Národní technická knihovna – návrh a realizace železobetonové konstrukce

Objekt má oproti původnímu návrhu 6 nadzemních podlaží (1.–6. NP) a tři podzemní podlaží (1.–3. PP), ve kterých je umístěn parking, sklad knih a technické zázemí.

1. NP má charakter veřejný s doplňkovými funkcemi (kavárna, přednáškový sál, výstavní prostor, pobočka městské knihovny, knihkupectví) a je prostorem volné komunikace a setkávání návštěvníků areálu vysokých škol. V nadzemních podlažích jsou umístěny vlastní prostory technické knihovny (volné výběry fondů, studovny, učebny a administrativní zázemí).

 

 

Co předcházelo konečnému návrhu nosné konstrukce? Na samém počátku cesty byl návrh s nosnou konstrukcí nadzemních podlaží v rastru 14,4x14,4 m s dodatečně předpínanými stropními konstrukcemi, zahuštěnou v podzemních podlažích na rastr 7,2x7,2 m.

Po naskicování a provozním prověření bylo jasné umístění skladů knih (15 kN/m²) v suterénu přímo na základovou desku. Dále mimo tyto prostory byl vyřešen jednosměrně průjezdný parking probíhající přes všechna podzemní podlaží (2,5 kN/m²).

Byly provedeny koncepční výpočty výseků stropních konstrukcí ve variantách rozponů 15x15, 10x10 a 7,5x7,5 m. Tyto výpočty byly provedeny v několika různých variantách uspořádání stropní konstrukce (stromové hlavice, deskové průvlaky křížem vedené, hlavice čtvercové, hlavice kruhové, bezprůvlaková deska), sledovány byly účinky deformací, velikosti reakcí a přepočtena byla srovnaná tloušťka stropu s uvážením sloupů (bez vlivu stěn).

S ohledem na tyto předběžné výsledky, a na základě požadovaných dispozičních nároků architekta (požadavek na maximální uvolnění prostoru vstupu od svislých konstrukcí), bylo rozhodnuto dále pokračovat ve dvou variantách: ve variantě předpjatého stropu 15x15 m se stromovými hlavicemi o ø 6 m (varianta z předloženého návrhu stavby) a ve variantě nepředpjaté s maximálním rozponem 10x10 m s hlavicemi kruhovými o ø 4 m. Varianta stropu o rozponech 7,5x7,5 m byla vyloučena proto, že by efekt úspor na této konstrukci byl vyčerpán nutností řešit komplikované výměny a vynášení sloupů ve stropu nad vstupem, kde byla požadována uvolněnější dispozice s většími vzdálenostmi svislých podpor. Případná realizace výměn by se pravděpodobně opět neobešla bez předpětí v těchto výměnách.

Dále byl proveden statický výpočet obou vybraných variant. Na patrovém výseku celého podlaží byl proveden návrh výztuže, vykreslena měkká i tvrdá výztuž. Za účelem porovnání cen při získání stejných užitných parametrů stropů byl u varianty 15x15 m proveden návrh předpínací výztuže tak, aby bylo docíleno stejných průhybů jako u konstrukce 10x10 m, a následně se upustilo od použití stromových hlavic, tyto byly nahrazeny hlavicemi kuželovými. Závěry z těchto výpočtů byly předmětem cenového porovnání.

Optimální modulace byla zvolena 7,5x7,5 m. V nadzemních patrech s požadavkem na maximální variabilitu prostor byl zvolen násobek tohoto modulu, tj. 15x15 m (volné výběry knih 7,5 kN/m²). Prostory se stejnými nároky na užitné zatížení byly logicky uspořádány v rámci fungujících provozních schémat.

Masivních železobetonových konstrukcí bylo využito pro řízenou akumulaci chladu a tepla. Byl navržen tzv. systém aktivace betonového jádra (zkratka TABS nebo BKT), při němž je potrubí pro chlazení a vytápění integrováno přímo do středu stropní konstrukce. Jedná se o plastové potrubí o profilu 20x2 mm nebo 17x2 mm, které je vkládáno přímo s armováním. Více o tomto zajímavém řešení viz např. BETON TKS 2/2008, Ing. Jan Žemlička.

Výše uvedené bylo provedeno v rámci návrhu stavby ještě před zpracováním projektu pro stavební povolení.

 

OBECNÉ KONSTRUKČNÍ ÚDAJE STAVBY

 

Objekt Národní technické knihovny tvoří jeden dilatační celek. Vnější konstrukce ramp a zásobovacího dvora jsou od hlavní budovy oddilatovány.

Nosný systém hlavní budovy tvoří železobetonový monolitický skelet převážně s deskami působícími ve dvou směrech. Primární osový systém nadzemních podlaží je 15x15 m. Ten je v suterénních prostorách zahuštěn rastrem sloupů v osnovách 7,5x7,5 m. Systém sloupů je doplněn stěnami komunikačních a instalačních jader. Obvodové suterénní stěny jsou navrženy jako monolitické, působící jako spojité nosníky podpírané stropními deskami a deskou základovou.

 

Základová deska

Objekt je založen plošně na monolitické základové desce tl. 0,5–1,6 m. Základovou spáru tvoří skalní podloží z navětralých drob a křemenců. Spodní stavba je izolována bentonitovými rohožemi a konstrukce je navržena jako vodostavební s trhlinkami do 0,2 mm na návodním líci do výšky 3. PP.

 

Stropní konstrukce podzemních podlaží je v prostoru garáží tvořena převážně rovnou deskou tloušťky 250 mm. Pouze místně je z důvodu vyššího zatížení tato deska doplněna hlavicemi o průměru 3 m. Stropní konstrukce, vynášející velká zatížení od depozitářů, je uvažována jako trámová s průvlaky průřezu 700x650 mm na rozpon 7,5 m, vynášející trámy o průřezu 350x550 mm v roztečích 2,5 m a mezi nimi pnutou desku o tloušťce 150 mm. Sloupy v podzemních podlažích jsou uvažovány kruhové o ø 500 až 900 mm, resp. obdélníkové o průřezu 250x500 mm až 500x1300 mm.

Základním nosným systémem všech stropů nadzemních podlaží je desková dodatečně předpínaná stropní konstrukce s viditelnými kuželovitými hlavicemi o průměru 6 m ve střední části objektu, 4,5 mu řady sloupů u fasády a 5 m u sloupů v prostoru okraje prolomených atrií (strop nad 3. a 4. NP). Výška hlavic včetně konstrukce desky je 1000 mm, resp. 900 mm ve stropech nad 2. až 6. NP, ve stropu nad 1. NP je výška hlavic včetně konstrukce desky 900 mm, resp. 800 mm. Tloušťka desky je navržena 300 mm.

 

Stropní desky jsou dodatečně předpjaté lanovým předpínacím systémem SO 6-4 se soudržností a pasivní kotvou typu H 6-4. Použity byly čtyřlanové kabely v oválných ocelových kanálcích s lany o průměru 15,7 mm (1570/1770 MPa) s velmi nízkou relaxací (2,5 % po 1000 hodinách).

 

 

Stropní konstrukce je podpírána soustavou sloupů a stěn výtahových a schodišťových jader. Sloupy nadzemních podlaží jsou uvažovány kruhové o průměru 600 až 900 mm, stěny jader jsou navrženy tloušťky 250 mm, resp. 200 mm. Pro zajištění vnesení tlakové síly do průřezu stropní desky v rozsahu celého půdorysu byla tři schodišťová jádra vodorovně oddilatována od stropní konstrukce. Vodorovná dilatační spára je umístěna vždy pod stropem. Stěny jádra jsou uloženy na modulární ložiska a smykové trny umožňující posun v jednom směru.

 

 

Část mezistropu o rozměru 17,3x32,1 m nad 1. NP je zavěšena na okraj stropu nad 2. NP pomocí předpjatých betonových táhel o průměru 250 mm. Předpětí je zajištěno kabelem se čtyřmi lany v oválném ocelovém kanálku.

Okraje stropních desek nadzemních podlaží jsou ztuženy obrubními nosníky, stejně tak obvody vnitřních atrií. Obruby jsou výšky 1000 až 1600 mm.

 

Hlavní schodiště byla provedena v kombinaci železobetonových prefabrikovaných ramen a monolitických podest, schodiště v atriu jsou monolitická, spojovací schodiště mezi 1. a 2. NP jsou ocelová.

 

 

Povrch železobetonových konstrukcí

Povrch téměř všech železobetonových konstrukcí budovy je navržen jako pohledový beton. Tento požadavek kladl mimo jiné značné nároky na provedení bednění a ošetřování betonu, čehož se zdárně zhostil zhotovitel stavby Sdružení Metrostav, a. s., a OHL ŽS, a. s.

 

 

Výstavba nosné konstrukce včetně založení trvala od ledna do prosince 2007. V nosné konstrukci celého objektu bylo uloženo 19 450 m³ betonu, 3130 t měkké a 310 t předpínací výztuže. Bylo použito 53 300 m2 bednění.

Rychlost výstavby byla zásadně ovlivněna náročnou koordinací při provádění stropních desek v nadzemních podlažích a zvýšenými nároky na pohledové betony. Současně s pokládkou výztuže probíhala realizace chrániček elektrorozvodů a BKT (systém UPONOR).

Výstavba jednoho stropu (cca 5100 m2) trvala v průměru 28 dní.

 

Představou architekta byl pohledový beton v hladkém „přírodním provedení“, barevně rovnoměrného vzhledu. Parametry byly dále specifikovány projektem s přihlédnutím k normě ÖNORM 2110. Pro všechny konstrukce tak bylo nutno zpracovat schémata spárořezů vč. rozmístění prostupů a pracovních spár. Na stavbě byly postupně odsouhlaseny typové vzorky jednotlivých konstrukcí vč. impregnačního nátěru a způsobu případných sanací.

Realizace systémů vkládaného BKT a předpínacích kabelů prakticky neumožňovala provedení dodatečných prostupů vrtáním. Pro kotvení rozvodů instalací bylo možné využít pouze krycí vrstvy max. do hloubky 35 mm od obou povrchů stropní desky. Tyto skutečnosti kladly značné nároky na projektovou přípravu koordinačních výkresů a vlastní provedení stropních desek. Při značném množství pracovníků na stavbě a minimalizaci času pro realizaci lze konstatovat, že rozvody BKT nebyly v průběhu betonování a následných prací ani v jednom případě porušeny.

 

Pro bednění stěn bylo použito systémové PERI TRIO Stuktur. Zakřivené plochy stěn byly sestaveny z PERI RUNDFLEX. Pro kruhové sloupy bylo použito ocelové kruhové bednění. Vodorovné konstrukce byly bedněny příhradovými dřevěnými nosníky s pláštěm z překližky v rastru 625x2500 mm. Atypické sloupové hlavice byly bedněny trojúhelníkovými příhradovými nosníky, doplněnými dřevěnými hranoly. Na paprskovitě rozmístěné podpory byl osazen plášť ze dvou vrstev tenké překližky (10 + 6 mm), v šestnáctinovém rastru po délce bez napojení.

 

 

Technická mapa průhybů stropních konstrukcí jako výstup ze statického programu byla jedním z podnětů při tvorbě vizuálního stylu NTK (autoři Petr Babák, Jan Matoušek, Jaromír Skácel, Tereza Šerá, studio Laboratoř). Informační a orientační systém budovy NTK tak obsahuje množství technických informací, které jsou užitečné návštěvníkům knihovny či pomáhají při jejich relaxaci. Již při stavebním řešení byla mapa průhybů podkladem pro „spárořez“ pryžové podlahy a realizovaná podlaha se tak stala součástí tohoto vizuálního stylu. Výsledkem je grafické znázornění průhybů stropních konstrukcí v měřítku 1:1 neboli vizuální pomůcka pro studenty architektury a stavařiny.

Statikem navržené průhyby předpínaných konstrukcí se pohybovaly v rozmezí od 20 mm (kraje stropních desek v návaznosti na obvodový plášť) do max. 40 mm (zavěšený strop 2. NP). Konstrukce příček, dodatečných výplní a obvodového pláště bylo možno z technologických důvodů realizovat až po vnesení předpětí do konstrukce s předpokladem postupného dotvarování a postupného dosažení požadovaných průhybů.

 

● Investor: Národní Technická Knihovna: Ing. Martin Svoboda,

● Generální projektant: Helika, a. s.: Ing. Petr Jileček, Ing. Karel Vácha, Ing. Přemysl Zeman,

● Architekt: Projektil Architekti, s. r. o.: Mgr. akad. arch. Roman Brychta, Ing. arch. Petr Lešek, Ing. Ondřej Hofmeister,

● Hlavní statik: HELIKA, a. s., PPP, s. r. o., Ing. Martin Půlpán, Ing. Milan Mužík, Ing. Ivan Šemík,

● Projektant HVAC: Zemlicka + Pruy, Ingenieur-Planung GmbH: Ing. Jan Žemlička,

● Generální dodavatel: Sekyra Group, a. s.: Ing. Leoš Anderle, Ing. David Tomanec,

● Dodavatel stavby: Metrostav, a. s., OHL ŽS, a. s.: Ing. Karel Hrdlovics, Ing. Pavel Vohánka, Bohumír Lisý.

 

 

Od počátku projektu byla snaha nalézt netradiční řešení, která budou korespondovat po stránce jak architektonické, tak technické (technická knihovna) a přitom ve výsledku nabídnou hospodárný provoz celého objektu. To by samozřejmě nebylo možné bez podpory a aktivní účasti investora na projektu samém.

Kvalitní výkon zhotovitele stavby a koordinace všech činností – bednění, montáží elektrorozvodů a BKT, pokládky statické a předpínací výztuže – v průběhu výstavby byla zase rozhodující pro úspěšnou realizaci díla.

 

 

Konstrukce Národní technické knihovny patří díky zvolenému konstrukčnímu řešení velkorozponových stropů s použitím technologie dodatečného předpínání v kombinaci s aktivací betonového jádra a rozsahem použití pohledového betonu k nejvýznamnějším stavbám realizovaným nejen na území České republiky.

Toto výsledné řešení bylo umožněno jen díky maximálnímu úsilí, které vynaložili všichni zúčastnění v průběhu projektových prací a samotné výstavby.