Inovativní řešení konstrukce a montáže rozhledny Bohdanka

• Foto

Není proto divu, že stavba vyvolávala oprávněnou pozornost kolemjdoucích již během montáže. V blízkosti rozhledny, před masivními konstrukčními prvky vyrobenými z kulatiny průměru až 320 mm, nabývá návštěvník pocitu určitého respektu, ale i bezpečnosti. Nicméně z dálky vypadá 52,2 m vysoká věž štíhle a subtilně. Vyhlídková plošina umístěná ve výšce 40,7 m nad terénem by měla za dobrých povětrnostních podmínek umožnit výhled až do oblasti Krkonoš a Šumavy (obr. 2). Rozhledna je součástí širšího projektu „Rozhlédni se okolo Bohdanče“, který zahrnuje například i vybudování cykloturistických naučných stezek v okolí Bohdanče.

Počátky projektu rozhledny se datují do roku 2004, kdy majitel dřevařské společnosti LESS a. s. holding Ing. Mičánek ve spolupráci s obcí Bohdaneč nechal zpracovat architektonický návrh rozhledny. Statický a konstrukční návrh vypracovala firma TAROS NOVA s. r. o., která se již v té době profilovala jako společnost orientovaná na inženýrské a atypické stavby ze dřeva. V rámci statického posouzení byla původní geometrie konstrukce zásadním způsobem změněna. Změny se týkaly hlavně neúčinných či chybějících ztužidel, tvaru a počtu prutů a zejména spojů. Dynamický výpočet konstrukce byl zpracován ve spolupráci se stavební fakultou VUT v Brně. Při detailním vyhodnocení bylo respektováno dynamické namáhání spojů, což ovlivnilo koncept návrhů i předpokládanou cenu stavby. Zásadní posun vpřed byl učiněn v roce 2009, kdy byl projekt podpořen fondem EU a také výpočty z ČVUT v Praze a výsledky testů spojů z Kloknerova ústavu. Dodavatelem celého díla se stala zlínská firma PSK – Průmyslové stavby a konstrukce a. s. Ve výběrové soutěži na dodávku dřevěné konstrukce uspěla firma TAROS NOVA s. r. o., hlavně díky svým dlouhodobým zkušenostem s atypickými stavbami, jako byly například jízdárna Čapí hnízdo nebo nadstavby administrativní budovy České pojišťovny v Praze, a napojením na aplikovaný výzkum v oboru dřevěných konstrukcí. Na výstavbu rozhledny byl stanoven striktní časový harmonogram, a proto byla následná projekční příprava urychlena tak, aby se po třech měsících mohlo započít s realizací. Hlavní nosná konstrukce byla postavena za tři měsíce, což bylo umožněno hlavně originálním a efektivním způsobem montáže a vhodnými spojovacími prostředky.

KONSTRUKCE
Konstrukce rozhledny (obr. 3) je tvořena segmenty, které se směrem nahoru zužují. Základní čtvercový půdorys je 8,2 × 8,2 m. Jednotlivé segmenty byly spojovány předepnutými šrouby umístěnými na přírubách ocelových svařovaných styčníkových elementů. Každý segment představuje uzavřený tuhý prostorový dílec, který obsahuje vnější rohové sloupy (4 × kulatina o průměru 180 – 320 mm), mezilehlé sloupy (2 × kulatina o průměru 220 – 250 mm), K‑ztužidla (2 × kulatina o průměru 220 – 300 mm), podélníky (2 × kulatina o průměru 220 mm), dále jedno schodišťové patro a další výplňové prvky. S rostoucí výškou konstrukce se průměry kulatin zmenšují tak, jak klesají vnitřní síly. Kulatina pro nosnou konstrukci je odkorněná a částečně opracovaná tak, aby byl dosažen plný kontakt s vloženými styčníkovými plechy. Jednotlivé pruty tvořící nosný prvek jsou propojeny svorníky. Podélníky byly propojeny svorníky až po sestavení segmentů na sebe, protože každý z dvojice podélníků byl součástí jiného segmentu. K‑ztužidla jsou umístěna po obvodu segmentu. Přípoj K‑ztužidel je proveden do svařence rohových sloupů a do spoje podélníků s mezilehlými sloupy. Konstrukce schodiště, včetně stupnic a zábradlí je dřevěná. Schodišťové sloupy jsou tvořeny kulatinou o průměru 220 – 300 mm. Prostorová tuhost schodiště jako celku je zajištěna opřením do hlavní nosné konstrukce skrze příčné roznášecí prvky (kulatina průměru 180 mm). Vzhledem k systému montáže a ekonomické nákladnosti spojů byly rohové sloupy v prvních třech patrech rozhledny provedeny z oceli. Kulatina zde má hlavně stabilizační a estetickou funkci. Konstrukce vyšších pater je již plně dřevěná se spoji s ocelovými vkládanými plechy. Tvar a konstrukční řešení jsou zřejmé z obr. 1, obr. 3 a obr. 15.

PROJEKČNÍ ČÁST
Pro analýzu chování konstrukce rozhledny byl vytvořen statický a dynamický 3D prutový model. Zásadní pro výpočet bylo určení účinku zatížení od větru, které je významně ovlivněno hodnotou dynamického součinitele uvažované konstrukce. Proto byla citlivost konstrukce na účinky větru analyzována dynamickým modelem, sestaveným na stavební fakultě VUT v Brně [2].

Na základě výsledků z řešení modelu bylo rozhodnuto nezvyšovat zatížení o dynamický součinitel a lokálně zajistit pruty proti rozkmitání. Toto také zapříčinilo nutnost pečlivého výběru spojů, vhodných jak na působení střídavých účinků zatížení, tak i odolných vůči vibracím (obr. 4).

V rámci projekční části byly dále zvažovány varianty konstrukčního provedení spojů, způsoby vrtání, použití hydraulického lisu a navržen i montážní přípravek. Výsledné provedení spojů bylo zohledněno ve statickém modelu, přípoje hlavních prutů byly modelovány jako pružné. Konstrukce byla spočtena nelineárně podle teorie II. řádu. Statický model konstrukce byl pak použit k návrhu a posouzení jednotlivých konstrukčních prvků (obr. 5).

MATERIÁL
Hlavní nosné prvky rozhledny jsou tvořeny kulatinou o minimální třídě pevnosti C24. Vzhledem k výjimečnosti konstrukce byly požadavky na kulatinu dále upřesněny na základě znaleckého posudku. Vizuální třídění dřeva bylo provedeno na stavbě za přítomnosti znalce a kusy s nejvyšší jakostí byly separovány a později využity pro prvky s extrémně namáhanými spoji. Zvláštní pozornost byla věnována konstrukční ochraně dřeva. Spoje byly navrženy tak, aby umožňovaly rychlý odvod dešťové vody a nedocházelo k zadržování vlhkosti žádné části konstrukce. Kulatina byla jednostranně, popřípadě dvoustranně hraněná tak, aby styčníkové plechy plně doléhaly na dřevěný masiv (obr. 6). Hrany, zářezy a otvory v kulatině byly chemicky ošetřeny impregnačním nátěrem, prováděným přímo na stavbě. Plošná impregnace všech prvků byla z důvodu finanční náročnosti vypuštěna. Ocelové styčníkové plechy a svařence jsou třídy S355, svorníky průměru 24 mm jakosti 8.8. Povrchová úprava ocelových prvků je žárové zinkování.

SPOJE
Chování konstrukce je zásadním způsobem ovlivněno spoji jednotlivých nosných prvků. Tyto spoje jsou dominantně namáhány tahovou a tlakovou osovou silou od zatížení větrem, která má charakter střídavého zatížení. Vzhledem k umístění spojů v exteriéru se navíc očekávají významné změny teploty a vlhkosti. Na základě dlouhodobých zkušeností s realizovanými stavbami a závěry z provedených experimentů byly vybrány spoje s vkládanými styčníkovými plechy a těsnými svorníky. Jednotlivé spojovací prvky jsou zajištěny proti vzniku trhlin celozávitovými vruty. Místa s koncentrací napětí vyztužují desky s prolisovanými trny. Matice, které skrze dostatečně tuhou podložku vnášejí předpětí do svorníků, jsou navíc zajištěny proti uvolňování pérovou podložkou. Pro nejvíce namáhané spoje byla přednostně vybrána kulatina s minimem materiálových vad.

Spoje byly prováděny na stavbě. Otvory pro svorníky byly zhotoveny za pomoci dlouhých vrtáků (obr. 7), desky s prolisovanými trny byly zalisovány montážním lisem. Spoje jsou poměrně dlouhé s velkým množstvím spojovacích prvků, což kladlo zvýšené nároky na kvalitu provedení (obr. 8, obr. 9).

Výběr typu, geometrie a výpočetního modelu hlavních nosných spojů pro firmu TAROS NOVA s. r. o. zpracovala firma WaVe Structural Design, která se při řešení spojů opírala o experimentální výzkum prováděný na stavební fakultě VUT v Brně [3].

MONTÁŽ
Rozhledna je postavena metodou segmentové montáže podle návrhu firmy TAROS NOVA s. r. o., která rovněž tento způsob úspěšně provedla v praxi. Hlavní výhoda tohoto řešení je omezení práce ve výškách, vysoká přesnost výsledné geometrie konstrukce a podmínky blížící se tovární výrobě. Kompletace konstrukce probíhala na stavbě v ocelovém montážním přípravku výšky jednoho patra (obr. 10), který umožňoval přesně nastavit geometrii každého z devíti zúžujících se segmentů (výška jednoho segmentu je 4,5 m). Při sestavování segmentu se nejprve ocelové styčníkové plechy spojů dočasně připevnily do montážního přípravku, následně se připojila první kulatina (otvory pro svorníky se vrtaly podle otvorů ve styčníkovém plechu) a jako poslední se přiložila druhá kulatina z páru (otvory pro svorníky se vrtaly skrze již provedené otvory v první kulatině). Těsné svorníky byly do otvorů zatloukány, matice byly proti uvolňování zajištěny pérovými podložkami. Segmenty se umisťovaly do konstrukce za pomoci jeřábu, spoj segmentů v ocelových přírubách byl prováděn předepnutými šrouby (obr. 11). Sestavení jednoho modulu trvalo cca tři dny. Prefabrikované schodiště z hraněného řeziva bylo vkládáno až do hotové konstrukce, panely zábradlí se připevňovaly jako poslední. Střecha byla rozdělena do dvou částí, smontována na stavbě v montážním přípravku a vyzvednuta na finální místo jeřábem (obr. 12, obr. 13). Způsob montáže i montážní řípravek se v praxi velmi osvědčil.

NÁVAZNOST NA VÝZKUM
Pro výběr spojů konstrukce rozhledny byly využity závěry z výzkumu spojů typu ocel‑dřevo s vkládanými styčníkovými plechy prováděnými na stavební fakultě VUT v Brně [3]. Zásadní pro návrh spojů byly hlavně výsledky experimentů, vycházející z pracovních diagramů spojů, ze způsobu porušování testovaných těles a vzorků, z analytických modelů a obecných závěrů z výzkumu spojů. K dispozici byla také analýza dlouhodobého chování navrženého typu spojů, která je založena na pravidelných geodetických měřeních velkorozponové haly s příhradovými oblouky v Bílovci [4]. Alternativní řešení spojů hmoždíkového typu byly zpracovány na ČVUT v Praze a testovány na Kloknerově ústavu. Tyto spoje dosáhly při testech vysokých únosností, nicméně pro konstrukci nebyly použity vzhledem k jejich relativní křehkosti a časové a finanční náročnosti. Již v rámci projekční části proběhla jednání o možnosti stavbu po dokončení dále sledovat a tak rozšířit současné znalosti o chování konstrukce a spojů v reálných podmínkách. Osazení měřidly a měřičskými body tak umožní sledovat jak chování jednotlivých spojů, tak i posuvy celé konstrukce. Data získaná na reálné konstrukci budou objektivnějším podkladem pro přípravu a provedení dalšího experimentálního výzkumu. Sběr dat pro účely dalšího výzkumu je začleněn do systému údržby a pravidelných kontrol stavu konstrukce (obr. 14).

ZÁVĚR
Rozhledny se dřevěnou konstrukcí se v současnosti staví poměrně často a tento trend pravděpodobně bude ještě několik let pokračovat. Je pravděpodobné, že se dočkáme i požadavků na vyšší stavby, jejichž materiálem by vzhledem ke své dlouhodobé trvanlivosti mohla být opět kulatina nebo lepené dřevo. S nárůstem výšky těchto staveb bude třeba zpřesňovat účinky zatížení větrem v konkrétních podmínkách stavby, používat dřevo vyšších jakostních a pevnostních tříd a navrhovat dostatečně únosné a houževnaté spoje. Zásadním kritériem bude vždy detailní analýza chování konstrukce jako celku. Při současných znalostech by s vhodnými úpravami geometrie mělo být možné postavit dřevěnou konstrukci z kulatiny o výšce cca 100 m, což by s sebou ovšem neslo významné náklady nejen materiální, ale i projekční a experimentální. Přínos těchto konstrukcí je nejen estetický a praktický pro investora a návštěvníky, ale taktéž nezanedbatelný pro zvyšující se úroveň teoretických i praktických dovedností dřevozpracovatelského průmyslu v ČR (obr. 15).

Výzkum, projekce i montáž rozhledny byly provedeny v České republice, což vzhledem k výjimečnosti této stavby udržuje domácí firmy na evropské i světové úrovni v oboru dřevěných konstrukcí.

TECHNICKÉ INFORMACE K DŘEVĚNÉ KONSTRUKCI
Výška rozhledny 52,2 m, základna 8,2 × 8,2 m, výška vyhlídkové plošiny 40,7 m, počet schodů 217, otevření rozhledny pro veřejnost 14. 5. 2011.

Stavba nosné konstrukce trvala tři měsíce, spotřeba smrkové kulatiny na nosnou konstrukci 160 m³, spotřeba řeziva a lepeného dřeva 45 m³, spotřeba oceli ve spojích 33 t. Přípoje prutů jsou řešeny pomocí vložených styčníkových plechů a svorníkových spojovacích prostředků. Pro omezení vlivu trhlin v oblasti přípojů použity ocelové styčníkové plechy s prolisovanými trny a spínací vruty. Základy: mikropiloty a ŽB deska.

LITERATURA:
[1] Nouza, J.: Obrázky z historie a současnosti rozhleden v Česku i ve světě, Internetovy server (http://itakura.kes.tul.cz/jan/rozhledny/rozhled.html)
[2] Salajka, V.; Kanický, V.; Kala, J.: Posouzení rozhledny Bohdaneč z hlediska dynamického zatížení, příspěvek na konferenci New trends in statics and dynamics of buildings, ISBN 80‑227‑2479‑3, Bratislava, SR, 2006
[3] Straka, B.; Vejpustek, Z.; Hradil, P.: Experimental analysis of semi‑rigid behaviour of steel‑to‑timber joints with slotted‑in plates, příspěvek na konferenci Proc. of VSU‘2005 International Conference, „Ljuben Karavelov“ Civil Engineering Higher School, „Ljuben Karavelov“ Civil Engineering Higher School, Sofia, 2005
[4] Bureš, J., Straka, B.: Geodetické metody při měření přetvoření dřevěných konstrukcí velkých rozpětí, příspěvek na konferenci Experiment 04, ISBN 80‑7204‑354‑4, Akademické nakladatelství CERM s. r. o., Brno, 2004

Innovative Solutions to Structure and Erection of the Observation Tower Bohdanka
Observation towers in Central Europe are unique from the viewpoint of their number and variety. A number of these structures per 1 km² is currently one of the highest in the world and the number of newly opened observation towers is still rising [1]. This trend is seen in the observation tower “Bohdanka” in the municipality Bohdaneč, Kutná Hora, which is unique in many respects. In addition to the original shape, innovative erection solution and application of the research and development results in the area of timber structures, it is one of the highest freestanding observation towers made of logs.

Autoři

• Doc. Ing. Straka Bohumil CSc.
• Ing. Vejpustek Zdeněk
• Ing. Valíček Jan