Stavby, pro různé účely, vznikají jistě desetitisíce let. Neandrtálec nebo jiný představitel evoluční lidské větve položil kládu přes řeku a vytvořil tak intuitivně most nebo z hlíny, kamenů, větví či listí vytvořil první chýši nebo uzavřel jeskyni před útokem šelem nebo nepřátel. Takže můžeme hovořit o stavbách s jasně definovaným účelem. Je téměř jisté, že první výtvory nebyly dokonalé a asi se některé tyto stavby i porušily nebo spadly a tak se první stavitelé seznamovali se základy fyziky – pevnosti, stability a pružnosti, dále též s izolačními schopnostmi přírodních materiálů proti chladu a vlhkosti.
Jakmile byly tyto základní fyzikální vlastnosti umožňující existenci staveb v základních rysech zvládnuty, pociťovali stavitelé potřebu ztvárnit stavby tak, aby se jim líbily nebo se líbily dalším lidem z jejich okolí nebo objednavatelům staveb. První projevy strachu z projevů přírodních sil vedly ke zrodu šamanů a později řady náboženství, která předkládala víry v bohy v různých částech světa a na různých vývojových stupních lidstva odlišné. Víra se svými představiteli a služebníky si vyžádaly vznik prvních svatyní, chrámů, pohřebišť, obětišť a jiných podobných staveb.
S dalším vývojem se objevil pojem „architektura“ jako název pro stavby odlišných účelů, z různých materiálů a s estetickými vlastnostmi, které odrážely vývoj společnosti a její kultury. V současnosti je zřejmé, jak odlišné jsou styly staveb v jednotlivých světadílech, zemích a časových obdobích a společenských a politických řádech.
Definice architektury
V současnosti se pojem architektura skloňuje ve všech funkčních médiích a veřejnost hodnotí podle svého vzdělání a znalostí kvalitu staveb. Obvykle je předmětem hodnocení pouze vzhled budovy nebo mostu či jiných objektů. Že objekt splňuje i ostatní vlastnosti, jako např. to, zda je dostatečně spolehlivý a pevný, se předpokládá mlčky, automaticky se s tím počítá. Veřejnost se neptá, kdo tyto vlastnosti zabezpečil. Je zde přeci architekt jakožto tvůrce staveb. Ještě je často předmětem diskusí cena objektu, zda odpovídá společenskému významu nebo technickému účelu apod.
Existenční koncepce stavby, tj. její únosnost nebo tuhost, nebývá laickou veřejností kritizována, protože hodnocení těchto vlastností vyžaduje příslušné technické znalosti, a obecně platná kritéria umožňují splnění přírodních a fyzikálních zákonů. Tyto zákony platí bez ohledu na architektonické vize nebo právní potvrzení o zaručené kvalitě a spolehlivosti stavby.
Na základě své mnohaleté praxe soudního znalce jsem dospěl k následujícímu závěru: znalec hledá závadu a původce této závady na problematické stavbě, a proto požaduje příslušné projekty a související doklady, záznamy o provádění stavby atp. Jakmile zpracovatel má po ruce četné právní doklady a prohlášení, které deklarují naprostou dokonalost stavby a její kvalitu, bývá obvyklé, že nějaká fakta jsou důmyslně zamlčena.
V případě poruch a havárií mají právní doklady jen malou cenu, je třeba ověřit a respektovat přírodní a fyzikální zákony, které platí bez ohledu na legislativu a estetické subjektivní názory.
Definic architektury je více a často sledují subjektivní zájmy definujícího. Můžeme citovat jednu definici, kterou údajně vyslovil filozof Vitruvius v 1. stol. př. n. l. Citace starých filozofů je jedním z argumentů o kvalitě a správnosti definice. Rozhodně uspokojí architekty, kteří se zabývají stavbami, dle jejich názoru maximálně fundovaně. Podle Vitruvia je architekturou stavba, která splňuje následující kritéria:
● firmitas – pevnost, tuhost a únosnost;
● utilitas – splnění funkcí, pro které byla stavěna;
● venustas – libost, estetický cíl.
Obsáhnout všechny tyto znalosti dokázal dříve jeden člověk, aby se mohl prohlašovat za autora takovéto stavby. To platilo zhruba do konce 18. století. Tvůrci prvních staveb byli obvykle řemeslníci, kteří měli intuitivní znalosti fyzikálních vlastností materiálů a různých tvarových koncepcí staveb. Jak je vidět z pořadí hlavních rysů definice architektury stanovených Vitruviem, je na prvním místě pevnost, tuhost a únosnost. V době Vitruvia se ještě jednotlivé technické vědy pravděpodobně detailně nerozlišovaly, ale přes tento fakt již bylo jasné z předchozích zkušeností, že FIRMITAS je klíčovou vlastností stavby a je nejpodstatnější.
Pro nelatiníky a neřečtináře bych řekl, že statickou pevnost a související vlastnosti (tuhost, stabilita, izolační schopnosti, vhodnost použitého materiálu s ohledem na uvedené vědní discipliny a další) má udělat FIRMA.
V 19. století se již definují nové technické disciplíny, jako jsou statika, pružnost, pevnost, materiálové vlastnosti apod. V průběhu 20. století jsou to další vědní obory a spolu se vznikem počítačů i ostatní profese tak, jak je známe dnes. U některých staveb mají specialisté větší význam, u jiných menší, u některých je jejich úloha rozhodující. Těžko se lze obejít bez odborníků, kteří tyto profese ovládají do dostatečné hloubky.
Vzhledem ke komplexnosti znalostí a oborů je diskutabilní hovořit o autorovi zejména rozsáhlých staveb nebo staveb s extrémními rozměry. Nastupuje týmová spolupráce a také týmové autorství. Každý z týmu musí nést plnou zodpovědnost za svůj obor. Vedoucím takového týmu nemusí být architekt, ale spíš člověk s dobrým přehledem o jednotlivých disciplinách a jejich důležitosti. Tento pracovník rozhoduje o realizaci stavby na základě hodnocení všech jejích vlastností, bez nerealistického upřednostňování jednotlivých vlastností stavby dle uvedené definice.
Uveďme si příklad z historie relativně nedávné. Most přes Zlatou zátoku (světoznámý most Golden Gate – obr. 1) byl řešen s respektováním zákonů statiky – statika je věda), s tušením dynamických účinků větru, s ohledem na barevné a tvarové řešení pylonů a tvaru zábradlí (to byly úkoly architekta), s ohledem na bezpečnost pracovníků, na způsob založení mostu a v neposlední řadě s ohledem na finanční náklady. Stavbu mostu řídil stavitel Joseph Strauss. A to navzdory tomu, že obrovskou zásluhu na konstrukci mostu měl hlavní inženýr Ellis. Strauss totiž Ellise ještě v počátcích stavby propustil s tím, že ji svými propočty jen zdržuje a prodražuje. Stavbě oddaný Ellis však dál ve své práci pokračoval, a to i bez nároku na mzdu.
Stavbu mostu 25. dubna (25 de Abril Bridge) v Lisabonu (obr. 2), který je jedním ze symbolů města, řídil tentýž stavitel – Joseph Strauss. Je to jeden ze dvou mostů přes zátoku řeky Tajo (Tejo) v Lisabonu. Obrázek napoví, že se hodně podobá světoznámému Golden Gate v San Francisku. A to nejenom svým vzhledem a barvou, ale i velikostí. Zatímco Golden Gate je s rozpětím 1280 metrů mezi středovými pilíři devátým největším na světě, most 25. dubna je s 1013 metry dvacátý na světě. Most je dvoupatrový a v prvním patře vede silnice, v druhém pak koleje železnice. Most byl slavnostně otevřen pro automobilovou dopravu 6. srpna 1966, železnice však byla přidána až v roce 1999. Zjevná podobnost s mostem Golden Gate je zapříčiněna tím, že se na obou stavbách podílela stejná firma, a to American Bridge Company USA.
Architekt
Dnes bychom asi hovořili o panu Straussovi jako o developerovi. Podstatné je zjištění, že to nebyl architekt, kdo zodpovídal za stavbu mostu. V USA je architekt jednou z profesí. A také jeho role je jiná než u nás. Architekt plně zodpovídá za realizaci projektu a také za rozvržení finančních prostředků.
Původ slova architektura je z řeckého architekton – tesař. Tehdy se stavělo zřejmě převážně ze dřeva a dobrý řemeslník byl tvůrcem díla. Dále nastoupili kameníci a další řemeslníci, kteří díla navrhovali a prováděli. Za stavbu musí zodpovídat ten, kdo ji chápe a tvoří komplexně s ohledem na definici Vitruvia.
Předpokládám, že uvedený příklad je srozumitelný i laikům ve stavebnictví a že všichni chápou, že dostatečná spolehlivost mostu (FIRMITAS) a jeho odolnost vůči všem možným i zcela neobvyklým zatížením je podstatná, a nutně tedy musí být splněna. Rovněž tak splnění druhé podmínky, UTILITAS, tj. účelnosti, je nezbytné. Most musí sloužit přepravě všech požadovaných vozidel i s možnými rezervami na zvýšení zatížení i event. rozměrů. Šetření na projektu takovýchto obvykle nákladných staveb není na místě.
Další podmínka estetiky, VENUSTAS, je velmi diskutabilní. Stavby z různých období a v jednotlivých zemích a částech světa jsou různé a názory na to, co je hezké, jsou tedy zcela subjektivní a neexistují žádná obecná kritéria krásy.
Uvedenou definici filozofa Vitruvia jsem donedávna neznal, ale za asi za 52 let praxe vysokoškolského učitele, projektanta (i oceněných staveb) a asi 35 let praxe soudního znalce jsem dospěl k tomu, že estetická hodnota architektonického díla je ryze subjektivní záležitostí, která závisí na řadě parametrů. Pokud se přesune tato třetí Vitruviova podmínka na místo první a naruší se první dvě kritéria definice, dochází k potížím, finančním ztrátám a v nejhorších případech ke zničení stavby nebo k poruchám nebo i ke ztrátám lidských životů. K ujasnění si takových situací slouží následující řada příkladů ze současnosti.
Příčiny poruch nebo havárií
Příčiny jsou celkem jasně definovány. Byly porušeny přírodní zákony. Část konstrukce nebo styk nebo celá konstrukce nejsou schopny přenést bez poruch zatížení, které v daném okamžiku na konstrukci či její část působí. Pokud vznikají malé trhliny a malá přetvoření, ztrácí se část funkce, mluvíme o poruchách (obr. 3). Pokud jsou trhliny a přetvoření relativně velké vzhledem k rozměrům konstrukce, ztrácí-li se funkce konstrukce a dochází ke zřícení náhlému nebo postupnému, hovoříme o havárii (obr. 4).
Jaké jsou důvody, příčiny? Na to je odpověď obtížnější. Začneme-li od tvůrců příslušné konstrukce nebo její části, jsou to provádějící řemeslníci, kteří pracují dle projektu, tj. nejprve nosné konstrukce objektu. Můžeme říci, že první odpovědí může být neznalý řemeslník nebo ne dost znalý inženýr, projektant. Další možností je návrh špatné koncepce konstrukce a nyní vstupují do hry tzv. autoři díla, za něž se stále u nás považují zejména architekti, pro které pracují „jejich inženýři“. Na závadách se mohou podílet i ekonomičtí pracovníci, kteří hlídají cenu díla a jsou názoru, že to je to hlavní, a tak se mnohdy pokusí ušetřit na něčem, co dle jejich názoru ničemu nevadí. Při rekonstrukcích památkově chráněných objektů mají velkou šanci něco pokazit památkáři, kteří mají obvykle vzdělání v oboru historie a umění, ale technické záležitosti jsou jim obvykle cizí.
Navrhování konstrukcí
Řekněme si něco o navrhování konstrukcí v současnosti. V technicky vyspělých státech se navrhují konstrukce na základě norem, které obvykle nemají platnost zákona, ale jsou doporučeními, jak konstrukce navrhnout dostatečně spolehlivě s uvažováním proměnných vlastností materiálu a zatížení. V našich normách, které patří do soustavy evropských norem, používáme součinitele dílčí spolehlivosti. Zatížení uvažujeme stálá, proměnná (též klimatická).
Materiálové vlastnosti jsou závislé na druhu a kvalitě materiálu, na způsobu zatížení a na dalších veličinách, které jsou proměnné.
Jen pro ilustraci jsou na obr. 5 ukázány závislosti mezi zatížením a přetvořením oceli a dřeva. Hodnoty zatížení jsou stanoveny normami. Klimatická zatížení závisí na geografické poloze a na nadmořské výšce, zatížení jsou velmi variabilní. V současné době je navíc třeba přemýšlet o možné změně klimatu na celé zeměkouli. Materiálové hodnoty jsou dány v normách a tyto údaje jsou dostatečně spolehlivé.
Znalec v oboru statiky nosných konstrukcí musí respektovat platné zákony, které jsou dále uvedeny. Přírodní zákony platí bez ohledu na legislativu, politiku, ekonomiku a estetiku. Důsledné dodržení těchto zákonů je garancí prvního a druhého kritéria z Vitruviovy definice architektury. Ostatní zákony, definované lidmi, jsou již problematičtější.
Platná legislativa je platná po omezenou dobu a její závěry jsou často v rozporu s přírodními zákony i s morálkou. Ekonomická pravidla jsou též nejistá, proměnná, jako v každém podobném společenském humanitním oboru.
Estetická hlediska jsou zcela subjektivní, proměnná v závislosti na době, druhu společnosti a aktivitě architektů, event. politiků, a měla by respektovat dvě první kritéria z uvedené Vitruviovy definice. Jenže velmi často nejsou tato kritéria dodržena a nastávají potom problémy.
Navrhování nosných konstrukcí provádíme na základě výsledků modelové výpočetní simulace. Současné výpočetní metody používají řešení a modelování s velmi vysokou přesností s využitím výpočetní techniky (metoda konečných prvků).
Zdroje poruch
Zdroje poruch a havárií můžeme dle jejich výskytu uvažovat dle následujícího schématu:
1. Chybný návrh konstrukce – špatná statická koncepce (často prosazovaná architektem), nevhodný materiál, chybný výpočet, špatně stanovené zatížení, špatné použití statického softwaru neodborným uživatelem!!!, chybné řešení styků a detailů!!!).
2. Chybné provedení (velmi častý zdroj) – nedodržení projektu, technologická nekázeň, neřemeslnost, neznalost nových technologií a provádění dle zvyklostí, spěch investorů, politické tlaky, záměna materiálu. Lze sem zahrnout též nesprávnou či neuloženou dokumentaci, přejímku konstrukce, kolaudaci.
3. Nedostatečná údržba – neprovádění prohlídek.
4. Nadměrná klimatická zatížení (sníh, vítr – v našich podmínkách zřídka) – bývají obvykle jen impulsem k projevu předchozích nedostatků.
Výskyt jedné či několika menších chyb obvykle vede k poruchám. Kumulace chyb nebo hrubá chyba vede k havárii. Vzhledem k tomu, že jedním ze sledovaných hledisek je častý rozpor mezi architekty a inženýry, je třeba uvést rozdílné chápání pojmu „detail konstrukce“. Inženýr řeší konstrukční detail s respektováním působení sil a lokálních napjatostí ve stykových prostředcích atd. Architekt sleduje přednostně estetický vzhled a jasné linie styku. Konečným výsledkem by mělo být téměř stejné řešení, ale to obvykle nenastane bez vzrušených debat.
Dle Vitruviovy definice např. zábradlí by mělo přenést účinky opírajících se nebo padajících lidí a postačí jejich rozměry a přípoje navrhnout dle ustanovení norem, aby byla zajištěna dostatečná spolehlivost. Problémem nenastane, když je madlo navrženo bez zvláštních architektonických ambicí tak, aby bylo oblé a příjemně se drželo, což je účelem zábradlí. Architekt, který upřednostňuje styl a tzv. čisté nebo technické řešení, navrhne zcela bezostyšně madlo z ostrohranné hranaté trubky. Možná, že je to dle něj stylově čisté, ale rozhodně to není účelné a nikdo se madla raději nechytá, aby neměl nepříjemný pocit, že se řízne.
Velmi často se při problémech argumentuje nadměrným zatížením od sněhu. Jak je vidět na obr. 6, musí být nosná konstrukce řádně navržena a pak množství sněhu nezpůsobí žádné problémy.
PŘÍKLADY NĚKTERÝCH PORUCH NEBO HAVÁRIÍ
Jsou zde uvedeny stručně důvody, které zapříčinily nedodržení přírodních zákonů, tj. nesplnění dvou prvních kritérií Vitruviovy definice FIRMITAS a UTILITAS. Třetí subjektivní kritérium krásy VENUSTAS někde není zvlášť vyzdvihováno, pokud konstrukce byla navržena s ohledem na běžné konstrukční zásady. Platí nepsané pravidlo, že konstrukce, která respektuje působení sil, splňuje i pravidlo, že se líbí. Geniální technici, jako např. Bugatti, intuitivně navrhoval součástky svých automobilů tak, aby byly „hezké“, a dosáhl vynikajícího chování těchto součástek. Jen je si třeba uvědomit, že ne každý je geniální.
Následující část je věnována ukázkám poruch a havárií způsobených chybným rozhodováním architektů nebo jiných profesních pracovníků, které ovlivňují první dvě kritéria Vitruviovy definice (únosnost a účelnost). Pro ilustraci je uvedeno i několik případů, kde je problém způsoben chybami jiných profesí. Neuvádím z etických důvodů přesné adresy uvedených objektů.
Sklad materiálu v logistickém parku
Dovezená ocelová hala z roku 1997 se střední podporou byla certifikovaná, ale na několika místech nesplňovala platná kritéria únosnosti a přetvoření (obr. 7). Veškeré stěny měly vyboulená místa mezi výztuhami, nosníky byly zdeformovány vrtulovitě a šavlovitě. Montážní styky byly dodány s původními slabými čelními deskami a slabými šrouby. Pro přehled je dále uveden stručný výčet závad výpočtu a dodávky:
1. směs norem DIN a ENV 1993-1-1 a chybně uvažované zatížení sněhem,
2. slabé styky,
3. špatně spočtené reakce vaznic v krajním poli,
4. přístřešek vyložený 6 m neuvažován,
5. imperfekce rámu neuvažovány,
6. neuvažováno rozhodující antimetrické zatížení sněhem,
7. ve výpočtu nebyl uvažován nevyztužený rám.
Podle dodaného výpočtu byla konstrukce využita na 98 % návrhového namáhání. Po zahrnutí všech výše uvedených nezahrnutých účinků bylo návrhové namáhání překročeno o cca 35 %. Oprava na místě, značně náročná, zabránila havárii.
V pozadí příčin poruchy a téměř havárie byla snaha o maximální výdělek a podcenění odborných schopností inženýrů a techniků z bývalé východní Evropy.
Havárie reprezentativní administrativní budovy v roce 1998
V tomto druhém případu (obr. 8) se schylovalo k postupné havárii, kterou se jen se štěstím podařilo zastavit – celá konstrukce byla podchycena a neuvažované excentrické působení sil se podařilo odstranit. Příčiny byly následující: chybná koncepce navržená architektem, který se domníval, že budovu navrhl v tzv. stylu high-tech, a hrubé opomenutí při řešení klíčového detailu nosné konstrukce, kde bylo nadměrné excentrické působení vnitřních sil.
Výsledkem bylo porušení klíčových styčníků konstrukce (chybně navržených a provedených) a poté vznikla nadměrná deformace celé konstrukce, která vedla k havarijní situaci. Celá havarijní situace byla řešena během asi tří týdnů, které zbývaly do kolaudace. Postup opravy byl zcela zásadní a zcela změnil chování detailů a tím výpočetní model nosné konstrukce. Vzhled tzv. high-tech architektury daný koncepcí konstrukce zůstal zachován, ačkoliv vzhled této konstrukce je pro odborně fundované inženýry-statiky oceláře zcela absurdní.
Pokračování najdete zde.
MILAN VAŠEK
foto autor
Literatura:
1) VAŠEK, MILAN. Havárie a poruchy ocelových a dřevěných konstrukcí a jejich rekonstrukce, Praha: Grada, 2011. ISBN: 978-80-247-3526-92
2) VAŠEK MILAN A RADEK ŠŤASTNÝ. Přestavba nosné konstrukce dvorany Masarykova nádraží v Praze. Konstrukce, 2011, roč. 10, č. 5, s. 20–25. ISSN 1803-8433
Doc. Ing. Milan Vašek, CSc., (*1941)
je uznávaným odborníkem ve statice. Je absolventem fakulty inženýrského stavitelství na ČVUT. Studoval rok v USA a byl na studijním pobytu v Jugoslávii. Dále přednášel na Mie University v Japonsku a rok byl hostujícím profesorem na univerzitě v Pittsburghu. Od roku 1982 je soudním znalcem v oboru ocelových konstrukcí, statiky a výpočetní techniky. V roce 1990 se habilitoval jako docent na Stavení fakultě ČVUT, kde přes 40 let vyučoval (od roku 1963).
