11th International Scientific Conference on Production Engineering DEVELOPMENT AND MODERNIZATION OF PRODUCTION

RIM 2017 365

FAKTORI UTICAJA NA IZBOR MATERIJALA NOSIVE KONSTRUKCIJE KOD IZGRADNJE VISOKIH OBJEKATA

Edina Duranović

Univerzitet u Bihaću, Tehnički fakultet Bihać, Bosna i Hercegovina, edina_07@live.com

Ključne riječi: visoki objekti, čelične konstrukcije, progresivni kolaps, beton SAŽETAK: Nedovoljne površine građevinskih parcela u jezgrima velikih gradova, kao i želja krupnih investitora da demonstriraju svoju finansijsku moć, od davnina su uticale na "rast’’ objekata u visinu. Početni period izgradnje visokih zgrada, sa kraja XIX i početkom XX vijeka, obilježila je izgradnja visokih zgrada uglavnom sa nosivim čeličnim konstrukcijama. Međutim, više incidentnih događaja pri kojima se desio progresivni kolaps nosivih čeličnih konstrukcija, kao i napredak tehnologije proizvodnje betona i tehnologije građenja u obliku oplata, jakih pumpi za beton i sl., su zajedno omogućili ekonomičniju izgradnju visokih betonskih konstrukcija. U ovom radu se diskutuju parametri koji utiču na adekvatam odabir materijala i konstruktivnih sistema nosivih konstrukcija visokih objekata u zavisnosti od dispozicije i namjene objekta, djelovanja vjetra i seizmičkih sila, stalnog i korisnog opterećenja kao i uslova fundiranja objekta i čitavog niza drugih faktora. 1. UVOD Visoki objekti grade se još od Starog vijeka, a danas su nezaobilazna tema investitora, arhitekata i inženjera. Slikovit primjer historije visokih objekata predstavljaju piramide Sumera i Egipta, kao i mnoge gotske, renesansne i barokne crkve, a oduševljenje tehnologijom i građevinskom konstrukcijom u epohi modernizma, krajem XIX vijeka i početkom XX vijeka, dalo je novi zamah koncepciji i izgradnji visokih objekata. Visoki objekti se definiraju sa protupožarnog aspekta kao objekti čija visina prelazi 22 m, odnosno visina do koje se mogu dobaciti vatrogasne ljestve. U svijetu je danas izgrađeno šest objekata sa visinom preko 500 m, četrnaest viših od 400 m i trideset viših od 300 m. Značajan broj je onih sa visinom između 200 i 300 m, čak šezdeset i jedan objekat. Najveći broj visokih građevina nalazi se u SAD, Japanu, Kini, Južnoj Koreji i Ujedinjenim Arapskim Emiratima. Izgradnja visokih objekata modernog doba počela je korištenjem čelika kao materijala za izvođenje nosive konstrukcije. Napretkom tehnologije, porasla je kvaliteta betona, čime je omogućena ekonomičnija izgradnja visokih betonskih konstrukcija. Inženjerima je kroz graditeljsku historiju na raspolaganju bio relativno mali broj materijala pogodnih za izvođenje nosive konstrukcije objekata, ali je sa napretkom nauke i tehnologije omogućena adekvatna analiza primjenjenih materijala na konkretnim visokim objektima.

Edina Duranović - Faktori uticaja na izbor materijala nosive konstrukcije kod izgradnje visokih objekata

RIM 2017 366

2. MATERIJALI NOSIVIH KONSTRUKCIJA VISOKIH OBJEKATA KROZ HISTORIJU

U prirodi čovjeka je da gradi, što je uzrokovalo stvaranje gradova na prostorima povoljnim za život prema tradiciji, mentalitetu i potrebama ljudi. Svaka epoha okarakterisana je određenom vrstom materijala koji preovladava i kojim je izgrađena nosiva konstrukcija, a koji istovremeno pored adekvatnih mehaničkih svojstava imaju i ekspresivnu moć. U raznim historijskim i geografskim širinama određeni materijali su u izvjesnom smislu određivali stil epohe, podneblja, naroda i kulture, dok se danas pojavljuju novi materijali koji predstavljaju evoluciju u tehničkom i tehnološkom pogledu. Izgradnja Egipta počela je građevinama od čerpića, drveta, trske i drugog lakog materijala. Imhotep, prvi umjetnik čije je ime spomenuto u historiji koristio je tesani kamen. Egipatsku arhitekturu karakterišu čvrsti, malo razmaknuti stubovi koji nose kamene nadvoje, a sa strane podupiru ravne krovove. Piramide, koje su među najstarijim kamenim spomenicima, bile su rezultat vjerovanja u zagrobni život koje su vođene egipatskom religijom. Poznato je da je egipatska arhitektura okarakterisana korištenjem kamena kao osnovnog materijala, na šta prvenstveno ukazuju mastabe, pravougaone humke oblagane opekom i kamenom, koje su dostizale upadljive razmjere. Iz njih su se razvile stepenaste piramide od kojih je najpoznatija piramida faraona Zosera.

Slika 1. Stepenasta piramida faraona Zosera ( lijevo ), piramide u Gizi ( desno)

Za svoje agresivne vođe, Asirci i Perzijanci su gradili gospodske palače na platformama različitih veličina. Palače su bile ukrašene zidnim skulpturama sa motivima lova, borbe i državnim obredima, u želji da ogromni hramovi i grobnice čuvaju duhovne tajne. Razvoj gradnje od opeke u Babilonu, zbog nedostatka kamena, doveo je do razvoja luka, kupole i svoda, umjesto jednostavnih sistema sa gredama udomaćenim u Egiptu i brdovitoj Perziji, gdje je kamen bio dostupan. Lako je ući u trag uticaju Egipta, Mezopotamije i Perzije na arhitekturu Grčke. Grčku arhitekturu karakterišu hramovi, javni spomenici bogovima, okruženi sa otvorenim kolonadama postavljenim u svoj ljepoti stubova, greda i isklesanim zabatom, koji je mogao vidjeti cijeli narod, te arhitektonski redovi: dorski, jonski i korintski, koji su preuzeti u rimskoj arhitekturi.

Slika 2. Grčki hramovi: Partenon-dorski red (lijevo), Hram Atine Nike – jonski red (desno)

Edina Duranović - Faktori uticaja na izbor materijala nosive konstrukcije kod izgradnje visokih objekata

RIM 2017 367

Rimski Koloseum jedinstven je primjer upotrebe sva tri arhitektonska reda, koji se dižu jedan iznad drugog u skladu sa njihovom unutrašnjom „težinom“: dorski, najstariji i najstrožiji u prizemlju, zatim jonski, pa korintski, preuzetih iz grčke arhitekture. Lukovi, svodovi i upotreba betona dozvolili su Rimljanima da stvore velike unutrašnje prostore, koji su vrlo lako uočili prednosti betona: nosiv, jeftin i elastičan, čiju su neprivlačnu površinu betonskih zidova skrivali oplatom od opeke, kamena ili mramora [2].

3. MATERIJALI NOSIVIH KONSTRUKCIJA VISOKIH OBJEKATA DANAS

Mnoge historijske građevine ukazuju na činjenicu da je čovjek prije nekoliko hiljada godina umio napraviti takve objekte, koji su i danas u svijetu čudo imajući u vidu tadašnje mogućnosti čovjeka, naspram sadašnjih tehnoloških dostignuća i nivoa obrazovanja. Napredak je ostvaren u pogledu obrazovanja, povećanju broja stručnih lica-inženjera, mogućnostima proučavanja i analiziranja, tehnološkim izumima, koji uveliko olakšavaju procese gradnje primjenom računara i mnoštvom softvera, a koji omogućavaju brzinu crtanja i proračuna, velikom ponudom različitih materijala na tržištu, blizinom izvora materijala i mogućnostima transportovanja. Međutim, ovo nije nadmašilo dostignuća u pogledu trajanja objekata starih nekoliko hiljada godina, disciplinu i nivo stvaranja čovjeka za kojeg nije ni poznato kojim se sve tehnikama služio. Revolucija u modernoj arhitekturi samozatajno se razvijala za vrijeme historicizma u XIX vijeku, koji je još i poznat kao doba čeličnih konstrukcija i montažne gradnje. Razvojem dvije konstrukcijske tehnike u XIX vijeku, došlo je do razvoja arhitekture XX vijeka. Prva je svakako razvoj čeličnih konstrukcija, a druga betonskih konstrukcija, koje su omogućile neslućene mogućnosti oblikovanja i nova rješenja u graditeljstvu. Pravi zamah i vrhunac novog industrijskog načina gradnje dosegnut je korištenjem čelika u montažnoj gradnji. Čelik je postao primarni materijal nosivih konstrukcija zbog male težine, velikih oblikovnih mogućnosti, kao i rasta objekata u visinu.

Slika 3. Ajfelov toranj, Pariz (lijevo), Home Insurance Building, Chicago (desno)

Najpoznatiji predstavnici čeličnog perioda su: Home Insurance Building, prvi čelični neboder podignut 1885 godine, Ajfelov toranj u Parizu, Kristalna palača u Londonu i dr. Iako su stari Rimljani poznavali i koristili beton, proizvodnja ovog specifičnog građevinskog materijala je zaboravljena, do XIX vijeka kada je u Engleskoj (1844) započela prava revolucija armiranja betona čeličnim šipkama. Tako ojačan, armirani je beton postao upotrebljiv i u onim segmentima gradnje o kojima graditelji do tada nisu ni sanjali. Armaturne šipke postavljene u područjima u kojima se očekuju zatežuća i smičuća naprezanja preuzele su ta djelovanja, te time omogućile betonu nove mogućnosti. U periodu od 1892 – 1905 godine, poznatijem kao period razvoja armiranog betona, izvršena su mnoga, danas poznata i primjenjena istraživanja: stavovi Bernoulli-a i Navier-a, spoja betona i čelika, modula deformacija betona i čelika i odnos Es/Ec, linearne raspodjele napona u pritisnutoj zoni poprečnog presjeka (Coignet i Tedesco 1894 god.). Period od 1905 godine do danas, odlikuju naučna dostignuća u oblasti eksperimentalnog i teorijskog istraživanja u oblasti armiranog betona [3].

Edina Duranović - Faktori uticaja na izbor materijala nosive konstrukcije kod izgradnje visokih objekata

RIM 2017 368

Brz razvoj u tehnici zadnjih decenija omogućio je stvaranje novih materijala, čijom se kombinacijom došlo do različitih sistema kod izgradnje visokih objekata. Tako su razvijeni skeletni konstrukcijski sistemi, sistemi sa nosivim zidovima i sistemi sa nosivim armiranobetonskim jezgrom.

Slika 4. Skeletni nosivi sistem, sistem nosivih zidova i nosivi sistem sa AB jezgrom

Nešto kasnije razvijeni su i sistemi sa sandučastim ukrutnim elementima, višedjelni sandučasti ukrutni elementi - sistem snopa cijevi, kombinovani konstruktivni sistemi visokih zgrada i megastrukture.

Slika 5. (a) Nosivi sistem sa sandučastim ukrutnim elementima, (b) kombinovani konstruktivni sistem

4. IZBOR MATERIJALA NOSIVE KONSTRUKCIJE VISOKIH OBJEKATA Kroz pregled razvoja i korištenja materijala nosivih konstrukcija, od prvih početaka građenja do danas, moguće je uočiti da otpornost konstrukcije na razne uticaje kroz vrijeme ne zavisi samo od sistema nosive konstrukcije ili arhitektonskog rješenja objekta, već i od materijala koji ima primarnu ulogu. Adekvatan izbor materijala nosive konstrukcije omogućava lakšu sprovedbu arhitektonskih ideja, lakše izvođenje objekata, povećava njihovu mehaničku otpornost i stabilnost, što opet na kraju utiče na trajnost objekta. Kako je inženjerima danas na raspolaganju određeni broj materijala za nosivu konstrukciju objekta, tako izbor najpovoljnijeg podrazumijeva određene analize, što s aspekta nosivosti, upotrebljivosti i sigurnosti objekta, tako i sa ekonomske tačke gledanja, odnosno rentabilnosti objekta. Analiza izbora nosive konstrukcije visokih objekata i materijala nosive konstrukcije može se posmatrati kao stohastički model, prikazan na slici 6, gdje pored ulaznih varijabli, postoje i slučajne varijable koji utiču na izbor nosive konstrukcije i materijala.

Edina Duranović - Faktori uticaja na izbor materijala nosive konstrukcije kod izgradnje visokih objekata

RIM 2017 369

Slika 6. Stohastički model osnovnih uticaja na izbor materijala i nosive konstrukcije

Ulazni uticajni faktori kao što su: uvjeti temeljenja, lokacija i topografija terena, te dispozicija i namjena objekta usko su vezani za izbor nosive konstrukcije. Statička opterećenja (stalno i korisno) su usko vezana za namjenu objekta, te samim time usmjeravaju projektanta na određeni materijal, koji je primjeren za određenu vrstu konstrukcije. Dinamička dejstva kao što su potres i vjetar imaju najveći uticaj na izbor vrste nosive konstrukcije. Iako nisu stalnog karaktera, ne mogu se posmatrati kao slučajne varijable na modelu, jer su od izuzetno velikog značaja i nezaobilazni pri analizama, pa tako spadaju u ulazne parametre. Dinamička dejstva do sad su najčešće uzrokovala potrebu za kombinovanim nosivim sistemima, kao i kombinovanom upotrebom materijala. Prednost korištenja čelika ogleda se u maloj težini, lakoći oblikovanja, nosivosti na zatezanje, međutim kada se uzmu u obzir incidentna djelovanja na konstrukcije, kao što su udari letjelica i požar, čelik pokazuje svoje nedostatke. To se najlakše može prikazati kroz primjer World Trade Centra u New Yorku, koji je srušen 2001 godine.

Slika 7. WTC NY, prije rušenja (lijevo) i usljed rušenja (desno)

Nosiva konstrukcija Svijetskog trgovačkog centra u New Yorku, koja je većim dijelom bila čelična, popustila je usljed porasta temperature za kratko vrijeme i otkazala. Ovakvo ponašanje konstrukcije, kada zbog otkazivanja jednog ili više nosivih elemenata, otkazuje cijela konstrukcija objekta naziva se progresivni kolaps. Progresivno rušenje nosive konstrukcije definira se kao djelomično ili potpuno oštećenje konstrukcije ili konstrukcijskog elementa zbog iznimnog djelovanja. Progresivno je otkazivanje uvijek karakterizirano nesrazmjerom između početnog djelovanja i uticaja toga djelovanja na konstrukciju [4]. Kod ovog loma dolazi do rasipanja energije stvaranjem duktilnih plastičnih zglobova u čeličnim nosačima. Uočavanjem posljedica progresivnog kolapsa koje se najbolje vide na primjerima rušenja konstrukcija Ronan Point Apartment Building nakon potresa 1968. godine i World Trade Centra, nakon udara letjelice 2001 godine, uslijedila su brojna istraživanja o sprječavanju progresivnog kolapsa, što je dovelo do smanjenja korištenja čelika, kao glavnog konstrukcijskog materijala, te se sve više graditelja okrenulo gradnji betonskih visokih objekata. Za razliku od čelika, beton je otporniji na požar. U požarnim uvjetima, beton apsorbuje toplotu, što dovodi do povećanja temperature u konstrukciji. U tim okolnostima, rezultujuća čvrstoća i deformacije zavisni su od termičkih i mehaničkih karakteristika njegovih komponenata. Ponašanje

Edina Duranović - Faktori uticaja na izbor materijala nosive konstrukcije kod izgradnje visokih objekata

RIM 2017 370

nearmiranog betona u požarnim uvjetima u značajnoj je funkciji agregata, a kod armiranog betona dodatno i u funkciji betonske armature. Veličina zrna agregata i njihovo učešće u masi, mjerodavni su za apsorbciju toplote, te je oni značajnije apsorbuju u odnosu na cementnu pastu. Posljedica može biti spaling betona ili čak eksplozivni spaling, na način da zrna agregata eksplodiraju iz mase betona. Ove osobine određuju temperaturni porast u betonu, tako da je njihovo poznavanje neophodno u određivanju ponašanja betonskih elemenata u požarnim uvjetima [5]. U poređenju sa drugim materijalima za izradu nosive konstrukcije visokih objekata, beton je otporniji na požar, mraz i reološka djelovanja. S druge strane, zatezna čvrstoća čelika je petnaest puta veća od čvrstoće betona, pa se tako kombinacijom betona i čelika mogu zadovoljiti svi uvjeti u pogledu nosivosti i stabilnosti. 5. ZAKLJUČAK Razvojem ljudskog društva razvijale su se i potrebe stanovništva za građenjem objekata, posebno u urbanim centrima, koji su imali sadržaje poput zdravstvenih, obrazovnih, kulturnih i sportskih. Zbog nedovoljnih površina građevinskih parcela u jezgrima gradova, javila se potreba za porastom objekata u visinu. Iako visoki objekti datiraju još iz Starog vijeka, njihova uloga tada nije bila vezana za svakodnevne životne potrebe ljudi, kao što su visoki objekti koji su nastajali od XIX vijeka do danas. Nosiva konstrukcija visokih objekata može biti čisti skeletni sistema kojeg čine stubovi i grede, sistem sa nosivim zidovima, nosiva konstrukcija sa armiranobetonskim jezgrom do konstrukcije sa sandučastim ukrutnim elementima, kombinovanih konstruktivnih sistema zgrada, kao i megastruktura. Svaki od ovih sistema usko je vezan za određeni materijal od kojeg je izgrađena glavna nosiva konstrukcija. Visoki objekti modernog doba počeli su gradnjom čeličnih nosivih konstrukcija, za koje su se vremenom pokazali nedostaci pri incidentnim dejstvima, a u nekim slučajevima je došlo i do progresivnog kolapsa čelične konstrukcije, pa su se u novije vrijeme projektanti okrenuli korištenju betona za izradu nosivih konstrukcija visokih objekata. Svakako, i betonske konstrukcije su pokazale nedostatke u pogledu potrebe za oplatama, specijalnom mehanizacijom, pa samim time i cijenom izvođenja radova, te težim načinom oblikovanja u odnosu na čelik, uticajem godišnjih doba na građenje, pojavom prslina i dr. No, prednosti koje pruža beton u odnosu na čelik u pogledu otpornosti na požar, reoloških djelovanja i povećanja čvrstoće tokom vremena, rezultirali su većom potrebom za betonom ili betonom visokih čvrstoća pri izgradnji visokih objekata. Faktori uticaja na izbor nosive konstrukcije visokih objekata i materijala nosivih konstrukcija su: uvjeti temeljenja, lokacija i topografija terena, dispozicija i namjena objekta, statička i dinamička opterećenja, kao i incidentna dejstva poput požara, poplava i udara letjelica. Iz razmatranja u ovom radu, jasno je da namjena objekta definiše konstruktivni sistem, a sistem dalje na osnovu drugih faktora definiše materijal nosive konstrukcije. Prema tome, nekadašnji objekti izrađeni od kamena su trajni, ali s druge strane su masivni, zahtjevni i ne odgovaraju potrebama današnjeg čovjeka odnosno ne ispunjavaju odgovarajuće funkcije. Može se zaključiti da izbor materijala nosive konstrukcije definiše više parametara, od kojih se svaki treba analizirati i na kraju sumiranjem rezultata analize izabrati najpovoljniji materijal, koji će odgovarati namjeni, mehaničkoj otpornosti i stabilnosti objekta, protupožarnim i drugim uticajima. 6. LITERATURA [1] Pašić, A.; Historija arhitekture; 2010. [2] Janson, H.W.; Historija umjetnosti; New York; 1969. [3] Beganović, M.; Betonske konstrukcije I –skripta; Bihać; 2006. [4] Čizmar, D.; Rajčić, V.; Kirkegaard, P.; Sorensen, J.; Probabilistička ocjena robusnosti konstrukcija; Građevinar 63; 2011.; pp 431-432 [5] Džidić, S.; Otpornost betonskih konstrukcija na požar; Sarajevo; 2015.