Zakládání konstrukcí u vysokých staveb

Vysoké budovy mají obvykle několik podzemních podlaží a značné hloubky založení, takže se u nich většinou nevyskytují problémy se splněním podmínek stability pro první skupinu mezních stavů, souvisejících s únosností základové půdy, a to ani při zohlednění seizmických účinků a nárazů větru. Hlavním problémem se stává druhá skupina mezních stavů, která souvisí se sedáním a jeho nerovnoměrnými složkami.

Pod základy mnoha vysokých budov ve velkých evropských městech jsou v různých hloubkách jílovité zeminy, které mají velkou stlačitelnost. Vysoké budovy se proto naklánějí, jejich základy se prohýbají a zvětšují se i nerovnoměrné složky sedání okolních staveb. Evropské výškové budovy jsou však poměrně nízké – v porovnání s nejvyššími budovami světa v Tchaj-wanu, v Malajsii nebo v USA je jejich výška jen čtvrtinová, respektive poloviční.

Základy vysokých budov
Podle konkrétních podmínek se budovy s výškami okolo 100 až 150 m zakládají plošně na deskách (obr. 1a). Celé zatížení se přenáší do základové půdy bezprostředně v místě kontaktu se základovou deskou. Budovy vysoké 150 až 250 m se zakládají na pilotách s kombinovaným přenosem (obr. 1b). Jednu část zatížení přenášejí piloty, druhou zemina mezi nimi. Budovy vyšší než 250 m se obvykle zakládají na pilotách s plným přenosem, které jsou opřeny nebo vetknuty do skalního podkladu (obr. 1c).

Obr. 1: Základy vysokých budov
a) plošné, b) kombinované, c) hloubkové

Například v Bratislavě sahají štěrkovité zeminy do hloubky 14 až 20 m, hlouběji je místy až 100 m silná vrstva neogenních jílů, takže pro plošně založené vysoké budovy s menším počtem podzemních podlaží je takové podloží velmi výhodné. V málo stlačitelné štěrkovité vrstvě se koncentrují největší napětí, jimiž se redukuje sedání.

Konkrétně pro bratislavské podmínky není vhodný kombinovaný přenos, protože pilotami se přes málo stlačitelné štěrkovité zeminy přenáší zatížení do podstatně stlačitelnějších jílovitých zemin. Na úpatích a svazích Karpat se těsně pod povrchem nebo v menší hloubce vyskytují krystalické horniny, které umožňují založit vysoké budovy plošně nebo hloubkově s plným přeno­sem zatížení do nestlačitelného podkladu.

Sedání vysokých budov
Při hloubení stavební jámy se odlehčuje jílo­vité podloží, úroveň základové spáry se zve­dá a v aktivní zóně se zvětšuje stlačitelnost zemin podloží. Během výstavby se úroveň základové spáry i s podložím zatěžuje
a přitěžuje. Zatěžováním nazýváme tu část změny napjatosti, při níž se původní napětí, způsobené vlastní tíhou zemin v základové spáře, nahradilo napětím způsobeným stavbou. Přitížením rozumíme tu část kontaktního napětí, která je ve spáře plošného základu větší než původní napětí, způsobené vlastní tíží zemin. Takové rozlišování stavů napjatosti a jim odpovídajících charakteristik stlačitelnosti je nutné respektovat při výpočtech zvedání a sedání základové spáry.

Na obr. 2 je uveden vývoj maximálních posunů základové spáry pod středem výškové budovy Národní banky Slovenska (výška 111 m, 3 podzemní podlaží, plošné založení na základové desce) ze speciálních měření společnosti GeoExperts a konečné sedání podle našich výpočtů. Základová spára se po výkopu stavební jámy zvedla o 56 mm a do konce roku 2006 sedla o 65 mm. Zvětšování sedání během provozu způsobila konsolidace neogenního podloží; podle našich výpočtů zřejmě nepřekročí hodnota sedání 80 mm.

Obr. 2: Vývoj posunů v základové spáře pod středem výškové budovy Národní banky Slovenska v Bratislavě

Vybrané informace o sedání některých vysokých budov jsou v tabulce. Plošně založené vysoké budovy ve Frankfurtu nad Mohanem sedají kolem 100 až 340 mm, v Bratislavě 55 až 65 mm, s kombinovaným přenosem ve Vídni a ve Frankfurtu 25 až 120 mm, s plným přenosem zatížení pilotami sedají 20 až 30 mm ve Frankfurtu a v Kuala Lumpur až do 60 mm.

Na obr. 3 je fotografie budovy DG Bank na Náměstí republiky ve Frankfurtu nad Mohanem, u které se uvádí sedání 110 mm [5]. Je vysoká 208 m, má 53 nadzemních a 3 podzemní podlaží, 25 výtahů; pracuje v ní 1 600 zaměstnanců. V podloží jsou frankfurtské jíly, budova má kombinované pilotově-deskové založení, na které se použilo 40 vrtaných pilot dlouhých 30 m s průměrem 1,3 m.

Informace o sedání některých vysokých budov

Zakládání Millenium Tower
Velmi náročné geotechnické procedury byly vykonány ve Vídni při zakládání Millenium Tower, stavby vysoké 202 m [1]. Mezi základovou spárou a povrchem terciérních hlinitých a jílovitých sedimentů byla vrstva štěrkovitých zemin silná 4 až 7 m. Po výkopu stavební jámy se tato vrstva zhutnila hloubkovou vibrací, potom bylo zabudovaných 151 kontinuálně vrtaných pilot o průměru 0,88 m a délce 13 až 16 m. Mezi hlavu každé piloty a dolní plochu základové desky s tloušťkou 2,2 m se osadil plochý lis. Každá pilota se pomocí plochého lisu podrobila zatěžovací zkoušce; při zatížení 3 500 kN se při prvním zatěžovacím stupni dosáhlo zatlačení hlav pilot v rozsahu od 9 do 37 mm.

Z toho můžeme usoudit, že vlastnosti zemin v podloží stavby byly velmi rozdílné. Vícenásobným opakováním zatěžovacích a odlehčovacích cyklů se pomocí plochých lisů podařilo dosáhnout prakticky homogenních podmínek; při zatížení 3 000 kN byly přírůstky sedání všude stejné, a to 5 mm. Potom se prostor v plochých lisech a v jejich okolí vyplnil cementovou suspenzí.

Závěr
Zakládání vysokých budov není v současnosti vážným technickým problémem ani u nás, ani v zahraničí. Nároky staveb, základové poměry, technologické možnosti a zkušenosti úspěšných geotechnických firem umožňují optimalizovat základové konstrukce, přičemž rozhodující bývají požadavky na přiměřené sedání.
Náročné vysoké stavby si vyžadují zodpovědný přístup k vlastnostem základových půd. Jejich nehomogenita vytváří značná rizika při odběru neporušených vzorků a přeceňování výsledků laboratorních zkoušek. Podstatně spolehlivější jsou poznatky o chování hotových staveb v podobných podmínkách a monitoring nových staveb spolu s observační metodou, která umožňuje vykonat potřebné korekce projektů i během výstavby.

Z tabulky celkem jednoznačně vyplývá, že v Bratislavě jsou vhodné geotechnické podmínky pro plošné zakládání budov s výškou do 150 m. Různé argumenty o bezpodmínečné potřebě stovek pilot, které přes málo stlačitelné štěrkovité zeminy nevhodně přenášejí zatížení do stlačitelnějších a méně pevných jílovitých zemin v podloží, o ekonomické nevýhodnosti silnějších základových desek jsou absolutně neopodstatněné. Jednoznačně prodražují stavby a v podloží zbytečně pohřbívají značné finanční prostředky investorů i budoucích nájemců či majitelů administrativních a bytových prostorů.

prof. Ing. Jozef Hulla, DrSc.
Foto a obrázky: autor

Autor je profesorem na katedře geotechniky Stavební fakulty Slovenské technické univerzity v Bratislavě. Zabývá se řešením vědeckých a odborných problémů stavební geotechniky.

Literatura
1. Brandl, H.: Settlement-minimizing Pile and Diaphragm Wall Foundations for High-rise Buildings and Bridges. In: Geotechnics in Urban Areas. Bratislava: Stavebná fakulta STU, 2005, s. 17–46.
2. Gróf, V.: Výsledky meraní Národnej banky Slovenska v Bratislave za rok 2006. Žilina: GeoExperts.
3. Hulla, J. – Jesenák, J. – Masarovičová, M. – Mázor, J. – Slávik, J.: Dvíhanie dna stavebnej jamy a sadanie budovy Národnej banky Slovenska v Bratislave. Bratislava: Stavebná fakulta STU, 1997, 57 s.
4. Katzenbach, R. – Bachmann, G. – Boled-Mekascha, G. – Ramm, H.: The Combined Pile Raft Foundations (CPRF): an Apropriate Solution for the Foundation of High-rise Buildings. In: Geotechnics in Urban Areas. Bratislava: Stavebná fakulta STU, 2005, s. 47–60.
5. Katzenbach, R.: Hochhäuser in Frankfurt am Main. Frankfurt/Darmstadt: Technische Universität, 2006, 49 s.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.