Kontinuita a schopnosť nadväzovať a rozvíjať historické súvislosti sú významnými hodnotami v spoločnosti. V kontinuite sú zakotvené kvality kultúrnej a civilizačnej úrovne krajiny a jej obyvateľov i základné hodnoty, z ktorých pramení ďalší vývoj. Bez poznania minulosti a historických súvislostí nie sme schopní správne rozhodnúť a orientovať sa v súčasnosti.
Technická univerzita v Košiciach významne prispela a prispieva k rozvoju priemyslu, regiónu i celej spoločnosti, výchovou odborníkov, výskumnou, vývojovou a projektovou činnosťou. Vysoko si vážime spoluprácu s predstaviteľmi miest, krajov, ako aj interakciu s priemyselným zázemím. Zvlášť si ceníme aktívnu kooperáciu a výskumnú spoluprácu s domácimi a zahraničnými univerzitami a ústavmi akadémie vied. Sme hrdí na to že aj našim pričinením patrí Slovensko k úspešným, z pohľadu ekonomiky dynamicky sa rozvíjajúcim krajinám.
Pracovníci Technickej univerzity a jej fakúlt participovali na riešení tých najzložitejších úloh pre potreby praxe, priemyselnej a spoločenskej sféry. Podieľajú sa aj na obnove jedinečnej koncepcie nosného systému Zimného štadióna v Prešove s visutou lanovou strešnou sústavou, ktorá nesporne patrí do uvedenej kategórie výziev. Na to aby sme videli a pochopili náročnosť tejto výzvy je vhodné uviesť danú problematiku v širších súvislostiach.
Trochu z histórie lanových nosných sústav
Záznamy ukazujú, že prvé drôtené lano bolo vyrobené v Nemecku v roku 1834, pričom kredit bol udelený banskému radcovi A. Albertovi. No časti medených a bronzových drôtených lán, ktoré sa našli pri archeologických vykopávkach v Pompejách a pri Babylone potvrdzujú, že tieto boli používané omnoho skôr.
Vynálezom drôteného lana vznikol veľmi efektívny konštrukčný prvok s vysokou ťahovou pevnosťou pri malej vlastnej hmotnosti, ktorý umožňuje preklenutie veľkých rozpätí bez situovania vnútorných podpier. Lanové konštrukčné prvky sa v stavebníctve používali ako nosné prvky visutých a zavesených mostov a až neskôr našli uplatnenie pri visutých strešných konštrukciách.
Už škice, ktoré sa zachovali po Leonardovi da Vinci naznačujú, že už v 15. storočí, tento geniálny umelec, polyhistor a vynálezca predvídal princíp odozvy visutých lán. Je známa skutočnosť, že mnohé problémy týkajúce sa strún a lán boli prostriedkom pre vznik významných matematických rovníc a funkcií.
V rozpätí rokov 1690 až 1691 objavili nezávisle bratia James a John Bernoulliovci, Leibnitz a Huygens, viac menej súčasne matematickú krivku, takzvanú reťazovku, aj keď pritom postupovali rôznymi spôsobmi. Huygens vychádzal z geometrických princípov, Leibnitz a Bernoulliovci použili výpočty, pričom sformulovali všeobecné diferenciálne rovnice rovnováhy elementu reťazovky pri uvážení rôznych zaťažení. Zavedením Hookovho zákona do odvodených rovníc sa snažili vystihnúť deformačné efekty.
Teória visutého lana získala v Európe trvalé základy v 19. storočí, hoci praktické aspekty použitia lán boli všeobecne prijaté a poznané oveľa skôr. Značnú pozornosť si zaslúžia prvé stavby „vyumelkovaných“ visutých mostov v Číne, žiaľ nie je známe kto je ich autorom. Vieme však, že tibetský mních Thang-stong rGyal-po bol už v 15. storočí preslávený ako staviteľ železných reťazových visutých mostov. Prvé visuté mosty na svete s nosnými drôtenými lanami boli postavené v Švajčiarsku, pričom prvý z nich v roku 1823.
V roku 1794 ruský inžinier Fuss, Eulerov zať, ktorý bol poverený pokúsiť sa preklenúť rieku Nevu v St.Petersburgu odhalil, že visuté lano zaťažené rovnomerným spojitým zaťažením zaujme previsovú krivku v tvare paraboly (parabolického oblúka). Na začiatku 18. storočia boli uskutočnené rozsiahle štúdie kmitania napnutých strún a membrán a Daniel Bernoulli (1738), Euler (1764), Poisson (1824) a ďalší sformulovali ich základné pohybové rovnice.
Na základe odvodených diferenciálnych rovnovážnych rovníc bratmi Bernoulliovcami sa riešením visutej pružnej reťazovky zaoberali autori Routh, Ramsey a iní, pričom boli vyšetrované rôzne typy nesymetrického a koncentrovaného zaťaženia a menili sa veľkosti previsov.
Postupne sa ukázalo, že matematická teória reťazovky je z praktického hľadiska použitia pomerne ťažkopádna, bolo potrebné pracovať s transcendentnými rovnicami a podobne, a preto sa hľadali určité zjednodušenia.
Podstatné zjednodušenie problému sa získalo zavedením predpokladu plochej previsovej krivky visutého lana v tvare paraboly, čo vhodne korešponduje so situáciou používania visutých lán s relatívne malými prevismi v stavebných konštrukciách. Takýto prístup sa nazýva technickou, resp. inžinierskou teóriou visutého lana. Zhruba v polovici 19. storočia sa objavuje niekoľko publikácií, v súvislosti s návrhmi visutých mostov, ktoré pojednávali o odozve parabolického lana pri rôznych typoch zaťaženia na základe teórie prvého rádu. Teórie z časti vyvinul Rankine v roku 1858, ale podstatnú časť rozpracoval hlavne neznámy autor v rokoch 1860 až 1862.
Dôležité je, že už v tomto období si autori začali postupne uvedomovať, že odozva visutého lana je nelineárna keď zistili, že postupné rovnaké prírastky zaťaženia spôsobovali postupné prírastky zodpovedajúceho priehybu a čo je podstatné, že každý nasledujúci inkrement pretvorení bol menší než predchádzajúci.
Vyvíjali sa veľmi sofistikované matematicko-fyzikálne výpočtové modely, ktoré dokázali vystihnúť nelineárne vlastnosti lanových sústav vystavených statickým a dynamickým účinkom zaťaženia. Obľúbenými sa stali diskrétne výpočtové postupy ako napríklad diferenčná metóda, metóda dynamickej relaxácie, metóda intenzity síl a metóda konečných prvkov, pričom stále častejšie sú používané paralelné výpočtové algoritmy. Prostredníctvom uvedených metód možno uskutočniť geometricky a fyzikálne (materiálovo) nelineárnu (aj časovo-závislú) statickú a dynamickú analýzu lanových sústav a pritom, ak je to potrebné, zohľadniť aj účinky trenia v miestach spájania (kríženia) lán, adaptačné, ako aj iné špecifické vlastnosti. Možno postupovať na základe deterministických alebo stochastických princípov, teda na základe teórie chaosu, v prvom prípade alebo prostredníctvom plne pravdepodobnostných procedúr v prípade druhom.
Vývoj visutých sústav môžeme rozdeliť do troch charakteristických etáp:
- etapa zahŕňa dlhé obdobie až do konca 19. storočia, keď visuté konštrukcie boli aplikované iba v mostnom staviteľstve. 2. etapa sa začína posledným desaťročím 19. storočia a trvala polstoročie, kedy boli visuté konštrukcie po prvýkrát navrhnuté pre zastrešenia významným ruským inžinierom V.G. Šuchovom (prvé lanové strešné konštrukcie boli realizované v Rusku v roku 1896 v Nižnom Novgorode). V tomto období však boli visuté strechy zriedkavosťou. 3. etapa sa začína po druhej svetovej vojne, zhruba v polovici 20. storočia. Táto etapa je charakterizovaná prebudením sa veľkého záujmu o visuté zastrešenia a je sprevádzaná obrovským gradientom vedecko-výskumných prác.
Avšak až realizáciou visutej lanovej strešnej konštrukcie Raleigh arény v USA v roku 1952, ktorej autorom bol architekt Maciej Nowicki, v súčasnosti Dorton arény, bola jednoznačne potvrdená efektívnosť a účelnosť lanových konštrukčných strešných systémov (obr. 1). Nosnú strešnú konštrukciu tvorí visutá predpätá lanová sieť v tvare hyperbolického paraboloidu s hlavnými pôdorysnými rozmermi 92 x 97 m, pričom podperný systém predstavujú dva proti sebe naklonené monolitické železobetónové oblúky. Lanová sieť pozostáva zo 47 nosných lán s priemerom od 19 do 33 mm. Predpínacie stabilizačné laná majú priemer od 13 do 19 mm. Pretože strešná konštrukcia vykazovala nežiaduce vibračné pohyby, tieto bolo potrebné korigovať pridaním sústavy tlmiacich kotevných lán situovaných po obvode.
Pretože uvedený strešný nosný systém, v tvare visutej lanovej konštrukcie nevyžaduje osadenie prídavných medziľahlých podperných stĺpov, preto nevytvára nijaké prekážky v pohľade diváka zo žiadneho sedadla.
V roku 1972 bola Dorton aréna prehlásená za Národnú historickú pamiatku.
Priekopnícke práce v oblasti komplexného výskumu ťahom namáhaných sústav uskutočnila svetoznáma, veľmi významná, „stuttgartská škola“, založená Frei Ottom, ktorej reprezentanti, profesori Leonhardt, Schlaich, Gabriel a iní, stáli pri zrode unikátnych lanových sústav. V Japonsku sa preslávili svojimi dielami profesori Tsuboi a Kawaguchi, Saitoh, Hangai, Ischi a ďalší.
Olympijská plavecká hala v Tokiu spolu s Olympijským štadiónom v Mníchove sa radia medzi najviac obdivované lanové strešné sústavy. Ďalšie realizované novšie lanové systémy boli aplikované pri mobilných veľkorozponových novodobých konštrukciách.
V bývalom Československu mali (a stále majú) visuté a zavesené lanové konštrukcie bohatú tradíciu, dosiahli pozoruhodnú úroveň v oblasti architektonickej koncepcie, teórie i početnej realizácie a sú všeobecne uznávané odborníkmi zo zahraničia.
Od roku 1982 sa výskumu lanových konštrukcií systematicky venujú na Katedre kovových a drevených konštrukcií a Katedre stavebnej mechaniky Stavebnej fakulty Technickej univerzity v Košiciach (prof. Virčík a prof. Kmeť, neskôr prof. Tomko, Dr. Holičková, Dr. Kokoruďová, Ing. Brda, Dr. Platko, Dr. Šoltýs, Dr. Mojdis a ďalší).
Jedinečnosť koncepcie nosného systému Zimného štadióna v Prešove a jeho významné postavenie vo svete
Všetci poznáme a uvedomujeme si technický význam jedinečnej stavby Zimného štadióna v Prešove autorov Ing. arch. Jaroslava Čejku, doc. Ing. Štefana Hajdu, PhD. a Ing. Júliusa Gajdára (obr. 2). Stavba bola realizovaná v rokoch 1962 až 1967. Dominantnú nosnú konštrukciu objektu tvoria dva výrazovo jednoznačné a esteticky pôsobiace predpäté železobetónové parabolické oblúky s rozpätím 78 x 92 m, ktoré niesli jedinečnú visutú lanovú sieť v tvare hyperbolického paraboloidu. Celý tento, na Slovensku dodnes unikátny systém je uložený na subtílnom a elegantnom železobetónovom skelete, ktorý je vyplnený zasklením. Stavba svojím jedinečným architektonickým a konštrukčným riešením patrila k stavebným dominantám krajského mesta Prešov a má vzácnu historickú hodnotu.
Na tomto mieste uveďme niekoľko skutočností, ktoré dokumentujú a zvýrazňujú jedinečnosť tohto vzácneho architektonicko-inžinierskeho diela, a to ako v slovenskom tak aj celosvetovom kontexte.
Po Velodróme v Londýne, Aréne v Calgary a Dorton aréne v Raleigh, sa na štvrtom mieste, pri porovnaní najvýznamnejších objektov sveta s nosnou strešnou konštrukciou v tvare hyperbolicko-parabolickej predpätej lanovej siete s dvojitou krivosťou, nachádza objekt Zimného štadióna v Prešove. Z pohľadu ďalších významných stavieb s lanovou strešnou konštrukciou na území bývalého Československa, sa až za ním nachádzajú Športová hala v Bratislave a Plavecká hala v Českých Budějoviciach. Toto umocňuje obrovský význam dôstojného zachovania tejto originálnej stavby pre budúce pokolenia, samozrejme pri jej plnej funkcionalite a požadovanej prevádzke.
Obnova Zimného štadióna v Prešove
Na základe záverov Expertízneho posudku statiky nosného systému Zimného štadióna v Prešove, ktorý vypracovali pracovníci Stavebnej fakulty Technickej univerzity v Košiciach v roku 2015, bolo konštatované, že kritériá spoľahlivosti nosného systému zimného štadióna vzhľadom k medzným stavom únosnosti a používateľnosti nie sú splnené. Kvôli predĺženiu životnosti tejto jedinečnej, technicky významnej, konštrukcie bolo nutné realizovať sanačné opatrenia a pristúpiť k jej rekonštrukcii na základe projektovej dokumentácie, ktorú vypracovali pracovníci Stavebnej fakulty a Fakulty umení Technickej univerzity v Košiciach za pomoci ďalších špecialistov.
Vzhľadom na jedinečnosť objektu, je potrebné k jeho obnove a rekonštrukcii pristupovať veľmi citlivo a hľadať také riešenia, ktoré zachovajú autenticitu pôvodnej kompozície. Súčasné výpočtové, návrhové a technologické možnosti tvoria silný nástroj na dosiahnutie optimálneho a všeobecne uspokojujúceho výsledku. V čase návrhu a zhotovovania lanového nosného systému, pred vyše 55 rokmi, neboli ešte k dispozícii také lanové konštrukčné prvky s požadovanými materiálovými vlastnosťami a potrebným príslušenstvom, ako aj také stabilizačné (proces takzvaného predbežného vytiahnutia lán s cieľom linearizovať nelineárny priebeh pracovného diagramu, odčerpať podstatnú časť trvalých nevratných deformácií a stabilizovať hodnotu modulu pružnosti lán) a technologické postupy a aby sa dosiahla požadovaná presnosť a kontrola kvality stavebných postupov, a v konečnom efekte aj úplný súlad s výkresovou dokumentáciou. Nároky na presnosť a kvalitu pri lanových systémoch musia byť výrazne vyššie ako v prípade klasických konštrukcií.
Celý koncept rekonštrukcie lanovej strešnej konštrukcie je založený na online trvalom monitoringu. Sily v lanových konštrukčných prvkoch budú spojite sledované a akékoľvek zmeny permanentne analyzované a vyhodnocované. Jedná sa o jednu z prvých smart konštrukcií tohto typu na Slovensku.
Lanová strešná konštrukcia v tvare hyperbolického paraboloidu so strešným plášťom s nízkou hmotnosťou bez vnútorných podpier, pôsobí ľahko a elegantne, ale aby správne fungovala je potrebné zaviesť do stabilizačných lán optimálnu hodnotu predpätia a zabezpečiť jeho stálosť. Samotnej globálnej statickej a dynamickej analýze lanovej konštrukcie predchádza takzvané hľadanie tvaru (form-finding) a veľkosti takého predpätia, ktoré zaručí ťahové namáhanie a požadované správanie sústavy pri rôznych zaťažovacích stavoch. Jedná sa o analýzu kinematických stavov silne nelineárnych sústav. Alfou a omegou je presná východisková geometria siete, ktorú možno získať jedine na základe 3D geodetického zamerania jestvujúceho stavu obvodového venca po odhalení relevantných častí. Takýto prístup umožní elimináciu lokálnych otlačení drôtov lán v oblastiach vyústení z venca ako aj nastaviť vhodný predpínací a monitorovací systém.
Záver
Rekonštrukcia takého unikátneho diela, akým Zimný štadión v Prešove so štvrtou najväčšou lanovou strešnou konštrukciu v tvare predpätej siete nesporne je, vyžaduje synergiu všetkých zainteresovaných strán, ktorými sú investor, projektant, zhotoviteľ a dodávateľ. Je potrebný špecifický jedinečný prístup a dostatočný časový priestor na dôstojné doriešenie všetkých výziev, ktoré sa v procese spracovávania projektovej dokumentácie nedali, a to z objektívnych dôvodov, dostatočne vystihnúť a uspokojivo predvídať.
Prejavme tak úctu a vážnosť tomuto technickému dedičstvu našich predkov. Buďme hrdí na to, že sa spoločne podieľame na záchrane vzácneho architektonicko-inžinierskeho diela, ktoré je nevyhnutné vnímať ako jedinečnú súčasť kultúrneho odkazu našej minulosti.
Kontaktná osoba:
prof. Ing. Stanislav Kmeť, CSc., rektor TUKE, rektor@tuke.sk, +421 55 602 2001.
Komentáre
