Obalování budov foliemi

• Foto

Aby se kreativněji přemýšlelo o jiných způsobech použití membránových konstrukcí, je třeba definovat jednak jejich možnosti užití (fyzikální a statické), které následně mohou iniciovat jiné směry přemýšlení o netradičních aplikacích membránových konstrukcí. Koncept slova membrána vychází z latinského „membrana“, což by se dalo přeložit jako kůže nebo blána. Oba významy spojuje to, že se jedná o tenkou vrstvu, která definuje změnu prostředí. Jestliže mají mít membrány nosnou funkci, je třeba zaručit jejich tvar o specifické křivosti, který bude schopen roznášet síly do podpůrné konstrukce. Tenká vrstva plastického materiálu může odolat namáhání pouze v tahu. Mechanicky předepnuté membrány by měly ideálně tvořit plochy dvojí křivosti ve dvou směrech, zatímco pneumatické struktury by měly udržovat tvar tvojí křivosti v jednom směru. Pouze tak mohou membrány odolávat tlakům okolních vlivů, jako je vítr, déšť, sníh a ekonomicky roznášet síly do podpůrné konstrukce.

MATERIÁL
Membrány je možné rozdělit do dvou hlavních skupin podle jejich statických vlastností: Anizotropní a izotropní. Izotropní mají ve všech směrech stejné mechanické vlastnosti (například folie ETFE, použití na Allianz Areně nebo na plaveckém stadionu pro OH v Pekingu), kdežto anizotropní jsou tvořeny vlákny se spolupůsobící ochrannou vrstvou. Oba systémy je možné pojednávat potiskem, barvou a dodat tak nejen estetickou kvalitu, ale i regulovat propustnost světla, a tím ovlivnit prostředí definované membránou. Membrány tvořené technickými textiliemi je dále možné dělit na tkané, pletené (síťovinové) a netkané (fleecy, pokládaná vlákna). Nejvíce používané na velkorozponové obaly budov jsou tkané systémy z přírodních, minerálních, kovových anebo syntetických vláken. Kvalita, průměr, hustota vláken a systém pletení textilie pak ovlivňují výsledné mechanické vlastnosti membrány. Neméně důležitá je povrchová vrstva, která chrání před UV zářením, vlhkostí, ohněm, nákazou mikroby a houbami. Jelikož kontinuální úprava chrání výborně textilii po své ploše, je třeba pečlivě přistoupit k řešení spojů, kde se uplatňuje sešívání, lepení a svařování.

Dle materiálu na povrchové úpravy se rozlišují membrány na PVC (polyvinylchlorid), PTFE (polytetrafluorethylen) a silikonové. Všechny tři možnosti mají své výhody i nevýhody a podléhají změně v průběhu stárnutí, kdy se projevuje barevná nestálost a křehkost. Tkané membrány jsou nedílnou součástí pohyblivých střech a fasád mnohé sportovní arény by se bez těchto materiálů neobešly. Jednoduchá vrstva takové membrány (aplikované například na stadionu v Bari od arch. Renzo Piana) nemá dostatečné tepelně-izolační vlastnosti, ale dá se kombinovat ve vrstvách, kde se uplatňují další izolační materiály. Vzniká tak sandwich, který se dá opět vrstvit. Hitem poslední doby je tzv. nanogel, který může dodat potřebný tepelný odpor. Používá se většinou jako vrstva mezi dvěma tkanými membránami a již při pouhých 8 mm tloušťky se sandwich dostává do příznivých hodnot. Vzhledem ke geometrii vnějšího pláště stadionu a jeho natočení ke světovým stranám se pak nanogelový sandwich dále vrství a diferencuje podle použité tloušťky. Od 50. let probíhal také intenzivní výzkum v materiálech pro nafukovací systémy.

Firma DuPont již v roce 1938 vyvinula materiál ETFE, který je příbuzný s teflonem. Jedná se o fluoropropylen, odvozený z PTFE jako termoplast. Kosmický výzkum v USA a především aplikace ETFE na plachty závodních jachet obrátily v poslední dekádě minulého století pozornost architektů k těmto technologiím. Od té doby bylo ve světě s využitím této folie realizováno více jak 100 staveb. V dosud realizovaných projektech se ukazuje, že lehký obvodový plášť z přetlakových polštářů ETFE má řadu dalších pozitivních vlastností. Tepelná izolace dvojité membrány je srovnatelná s dvojskly oken. Třívrstvá folie (polštáře a přídavná vzduchová mezera uzavřená vnitřní folií) má součinitel prostupu tepla U = 1,65 W/(m²K), což ji činí srovnatelnou s trojitým zasklením oken.

Světelná propustnost folie je od 94 do 97 %, což je výhodné u sportovních zařízení s potřebou UV záření (aqvaparky, stadiony). Samočisticí vlastnosti folie, která má ideální hladký povrch, jsou vysoké. K očištění od prachu stačí déšť, který smývá částice ulpěné na povrchu. Požární bezpečnost folie se ukázala jako zařaditelná do třídy B1, protože při požáru se folie protrhne a smrští. To je využitelné u  shromažďovacího prostoru s diváky pro přirozený odtah tepla a kouře mimo objekt. Hořící folie neskapává, ale smršťuje se. Hmotnost
ETFE je 350 g/m², což umožňuje navrhovat velké plochy vícevrstvých folií. Jejich tvarové vlastnosti zajišťuje pneumatické napětí, nebo mechanické předpětí. Výrobou ETFE se zabývají výrobci zejména v Německu (Vector Foiltec, Skyspan a další).

Největším dosud nevyřešeným problémem tak zůstávají akustické vlastnosti. I v případě použití vícevrstevného pláště nebo střechy z folie ETFE je směrem ven takový plášť zvukově propustný. Naopak také zvenčí dovnitř propouští vnější hluk, což může být problematické při případném víceúčelovém kulturním využití velkých sportovních hal nebo stadionů. Střešní plášť tvořený bublinami ETFE při dešti zesiluje zvuk dopadajících kapek, to vyvolává nežádoucí zvukové efekty.

Významnými stavbami, které folii využily, jsou skleníky botanické zahrady Eden v Cornwallu – architekti Grimshaw architects, Duales pavilon na Expo 2000 v Hannoveru – ateliér Bruckner, Allianz Arena v Mnichově – Herzog a de Meuron nebo Water cube bazény v Pekingu od australských architektů PTW.

Na všech uvedených příkladech je zřejmé, že zájem o membrány, který v 80. letech ve světě mírně poklesl, zažívá architektonickou renesanci, zejména díky folii ETFE. Aplikace polštářů ETFE jsou ideální hlavně při architektonickém „obalování“ budov, kdy je možné zcela zrušit hranici mezi obvodovým pláštěm a střechou objektu. Systémy se také kombinují a řeší neobvyklý tvar i funkci staveb jako je to na multifunkčním stadionu pro OH v Pekingu, kde je použitá ETDFE membrána jako výplň ocelových nosníků střechy a PTFE je použita jako materiál podhledu. Složitá struktura fasády a její výtvarný záměr neumožnily použití tradičního systému okapních žlabů pro odvod vody, a proto je každá výplňová plocha odvodněná individuálně a okapní svody jsou vedeny labyrintem uvnitř budovy.

DIGITÁLNÍ TVAROVÁNÍ MEMBRÁN
Systém práce při tvarování membrán vychází z několika možností vzájemného spolupůsobení membrány a další konstrukce. Dalším důležitým fenoménem je použitý materiál, který se simuluje v počítačových programech specielně sestavených pro tyto účely. Techniky simulování chování napnuté membrány se nazývají dynamické relaxace. Počítačové procesy a algoritmy jsou vždy aplikovány na konkrétní případy návrhu, kdy už jsou známy podmínky konstrukce a hranice mezi lehkou membránou a podpůrnou konstrukcí. Při zachování tahových sil, které v ideální situaci vede k prověšeným tvarům, jsou vždy potíže s odstraňováním vody. Kombinací lanových konstrukcí s membránami vznikají tuhé celky schopné ovlivnit jejich tvarování. Membrány lze tvarovat také přetlakem, který má negativní dopady na nutnost hermetického uzavření interiéru včetně vstupních otvorů.

Přetlak ve vybraných částech membránových konstrukcí je příležitostí k dalšímu funkčnímu využívání (ochranné lemy, lezecí stěny, tvarování bazénů) a k zajištění lepších lepených vlastností membrány (u střech i u bazénů). Ve výše uvedených principech lze vnímat tradiční aplikace běžně vyráběných membránových konstrukčních prvků (nafukovací pneumatiky, nosné nafukovací vaky, přetlakové haly) také jinak v nových souvislostech. Obvykle se bude jednat o souvislosti spolupůsobení membrán s jinými běžně používanými konstrukcemi (sloupy, lana, vzpěry, ocelové nebo dřevěné nosníky, na vodě nebo ve vzduchu plující konstrukce apod.). Syntéza výše popsaných snah může a musí přinést odpovědi na specifické požadavky proměnnosti či dočasnosti staveb v podobě konkrétních podnětů k architektonickým řešením dílčích částí staveb nebo i celým stavbám.

Známe-li potřebné uspokojení hlavních požadavků (např. na víceúčelovost, sezónnost, ochranu apod.), teprve poté se definuje prostor pro dořešení fyzikálních, konstrukčních a pochopitelně i architektonických požadavků. Následně se budou rutinně počítat tepelné vlastnosti použitých membránových konstrukcí, hledat jejich optimální tvar odpovídající možnosti odvodnění, ideálnímu statickému působení nebo nacházet mechanické prostředky k jejich navíjení, napínání, nafukování či kotvení. Jedná se o racionální tvůrčí proces iniciovaný splněním funkčních požadavků na provoz či vlastnosti stavby, povýšené na prostorově výtvarnou činnost. A to je podstata každé architektonické tvorby. Na následujících příkladech stadionů byla použita membránová konstrukce udržovaná vnitřním tlakem z kompresních jednotek v kombinaci se systémem podpůrné konstrukce.

ALLIANZ ARENA MNICHOV
Stadion Allianz Arena v Mnichově (architekti Herzog & Meuron) na první pohled zaujme svým oblým tvarem a neobvyklou fasádou z průsvitných polštářů. Budova připomínající ohromnou sochu je pokryta kosočtverečnou sítí s 2.874 prvky membrán s posvícením měnícím barvu. Průsvitné elementy o velikostech od 2 × 7 m po 5 × 17 m jsou pod stálým tlakem, který je upravován v závislosti na povětrnostních vlivech. Proto 12 kompresorů neustále pumpuje vzduch do polštářů a udržuje je v optimálním stavu, připravení na zatížení větrem nebo sněhem.

Přetlak okolo 300 Pa pro střechu a okolo 400 Pa pro fasádu je vháněn do každého polštáře individuálně. Fasádní panely přechází plynule do střechy, kde je znát také diferenciace panelů pro větrání a pro přístup na střechu a pro průsvit slunečních paprsků na hřiště. Každá střecha stadionu musí umožnit přístup slunečnímu záření pro zajištění růstu trávy a v Evropě se tak určitá část plochy řeší transparentním materiálem zajišťujícím prostup UV záření. Střešní komponenty jsou bílé, popřípadě transparentní, folie ve spodních partiích stadionu je potištěna pro dosažení polotransparentního efektu.

ETFE panely o ploše 65 tisíc m² jsou vodotěsně upevněny v hliníkovém rámu na kovové konstrukci, vycházející z betonové superstruktury tribun. Návrh velikosti a tvaru byl proveden v souladu s testováním geometrie vhodné pro zamýšlený materiál, kde hraje velkou roli jeho chování a předcházení skladům a zmačkání. Testy tak ukázaly interval parametrů, které zpětně ovlivnily zakřivení fasády celé budovy. Pro materiál je typická nízká hmotnost pod 1 kg/m². Světelné efekty typické pro mnichovský stadion zajišťují světelné trubice umístěné v polštářích. Speciálně vyvinutá stínítka mění barvu světla a tím celé budovy.

GOTTLIEB-DAIMLER STADION STUTTGART
Membránová střecha stuttgartského stadionu (Schlaich Bergermann a Partners) má rozlohu 34.000 m². Vzhledem k nepříliš příznivým zakládacím podmínkám pro těžké kovové rámy nebo dlouhé nosníky byla zvolena varianta lehké membrány vypnuté na principu kabelů a vzpěr, které neutralizovaly většinu sil mezi sebou v uzavřeném systému. Půdorys vnějšího okraje se skládá z kruhových segmentů o poloměru 104 a 248 m, o šířce 58 m a je konstantní po celém obvodu stadionu s délkou os 280 a 200 m. Základní statická konstrukce je založena na konceptu přenesení vertikálních sil do základu tím, že horizontální síly se vyruší samy navzájem.

Hlavní konstrukce je tvořena dvěma prstenci v tlaku vynesenými vertikálními sloupy po 20 m a 40 radiálními kabelovými nosníky od vnějšího prstence tlaku k vnitřnímu prstenci v tahu, který udržuje konstrukci v dostatečném předepnutí. Sekundární konstrukce zaručující tvar membrány jsou ocelové oblouky, překlenující kabelové radiální nosníky rozdělující 40 hlavních polí na 6 membrán o dvojí křivosti Ocelové oblouky nejen zaručují nezbytný tvar tkaniny, ale zároveň jsou jí také stabilizovány. Celková stabilizace je zajištěna membránou přikotvenou k vnitřnímu a vnějšímu prstenci. Při překlenutí 20 m tato konstrukce váží 8 kg/m² střechy. Samotný materiál membrány je potažen PVC s dodatečnou vrstvou ochranného polymeru. Barva byla zvolena bílá s 8% transparentností, resp. 3% v místech okapních žlabů.

OLYMPIJSKÝ STADION BERLÍN
Při rekonstrukci historického stadionu z 30. let 20. století v Berlíně (Von Gerkan Mark und Partner) si adaptace horní části tribun vyžádala potřebné zesílení obvodového věnce pro uložení střechy, která respektuje symetrickou formu stadionu a tvoří svou lehkostí protiváhu betonové architektury. Otevření stadionu ve směru urbanistické osy a jeho používání během výstavby byly hlavními kritérii pro architektonický koncept zastřešení tribun. Návrh si proto vyžádal umístění sloupů mezi sedadla tribun, což je sice neobvyklé řešení pro moderní stadiony, ale v tomto případě opodstatněné. V dolní části nejvyššího pořadí tribuny je uloženo 20 vertikálních sloupů v osové vzdálenosti 30–40 m.

V obvodové části je střecha vynesena 132 ocelovými sloupy vždy v osách kamenných pilířů. Konstrukce založená na sloupech je rozdělená do polí 76 nosníků a vykonzolovaná do vzdálenosti 49 m směrem do středu hrací plochy. Polovina nosníků je vynesená přímo pilíři tribun. Atikový věnec slouží jako zavětrování, zajišťuje stabilitu proti zvednutí konstrukce větrem a zároveň slouží jako protiváha vykonzolované části střechy. Horizontální a vertikální síly jsou přeneseny do pilířů díky propojení jednotlivých nosníků, které mají v řezu horizontální tvar horních prvků a zakřivené spodní díly. Stabilita je zajištěna tuhým vnitřním a vnějším okrajem střechy. Střecha je pokryta po vrchní i spodní straně lehkou membránou PTFE ze skleněných vláken. Horní část střechy chrání diváky před povětrnostními vlivy a je natažená přes systém ocelových trubek.

Tvar je velice podobný střešním komponentům stuttgartského stadionu svým tvarem i systémem předepnutí. Dolní povrch střechy má estetickou funkci. A vizuálně obaluje celou vnitřní primární i sekundárná střešní konstrukci. Střechy stadionů jsou navrženy s chráněnými cestami pro údržbu konstrukce a dočasných i trvalých technických zařízení pro běžný provoz stadionu. Jedná se o osvětlení tribun stadionu a akustické systémy. Vzhledem k požadavku na světelnou propustnost podhledových panelů byla zvolena membrána ze stejného materiálu. Má vysokou pevnost a může unést zátěž až 8 lidí na určené ploše, což se využívalo při rekonstrukci a při údržbových pracích.

Covering the buildings with foils
Membrane structures are various thin foils or sheets which are significant mainly for their low weight, zero stiffness but high tensile strength. Additional advantages are their simple production, easy transport, efficient storage and some other physical characteristics. Membrane structures and their use in civil engineering are traditionally connected with roofs, specifically for covering large spaces without internal supports in sports structures.

Autoři

• Ing. Arch. Kopřiva Milan
• Dr. Ing. Arch. Hladík Pavel MA