Ocelová konstrukce jako nedílná součást membránové architektury

1. Úvod

Předepnuté membránové konstrukce z textilních materiálů nebo nerezových sítí mohou tvořit plnohodnotné nosné konstrukční prvky a překonávat poměrně velká rozpětí bez dalších pomocných lan či jiných sekundárních konstrukcí. Díky intenzivnímu rozvoji výpočetní techniky v posledních desetiletích a v souvislosti se zvýšenou poptávkou po membránové architektuře lze v dnešní době na trhu nalézt výpočetní programy, vyvinuté výhradně pro návrh membránových konstrukcí. Na průměrně vybavených osobních počítačích tak dnes lze řešit i složitější nelineární úlohy, jakou předepnutá membránová konstrukce bezesporu je. Software se uplatní jak pro návrh geometrie a tvaru konstrukce, tak i pro výpočet napjatosti a vnitřních sil a to i s vlivem spolupůsobení podpůrné konstrukce, která bývá u těchto staveb zpravidla ocelová. V neposlední řadě ho lze užít také pro tvorbu a výslednou podobu střihu prostorové konstrukce, která bývá svým tvarem mnohdy velice složitá a „ruční“ přenos geometrie do 2D je v podstatě nemožný. Tento článek si neklade za cíl hlubší popis samotné membrány, která by nikdy nemohla fungovat jako samonosná konstrukce bez vhodného dvojího zakřivení a plošného předpětí, ale jeho předmětem je zejména popis a řešení přenosu sil do okolní konstrukce – podpůrné ocelové konstrukce, která má za úkol tyto síly, vyvozené předpětím membrány a dalšími vnějšími zatíženími (sníh, vítr), spolehlivě přenést do základů. Ocelová konstrukce musí také vykazovat vodorovnou tuhost, která bývá často při návrhu podceňována. U jednodušších konstrukcí bez návaznosti na další stavby se tuhost celku zajišťuje obvyklým způsobem, tj. šikmými prvky (táhly) do více směrů, nebo např. rámovými rohy, viz obr. 1.

Obr. 1 Zajištění celkové tuhosti konstrukce pomocí dvojic táhel nebo rámovým rohem

2. Přenos sil

Obecně lze podpory membránové konstrukce rozdělit na bodové, viz obr. 1 a liniové, které se uplatní zejména pokud podpůrnou konstrukci tvoří oblouk, nebo jedná-li se o hlavní prstenec u pagod nebo trychtýřů, viz obr. 2.

Obr. 2 Příklady liniového přenosu sil do ocelové konstrukce (oblouk a prstenec)

Liniové kotvení membrány je prováděno přes tzv. keder lištu, která bývá vyrobena z tužšího polymeru a přes kterou je membrána zdvojena. Lišta se pak zasouvá do pomocného (často hliníkového) profilu, který je potom k podpůrné konstrukci kotven běžnými spojovacími prostředky, viz obr. 3.

Obr. 3 Keder lišta v hliníkovém profilu pro liniové kotvení membrány

Podobný princip přenosu sil je použit i pro bodové ukotvení membrány, kde je lišta sevřena mezi 2 ocelové plechy, tvořící nárožní prvek, viz obr. 4.

Obr. 4 Nárožní kotvení membrány k ocelové konstrukci

Součástí uspořádání nárožního kotvení jsou i detaily pro připojení obvodových lan, viz obr. 4. Tato lana, uložená v kapsách po obvodu membrány, jsou pomocí závitového terminálu a matice dopínána přes trubky nárožního profilu, čímž lze dosáhnout optimálního předpětí v membráně a požadovaného tvaru celé textilní části konstrukce. Vzepětí oblouku obvodového lana má obrovský vliv na výsledné reakce v podporách, protože síly v lanech jsou úměrné poloměru zakřivení. Obecně platí, čím větší poloměr zakřivení (přímější lano), tím větší síla musí působit v laně při dosažení požadovaného stavu napjatosti membrány, viz obr. 5. V obvodových lanech se potom koncentruje cca 85 % nárožní reakce, při návrhu je však třeba počítat i s koncentrací zbytku napětí v samotné membráně. Materiál membrány je v místě kotvení zpravidla zdvojen (přes keder lištu), což napomáhá účinnému přenesení lokálního napětí bez nutnosti použití silnějšího (únosnějšího) materiálu na celou plochu konstrukce.

Síla v laně = S

Síla v laně = 0,5 × S

Síla v laně = 0,25 × S

Obr. 5 Relativní vztah zakřivení a výsledné síly u obvodového lana membrány [1]

Další důležitou součástí konstrukce, která se uplatní při přenosu sil mezi membránou a podpůrnou konstrukcí je prvek napojení rohového profilu ke styčníkovému plechu sloupu, tím může být tzv. „Schäkel“, který umožňuje rotaci okolo jedné osy – čepu. Pokud je pro správně fungování konstrukce žádoucí i rotace okolo druhé osy v uložení, použije se tzv. „Wirbelschäkel“, viz obr. 4 vlevo. Tyto prvky jsou téměř vždy nerezové. Jednodušší variantou je potom vidlička se závitovým terminálem, který se k nárožnímu profilu přišroubuje přes trubku podobně jako obvodová lana, viz obr. 4 vpravo.

3. Podpůrná ocelová konstrukce

Ocelová konstrukce by v ideálním případě měla být již součástí numerického modelu spolu s membránou, a to ve skutečných, navržených rozměrech. Tím se zohlední tuhost (poddajnost) konstrukce a vzájemná interakce se promítne do výsledků globální analýzy napjatosti v membráně a vnitřních sil v konstrukci. Toto platí zejména pokud je membrána kotvena na liniový – nosníkový prvek, kde např. poddajnost kotvení u podpory není shodná s poddajností nosníku uprostřed rozpětí a v případě odděleného výpočtu membrány (s tuhými podporami) tak může docházet k nepřesnostem, které mohou řádově dosahovat i desítek procent. Ne vždy je však v možnostech stavebního inženýra takový komplexní výpočet provést. Pro základní tvar – hyperbolický paraboloid se čtyřmi kotevními body v rozích, viz obr. 6, se velmi často provádí výpočet odděleně a to bez větších odchylek.

Obr. 6 Hyperbolický paraboloid se čtyřmi kotevními body v rozích

Konstrukce tohoto typu často přímo navazují na přilehlou budovu a tak podpůrné body membrány jsou realizovány jak pomocí šikmých sloupů s táhly, tak přímým kotvením do hmoty budovy. Vzhledem k tomu, že při větších plochách zastřešení a vyšší hodnotě zatížení sněhem nejsou výjimkou tahové reakce v rozích membrány i v řádu stovek kN, je vždy nutné posoudit také vliv těchto reakcí na konstrukci samotné budovy. Ideální je součinnost již v době výstavby a příprava kotevních míst vhodným vyztužením konstrukce apod. Klasickým kotevním bodem rohu membrány, vzdálenějšího od budovy je potom zmiňovaný šikmý sloup s táhly, viz obr. 6 vlevo. Tlačený sloup bývá navržen z běžné konstrukční oceli a opatřen koncovými detaily pro připojení lan, viz obr. 7 vlevo, a uložení na čep, viz obr. 7 vpravo. Koncovou povrchovou úpravou po přivaření všech plechů bývá nejčastěji žárový zinek. Čepy sloupů (ideálně provedené tak, aby umožnily rotaci sloupu v rovině výslednice reakce z membrány) a šikmá kotevní lana se navrhují z nerezi.

Obr. 7 Koncové detaily sloupů – přípoj šikmého lana a uložení na čep

Hlavní šikmá lana sloupů musí umožňovat rektifikaci tvaru celého systému a musí být dopínatelná tak, aby jejich pomocí mohla být konstrukce vypnuta do požadovaného stavu vodorovným posunem vrcholu sloupu, ke kterému dochází při napínání lana a otáčení sloupu v úložném čepu. Na lanech jsou z tohoto důvodu instalovány napínáky, viz obr. 8 vlevo a uprostřed. Levnější variantou je potom dělená patka, kde efekt napínáku zajistí vysokopevnostní šrouby, viz obr. 8 vpravo.

Obr. 8 Rektifikační prvek, napínák a dělená patka s vysokopevnostními šrouby

4. Kotvení do základů

Přenos sil z membrány přes ocelovou konstrukci do základů končí kotvením patního plechu sloupů nebo lan. Při vyšších silách bývá staticky výhodné, pokud se patní plech prováže s výztuží základu a předem zabetonuje. Styčníkový plech s otvorem pro čep je potom k patnímu plechu připojen montážním svarem. V praxi se ale velmi často používá chemické kotvení, viz obr. 8 uprostřed, které se provede dodatečně do hotového základu a tím bez zvýšených nároků na geometrickou přesnost během betonáže. Základy pod táhla jsou při běžných (nižších) silách navrhovány jako tížné. Pokud jsou patky sloupu a táhel blízko sebe, lze provést sdružený základ. Alternativou betonových základů při vyšších hodnotách svislých tahových sil, nebo pokud si to vyžadují zvláštní okolnosti, je kotvení pomocí zemních vrutů, viz obr. 9. Toto kotvení provádí specializované firmy, které dokáží garantovat únosnost kotvy v místních podmínkách provedením tahové zkoušky před předáním objednateli.

Obr.9 Kotvení pomocí zemních vrutů

Literatura

• [1] Tensile Surface Structures. Michael Seidel, © 2009 Ernst & Sohn, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin, ISBN: 978-3-433-02922-0
• [2] V příspěvku byly použity fotografie membránové architektury firmy Archtex s.r.o., www.archtex.cz