Nosné konštrukcie nového terminálu Letiska M. R. Štefánika

Vysoké nároky na architektonické stvárnenie nového terminálu Letiska M. R. Štefánika v Bratislave, skĺbené s požiadavkami zložitej prevádzky a najmodernejšieho technického vybavenia priniesli potrebu hľadania rozmerovo minimalistických a staticky efektívnych spôsobov návrhu a realizácie všetkých nosných konštrukcií. V zložitých podmienkach zadania a striktných požiadavkách na dodržanie tvarového riešenia konštrukcií v stupni dokumentácie pre stavebné povolenie našla v realizácii logicky miesto moderná a technicky prepracovaná koncepcia nízkoprofilových spriahnutých oceľobetónových nosníkov a stĺpov s tuhými vložkami.

V rámci projektového riešenia v stupni projektu pre stavebné povolenie sa nosný systém nového terminálu Letiska M. R. Štefá­nika v Bratislave riešil prevažne ako monoli­tická železobetónová konštrukcia s oceľovou konštrukciou zastrešenia s väčším rozpätím. Rozhodnutie o spôsobe konečnej realizácie smerovalo k maximalizácii prefabrikácie všetkých nosných prvkov s elimináciou zložitých konštrukčných detailov riešených až priamo na stavbe. Zložitosť riešenia sa preniesla do dielenskej dokumentácie a realizá­cia prebiehala vo výrobných podmienkach priemyselnej prefabrikácie a dielenskej výroby oceľových konštrukcií.
Monolitickým zostal len strop, hrubý 350 mm na úrovni ±0,000 m, ktorého súčasťou sa stali tiež spriahnuté oceľobetónové nosníky, dokonale rešpektujúce v návrhu a konštrukcii všetky špecifikované požiadavky stavby na zabezpečenie požadovaných nosných funkcií a bezkolíznej a rýchlej realizácie stavby. Súčasne sa vyhodnotili ako jediné vhodné riešenie na zvládnutie vysokej úrovne zaťaženia pri udržaní definovaných rozpätí a obmedzenej konštrukčnej výšky bez zabudovania viditeľných prievlakov.

Z dôvodov vysokej úrovne horizontálnych zaťažení stĺpov reakciami strešnej konštrukcie a značného množstva nosných konzol sa musel hľadať staticky efektívny, konštrukčne a technologicky vhodný konštrukčný typ oceľových tuhých vložiek. Prenos veľmi veľkých reakcií medziľahlých stropov do driekov stĺpov z rôzneho smeru a v rôznych výškových úrovniach zabezpečujú v mnohých pozíciách konzoly. Analýza možností optimálneho technologického zvládnutia betonáže a uváženie komplikovanosti zvládnutia všetkých konštrukčných súvislostí vyústila do návrhu tuhých vložiek, konštrukčne a v statickom pôsobení podobných spriahnutým nosníkom – oceľobetónový spriahnutý prierez s vložkami uzavretého prierezu s otvormi v stenách.
 
Použitie spriahnutých nosníkov
Strop na úrovni ±0,000 m sa navrhol ako spojitá monolitická železobetónová doska s poľami 2 × 9 m + 2 × 4,5 m + 9 m + 12 m + 2 × 9 m a s hrúbkou dosky 350 mm. Uvažovali sa zaťaženia s nasledovnými charakteristickými hodnotami: vlastná tiaž a stále zaťaženie 12,55 kN/m², užitočné zaťaženie 6,0 kN/m2. Požadovaná požiarna odolnosť nosných konštrukcií bola na úrovni R120. Rozpätie spriahnutých nosníkov v osiach B-H bolo jednotne 9,0 m. V osiach B-E, G a H sa dali navrhnúť nosníky v zásade s optimálnou výškou s neštandardným priečnym rezom D40-600 s výškou oceľového prierezu 400 mm a so šírkou základne lichobežníka 600 mm (obr. 1a). Statická schéma nosníkov je prostý nosník. V osi F a vloženej osi EF si požiadavka realizovať skryté prievlaky stropu vyžiadala navrhnúť výškovo veľmi stlačený priečny rez nosníka s atypickým priečnym rezom D20-600 (obr. 1b) so statickou schémou spojitého nosníka s vloženými kĺbmi – Gerberov nosník – čím sa podarilo minimalizovať priehyby.

Obr. 1  Priečne rezy nosníkov

Doska navrhnutá ako spojitá v prechode cez nosníky má hornú hranu nad hornou pásnicou oceľových prierezov 150 mm, čo umožnilo voľný prechod hornej výstuže dosky v oblasti podperových línií. Konštrukčne komplikované boli detaily uloženia nosníkov na stĺpy. V ich priestore obojsmerne prechádzala priebežná výstuž vo vzájomných rozstupoch 100 mm a sčasti perforovala steny nosníkov v oblasti prenosu maximálnych priečnych síl. Situáciu v uložení nosníkov D40-600 na stĺp a riešenie detailu v rámci spracovania výrobnej dokumentácie v modelovacom 3D softvéri možno vidieť na obr. 2. Riešenie pri extrémne nízkych nosníkoch D20-600 navyše komplikovala tiež požiadavka na umiestnenie množstva požiarnej výstuže do prierezu. To vytváralo veľmi stiesnenú situáciu v rámci minimalizovanej výšky v prípade kríženia sa so spomínanou priečnou priebežnou výstužou. Z technologických dôvodov, pre zabezpečenie kvalitného vyplnenia vnútorných priestorov nosníkov D20-600 s dierami v stenách s priemerom 80 mm, sa tieto nízke a široké profily dodávali s navarenými oblúkovými nátrubkami vo vzájomných vzdialenostiach 900 mm na usmernenie výplňového betónu do uzavretého prierezu. Na stavbu nového terminálu sa dodalo celkom 14 ks nosníkov typu D20-600 a 46 ks nosníkov typu D40-600 s dĺžkou 516 m.
–>–>
Tuhé vložky spriahnutých oceľobetónových stĺpov
V nosnom systéme sa v priebehu spracovávania realizačnej dokumentácie upresňovala v globálnej miere zvýšená intenzita zaťažení a detailnejšie sa analyzovalo spolupôsobenie s tvarovo netypickou oceľovou konštrukciou strechy. Tieto nové výsledky znamenali vnášanie zvýšených zvislých a vodorovných reakcií do stĺpov hlavných modulových osí E a H, nesúcich súčasne strechu. S ohľadom na požiadavku vnášania reakcií stropov do stĺpov v rôznych výškových úrovniach, z rôznych smerov a vysokú úroveň namáhania dvojosovým ohybom sa tuhé vložky navrhli ako vnútorné, s uzavretým štvorcovým prierezom, zvonka obetónované a súčasne vyplnené betónom. Celková dĺžka tuhej vložky pre rad H bola 8 630 mm a pre rad E 10 920 mm.

Priečny rez tuhých vložiek uzatváral jadro s rozmermi 320 × 350 (340) mm a vonkajší obrys drieku bez konzol neprekročil rozmer 400 × 400 mm. Horná časť spriahnutých stĺpov nad úrovňou +7,030 m má rozmery 600 × 600 mm, dolná časť má rozmery 600 × 900 mm. Umiestnenie vložiek v stĺpoch vidieť na príklade Sp75 (obr. 3).

Obr. 3  Stĺp Sp75 s tuhou vložkou, rad H v úrovni najviac zaťažených konzol

V tuhých oceľových vložkách sú po výške navrhnuté otvory s priemerom 190 mm, ktorými sa zabezpečuje spolupôsobenie oceľovej a betónovej, respektíve železobetónovej časti stĺpa (obr. 4).

Obr. 4  Detail tuhej vložky – 3D model – vložka vo výrobnej hale Deltabeam a v Prefe ZIPP

Susediace otvory sa po výške striedajú tak, aby sa zabezpečilo čo najmenšie oslabenie oceľového prierezu. Takéto riešenie umožnilo tiež optimálne konštrukčné usporiadanie priečnej výstuže stĺpov, ktorá prechádzala v požadovaných rozstupoch voľne cez otvory v stenách vložiek v oboch smeroch, a tiež potrebnú kvalitu vyplnenia betónom a riadneho zhutnenia betónovej zmesi. Samotné oslabenia stien otvormi sa vo výpočte zohľadnili menšou účinnou prierezovou plochou tuhých vložiek. Rôznorodosť a komplikovanosť tvarov tuhých vložiek možno vidieť na obr. 5 na príkladoch štyroch vložiek z celkového počtu 12 ks navrhnutých v projekte.

Obr. 5 Ukážky tvarov tuhých vložiek spriahnutých oceľobetónových stĺpov

Po výške sa cez tvarovo a polohovo veľmi rôznorodé konzoly vnášajú do stĺpov osové sily, priečne sily a ohybové momenty pôsobiace v obidvoch hlavných osiach zotrvačnosti priečnych rezov. Konzoly boli predmetom samostatného návrhu s využitím 3D FEM modelu analyzovaného programom IDA Nexis. Ich návrh sa realizoval za predpokladu, že celé namáhanie od príslušnej reakcie stropného nosníka, prievlaku, prípadne stužujúceho nosníka prenáša do tuhej vložky len oceľový prierez konzoly. Stĺpy sú po obvode vystužené betonárskou výstužou, ktorá sa započítava do ich celkovej odolnosti. Použili sa nasledujúce materiály: betón pevnostnej triedy C50/60, konštrukč­ná oceľ S355 a betonárska výstuž 10 505 (R). Takéto stĺpy možno navrhovať podľa zásad stanovených v STN EN 1994-1-1: 2006 (Eurokód 4. Navrhovanie spriahnutých oceľobetónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy).

Metodika návrhu stĺpov
Pre potreby návrhu stĺpov nového terminálu Letiska M. R. Štefánika v Bratislave v súlade s požiadavkami STN EN 1994-1-1 bolo nutné upraviť návrhový program podrobnejšie spracovaný v [1]. Vďaka tomu sa mohli posúdiť rôzne prierezy spriahnutých stĺpov na akúkoľvek kombináciu vnútorných síl, respektíve posúdiť prierez stĺpa na všetky vznikajúce kombinácie vnútorných síl.

Odolnosť stĺpov sa posúdila v zhode so zjednodušenou metódou navrhovania uvedenou v norme. Odolnosť prierezu pri kombinácii tlaku a ohybu a zodpovedajúca interakčná krivka sa určili za predpokladu obdĺžnikového rozdelenia napätí. Napätie betónu v ťahu sa zanedbalo. Generovaná interakčná krivka je polygonálnym diagramom ABCD. Pri určení jednotlivých bodov A, B, C a D sa postup zhoduje s kapitolou 6.7.3.2 STN EN 1994-1-1 – Odolnosť prierezov.

Po určení bodov polygonálneho interakčného diagramu ABCD sa pre každú kombináciu zaťaženia určil stupeň využitia prierezu pre obidva smery namáhania. Takisto sa určil stupeň využitia aj pre kombináciu tlaku a dvojosového ohybu.

Na obr. 6 sa nachádza príklad polygonálneho interakčného diagramu pre stĺp s prie­rezom 600 × 900 mm, s hrúbkou stien vnútorných tuhých vložiek 25 mm (respektíve 30 mm) v rade E. Spriahnuté oceľobetónové stĺpy s tuhými vložkami sa navrhli tak, aby odolávali všetkým kombináciám zaťaženia, ktoré sa počas ich životnosti môžu na stĺpoch vyskytnúť. Porovnaním tlakových odolností stĺpov s tuhými vložkami a bez nich sa dosa­hujú o viac ako 40 % vyššie hodnoty odolností pri použití tuhých vložiek v stĺpoch.

Obr. 6  Polygonálny interakčný diagram ABCD pre spriahnutý oceľobetónový stĺp s prierezom 600 × 900 mm v rade E

Záver
Použitie zvýšeného podielu prefabrikácie nosných prvkov v realizácii projektu nového terminálu Letiska M. R. Štefánika v Bratislave umožnilo úspešne realizovať stavbu vo veľmi krátkom čase v súlade so zmluvným harmonogramom. Logický podiel na deľbe práce v tomto projekte zaujali spriahnuté oceľobetónové nosníky vyrobené z pozváraných oceľových platní s otvormi v stenách, ktoré svojím konštrukčným riešením a prítomným individuálnym a profesionálnym prístupom ku všetkým stupňom technickej podpory ideálne rešpektujú požiadavky aj dynamicky sa vyvíjajúcich projektov. V zložitých časových, konštrukčných a statických súvislostiach sa úspešne realizoval tiež návrh a dodávka špeciálnych tuhých oceľových vložiek, extrémne zaťažených spriahnutých stĺpov stavby. Pri bezpečnom a konštrukčne správnom návrhu nosníkov a tuhých vložiek bola absolútne nevyhnutná úzka a bezchybná súčinnosť so zodpovedným projektantom statiky, realizačnou firmou a v zmluvných otázkach priamo s investorom.
 
TEXT: Ing. Pavel Nádaský, PhD., Ing. Slavomír Matiaško, PhD., Ing. Pavol TekulaňOBRÁZKY a FOTO: Deltabeam Slovakia

Ing. Pavel Nádaský, PhD., je riaditeľom Technického a vý­vojového centra spoločnosti Deltabeam Slovakia, s. r. o.

Ing. Slavomír Matiaško, PhD., je vývojovým pracovníkom skupiny Peikko Group Corporation.

Ing. Pavol Tekula je statikom-špecialistom spoločnosti ZIPP Bratislava, spol. s r. o.

Literatúra
1.    Matiaško, S.: Navrhovanie spriahnutých oceľobetónových stĺpov s použitím vysokopevnostného betónu, Bratislava: 2009, dizertačná práca.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.