Interakce obalových a dělicích konstrukcí s nenosnou konstrukcí halových objektů

S nárůstem požadavků kladených na halové objekty dochází postupně k vyšší funkční specializaci a následně k postupnému oddělování obou subsystémů. Zvýšené požadavky kladené na nenosné konstrukce se týkají především jejich stavebně-fyzikálních vlastností, požadavků technologie provádění, estetických vlastností, dlouhodobé funkční spolehlivosti a celkové efektivnosti v životním cyklu stavby. Obdobně se trvale zvyšují nároky na nosný systém halového objektu, týkající se jeho konstrukčních parametrů, technologie provádění, celkové efektivnosti, spolehlivosti apod.
Obecně je zřejmé, že pro vytváření – z hlediska dlouhodobého zajišťování náročných požadavků – kvalitních objektů je třeba subsystémy konstrukcí nosných a primárně nenosných uvést do vzájemného souladu.

INTERAKCE SUBSYSTÉMŮ
Pod pojmem interakce se obvykle rozumí vztah vzájemného ovlivňování konstrukcí nosného a nenosného subsystému halového objektu.
Vzájemná interakce mezi subsystémy může mít na působení jednotlivých subsystémů halového objektu příznivý, popř. negativní vliv. Účelem nosné konstrukce je přenášet zatížení a zajišťovat stabilitu a rovnováhu nenosných konstrukcí. Nenosná konstrukce může svou tuhostí a únosnostípříznivě přispívat k naplňování funkcí nosného systému. Negativní vliv nosné konstrukce se může projevit vnesením nadměrných deformací a poškozením prvků nenosného subsystému. Nenosné konstrukce mohou naopak negativně ovlivnit svou tuhostí statické působení a napjatost nosného systému.
Důležitou součástí interakčního vztahu mezi systémy je pole interakce charakterizované vlastnostmi vzájemných vazeb. Podle charakteru statické účinnosti vazeb můžeme rozlišit vazby:

• plné – zajišťující plné spolupůsobení,
• částečné – s částečným nebo jednosměrným působením,
• volné – bez vzájemného působení.

Typ vzájemné vazby zásadním způsobem ovlivňuje statické působení a namáhání obou subsystémů. Plné (kontaktní) vazby zajišťují úplný kontakt nosné a nenosné konstrukce se všemi pozitivními i negativními důsledky pro oba subsystémy. Při částečné (selektivní) vazbě je přenášena pouze část vnitřních sil a může tak být omezeno vzájemné nepříznivé ovlivňování subsystémů.

Obr. 1 – Subsystémy halového objektu a jejich vzájemná interakce

KONSTRUKCE S PLNOU INTERAKCÍ
U systémů s plnými (kontaktními) vazbami, popř. s vazbami s nedostatečnou deformační kapacitou, dochází k okamžitému, popř. postupnému spolupůsobení subsystémů primárně nosných a nenosných konstrukcí. Vnější zatěžovací účinek se rozdělí do obou subsystémů úměrně jejich vzájemné tuhosti. K poruše nenosné konstrukce dochází po vyčerpání únosnosti u některého z obou subsystémů.
Systémy s plnými vazbami mohou být efektivnější, neboť některé prvky jsou funkčně využity v obou systémech. Návrh systémů s plnými vazbami však vede ke složitějšímu působení obou subsystémů a vyžaduje analýzu interakčních vztahů. Systémy s plnými vazbami obecně rozšiřují systémovou hranici nosné konstrukce o připojené primárně nenosné prvky.
Obecným problémem tohoto přístupu je zvýšené riziko výskytu poruch (univerzální prvek musí splňovat nároky obou subsystémů). Problémem může být i případná rozdílnost životností obou subsystémů.

KONSTRUKCE S OMEZENOU INTERAKCÍ
Systémy, v nichž jsou nenosné konstrukce k nosnému subsystému připojeny volně (intaktně), popř. částečně (selektivně) s dostatečnou deformační kapacitou, s nenosnou konstrukcí nespolupůsobí. Nenosné konstrukce jsou v tomto případě staticky namáhány pouze přímo působícím zatížením. Volná vazba eliminuje vzájemné silové ovlivňování obou systémů. Správně navržená částečná vazba navíc umožňuje připojení nenosné konstrukce bez nepříznivých vlivů vyplývajících ze vzájemné interakce.
Důsledné oddělení subsystému primárně nenosných konstrukcí pomocí volných a správně navržených částečných vazeb umožňuje zjednodušení návrhu nosného systému.

Tabulka 1 – Příklady interakce mezi nosnou a ovlivněnou nenosnou konstrukcí

PORUCHY NENOSNÝCH KONSTRUKCÍ
Primárně nenosná konstrukce připojená plnými, popř. částečnými vazbami k nosné konstrukci s touto konstrukcí v závislosti na relativní tuhosti aktivně spolupůsobí. Ke vzájemné interakci obou konstrukcí dochází současně s působícím zatížením, popř. s prodlevou po vyčerpání deformační kapacity částečných vazeb. Citlivost nenosné konstrukce vůči vynuceným deformacím závisí obecně na poměru její konstrukční tuhosti a celkové únosnosti.
Vyšší riziko porušení nenosné konstrukce, popř. vazeb mezi nenosnou konstrukcí a nosným systémem, se vyskytuje u konfigurací, ve kterých je relativně citlivá primárně nenosná konstrukce s vyšší vlastní tuhostí připojena k relativně poddajné nosné konstrukci tuhými vazbami, popř. částečnými vazbami s nedostatečnou deformační kapacitou. Z tohoto hlediska jsou značně citlivé primárně nenosné konstrukce plošného charakteru navržené jako celistvé, z materiálů s vysokým modulem pružnosti a malou tahovou, popř. smykovou pevností. Tyto konstrukce je vhodné připojovat vždy pomocí částečných vazeb s dostatečnou deformační kapacitou, popř. pomocí volných (intaktních) vazeb.
Příklady konstrukčních konfigurací, při nichž dochází k poruchám nenosné konstrukce v důsledku interakce, uvádí tabulka 1. Zapojení primárně nenosné konstrukce (např. tuhého obvodového pláště) do nosného systému je u méně exponovaných konstrukcí často vhodným řešením, je však třeba věnovat zvýšenou pozornost účinkům nesilových zatížení (teplotních objemových změn), popř. jiným vynuceným deformacím (sedání základů apod.). Zvýšenou pozornost si vyžadují konstrukce velkorozponové (rámové, vazníkové) a konstrukce tvarově neurčité (visuté, zavěšené). Velká míra deformability těchto konstrukcí vyžaduje věnovat zvýšenou pozornost návrhu všech vazeb s primárně nenosnými konstrukcemi.
Zvláštní pozornost je třeba věnovat také obalovým a dělicím konstrukcím na bázi skla a podobných materiálů. U těchto konstrukcí je vhodnější řešit oddělení od primárně nosného subsystému na více úrovních, vložením další podružné volné, popř. částečné vazby.

Tabulka 2 – Příklady interakce mezi nenosnou a ovlivněnou nosnou konstrukcí

PORUCHY NOSNÝCH KONSTRUKCÍ
Správně navržená nosná konstrukce zohledňuje zatížení i charakter spolupůsobení s primárně nenosným subsystémem. Nenosná konstrukce připojená tuhými vazbami často vykazuje relativně vysokou tuhost a je schopna významně ovlivnit statické působení nosného subsystému. I u správně navržené konstrukce může dojít k poruchám vlivem nesprávného provedení. Nenosná konstrukce může svou tuhostí změnit podmínky podepření a ovlivnit charakter a velikost vnitřních sil nosného subsystému. K poruchám dochází často také v důsledku změn silových i nesilových zatížení způsobených dodatečnými změnami nenosných konstrukcí (např. při přestavbách).
V praxi se rovněž často vyskytují případy, kdy nosná konstrukce primárně určená k přenášení zatížení na „nižší“ hierarchické úrovni je zapojena, popř. spolupůsobí s konstrukcí „vyšší“ hierarchické úrovně. Příkladem může být zapojení krokví do statického působení hlavní vazby krovu, vaznic pro zajištění prostorové stability oblouků apod. Příklady konstrukčních konfigurací, při nichž dochází k poruchám nosné konstrukce v důsledku interakce s nenosnou konstrukcí, uvádí tabulka 2.

ZÁVĚR
Zvyšující se nároky na navrhované konstrukce vedou ke zvyšování nároků na kvalitu obou hlavních subsystémů stavby (nosné konstrukce, obalové a dělicí konstrukce). Důsledkem tohoto trendu je postupné oddělování obou subsystémů a návrh specializovaných konstrukcí s nosnou či obalovou funkcí.
Důsledné statické oddělení subsystému primárně nenosných obalových a dělicích konstrukcí od nosné konstrukce zjednodušuje návrh a omezuje riziko poruch způsobených negativním vlivem interakce obou subsystémů.
Primárně nenosné obalové a dělicí konstrukce připojené k nosné konstrukci (tuhými, částečnými vazbami) je třeba důsledně zahrnovat do návrhu nosné konstrukce a přistupovat k nim s plnou znalostí problému. Rozšíření systémové hranice nosné konstrukce je třeba respektovat i v průběhu životního cyklu stavby, při přestavbách a rekonstrukcích. Zvýšenou pozornost je třeba věnovat návrhu i provedení vazeb mezi obalovou a dělicí a nosnou konstrukcí. Částečné a volné vazby je třeba navrhovat vždy s dostatečnou deformační kapacitou, popř. při posuzování mezních deformací nosného systému zohlednit charakter návazných nenosných konstrukcí a jejich citlivost k vynuceným deformacím.
Tradiční přístup navrhování vycházející z odděleného návrhu nosné a nenosné konstrukce se v současné době dostává do rozporu se zvyšujícími se požadavky na kvalitu obou subsystémů, neboť nezahrnuje spolupůsobení subsystémů. Současné normové předpisy zohledňují vzájemnou interakci pouze dílčím empirickým přístupem (omezením přetvoření nosné konstrukce).
Problém mj. spočívá v přijaté definici nenosné konstrukce jako konstrukce, která „nenese“, a tudíž se není třeba zabývat jejím vlivem na působení nosného subsystému. Tento nesprávný postoj je hluboce zakotven i v odborném povědomí a právních předpisech.

Příspěvek vychází z poznatků zahrnutých do dílčí náplně Výzkumného záměru č. 1 – MSM 68400770001 „Spolehlivost, optimalizace a trvanlivost stavebních materiálů a konstrukcí“.

Tento článek si můžete také přečíst v čb. příloze časopisu Konstrukce 4/2007.

Autoři

• Doc. Ing, Bill Zdeněk Dr. Sc.
• Ing. Žďára Vladimír CSc.