POLÁRNÍ STANICE

Vypracovali:
4.ročník
Atcheson Eva Clara, Cejpová Pavlína, Drbalová Eva, Kučerová Kristýna, Kyselková Klarisa, Papcun Peter, Vašková Vendula, Zátopková Kristina
2.ročník
Hvězdová Monika, Koudelka Tomáš, Laníková Natálie, Olekšáková Nina, Pérez Marcel, Tichá Karolína
Ostrov
Problematika stavění v Antarktidě
Vedoucí práce:
Spolupracovali:
B.Arch. Martin Kaftan, MSc., Ph.D.
Sautter Sebastian, Alois Suchánek, Dušan Jamný, Doc. Mgr. Daniel Nývlt, Ph.D., Ing. Bc. Pavel Kapler, Ph.D., Bc. Jakub Brahmi, Bc. Dávid Medzihorský
ZS 2020/21
AT1, AT5
Ústav experimentální tvorby
Vysoké učení technické, Fakulta architektury
Cílem projektu je návrh systémového stavebního řešení využitelného v extrémních podmínkách Antarktidy. V budoucnu by měl pomoci podpořit Český výzkum v této oblasti. Konkrétně se jedná o novou podobu stanice CZ*ECO Nelson v Antarktidě. Kromě samotného polárního výzkumu zde bude probíhat testování nových materiálů a technologií s možným uplatněním například ve vesmírných programech. V návrhu je kladen důraz na modularitu, použití přírodních materiálů a udržitelnost. Součástí je energetický koncept.
Na rozdíl od vnitrozemí Antarktidy, kde jsou velmi nízké teploty a nízká vlhkost vzduchu, je tato lokalita unikátní velmi proměnlivou teplotou, vysokou vlhkostí vzduchu a silnými nárazovými větry, což vnáší spoustu technických problematik do návrhu formy a jejího řešení. Proto samotná stavba je experimentální výzvou v otázce použitých materiálů a výrobních procesů.
Návrh a realizace stavby probíhají ve spolupráci mezi Fakultou Architektury Brněnského VUT, Českým antarktickým nadační fondem a polárním výzkumem na Masarykově univerzitě. Jedním z výstupů projektu bude prototyp skladu 1:1, na kterém se ověří funkčnost návrhu. Tato realizace může dále sloužit například jako útulna v horách.
Antarktida je kontinent rozprostírající se kolem jižního pólu Země. Její rozloha je přibližně 14 milionů km2 (pro srovnání: Evropa - 10,18 mil km2). Od nejbližšího kontinentu (Jižní Amerika) je oddělena Drakovým průlivem.
Politicky nikomu nenáleží, vztahy mezi jednotlivými státy v oblasti Antarktidy reguluje tzv. Smlouva o Antarktidě. Nejdůležitějšími body smlouvy jsou mírová vědecká spolupráce, zákaz vojenského využití a pozastavení všech nároků na suverenitu nad jakoukoliv částí kontinentu. V současnosti ji uznává celkem 48 zemí, přičemž 29 z nich má poradní (hlasovací) právo v případných společných rozhodováních.
PODNEBÍ
Antarktida je nejchladnějším kontinentem na Zemi, 99,97 % území je pokryto ledem. V kontinentálních oblastech je podnebí navíc extrémně suché, průměrné množství ročních srážek je pod 50 mm, při čemž se jedná převážně o sníh přivátý větrem. Nejnižší teplota na zeměkouli (-89,2 °C) byla naměřena na centrální plošině Východní Antarktidy ve stanici Vostok roku 1983. Nejvyšší teplota v Antarktidě (+20,75 °C) byla zaznamenána v únoru 2020 na jednom z ostrovu na severu kontinentu. Teploty ve vnitrozemí se v zimě (červenec) pohybují průměrně od -40°C do -70°C, v létě (leden) kolísají mezi -10°C a -40°C.
Situace na Antarktickém poloostrově je jiná, na rozdíl od pevniny je tu velmi vlhko a roční úhrn srážek bývá 500 – 1000 mm. Teploty jsou tu o poznání mírnější. V pobřežních oblastech vanou velmi silné nárazové větry (až 300 km/h), směrem do vnitrozemí se rychlost větru snižuje.
HOSPODÁŘSTVÍ
V Antarktidě se nachází rozsáhlá ložiska nerostných surovin, využití těchto ložisek všech nastálo zakazuje Protokol o ochraně životního prostředí Smlouvy o Antarktidě. Jedná se o uhlí, ropu a zemní plyn, železnou rudu, cín, měď, uran, zlato, diamanty a další. Mimo jiné je kontinent díky svému mohutnému ledovcovému příkrovu největším rezervoárem sladké vody na světě.
DOPRAVA
Dopravu v Antarktidě velmi komplikují extrémní podmínky, především silné mrazy, větry a všudypřítomný led. V pozemní dopravě se kromě lidských nohou uplatňují lyže a sněžnice, popřípadě speciálně upravená vozidla (např. pásová).
Jediný námořní přístav v Antarktidě je u polární stanice McMurdo. V jiných oblastech je nutné zakotvit dál od pobřeží a zásoby nebo cestující se do cíle přepraví malými čluny nebo vrtulníkem.
Jižní Shetlandy
Eco Nelson
Antarktida
Bellingshausen Station (Rusko)
Base Presidente Eduardo Frei Montalva (Chile) Artigas Base Station (Uruguay)
Comandante Ferraz Antarctic Station (Brazílie)
Arctowski Station (Polsko)
King Sejong Station (Jižní Korea)
Great Wall Station (Čína)
Nelsonův ostrov se nachází okolo 700 km od Mysu Horn (Jižní Amerika) a 110 km od Antarktidy. Je součástí souostroví Jižní Shetlandy a jeho rozloha je přibližně 200 km2. Je tvořen převážně horninou sopečného původu, která je z 90% ukryta pod ledem. Nachází se tu jezera a potůčky, které čerpají vodu z ledovců, osypů a sněhových polí. Podoba pobřeží je rozmanitá, od písečných pláží přes oblázky, malé balvany až po strmé skály.
Co se dostupnosti týče, dá se na ostrov dopravit buď lodí, což může z jižního cípu Jižní Ameriky trvat přibližně 14 dní, nebo letět na sousední ostrov krále Jiřího a odtud připlout lodí. Expedice se uskutečňují od prosince do března.
Vzhledem k poloze a extrémním podmínkám, které v Antarktidě panují, je stavění poměrně komplikované a vyžaduje řádnou přípravu. Veškerý materiál, výbava a zásoby musejí být dovezeny (nejčastěji lodí). Je vhodné přivézt, pokud možno, již prefabrikované kusy, aby se doba strávená výstavbou co nejvíce minimalizovala. Všechen náklad musí být řádně očištěný před převozem, aby nedošlo k nechtěnému šíření nepůvodních rostlin nebo zvířat po Antarktidě.
PODNEBÍ
Počasí v Antarktidě bývá velmi proměnlivé. V kontinentálních, suchých oblastech výstavbu a pobyt ztěžují extrémně nízké teploty (v zimě kolem -70°C), v létě kolem -20°C), popřípadě sněhové srážky. V pobřežních oblastech jsou teploty mírnější, ale zato je nutné počítat s vyššími dešťovými srážkami (500-1000 mm ročně) a silnými nárazovými větry (až 300 km/h), které mohou nevhodnému materiálu způsobit silné abrazivní opotřebení. Orientace a tvar objektů by měly reagovat na převažující směr větru, aby došlo k minimalizaci akumulace sněhu na jejich návětrné a závětrné straně.
POVRCH
Většinu kontinentu tvoří trvale zamrzlá půda, permafrost. Na povrchu se nachází sezónně rozmrzající aktivní vrstva (kamenité podloží) vysoká cca 100–120 cm. Další místa bez sněhu kromě horských vrcholů, se nazývají „antarktické oázy“. Tato území jsou buď obklopena Antarktickým ledovým štítem nebo jsou situována mezi štítem a šelfovým ledovcem. Přestože jsou to místa velmi chladná, země pohlcuje dostatečné množství slunečního záření, aby rozpustila povrchový sníh nebo ho odvanou katabické větry z kopce do údolí.
Arktický smluvní systém výrazně dbá na ochranu prostředí Antarktidy. Při návrhu je nutné dodržet řadu předpisů a pravidel, které jsou striktnější než při běžné výstavbě mimo tento kontinent.
Tyto předpisy se týkají například dopadu na životní prostředí, použití materiálů, nakládání s odpadem. Jakákoliv nová výstavba musí být nejprve schválena na Konferenci států Antarktické smlouvy, která se koná každý rok v jedné z 29 zemí s hlasovacím právem (ČR má hlasovací právo od 1. dubna 2014). Čtrnáctidenní konference se účastní další mezinárodní organizace jako jsou Vědecký výbor pro výzkum Antarktidy (SCAR), Komise pro ochranu životního prostředí (CEP), Stálý výbor pro logistiku a operace v Antarktidě (SCALOP) a další.
01/STANICE V BLÍZKOSTI OSTROVA NELSON
02/REFERENCE ARCHITEKTONICKÝCH ŘEŠENÍ VZDÁLENĚJŠÍCH STANIC
BELLINGSHAUSEN
Nejsevernější ruskou stanicí v Antarktidě, založenou Sovětskou antarktickou expedicí roku 1968, je Bellingshausen. Nachází se na ostrově krále Jiřího.
Od roku 2015 zde pracuje 8 lidí celoročně a 5 specialistů sezónně. Stanice slouží ke geografickým, geologickým, glaciologickým a biologickým výzkumům. Od poloviny 70. let 20. století funguje silný rádiový vysílač, který mimo jiné
Polská výzkumná stanice Arctowski byla na ostrově krále Jiřího založena v únoru 1977, spravována je Polskou akademií věd.
Kapacit stanice je až 45 osob. Provozní doba je celoroční. Podle Smlouvy o Antarktidě je označena jako místo zvláštního vědeckého zájmu, v blízkosti se nachází například kolonie tří různých druhů tučňáků.
ostrov krále Jiřího
ARTIGAS BASE
Základna Artigas je větší ze dvou uruguayských vědeckých výzkumných stanic v Antarktidě. Nachází se na poloostrově Fildes, 100 metrů od pobřeží. Otevřena byla v prosinci 1984.
Maximální letní populace je 60 osob, průměrná letní je 9 osob. Stanice se skládá z 13 budov. K výrobě energie slouží tři generátory poháněné palivem se zimní směsí. Roční spotřeba je přibližně 160 000 litrů paliva. Pitnou vodu získávají z nedalekého jezera. Zásoby jsou doplňovány jedenkrát za sezónu (v lednu). V blízkosti stanice se dá přistát s lehkými letadly nebo vrtulníky od prosince do března.
FREI BASE
Základna Frei je nejdůležitější výzkumnou stanicí Čile. Umístěna je již od roku 1969 na poloostrově Fildes.
Na místě se nachází „vesnice“ Las Estrellas s nemocnicí, školou, bankou, malým obchodem atd. Maximální letní kapacita je 150 osob, v zimě 80. Součástí je letecká přistávací dráha, kterou využívají jiné okolní stanice.
ostrov NelsonČeská polární stanice slouží od roku 2007, kdy byla otevřena. Je pojmenována po Johannu Gregoru Mendelovi. Stanice se nachází na ostrově Jamese Rosse na pobřežní terase. Je majetkem Masarykovy univerzity, která ji také spravuje.
Hlavní budova je postavena ze dřevoštěpkových tepelně izolovaných panelů. Základy stanice jsou z dřevěných pražců. Další skladovací a hospodářské objekty jsou z lodních kontejnerů. Část energie je generována ze solárních panelů. Jako zdroj vody slouží potok v blízkosti stanice.
Posádku stanice tvoří asi 15 osob. Stanice je obývána pouze přes antarktické léto, kdy zde probíhá vědecký výzkum například v oblasti geologie.
PRINCESS ELIZABETH POLAR STATION
Tato belgická polární stanice je postavena na principu nulové stavby. Nachází se v pevninské části kontinentu. Využívá se tu ekologicky přátelských materiálů.
Energii čerpá stanice z větrných turbín a fotovoltaických panelů. Distribuce a skladování energie je řízeno přes micro smart grid.
Tvar stanice a konstrukce stanice jsou optimalizovány tak, aby stavba odolala extrémním podmínkám a měla co nejmenší energetické ztráty. Stanice je provozována Mezinárodní polární nadací. Kapacita stanice je od 25 do 40 polárníků.
HALLEY VI
Britská polární stanice Halley IV vznikla podle návrhu Hugh Broughton Architects. Tato první mobilní základna stojí v pevninské části Antarktidy na pohyblivém Bruntově šelfovém ledovci. Kvůli pohybu ledovce stojí stance na ližinách, které umožňují posun stanice. Hydraulické zvedáky umožnují nadzvednout stanici nad sněhovou pokrývku.
Stanice je rozdělena na moduly, přičemž v modrých jsou laboratoře, kanceláře, ložnice pro obyvatele a technické zařízení stanice. Ve středovém červeném modulu je společenské zázemí pro
členů posádky.
BHARATI RESEARCH STATION
Indická stanice Bharati nacházející se při pobřeží severovýchodní Antarktidy je v provozu od března 2012. Tento třípatrový objekt o rozloze 2500 m2 byl zkonstruován za použití 134 přepravních kontejnerů. Celá stanice je posazená na prostorové konstrukci a je možné ji opětovně rozebrat a odstranit, aniž by po sobě zanechala stopy. Tvar její obálky je uzpůsoben tak, aby pomáhal předcházet tvorbě sněhových závějí. Ve třetím patře se nachází terasa a klimatizační systém, zatímco ve druhém jsou pokoje, kuchyně, jídelna, knihovna, tělocvična, kanceláře a dokonce malé divadlo. Laboratoře, skladovací prostory a pracovny jsou umístěny v přízemí.
Podobně jako britská stanice Halley VI, musí být Bharati vzhledem ke svojí odlehlé poloze dlouhodobě soběstačná. Teploty v této oblasti dosahují -40°C a běžně tu vanou větry o rychlosti 320 km/h. Stanice je provozována celoročně, její zimní kapacita je 47 osob a letní 72 osob.
Návrh nové stanice na Antarktidě měl dle zadání splňovat následující požadavky
maximální zastavěná plocha 148 m2
řešení technických prostor (generátorovna, skladovací prostor, dílna), energetický koncept
obytná kapacita 6-9 osob
řešení vhodného způsobu založení vzhledem ke specifickým podmínkám podloží
orientace a tvar objektů dle převažujícího směru větru, aby došlo k minimalizaci zimní akumulace sněhu na jejich návětrné a závětrné straně
využití přírodního vodního zdroje, potoku
odvod dešťové vody z prostoru stanice, aby nezatékala do podzákladí a nezamrzala následující zimu
vzhledem k vysoké vlhkosti a nízkým teplotám vyřešit dostatečné větrání objektů, aby nedocházelo k množení plísní a bakterií uvnitř uzavřených objektů
energetický koncept a nakládání s odpadem
Stanice byla založena českým občanem Jaroslavem Pavlíčkem v prosinci 1988. Třicet let byla provozována jako jediná soukromá stanice v celé Antarktidě, než ji zakladatel v říjnu 2017 daroval Českému antarktickému nadačnímu fondu (ČANF).
Nachází se v nezaledněné oáze na samém severním cípu ostrova, několik desítek metrů od břehu, který je tvořen písčitou a kamenitou pláží.
V první sezóně jižního léta po změně provozovatele, zde proběhl generální úklid ve spolupráci Masarykovy univerzity a Českého antarktického nadačního fondu (ČANF). Během této fáze bylo odvezeno více než 6 tun materiálu a byla doplněna povinná bezpečnostní výbava pro klasifikaci základny jako záchranný přístřešek (tzv. refugium). Budovy tvořící stanici umožňují pouze provizorní používání, polárníci při návštěvě přespávají ve vlastních stanech.
Stanice se skládá z hlavní chaty s pracovní místností a obytným prostorem, malou kuchyní a pokojíkem se stolem a postelí, přímotopem a několika poličkami na knihy. V další místnosti, s odděleným vchodem, je umístěn sklad baterií, kde se dříve uchovávala energie získaná z malého větrného generátoru. Dále se zde nachází toaleta. Další chatka s jednou místností sloužila jako hlavní noclehárna.
Napůl cesty ve svahu směrem k moři stojí malá dřevěná bouda s palivovými sudy a různými zásobami. Těsně nad pláží se nachází chatka tvaru A, která taktéž sloužila jako sklad.
LOGISTIKA A INFRASTRUKTURA
Nafta byla doplňována průměrně každé 3 roky ve čtyřech 100 litrových barelech a spolu s benzinem (50 litrů) určeným pro pohon člunům a použití v kuchyni, byla skladována v již zmíněné malé boudě na půli cesty k pláži.
Na místě se nenacházely žádné generátory, takže veškeré palivo bylo používáno k vytápění a bylo stáčeno do menších kontejnerů pomocí ruční pumpy.
Voda byla odebírána přímo z ledovcového jezera a byla skladována v plastových nádobách. Kanalizace nebyla zřízena, tuhé odpady se ukládaly do 100 litrového barelu, který se na konci sezóny odvážel a veškerý kapalný odpad byl vypouštěn do moře. Na stanici se nacházela větrná turbína, ale v současné době není provozuschopná.
TRANSPORT A KOMUNIKACE
Jediný způsob komunikace byl přes VHF rádio na baterie. Stanice byla přístupná na kajaku nebo nafukovacím člunu.
BEZPEČNOST A POSTUP PŘI NOUZOVÉ SITUACI
Existovala dohoda s nedalekou stanicí Eduardo Frei (Čile) v případě selhání spojení. Pokud letecká jednotka přeletěla nad stanicí s vlající čilskou vlajkou, bylo to znamení, že nastal problém a potřebují pomoc. Dále mohly být v případě nouze použity signální rakety.
Fotografie: archiv Českého antarktického výzkumného programu
Žádný plán na nakládání s odpadem neexistoval. Co bylo možné spálit, sloužilo pro vytápění chat. Plasty byly skladovány a na konci sezóny odvezeny. Organický odpad byl pravděpodobně vyhozen do moře. Žádné odpadní kompaktory se na místě nenacházely. Nebyly použity ani žádné chemikálie ať už na obecný úklid nebo hygienu.
ZDRAVOTNICTVÍ
Na stanici byla k dispozici pouze základní lékárnička a malá kyslíková bomba. Přezimování na stanici by bylo velmi rizikové, obzvlášť pokud by byla vyžadována speciální lékařská pomoc.
TURISMUS
Stanice byla dřívě využívána občasnými návštěvníky, kteří za pobyt platili nebo jinak přispívali.
Navrhování v extrémních podmínkách, v našem případě v Antarktidě, vždy přináší mnohá úskalí a právě lokální podmínky patří mezi hlavní činitele formující celý projekt.
VÍTR
Průměrná rychlost větru je v těchto místech okolo 10 m/s a převážně vane ze západu.
Ojedinělé nejsou ale ani větry o rychlosti cca 70 m/s (250km/h), tudíž aerodynamika tvaru a umístění objektu hrají v návrhu velkou roli.
Podnebí na ostrově je typicky oceánické, s relativně příznivým chodem teplot (průměrná teplota v lednu je kolem +3°C, v červenci -11°C). Oproti pevninské Antarktidě tu ale podmínky ztěžuje relativní vysoká vlhkost vzduchu (kolem 90%) a téměř neustálé srážky ve formě mrholení, deště nebo sněhu.
Při návrhu je třeba myslet na minimalizaci zimní akumulace sněhu na návětrné a závětrné straně objektu a zabránění negativního vlivu tavné vody a jejího zamrzání na konstrukci.
Je nutné dosáhnout co nejlepší vzduchotěsnosti, tedy zabránění průchodu teplého, vlhkého vzduchu do chladnějších vrstev ve vnější stěně, kde muže docházet ke kondenzaci případnému zamrznutí.
Zároveň se nesmí opomenout dostatečné řízené větrání, aby díky vysoké vlhkosti a nízkým venkovním teplotám nedocházelo k množení plísní a bakterií uvnitř uzavřeného vytápěného objektu.
Na povrchu je sezónně rozmrzající aktivní vrstva (kamenité podloží) vysoká cca 100 – 120 cm, pod ní se nachází trvale zamrzlá půda, permafrost.
Je vhodné objekt umístit na prostorovou konstrukci, která umožní plynulý průchod vzduchu a zabrání nerovnoměrnému tání aktivní vrstvy, ke kterému by mohlo dojít při kontaktu se spodní stavbou.
Tvar a orientace objektu dále podléhá předpokládanému zdánlivému pohybu slunce po obloze tak, aby byly umožněny co nejvyšší solární zisky.
OZONOVÁ DÍRA
Ozonová díra, která se nachází právě nad Antarktidou, je oblast stratosféry s oslabenou vrstvou ozonu, způsobuje větší pravděpodobnost průniku UV záření typu B a C, které má neblahé účinky jak na lidský organismus, tak na materiály.
Kombinace UV záření, vlhkosti a případných dalších degradačních faktoru vede u náchylných materiálu ke křehnutí, křídování, vzniku prasklin a puchýřů, změnám barevnosti a dalšímu poškození.
Analýza přímého slunečního svitu v době od začátku prosince do konce února pomáhá zvolit ideální tvar a orientaci objektu pro co nejvyšší solární zisky.
referenční ortogonální geometrie
Cílem projektu je komplexní návrh nové podoby stanice CZ*ECO Nelson. Tvar objektů a použité materiály zohledňují místní podmínky, schválenou zastavěnou plochu a splnění kritérií daných Smlouvou o Antarktidě. Návrh zahrnuje hlavní obytnou stanici s kapacitou 8 osob a sklad pro umístění generátoru a jiných technických zařízení.
horní strana boxu s přesahy
spojovací motýlek
ztužení boxu
Každý rám je tvořen dvojicí rámových konstrukcí, které jsou spojeny ztužujícími prkny, dutina, která vznikne spojením překližek, je vyplněna tepelnou izolací.
SPOJENÍ BOXŮ
KONSTRUKČNÍ SYSTÉM
V daných klimatických podmínkách nelze stavět klasickými stavebními postupy. Jako zásadní se jeví možnost sestavit stavbu bez mokrých procesů. Ideální inspiraci nalézáme v dřevostavbách. Stavění ze dřeva má bohatou historii. Po propojení s moderní výpočetní technikou vznikl například systém WikiHousu, který byl pro náš návrh inspirací.
Konstrukční systém se skládá z nosných rámů a ztužujících boxů. Rámy budou sestaveny na místě z jednotlivých předem připravených prvků. Jednotlivé části ponesou označení, aby sestavení proběhlo rychle a bezproblémově. Mezi rámy se vloží ztužující boxy, které se sestaví ještě před odvozem z ČR. Mnoho boxů bude standardizovaných, aby se usnadnila výstavba. Kvůli dosažení optimálního tvaru se použijí i boxy nestandartní. Nestandartní boxy budou označeny podobně jako prvky trámů. Každý box bude uvnitř vyztužen. Všechny konstrukční prvky budou na místě stavby vyplněny tepelným izolantem.
Celá konstrukce se vynese nad terén. Pro založení stavby na vrstvě permafrostu a štěrku se použijí základové pražce nebo základy z gabionů. Na ně naváží patky, které budou přichyceny do nosníků. Kolmo k nosníků budou postaveny rámy konstrukčního systému.
Rámy široké 150 mm jsou uloženy na základovou konstrukci s konstantním rozestupem 860 mm.
SPOJNÍK
POPIS MERO SYSTÉMU:
Tyčové konstrukce různé délky jsou navzájem spojeny konstrukcí uzlu kulového ocelového spojníku lisovaného za tepla, do kterého jsou tyče našroubovány. Spojník je penetrovaný a může mít až 18 děr. Duté tyčové prvky jsou vyrobeny z oceli S235 a S355. Ve zvláštních případech je možná výroba z hliníku, nerezové oceli či dřeva. Šrouby použité v konstrukci jsou vyráběny speciálně pro kosmickou konstrukci MERO a podléhají zvláštním kvalitativním požadavkům. MERO systém byl použit na stavbách jako Garden Eden Project, Letiště Jewel Changi v Singapore, Dalekohled Čerenkov na Kanárských ostrovech apod.
POUŽITÉ PRVKY:
Tyčové prvky M12 midi rod 1000mm 42x1.6 ST * painted jsou dlouhé 1 metr o průměru 42,4mm.
Tloušťka oceli je 1,6mm. Kulový spojník M12 midi standard node 49.5 ST * lacquer je z oceli jakosti
C45 a průměru 49,5mm s 18 otvory průměru 12 mm pro možné vložení tyčí. Tyto kulové spojníky jsou ke konstrukci připevněny pomocí patky Base plate D100x8mm ST * lacquer průměru 100mm.
Uhelník 80x80x80 mm s prolisem, tloušťka 1,5mm, díry ø 5 mm
Základ tvoří mřížka ze základových bukových nosníků rozměru 150x260 a délky 0,5; 3,7 a 2,4 m s rozmístěním 2,65 m a 2,525 m od sebe. Ty jsou navzájem spojeny úhelníky. Na těchto spodních nosnících je ukotven nosný MERO systém, který nese 2 páry smrkových nosníků rozměru 120x160x6170 mm, které jsou vysušené na 10-12% vlhkost, na kterých je uložena konstrukce stavby. Hranolovité nosníky se k MERO systému připevní pomcí speciálních MERO skrutek. Nosníky jsou tvořeny podélně lepenými lamelami z masivního dřeva. Lamely jsou k sobě lepené melaminovými lepidly. Nosníky jsou ošetřeny voděodolným nátěrem.
Dispozice hlavní budovy je navržena tak, aby odpovídala každodennímu režimu polárníků. Zároveň je rozmístění jednotlivých místností v navrženém objemu budovy v souladu s jejich nároky na plochu a výšku místností.
Ubikace o kapacitě 8 lůžek se nachází v místě s nejvyšší možnou světlou výškou, pro úsporu místa a efektivní využití prostoru jsou postele navrženy jako dvoupatrové s úložným prostorem. Mezi další pobytové prostory patří společná laboratoř a denní místnost s kuchyní. Navržen je i oddělený sklad potravin.
Vstup je situován z jihu. Na straně vstupního zádveří se dále nachází sušárna, technická místnost a koupelna. Nad těmito prostory je navržena půda jakožto doplňující skladovací prostor, popřípadě je zde možné uložit část technického zařízení. Jednotlivé místnosti jsou propojeny společnou chodbou uvnitř dispozice.
Záklop z OSB desek 18 mm
Vzduchová mezera pro instalace 100 mm
Parozábrana - mm
Záklop z překližky 18 mm
Foukaná tepelná izolace 250 mm
Záklop z překližky 18 mm
Trámy + minerální vata 150 mm
Záklop z překližky 18 mm
Hydroizolace 4 mm
Falcovaný plech (hliník) 0,7 mm
1. Slepení rámu okna se záklopem skla.
2. Vložení trojskla do rámu - sklo je vyměnitelné jen zevnitř.
Trojsklo se zaoblenými hranami o rozměrech 460x630x4mm s mezerami velkými 16mm, s pokovením a teplým rámečkem.
3. Vložení okenního rámu do rámu boxu, připevnění úhelníky.
4. Zaklopení vnějšího záklopu a následné přišroubování k rámu boxu.
5. Zasunutí vnějšího ochranného parapetu a jeho přišroubování z vnitřní strany.
6. Zaklopení vnitřního záklopu, a následné přišroubování k rámu boxu, a tedy uzavření konstrukce
Falcovaný plech (hliník) 0,7 mm
Hydroizolační folie 4 mm
Záklop z překližky 18 mm
Foukaná tepelná izolace 250 mm
Záklop z překližky 18 mm
Parozábrana mm
Pohledový záklop 18 mm
Interiér slouží jako vzdušný a organický pracovní prostor, který svou ergonomií napomáhá k nutné efektivitě vědeckého týmu. Je proto navržen tak, aby na omezeném půdorysu umožňoval maximálně produktivní provoz a zároveň vytvářel příjemné prostředí pro každodenní život. Použité materiály jsou vybrány s ohledem na životní prostředí a možnosti jednoduché realizace. Povrch stěn tvoří pohledová překližka, která slouží zároveň jako součást konstrukce a dodává prostoru teplý dojem. Stejný přístup je uplatněn pro návrh podlahy, která je povrchově řešena z korkového dubu.
Kuchyň
Jedna kontinuální linie propojuje kuchyň s denní místností. Záměrem bylo vytvořit organickou vlnu, která bude stejně funkční, jako samotný tvar stavby. Všechny funkce jsou tedy propojeny jednou křivkou. Z kuchyňské linky se plynule stává barové posezení s výhledem do krajiny, které následně přechází ve čtecí koutek navazující na jídelní lavici. Zaoblený společný stůl je řešen jako rozkládací, pro úsporu místa.
Ložnice
Pro ničím nerušený odpočinek jsou navrženy čtyři patrové postele doplněny o úložné prostory ve formě výsuvných boxů. Lůžka jsou pak od sebe dělena příčkou a přístup k nim je zajištěn nepravidelnými oválnými otvory, které vnáší soukromí do jinak společné ložnice.
Laboratoř
Společné místo pro práci s velkou kapacitou úložných prostor. Laboratoř je tvořena spojitým stolem lemujícím stěnu na celou šířku polární stanice a nástěnnými regály pro uložení veškerého materiálu.
Spotřeba energie je určena na základě obálky objektu, jeho dispozici a počtu lidí (8). S aktivním vytápěním skladu se nepočítá.
The energy demand based on the building skin and the functions inside the station. There is no active heating in the storage building The energy demand is calculated to 8 Person
3.1 CHP system
Hlavním zdrojem energie je kogenerační jednotka (CHP system) poháněná rostlinným olejem.
Aby se zabránilo zmrznutí vstřikovačů, systém se startuje a zastavuje pomocí Dieslu nebo palivového oleje.
Vyprodukované teplo bude sloužit k vytápění hlavní budovy, předehřátí čerstvého vzduchu, odvlhčení místností a zároveň k přípravě teplé užitkové vody.
Kogenerační jednotka se zásobníkem bude umístěna ve skladu a bude doplněna o tepelný výměník, aby se zabránilo přehřívání.
Dobře izolované tepelné potrubí povede do zásobníku tepelné energie (1000 litrů) v hlavní budově. Teplá užitková voda bude připravena z pitné vody přes průtočný výměník. Místnosti budou vytápěny pomocí přímotopů. Kompletní hydraulika musí být vyplněna mrazuvzdornou kapalinou.
3.2 Fotovoltaické panely
K získání solární energie budou využity fotovoltaické panely umístěny na severní a západní straně střechy stanice skladu.
3.3 Skladování energie
Pro skladování solární energie budou využity baterie. Případně by solární energie mohla být převedena na vodík a skladována v tlakových lahvích. V případě potřeby vyprodukuje palivový článek elektřinu. Teplo vzniklé během převodu se použije na vytápění stanice.
4 VYTÁPĚNÍ
Veškeré potrubí a kabely povedou ve dvojité podlaze, dobře přístupné
odtah vzduchu
Rekuperační jednotka (AHU) s odvlhčením
čerstvý vzduch
odpadn vzduch
Fotovoltaické panely severní a západní strana)
Akumulační nádrž (1000 l)
Průtokový výměník pro teplou užitkovou vodu
přívod vzduchu
Elektrický přímotop
Usměrňovač napětí (12 V DC/210 V AC)
Stěna
V místnostech pod okny budou umístěny přímotopy. Potrubí bude vedeno pod dvojitou podlahou.
5 TEPLÁ UŽITKOVÁ VODA
Teplá užitková voda bude připravena z pitné vody přes akumulační nádrž (1000 l) s průtokovým výměníkem.
6 VENTILACE A ODVLHČENÍ
Pro přivedení čerstvého vzduchu bez velké tepelné ztráty bude využita rekuperační jednotka (AHU). Tento systém poskytne stanici 250m3/h čerstvého vzduchu. Proudění vzduchu v místnostech bude na bázi řízeného větrání. Budou tu také senzory na CO a odvlhčení vzduchu.
7 PITNÁ VODA
Zdrojem pitné vody bude nedaleký potok vytékající z ledovcového jezera do moře. Před konzumací je vhodné vodu upravit např. filtrací.
8 NAKLÁDÁNÍ S ODPADY
Kogerenční jednotka (CHP) poháněná rostlinným olejem (start+stop pomocí palivového oleje)
Fotovoltaické panely (severní a západní strana) teplo
elektřina
HLAVNÍ BUDOVA SKLAD
Odpadové hospodářství by mělo primárně vzniku odpadu předcházet nebo ho omezit. Měl by být kladen důraz na jeho bezpečné, environmentálně přijatelné a ekonomicky výhodné využití. Recyklovatelné materiály by měly být třízeny a následně spolu s komunálním odpadem vždy na konci expedice odvezeny.
8.1 Splašková kanalizace
Dle Smlouvy o Antarktidě je přípustné odvádět kapalné odpadní vody (šedá voda, moč) přímo do moře, pokud je zajištěno jejich rychlé rozptýlení. Je třeba dbát na to, aby tyto odpadní vody neměly negativní dopad na místní mořské prostředí, proto by se mělo používat co nejméně chemických prostředků. Za účelem šetření teplé vody je pro sprchu navržen tepelný výměník, který umožní předání tepla odchozí odpadní vody čisté studené vodě.
Pro zacházení s pevným splaškovým odpadem se nabízí různé varianty. Na větších základnách v Antarktidě se běžně odpad akumuluje a následně odváží pryč z kontinentu. Ve stanicích s menší kapacitou se dá odpad spalovat.
V případě stanice CZ*ECO Nelson se jako řešení nabízí investovat do koupi plynové spalovací toalety, která zpopelní moč fekálie při vysoké teplotě. Přívod vody není potřeba. Dle výrobce (např. Cinderella Gas) je výsledným odpadem cca 1 hrnek popela na osobu na měsíc. Instalace vyžaduje přívod a odvod vzduchu, plynovou bombu a napojení na záložní elektrickou energii (0,005 Amp).
Další možností je kompostovací toaleta, kde se oddělí kapalný odpad od pevného. Odpadní voda by spolu s šedou vodou ze sprchy a umyvadel odcházela do moře, pevný odpad by se zasypával např. štěpkou, hoblinami nebo pilinami (které by se musely přivézt), ale výsledný kompost by bylo nutné vynášet a pravděpodobně skladovat a odvážet.
Materiály na stavbu stanice byly vybírány tak, aby zvládly dlouhodobě odolávat místním nepříznivým podmínkám (dešťové srážky, vlhkost, abrazivní nárazový vítr, UV záření, změny teplot). Zároveň bylo nutné uvažovat výslednou hmotnost skladebných prvků, způsob přepravy a co nejsnadnější a rychlou montáž na místě. Dbáno bylo na přednostní použití přírodních a ekologických materiálů.
Konstrukční systém objektů polární stanice musí být z lehkého materiálu, který lze přizpůsobit optimalizovanému tvaru polární stanice. Z překližky lze pomocí CNC strojů vyřezat libovolné tvary prvků konstrukce. Rozměry prvků a jejich váha umožní sestavení konstrukce pouze pomocí lidské síly.
Překližka se vyrábí slepováním vrstev dýh. Počet dýh je vždy lichý. Vlákna ve vrstvách jsou na sebe kolmá, což zlepšuje vlastnosti dřevěných desek. Použitá stavební překližka je lepena voděodolným lepidlem. Neznamená to však, že samotná překližka dlouhodobě odolá nepříznivým podmínkám. Konstrukční systém se proto musí ochránit dalšími vrstvami.
Používáme SMRKOVOU konstrukční PŘEKLIŽKU v kvalitě C+/C+ o tloušťce 18 mm. Použité desky jsou slepené ze sedmi vrstev dýhy. Materiál na stavbu prototypu je od dodavatele Jafholz.
Z překližky je navržena také velká část vybavení interiérů stanice. Tloušťka desek použitá pro vybavení stanice je stejná jako u konstrukce. Jednotlivé kusy nábytku jsou navrženy, tak aby bylo možné je vyřezat na CNC stroji a jednoduše složit na místě.
HYDROIZOLACE
Střešní hydroizolace z kvalitních materiálů a jejich profesionální zpracování jsou základem pro efektivní zhodnocení investice. Společnost KÖSTER vyrábí vysoce kvalitní střešní a hydroizolační folie již více než 30 let a v této oblasti je jedním z předních světových výrobců. Střešní folie KÖSTER TPO vynikají zejména svou jednoduchou zpracovatelností díky své flexibilitě. Jedinečné složení polyethylenu (PE) zajišťuje nekomplikované sváření švů. Takovýto svařovaný spoj vadrží velice dlouho bez poškození. Vlastnosti folie vytrvají ve značném tepelném rozsahu.
KÖSTER TPO membrány jsou vyrobeny z pružného polyolefinu. Jsou vyztuženy textilní mřížkou, aby dosáhly obzvlášť vysoké rozměrové stability a odolaly přetržení. Membrány jsou rovněž odolné proti mikroorganismům a UV záření. Celý systém hydroizolace nabízí vysokou spolehlivost a záruku rychlé a jednoduché instalace.
Parobrzdná folie tvoří vrstvu konstrukce, která má zamezit vnikání vlhkosti vzniklé v interiéru do ostatních vrstev konstrukce. V našem případě jde o důležitou vrstvu, jelikož jedním z problémů, kterým se stavba bude muset vypořádat je vlhkost. Proto je zvolena parobrzdná folie s proměnnou difúzní propustností. Tento druh inteligentní parobrzdy umožní konstrukci vysychání směrem „do interiéru“. Klasické parozábrany dovolují konstrukci vysychat pouze do venkovního prostoru.
Pro stavbu prototypu se použije parobrzdná folie ISOVER Vario® KM Duplex UV. Tato folie je ještě dodatečně vyztužena přilnavým rounem. Díky tomu folie lépe drží na dřevěném povrchu, což je vzhledem ke skladbě konstrukce výhodná vlastnost. Ke spojení jednotlivých pásů parozábrany se požijí systémové lepící pásky. Vznikne tak poměrně dokonalý systém parobrzdné vrstvy.
Rozhodující vlastností tepelných izolací je obvykle jejich součinitel tepelné vodivosti λ. Ten má mít co nejnižší hodnotu, aby materiál, dobře izoloval. V našem případě však potřebujeme zohlednit jiné klíčové vlastnosti. Je to například akumulační schopnost materiálu, jeho nasákavost ale dopad na životní prostředí.
Akumulace tepla v konstrukci zajistí, aby stavby rychle nechladla a nemusela se příliš vytápět. Dřevostavby samy o sobě mají špatnou tepelnou akumulaci. Tento problém se dá vyřešit použitím tepelného izolantu o vyšší hmotnosti.
Schopnost tepelně izolovat u některých izolantů klesá, pokud se do nich dostává vlhkost. přes použití parozábrany nelze předpokládat nulový výskyt vlhkosti v konstrukci. Izolace jako je například minerální vata s nasátím vlhkosti postupně ztrácejí schopnost dobře tepelně izolovat. Naproti tomu izolanty z ovčí vlny nebo recyklovaného textilu mají schopnost nashromážděnou vlhkost zpětně uvolnit. Nedojde při tom k poklesu tepelně izolačních vlastností.
Jako nejideálnější z materiálů se jeví tepelný izolant z recyklovaných textilních vláken. Materiál má nízké hodnoty součinitele tepelné vodivosti λ (kolem 0,035 W/(m*K)) a poměrně vysokou objemovou hmotnost, která zvyšuje schopnost akumulace. Jak už bylo zmíněno výše nevzniká ani problém při případném výskytu vlhkosti.
Tento materiál se dodává ve formě tuhých desek nebo měkkých rohoží. Pro naše řešení konstrukce bybylo nutné se s výrobcem domluvit na dodání materiálu ve formě trhaniny, aby bylo možné jej použít jako foukanou izolaci. Slovenský výrobce SK-TEX je tomuto řešení otevřen. Rámy konstrukce budou vyplněny izolací ve formě rohoží. Další výhodou recyklované textilní izolace je schopnost pohltit zvuk. Lze ji použít jako akustický izolant ve vnitřních příčkách.
ZÁKLADOVÉ KONSTRUKCE – PRAŽCE
Základové dřevěné pražce se standardně vyrábějí z dubového, bukového, borovicového nebo modřínového dřeva. Aby dřevo bylo odolné proti nepříznivým vlivům počasí impregnuje se. K impregnování se používají zejména impregnační oleje. Složení impregnačních směsí se liší dle druhu dřeva, ze kterého je pražec vyroben. Dřevěná pražce dobře fungují na kamenitém loži. Vzhledem k podkladu, na kterém je stanice postavena, představuje tato vlastnost dřevěných pražců výhodu.
Impregnované dřevěné pražce jsou použity na Mendelově polární stanici. Pražce by tvořili základ pro patky, které by byly do dřeva napojeny přes vruty.
Poslední vrstva kryje celou konstrukci. Má především ochránit konstrukci před deštěm, sněhem a abrazí od větru. Musí také odolat UV záření. Pro plechovou krytinu je možné použít různé materiály – například plechy s jádrem z nerezavějící oceli, hliníku nebo jiných slitin. Pro polární stanici používáme hliníkový plech o tloušťce 0,7 mm s vrstvou vypalovaného laku od firmy Prefa. Hliník je výrazně lehčí než jiné plechové krytiny. Tato vlastnost je výhodná pro manipulaci při stavbě a pro dopravu do Antarktidy. Hliník je dobře recyklovatelný. Většina hliníkových výrobků na světě v sobě obsahuje poměrně vysoké procento druhotně zpracované suroviny. Životnost materiálu se pohybuje kolem 100 let. Aluminiové plechy jsou odolné proti UV záření. Hliník vydrží teploty od - 80°C do 300°C. Při provádění stavby je snadněji tvarovatelný než plechy z nerezavějící ocele.
Vnější plášť bude vytvořen falcováním. Při falcování se jednotlivé pásy plechu spojují mezi sebou v drážkách, které se vytváří ohýbáním plechů. Takové spoje jsou pak dostatečně vodotěsné. K podkladu se pásy plechů tzv. šáry přikotví příponkami. Nedojde tak k proděravění Vnějšího pláště stavby.
ZÁKLADOVÉ KONSTRUKCE – GABIONY
Gabiony jsou drátokamenité prvky. Skládají se z koše vytvořeného z pletiva a kamenů případně štěrku. Drátěné koše se vyrábějí z pozinkovaných nebo aluzinkovaných svařovaných sítí, které jsou spojované pomocí drátu. Vnitřek koše se vyplní při okrajích vyskládaným větším kamenivem a do vnitřku se vysype kamenivo drobnější frakce. Výhoda Gabionové konstrukce je v její vodopropustnosti.
Tento typ základů by vyžadoval použití lokálního materiálu – kamení a štěrku. Vzhledem k dopravě na místo by však měl výhodu v malé hmotnosti kovových síťových klecí na stavbu gabionu.
OKNA – SLKLENĚNÉ TABULE
Přirozené světlo je jeden z faktorů, který vytváří příjemné vnitřní prostředí. Nejjednodušší způsob prosvětlení interiéru představují okna. Prosklené plochy představují problém vzhledem k únikům tepla. Proto je pro polární stanici navrženo použít tepelně izolační trojskla, která mají v současné době nejmenší únik tepla.
Kvůli zvýšenému množství UV záření je vhodné vnější stranu skel ošetřit folií proti UV záření. Folie ochrání polárníky a vnitřní vybavení proti nepříznivým vlivům UV záření. V zimním období, kdy není základna osídlena, budou skla ochráněna proti nepříznivým podmínkách okenicemi, které se přidělají na budovu z vnějšku.
Zasklení je ohroženo částečkami unášenými větrem, které mohou skla mechanicky poškodit. Lze tedy použít kalená vysoce odolná skla, která lépe odolají útokům přírody.
Pro stavbu polární stanice je zásadní dopravit materiál, nářadí, technická zařízení a vybavení stanice do Antarktidy. Vzdušná vzdálenost mezi Českou republikou a Nelsonovým ostrovem je cca 14 000 km. Náklad s materiály dalšími věcmi musí urazit o něco delší cestu.
První etapa cesty je do evropského přístavu. Odtud poputuje náklad do jižní Ameriky. Zde se musí přeložit na další loď, která dopraví kontejnery s materiálem až na místo stavby. Tato část cesty bude ze všech nejnáročnější.
Při stavbě Mendelovi polární stanice putoval náklad přes Hamburk do jihoamerického přístavu Punta Arenas v Chille. Na ostrov Jamese Rosse se náklad vydal až na třetí pokus.
Pro přepravu materiálu počítáme se standardizovanými kontejnery STANDARD 20‘. Vnitřní rozměry kontejneru jsou 5,9 m na délku, 2,35 m na šířku a 2,393 na výšku. Žádný z předem připravených prvků konstrukce tedy nesmí přesáhnout tyto rozměry. Celkový objem jednoho lodního kontejneru je 33,2 m3. Kontejnery se vyrábí z ocelových plátů. Proto je možné využít některé kontejnery jako další objekty stanice.
Velkou část přepravovaného stavebního materiálu budou tvořit předem připravené boxy konstrukčního systému a tepelná izolace. Ta se bude do boxů plnit až na místě, aby se snížila hmotnost boxů pro manipulaci. Z hlediska hmotnosti bude nejvýraznější položku představovat kogenerační jednotka pro výrobu energie v případě výpadku energie získávané ze solárních panelů.
Sam o ná konst r ukce 100 54 18333 00
Samotná konstrukce
po ožka poče t r ozm ě r y (m m ) obj e m m 3) hm ot nost (kg) ba e n r egulér n box y p 860x 300x 286 r egulér n box y s 860x 300x 200 nep a v de né box y r á m y s oupy 47 desky př čky 3 66 desky
f ouka ná T 84 50 3633 50 kr a b ce
TI r á m y 16 04 689 548 ole
z o a ce př čky 14 45 621 35
r o e pa oz á br a ny 8 200x 1500 2 40 45 6 ole
r o e HI 16 200x 500 1 60 694 o e
sv tky plechu 16 400x 500 1 00 960 sv itky
v r uty kr a b ce př ponky kr a b ce
hř eb ky 20 kr a b ce
pr a ž ce 32 150x 260x 2600 3 2448
pa ky 60
nosníky 19 150x 160x 5500 0 132
Te chnické zař ze n a nást r o e
po ožka poče r ozm ě r y m m ) ob e m (m 3) hm ot nos (kg) bale n s r o na f ouká n T 1 750x 1050x 1700 1 34 230 ho kov z dušná p stole osta tní ná ř a dí kr a b ce tr ubky v oda tr ubky spla šky sv itky r ubky open solá r n pa ne y pa eta elekr cké r oz v ody
V ybav e ní
po ožka poče t r ozm ě r y (m m ) obj e m (m 3) hm ot nost (kg ba e n
wc 1 790x 645x 370 0 19 20
v á nice na ča 1 330x 300x 500 0 05
m a tr a ce 8 2000x 800x 200 2 56
v y ba v en ná by tek desky
V ýp ně ot v o ů, ost at n
po ožka poče t r ozm ě r y (m m ) obj e m (m 3) hm ot nost (kg ba e n
okna - sk a 19 850x 710 11 47 760
oken ce 19 860x 860x 18 0 25
dv eř e 1 1000x 2100x 150 0 315
v r a a do sk a du 1 1500x 2100x 150 0 4725
schody ke s a n c 1
r a m pa do skla du 1
Kont e ne r 20"
dé ka (m m ) š ř ka (m m ) v ýška (m m ) kapac t a (m ³)
5900 2350 2393 33 2
kogene
a čn j ednotka 1 1560x 750x 1200 1 40 750 pa eta r oz v a děč 1 800x 300x 1000 0 24 75 a kum u a čn z á sobn k 2 800x 2100 2 11 190 r ekuper a čn ednotka 1 1370x 835x 400 0 45 80
epe ný v ý m ěn k 1 900x 305x 105 0 03 2 3
pa v o - ost nný o e ba e y
Materiál na stavbu Zateplení objektů
se o
Technické zařízení budov Vnitřní vybavení stanice, nábytek, vědecké vybavení
dokument. Hodnoty jsou pouze orientační a bude potřeba je upřesnit a doplnit podle dodatečných úprav návrhu po konzultaci se specialisty.
Nářadí vybavení pro stavbu