Naším úkolem bylo vyřešit statiku nově vkládaných konstrukčních celků do dochovaného torza hradního paláce hradu Helfštýn, s důrazem maximálně zachovat architektonickou vizi a zároveň splnit hlavní účel – bezpečně zpřístupnit hradní palác návštěvníkům a vytvořit nové víceúrovňové prohlídkové trasy procházející celým palácem.
Nové ocelové konstrukce se uplatňují k částečnému anebo úplnému zastropení některých místností, vynesení proskleného zastřešení u vybraných místností a doplnění spojovacích konstrukcí, jako jsou schodiště, vyrovnávací konstrukce, ochozy a lávky.
Umístění nových konstrukcí úzce souvisí a bylo podmíněno statickou sanací stávajících konstrukcí včetně stabilizace základů (tuto část řešil kolektiv doc. Klusáčka).
V realizovaných ocelových konstrukcích dominují dva materiály – konstrukční ocel se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi, tzv. patinující ocel, a druhým materiálem je „běžná“ konstrukční ocel jakosti S355 s duplexní povrchovou ochranou, která v případě některých konstrukcí bude pouze opláštěna plechy z patinující oceli (Cortenu). Požadavek materiálu oceli měl značný vliv i na samotný konstrukční návrh, jelikož prakticky jedinou efektivní a esteticky přijatelnou metodou spojování patinující oceli je svařování. Na základě konzultací s výrobci cortenového hutního materiálu a s přihlédnutím k tloušťkám navržených plechů 4–12 mm byly jako nejvhodnější vstupní materiál pro výrobu vybrány cortenové pásy. Vzhledem k tomu, že architekti požadovali, aby plně pohledové nosné ocelové konstrukce byly bez viditelných spojení, svarových švů, museli jsme pečlivě volit vhodná umístění jak dílenských, tak i montážních svarů a především použít odpovídající přídavné svarové materiály s totožným legováním. Takto vyrobené konstrukce by měly v závislosti na expozici vůči povětrnostním vlivům patinovat jednotně a v ploše by se neměly tvořit ostré barevné kontrasty. V tomto směru byl projekt pouhým obecným návodem ukazujícím cestu a za zdařilým výsledkem je nutné vidět především precizní dílenské výkresy a následné řemeslné zpracování.
Elementární principy statického řešení
S ohledem na minimalizaci zásahů, obtížného zesilování a sanaci historického zdiva jsme se snažili navrhnout jednoduchá řešení a zároveň ctít základní statické a konstrukční principy – rovnováhu, dobrou mechanickou odolnost tlačeného zdiva, staticky určité systémy anebo jen málo staticky neurčité s převahou svislých silových reakcí. Nové ocelové konstrukce mají ve vodorovné rovině hradní zdi stabilizovat, zajišťovat a eliminovat vnášení vodorovných reakcí i tahových a momentových účinků. Jednotlivá zastropení, lávky, ochozy a spojovací konstrukce jsou vzájemně oddilatovány s využitím různých typů uložení (kyvné stojky, kluzná ložiska apod.). Toto řešení zároveň významně redukuje vlivy rozdílné teplotní roztažnosti a související napjatosti. Při vymýšlení statické koncepce bylo přínosné si připomenout fakt, že nově vkládané ocelové konstrukce budou vytvářet nepoměrně nižší zatížení stávajících zděných konstrukcí, než jakému byly vystaveny v minulosti, kdy měl palác kompletní klenbové stropy a plné zastřešení. V kombinaci s vědomím o současných sofistikovaných metodách statické sanace jsme získali přesvědčení, že pro správně stabilizované a ošetřené zdivo hradního paláce nebude problém nové ocelové konstrukce vynést.
Samozřejmě se nemohly reakce nových konstrukcí podcenit a bylo zásadní průběžně porovnávat a konfrontovat projekt nových OK s projektem sanace hradu. S výhodou jsme pro uložení nových OK využívali existující a přirozeně vhodná místa na prazích dveřních otvorů, v parapetech, na římsách, v odskocích a v koruně zdiva tak, aby se minimalizovaly viditelné zásahy. Komplikovanější řešení napojení představovala místa s vyšší koncentrací reakcí a detaily bez možnosti uložení „shora“, tedy zejména čelní ukotvení ocelových trámů na líc zdiva. Zde bylo nutné zakotvit silnější ocelové desky na delší kotvy, které v některých případech procházely téměř skrz celou tloušťku masivního zdiva.
V principu se jedná o soustavu menších, izolovaných a dilatovaných konstrukcí, které jsou uloženy na původní, historické, zděné konstrukce hradebního paláce. Řešení globální stability je tedy přeneseno na stávající konstrukce. Hlavní prvky nosného systému jsou z pohledu statiky převážně počítány jako rovinné/prostorové konstrukce a příhradové konstrukce s neposuvnými styčníky. Jednotlivé konstrukční celky mají potom různá stabilitní zajištění. U lávek je využito principu příčných polorámů (U-rámů) a zesílených, tuhých polorámů v místě uložení, které jsou kombinovány s vodorovným příhradovým ztužením pod podlahou lávek. Roštová zastropení mají sama o sobě dostatečnou prostorovou tuhost, která se navíc u některých částí umocnila upevněním pochozích plechů. Třetím typem zajištění lokální stability je rámové vodorovné ztužení, které se uplatnilo ve střešních konstrukcích.
Statickou analýzou dílčích prostorových modelů a detailních modelů spojů, které jsme podrobili FEM výpočtům, jsme navrhli konstrukční systémy a detaily (optimální tvary dílců, jednotlivé průřezy, umístění přírub, dělení, dílenských i montážních spojů, nutných výztuh pochozích plechů atd.) tak, aby se ocelové konstrukce hmotově a vzhledově maximálně podobaly architektonickému návrhu. Přitom bylo kromě podmínky dostatečné mechanické odolnosti kritických průřezů nutno brát zřetel především na globální i lokální stabilitu, minimalizaci vlastní hmotnosti a „šetrného“ co nejvíce rovnoměrného přitěžování stávajícího historického zdiva.
Uložení a kotvení nových ocelových konstrukcí
V maximální možné míře jsou nové ocelové konstrukce prostě uloženy shora na roznášecí betonové prahy. Jedná se zejména o místa v místech stávajících otvorů a nik. Stav zdiva většinou nedovoloval ukládat konstrukce přímo a bylo nutné vybudovat pokud možno skryté betonové roznášecí prahy. Kotvení do těchto betonových bloků bylo v podstatně standardní záležitostí, kdy se použily dodatečně vrtané a chemicky lepené šrouby průměru M12 až M24, jakosti 8.8. K potřebnému přesnému vyrovnání posloužilo podlití patních plechů polymercementovou (zálivkovou) maltou o minimální pevnosti 30 N/mm2. Posuvná a kluzná uložení vyřešilo vložení PTFE („teflon“) desek v kombinaci s leštěným plechem mezi ukládanou ocelovou konstrukci a pevně kotvenou patní desku. Ložiska pouze s jednosměrným pohybem jsou doplněna o postranní zarážky (omezovače), které rovněž brání i nadzvednutí.
Komplikovanější svislé kotvení k líci zdiva vyžadovalo sepnutí téměř celé tloušťky stěny pomocí předepnutých kotev spojujících vnější kotevní desku se skrytou „kontradeskou“. Samotné montážní připojení nosníků je provedeno kloubovým šroubovaným spojem přes přivařený styčníkový plech.
Některé konstrukce zahrnovaly i do zdiva vetknuté konzolové nosníky. Vetknutí konzol se provádělo do kruhových jádrových vývrtů, do kterých se vložil kořen konzoly v podobě perforované ocelové trubky. Tyto trubky se následně v otvoru zabetonovaly tlakovou injektáží polymercementovou směsí přes plnicí armaturu v předělové přírubě na líci zdiva.
Způsob kotvení průvlaků prosklených střech se v průběhu realizace změnil z dodatečně kotvených svislých desek na předem zabetonované ocelové plotny, které se přivařovaly k výztuži nových monolitických ŽB věnců v koruně historického zdiva.
U kotevních detailů ocelových konstrukcí z patinující oceli v trvalém styku se zdivem, zeminou, vlhkými zásypy apod. bylo navíc nutné chránit přechodové části a styčníkové prvky proti korozi. Obdobně i dolní části sloupů, schodnic a dalších prvků založených pod úrovní podlahy.
Zatížení
Nové konstrukce budou vzdorovat standardnímu souboru stálých a nahodilých zatížení. Pro návštěvníky přístupné, pochozí plochy byly kompletně zařazeny do zatěžovací třídy C3 podle ČSN EN 1991-1-1, s hodnotou rovnoměrného zatížení 5,0 kN/m2 (soustředěné, bodové zatížení 3,0 kN). Prosklené střechy jsou nepochozí, kat. H, u kterých se uvažuje pouze se zatížením od údržby. Hlavně u exponovaných konstrukcí střech a vyhlídek jsou zásadní účinky klimatických zatížení. Charakteristická hodnota zatížení sněhem na zemi byla odečtena v souladu se změnou Z4 normy ČSN EN 1991-1-3 z digitální mapy ČHMU. V této mapě je pro danou lokalitu garantovaná charakteristická hodnota zatížení sněhem na zemi, sk = 1,14 kN/m2.
Tvary plochých prosklených střech a jejich malé zapuštění pod korunu zdiva prakticky neumožňují vznik sněhových návějí. Umístění hradního paláce na příkrém kopci nad poměrně širokým údolím podstatně ovlivnilo výpočet zatížení od větru. Popsaný vliv vstupuje do výpočtu prostřednictvím součinitele orografie, který zde má hodnotu 1,5. Charakteristická hodnota dynamického tlaku vzduchu – qp(z) = 1,68 kPa, tedy 168 kg/m2. Vybrané konstrukce stavby musely být posouzeny i na mimořádná zatížení a situace, jako jsou zatížení od rozdílné změny teplot nebo požár. Požárně bezpečnostní řešení stavby požadovalo průkaz normové odolnosti R15 pro všechny primární nosné prvky stropních ocelových konstrukcí.
Plošná zastropení
Plošné zastropení místností 01, 04, 07 a 09 na úrovni 2. podlaží je provedeno ze svařovaných nosníků z plechů z patinující oceli, nosníky jsou uloženy na roznášecí betonové prahy, v místě horních líců kleneb, a pomocí kotevních desek předepnutých na líc zdiva.
Místnosti 07 a 09 jsou plně zastropeny roštovým systémem svařovaných nosníků z cor.B oceli. Jsou zde kombinovány průřezy 300/120 mm a 250/120 mm, s tloušťkou plechů pásnic 10 ÷ 12 mm a tl. stojin 5 ÷ 8 mm. Maximální rozpětí nosníků dosahuje 8800 mm. Na nosníky se následně uložila nášlapná vrstva z nepravidelných ocelových kazet, rovněž vyrobených z oceli cor.B. Kazety jsou tvořeny pochozím perforovaným plechem tl. 7,0 mm, který je zesílen lichoběžným systémem spodních výztuh.
Roštová stropní konstrukce u částečně zastropené místnosti (č. 04) je provedena obdobně. Hlavní průběžné nosníky jsou uloženy na roznášecí prahy v místech otvorů v nosných zdech. Příčné nosníky jsou prostě uloženy na roznášecí betonové prahy v místech okenních parapetů a dva z těchto příčných nosníků jsou navíc vyneseny překonzolovanou částí lávky vybíhající ze sousední místnosti.
Rošt půdorysně zalomeného částečného stropu v rohové místnosti 01 si vyžádal středovou podporu v podobě kruhového sloupu z bezešvé trubky Ø168. Sloup probíhá až pod střechu a uvnitř tohoto sloupu je umístěn dešťový svod. Pochozí rovinu zde také tvoří ocelové kazety s perforovaným plechem. Zábradlí v místnostech s částečným stropem (č. 01 a 04) je řešeno jako nenosné (sekundární), konzolové sloupky z dutých čtverhranných profilů s následným plechovým opláštěním.
Konstrukce lávek
Lávky umožňující průchod místnostmi č. 02, 05 a 06 jsou z povrchově chráněné běžné konstrukční oceli S355 s následným opláštěním plechy z patinující oceli. Hlavní nosné prvky lávek představuje dvojice paralelních příhradových nosníků výšky 1200 mm s převažujícím podélným modulem 700 mm. Příhradové nosníky z uzavřených dutých průřezů jsou v úrovni spodního pásu propojeny IPE příčníky, na které se přes separační a tlumicí podložky upevnily subtilní ohýbané podlahové nosníky se záklopem z protiskluzového lístkového plechu z patinující oceli. Tenčími patinujícími plechy jsou kapotována zábradlí i spodní strany lávek. Tlačený HP je proti ztrátě stability průběžně zajištěn tuhostí příčných polorámů. Lávky jsou uloženy na kluzná ložiska s PTFE deskami nebo prostým uložením na roznášecí prahy v místě dveřních otvorů ve zdivu torza hradu a staticky působí jako prosté nosníky. Výjimkou je převislý konec lávky z místnosti 05, který tvoří podporu roštového zastropení v sousední místnosti 04.
Konstrukční systém hradebního ochozu a galerie rytířského sálu
Obnovený hradební ochoz je tvořený nosníky s převislým koncem z uzavřených profilů RHS 100/50/3. Ty jsou v průměrné rozteči 700 mm osazeny a zakotveny na vyspravené původní hradební zdivo. Ochoz je ukončen ocelovým sloupkovým zábradlím z RHS 80/40/2, které je obdobně jako v případě vnitřních lávek okapotováno cortenovými plechy.
Galerie v úrovni 2. podlaží v největší vnitřní prostoře paláce, v rytířském sále (č. 08), je specifickou konstrukcí. Opět se zde kombinuje nosná konstrukce z běžné oceli a následné opláštění z cortenových plechů. Hlavní nosníky z uzavřených profilů RHS 250/150/8 jsou uloženy na líc zdiva pomocí ocelových desek, které jsou na líci zdiva drženy předepnutými kotvami. Dále zde jsou nosné prvky s převislými konci z profilů RHS 150/100/6 uložené přes stojku na rozšíření zdiva a v konci zase přikotvené k líci zdiva. Posledním zastoupeným nosným prvkem u galerie jsou konzolové nosníky z RHS 150/100/8 vetknuté do masivního vnitřního zdiva. Vetknutou část tvoří silnostěnná perforovaná trubka TR Ø140/12,5 zajištěná v jádrovém vrtu o průměru 180 mm tlakovým zainjektováním polymercementovou směsí.
Spojovací konstrukce
V objektu jsou umístěna dvě schodiště, která zpřístupňují prohlídkový okruh ve 2. podlaží. Jsou shodně vyrobená jako svařované celky z cortenových plechů. Hlavní schodiště bylo po vzoru toho původního vyřešeno jako dvouramenné, schodnicové, vedoucí z úrovně 1. podlaží. Schodiště tvoří sestava přímých ramen, která spojují jednotlivé podesty a v principu jsou řešeny shodně jako plošná roštová zastropení. Opět jsou to masivnější průvlaky ze svařovaných dutých obdélníkových průřezů, kombinované se subtilnějšími nosníky. Mezi šikmé schodnicové nosníky jsou vevařeny schodišťové stupně s plnými nástupnicemi i podstupnicemi z lístkových cortenových plechů vytvářející spojitou „lomenici“. Hlavní schodiště je zastropené vyhlídkovou plošinou v úrovni střechy (ca. +11,407).
Druhé, točité schodiště, které nahradilo původní vřetenové, začíná na úrovni nádvoří paláce (-2,433) a ústí až na pracovní plošinu v úrovni střechy, koruny zdiva (+10,920). Aby nebylo dotčeno dochované torzo spodní části původního kamenného vřetene, zvolili jsme proto staticky i konstrukčně náročnější variantu v podobě vinutého schodiště s tvarem pravotočivé dvoušroubovice – tento typ schodišť bývá označován jako „DNA“ schodiště, právě pro svou podobnost s tvarem makromolekuly DNA kyseliny. Původně projektovaný záměr a konstrukční princip, který počítal s vynesením schodiště soustavou konzolových nosníků vetknutých do zdiva, byl během realizace trochu pozměněn. Schodiště tvořené dvěma různě stoupajícími šroubovicovými schodnicemi výšky 300 mm z plechu tl. 10 mm, mezi které je vevařena schodišťová lomenice z lístkového protiskluzového plechu, se okolnostmi na stavbě vyvinulo v samonosnou spojitou spirálu. Celé DNA schodiště je fakticky neseno jen masivnějšími konzolami v úrovni 1. a 2. podlaží (podest) a také je zavěšeno pod roštem střešní plošiny.
Místnosti 01, 02, 05, 08 a 10 jsou zastřešeny prosklenými střechami. Nosný systém střešních konstrukcí je jednotný a tvoří ho ocelové průvlaky a k nim kolmé skloněné nosníky, na které jsou uloženy skleněné panely. Průvlaky jsou přes montážní šroubový spoj vyneseny styčníkovými plechy, vetknutými do nového ŽB věnce, který je ukrytý v koruně hradního zdiva. Ve vzniklých úžlabích střech je vždy zdvojen primární průvlak a do vzniklé mezery se umístil pevný svařovaný žlab pro odvod vody.
Realizaci ocelových konstrukcí muselo předcházet přesné geodetické zaměření sanovaných původních zdí paláce, vytvořených úložných pozic, potencionálních kolizí s lanovým ztužením, památkově cennými místy bez možnosti zásahu apod.
Celkem očekávaně se budování nových konstrukcí neobešlo bez mnohých úprav, změn a upřesnění, kdy se dodavatelé s projektanty snažili najít optimální řešení bez zbytečných kompromisů a odchylek od jasné architektonické vize.
JAN LUKÁŠ
Foto: archív autora
Článek byl publikován v časopise Materiály pro stavbu 1/2021
Ing. Jan Lukáš (*1984)
absolvoval Fakultu stavební VUT v Brně, obor konstrukce a dopravní stavby. Je autorizovaným inženýrem v oboru statika a dynamika staveb. Projekční kancelář LOSTADE CZ s. r. o., která zpracovává statické návrhy a konstrukční řešení, zastupuje jako jednatel společnosti. U projektu rekonstrukce hradu Helfštýn měl na starosti zpracování projektu nově vkládaných konstrukčních celků.
Související články:
Rekonstrukce renesančního paláce na hradě Helfštýn
„Hledali jsme materiál, který je trvanlivý, umí stárnout a na němž je stárnutí vidět“
Statické zabezpečení stavby na hradě Helfštýn a jejich částí
Sanace vlhkého a zasoleného zdiva hradního paláce na Helfštýně
