ARENA BRNO konstrukční, technologické a materiálové řešení

Multifunkční hala se nachází v západní části brněnského výstaviště a sousedí s jeho dominantou, pavilonem Z. Aby nová hala nekonkurovala ikoně brněnského výstaviště, byla její výška omezena na úroveň 30 m nad okolím terénem.

Forma oválného tvaru, která připomíná hokejové hřiště, se propisuje nejenom do tvarového řešení, ale odráží se téměř ve všech konstrukčních prvcích.

Výrazovou část fasády tvoří plechové lamely – markýzy, které slouží jako slunolamy a v případě nepříznivého počasí poskytují návštěvníkům i částečnou ochranu před deštěm. Nad hlavními vstupy ze západu a východu jsou lamely přerušeny, a to na výšku dvou podlaží. V místě přerušení se nachází prosklená fasáda, která má kromě estetického důvodu i funkční opodstatnění. Slouží především pro přirozené prosvětlení hlavních vstupních prostor. Střecha je, mimo jiné, vybavena ventilátory pro odvod tepla a kouře, které jsou tvarově navrženy tak, aby z estetického hlediska sloužily jako doplňující výrazový prvek celé haly.

Interiér je pojatý velice minimalisticky a především funkčně. Železobetonové stropy a stěny, režné zdivo, podlahy z leštěného betonu a tribuny z betonu pohledového. Zkrátka kombinace materiálů, které mají vysokou mechanickou odolnost, ale zároveň i adekvátní estetický výraz.

Důležitým úkolem bylo navrhnout i okolí pavilonu, které bude „živé“ i mimo sportovní a kulturní události. Za tímto účelem je velké množství komerčních jednotek přístupných z bezprostředního okolí haly bez nutnosti vstupu do objektu. [1]

Arena Brno je navržena jako multifunkční hala s kapacitou až 13 000 diváků. Půdorys haly má tvar oválu vycházející z tvaru hokejového hřiště, s rozměry přibližně 150 × 108 m. Objekt má dvě podzemní a šest nadzemních podlaží, přičemž dosahuje výšky 30 m nad okolní terén.

Celková zastavěná plocha činí přibližně 11 880 m². Základová deska a suterén zaujímají plochu obdélníka o délce cca 108 m a šířce cca 110 m, doplněného na východní straně půlkruhem o poloměru cca 55 m. Na západní straně jsou situovány vjezdové rampy o délce cca 55 m a šířce cca 23 m.

Součástí projektu jsou dvě externí retenční nádrže. Na severní straně je nádrž o délce cca 66 m a šířce cca 5 m, na jižní straně nádrž o délce cca 76 m a šířce cca 5 m.

Objekt je navržen jako železobetonový skelet, přičemž suterénní podlaží jsou monolitická a nadzemní podlaží jsou tvořena prefabrikovanými prvky. Prostorovou stabilitu zajišťují komunikační jádra. Objekt tvoří jeden dilatační celek vyjma příjezdové rampy, která je od hlavního objektu oddilatována.

Pohledově exponované povrchy železobetonových konstrukcí, včetně veřejně přístupných částí a garáží, jsou navrženy v kvalitě pohledového betonu.

Podle provedených inženýrsko-geologických průzkumů jsou základové poměry v úrovni základové spáry poměrně složité a proměnlivé, včetně výskytu podzemní vody, jejíž ustálená hladina byla zjištěna nad základovou spárou v úrovni fluviálních terasových sedimentů.

S ohledem na složité geologické poměry a přítomnost podzemní vody je objekt založen na železobetonové monolitické základové desce tloušťky 600 mm, která je podporována vrtanými pilotami. V místech, kde je namáhána sloupy s vysokým zatížením, je základová deska zesílena hlavicemi tloušťky 900 mm. Kvůli dojezdům výtahových šachet, instalačním prohlubním a kanálům je poměrně členitá. Základová spára se nachází ve výškových úrovních 196,9 až 200,6 m n.m.

Půdorysná poloha vrtaných pilot respektuje dispozici, tvar a zatížení svislých nosných konstrukcí. Piloty jsou z betonu C25/30 XA1 s minimálním krytím výztuže 70 mm, jejich průměry s ohledem na působící zatížení a geologii činí 900, 1 200 a 1 500 mm.

Základová spára je trvale pod úrovní hladiny podzemní vody. Návrhový tlak vody na základovou desku dosahuje až 7 t/​​m² v ploše a až 10 t/​​m² v prohlubních. V místech, kde je zatížení horní stavbou nižší než působící vztlak vody, jsou piloty navrženy i na tahovou sílu. Návrhové síly do pilot se pohybují v rozmezí ‑11 MN (tlak) až 2,3 MN (tah).

Stavební jáma byla těsněná s kontinuálním čerpáním vody během výstavby. Čerpání vody bylo ukončeno cca jeden rok od zahájení stavby. Během stavby a po ukončení čerpání podzemní vody bylo prováděno přesné výškové měření pro zjištění chování konstrukce. Návrh pilot a zajištění stavební jámy byl zpracován ve spolupráci se společností Čeněk a Ježek, a.s.

Vzhledem k členitosti základové desky byl spolu s dodavatelem stavby pečlivě řešen postup betonáže jednotlivých záběrů základové desky, která byla rozdělena smršťovacími pruhy do tří částí, přičemž každá z nich byla betonována šachovnicově po pěti záběrech.

Z důvodu přítomnosti podzemní vody jsou základová deska a obvodové stěny podzemních podlaží navrženy jako vodonepropustná železobetonová konstrukce systémem bílá vana s těsněnými spárami. Navržen je beton C30/37 XC4, XF1, XD1, XA1 s maximální šířkou trhlin 0,2 mm a maximálním průsakem 35 mm, s 90denní pevností. Obvodové suterénní stěny v úrovni 1. PP – 1. PPm mají tloušťku 400 mm. Pro zajištění vodonepropustnosti jsou použity systémové prvky jako betonové distanční podložky pod výztuž a speciální řešení pro utěsnění montážních otvorů po spínacích tyčích bednění.

Stropní konstrukce nad 1. PP a 1. PPm jsou železobetonové, monolitické z betonu C30/37 XC3, XF1 kromě výškově odskočené časti stropní konstrukce nad 1. PPm v oblasti anglických dvorků mezi osami 8 – 34/G, která je stejně jako obvodové stěny suterénu z betonu C30/37 XC4, XF1, XD1, XA1, s maximálním průsakem 35 mm.

Stropní konstrukce vloženého mezipatra nad 1. PP, kde se počítá s parkováním osobních vozidel, je navržena jako křížem vyztužená spojitá stropní deska tloušťky 300 až 400 mm s lokálním zesílením na 600 mm a doplněná o obdélníkové spojité trámy o průřezu 800 × 600 mm v radiálním směru a obvodovými parapety tloušťky 200 mm.

Nosnou konstrukci nadzemní části haly tvoří převážně železobetonový prefabrikovaný skelet – příčné rámy tvořené sloupy a průvlaky vzájemně rozepřené stropními deskami z panelů spiroll. Sloupy mají průřez 400 × 600 mm, resp. 400 × 400 mm, kruhové sloupy mají průměr 600 mm. V úrovni ±0,000 byly prefabrikované sloupy nasazovány na kotevní šrouby s rozkovanou hlavou, které byly pomocí ocelových šablon pečlivě vsazeny do monolitických trámů. Sloupy byly následně stykované v jednotlivých podlažích přes ocelové šroubové botky výrobního programu PEIKKO. Vodorovné stropní konstrukce se skládají z trámů průřezu obráceného T v radiálním směru, obvodových a vnitřních ztužidel obdélníkového průřezu a předepnutých stropních panelů spiroll tloušťky 400 mm v tangenciálním směru. Vnější obvodové a středové lemující průvlaky jsou monolitické a tvoří v podstatě „ztužující prstence“. V principu tedy prefabrikované rámy tvoří základní nosný příčný systém a systém obvodových monolitických prstenců zajištuje jejich podélnou stabilitu. Celkovou tuhost objektu pak doplňuje systém monolitických komunikačních jader.

Pro kotvení ocelové konstrukce střechy a kapotáže ochozu mezi 5. a 6. NP byly použity kotevní prvky, vkládané do bednění a přivařené k výztuži. V obvodových trámech a jimi vynášených železobetonových parapetech jsou dále kotveny konstrukce obvodových ocelových markýz.

Část hlediště je tvořena radiálními tribunovými šikmými zazubenými trámy obdélníkového průřezu z betonu třídy C50/60. V tangenciálním směru jsou použity lavicové prvky průřezu L, resp. dvojité LL nebo L s parapetem – U. Prvky jsou osazovány na elastomerová pryžová ložiska.

Lavičky jsou vyrobeny z lehčeného betonu třídy LC35/38 s objemovou hmotností do 1 800 kg/​​m³. Vývoj receptury měl na starosti prof. Ing. R. Hela, CSc. Z lehčeného betonu je v České republice postavena celá řada tribunových laviček, mezi hlavní výhodu jejich použití patří samozřejmě hmotnost. Tribuny brněnské Arény jsou tvořeny lavičkami o celkovém objemu cca 1 500 m³. Při rozdílu hmotností mezi lehčeným a klasickým betonem tedy dojde k úspoře zátěže do základů o hmotnosti 1 050 000 kg. Ačkoliv se jedná o relativně rozšířený materiál, je v normových podkladech zaměřených na konstrukční využití jen velmi malá opora. Z tohoto důvodu jsme se jako projekční kancelář PBK Chrudim rozhodli ve spolupráci s dodavatelem prefabrikované konstrukce a ve spolupráci s Ústavem stavebního zkušebnictví Fakulty stavební VUT v Brně připravit sadu základních srovnávacích experimentů na vlastní náklady. Jejich cílem bylo ověřit fyzikálně-mechanické vlastnosti nejen betonové směsi, ale hlavně betonových prvků.

V první fázi byly vyrobeny zkušební trámce rozměru 180 × 400 × 4 000 mm z klasického betonu třídy C30/37 a dvou typů směsí z lehčeného betonu: třídy LC25/28 s objemovou hmotnosti cca 1 600 kg/​​m³ a třídy LC35/38 s hmotností cca 1 800 kg/​​m³. Úkolem tohoto experimentu bylo porovnat chování jednotlivých vzorků vystavených čtyřbodovému ohybu se zaměřením na stanovení iniciace trhlin, charakteru jejich následného rozvoje a samozřejmě srovnání velikosti deformace. Všechny zkoušky byly provedeny až do finálního porušení vzorků.

Provedený experiment vykázal shodu v chování prvků z klasického betonu třídy C30/37 s prvky z lehčeného betonu LC35/38 D1,8. Současně bylo ověřeno, že prvky ze směsi LC25/28 D1,6 nedosahují požadovaných únosností, vykazují výrazně vyšší deformace a pro použití na stavbě tohoto významu jsou nevhodné.

Ve druhé fázi pak byly provedeny zkoušky vzorků prefabrikovaných laviček ze směsi LC35/38 D1,8, které byly vystaveny účinkům dynamického zatížení, za účelem ověření první vlastní frekvence. Frekvenční analýzu jsme zahájili buzením pomocí hydraulických válců s hrubým krokem 2 Hz, abychom si otestovali, jak se prvek chová. Následně jsme krok zredukovali na 1 Hz a 0,5 Hz. V poslední fázi jsme se zaměřili na frekvenční rozsah mezi 8 a 10 Hz a tuto oblast prozkoumali s krokem 0,1 Hz. Vlastní frekvence prvku jsme také testovali pomocí impulzního kladívka a následným měřením pomocí akcelerometrů frekvenční spektra také vyhodnotili. Na základě všech výsledků, které nám verifikovaly teoretické matematické modely výpočtu vlastní frekvence vyhotovené v software Scia Engineer, jsme potvrdili možnost použití lavičky vyrobené z lehčeného kameniva pro tribuny Areny Brno. 

Střecha haly je navržena jako prostorová ocelová předpjatá vzpínadlová konstrukce o půdorysných rozměrech cca 137,5 × 95 m. K její montáži byl využit mimo jiné také mobilní jeřáb LIEBHERR 1750, jehož manipulační plocha se nacházela v bezprostřední blízkosti realizovaných konstrukcí haly. Vysoké zatížení manipulační plochy mobilním jeřábem si vyžádalo kromě úpravy skladby podloží v jejím půdorysu také zesílení výztuže železobetonových vnějších stěn kvůli značnému zvýšení zemních tlaků v jejím bezprostředním okolí. Tyto vnější stěny byly po dobu přítomnosti mobilního jeřábu rovněž rozepřeny o železobetonové stěny přilehlého komunikačního jádra dočasnou ocelovou konstrukcí z důvodu minimalizace deformací vlivem zvýšených zemních tlaků.

Příprava předem zakotvených ocelových desek s „kameny“ pro osazení ocelových sloupů vyžadovala extrémní přesnost – výškové osazení +0 mm, ‑5 mm. Tuto úlohu navíc komplikovala skutečnost, že část těchto desek byla osazována přímo nad prefabrikovanými prvky, část nad monolitickými průvlaky a část nad rozhraním mezi prefabrikovanou a monolitickou částí.

Výhodou projektování v BIM je možnost kooperace na jednom projektu napříč různými platformami. Vzhledem k participaci tří statických kanceláří, z nichž každá řeší z určitého pohledu samostatné dílčí celky (monolitické konstrukce, prefabrikované konstrukce, ocelové konstrukce), je potřeba pečlivá koordinace. Nosné železobetonové konstrukce byly modelovány pomocí softwaru REVIT.

Model prefabrikované konstrukce je v úrovni dílenské dokumentace vypracován v softwaru Allplan. Pro výměnu dat v rámci tohoto projektu sloužil formát IFC (Industry Foundation Classes). Postupně byl odladěn i konkrétní IFC výstup tak, aby model obsahoval kompletní informace, které po zapracování do globálního modelu slouží k identifikaci jednotlivých prefabrikovaných prvků, jejich základních rozměrů, definici materiálů, vestavných prvků ad. Tyto atributy následně umožňují snadnou filtraci a bezproblémovou práci.

V průběhu výstavby je na AUTODESK Construction Cloud udržován „živý“ model včetně profesí. Datové úložiště umožňuje ukládání projektu ve formě *.ifc a *.rvt. Tento model umožňuje koordinaci profesí během výstavby a samozřejmě i nahlížení investora.

Arena Brno představuje unikátní projekt, který projektanty (nejenom) nosných konstrukcí postavil během projekční přípravy i při samotné realizaci před nejednu výzvu. Využití prefabrikovaných prvků v kombinaci s monolitickými železobetonovými konstrukcemi a ocelovými konstrukcemi zastřešení přineslo významnou časovou úsporu. Díky využití technologie 3D/BIM je koordinace tak náročného objektu velmi efektivní, a to nejenom během projekční přípravy, ale také během výstavby.