Skořepinové lávky pro pěší

Skutečnost, že cena práce je v porovnání s cenou základních stavebních materiálů neustále vyšší a vyšší, vede k tomu, že jsou stále více navrhovány jednoduché trámové konstrukce. Elegantní skořepinové konstrukce vyžadující náročné skruže, které byly běžné v padesátých a šedesátých letech minulého století, jsou nyní navrhovány jen zřídka.

Na druhou stranu se ve světě objevují ambiciózní konstrukce charakterizované naprostou volností tvarů odvozených z představ projektanta. Mluví se o hledání volných tvarů (free form finding) a o tak zvané tekuté architektuře (liquid architecture). Protože tyto tvary nejsou mnohdy dány statickou funkcí, navrhují se tyto stavby obvykle tak, že se vytvoří tradiční nosný systém, na který se připevní tvarovaný plášť tvořený panely z betonu, hliníku a nebo titanu.

Jen některé z nových staveb využívají nosnou konstrukci k architektonickému výrazu. Bohužel se jen zřídka využívá tvárný beton, který lze navrhnout tak, aby spojil nosnou funkci se zajímavým tvarem. Snad poslední takovouto konstrukcí postavenou u nás je Tančící dům v Praze, který našel svoje obdivovatele nejen u odborné, ale také u laické veřejnosti.

V minulých letech prodělala technologie betonu úžasný rozvoj. Nyní jsme schopni navrhnout samohutnitelný beton umožňující odlít konstrukci do téměř jakéhokoliv tvaru, poměrně snadno lze vytvořit beton pevnosti 100 MPa. Nedávno byl u některých konstrukcí využit beton pevnosti až 250 MPa. Beton můžeme také vyztužit skleněnými a nebo kovovými vláky zvyšujícími přetvárné vlastnosti betonu i jeho dlouhodobou užitnou hodnotu. Bohužel, tyto nové betony jsou většinou využívány u jednoduchých trámových konstrukcí a ne tam, kde mohou najít největší uplatnění – u prostorových konstrukcí namáhaných převážně tlakem, tedy u skořepin.

S ohledem na povahu zatížení jsou mostní skořepinové konstrukce navrhovány jen zřídka. S ohledem na zatížení mostů těžkými vozidly je nutno kombinovat skořepiny s ohybově tuhými prvky – trámy. To však neplatí u lávek pro pěší, které jsou navrhovány na spojité zatížení lidmi a na poměrně malé zatížení vozidel údržby a nebo záchranné služby. Proto při jejich návrhu je vhodné využít jejich prostorové působení skořepin. I když jsou navrhovány zřídka, je vhodné studovat jejich působení a snažit se je navrhnout všude tam, kde je to vhodné.

V minulých letech jsme se zúčastnili dvou architektonicko-konstrukčních soutěží na návrh lávek, ve kterých jsme pro nosnou konstrukci navrhli skořepiny z hliníku.

První soutěž, na které jsme pracovali s architektem Cezarym Bednarskim z Londýna, byla pro návrh přemostění městské komunikace na ostrově Jersey, který je součástí Spojeného Království. Konstrukci lávky tvořila skořepina s rozpětím 49 m, která vznikla průnikem dvou válcových skořepin. Skořepina byla tvořena hliníkovým roštem spolupůsobícím s krycími hliníkovovými plechy. Ve středu rozpětí byla na skořepině zavěšena ocelobetonová mostovka. Protože průnikem válcových skořepin vyniká v konstrukci diagonální obloukové žebro, používáme pro tuto konstrukci dále termín diagonální oblouková skořepina.

Druhá soutěž, na které jsme pracovali s architektem Janem Kaplickým z Londýna, byla pro návrh přemostění řeky Leamouth v Londýně. Konstrukci lávky tvořil přímo pocházený půdorysně zakřivený tříkloubový oblouk s příčně zakřiveným parapetním průřezem. Protože ve spodní části oblouku bylo nutno navrhnout schody, byl pro handicapované navržen výtah. Boční stěny skořepiny byly odlehčeny elipsovitými otvory, které byly také navrženy ve spodní desce. Otvory byly kryty skleněnými panely. Vlastní konstrukci tvořil opět hliníkový rošt, který spolupůsobil s krycími hliníkovými plechy. Pro tuto konstrukci používáme dále termín parapetní oblouková skořepina.

Po zpracování soutěžních návrhů jsme si uvědomili, že obě konstrukce by bylo možné navrhnout jako hladké betonové skořepiny bez žeber a krycích plechů a že tyto konstrukce přímo volají po využití plastické tvárnosti betonu. Proto jsme se těmito konstrukcemi v rámci řešení grantového projektu ministerstva průmyslu podrobně zabývali. Konstrukce jsme nejen detailně analyzovali, ale také ověřili na modelech.

Diagonální oblouková skořepina
Pro studijní návrh jsme vypracovali projekt konstrukce lávky o jednom poli s rozpětím 62 m; její šířka je 7,50 m. Skořepina, která vznikla průnikem dvou válcových skořepin, má uprostřed rozpětí vzepětí 5,20 m, její maximální výška na koncích mostů je 7,55 m. Tloušťka skořepiny je od 80 do 250 mm. Průnikem válcových skořepin vzniká základní obloukové žebro, které diagonálně spojuje mostovku. Na koncích lávky je na jednom okraji žebro přímo spojené s mostovkou, na druhém okraji je podepřeno kyvnou stojkou z nerezavějící oceli.

Mostovku lávky tvoří dva diagonální nosníky podporující mostovkovou desku ztuženou okrajovými žebry tloušťky 400 mm. Diagonální nosníky mají od opěr ke středu lávky proměnnou tloušťku od 800 do 1200 mm. U opěr jsou ukončeny koncovým příčníkem tvořícím současně opěru podepřenou vrtanými pilotami. Konstrukce tak vytváří integrální systém bez ložisek a dilatačních závěrů.

Uprostřed rozpětí je mostovka zavěšena na pěti závěsech zakotvených v diagonálním žebru tloušťky 400 mm. Protože závěsy jsou kotveny po 1,50 m, je zatížení z nosné konstrukce rozneseno do skořepiny na vzdálenost přibližně 7,50 m. Diagonální nosník, do kterého je vetknuto diagonální obloukové žebro, je předepnut. Je tedy zřejmé, že konstrukce vytváří úsporný samokotvený obloukový systém tvořený diagonálním obloukem, se kterým spolupůsobí skořepina, a diagonálním nosníkem, s kterým spolupůsobí mostovka.

Diagonální oblouková skořepina – podélný řez

Konstrukci lávky jsme navrhli na základě podrobné statické a dynamické analýzy provedené programovým systémem ANSYS. Konstrukci jsme sestavili ze skořepinových prvků, které jsou schopné vystihnout jak membránové, tak deskové působení konstrukce. Analýza prokázala, že konstrukce je schopna bezpečně přenést nejen všechna normová zatížení, ale že má i dostatečnou mezní únosnost.

Také dynamická analýza prokázala, že odezva konstrukce na dynamické zatížení je v přijatelných mezích a že pohyb chodců ani vítr nevyvolá u uživatelů nepříjemné pocity.

Architektonické působení konstrukce a teoretické předpoklady analýzy byly také ověřeny na architektonickém a statickém modelu konstrukce postaveném v měřítku 1:20. Oba modely byly vyrobeny z vysokopevnostního betonu TERCON^©, vyvinutým doc. ing. Ivailem Terzijským, CSc., z Ústavu betonových a zděných konstrukcí VUT-FAST Brno. Pevnost betonu v tlaku je 155 MPa, jeho tahová pevnost je 27 MPa. Vysokopevnostní beton byl vyroben doktorandy ústavu běžně dostupnou technologií. Skořepina je na rozdíl od skutečné konstrukce, která bude vyztužena sítí z betonářské výztuže, vyztužena jen ocelovými vlákny.

Architektonický model, který je vystaven v zasedací místnosti ústavu, má skořepinu podepřenou betonovým roštem tvořeným diagonálními nosníky a koncovým příčníkem. Mostovková deska je tvořená skleněnou tabulí.

Statický model byl podepřen ocelovým rámem ztuženým diagonálním ocelovým nosníkem. Nosník působil současně jako táhlo a jako zatěžovací rám. Modelová podobnost byla zajištěna zatížením skořepiny ocelovými válci zavěšenými na skořepině.

Zavěšení mostovky na skořepině bylo vystiženo zatížením skořepiny osamělou silou působící ve vrcholu skořepiny. Zatížení bylo vyvozeno tahem předpínacího lana zakotveného do ztužujícího přípravku, který byl uložen ve vrcholu skořepiny. Tah lana byl vyvozen předpínací pistolí podepřenou ztužujícím rámem. Zatížení bylo postupně zvětšováno do porušení skořepiny. Při zkoušce byly měřeny deformace a napětí ve vybraných bodech skořepiny.

Zatěžovací zkouška prokázala dostatečnou shodu vypočítaných a naměřených hodnot a prokázala dostatečnou provozuschopnost i únosnost skořepiny.

Při zpracování jedné alternativy lávky pro pěší v San Diegu, Californii, jsme také studovali konstrukci tvořenou podobnými dvěma na sebe spojitě navazujícími skořepinami s rozpětím 2 x 54 m.

Diagonální oblouková skořepina – vizualizace	Diagonální oblouková skořepina – vizualizace
Diagonální oblouková skořepina – architektonický model	Diagonální oblouková skořepina – alternativa pro lávku Harbor Drive, San Diego

Parapetní oblouková skořepina
Studijní návrh vyšel ze soutěžního projektu. Tříkloubový oblouk s rozpětím 105 m a vzepětím 10,341 m je v půdoryse ve dvou protisměrných obloucích. Lávka má proměnnou šířku od 10,20 m do 5,50 m, celková výška konstrukce je od 1,00 do 4,50 m. Průřez konstrukce je tvořen skořepinou proměnné výšky a šířky a proměnného zakřivení. Tloušťka skořepiny je od 10 do 450 mm. Skořepina je hladká, bez ztužujících žeber, jen v místě kloubů je místně zesílena. V zakřivených bočních stěnách a v podlaze jsou eliptické otvory.
Lávka je uložena na patkách podepřených šikmými mikropilotami. Návrh předpokládá, že poloviny oblouků budou betonovány po segmentech délky 7 m ve svislé poloze do překládaného bednění, následně se konstrukce pomocí hydraulických vzpěr sklopí do projektované polohy. Potom se smontují výtahy a vybetonuje se rampa spojující konstrukci se sousedním mostem.

Parapetní oblouková skořepina – příčný řez

Parapetní oblouková skořepina – podélný řez

Podobně jako u předcházející konstrukce byly rozměry lávky navrženy na základě podrobné statické a dynamické analýzy provedené programovým systémem ANSYS. Aby bylo možno vystihnout prostorové působení lávky, byla konstrukce modelována jako prostorová konstrukce sestavená z plných prvků. Jedině tak bylo možno vystihnout proměnnou geometrii a tloušťku prvků.

Analýza prokázala, že konstrukce je schopna bezpečně přenést nejen všechna normová zatížení, ale že má i dostatečnou mezní únosnost. Také dynamická analýza prokázala, že odezva konstrukce na dynamické zatížení je v přijatelných mezích a že pohyb chodců ani vítr nevyvolá u uživatelů nepříjemné pocity.

Parapetní oblouková skořepina – vizualizace	Parapetní oblouková skořepina – vizualizace
Parapetní oblouková skořepina – vizualizace	Parapetní oblouková skořepina – výpočtový model

Závěr
Podrobná analýza a zkoušky na modelech prokázaly, že popisované konstrukce bezpečně přenesou všechna požadovaná zatížení a že odezva konstrukcí na dynamické zatížení je v přijatelných mezích. Konstrukce mají zajímavý tvar a příznivou spotřebu materiálu. Věříme, že najdou osvíceného investora a uplatnění.

Je zřejmé, že existuje nepřeberné množství skořepinových konstrukcí, jejichž tvar a statická funkce vyplývají z místních podmínek přemostění. Protože tyto konstrukce mohou obohatit naše životní prostředí, je vhodné skořepinové konstrukce dále studovat a rozvíjet. Proto studujeme a analyzujeme další typy obloukových skořepinových konstrukcí, popřípadě skořepinové konstrukce podepřené prostorovou sítí kabelů.

Jsme však přesvědčeni, že by při řešení tvarově volných konstrukcí měla být odmítnuta řešení, která kombinují tradiční nosnou kostru s tvarovaným pláštěm. Vždyť správně navržené konstrukce jsou krásné. Profesor Jöger Schlaich, projektant stanových střech Mnichovského Olympijského stadionu, o konstrukcích s tvarovaným pláštěm řekl: „Možná že je to umění, ale určitě to není umění stavět mosty“.

Popisované konstrukce byly navrženy na Ústavu betonových a zděných konstrukcí VUT-FAST ve spolupráci s firmou Stráský, Hustý Partneři, s. r. o., Brno. Statická a dynamická analýza a zkouška modelu diagonální obloukové skořepiny je prací studenta doktorandského studia VUT-FAST ing. Jana Vítka. Statická a dynamická analýza parapetní obloukové skořepiny je prací studenta doktorandského studia ing. Jana Koláčka.

Při řešení popisovaných mostů byly aplikovány výsledky projektu Ministerstva průmyslu FI-IM/185 ‚Nové úsporné konstrukce z vysokopevnostního betonu‘. Příspěvek vznikl za podpory projektu 1M6840770001 MŠMT, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS.

Prof. ing. Jiří Stráský, DrSc., P.E.
Foto: Archiv SHP
Vizualizace: Ing. Jaroslav Baron

Autor pracuje v Ústavu betonových a zděných konstrukcí, Vysoké učení technické v Brně, Stavební fakulta a ve společnosti Stráský, Hustý a partneři, s.r.o., Brno.

Literatura:
1. Strasky, J.: Pedestrian bridges utilizing high-strength concrete. Footbridge 2005. 2nd International Conference. Venice 2005.