Ocelové konstrukce halových staveb s velkými rozpětími

Halové stavby s ocelovou nosnou kostrou se donedávna používaly především pro různé oblasti průmyslu. Týkalo se to jednopodlažních, jednolodních nebo vícelodních hal s mostovými jeřáby. Pro sportovní a společenská setkání se však v posledních desetiletích stále častěji stavějí víceúčelové haly.

Víceúčelové haly mají velké rozpětí a jsou zhotoveny z ocelových a kombinovaných konstrukcí. Nabízejí komplexní vnitřní vybavení s velkou kapacitou diváků (až 70 000 lidí). Navrhování hal s velkými rozpětími s ocelovou nosnou kostrou je proto omnoho složitější než navrhování menších objektů. V případě víceúčelových hal jde o investičně náročné celky.

Haly s velkými rozpětími
Při konstrukčním řešení hal s velkými rozpětími lze vycházet ze dvou základních koncepcí:

• zavěšení nebo podepření střešní konstrukce přes mezilehlé podpěry na hlavní nosný dílec (např. trojboký podélný příhradový oblouk) s velkým rozpětím,
• vytvoření prostorového konstrukčního celku, který je schopen samonosně překlenout velký obestavěný prostor bez vnitřních podpěr.

Neustále se rozvíjející výpočtové metody, výkonné počítače a vybudovaná experimentální základna umožňují navrhovat i složité soustavy s velkým počtem prutů a uzlů. Nosná konstrukce se projektuje do nejmenšího detailu a vhodným a hospodárným řešením se zabezpečí potřebný soulad mezi zvoleným statickým schématem (výpočtovým modelem) a konstrukčním detailem.

Příhradové dílce pro haly s velkými rozpětími
Při návrhu a realizaci hal s velkými rozpětími se využívají hlavně příhradové dílce:

• rovinné, které slouží k zapojení do prostorového celku pomocí různých druhů ztužidel; plnostěnné konstrukce s většími rozpětími jsou nehospodárné, protože jejich stěna se na spotřebě podílí asi 50 %, zatímco její účinnost je pouze 15 %;
• prostorové, které lze podle tvaru příčného řezu rozdělit na trojboké nebo čtyřboké; prostorové dílce jsou pevné v kroucení, hospodárnější jsou však tříboké dílce.

Příklady halových konstrukcí s pevnou střechou

Stadion Nagoya Dome v Japonsku
Hospodárná a moderní halová konstrukce s pevnou střechou slouží jako víceúčelový stadion s ocelovou střešní konstrukcí, kapacita je 40 500 diváků. Konstrukce střechy má v půdorysu rozpětí 187 m; patří mezi největší jednovrstvé prostorové příhradové kupole na světě. Celková plocha zastřešení je asi 29 000 m², střešní prosklený světlík ve střední části objektu má plochu 5 000 m².

Pruty příhradové konstrukce střechy jsou trubkové s vnějším průměrem 650 mm, tloušťka stěn trubek se pohybuje od 19 do 28 mm. Táhlem namáhaný věnec po vnějším obvodu střechy je z trubek o délce 950,50 mm. Do kulových skořepinových ocelolitinových styčníků s vnějším průměrem 1 450 mm je připojených šest prostorově uspořádaných prutů. Ocelová střešní konstrukce je sestavena na montážní podlaze a při hmotnosti 10 300 tun vcelku ji do potřebné polohy vyzvedlo 72 lisů, které řídily počítače.

Japonský stadion Sun Dome
Stavba se nachází ve městě Fukui a byla dokončena v roce 1995. Pořádají se v ní výstavy a koncerty a je využívána i pro sportovní účely. Průměr kupole v dolní části je 116,1 m. Konstrukce se nachází v oblasti, kde sněhová vrstva dosahuje zatížení 6,0 kN/m². Proto byl jako krytina použit plech o tloušťce 3,2 mm, odolný vůči atmosférické korozi. Střešní konstrukce s hmotností 3 700 tun se montovala systémem Panta-Dome, tj. postupným zvedáním z montážní plošiny. Tento způsob montáže vyžaduje precizní provedení detailů většinou pomocí čepových spojů.

Objekty s otevíratelnými střechami
Objekt s otevíratelnou střechou je typem konstrukce, u níž se může pohybovat část nebo celá její střešní konstrukce. Může se otevřít nebo zavřít v krátké době tak, aby objekt bylo možné využívat při otevřené i zavřené střeše. Střecha může být otevřená, je-li žádoucí, aby podmínky uvnitř objektu byly obdobné jako venkovní. Diváci uvnitř tak mají kontakt s oblohou, pociťují přirozené světlo a proudění vzduchu. Střecha se může zavřít v případě nepříznivých klimatických podmínek (déšť, chlad, sníh, vítr, teplo). Hladina osvětlení se přitom dá regulovat. Pohyblivá střecha budovy má významný vliv na její nosnou konstrukci a architekturu. Rostoucí počet těchto konstrukcí vyvolává otázku, jak je navrhovat a jak zajistit jejich potřebnou bezpečnost. Bezpečnost budovy ovlivňují způsob otevírání, resp. zavírání a samotné zařízení, pomocí něhož se zajisťuje pohyb střešní konstrukce.

Soustavy s otevíratelnou střechou lze rozdělit na dva základní typy:

• kostru střechy tvoří ocelová nosná konstrukce a krytina (sklo, plast, membránový materiál nebo kovový tenký plech),
• otevíratelná střecha je zhotovena z membránového materiálu a střecha se otevírá, resp. zavírá skládáním membrány.

Podle způsobu pohybu střechy nebo její části se rozlišuje:

• zásuvný systém – střecha se otevírá pomocí horizontálního pohybu a pohyblivé prvky (segmenty) se navzájem překrývají; pohyb je paralelní nebo otočný; střecha se otevírá vertikálním pohybem nahoru a dolů,
• výkyvný – střecha se otevírá otočením panelů kolem svých os,
• skládací – povrch střechy se poskládá nebo navíjí různými způsoby; jde o skládání při vodorovném pohybu, otočném pohybu a o skládání při pohybu nahoru a dolů,
• kombinovaný – vzniká kombinací předcházejících tří způsobů.

V Evropě je známý stadion Aréna v Amsterdamu z roku 1996 s kapacitou 51 200 diváků. Část střešní konstrukce s rozměry 36 × 105 m se může zavřít nebo otevřít v průběhu 20 minut.

Mezi známé konstrukce s otevíratelnou střechou na světě patří SkyDome v Torontu, která byla dokončena v roce 1989. Střecha se otevírá až na 91 % (za 20 minut). Největší rozpětí konstrukce je 205 m. Kapacita stadionu při fotbalu je 55 190, u koncertů až 70 000 návštěvníků.

První kupoli s otevíratelnou střechou v Japonsku měl stadion Fukuoka Dome, jehož výstavba byla dokončena v roce 1993. Jedná se o víceúčelový stadion, využívaný především pro baseballové zápasy. Maximální divácká kapacita je 52 000 osob. Největší rozpětí je 212,8 m a světlá výška je 68,08 m. Střešní konstrukce je ocelová. Je vytvořena jako prostorová prutová struktura, složená ze tří sekcí. Hmotnost horního panelu je 4 000 tun, středního 3 800 tun a dolního 3 420 tun.

Toyota Stadium v Tokiu
Stadion s kapacitou 45 000 míst k sezení byl dokončen v červenci 2001. Tvar a konstrukční systém stadionu byl zvolen tak, aby se jeho realizací docílilo optimálních podmínek pro diváky, hráče a pro růst přírodního trávníku.

Hlavní tribuny, východní a západní, jsou umístěny výše, aby poskytovaly dobrý rozhled co největšímu počtu diváků. Severní a jižní tribuna jsou položeny níže, aby nepřekážely proudění větru a slunečního světla v oblasti hrací plochy. Nosná konstrukce střechy visí na čtyřech pylonech s délkou 90 m, které jsou umístěny mezi tribunami tak, aby nepřekážely divákům ve výhledu.

Stabilitu střešní konstrukce proti sání větru zabezpečují čtyři čelní závěsy, které jsou připojeny k podélným hlavním příhradovým nosníkům a kotveny do patek pylonů. Pylony mají proměnný průřez s největším průměrem 3,5 m. Od toho bodu se pylon zužuje směrem k oběma koncům do 1,5metrového průměru. Vyrábějí se z ohýbaných plechů s maximální tloušťkou 70 mm. Osová síla pylonů na severní straně (kde je uložena zatahovatelná membránová střecha) je 60 000 kN a na jižní 40 000 kN. Pylony v místě patek jsou uloženy na ložiskách, které umožňují pootočení v každém směru.

Závěsná paralelní lana jsou z pozinkovaných drátů o průměru 7 mm (maximálně 499 drátů) s pevností 1 600 MPa v polyetylenovém obalu. Průměr lan se mění od 140 do 200 mm podle velikosti osové síly. Maximální hodnota osové síly při krátkodobém zatížení je 11 000 kN (v důsledku seizmického zatížení). Všechna lana jsou předpjatá takovou silou, aby se v nich tah nevytratil v důsledku sání větrem, resp. vlivem seizmických účinků.

prof. Ing. Dr. Zoltán Agócs, Ph.D., doc. Ing. Ján Brodniansky, Ph.D.
Foto: autoři

Autoři působí na Katedře kovových a dřevěných konstrukcí Stavební fakulty STU v Bratislavě.