Nosný systém zimného štadióna v Košiciach

DEVELOPMENT, CHARACTERISTICS AND MODELLING OF LOAD-BEARING SYSTEM OF RENEWED ICE RINK IN KOŠICE
Modern demands on functional needs of complex utilization of sports stadiums and halls appropriate to recent trends often cause that existing constructions become limiting elements for development of further activities. Therefore it is necessary to consider their moral and physical obsoleteness and decide on their reconstruction or their total transformation.

Zimný štadión Ladislava Trojáka v Košiciach bol postavený začiatkom šesťdesiatych rokov. Ľadová plocha pôvodne nebola zakrytá a až po niekoľkých rokoch bola prestrešená konštrukciou typovej haly. V priebehu uplynulých rokov boli k hale postupne dobudované prístavby - na severnej strane prevádzkovo-administratívna budova s Klub hotelom, na južnej strane sociálno-rehabilitačná budova. Kapacita haly bola približne 5.000 divákov, čo bolo, vzhľadom na úspechy hokejového klubu aj v medzinárodných súťažiach, nepostačujúce.
Komplexná analýza návrhového procesu novodobých veľkorozponových konštrukcií môže byť interpretovaná viacerými modelmi, ktoré odrážajú uhol pohľadu rôznych expertov. Do čistoty procesu, úvodnej myšlienky, východiskových schém a náčrtov a inžinierských analýz vstupujú rôzne obmedzenia technického, technologického, výrobného, konštrukčného a v neposlednom rade environmentálneho charakteru. Implementácia počítačov do návrhového procesu umožnila do neho vniesť optimalizačné procedúry, ktoré v súčasnosti syntetizujú nasledujúce disciplíny:

• fyzikálne a geometrické modelovanie konštrukcie a zaťažení pomocou výpočtovej techniky,
• statická a dynamická analýza konštrukcie, založená vo väčšine prípadov na MKP,
• analýza odozvy konštrukcie,
• matematické programovanie,
• interaktívna počítačová grafika a vizualizačné techniky.

Pomocou uvedených moderných výpočtových metód a techník je možné dnes namodelovať a posúdiť ľubovolný priestorovo zakrivený prvok, exponovaný detail a celú sústavu. Takže každý vhodný návrh je možné v súčasnosti veľmi racionálne vykonštruovať a uskutočniť jeho analýzu. Získame tak harmonické proporcie sústavy a jej tvoriacich subsystémov, čistotu detailov a tým aj krásu konštrukcie, ktorá je často determinovaná práve logikou statického a konštrukčného riešenia.

VÝVOJ VARIANTNÝCH RIEŠENÍ NOSNÉHO SYSTÉMU
Koncepcia a tvorba variantných riešení nosného systému vychádzala z potreby úspory a možného efektívneho využitia materiálu a prvkov jestvujúcej konštrukcie pri zabezpečení podmienok spoľahlivosti, ako aj komplexu konštrukčných, estetických, ekologických, technologických a výrobných požiadaviek, kladených na progresívne sústavy s veľkým rozpätím. Medzi základné obmedzujúce faktory, ktoré vstupovali do procesu návrhu a voľby nosnej sústavy, patrili interné a externé priestorové obmedzenia, vymedzený priestor v zastavanej oblasti, potreba sledovať v jednotlivých fázach možnosť prepojenosti a nadväznosť starej - ponechanej časti s novou konštrukciou, a v neposlednom rade zhoršené geologické podmienky. Uvedené skutočnosti vyžadujú už od samotného začiatku vniesť do koncepčnej fázy návrhu vzájomnú kreatívnu interakciu architektov, inžinierov, statikov a počítačových systémov, ktorí práve prostredníctvom elektronického prenosu a spracovávania všetkých dát môžu pružne reagovať a modifikovať jednotlivé úrovňové hladiny návrhového procesu.
Za účelom získať spoľahlivé podklady pre rozhodovanie o možnosti ďalšieho využitia niektorých prvkov pôvodnej sústavy bolo potrebné uskutočniť jej prieskum a diagnostiku, vymedziť interval zaťažiteľnosti nosných elementov a syntetizovať poznatky o ich aktuálnom stave ako východiská pre následnú komplexnú teoretickú analýzu. Jestvujúcu typizovanú strešnú konštrukciu tvorili girlandové väzníky, čiastočne uložené na spínacom lane s rozpätím 60 m, priehradové väznice s parabolickým spodným pásom s rozpätím 12 m, a sústava stužidiel. Na hrebeni strechy bol situovaný motýľový svetlík so šírkou 18 m.
Boli uskutočnené kontrolné prepočty a štúdie, ktorých cieľom bolo vymedziť možnosť opätovného použitia väzníkov a väzníc. U väzníkov sa sledovalo aj ich alternatívne následné situovanie v opačnej reverznej polohe. Analýza ukázala, že opätovné využitie väzníc, ako aj väzníkov, si vyžiada istú modifikáciu ich geometrie a zosilnenie niektorých prierezov. V prípade umiestnenia väzníkov s horným a dolným pásom v pôvodných polohách by bolo vzhľadom k ich namáhaniu pri uvážení nových zaťažovacích stavov potrebné zosilniť spodný pás po celej dĺžke, pričom horný pás nie je potrebné modifikovať. U výplňových prútov je potrebné zosilniť dve krajné diagonály. Pri umiestnení väzníkov v reverznej polohe dochádza k zmene v spôsobe namáhania prútov pásov, čo negatívne ovplyvňuje ich únosnosť. V tomto prípade je potrebné zosilniť horný tlačený pás po celej dĺžke, nakoľko bol pôvodne dimenzovaný na ťahové účinky. Postupnou analýzou variantných riešení nového návrhu nosnej sústavy štadióna boli podrobnejšie rozpracované dva varianty, ktoré v obidvoch prípadoch uvažovali s prekrývaním
hľadiskových častí v dvoch úrovniach, čím bolo možné zvýšiť kapacitu na požadovaný dvojnásobok - 10.000 divákov. Hlavným nosným prvkom prvého variantu je priestorový priehradový trojboký oblúkový nosník, situovaný v pozdĺžnej osi štadióna, ku ktorému sa pripájajú v priečnom smere väzníky z pôvodnej konštrukcie haly, osadené po zosilnení v reverznej polohe. Opačné konce väzníkov sú uložené na stojkách, ktoré tvoria aj nosnú sústavu tribún. Druhý variant je založený na aplikácii ohybovotuhých vlákien v tvare trojkĺbovej priehradovej sústavy. Bola uvažovaná aj kombinácia ohybovotuhého elementu, spolupôsobiaceho s visutým lanovým konštrukčným prvkom, situovaným pozdĺž spodného pásu priehradového nosníka. Vertikálne a horizontálne účinky od visutej strešnej konštrukcie sú prenášané do základov prostredníctvom sústavy stĺpov a ťahadiel, doplnených vodorovnými a šikmými nosníkmi.

CHARAKTERISTIKA VÝSLEDNÉHO RIEŠENIA NOVÉHO NÁVRHU NOSNEJ OCEĽOVEJ KONŠTRUKCIE
Prvý variant nosného systému zimného štadióna, uvedený v architektonickej štúdii, bol zvolený ako výsledné riešenie. Táto sústava bola predmetom ďalšieho spracovania v rámci etáp projektových prác. Pri východiskovej obmedzujúcej podmienke zachovania pôvodného rozpätia v priečnom smere 60 m v úrovni spodných tribún bolo potrebné vzhľadom k zvýšeniu požadovanej kapacity rozšíriť halu v úrovni horných tribún na asi 68 m. Keďže bolo uvažované s využitím jestvujúcich polväzníkov, ktorých dĺžka predstavuje 30,58 m, bolo potrebné zabezpečiť uloženie ich vnútorných koncov prostredníctvom stredového pozdĺžneho nosníka.
Tento prvok musel obkračovať jestvujúce prístavby na severnej a južnej strane štadióna. K tomuto účelu sa javil optimálnym už od začiatku kruhový priehradový trojboký oblúkový nosník s rozpätím 120 m a vzopätím osi spodných pásov 28,72 m s obojstranným kĺbovým uložením. Pôdorysná vzdialenosť spodných pásov oblúka bola determinovaná potrebou uloženia vnútorných koncov polväzníkov. Keďže polväzníky boli po obvode haly uložené na rovnakej výškovej úrovni a vo vnútorných častiach na spodných pásoch oblúka, bolo potrebné vzhľadom na ich premenlivú dĺžku v pôdorysnom priemete zabezpečiť ich uloženie prostredníctvom priestorovo zakrivených spodných pásov oblúka. Vzhľadom na obtiažnosť výroby bola riešená alternatíva rovinne zakrivených spodných pásov s konštantnou osovou vzdialenosťou 7,4 m, pričom uloženie polväzníkov je zabezpečené pomocou konzol s premenlivým vyložením. Osová výška prierezu oblúka je 5 m. Medzipásové prúty v rovinách stien boli uvažované v tvaroch diagonálnej sústavy pri spojite zakrivených pásových prútoch a diagonálnej sústavy, doplnenej zvislicami v prípade polygónového tvaru, pozostávajúceho z priamych častí pásových prútov kvôli zmenšeniu vzdialenosti styčníkov, čím sa zmenšuje ich vzperná dĺžka. Ako výsledné riešenie bola zvolená druhá alternatíva. Medzipásové prúty v rovine základne sú vytvorené v tvare zloženej krížovej sústavy, doplnenej priečnikmi v miestach uloženia polväzníkov v pôdorysných vzdialenostiach 12 m.
Prierezy pásových aj medzipásových prútov boli navrhnuté z kruhových rúrok. Priečnik s konzolami v úrovni spodných pásov pre uloženie polväzníkov bol navrhnutý ako priehradový nosník z dôvodov splnenia požiadavky na jeho estetické stvárnenie. V snahe zabezpečiť prenos zaťažovacích účinkov od tribún ako aj časti strešnej konštrukcie, nebola vytvorená zvlášť konštrukcia tribún a zvlášť pre stĺpy. Pri tvorbe konštrukcie priečnej väzby sa vychádzalo z myšlienky prenosu zaťažovacích účinkov jak od strešnej konštrukcie, tak aj od tribún, jednou priestorovou sústavou. Tvar tejto sústavy bol definovaný polohou spodnej a časťou hornej tribúny, vysunutou za gabarit obvodových stien v úrovni prvého nadzemného podlažia. Zakrivený prút tejto sústavy s trojuholníkovým uzavretým prierezom prenáša účinok vertikálneho zaťaženia jednak od strešnej konštrukcie, ako aj od šikmých nosníkov hornej časti tribúny. Tieto nosníky sú podopreté tiež dvojicou prútov v tvare V s komôrkovými prierezmi. Takto vytvorená nosná časť priestorovej sústavy hornej tribúny je stabilizovaná šikmými nosníkmi spodných tribún so zváranými I-prierezmi.
Prenos horizontálnych účinkov do základov od tribúnových nosníkov je zabezpečenýpomocou priestorových diagonálnych a horizontálnych prútov, čím sa dosiahne zníženia vplyvu vodorovných účinkov na oblúkový nosník. Jednotlivé prúty priestorovej sústavy sú kĺbovo spojené, rovnako aj uloženie je vytvorené u všetkých zainteresovaných prvkov ako kĺbové. Vzájomná vzdialenosť väzieb je 12 m, rozbiehavé šikmé nosníky tribún umožňujú priame osadenie samonosných tribúnových stupňov. Nosné prvky severnej a južnej tribúny sú súčasťou viacpodlažných rámov, obkračujúcich ponechané objekty pôvodného štadióna a umožňujúcich zväčšenie užitkového priestoru. Rámy sú umiestnené s modulom 6 m. Rozpätia predstavujú 21 m na severnej a 22 m na južnej strane. Kotvenie rámov s prevažne tuhými rohmi je kĺbové.
Konfigurácia konštrukcie v mieste prieniku bočných a čelných tribún vychádzala z potreby vzájomného prepojenia nosných prvkov. Vzájomné spolupôsobenie prvkov haly bolo dosiahnuté vhodným situovaním stužidiel. Priestorové sústavy bočných tribún boli doplnené systémom stužidiel jak v šikmých rovinách tribún, tak aj v zvislých rovinách pozdĺžných stien.

Nezkrácený článek najdete v únorovém čísle 1/2005.

Autoři

• Doc. Ing. Arch. Koban Juraj
• Ing. Arch. Pacák Štefan