Priestorova štruktúra z typových elementov na báze drevených plošných prvkov

1 Úvod

Moderné veľkoplošné masívne drevené prvky, ktoré získavajú čoraz väčšie uplatnenie v oblasti drevených nosných sústav, vniesli do procesu navrhovania viaceré nové možnosti kreovania nosných konštrukcií. Prvky ako CLT a VLT dominante sa využívajú na tvorbu panelových sústav zložených zo stenových podporných a stropných doskových prvkov, ktorú nazývame stenovou sústavou. Takto vytvorená konštrukcia sa vyznačuje s vysokou priestorovou tuhosťou a potrebnou stabilitou. Odolnosť a tuhosť stropných prvkov takýchto sústav má určité limitné rozpätia v závislosti na veľkosti zaťaženia. Tieto vlastnosti je možné výrazne zvýšiť spriahnutím dreveného masívneho stropu s betónovou vrstvou. V tomto smere bol uskutočnený rozsiahly komplexný teoretický a experimentálny výskum na Katedre architektúry FU TUKE v spolupráci s USI, SvF, TUKE [1] [2] [3] [4]. Výsledky výskumu ukázali že spriahnutie masívnych drevených panelov s betónovou vrstvou umožňuje vytváranie efektívnych stropných sústav a zvyšovanie efektivity stenového nosného systému.

2 Hybridná nosná sústava na báze plošných prvkov

V oblasti betónových skeletových nosných sústav sú veľmi obľúbené tzv. skelety s bezprievlakovými stropmi. Použitím tejto analógie bola vyvinutá drevená sústava pozostávajúca zo zvislých masívnych plošných prvkov – kvázi stĺpov obdĺžnikového prierezu a drevo-betónovej stropnej dosky. Tým vznikla hybridná, stenová – skeletová nosná sústava s bezprievlakovou stropnou doskou. Takto vytvorená konštrukcia poskytuje z typologického a dispozičného hľadiska ďalšie možnosti jej využitia. Vhodnou kombináciou orientácie zvislých prvkov je možné dosiahnuť potrebnú celkovú priestorovú tuhosť a stabilitu sústavy.

Koncept steno-skeletovej sústavy sa postupne vyvíjal z variantného skladania vertikálnych a horizontálnych plošných prvkov. Experimentom vznikla racionálna priestorová štruktúra jedného typového segmentu. Tento elementárny konštrukčný prvok je tvorený troma plošnými prvkami s rovnakými rozmermi, pričom jeden je kladený vertikálne a dva prvky horizontálne. Steno-skeletová sústava je systém elementárnych priestorových jednotiek pozostávajúcich z troch prvkov. Výhodou systému je konštrukčná jednoduchosť, nízky počet použitých stavebných prvkov, variabilita priestoru pri zachovaní podstaty samotného modulu. Segmenty je možné skladať rôznymi smermi. Výhodný je predovšetkým ortogonálny systém, pričom že je možné zapojiť aj diagonálny smer.

a)

b)

Obr. 1 Steno-skeletová sústava: a) s kolmými, b) s natočenými o 45°, vertikálnymi segmentmi

Navrhovaný systém steno-skeletovej sústavy pozostáva zo základného princípu kladenia panelov v dvoch smeroch: horizontálne a vertikálne. Medzi panelmi je vytvorený tuhý spoj, a tým je zabezpečená tuhosť celej steno-skeletovej sústavy. Variabilita kladenia panelov v oboch smeroch je veľká, bude obmedzovaná prevažne iba výrobnými rozmermi prvkov a ich samotnej únosnosti.

Sústava poskytuje viac-menej voľnú vnútornú dispozíciu využiteľnú pre rôzne dispozičné usporiadanie. Taktiež vzniká podstatne širšie spektrum možných riešení opláštenia fasády, keďže nosný prvok ustúpi do vnútra dispozície. Riešeniam fasádneho systému tohto steno-sketetu sa tak otvárajú možnosti, zvislý panel už nemusí byť obvodovou konštrukciou, ale ponúkajú sa ďalšie možnosti riešenia fasády ako predsadená fasáda, zavesený obvodový plášť, atd.. Variabilné môže byť aj stvárnenie fasády domu ľubovoľným fasádnym systémom. Výhodou tejto konštrukcie je rýchlosť výstavby a jednoduchosť montáže. Celý objekt je takpovediac jednoduchá a rýchla stavebnica.

3 Dispozičné a typologické modely

Vyvíjaný systém steno-skeletovej sústavy by mohol byť aplikovaný pri riešení obytných budov, administratívnych budov, vzdelávacích zariadení. Vhodne využitie tohto konštrukčného systému sa javí najme pri malých pavilónoch napríklad výstavného charakteru. Výstavné a galerijne priestory ako také by dokázali využiť priestorový potenciál stenoskeletu, nakoľko segmenty stenových nosných prvkov ponúkajú ideálnu expozičnú plochu, s možnosťou rozširovania a dopĺňania systému v rôznych smeroch.

Tento konštrukčný systém možné byt vzhľadom na jeho modulárnosť využitý na stavby s temporárnym charakterom, ako napríklad dočasné objekty kultúrneho charakteru v mestských alebo sídliskových štruktúrach. Rozteč nosných prvkov je možné do istej miery variovať. Vďaka elementárnosti základného prvku steno-skeletu ma tento nosný systém založený na trojici clt nosníkov o rovnakých rozmeroch spojených do jedného priestorového segmentu značný potenciál vývojaschopnosti. Kombinovaním základného priestorového segmentu, jeho množením, vrstvením, natáčaním je možné dospieť k rôznym dispozičným variáciám.

Obr. 2 Príklad steno-skeletovej sústavy

Najvyšší potenciál ma jednoznačne modulová organizácia prvkov 3×3 m, pripadne násobok 6×6 m, ale taktiež systém s natočeným vertikálnym stenovým prvkom o 45°. Natáčaním vertikálneho segmentu voči horizontálnym prvkom a následným ukladaním elementárnych segmentov ku sebe tak vzniká nosný systém s modulom 4,424 m, čo je o čosi priaznivejší modul pri rozmere panelov 1,5×3 m.

4 Statická a konštrukčná analýza sústavy

Statická a konštrukčná analýza v závislosti na typologických a rozmerových možnostiach vyvíjanej steno-skeletovej sústavy na báze drevených CLT panelov je v súčasnosti predmetom prebiehajúcej výskumnej úlohy na FU TUKE. Súčasťou analýzy sú aj možnosti vytvárania prefabrikovaných dielcov z určitého počtu CLT panelov, ktoré by zvyšovali efektivitu montáže sústavy.

Obr. 3 Výpočtový model stabilného segmentu sústavy

Predbežný výpočtový model bol vytvorený z doskových a stenových prvkov, pripojenia jednotlivých dielcov sú namodelované ako kĺbové. Priestorové stuženie zabezpečuje vystriedaná orientácia stenových prvkov. Materiál bol modelovaný ako ortotropný s parametrami lepeného dreva s charakteristickou pevnosťou 24 MPa – GL24 [5] [6].

Poďakovanie

Tento príspevok vznikol vďaka podpore v rámci operačného programu Výskum a vývoj, pre projekt: Univerzitný vedecký park TECHNICOM pre inovačné aplikácie s podporou znalostných technológií, kód ITMS: 26220220182, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Literatúra

1. Kanócz, J. – Bajzecerová, V. – Mojdis, M.: Experimental and Numerical Analysis of Timber-Lightweight Concrete Composite with Adhesive Connection. Advanced Materials Research, Vol. 969, 2014, 155–160.
2. Kanócz, J., Bajzecerová V., Šteller, Š., 2013: Timber-concrete composite elements with various composite connections. Part 1: Screwed connection. Wood research 58(4).
3. Kanócz, J., Bajzecerová V., Šteller, Š., 2014: Timber-concrete composite elements with various composite connections. Part 2: Grooved connection. Wood research 59(3).
4. Kanócz, J., Bajzecerová V., 2015: Timber-concrete composite elements with various composite connections. Part 3: Adhesive connection. Wood research 60(6).
5. Blass H., Fellmoser P.: Design of solid wood panels with cross layers. 8^th World Conference on Timber Engineering, Lahti, Pp 1001–1006, 2004.
6. Harris, R., Ringhofer, A., Schickhofer, G.: Focus Solid Timber Solutions – European Conference on Cross Laminated Timber (CLT), Graz University of Technology, 2013.