Zimný štadión v Bratislave je technicky a architektonicky jedinečnou konštrukciou. S rozpätím drevených oblúkov 80 metrov patrí medzi veľkorozponové konštrukcie, ktorých bolo na území Slovenska (resp. bývalého Československa) postavených iba zopár. Na základe objednávky správcu štadióna bola vykonaná predbežná diagnostická prehliadka, pasportizácia zistených porúch, kontrolný statický výpočet nosnej konštrukcie podľa STN 73 1701 a návrh opatrení na zabezpečenie spoľahlivosti a bezpečnosti drevenej nosnej konštrukcie.
Obsah prehliadky a statického výpočtu
V rámci predbežnej diagnostickej prehliadky bola vykonaná vizuálna kontrola z bežne dostupných komunikačných prvkov (rebríky, revízne lávky a schodiská) a vykonali sa merania na vybraných a dostupných miestach konštrukcie (kontrolné merania rozmerov nosných prvkov, trhliny a vlhkosť dreva). Diagnostická prehliadka bola zrealizovaná za účelom posúdenia technického stavu jestvujúcej konštrukcie a doplnenia podkladov pre účely následnej statickej analýzy. Stupeň a podrobnosť diagnostickej prehliadky možno klasifikovať ako preventívna diagnostika na výzvu objednávateľa vzhľadom na skôr zistené poruchy a jestvujúci stav konštrukcie.
Kontrolný statický prepočet nosnej konštrukcie zimného štadióna je vykonaný podľa súboru noriem STN platných v dobe realizácie konštrukcie. Statická analýza konštrukcie je zameraná na overenie dimenzie prierezu nosného oblúka (aj vo vzťahu k zisteným poruchám). Posúdenie detailov alebo iných podrobností nebolo predmetom kontrolného statického prepočtu.
Nosná konštrukcia
Nosná konštrukcia zimného štadióna je tvorená sústavou deviatich trojkĺbových oblúkov z lepeného lamelového dreva. Oblúky sú kĺbovo pripojené na základové konštrukcie. Oblúky sú orientované netradične – v pozdĺžnej osi ľadovej plochy, takže ich rozpätie je 80,00 m. Drevených konštrukcií s takto veľkým rozpätím nie je na Slovensku veľa, aj z tohto dôvodu si objekt zasluhuje primeranú pozornosť a starostlivosť. Autorom sa nepodarilo zistiť, čo ovplyvnilo projektanta štadióna, že sa rozhodol použiť riešenie, ktoré je zo statického hľadiska nevýhodnejšie. Je menej vhodné aj z hľadiska vykurovania a klimatizovania celého priestoru, vzopätie oblúka 16,00 m totiž vytvára nad ľadovou plochou obrovský objem vzduchu, o ktorý sa treba „starať“. Osová vzdialenosť oblúkov je 6,00 m a polomer oblúka v osi je 58,00 m. Prierez oblúka má rozmery 200×1900 mm. Oblúky sú spojené väznicami prierezu 140×500 mm v osových vzdialenostiach 4,075 m a výstužnými rebrami 140×900 mm v osových vzdialenostiach 12,225 m. Všetky prvky sú z lepeného lamelového dreva (LLD). Trieda pevnosti LLD nie je na projekte uvedená, predpokladaná bola trieda pevnosti SB podľa STN 73 1701. (Norma 731701 bola platnou normou pre navrhovanie drevených konštrukcií do roku 2010.).
Oblúky sú vystužené sústavou oceľových diagonálnych vystužovadiel priemeru 20 mm a výstužnými rebrami. Kĺbový prípoj oblúka a základu je realizovaný oceľovou čelnou doskou a oceľovými zarážkami. Čelná doska je pripojená k drevenej časti prierezu oblúka svorníkmi. Väznice a výstužné prvky sú pripojené k oblúkom oceľovými papučami a svorníkmi. Štítové steny objektu sú tvorené stĺpmi z lepeného lamelového dreva a celoplošným debnením.
Výsledky diagnostickej prehliadky
Diagnostická prehliadka bola zameraná najmä na stav drevenej nosnej konštrukcie a vizuálnu kontrolu dostupných základových konštrukcií. Na základových konštrukciách neboli zistené žiadne poruchy (trhliny, deformácie a pod.). Na oblúkoch boli identifikované viaceré trhliny, a to najmä na ľavej strane konštrukcie a najmä v oblasti od začiatku oblúkov do dĺžky cca 12 metrov. Trhliny boli merané z rebríka na dĺžke oblúka cca 8 m, do dĺžky cca 12 metrov sú trhliny ešte viditeľné. Z revíznej lávky nie sú prierezy na meranie dostupné, preto bolo meranie orientované najmä na miesta s najväčším počtom a dĺžkou trhlín práve v ľavej časti konštrukcie pri podperách. Trhliny boli zdokumentované v tabuľke s uvedením hĺbky trhliny a jej dĺžky.
Na konštrukcii nebola v predchádzajúcom období vykonaná pasportizácia trhlín, takže nie je známe, či trhliny vznikli počas montáže konštrukcie alebo počas užívania, resp. v ktorom období vznikli. Takisto nie je známe, či vznik a rozširovanie trhlín pokračuje aj v súčasnosti. Zistené trhliny vznikli medzi lamelami (delaminácia), samotné drevo v rámci jednej lamely nevykazuje poškodenia. Vlhkosť dreva bola meraná na viacerých miestach, pohybovala sa v intervale 11,2–12,7%. V dobe prehliadky bol ZŠ mimo prevádzky a ľad nebol vyrobený.
V roku 2012 bol vypracovaný statický posudok konštrukcie, v ktorého závere boli uvedené opatrenia na zmiernenie rozvoja trhlín – montáž oceľových spôn po celej dĺžke oblúkov a montáž celozávitových skrutiek 16×800 mm v podpernej oblasti. Stiahnutím prierezu oceľovými sponami sa malo spomaliť šírenie trhlín v lepenej škáre. Spony boli namontované a aktivované. V dobe diagnostickej prehliadky boli dostupné spony nad podperami na ľavej i pravej strane voľné. Priečne osadená trojica skrutiek je naďalej funkčná.
Výsledný technický stav jednotlivých častí konštrukcie bol klasifikovaný podľa závažnosti poruchy – od stupňa „bez poruchy“ až po stupeň, kedy porucha môže ovplyvniť bezpečnosť a spoľahlivosť konštrukcie ako celku.
Kontrolný statický výpočet
Zaťaženie
Zaťaženie konštrukcie a kombinácie jednotlivých zaťažovacích účinkov boli zostavené na základe STN 73 0035 (Zaťaženie stavebných konštrukcií). Vlastná tiaž nosných prvkov bola stanovená na základe ich rozmerov a použitého materiálu. Tiaž strešných vrstiev bola uvažovaná na základe poskytnutých podkladov. Súčiniteľ zaťaženia pre vlastnú tiaž konštrukcie γf = 1,1 a ostatné stále zaťaženia γf = 1,2. Uvažované skladby sú uvedené v tabuľkách nižšie.
Účinky zaťaženia snehom na strešnú konštrukciu boli stanovené pre II. snehovú oblasť so základnou váhou snehu s0 = 0,70 kN/m2 a súčiniteľom stanoveným na základe tiaže zastrešenia ℵ =1,2. Účinky zaťaženia vetrom na strešnú konštrukciu boli určené pre IV. vetrovú oblasť s hodnotou základného tlaku vetra w0 = 0,55 kN/m2 pre terén typu B výšku nad terénom 20 m (Tab. 19, súčiniteľ výšky a typu terénu ℵw = 1,20), súčiniteľ zaťaženia γf = 1,3. Tvarové súčinitele Ce boli určené pre valcovú strechu podľa Tab. 20 normy STN 73 0035. Ako úžitkové zaťaženie podlahy revíznej a osvetľovacej lávky bolo uvažované rovnomerné zaťaženie s hodnotou 1,5 kN/m2 prepočítané na príslušnú zaťažovaciu šírku lávky.
Statický výpočet
Vnútorné sily a deformácie konštrukcie boli vypočítané v programe SCIA Engineer metódou konečných prvkov. Pri analýze bol použitý rovinný model nosného oblúka s rozpätím 80 m (osová vzdialenosť kĺbového podopretia oblúka) a vzopätím v strede rozpätia 16 m (osovo od úrovne kĺbového podopretia oblúka). Staticky oblúk pôsobí ako 3-kĺbový staticky určitý oblúkový rám.
Zaťažovacie stavy a kombinácie zaťažení boli uvažované v zmysle poskytnutých podkladov a na základe normy STN 73 0035 (Zaťaženie stavebných konštrukcií) – platnej v dobe návrhu, resp. realizácie predmetnej stavebnej konštrukcie.
Vzhľadom na poruchy konštrukcie (delaminácia lamelového prierezu oblúka) bolo posúdenie konštrukcie vykonané viacerými metódami:
– Na základe výsledkov lineárneho výpočtu bola konštrukcia posúdená bez vplyvu delaminácie použitím normy STN 73 1701 (Navrhovanie drevených stavebných konštrukcií) – platnej v dobe návrhu, resp. realizácie predmetnej stavebnej konštrukcie;
– Vzperná dĺžka oblúka v rovine bola určená na základe výsledkov stabilitného výpočtu; vzperná dĺžka oblúka z roviny je zabezpečená systémom strešných vystužovadiel, väzníc a výstužných rebier;
– Na základe výsledkov geometricky nelineárneho výpočtu s počiatočnými imperfekciami. Tvar počiatočných imperfekcií bol uvažovaný zmysle STN EN 1995-1-1 (Navrhovanie drevených konštrukcií) na základe 1. a 2. vlastného tvaru vybočenia oblúkovej konštrukcie v rovine (určeného z lineárneho stabilitného výpočtu), pričom amplitúda počiatočnej imperfekcie bola v zmysle STN EN 1995-1-1 vypočítaná ako cca. ±110 mm;
– Napätosť konštrukcie pri výsledkoch geometricky nelineárneho výpočtu bola porovnávaná s hodnotou výpočtovej pevnosti podľa normy STN 73 1701, č. 112, vzťah 33 (výpočtová pevnosť dreva v tlaku rovnobežne s vláknami);
– Na základe výsledkov geometricky nelineárneho výpočtu s počiatočnými imperfekciami bola konštrukcia posúdená a) bez vplyvu delaminácie a tiež b) s vplyvom delaminácie;
– Posúdenie konštrukcie s vplyvom delaminácie lamelového prierezu bolo vykonané na základe údajov získaných obhliadkou konštrukcie a vykonaným meraním trhlín. Vzhľadom na túto skutočnosť bola posúdená iba podperová oblasť oblúka na ľavej strane (v zmysle priloženej grafickej schémy s lokalizáciou meraní trhlín). Keďže v podperovej oblasti trhliny prebiehajú až po koniec oblúkového nosníka a riešenie pätného plechu nezabezpečuje koncové tuhé spriahnutie jednotlivých lamiel, delaminovaný prierez bol posúdený ako sústava šmykovo nespolupôsobiacich čiastkových prierezov, ktoré si výsledné namáhanie konštrukcie v posudzovanom reze prerozdelia v pomere jednotlivých tuhostí.
Návrh opatrení
Vzhľadom na výsledky statického výpočtu možno konštatovať, že delaminačné trhliny výrazne ovplyvňujú bezpečnosť a spoľahlivosť konštrukcie. Ak porovnáme využitie prierezu v pôvodnom stave bez trhlín a využitie prierezu súčasnom stave so zohľadnením trhlín, môžeme konštatovať, že nosná konštrukcia je v súčasnom stave bez rezervy. Z tohto dôvodu boli navrhnuté opatrenia, ktoré eliminujú prípadný ďalší rozvoj trhlín najmä v miestach, ktoré boli premerané a v ktorých sú trhliny najhlbšie resp. najdlhšie. Zároveň bolo majiteľovi objektu odporúčané, aby v čo najbližšom čase prebehla kompletná pasportizácia trhlín po celej dĺžke oblúkov.
Záver
Na základe výsledkov diagnostickej prehliadky nosnej konštrukcie zimného štadióna je možné konštatovať, že v prierezoch oblúkových nosníkov z lepeného lamelového dreva sa nachádzajú početné delaminačné trhliny, ktoré oslabujú prierez oblúkov. Na základe výsledkov kontrolného statického výpočtu je možné konštatovať, že nosná konštrukcia vyhovuje vzhľadom na medzný stav únosnosti aj medzný stav používateľnosti s uvažovaním prierezov bez trhlín. Na základe výsledkov kontrolného statického výpočtu je možné konštatovať, že nosná konštrukcia vyhovuje vzhľadom na medzný stav únosnosti aj medzný stav po užívateľnosti s uvažovaním prierezov s trhlinami, avšak využitie prierezu je veľmi vysoké. Vzhľadom na súčasný technický stav konštrukcie boli navrhnuté, ktoré zabránia rozvoju trhlín alebo rozvoj trhlín spomalia. Zároveň je potrebné vykonať pas portizáciu trhlín po celej dĺžke oblúkových nosníkov, minimálne 1krát za 6 mesiacov vykonať kontrolnú prehliadku s pasportizáciou trhlín a 1krát za rok vykonať podrobnú diagnostickú prehliadku nosnej konštrukcie autorizovaným statikom.
Zdokumentovanie súčasného stavu konštrukcie a pravidelné sledovanie konštrukcie považujeme za veľmi dôležité – pri následných kontrolných prehliadkach je potom možné porovnávať merania v jednotlivých časových úsekoch a je možné zistiť, či sa delaminačné trhliny zväčšujú a predlžujú alebo je stav konštrukcie už ustálený a nebude potrebné robiť ďalšie opatrenia. Pravidelnou diagnostickou prehliadkou nosných konštrukcií je možné usporiť prostriedky na nákladné jednorazové sanácie zanedbaných konštrukcií. Drevená nosná konštrukcia zimného štadióna je jedinečnou konštrukciou nielen z technického hľadiska. Je zároveň krásnym príkladom využitia dreva ako obnoviteľnej a prírodnej suroviny v architektonicky pôsobivej konštrukcii.
JAROSLAV SANDANUS, MILOŠ SLIVANSKÝ
Foto: archív autorov
Doc. Ing. Jaroslav Sandanus, PhD., (*1965)
– je absolventem Stavební fakulty STU v Bratislavě (SvF STU), kde v současné době působí jako docent na katedře kovových a dřevěných konstrukcí. Zabývá se pedagogickou a vědeckovýzkumnou činností, rovněž spolupracuje s praxí v oboru dřevěných a ocelových konstrukcí. Je autorizovaným stavebním inženýrem pro statiku nosných konstrukcí a soudním znalcem v odvětví statika staveb.
Ing. Miloš Slivanský, PhD., (*1980)
– je absolventem Stavební fakulty STU v Bratislavě. Vedoucí oddělení kovových konstrukcí na KKDK SvF v Bratislavě. Aktivní v oblasti navrhování a diagnostiky nosných konstrukcí a v oblasti výzkumu moderních nosných konstrukcí ze skla.
