Navrhování membránových konstrukcí chce dlouholeté zkušenosti i kvalitní software

Membránové konstrukce jsou v posledních letech velmi populární a často využívané pro vytvoření architektonicky působivých staveb. Oproti tradičním stavebním postupům jsou oblíbené především díky své lehkosti, flexibilitě, energetické úspornosti, odolnosti vůči povětrnostním podmínkám, ekologické udržitelnosti a ekonomické výhodnosti. Navrhování těchto konstrukcí vyžaduje zvláštní přístup a neobejde se bez dlouholetých zkušeností a kvalitního softwarového vybavení. Představujeme vám dva projekty membránových konstrukcí, které se právě staví v České republice a mají být dokončené během jara 2023.

ZASTŘEŠENÍ AMFITEÁTERU DIVADLA V MOSTĚ

Účelem membránového zastřešení amfiteátru venkovního divadla je poskytnout ochranu proti slunci a dešti nad prostorem jeviště pomocí atraktivní membránové konstrukce. Zastřešení také pomůže zlepšit akustiku a vzhled amfiteátru, což vede ke zvýšení komfortu diváků a umělců. Nové zastřešení má začít sloužit hostům amfiteátru od června 2023.

POPIS KONSTRUKCE

Celá konstrukce zastřešení je 20 m dlouhá a 16 m široká. Nejvyšší bod zastřešení je 10 m nad úrovní upraveného terénu.

Požadovaného tvaru membrány bylo dosaženo pomocí obvodových lan, která jsou vedena v tunelu po obvodu membrány. Tato lana jsou předepnuta a udržují tak membránu ve správném tvaru. Tento systém se používá u mnoha membránových konstrukcí a je to efektivní způsob, jak dosáhnout požadovaného tvaru bez potřeby tradičních nosných konstrukcí, jako jsou sloupy nebo stěny. Díky tomu jsou membránové konstrukce velmi lehké, ale zároveň velmi pevné a odolné.

Membrána je ukončena pomocí rohových kování, která jsou umístěna v každém cípu membrány. Tato kování slouží jako upevňovací body pro obvodová lana a jsou důležitým prvkem membránové konstrukce, neboť umožňují přenášet síly z předepnutých lan na okolní konstrukce.

Nosná konstrukce se skládá ze dvou oblouků. První oblouk podpírající větší část membrány má šířku 22 m a vzepětí 9,5 m. Stabilita tohoto oblouku je zajištěna pomocí systému kotevních táhel. Druhý, menší oblouk, podpírající membránu přibližně v její polovině, má šířku 15,5 m a vzepětí 2,5 m.

VÝPOČETNÍ MODEL

Pro statický výpočet byl použit program Dlubal RFEM 5 s přídavným modulem RF-FORM-FINDING. V programu byla lana modelována pomocí prutů typu lano. Tento typ prutu nepřenáší žádné momenty ani posouvající síly, ale pouze tahové síly. Parametry lana pro form-finding byly zadány pomocí požadovaného relativního průvěsu lana 10 %.

Výpočet byl proveden podle teorie III. řádu, což znamená, že pokud je zatížení definováno ve směru lokálního souřadného systému plochy, natáčí se směr zatížení na každém prvku spolu s daným prvkem.

Výpočetní model byl rozdělen na dvě části. V první části bylo vymodelováno membránové zastřešení bez podpůrné ocelové konstrukce. V druhé části byla vymodelována podpůrná ocelová konstrukce, na kterou bylo aplikováno zatížení vyvozené membránovým zastřešením.

ZATÍŽENÍ VĚTREM

V první fázi bylo k výpočtu zatížení přistupováno standardní metodou dle normy ČSN EN 1991-1-4. Eurokód 1: zatížení konstrukcí – část 1-4: obecná zatížení – zatížení větrem. Jako analogický tvar byl použit tvar přístřešku uzavřený na návětrné straně. Tento přístup k výpočtu vykazoval extrémní hodnoty vnitřních sil.

Z tohoto důvodu bylo v další fázi přistoupeno k výpočtu hodnoty zatížení větrem pomocí softwaru RWIND společnosti Dlubal Software, který umožňuje provést CFD simulaci proudění větru nad daným modelem konstrukce. Tento výpočet umožnil výrazné snížení vnitřních sil, tudíž i úsporu při návrhu profilů.

ZÁVĚR – MEMBRÁNOVÉ KONSTRUKCE

Lze konstatovat, že norma pro vypočtení zatížení větrem stanovuje standardizované postupy a metodiky pro výpočet zatížení větrem na základě měření rychlosti a směru větru v dané lokalitě. Tyto kalkulace jsou založeny na matematických modelech a teoretických předpokladech o chování větru v dané oblasti.

Na druhou stranu je možné simulace provádět na reálné konstrukci, která se umístí do větrného tunelu. Tento tunel generuje proudění vzduchu, jenž simuluje přirozené větrné podmínky. Během simulace se měří síly působící na model konstrukce v daných podmínkách větru. Simulace ve větrném tunelu umožňují přesnější a detailnější analýzu vlivu větru na konstrukci, než je možné pomocí normových výpočtů.

Srovnání těchto dvou přístupů mělo vliv na konečný návrh profilů ve prospěch simulace ve větrném tunelu. Díky tomuto přístupu došlu k výraznému snížení nákladů na ocelovou konstrukci.

VOLIÉRA PTÁKŮ V PRAŽSKÉ ZOO

Další z možností membránových konstrukcí je využití nerezových sítí, jak je ukázáno na následujícím případě. Jedná se o přístavbu voliéry, která je navržena v jižní části pavilonu Sečuán pražské zoo. Úkolem tohoto projektu bylo vytvořit elegantní, lehkou a vzdušnou voliéru, čehož bylo docíleno na míru navrženou nosnou konstrukcí. Půdorysný tvar voliéry je dán možností využití maximální plochy bezprostředně přiléhající ke stávajícímu objektu.

Konstrukce voliéry je 14 m dlouhá a 10 m široká. Nejvyšší bod voliéry je 5 m nad úrovní upraveného terénu. Nová voliéra v pražské zoo má být dokončena na konci dubna 2023.

POPIS KONSTRUKCE

Hlavní nosnou konstrukci tvoří dva ocelové sloupy, jejichž stabilitu zajišťuje vždy dvojice kotevních nerezových lan a v přední části oblouk o průměru 15,5 m. Tento oblouk je vynesen pomocí čtyř kotevních lan. Mezi takto vytvořenou konstrukci jsou po celém obvodě natažena nerezová obvodová lana a následně je na konstrukci napletena nerezová síť.

VÝPOČETNÍ MODEL

Statický výpočet byl proveden v programu Dlubal RFEM 5 s přídavným modulem RF-FORM-FINDING. Sítě byly v programu modelovány pomocí zobecněných čtyřúhelníků. Těmto plochám byl v seznamu modelu tuhosti vybrán typ ortotropní membrány. Díky tomu jsme docílili co možná nejrealističtějšího modelu konstrukce. Aby předpoklad platil, byl pro plochy vytvořen ortotropní elastický 2D materiál. Tento typ materiálu umožnuje rozdílné tuhostní vlastnosti pro oba směry plochy.

Takto vytvořeným plochám byla následně díky modulu RF-FORM-FINDING jednoduchým způsobem přiřazena hodnota předpětí.

Dále byla lana modelována pomocí prutů typu lano, které přenáší pouze tahové síly. Pro form-finding byl zadaný požadovaný relativní průvěs lana 10 %. Výpočet byl proveden podle teorie III. řádu, při němž se natáčí směr působení zatížení na každém prvku spolu s daným prvkem.

Na modelu byla provedena statická analýza, jež byla podkladem pro posouzení nosných prvků konstrukce podle EC3 a posouzení dílčích detailů konstrukce.

DETAILY KONSTRUKCE

Dílčí detailní modely konstrukce jsou vytvořeny pomocí plošných prvků. Slouží především k návrhu a posouzení spojů ocelových konstrukcí. Vytvořené detaily jsou posouzeny pomocí modulu RF-STEEL Surface – Obecná analýza napětí ocelových ploch, kde bylo srovnáno napětí a přetvoření daného detailu.

ZÁVĚR – KONSTRUKCE Z NEREZOVÝCH SÍTÍ

Využití nerezových sítí jako nosné konstrukce pro lehké a vzdušné objekty, kterými je například voliéra, je možné a efektivní. Výpočetní modely umožňují realistické a přesné simulace chování konstrukce a jsou důležité pro zajištění stability a bezpečnosti konstrukce. Podrobné detaily a posouzení jednotlivých prvků konstrukce se jeví jako klíčové pro zajištění funkčnosti a dlouhodobého udržitelného provozu. Vytvořením tohoto projektu pro pražskou zoo byla dokázána možnost využití moderních konstrukčních technologií pro vytvoření esteticky působivých a funkčních objektů.

DODATEK K OBĚMA PROJEKTŮM

Kvalitní software může být velkým přínosem pro úspornější a efektivnější návrh konstrukce. Představujeme několik způsobů, jak lze pomocí softwaru dosáhnout efektivnějšího návrhu konstrukce:

Usnadňuje provedení simulace chování konstrukce za různých podmínek, čímž se umožní identifikace a odstranění potenciálních nedostatků v konstrukci již v rané fázi návrhu. Tím se minimalizuje i riziko pozdějších nákladných oprav.

Přispívá ke snadné integraci s jinými softwarovými nástroji, což umožňuje rychlejší a pohodlnější výměnu dat mezi nimi. Tím se minimalizuje čas nutný pro ruční zadávání dat a chyby.

Zprostředkovává snadnou spolupráci v rámci týmu, kde mohou jednotliví členové pracovat na různých částech konstrukce současně. To vede ke zvýšení efektivity a minimalizaci chyb.

Závěrem lze říci, že kvalitní software je nezbytným nástrojem pro úspornější návrh konstrukcí. Jeho využití může vést ke snížení nákladů, zrychlení vývoje a minimalizaci chyb.