KPS 5

1. KPS 5 TU Košice - Stavebná fakulta Katedra architektúry a konštrukcií budov Prednášajúci: Ing. Martin Lopušniak, PhD. Cvičiaci: Ing. Martin Lopušniak, PhD.

2. KONŠTRUKČNÁ TVORBA VÝŠKOVÝCH BUDOV TU Košice - Stavebná fakulta Katedra architektúry a konštrukcií budov Prednášajúci: Ing. Martin Lopušniak, PhD. Cvičiaci: Ing. Martin Lopušniak, PhD.

3. História výškových budov • 1889 – Eiffel Tower • Paríž • Demonštrácia možností oceľových konštrukcií • Každých 7 rokov 50 ton farby - údržba • 1885 – 1931 - Home Insurance Building, • Chicago

4. História výškových budov • 1930 - Chrysler Building, • 319 m • New York • 4 mesiace s titulom • 1931, Empire State Building • 381 m • New York • 41 rokov najvyššia budova sveta • Shreve, Lamb and Harmon - architekti

5. História výškových budov

6. História výškových budov

7. Európa • Naberezhnaya Tower C Moscow 268.4, 2007 • Triumph-Palace Moscow 264.1, 2005 • Commerzbank Tower Frankfurt 258.7, 1997 • Messeturm Frankfurt 256.6, 1990 • Torre Repsol Madrid 250, 2007 • Torre de Cristal Madrid 249.5, 2007 • Federation West Tower Moscow 242.4, 2007 • Moscow State University Moscow 240, 1953 • Torre Espacio Madrid 236, 2007 • Torre Sacyr Vallehermoso Madrid 236, 2007

8. Statické pôsobenie sústav Z čisto konštrukčno-statického hľadiska je vzťah medzi celkovou efektívnosťou nosnej konštrukcie a spôsobom prenášania zaťaženia určovaný v prvom rade priestorovým rozmiestnením a vzájomným spolupôsobením prvkov nosnej konštrukcie. Na základe uvedeného môžeme konštrukčný systém objektu všeobecne definovať ako: vedomé priestorové rozmiestnenie funkčne usporiadanej hmoty prvkov nosnej konštrukcie v stavebnom objekte pri prenose vonkajších účinkov zaťaženia.

9. Statické pôsobenie sústav

10. Statické pôsobenie sústav Účinnosť konštrukčných systémov hodnotíme, ako zabezpečenie stability viacpodlažných budov proti prevráteniu pri pôsobení účinkov vodorovného zaťaženia vetrom. Z hľadiska statickej účinnosti zvislých nosných prvkov pri namáhaní ohybom sú účinnejšie prvky stenové, než stĺpové.

11. Statické pôsobenie sústav Účinnosť zvislých nosných prvkov vo smere namáhania ohybom zvyšujeme vzájomným spriahnutím (obr.1). Vzájomným spriahnutím stenových prvkov usporiadaných v priestore dosiahneme vyššiu účinnosť stien voči vzpernému tlaku (obr.2), ale rovnako aj voči namáhaniu ohybom vo smere účinku vetra (obr.3).

12. Statické pôsobenie sústav Účinnosť konštrukčného systému závisí od orientácie spriahnutých zvislých prvkov v pôdoryse vo vzťahu k dĺžke a výške budovy, t.j. k veľkosti plochy obvodového plášťa vystavenej vodorovnému zaťaženiu vetrom. Pri zvyšovaní účinnosti konštrukčného systému, pre zabezpečenie priestorovej tuhosti, orientujeme spriahnuté zvislé nosné prvky v pôdoryse v smere pozdĺžnom, priečnom, obojsmernom, resp. ich združovaním do jadra alebo po obvode budovy. Vzájomné spolupôsobenie zvislých nosných prvkov v úrovni jednotlivých podlaží zabezpečujú vodorovné nosné konštrukcie – stropy.

13. Statické pôsobenie sústav výškových budov Pri vysokých budovách, z hľadiska zvýšeného účinku zaťaženia a náročnejšieho statického spolupôsobenia nosných prvkov pri zabezpečovaní stability, je účelné statickú sústavu analyzovaťako priestorovú konštrukciu od vonkajších účinkov zvislého aj vodorovného zaťaženia. Pre vysoké budovy je charakteristické, že priestorovo usporiadané nosné prvky konštrukcie, ktoré zabezpečujú priestorovú tuhosť (stabilitu) objektu sú rozhodujúcimi prvkami statickej sústavy. Pri priestorovej statickej schéme je rozhodujúca efektívnosť statického spolupôsobenia zvislých nosných konštrukcií s horizontálnymi. Pri vysokých budovách považujeme, ako najefektívnejšie riešenie aplikovať priestorové usporiadanie zvislých nosných prvkov do jadrového alebo obvodového konštrukčného systému. V dôsledku vzájomného spriahnutia vertikálnych a horizontálnych nosných konštrukcií pôsobí priestorová sústava budovy, ako celistvý alebo členený prút.

14. Statické pôsobenie sústav výškových budov Statická sústava – konštrukčný systém vysokej budovy pôsobí ako stužujúci, tenkostenný prút votknutý do základov. Prierez tenkostenného prúta, ktorý je vytvorený spriahnutím zvislých prvkov v pôdoryse budovy, môže byť otvorený alebo uzatvorený, ale nevylučuje sa ani rôzne kombinovaný tvar prierezu. Tvar prierezu závisí od dispozičného usporiadania pôdorysu a konštrukčného riešenia vysokej budovy. Statická účinnosť priestorovo namáhaného tenkostenného prúta ohybom od zaťaženia vetrom, závisí na ohybovej tuhosti prierezu prúta.

15. Statické pôsobenie sústav Stužujúce prúty môžu mať otvorený alebo uzatvorený prierez. Prúty s uzatvorenými prierezmi sú jednoznačne tuhšie na krútenie, čo je výhodnejšie pri priestorovom pôsobení vetra a namáhaní konštrukcie krútením. Preto pre stužujúce konštrukcie vysokých budov sú efektívnejšie uzavreté prierezy tenkostenného prúta.

16. Požiarne nebezpečný priestor Efektívnosť spriahnutia jednotlivých druhov stužujúcich konštrukcií znázorňuje priebeh deformácií stužujúcich sústav od účinku vetra (obr.1.13).

17. Jadrový konštrukčný systém Optimálne využitie dispozície pôdorysu vysokých budov, vedie k umiestňovaniu vertikálnych komunikácií (výťahov, schodísk), do stredu pôdorysu budovy, kde tvoria uzatvorené priestory jadier. Vzniká tu prirodzená potreba ohraničiť tento priestor stenovými konštrukciami. Vhodným konštrukčným riešením sa môže spojiť deliaca aj nosná funkcia stien, ktoré vytvárajú uzatvorený prierez stužujúceho jadra. Súčasne pri vhodne zvolenom materiály konštrukcie stien jadra riešime aj akustické a požiarne bezpečnostné problémy tejto dôležitej časti budovy. Jadro, prechádzajúce celou výškou budovy, ako vertikálny prizmatický prút votknutý do základov tvorí hlavnú nosnú konštrukciu, ktorá prenáša vodorovné zaťaženie od vetra. Ostatné vertikálne konštrukcie pôdorysu, ktoré sa podieľajú na prenose len zvislých účinkov zaťaženia môžu byť relatívne štíhle, čo maximálne uvoľňuje vnútornú dispozíciu budovy. Stropné konštrukcie, ktoré v jednotlivých podlažiach prechádzajú konštrukciou jadra plnia funkciu priečnych výstuh. Takto konštruované jadro je schopné prenášať všetky druhy namáhania – normálové, šmykové, ohybové momenty vo všetkých smeroch aj krútenie. Jadrá, v ktorých sú umiestnené vedľajšie priestory zaberajú približne 15 až 35 % pôdorysnej plochy podlažia budovy. Podľa dispozičného usporiadania jadrá zaberajú jednu tretinu až polovicu šírky budovy. Pri veľmi vysokých budovách a tým pri veľmi štíhlych jadrách, prestáva byť samotné jadro dostatočne účinné a nezabezpečuje budove dostatočnú priestorovú tuhosť. V takomto prípade je potrebné zvýšiť účinnosť jadra jeho spolupôsobením s ďalšími nosnými prvkami budovy. V jednej budove môže byť aj niekoľko jadier. Jadrá by mali byť v pôdoryse budovy rozmiestnené symetricky, aby sa zamedzilo nežiaducemu krúteniu budovy od vodorovného zaťaženia vetrom.

18. Jadrový konštrukčný systém

19. Jadrový konštrukčný systém • Čisté jadrové sústavy: • sústava jadra s konzolovými stropmi; • sústava jadra s kyvnými stĺpmi; • sústava jadra so spodným roštom; • sústava jadra s vrchným roštom; • Kombinované jadrové sústavy: • kombinovaná sústava jadra s rámami; • kombinovaná sústava jadra so stenami; • kombinovaná sústava jadrovo-obvodová;

20. Jadrový konštrukčný systém • Čisté jadrové sústavy sú zo statického hľadiska veľmi prehľadné. Gravitačnú sústavu vytvárajú stropy a rošty, s ktorých sa zvislé zaťaženie prenáša do jadra a ostatných, spravidla kĺbovo pripojených vertikálnych nosných prvkov (stĺpov a ťahadiel). Jedinú stabilizačnú sústavu, ktorá prenáša vodorovné zaťaženie do základov tvoria samotné jadrá. • U kombinovaných jadrových sústav je stabilizačná sústava vytvorená s jadra spriahnutého s ostatnými konštrukciami, ktorá spravidla plní aj funkciu gravitačnej sústavy pri prenose zvislého zaťaženia.

21. Jadrový konštrukčný systém • Každá z uvedených konštrukčných sústav jadrového konštrukčného systému má svoje prednosti, ale aj hranice vhodného použitia. • Rozhodovacími kritériami popri funkcii budovy a z nej vyplývajúcich dispozičných požiadaviek sú • architektonické stvárnenie budovy • staticko-konštrukčné požiadavky • celková výška budovy • podmienky zakladania • výrobno-montážne požiadavky • ekonomické požiadavky

22. Jadrový konštrukčný systém • Pri sústave jadra s konzolovo votknutými stropmi tvorí jadro jedinú zvislú nosnú konštrukciu, ktorá prenáša všetky zvislé aj vodorovné účinky zaťaženia. • Výhoda statickej sústavy, ktorá využíva jadro na prenos celého zvislého zaťaženia budovy na zabezpečenie stability je vtom, že zvýšené namáhanie základovej škáry jadra tlakom pôsobí ako predpätie. • Napätie v tlaku pri súčte v základovej škáre s napätím od vodorovného zaťaženia vetrom pôsobí ako tlaková rezerva, ktorá obmedzí vznik ťahového napätia v základoch na náveternej strane budovy. • Z hľadiska architektonicko-typologických požiadaviek vyplývajúcich z funkcie budovy, takéto konštrukčné riešenie sústavy maximálne uvoľňuje dispozičnú plochu podlaží a priečelia po obvode budovy. • Veľkosť plochy podlaží je však statický obmedzená dĺžkou vyloženia stropov, ktoré tvoria konzoly votknuté do jadra.

23. Jadrový konštrukčný systém • Sústava jadra s kyvnými stĺpmi je charakteristická tým, že zvislé zaťaženie je okrem jadra prenášané aj stĺpmi, ktoré sú rozmiestnené po obvode (resp. aj vo vnútri) pôdorysu podlažia. • Stĺpy sú pri spodnej aj vrchnej úrovni kĺbovo pripojené k stropom každého podlažia. Tým, že stĺpy sú namáhané len centrickým tlakom môžu byť pomerne štíhle. • Zo statického hľadiska, pri využívaní zvislého zaťaženia na zabezpečenie stability, je táto sústava v porovnaní s predchádzajúcou nevýhodnejšia. • Pre tlakové predpätie v základoch jadra sa využíva len časť zvislých účinkov zaťaženia, čím sa znižuje tlaková rezerva v základovej škáre jadra a zvyšuje sa riziko namáhania ťahom. • Z konštrukčne dispozičného hľadiska je ústava s kyvnými stĺpmi umiestnenými po obvode pôdorysu výhodnejšia, pretože umožňuje zväčšiť rozpätie stropnej konštrukcie a tým zväčšiť úžitkovú plochu podlaží. • Nevýhodou je, že stĺpy umiestnené po obvode obmedzujú voľné rozšírenie priestorov prvého nadzemného podlažia v úrovni terénu.

24. Jadrový konštrukčný systém • Pri sústave jadra so spodným roštom, rošt svojou ohybovou tuhosťou prenáša zvislé účinky zaťaženia od zvislých kyvných stĺpov, umiestnených po obvode pôdorysu, do jadra. • Uvedené riešenie statickej sústavy spája výhody pôsobenia sústavy jadra s konzolovými stropmi, pri využívaní hmotnosti celej budovy, na zabezpečenie stability voči vodorovnému zaťaženiu. • Súčasne kyvné stĺpy pri zväčšovaní rozpätia stropov a plochy podlaží, zväčšujú aj hodnotu zvislého zaťaženia prenášaného roštom do jadra. • Z hľadiska statickej efektívnosti táto statická sústava spája výhody sústav s konzolovými stropmi aj s kyvnými stĺpmi. • Z dispozičného hľadiska sústava so spodným roštom, okrem zväčšenia voľnej dispozičnej plochy jednotlivých podlaží, uvoľňuje dispozíciou 1. nadzemného podlažia od obvodových kyvných stĺpov a umožňuje voľné prepojenie s terénom. • Priestor v nosnej konštrukcii roštu využívame na umiestnenie technologických zariadení a rozvodov.

25. Jadrový konštrukčný systém • Statická schéma sústavy s vrchným roštom nad posledným podlažím umožňuje zväčšiť voľné rozpätia stropov zavesením po obvode pôdorysu na ťahadlá. • Ťahadlá sú ukotvené do roštu votknutého do jadra, kde sa prenášajú všetky účinky zvislého zaťaženia z budovy. • Takéto statické riešenie, v porovnaní so spodným roštom a kyvnými stĺpmi (namáhanými centrickým tlakom) efektívnejšie využíva materiál obvodových zvislých prvkov, ktoré majú minimálnu prierezovú plochu vzhľadom na ich namáhanie centrickým ťahom. • Určitou nevýhodou stužujúcej sústavy jadra s vrchným roštom, oproti sústave so spodným roštom, je zhoršenie stability sústavy voči účinku vetra, z dôvodu presunutia hmotného ťažiska jadra vyššie nad úroveň votknutia. • Pri oboch alternatívach sústav s roštom musíme vziať do úvahy počet podlaží nesených jedným roštom. Počet podlaží nesený jedným roštom nemá byť väčší ako 15 podlaží. Pri viacpodlažných budovách umiestňujeme niekoľko roštov votknutých do jadra. • Z dispozičného hľadiska môžeme sústavu s vrchným roštom hodnotiť zhodne, ako sústavu so spodným roštom. • Z technologického hľadiska zhotovovania konštrukcie budovy hodnotíme túto sústavu ako najzložitejšiu. Neumožňuje chronologický postup vykonávania stavebných prác hlavného procesu súbežne (od prvého po posledné podlažie) s prácami dokončovacieho procesu.

26. Jadrový konštrukčný systém • Účelom kombinovanej sústavy jadra s rámami je zapojiť do statického spolupôsobenia, pri prenose vodorovného zaťaženia, aj nosné konštrukcie obklopujúce jadro. • Menovite zvislé nosné prvky – stĺpy a vodorovné nosné prvky – stropy (prievlaky, nosníky, dosky), ktoré tvoria rámové väzby. • Spolupôsobenie rámov s konštrukciou jadra môžeme dosiahnuť rôznymi spôsobmi spriahnutia nosných prvkov a modelovania statickej schémy sústavy, ako napríklad: • tuhým rámovým spojením všetkých väzieb, v úrovni každého podlažia, s ich kĺbovým alebo tuhým pripojením k jadru; • do vertikálnych rámov vložiť tuhé väzby vo vnútri pôdorysu alebo v priečelí po celej výške budovy; • do horizontálnych rámov vložiť tuhé väzby v úrovni jedného alebo viacerých podlaží v kombinácii s kyvnými stojkami rámov;

27. Jadrový konštrukčný systém • Kombinovaná sústava jadra so stenami, ktoré sú rozmiestnené po odvode pôdorysu budovy oddelene od jadra. • Spriahnutie jadra s oddelenými stužujúcimi stenami zabezpečujú v horizontálnej rovine tuhé konštrukcie stropov. • Jadro a stužujúce obvodové steny, ako konzoly votknuté do základov, prenášajú vodorovné zaťaženie úmerne k ich ohybovým tuhostiam. • Stužujúce steny môžu byť plné alebo oslabené otvormi. • Pri tejto kombinácii je celková hodnota ohybového momentu od vodorovného zaťaženia znížená o hodnotu momentu, ktorý prenesú stužujúce obvodové steny v spolupôsobení s jadrom.

28. Jadrový konštrukčný systém • Pri kombinovanej sústave jadrovo-obvodovej spolupôsobí vnútorné tuhé jadro s nosnou konštrukciou celého obvodového plášťa. • Obvodový plášť môže mať nosnú konštrukciu tuhú rámovú alebo priehradovú. • Vysokou ohybovou a torznou tuhosťou obvodovej nosnej konštrukcie – obvodového tubusu spolu s veľkou šmykovou tuhosťou tuhého jadra, sa dosahuje veľmi účinný statický systém voči vodorovnému zaťaženiu. • Ohybový moment prenášaný jadrom, je aj v tomto prípade znížený o hodnotu ohybového momentu prenášaného obvodovým tubusom v pomere ich ohybových tuhostí. • Takto kombinovaná sústava je vhodná pre veľmi vysoké, resp. štíhle budovy a hodnotenie jej konštrukčnej charakteristiky zodpovedá skôr obvodovému, ako jadrovému konštrukčnému systému.

29. Jadrový konštrukčný systém

30. Obvodový konštrukčný systém Pri obvodovom konštrukčnom systéme prenos vodorovného zaťaženia a celkovú stabilitu budovy voči prevráteniu zabezpečuje priestorová nosná konštrukcia obvodového plášťa. Nosná konštrukcia obvodového plášťa tvorí uzatvorený prierez priestorového prúta, ktorý je votknutý do základov a plní funkciu obvodového priestorového stužidla. Obvodové priestorové stužidlo – obvodový tubus tvorí spravidla jedinú stabilizačnú sústavu obvodového konštrukčného systému. Obvodový tubusu, okrem vodorovného zaťaženia od vetra, prenáša aj zvislé zaťaženie. Z čoho vyplýva, že stabilitu obvodového tubusu proti prevráteniu, okrem vlastnej ohybovej tuhosti konštrukcie tubusu, zabezpečuje aj zvislé zaťaženie podielom prenášaným tubusom.

31. Obvodový konštrukčný systém • Geometria tvaru prierezu obvodového tubusu, ako aj usporiadanie zvislých nosných prvkov vo vnútri pôdorysu závisí od architektonického stvárnenia a dispozičného riešenia podľa funkcie budovy. • Priečne vystuženie prierezu obvodového tubusu namáhaného ohybom, zabezpečujú stropné konštrukcie svojou tuhosťou vo vodorovnej rovine. • Ohybovú a torznú tuhosť obvodového tubusu, ako stužujúcej sústavy obvodového konštrukčného systému, rozhodujúcou mierou ovplyvňuje riešenia nosnej konštrukcie obvodového plášťa. • Obvodový plášť, ktorí tvorí steny tubusu môže mať, podľa usporiadania a spriahnutia nosných prvkov: • rámovú konštrukciu stien, • priehradovú konštrukciu stien alebo • stenovú konštrukciu s otvormi.

32. Obvodový konštrukčný systém

33. Obvodový konštrukčný systém Rámová konštrukcia stien obvodového tubusu je z hľadiska funkcie obvodového plášťa najvhodnejším riešením. Z hľadiska statickej funkcie priestorového stužidla namáhaného ohybom, majú steny tubusu z tuhých rámov najmenšiu ohybovú tuhosť a najväčšiu deformačnú poddajnosť. Spôsobujú to veľké priečne sily, ktoré pôsobia v stojkách, ale najmä v priečlach rámových konštrukcií obvodových tubusov. Pre eliminovanie týchto vplyvov musia byť stojky – obvodové stĺpy rozmiestnené hustejšie, v osových vzdialenostiach 1,5 až 3,0 m. Vzhľadom na veľké zvislé namáhanie a uvoľnenie priestoru pre okná, navrhujeme vyššie (stenové) prierezy stĺpov. Rovnako vysoké musia byť aj prierezy rámových priečlí, spravidla na výšku nadpražia vrátane parapetu.

34. Obvodový konštrukčný systém • Pri priehradovej konštrukcii stien tubusu sú od vodorovného zaťaženia všetky prúty sústavy namáhané len normálovými silami. • Priehradové konštrukcie stien, ale najmä steny s mrežovou výplňou sa statickým pôsobením približujú k plnostenným konštrukciám. • Priehradová konštrukcia je ohybovo veľmi tuhá, pritom ekonomická a preto vhodná pre veľmi vysoké budovy. • Šikmé prúty so stĺpmi vytvárajú po obvode budovy sieťové členenie stien. Tento konštrukčný prvok sa často využíva ako výrazový architektonický prvok, ktorý priznáva na priečeliach budovy statický princíp konštrukčného systému. • Predsadenie prvkov nosnej konštrukcie do priečelia si vyžaduje citlivý prístup statika pri vyšetrovaní pôsobenia vnútorných síl v nosných prvkoch sústavy. Pri odsadení diagonál z vonkajšej strany stĺpov do priečelia, je nutné zohľadniť excentrické prenášanie síl z diagonál do stĺpov a opačne. • Mimoriadnu pozornosť treba venovať účinkom teplotných zmien vonkajšieho prostredia, ktorým je nosná konštrukcia predsadená pred obvodový plášť vystavená. Tento účinok môžeme eliminovať predsadením obvodového plášťa pred nosnú konštrukciu.

35. Obvodový konštrukčný systém

36. Obvodový konštrukčný systém • Najtuhšou konštrukciou je obvodový tubus vytvorený z plných stien. • Pri vysokých budovách pozemných stavieb konštrukčné riešenie obvodového plášťa bez otvorov neprichádza do úvahy. Aby stenové konštrukcie s otvormi boli účinné, musia mať minimálny počet otvorov. Vzájomné spriahnutie stien oddelených otvormi, voči vodorovnému zaťaženiu, zabezpečujú spojovacie stenové prvky svojou šmykovou tuhosťou. • Z hľadiska architektonicko-dispozičného je takéto konštrukčné riešenie veľmi obmedzujúce. Preto pri konštrukcii obvodového tubusu s otvormi veľmi často využívame kombináciu zvislých stenových prvkov so stĺpmi spriahnutými vysokými stenovými nosníkmi • Ďalším nedostatkom obvodových konštrukčných systémov je, že obvodové nosné prvky votknuté do základov neumožňujú uvolnenie 1. nadzemného podlažia a obmedzujú prevádzkovo dispozičné riešenie budovy.

37. Ďakujem za pozornosť Ing. Martin Lopušniak, PhD. TU Košice – Stavebná fakulta Katedra konštrukcií pozemných stavieb