivní koncepci předpjatého prostorového vzpínadla, která svou dispozicí logicky odpovídá tvaru kulového vrchlíku (radiální vazníky – poledníky, svislá ztužidla – rovnoběžky). Ukázala se výhodnou z hlediska funkčního, ekonomického, ale i estetického. Předpětí táhel vedených pod spodními pásy vazníků sloužilo k jejich aktivaci, k příznivé redistribuci vnitřních sil v ocelové konstrukci a k eliminaci průhybu konstrukce od stálého zatížení. Poprvé bylo u nás použito hydraulické předpínání táhel na volné délce podle optimalizovaného předpínacího postupu s kontrolou sil tenzometry v konfiguraci plného můstku.

Koncepční a disposiční řešení

Střecha arény má tvar kulového vrchlíku o průměru 135 m a vzepětí 9 m, který byl definován architektonickým řešením. Do projektu jsme vstoupili ve fázi stavebního povolení s cílem optimalizovat ocelovou konstrukci zastřešení původně uvažovanou jako mohutný pravoúhlý příhradový rošt. Prvním krokem před návrhem variantních řešení byla rešerše obdobných staveb ve světě, přičemž největší inspirací byly některé konstrukce arén v USA a Japonsku. Z několika zpracovaných variant jsme nakonec po dohodě s architektem zvolili netradiční, ekonomicky a prostorově efektivní koncepci prostorového vzpínadla s 36 radiálními trubkovými příhradovými vazníky s předpjatými táhly, které se sbíhají na centrálním příhradovém válci o průměru 18 m, výšce 12,3 m. Konstrukci doplňují svislá ztužidla v centrických kruzích, která zajišťují stabilitu spodního pásu vazníků a zároveň spolupůsobí s vazníky klenbovým účinkem. Střecha je uložena na nosné betonové konstrukci s předpjatými průvlaky, dilatované na 6 částí (koncepce statického řešení – PPP Pardubice, s.r.o., Milan Mužík), na 32 kyvných a čtyřech vetknutých sloupech spojených ve vrcholu se čtyřmi betonovými jádry umístěnými ve středech dilatačních úseků. Čtyři hrncová mostní ložiska, uložená mezi čtyřmi vetknutými sloupy a vazníky, umožňují pouze radiální pohyb a střechu tak stabilizují v prostoru vůči betonové konstrukci.

Parametry a tvar konstrukce byly také ovlivněny profesemi, které byly ve střeše umístěny, např. vzduchotechnikou, akustikou, ale zejména unikátní divadelní a audiovizuální technikou. Jedná se např. o kruhové a pohyblivé mosty s vrátky, osvětlení a multimediální kostku. Koncepci divadelní techniky vytvořil architekt a scénograf Jindřich Smetana. Po doladění vzájemných vazeb tvoří prvky divadelní a audiovizuální techniky s ocelovou konstrukcí střechy integrální celek. Kruhové mosty jsou umístěny v prostoru mezi vazníky a táhly, multimediální kostka může být vtažena do prostoru uvnitř dutého centrálního příhradového válce, jehož rozměr byl pro tuto možnost navržen. Střešní krytinu tvoří tangenciálně pnuté sendvičové panely uložené přímo na horních pásech vazníků. Konstrukce je schopna přenést stovky tun zatížení, které mění polohu podle účelu použití arény a které je místy značně asymetrické, s vysokou místní intenzitou. Při hmotnosti nosné konstrukce necelých 120 kg/m² je celkový průměrný součet zatížení 400 kg/m², při místní koncentraci i daleko vyšší. Promotéři akcí oceňují vysokou flexibilitu při zavěšování koncertní technologie na pohyblivé hliníkové lávky, kruhové mosty a pevné body konstrukce, která výrazně snižuje běžnou dobu potřebnou k její instalaci, stejně tak jako dostatečné rezervy v únosnosti střechy. Největší zatížení koncertní technologií ve střešním prostoru dosáhlo 180 t nad jevištěm. Po dokončení konstrukce bylo oceněno i její estetické působení, které bylo zvýrazněno barevným řešením.

Po návrhu koncepce řešení jsme s kolegou Janem Včelákem v době od března do listopadu 2002 zpracovali dokumentaci pro stavební povolení, tendrovou a realizační dokumentaci ocelové konstrukce. Konstrukce byla navržena s použitím prostorového modelu (FEAT 2000), na kterém byly také posuzovány montážní stavy, předpínací a aktivační postupy. Statický výpočet si generální dodavatel stavby Skanska, a.s. nechal nezávisle posoudit skupinou odborníků z FSv ČVUT (prof. Studnička, Bittnar a Šejnoha).

Výroba ocelové konstrukce

Od prosince 2002 do února 2003 jsme zpracovali dílenskou dokumentaci po pečlivé technologické přípravě s výrobcem (Metrostav a.s.) a jeho hlavními subdodavateli, např. centrální příhradový válec byl vyroben v mostárně Excon Steel, a.s. v Hradci Králové. Jedná se o celosvařovanou 170 t těžkou konstrukci o průměru 18 m a o výšce 12,3 m. Výroba byla náročná z hlediska ohýbání a svařování silnostěnných trubek, technologických postupů svařování a sestav tak, aby byly dodrženy předpokládané výrobní tolerance. Konstrukce byla v mostárně předmontována na 2 části, spodní příhradový prstenec s 36 sloupy a vzpěrami a oba horní prstence. Konstrukce příhradového válce byla na stavbu dopravena rozložena na 21 dílů. Nejsložitějším prvkem byly kruhové příhradové prstence s pásy z trubek 356/36, resp. 324/36. U hlavních nosných prvků byla provedena 100% defektoskopická kontrola svarů. Při montážním svaření bylo s ohledem na tolerance v tloušťkách stěn trubek technologicky obtížné připravit kořen svaru tak, aby při zachování plné únosnosti této defektoskopické kontrole vyhověl. Obloukové vazníky byly vyrobeny ve Vítkovicích Strojírenství, a.s. Vazníky jsou příhradové trubkové, pásy jsou přímé, lomené, obloukový tvar je vytvořen horním úložným T profilem s přerušovanou stojinou. Poloha styčníkových plechů a dalších určených prvků byla měřena geodeticky v celých sestavách v dílně a naměřené výrobní tolerance schvaloval projektant. Vazníky byly dopravovány na stavbu v 15 m dílcích na montáži šroubovaných s vloženou diagonálou. Hlavní nosná konstrukce je vyrobena z materiálu S355.

Konstrukční systém táhel firmy Macalloy (GB) z materiálu S460 s válcovaným závitem M100 a s únosností přes 300 t, s možností měřitelného předpínání s použitím hydraulického zařízení na napínákové matici umožnil návrh jednoduchých detailů kotvení. Součástí projektu byl projekt předpínacích a aktivačních postupů s vysokou přesností.

Montáž ocelové konstrukce

Montáž střechy, která skýtala mnoho náročných operací vyžadujících pečlivou teoretickou přípravu, zajistily Hutní montáže Ostrava. Probíhala na střední provizorní podpoře. Střední příhradový válec byl na místě stavby svařen ze dvou částí, spodního prstence a sloupů a dvou horních prstenců. Po geodetickém zaměření skutečného tvaru a odchylek od dokumentace byly obě části vyzdviženy na střední podporu tak, aby vzájemné odchylky směrů obou částí s ohledem na teoretické osy byly co nejmenší. Po usazení 170 t těžkého středního příhradového válce na 12 hydraulických lisech o nosnosti 100 t byly vazníky montovány asymetricky z jedné strany, s ohledem na nepřístupnost staveniště ze strany Malé arény. To způsobilo vnesení vodorovných sil do jednotlivých podpor (hydraulických lisů) i do podpory střední. Teoreticky jsme spočítali reakce a posuny středního válce na pižmu při jednotlivých zatěžovacích stavech. Geodetická měření, která se průběžně prováděla po jednotlivých montážních etapách, se s výpočty velmi dobře shodovala. Prvních 20 vazníků bylo smontováno po dvojicích zevnitř arény postupně ze dvou stanovišť. Zbylých 16 vazníků bylo montováno samostatně ze dvou stanovišť vně haly. Při zdvihu jsme kontrolovali stabilitu vazníků v montážním stadiu při zavěšení na jeřábu. Vazníky jsou na jedné straně připojeny přes příruby k střednímu válci, na druhé straně jsou uloženy na předem osazených betonových sloupech s průvlaky. Ze změřených výrobních odchylek vazníků a příhradového válce byl pro montáž určen potřebný počet vložek do jednotlivých styků a teoretické délky táhel. Táhla byla vyzdvihnuta spolu s vazníky zavěšená na jejich spodním pásu a po uložení vazníku spuštěna do správné polohy a začepována. Táhla byla v průběhu montáže trvale vyvěšena po 5 metrech, aby se eliminoval jejich průvěs až do doby předepnutí a instalace všech stálých zatížení. Průvěs byl určen (s ohledem na eliminaci nelineární složky tuhosti táhla vlivem průvěsu) pod 3 % lineární složky tuhosti. Samotný proces předpínání a spouštění konstrukce z 12 hydraulických podpor ve třech krocích jsme teoreticky podrobně připravili, takže vlastní práce proběhly až překvapivě hladce a rychle. Táhla se předpínala ve dvou krocích, přičemž hodnoty předpínacích sil jsme určili s ohledem na fakt, že byly vnášeny ve stavu uložení konstrukce na podpoře a s uvažováním jejich vzájemného ovlivnění při postupném předpínání po symetrických čtveřicích. Všechny montážní a aktivační stavy byly kontrolovány geodeticky a síly v táhlech byly měřeny on-line tenzometricky a na hydraulickém zařízení. Měření sil v táhlech provedl tým ÚTAM AVČR pod vedením prof. Pirnera. Konstrukce byla ověřena statickou a dynamickou zkouškou, jejíž součástí bylo měření průhybu konstrukce a sil v táhlech v průběhu montáže, předpínání, aktivace (spouštění) a následně jejího přitěžování střešním pláštěm a dalšími technologiemi. Na závěr byla měřena dynamická odezva konstrukce při nehodovém zastavení pohybu multimediální kostky. Rozdíly mezi naměřenými a teoretickými hodnotami sil a deformací byly na hranici přesnosti měření. Soubor měření je cenným materiálem pro utvoření představy o shodě teoretického modelu a skutečného chování složitých prutových prostorových soustav.

Závěr

Úspěšnost akce byla při vypjatých termínových podmínkách podmíněna nadstandardním přístupem všech zúčastněných, a to jak v projekčním týmu, který sestavil GP Atip ve spolupráci s hlavním kooperantem Helikou (Petr Jileček) zajišťujícím většinu profesí, tak při vlastní realizaci s investorem, generálním dodavatelem, výrobci a montážní firmou. Při přípravě a realizaci bylo použito nových technologií a postupů při návrhu a realizaci v oblasti předpínaných prostorových ocelových konstrukcí. V rámci ocenění a při prezentacích na konferencích a seminářích byla oceněna zejména originalita, efektivnost a estetické působení zvoleného řešení. Zkušenosti s touto konstrukcí jsme v dalších letech využili při návrhu mnohých významných předpjatých prostorových ocelových konstrukcí, jako jsou arény v Chomutově a Třinci, hangáru v Mošnově, protihlukových stěn v Hradci Králové a Vchýnici, Trojského mostu, při rekonstrukci plynojemu na multifunkční aulu ve Vítkovicích a při dalších projektech. Konstrukční systém arény se stal vzorem pro návrh olympijského stadionu pro stolní tenis v Číně.

O2 aréna se stala po dobu své existence významnou součástí sportovního a kulturního dění u nás a trvale zvyšuje prestiž a atraktivitu Prahy a České republiky. Uskutečnily se zde koncerty při turné největších hvězd světové i domácí rockové a populární hudby a významné sportovní události. V roce 2015 se v aréně např. uskutečnilo mistrovství světa v ledním hokeji a atletice. Aréna také přispěla k rychlému rozvoji městských částí Vysočany a Libeň, trvale přináší při velkých událostech nemalé částky do městského a státního rozpočtu a nepřetržitě vykazuje významný provozní zisk. Ocelová konstrukce zastřešení získala cenu ČKAIT, cenu Inženýrské akademie, European Steel Design Award ECCS, a hlavní cenu prof. Faltuse za nejlepší ocelovou konstrukci v letech 2000 až 2003.

Obr. 2. Statické schéma konstrukce

Obr.1. Aréna Sazka, letecký pohled při montáži

Obr. 3. Předmontáž spodní části tubusu

Obr.4. Montáž horní části tubusu

Obr. 5. Konstrukce po dokončení ¼ vazníků

Obr. 6. Montáž dvojice vazníků a táhel

Obr. 7. Styk vazníků a táhel s centrálním tubusem

Obr. 8. Montáž vazníků, táhel a ztužidel, střední jeřáb pro montáž ztužidel a střešních panelů

Obr. 9. Předpínání táhel s použitím hydraulického zařízení

Obr. 10. Hydraulické zažízení pro předpínání a jeden z 12 zvedáků, na kterých byl tubus uložen

Obr. 11. Konstrukce po odstranění provizorní podpory a po instalaci kruhových mostů

Obr. 12. Sazka Arena po instalaci střešních panelů

Obr. 13.

Obr. 14. Přípoj táhla Macalloy ke středovému tubusu

Obr. 15.

Obr. 16.

Obr. 17.

Obr. 18.

Obr. 13.–18. Konstrukční detail připojení táhla k vazníku a k tubusu

Obr. 19. Spodní prstenec tubusu a táhla

Obr. 20. Vnitřní pohled po instalaci videokostky

Obr. 21. Vnitřní pohled po dokončení