Použití oceli, skla a membrán k zastřešení tribun berlínského Olympijského stadionu

Kvůli tomu bylo navrženo zastřešení tribuny s neměnnou konstrukcí přerušenou jen v místě Maratonské brány. Toto přerušení, spolu s možností stavby po částech, bylo rozhodující pro návrh nosné konstrukce střechy jako lehké pultové konstrukce z oceli (obr. 1a, b a 2). Celková délka ocelové konstrukce, určující hloubku oválné střechy, činí 68 m. Průřez střechy se podobá křídlu letadla „zašpičatělému“ jak z vnitřní, tak i z vnější strany. Vnější zakončení střechy je tak tenké, že nenarušuje architektonickou dominanci tribuny s obložením z přírodního kamene a se 76 sloupy z lasturového vápence.
Svou optickou a materiální lehkost získala střecha v první řadě díky použití lehké membránové konstrukce pro horní i dolní plášť, který zároveň zajišťuje dobré světelné poměry na tribuně. Vnitřní příhradová konstrukce z ocelových trubek – jako hlavní nosná struktura – zůstává díky průsvitnosti membrány viditelná. V oblasti vnitřního kraje střechy je zužující se krakorec opatřen skleněnou krytinou, aby ocelová konstrukce špičky krakorce zůstala viditelná. Vnější kraj střechy tvoří po celé délce železobetonový prstenec, který je na spodní straně obložen hliníkovými tabulemi.
Výška okapu střechy tribuny je přibližně 22 m nad povrchem terénu a střední sklon střechy směrem ven je 5 %. Hloubka střechy vyplývá z požadavku na zakončení střechy spojené s vnějším obrysem stadionu a na přiměřenou ochranu diváků v přední řadě tribuny proti povětrnostním vlivům. Vnitřní přesah střechy byl dimenzován pro ochranu před dopadajícím deštěm do max. 15 °.

Obr. 1a – Systémový řez s popisem stavebních prvků

HLAVNÍ NOSNÉ ČÁSTI
Nosná konstrukce střechy tribuny se skládá z těchto hlavních nosných částí:

• 76 radiálních příhradových vazníků uspořádaných podle půdorysu stadionu,
• tangenciální nosníky membránové konstrukce a skleněné krytiny,
• 20 stromových podpor,
• 132 vnějších podpor,
• prostorový vazník procházející tangenciálně nad stromovými podporami,
• rovinný vazník ležící v prostoru vnitřního kraje střechy,
• čtyři ztužení v radiálním směru,
• trojúhelníkový vnější železobetonový prstenec s integrovanými a připojenými ocelovými spřaženými nosníky.

Obr. 1b – Montáž vrcholů vazníků

S cílem utvořit co nejpravidelnější a nejstejnoměrnější strukturu byla nosná konstrukce střechy rozdělena na úseky 76 radiálními příhradovými vazníky uspořádanými podle půdorysu tribuny se stejnými vnějšími rozměry. Radiální vazníky byly provedeny s jedním přímo procházejícím horním pásem a jedním spodním pásem zaobleným v místě stromových podpor. Diagonály tvoří příčkovou příhradovou konstrukci se stoupajícími a klesajícími diagonálami. V místě vrcholů vazníků byl z konstrukčních důvodů zvolen tvar Vierendeelova nosníku. Aby byl co nejméně omezen výhled diváků, byly stromové podpory posazeny co nejdále od fotbalového trávníku. Délka vyložení radiálních vazníků činí 49 m a délka pole 17,50 m. Maximální výška konstrukce je 5,10 m.
Nad stromovými podporami prochází prostorový vazník jako spojitý nosník v tangenciálním směru. Pole jsou dlouhá 32–40 m. Prostorový vazník podpírá radiální vazníky a přebírá výztužnou funkci v úrovni střechy. Pásy jsou z trubek s vnějším průměrem 323,9 mm. Pro diagonály byly zvoleny trubky a kotvy z kruhové oceli.

Obr. 2 – Hlavní nosná konstrukce

Tyče prostorového vazníku jsou spojovány litými uzly. K vyrovnání vertikálních deformací vrcholů radiálních vazníků byl v blízkosti vnitřního kraje střechy umístěn tangenciálně procházející rovinný vazník, jehož pásy jsou z trubek o vnějších průměrech 193,7, resp. 219,1 mm. Diagonály jsou zde – stejně jako u prostorového vazníku – z trubek a kotev z kruhové oceli.
Aby byl minimálně omezen výhled z horního prstence, měla by být střecha nesena co nejnižším počtem co nejtenčích podpor. Po procesu optimalizace, který byl proveden s ohledem na realizovatelný rozpon nosné konstrukce a možnosti snížení zatížení, následoval výběr 20 štíhlých stromových podpor s osovou vzdáleností 32–40 m. Kmeny podpory jsou dlouhé 8,50 m a v uzlu se dále rozvětvují vždy na čtyři větve.
Díky rozvětvení je značně redukována vzpěrná délka kmene a zmenšena vzdálenost mezi střešními podporami v tangenciálním i radiálním směru. Tyče stromových podpor mají kruhovou plnou plochu průřezu. Kmeny se od místa rozvětvení směrem k patě kónicky zužují z 350 na 250 mm. Jmenovité normálové zatížení činí 12 000 kN. Jako materiál byla použita vysoce pevná zušlechtěná kovaná ocel. V uzlu jsou připojeny vždy čtyři 290mm větve. Uzly rozvětvení jsou odlité (obr. 3).

Obr. 3 – Stromová podpora

Široké vodorovné vyložení střešní konstrukce do středu stadionu vede ke vzniku velkých zdvihacích sil ve vnějších podporách. Hmotnost železobetonové konstrukce horního prstence, připojeného k patě podpor, k zajištění polohy nestačí. Z konstrukčních důvodů a kvůli památkové ochraně nepřichází v úvahu vnější viditelné kotvení do rubu. Rovněž je – kvůli ceně i možnosti poškození – vyloučeno provrtání sloupů z lasturového vápence. V projektu proto padlo rozhodnutí ve prospěch vyvážení uvnitř střešní nosné konstrukce. Jako vyrovnávací závaží byl navržen trojúhelníkový, tangenciálně procházející železobetonový prstenec v oblasti vnějšího okraje střechy. Tvoří ho prefabrikovaná železobetonová konstrukce doplněná betonováním na staveništi. Vedle vyvažovací funkce tvoří zastřešení vnější oblasti tribuny a přispívá k horizontálnímu vyztužení nosné konstrukce střechy (obr. 4).

MEMBRÁNOVÉ KONSTRUKCE
Nosná konstrukce střechy je pokryta 77 membránovými poli o celkové ploše 27 000 m². Každé pole je vypínáno šesti tangenciálně procházejícími oblouky, aby bylo dosaženo zakřivení nutného pro nosný účinek membrán. Podélné okraje jsou připojeny k hornímu pásu radiálních vazníků „kedry“ a svěracími lištami; pro stabilizaci jsou přiměřeně předepnuty. Odvodnění střechy probíhá okapní membránou přes horní pás radiálních vazníků k vnějšímu okraji střechy. Jako materiál membrány byla vybrána tkanina ze skleněného vlákna s vrstvou PTFE – v neposlední řadě proto, že je to materiál odpuzující špínu a na rozdíl od polyesterové tkaniny, pokryté vrstvou PVC, je nehořlavý.
Oblouky jsou připojeny vždy v systémových uzlech horního pásu radiálních vazníků. Vzdálenost mezi nimi je podle polohy 6,0–11,0 m. Vzepětí oblouků narůstají zevnitř stadionu směrem ven, ale jsou maximálně 2,0 m. Jako spojovací byly použity trubky o vnějším průměru 139,7 mm. Oblouky jsou v jejich rovině a kolmo k ní stabilizovány textilní membránou, která je s trubkami spojena „kedry“ a obručemi. Obloukové síly pohlcují tangenciální trubky, které leží v rovině horního pásu radiálních vazníků (obr. 5a, b).
Aby bylo zakončení spodní strany střechy ploché a zároveň průsvitné, byla potažena přibližně 28 000 m² membránového povrchu. Jednotlivá pole jsou napnuta obručemi a napínacími zámky mezi spodním pásem radiálních vazníků a trubkami v tangenciálním směru. Membrána je z otevřené mřížkové tkaniny ze skleněných vláken pokrytých vrstvou PTFE (obr. 6a).
Spodní membrána slouží jako plošina pro údržbu při výměně svítidel, reproduktorů a podobně. Díky výběru otevřené mřížové tkaniny je zachována potřebná zvuková propustnost pro reproduktory ozvučení tribuny umístěné uvnitř konstrukce střechy. Navíc dochází při zatížení větrem k vyrovnávání tlaku mezi spodní a vrchní stranou, takže při statickém projektu spodní membrány bylo nutné zvažovat pouze tomu odpovídající nízkou zátěž.

SKLENĚNÁ KRYTINA
Plocha 6 000 m² u vnitřního okraje střechy byla pokryta skleněnými tabulemi uloženými na čtyřech bodech z částečně předpjatého vrstveného bezpečnostního skla. Tento asi 13,40 m široký pruh je v radiálním směru rozdělen na pět polí o délce 2,40 m a dvě okrajová pole o délce 70 cm. V tangenciálním směru bylo provedeno rozdělení do 3–4 polí v závislosti na vzdálenostech radiálních vazníků.
Tyto desky o ploše 3–5 m² mají tloušťku 2 × 10 mm. V místě Maratonské brány bylo ze statických důvodů nutné použít jednotlivé desky 2 × 12 mm. Spojení je zajištěno 1,5 mm silnou polyvinybutyralovou (PVB) fólií. Tabule jsou v pochůzném provedení kvůli možnosti údržby a čištění.
Jsou uloženy na litých ramenech z ušlechtilé oceli, ke kterým jsou připojeny kulové klouby a talířovité opěrné plochy (obr. 6b). Z důvodu poměrně slabé nosné konstrukce jsou spáry mezi deskami přizpůsobeny odpovídající vůli v jejich rovině a kolmo k ní (normální šířka 3 cm).
Skleněné tabule, přilehlé k šesti hlavním dilatačním spárám, jsou uloženy na příčně přesuvných bodových podpěrách (obr. 6b). Oblast spár je ukončena okrajovými profily a fóliemi z umělé hmoty uchycenými v „kedrech“.
Statický výpočet byl proveden pro zátěže vlastní hmotností, větrem, sněhem a lidmi. Navíc byla uvážena zkřivení desek z důvodu poddajnosti podepírající ocelotrubkové konstrukce. V odborné literatuře často diskutované působení soudržnosti PVB fólie bylo po odsouhlasení zkušebním technikem a nejvyšším orgánem stavebního dozoru využito jen při vynuceném zatížení.

The article concentrates on the construction solution, production and montage of the roof of the Olympic Stadium in Berlin, where matches of this year’s Football World Championship will take place. To produce the arch over, 3,500 t of sections, forged and cast steel, 55,000 m² of glass fibre membrane with a PTFE layer, 6,000 m² of roof glazing a 6,000 m² of concrete were used. The roof area, which protects 76,000 stadium seats against rain, is 42,000 m².

Nezkrácený článek naleznete ve speciální barevné příloze časopisu KONSTRUKCE číslo 3/20006, Stadiony fotbalového MS 2006, sportoviště.

Autor

• (red)