Problémy zakladania vysokých budov

Budovy dosahujú v súčasnosti výšku niekoľko stoviek metrov a je len otázkou krátkeho času, kedy sa prekročí výška 1 000 m. V závislosti od základových pomerov a zaťažení sa vysoké budovy zakladajú plošne na doskách alebo hĺbkovo na pilótach s plným či kombinovaným prenosom. V extrémne stiesnených podmienkach treba pri zakladaní týchto stavieb vytvárať dosť hlboké stavebné jamy, ktoré sa musia odvodňovať.

Plošné základy
Prehľad výšok budov založených na doskách a prehľad maximálnych hodnôt sadania znázorňuje obr. 1. Vo Frankfurte nad Mohanom i v Bratislave je podobná geológia. Piesočnaté a štrkovité zeminy siahajú do hĺbok 10 až 20 m, pod nimi sú do hĺbky asi 100 až 150 m ílovité zeminy a hladina podzemnej vody dosahuje hĺbku 5 až 10 m pod povrchom územia, počas povodní aj vyššie. Vysoké budovy vo Frankfurte sa do roku 1980 zakladali len plošne.

Budovy majú výšku 70 až 166 m a sú založené v hĺbke 10 až 20 m pod povrchom územia na základových doskách s hrúbkou 1,5 až 4,0 m. Na obr. 2 je znázornená budova Eurotower, ktorá má výšku 148 m, 5 podzemných podlaží a vytvára priestor pre 1 500 pracovníkov.

Hodnoty  maximálnych sadaní sa pohybujú v rozpätí od 50 do 340 mm. Relatívne menšie hodnoty v Bratislave svedčia o lepších vlastnostiach ílovitého podložia v porovnaní s Frankfurtom. Maximálnu hodnotu sadania má hotel Mariot vo Frankfurte nad Mohanom, ktorý stavali v rokoch 1973 až 1976. Má 47 nadzemných a 3 podzemné podlažia. Aj pri veľkej hodnote sadania sa vyriešili súvisiace problémy a objekt spoľahlivo plní svoje funkcie [5].

Na obr. 3 sú znázornené hodnoty sadania komplexu Národnej banky Slovenska v Bratislave [3]. Možno predpokladať, že hodnoty sadania sa vplyvom konsolidácie neogénneho podložia budú ešte zväčšovať, avšak vypočítané konečné hodnoty sa nedosiahnu. Základová doska pod výškovou budovou je od nižších častí oddelená tesnenou dilatačnou škárou, v ktorej vznikli rozdiely v zvislých posunoch 6 až 10 mm. Z rozdielneho priebehu sadania základovej dosky možno vypočítať jej naklonenie o 0,12 mm/m. Z toho vyplýva horizontálny odklon zvislej osi medzi základovou a strešnou časťou budovy, ktorý je 13,3 mm. Pri takýchto odklonoch nemôžu vznikať problémy s používaním či stabilitou stavby.

Hĺbkové základy s kombinovaným prenosom
Pri zakladaní stavieb s kombinovaným prenosom jednu časť zaťaženia prenášajú pilóty, druhú časť základová doska na zeminu medzi pilótami. Väčšinou sa predpokladá, že pilóty prenesú asi polovicu zaťaženia a ich počet vychádza z únosnosti, ale nie z výpočtovej únosnosti. Súvisí to s relatívne veľkými hodnotami sadania a so zatláčaním pilót do podložia.

Vo Frankfurte nad Mohanom a vo Viedni bola výška takto založených budov 110 až 257 m. Maximálne hodnoty sadania sa pohybovali v rozsahu od 25 do 120 mm. Od roku 1980 sa takmer všetky vysoké budovy vo Frankfurte nad Mohanom zakladajú na pilótach.

Medzi prvými takto založenými budovami bola vo Frankfurte Veľtržná veža (Messe­turm). Pod ňou siahajú treťohorné íly do hĺbky 150 m. Veža má 70 nadzemných a len 2 podzemné podlažia. Základovú dosku s maximálnou hrúbkou 6,0 m podopiera 64 pilót s dĺžkou 26,9 až 34,9 m a s priemerom 1,3 m. Počas výstavby sa menil pomer zaťaženia prenášaného pilótami a doskou. Po dokončení prenášali pilóty 57 % a doska 43 % z celkového zaťaženia (asi 1 600 MN). Maximálna hodnota sadania dosiahla 120 mm. Aj napriek veľkej hrúbke a tuhosti sa základová doska prehla a oproti okrajom je v strede priehyb približne 40 mm. Maximálne naklonenie základovej dosky je 1 : 3 500, z čoho vyplýva, že výšková budova je hore odklonená od zvislice o 70 mm. Na plný prenos zaťaženia by bolo potrebné [4] zabudovať 316 pilót, čo by predstavovalo rozdiel v nákladoch vyše 3 mil. eur.

V Bratislave je na plávajúcich pilótach s kombinovaným prenosom založených viac vysokých budov. Medzi ne patrí aj výšková budova komplexu Rozadol (obr. 4). O sadaní týchto budov však doteraz nebolo možné získať žiadne informácie. Určite však podstatná časť zaťaženia zostáva v štrkovitých zeminách a pilóty v hlbšom stlačiteľnejšom neogénnom podloží budú prenášať len nepatrnú časť zaťaženia.

Hĺbkové základy s plným prenosom
Zakladanie vysokých budov na plošných základoch a na pilótach s kombinovaným prenosom má svoje obmedzenia. Budovy vyššie ako 300 m možno zakladať na plošných alebo na hĺbkových základoch s plným prenosom zaťaženia len do skalných hornín.

Rozmery plošných základov sú závislé od vlastností skalného podložia a pôsobiaceho zaťaženia. Rovnako od vlastností skalného podložia budú závisieť aj návrhy hĺbkových základov, v súčasnosti najmä vŕtaných pilót. Ukazuje sa, že podiel prenosu zaťaženia plášťovým trením v jemnozrnných zeminách je zanedbateľne malý. Takmer celé zaťaženie sa prenáša plášťovým trením a opretím päty v skalnom podklade.

Nová Komerčná banka vo Frankfurte nad Mohanom (obr. 2) má výšku 299 m, je založená na 111 pilótach s priemerom 1,5 a 1,8 m, siahajúcich do hĺbky 38 až 46 m. Pilóty sú votknuté približne 7 m do vápenca a sadanie sa pohybuje v rozsahu 20 až 30 mm.

Veže Petronas v Kuala Lumpur sú vysoké 452 m, založené na 104 pilótach s dĺžkou 60 až 115 m, zaviazané do vápencov a základová doska má hrúbku 4,5 m. Sadnutie dosahuje hodnotu približne 60 mm.

V Taiwane postavili vežu Taipei 101 s výškou 509 m. Má 5 podzemných podlaží, je založená na 380 pilótach s priemerom 1,5 m a dĺžkou 30 m. Pilóty sú zaviazané do skalného podkladu a základová doska má hrúbku 5 m.

V súčasnosti sa dokončuje veža Burj Dubai, ktorá má mať výšku 800 až 850 m a je založená na 192 pilótach s dĺžkou 50 m, zaviazaných do skalného podkladu. Základová doska veže má hrúbku 3,7 m.

Pre pilóty s plným prenosom zaťaženia, ktoré sú opreté alebo votknuté do skalného podložia, je dôležitá kvalita betónu. Z toho dôvodu sa takmer všetky pilóty kontrolujú sonicky. Na základe rýchlostí šírenia zvukového impulzu možno odhaliť polohy s poruchami alebo menej kvalitným betónom a kontrolovať tiež hĺbky pilót. Poruchy v drieku aj pri päte pilót treba zodpovedne analyzovať z hľadiska ich vplyvu na stabilitu konštrukcií a v prípade potreby ich sanovať injektážou.

Stavebné jamy
Vysoké budovy sa obvykle zakladajú v mestských podmienkach, ktoré sú obmedzené okolitou výstavbou, mestskými komunikáciami, inžinierskymi a telekomunikačnými sieťami. Hĺbky stavebných jám bežne dosahujú hodnoty 10 až 20 m. Z toho vyplýva, že svahové stavebné jamy sa nemôžu v takýchto podmienkach uplatniť. Na zabezpečenie stability treba mierne sklonené svahy s veľkými nárokmi pod hladinou podzemnej vody. Okolo stavebných objektov sa odporúča veľký voľný priestor.

Prvoradou úlohou je teda lokalizácia a prekladanie podzemných a nadzemných vedení, povrchových komunikácií, prípadne odstránenie starších objektov.

Stavebné jamy s dnami nad hladinami podzemných vôd možno pažiť záporovými stenami s kotevnými stabilizačnými systémami. Pomocou nich sa dá dosiahnuť voľný priestor na hĺbenie jamy i na výstavbu podzemných častí konštrukcií.

Vo väčšine prípadov však siahajú základové škáry vysokých budov pod hladiny podzemných vôd. Pažiace konštrukcie musia byť z toho dôvodu schopné plniť aj tesniacu funkciu. Zvislé steny sa vytvárajú pomocou prerezávaných pilót technológiou premiešavania zemín na mieste (MIP – mixed in place), monolitickými železobetónovými podzemnými stenami vytváranými v ryhách s ílovitou suspenziou, železobetónovými prefabrikátmi v ryhách s betónovou zmesou alebo so samotvrdnúcou suspenziou. Ich stabilita sa opäť zabezpečuje jednou alebo viacerými úrovňami kotevných systémov.

Pažiace a tesniace steny sa musia zaviazať do nepriepustnej vrstvy. Tou môžu byť prírodné neogénne zeminy alebo umelé injektované vrstvy v štrkovitých zeminách. V Bratislave ide o neogénne zeminy, ktoré však nie sú homogenné. V ílovitých zeminách sa vyskytujú neogénne piesočnaté polohy s výrazne väčšou priepustnosťou. V nich sa sústreďujú aj vodné tlakové horizonty, ktoré majú nepriaznivý vplyv na dvíhanie úrovne základovej škáry a dna stavebnej jamy. Tento nepriaznivý vplyv odpruženia podložia možno redukovať odľahčovacími vrtmi, ktoré pôsobia ako vertikálne drény a uvoľňujú napätia vo vodných horizontoch.

Špecializované spoločnosti na zakladanie stavieb majú na túto činnosť rozvinuté technológie, moderné hĺbiace zariadenia a skúsených pracovníkov. Netesné polohy v stenách sa preto vyskytujú len výnimočne.
Stavebná jama pre Národnú banku Slovenska (obr. 5) mala pažiace a tesniace steny vytvorené z kotvených železobetónových prefabrikátov a samotvrdnúcej suspenzie. Steny sa vhodne zaviazali do prírodného nepriepustného ílovitého podkladu. Zo stavebnej jamy bolo treba pomocou vŕtaných studní čerpať nepatrné množstvo len 1 až 2 l/s.

Väčšie množstvá vody pritekajú do stavebných jám cez ich podložie pod dolnými koncami pažiacich a tesniacich stien. Počas vytvárania stien sa sleduje kvalita zemín pod dolnými koncami stien. Na prvý pohľad by teda malo byť všetko v poriadku a z dokonale utesnených jám by sa nemali čerpať väčšie množstvá vody. Hĺbka stien sa navrhuje v projektoch na základe výsledkov inžinierskogeologického prieskumu.

Investori sa však snažia redukovať náklady, a to dosť často obmedzením rozsahu prieskumu. Skúsenosti z Bratislavy svedčia o tom, že povrch a hrúbky neogénnych ílovitých zemín sa pri väčších jamách môžu medzi vzdialenejšími vrtmi významne meniť. Následne vznikne situácia, že steny sú síce zaviazané do relatívne nepriepustnej vrstvy, tá sa však nenachádza súvisle pod celou jamou. Do jamy zasahujú priepustnejšie piesočnaté vrstvy z väčších hĺbok, cez ktoré prúdia do jamy väčšie množstvá podzemných vôd.

Jednou z takýchto jám bola v Bratislave jama pre komplex Rozadol (obr. 6). Z jamy sa čerpalo vyše 60 l/s, ale požadované zníženie sa nedosiahlo. Steny boli vtedy po prvýkrát v Bratislave vytvorené technológiou premiešavania štrkovitých zemín s cementovou suspenziou a na viacerých miestach sa prevŕtali. Do jamy sa zabudovali pozorovacie rúrky, ktoré umožnili okrem polôh hladín sledovať v nich aj rýchlosti prúdenia priesakovej vody. Na základe analýzy výsledkov meraní sa preukázalo, že podstatná časť z celkového množstva vody priteká do jamy cez piesočnaté polohy pod dolnými koncami stien. Doplnili sa čerpacie studne a z najnižšej časti jamy pod výťahovou šachtou výškovej budovy sa voda odčerpávala povrchovo.

V súčasnosti je v Bratislave problematická stavebná jama v mestskej časti Ružinov. Železobetónové podzemné steny sú monolitické, ale cez priepustné polohy pod ich dolnými koncami priteká do jamy pomerne veľké množstvo vody (asi 130 l/s). Z toho dôvodu bolo nutné do jamy zabudovať viac čerpacích studní ako sa predpokladalo v projekte.

Ďalším problémom je odvedenie čerpanej vody. Jednoduchým riešením je odvedenie tejto vody do blízkych povrchových tokov alebo jazier. Nákladnejšími sú vsakovacie vrty do štrkovitých zemín okolo jamy na pozemku stavby. Náročnosť je daná čerpanými množstvami. Do úvahy prichádza aj odvedenie vody do mestskej kanalizácie, ale pri väčších množstvách je takéto riešenie pre vysoké náklady neschodné.

Záver
Súčasné trendy zakladania vysokých budov smerujú k širokému využívaniu pilót. Keďže sa zväčšujú podiely zaťažení, ktoré musia preniesť zvyšujú sa aj ich počty. Cieľom je totiž minimalizovať nerovnomerné zložky sadania. Investori by sa mali rozhodnúť, či extrémna minimalizácia sadania nesmeruje k zbytočne veľkým nákladom na zakladanie. V tejto súvislosti by nemali príliš šetriť na geotechnických prieskumných prácach. Kvalitné podklady môžu viesť k spoľahlivým a ekonomicky efektívnym riešeniam.

Rovnaká požiadavka na spoľahlivý geo­technický prieskum platí aj pre stavebné jamy. Hĺbka pažiacich a tesniacich stien bezprostredne súvisí s čerpanými množstvami, odvedením vody i stabilitnými problémami podložia vysokých budov.

Príspevok je súčasťou riešenia projektu VEGA MŠ SR č. 1/3320/06 Interakcia vybratých geotechnických konštrukcií s horninovým prostredím.

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

Autor je profesorom na Katedre geotechniky Stavebnej fakulty slovenskej technickej univerzity. Zaoberá sa riešením vedeckých a odborných problémov stavebnej geotechniky.

Literatúra
1. Brandl, H.: Settlement minimizing pile and diaphragm wall foundations for high-rise buildings and bridges. In: Geotechnika v urbanizovanom prostredí. Bratislava: SvF STU, 2005, s. 17 – 46.
2. Hulla, J.: Sedání vysokých budov. Realizace staveb 01/2007, s. 46 – 47.
3. Hulla, J. – Jesenák, J. – Masarovičová,M. – Slávik, I. – Mázor, J.: Dvíhanie dna stavebnej jamy a sadanie budovy Národnej banky Slovenska. Bratislava: SvF STU, 1997, 96 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: Geotechnika v urbanizovanom prostredí. Bratislava: Stavebná fakulta STU, 2005, s. 47 – 60.
5. Katzenbach, R.: Hochhäuser in Frankfurt am Main. Frankfurt/Darmstadt: Technische Universität, 2006, 49 s.