Lanové střechy a jejich konstrukční detaily

Lanové nosné soustavy stále sehrávají dominantní roli při tvorbě novodobých konstrukcí s velkými a ultravelkými rozpětími, aplikovanými v pozemním, a především v mostním stavitelství. Řešením by mohly být kombinace visutých a zavěšených konstrukcí a také různé varianty hybridních a tensegritních soustav s možností kontroly, regulace a přizpůsobení napětí (adaptivní inteligentní systémy).

Základní charakteristiky ocelových drátů pro výrobu lan

Lana pro konstrukční účely se vyrábějí z tahaných patentovaných drátů. Výchozím materiálem pro výrobu tahaného drátu je válcovaná tyč z vysoce pevné nelegované uhlíkové oceli, zušlechtěné patentováním. Patentování je zvláštní způsob izotermického kalení, při kterém se válcovaná tyč zahřeje do austenitového stavu při teplotě přibližně 900 °C a následně náhle ochladí na teplotu přibližně 500 °C v olověné koupeli. Tím se dosáhne velmi jemné sorbitické struktury oceli, která je vhodná k tahu. Taháním se průřez drátu redukuje postupně v několika stupních, například v sedmi stupních z 6 mm na průměr 2 mm. Pevnost drátů se taháním zvyšuje s rostoucí redukcí průřezu, jejich tažnost naopak klesá.

Standardizovaná nominální pevnost ocelových drátů v Evropě je 1 370, 1 570, 1 770, 1 860, 2 160 a 2 450 N/mm² (poslední dvě hodnoty se udávají pro menší průměr drátů). V STN (ČSN) EN 1993-1-11 se doporučuje pro ocelové kruhové dráty nominální pevnost 1 770 N/mm² a pro Z-dráty 1 570 N/mm². Lana se vyrábějí převážně z drátů s kruhovým průřezem. Pro některé konstrukce lan se vyrábějí tvarované dráty, jako jsou Z-dráty pro lana uzavřené a H-dráty pro lana polouzavřené konstrukce.

Antikorozní ochrana jednotlivých drátů

Každý ocelový drát lanových konstrukčních prvků je nutné chránit proti korozi buď zinkem, nebo slitinou zinku. Dráty pokryté slitinou Zn95Al5 (95 % zinek, 5 % hliník) mají mnohem lepší vlastnosti z hlediska protikorozní ochrany než žárově pozinkované zinkem s povlakem téže tloušťky. Povlak drátů na bázi Zn95Al5 má za stejných podmínek až trojnásobně lepší odolnost v porovnání se silným zinkovým povlakem drátů. Na kruhových drátech lanových prvků má být povlak zinku nebo slitiny zinku v souladu s požadavky STN (ČSN) EN 10264-2, třída A. Povlak na tvarované dráty má být v souladu s požadavky STN (ČSN) EN 10264-3, třída A. Obecně mají být Z-dráty žárově pozinkovány povlakem o tloušťce až 300 g/m², aby byla zajištěna dostatečná tloušťka na ostrých hranách. Pokud dráty lana nejsou dostatečně chráněny, dochází k degradaci jejich vnějšího povrchu korozí.

Dráty z nerezové oceli

Stejně jako nelegované uhlíkové ocelové dráty, i dráty z nerezové oceli se vyrábějí tahem. Protože tyto dráty mají austenitickou strukturu (bez přítomnosti δ-feritu), nemohou být zmagnetizovány. Z uvedeného důvodu nelze ke kontrole a monitoringu lan použít vysoce účinnou magnetickou defektoskopickou metodu. Doporučená nominální pevnost v tahu kruhových drátů z nerezové oceli je 1 450 N/mm². Modul pružnosti je nižší ve srovnání s hodnotami udávanými pro ocelové dráty a v závislosti na typu nerezové oceli nabývá například hodnoty 160 000 N/mm².

Čtěte také: Obnova kina Kosmos: Lanová střecha

Konstrukce drátěných lan

Ve stavebnictví se používají drátěná lana vinutá, která se vyrábějí takzvaným slaňováním drátů do pramenů a pramenů do lan, jejichž paralelním uspořádáním se získají lana skládaná. Dosavadní terminologie rozeznávala vinutá jednopramenná lana otevřené, polouzavřené nebo uzavřené konstrukce a lana vícepramenná s drátěnou, syntetickou nebo organickou duší.

Charakteristiky konstrukce jednotlivých typů vinutých lan, rozměrové rady velikosti jejich průměrů a informace o počtech drátů v pramenech jsou uvedeny v následující tabulce:

Mechanické vlastnosti drátěných lan

Skutečné odolnosti v tahu a charakteristiky deformačních vlastností lan se zjišťují na základě tahových zkoušek. Aktuální hodnota modulu pružnosti ocelových lan závisí na typu konstrukce lana, na úrovni napětí a délce jeho působení, jakož i na tom, zda lano bylo předběžně vytaženo a cyklicky zatěžováno a odlehčováno. Předběžně nevytažené lanové konstrukční prvky vykazují značné pružné a trvalé deformace při statickém zatížení. Nejsou-li výsledky zkoušek dostupné, lze nominální hodnoty modulu pružnosti na první odhad stanovit. Zavedení reálné hodnoty modulu pružnosti lanových prvků má rozhodující vliv na vystižení reálné pevnosti lanové konstrukce (tahová pevnost lanového konstrukčního prvku se získá vynásobením modulu pružnosti průřezovou plochou kovové části Am jeho průřezu) a následně stanovení její reálné odezvy, hlavně v souvislosti s mezním stavem použitelnosti.

Spirálová vícepramenná lana mají z hlediska rozhodujících mechanických veličin vždy horší deformační vlastnosti než lana jednopramenná. Proto se ve stavebních konstrukcích doporučuje používat výhradně jednopramenné lanové konstrukční prvky a při aplikaci spirálových lan vytvořených z několika pramenů, vždy navrhovat jen lanové konstrukční prvky s drátěnou duší vytvořenou z pramenů nebo lan (označené jako CWS - Core Wire Strand nebo CWR - Core Wire Rope, a ne CF - Core Fibre).

Antikorozní ochrana lan

K aktivním plnivům patří polyuretanový základ se zinkovou práškovou barvou. Pasivním vnitřním plnivem může být trvale pružně-plastický vosk nebo hliníkové vločky v uhlovodíkové pryskyřici. Vnitřní výplň, která se vkládá během výroby tahaných prvků, se může během zatížení prvku vytlačovat. Podle toho je třeba načasovat další protikorozní ochranu. Vnitřní výplň se má vybrat tak, aby byla slučitelná s ostatními protikorozními prostředky použitými k ochraně lana.

Čtěte také: Výhody valbové střechy

Protikorozní ochrana vnějšího povrchu lanových prvků se může skládat z polyetylenového pouzdra nebo z barvy bohaté na zinek. Minimální tloušťka polyetylenu se má rovnat 1/15 vnějšího průměru lana a nemá být menší než 3 mm. Nátěrový systém se má skládat nejméně z 2 × 50 µm základních nátěrů polyuretanovou barvou se zinkovým práškem a z 2 × 125 µm vrchních nátěrů polyuretanovou barvou s tvrdou slídou. Ochrana drátů, vnitřku a vnějšího povrchu ocelového lana proti korozi je klíčová pro jeho životnost.

Zkoušky trvanlivosti a korozní odolnosti

Trvanlivost lanového systému je nutno ověřit použitím metody takzvaného zrychleného stárnutí, během kterého se simulují cykly osového zatížení, ohybu a teploty. Zkoušky by se měly uskutečnit na reprezentativním úseku celého dolního konce lana včetně kotevních zařízení, ochranných trubek závěsů a podobně.

Zkouška v solné mlze je standardizovaná metoda používaná ke kontrole korozní odolnosti nátěrů a povlaků a podobně, které poskytují odolnost proti korozi prvkům vyrobeným z oceli. Zkouška v solné mlze je zrychlená zkouška odolnosti proti korozi. Po ukončení zkoušky se hodnotí vzhled produktů koroze. Doba trvání zkoušky závisí na korozní odolnosti povlaku. Čím je povlak odolnější proti korozi, tím je doba zkoušky delší. Zkoušky v solné mlze jsou populární, protože jsou poměrně finančně nenáročné, rychlé, dobře standardizované a přiměřeně opakovatelné. Výsledkem je však jen přibližný poměr mezi odolností definovanou trváním zkoušky v solné mlze a předpokládanou dobou životnosti nátěru nebo povlaku, protože koroze je velmi složitý proces, který může ovlivňovat mnoho vnějších faktorů. Zkouškami lze hodnotit korozní odolnost výsledných produktů zakončení lan, detailů spojů lan a podobně.

Zakončení drátěného lana

Způsoby zakončení drátěného lana zalévaného kovem nebo pryskyřicí jsou klíčové pro bezpečné uchycení. Únavové porušení lanových systémů nastane běžně v kotveních, sedlech nebo svorkách. Odpovídající kategorie detailu v těchto místech je třeba přednostně stanovit pomocí zkoušek, které vystihují skutečně použité uspořádání detailu a zahrnují všechny ohybové účinky nebo příčná napětí, která se vyskytují v praxi. Vyhodnocení zkoušek se má uskutečnit podle STN EN 1990 příloha D.

Lana ze syntetických materiálů

Mezi syntetická vlákna používaná k výrobě lan patří aramidová vlákna (aromatický polyamid) známá pod názvem Kevlar, Twaron a Technora. Dále jsou to vlákna vyrobená na bázi tekutého krystalického polymeru známá pod názvem Vectran. Mezi tři základní konstrukce syntetických lan patří lana vytvořená z vinutých nebo splétaných vláken a vláken paralelně uspořádaných. Z uvedených typů mají nejlepší vlastnosti lana z paralelně situovaných vláken. Vykazují nejvyšší pevnost, největší modul pružnosti a nejlepší deformační a únavové charakteristiky. Je charakterizováno lineární závislostí mezi napětím a poměrnou deformací, nominální pevností v tahu 1 900 N/mm², deformací při porušení 1,5 % a modulem pružnosti 125 000 N/mm².

Čtěte také: OSB desky: Ideální pro vaši střechu?

Vnější průměr lana vytvořeného z rovnoběžných vláken vložených do polyetylenového pouzdra se mění v rozpětí od 4 do 66 mm. Mohou být použity i speciální pláště z požárních materiálů odolných proti vysokým teplotám. Koncovky se vyrábějí z hliníkových slitin, oceli nebo nerezové oceli. Mezi hlavní výhody syntetických lan v porovnání s ocelovými lany patří: vysoký poměr pevnosti k vlastní tíži lana, vlastnosti nerezové oceli, lepší únavové a tlumicí absorpční vlastnosti, jednodušší a bezpečnější manipulace. Mezi nevýhody patří nižší modul pružnosti a reologické vlastnosti charakterizované vlivy dotvarování, respektive relaxace. Pracovníci NASA zjistili, že vlákna typu Vectran vykazují čtyřikrát menší deformace způsobeném dotvarováním než Kevlar 49 (aramidová vlákna) při stejných testovacích podmínkách.

Novodobé membránové konstrukce

Membránové konstrukce jsou obvykle složeny ze tří základních konstrukčních subsystémů: nosného podpěrného ve tvaru rámů, oblouků nebo sloupů (pylonů), dále stabilizačních, hřebenových, okrajových a kotevních lan a samotné technické textilie, která tvoří střešní membránu. Oblouky, rámy a pylony se běžně vyrábějí z oceli nebo nerezové oceli. Lana jsou buď z nerezové oceli, nebo potažená pláštěm s jasným povrchem pro ochranu proti korozi. V současnosti lze očekávat i frekventovanější používání syntetických lan. Membránové konstrukce z technických textilií se používají jako dočasné nebo trvalé lehké střechy a přístřešky stadionů, arén, nákupních center, výstavných hal, letišť, amfiteátrů, ale také jako efektní dominanty vybraných prostorů. V současnosti se často používají k vytvoření mobilních membránových střešních segmentů stadionů a koupališť.

Charakteristika materiálů membránových konstrukcí

Membrány, které plní současně nosnou a ochrannou krytinovou funkci, se obvykle vyrábějí z vysoce pevných technických textilií. Materiály pro technické textilie se vyrábějí z tkaných osnov složených ze svazků dlouhých přímých vláken situovaných v podélném směru tkaniny a kratších útkových, respektive výplňových vláken tkaných kolmo mezi přímými vlákny v příčném směru. Tahová pevnost materiálu membrány závisí přímo na struktuře základní tkaniny. Tkaniny se vyrábějí ze skleněných vláken nebo z polyesterových, polyamidových, polyvinylalkoholových a polyaramidových vláken. K dosažení vyšší pevnosti a trvanlivosti jsou tkaniny potaženy a laminovány syntetickými materiály. Mezi nejčastěji používané materiály patří polyestery vrstvené nebo potažené polyvinylchloridem (PVC) a tkaná skelná vlákna potažená polytetrafluoretylenem (PTFE), známým pod obchodným názvem Teflon nebo etylentetrafluoretylenem (ETFE). Povlaky z PTFE, PVC, vinylchloridové pryskyřice, chloroprenu nebo chlorsurfonátového polyetylenu tvoří ochranné vrstvy vláken a zabezpečují vodonepropustnost tkaniny. Takový materiál charakterizuje poměrně výrazná anizotropie (nesourodost).

Hledání výsledného tvaru membránové konstrukce

Hledání tvaru (form finding) je proces vyšetřování rovnovážného stavu membránové konstrukce při dané hladině předpětí a zvolených okrajových podmínkách. Aby mohla membránová konstrukce efektivně přenášet odpovídající účinky libovolného vektoru zatížení, musí mít její prostorová plocha tvar dvojité křivosti. Lze jí dosáhnout třemi principiálními způsoby, které charakterizují tři nejčastěji používané typy membránových zastřešení.

1. Prvním způsobem je tvar hyperbolického paraboloidu, který se dosáhne fixováním membrány do čtyř bodů, přičemž vždy dva z nich se nacházejí v různých úrovních. Čím je toto sedlo plošší, tedy čím menší je výšková vzdálenost mezi horními a dolními body, tím větší silové účinky vznikají v rozích soustavy.
2. Druhým způsobem je kuželový tvar, kterého se dosáhne fixací membrány k vrcholu pylonu (sloupu) a v dolní části ke kruhovému podpěrnému prstenci.
3. Třetím způsobem je membrána visící mezi oblouky situovanými v příčném směru a v dolní podélné části připojená ke koncovým lanům.

Tvorba střihového vzoru

Protože prostorové membránové konstrukce většinou nevytvářejí rozvinutelné plochy, součástí návrhu je stanovení střihového vzoru (cutting pattern), který spočívá v definování takových dvojrozměrných kusů - pásů technické textilie, které po spojení, sešití nebo svaření a po odpovídajícím předepnutí vytvoří požadovaný trojrozměrný tvar prostorové plochy membrány. V minulosti se střihové vzory sestavovaly prostřednictvím modelů membránové konstrukce, v současnosti se využívají numerické přístupy.

Spoje a detaily

Současné lanově-membránové konstrukce tvoří často poměrně složité systémy, v jejichž případě lze hladkého přenosu zatížení a plynulého toku sil z jednoho prvku konstrukce na druhý dosáhnout dobře navrženými spoji a přípoji. Zvláštní pozornost je třeba proto během návrhu věnovat spojení a spojovacím článkům jednotlivých komponentů, a to: tkanina - tkanina, tkanina - pevný okraj, tkanina - lano a lano - lano, lano - sloup nebo pevné okraje. Velmi užitečné v procesu návrhu a řešení složitých membránových konstrukcí jsou nástroje, které poskytují současné výpočtové a informační technologie - vizualizaci návrhů a tvorbu modelů virtuální reality.

Rekonstrukce lanových střech a neočekávané výzvy

Tento jedinečný objekt, jehož střecha kina měla svůj neobvyklý tvar udávaný různě napnutými lany, odhaluje, jak kreativní a inovativní byli stavitelé v 60. letech minulého století. Ukazuje se však, že lana nejsou uchycena přesně podle projektu. I z těchto důvodů se předpokládá, že náklady na rekonstrukci porostou, a stejně tak je s otazníkem termín dokončení. Tým zkušených specialistů však věří, že by kino mohlo první návštěvníky přivítat avizovaný příští podzim.

Pracovníci bojují s tím, že některá lana držící střechu jsou propletená, což nebylo v původních starých výkresech nikde zohledněno. Znamená to, že ještě před jejich demontáží budou muset velmi podrobně zmapovat stav, a to doslova lano po lanu. Tím zjistí, která lana jsou pouze spojena sponami, a která jsou propletená. Jen tyto práce budou časově dost náročné.

Statik Jiří Pospíšil popsal, že nesedí více věcí. Okamžitě se musela zastavit výroba lan a pokračovat v odkrytí všech průchodek zevnitř. Nakonec se zjistilo, že z celkového počtu 78 kusů lan je devět kusů s malými průměry. U nich se změnily koncovky a upravily průměry pro výrobu. Demontáž stávajících lan bude možná až po dokonalém prozkoumání dosavadní lanové konstrukce, poté se musí opravit celý vnitřní betonový límec a teprve pak nastoupit s novými lany. Toto vše se má provést v prvních dvou měsících nového roku. Stavební práce začaly v kině v září. Během té doby pracovníci demontovali sedačky, které se po rekonstrukci do kina vrátí. Stavební dělníci také provádějí různé bourací práce.

Dalším nečekaným oříškem je stavba provizorní střechy, která by měla být hotova do konce roku. Je třeba vyřešit statiku a uchycení středové věže provizorního zastřešení do stávajících konstrukcí. Musí zvládnout daleko větší zátěž, než se předpokládalo. Původně se zvažovalo řešení výměny střechy mimo zimní měsíce.

Bezpečnost lanových střech a záchytné systémy

Bezpečnost střech je dnes nedílnou součástí kvalitního projektového řešení. Včasný návrh záchytných systémů pomáhá předcházet kolizím s konstrukcí střechy i s technologiemi na ní umístěnými. Záchytné systémy by měly být instalovány na všech typech střech, šikmých i těch plochých.

Podle zkušeností projektantů vychází impuls především od projektanta, který určí, že záchytný systém má být součástí řešení. Návrh záchytných systémů se obvykle zpracovává ve fázi prováděcí projektové dokumentace. Vzhledem k návaznostem na světlíky, střešní výlezy, žebříky, lávky nebo různé technologie jako třeba fotovoltaiky se řešení konzultuje s odborníky z českých společností, jako je ROOFIX. Ti na základě potřebných informací navrhnou rozmístění kotvicích bodů. Oceňuje se především rychlé zpracování technického návrhu, jistota kompatibility s konstrukcí střechy a to, že je řešení podložené certifikací.

Záchytné systémy jsou vyžadovány například u střech ve výšce nad 1,5 metru, se sklonem větším než 10 stupňů, v místech bez zábradlí v blízkosti okraje, u otvorů nebo konstrukcí s rizikem propadnutí. Povinnost platí i pro střechy nad vodní hladinou. Na mnohých současných budovách přesto záchytné systémy chybí. V takovém případě by mělo být vhodné řešení vždy konzultováno s projektantem stavby, aby nedošlo ke kolizím s ostatními prvky. ROOFIX s.r.o. je česká společnost specializující se na vývoj, výrobu a realizaci certifikovaných záchytných systémů proti pádu osob. Nabízí kompletní řešení - od odborného návrhu přes výrobu, dodání až po montáž systémů přímo na střechách.

tags: #lanova #strecha #detaily

Oblíbené příspěvky:

• Přečtěte si recenzi lišty Arbiton Lars 12 Brazilian Walnut
• Funkční dlažba pro orientaci nevidomých
• Přečtěte si, jak tesařské vruty zvyšují pevnost dřeva
• Účinnost octových obkladů na patní ostruhy
• Pletivo pro vyztužení podkladu pod dlažbu