Rekonstrukce dřevěných trámových stropů metodou spřažení

1. Úvod

Posilování stávajících trámových stropů je jedním z častých požadavků při rekonstrukcích bytových i občanských budov. Obvykle je požadavkem zvýšení únosnosti a tuhosti stropu, tedy snížení průhybů a vibrací od užitného zatížení. Může se jednat o stropy, které již v současnosti vykazují vady, ale i o stropy bez vad nově plánované na vyšší zatížení, než tomu bylo doposud. Důvody proč mohlo dojít k vzniku vad (i systematické rozdělení, zatřídění a popis vad) jsou dobře popsány v naučných článcích či v odborné literatuře. Z mnoha možností, jak posilovat dřevěné trámové stropy byla vybrána metoda spřažení stávajícího dřevěného trámového stropu s deskami na bázi dřeva. Článek volně navazuje na úvodní článek trilogie nazvaný Rekonstrukce dřevěných trámových stropů.

2. Spřažení dřevěných trámových stropů s deskami na bázi dřeva

Spřažení dřevěných trámových stropů s deskami na bázi dřeva je efektivní metodou suché výstavby při rekonstrukcích, kdy je potřeba zvýšit tuhost stávajícího stropu a přitom být maximálně ohleduplný k současné stavbě. Hlavní využití této metody je pro posilování stropnic stávajících dřevěných trámových stropů, kde stropnice jsou lehce poddimenzované a působí jako prostý nosník o rozpětí cca 3–8 metrů. Obvyklé rozteče stropních trámů jsou kolem 1 m. Ideální rozteč je ve skladebném rozměru spodní, příčné desky (aby se minimalizoval prořez), ale zároveň ne větší, než je únosnost této desky (aby se tato deska během montáže či pozdějšího užívání neprohýbala).

2.1 Důvody pro celodřevěnou suchou výstavbu

Použití mechanicky spojovaného deskového materiálu na bázi dřeva má svá specifika. Na základě výhod či nevýhod této metody lze určit vhodnost pro konkrétní aplikaci.

Výhody:

• zachování stávajícího dřevěného stropu
• nízká výška nově přidávaných vrstev
• snadná doprava deskového materiálu na místo stavby (relativně malé rozměry a hmotnost umožňující manipulaci bez mechanizace)
• princip suché výstavby
• významný příspěvek k tuhosti celé budovy ve vodorovném směru
• rychlost výstavby
• nepřerušený provoz v prostorách pod rekonstruovaným patrem
• nedochází k výraznému přitížení stropu ani stavby a to ani v montážním stavu (bezpečnost výstavby)
• není potřeba bednění ani podepření konstrukce
• využití přírodního materiálu a vyššího podílu lidské práce
• rozebíratelnost a recyklovatelnost (při vhodném výběru materiálu)

Obr. 1 – Pohled na dokončené spřažení stropnic s OSB deskou. Tato vrstva slouží jako hrubá podlaha.

Nevýhody:

• při zachování původních trámových stropů bývá obvykle nutno provést částečnou sanaci degradovaných částí stropnic nebo jejich výměnu
• cena může být v některých případech vyšší než u jiných technologií, obzvláště se toto týká vysokých požadavků na únosnost či tuhost
• v současnosti je toto nestandartní řešení, tedy je zde požadavek na specializovaného projektanta a důslednou kontrolu realizační firmy

2.2 Princip a teorie spojená s vytvářením kompozitního průřezu

Základní nosný prvek stropu je tvořen stropnicí (obvykle obdélníkového průřezu) a deskou na bázi dřeva (OSB, LVL, překližka) spojených pomocí mechanických spojovacích prostředků (dvouzávitové vruty WT-T) do jednoho kompozitního průřezu. Každý spřahující vrut je namáhán střihovou silou, a tedy je vystaven posunutí. Vztah mezi vzájemným posunutím části průřezu a příslušnou silou je vyjádřen modulem posunutí K_ser. Spojovací prostředky musí být kontinuálně rozděleny po celé délce nosníku, nicméně v rámci ekonomiky a efektivity návrhu je výhodné, aby jejich rozmístění korespondovalo s velikostí smykové síly v dané oblasti. Prvky tvořící horní nosnou desku mohou být ve středové části děleny (prvek je tlačen, ve středu nosníku je nulový posun), což usnadňuje manipulaci a montáž.

Posouzení navrženého průřezu vychází z teorie kompozitního nosníku s poddajně spojenými částmi. Z teoretické stránky lze použít analytické řešení pomocí diferenciálních rovnic rovnováhy, energetické úvahy nebo programy na základě metody konečných prvků. Pro praktický výpočet lze použít vztahy uvedené v normativních dokumentech.

Vzhledem k tomu, že vibrace vytváří obvykle jednotlivá osoba (soustředné, bodové zatížení), lze s výhodou využít i roznos tohoto zatížení nově vytvořeným stropním diafragmatem v příčném směru na okolní nosníky. Tuto funkci může přebírat i konstrukce podlahy, obzvláště pokud obsahuje podlahové rošty. Rozložením působící síly na více nosníků se může v některých případech problém vibrací vyřešit i bez dalšího posilování tuhosti stropní trámové konstrukce.

2.3 Způsob návrhu, vhodnost materiálů a projekční požadavky na konstrukci stropu

Původní historické stropnice obvykle nevykazují vzájemnou rovinnost horní hrany. Jednotlivé kusy často bývají různě zkroucené, deformované od průhybu nebo nerovnoměrně uložené v podporách. Toto bylo akceptovatelné z toho důvodu, že nad záklopem byla ještě poměrně masivní vrstva násypu a tedy rovinnost hrubé podlahy nebyla požadována. Za předpokladu, že i nová konstrukce podlahy bude obsahovat vyrovnávací vrstvu, lze tyto nerovnosti také akceptovat. Pro odchylky v rovinnosti horní hrany stropnic je limitující potřeba zajistit plné dosednutí všech podpor první vrstvy deskového materiálu (uloženého kolmo na stropnice). Absolutní hodnota odchylek v rovinnosti je dána interakcí mezi tuhostí použité desky a vzdálenosti mezi stropnicemi, protože přirozený průhyb desky menší nerovnosti absorbuje (tenká OSB deska umožňuje při stejné rozteči stropnic povolit větší nerovnosti podkladu než tlustá deska LVL). Příčné spoje desek musí na sebe těsně navazovat (bez výškových skoků), protože navazující horní vrstva desek musí plošně kopírovat podklad. Neakceptovatelné nerovnosti stropnic je možné řešit podložením nebo se zbroušením přečnívajícího povrchu. Takovéto úpravy je nutno vždy konzultovat s projektantem.

Obr. 2 – Zajištění rovinnosti horní hrany podlahových nosníků na nerovné hrubé podlaze za pomoci distančních podložek. Podložky jsou umístěny liniově tak, aby kopírovaly stropnice pod nimi. Mezi podlahovými nosníky bude následně provedena vrstva pěnového skla.

Desky se kladou ve dvou na sebe kolmých směrech. První vrstva je roznášecí, klade se kolmo ke stropnicím a primárně zajišťuje přenos svislého zatížení působícího mezi stropnicemi. Druhá vrstva je kladena rovnoběžně se stropnicemi a primárně zajišťuje požadované vyztužení stropnic, je to tedy tlačená část nově vytvořeného T-průřezu. Za předpokladu účinného propojení obou vrstev (například slepením) lze uvažovat obě dvě vrstvy jako jeden kompaktní ztužující materiál. Jako deskové materiály se nejčastěji používají desky OSB, LVL a překližka. OSB desky jsou cenově výhodné, nicméně mají výrazné reologické chování (dotvarování v čase) a velmi nepříznivě reagují na zvýšenou vlhkost. Naopak desky LVL jsou sice dražší, nicméně reologický a vlhkostně se více podobají dřevu. Překližka je progresivní materiál s vysokou pevností a se specifickými vlastnostmi i cenou.

Obr. 3 – Systém kladeni LVL desek v první (3a) a ve druhé (3b) vrstvě

Volné okraje desek musí být z důvodu tuhosti finální podlahy podepřeny nosným prvkem. Z tohoto důvodu se podél uložení trámů vkládá výztužný nosník. V případě, že by u okraje podlahy chyběla stropnice nebo byla vzdálenost od poslední stropnice ke zdi příliš velká, bude ke zdi přikotven přídavný okrajový roznášecí nosník.

Všechny deskové materiály je nutno dilatovat dle požadavků výrobce. Tato dilatace má zásadní vliv na funkčnost podlahy a zajišťuje možnost realizace objemových změn materiálu. Obvykle je dostatečné rozdělit dilatační celky po jednotlivých místnostech bytových domů. Dilatace probíhá kolem stěn a rozděluje jednotlivé stropy na samostatné dilatační celky. Dilatace stropního diafragmatu navazuje na celkovou dilataci podlahy a splňuje tak požadavky na omezení přenosu vibrací a kročejového hluku z podlahy.

Obr. 4 – Provedení dilatačních celků jako jednotlivých místností – zakončení spřažených OSB desek konstrukce stropu kolem dveří a kolem zdí dilatačním páskem

 

Obr. 5 – Provedení šikmého vrutování a rozmístění vrutů po délce stropnic

Jako spřahující prvky jsou použity dvouzávitové vruty SFS WT-T. Hlavním důvodem pro použití těchto vrutů je jejich stahující účinek, který vytváří předpětí ve spoji mezi stropnicí a deskovým materiálem. Toto předpětí zvyšuje tření ve smykové ploše a v případě použití lepidla zajišťuje přítlak v průběhu tvrdnutí lepidla. Vysoká protikorozní ochrana a speciální hlava umožňuje pozdější vyšroubování vrutu. Rozteče vrutů jsou z důvodu snadné montáže rozdělený do několika úseků s různou hustotou vrutů, což reflektuje maximální sílu na okraji a minimální uprostřed stropnice. Rozteče vrutů, jejich vzdálenosti od okrajů a mezi sebou musí splňovat požadavky statického výpočtu, normativních dokumentů i doporučení výrobce. Vlastní zavrutování může být kolmé nebo šikmé. Při kolmém zavrutování vrut přenáší sílu hlavně svou smykovou tuhostí, při šikmém zavrutování efektivně přidává i svou pevnost v tahu. Nevýhodou šikmého zavrutování je zvýšení délky vrutu a nutnost dodržet technologické požadavky při provádění vrutování pod úhlem.

3. Realizace stropních konstrukcí

3.1 Spřažení stropnic s deskami OSB (pouze pro snížení průhybu)

První ukázkový případ representuje lehkou verzi spřažení stropnic s deskami OSB. Jednalo se o stropnice o typické geometrii: světlý rozpon 6,1 m, průřez 210×270 mm, osová rozteč po 1,04 m. Po vyřešení odlehčené skladby podlahy a jejím zadání do statického výpočtu bylo ověřeno, že stávající stropní konstrukce vyhovuje na únosnost (I. MS), ale vykazuje zvýšený průhyb a sklon ke kmitání (II. MS). Návrh statického zajištění rekonstrukce řešil snížení průhybu a zvýšení tuhosti stávajícího stropu spřažením stropnice s dvojitou OSB4 deskou Egger 22 mm 4PD. Provedení desky bylo v první vrstvě kolmo na stropní trámy vystřídaně a v druhé vrstvě podél hlavních nosných trámů také vystřídaně. Pro vysvětlení způsobu montáže OSB desek byl vytvořen orientační kladečský výkres pro obě dvě vrstvy spřahujících desek. Cílem bylo, aby se desky spojovaly ve vhodných místech na nosných trámech a správné provedení jednotlivých spřahovacích SFS vrutů odpovídající konstrukčním zásadám.

Roznášecí hranoly v konstrukci podlahy umožnily roznos osamělé síly na více stropních nosníků, a tím se snížila a zároveň i tlumila budící síla způsobující rozkmitání stropnic.

Po provedení spřažení byla zkoušena tuhost výsledného stropu pomocí zjednodušeného tzv. Heel drop testu. Rozdíl mezi tuhostí samostatné stropnice a spřaženého průřezu byl natolik zřejmý, že jej vnímali i zůčastnění laici. Po provedení podlahy byla provedena sada testů ověřující průhyby a kmitání stropu.

Orientační cena posilující konstrukce (OSB desky, vruty, přesun hmot, montáž) byla 1000 Kč/m² v cenové relaci roku 2017.

3.2 Spřažení stropnic s deskami LVL (posílení únosnosti i tuhosti)

Druhý ukázkový případ representuje rekonstrukci běžné podlahy s úpravou na kancelářské prostory (zvýšené užitné zatížení). Jedná se o stropnice o typické geometrii: světlý rozpon 7,0 m, průřez 200×250 mm, osová rozteč po 1,0 m. V tomto případě ani snížení stálého zatížení po úpravě skladby podlahy nesplnilo požadavky na bezpečnou únosnost stávajících stropnic. Navržené řešení spočívalo ve spřažení stávajících stropnic s deskou LVL, kladenou ve dvou vrstvách nad sebou. První vrstva byla kladena kolmo ke stávajícím stropnicím, na kterých byla stykována. Kladení druhé vrstvy probíhalo podél stávajících stropnic, LVL desky byly stykovány uprostřed rozpětí stropnic. Pro obě dvě vrstvy byl vytvořen podrobný kladečský plán a vzhledem k ceně materiálu byla provedena optimalizace rozložení desek (k minimalizaci prořezu).

Vrstvy LVL desek byly vzájemně k sobě přilepeny polyuretanovým lepidlem. Toto lepidlo bylo pouze dodatečným zpevněním, které nebylo uvažováno ve statickém výpočtu (na stavbě nebylo možno garantovat technologické požadavky pro lepený spoj).

Vrutování se provádělo dle přesně zakreslených obrysů stropnic na horní LVL desce tak, aby došlo k dodržení vzdáleností spojovacích prostředků od okrajů a konců (jak od LVL desek, tak od okrajů stropnic). Vlastní vruty SFS WT-T ø 6,5 dl. 130 mm byly navrženy jako šikmé z důvodu zvýšení jejich únosnosti na snížení prokluzu. Na základě zkušenosti ze stavby se jeví jako jednodušší použít vruty kolmé o adekvátně větším počtu, z důvodu pracnosti i snazší kontroly prováděných prací.

V praxi se objevily časové problémy s dodáním LVL desek, které byly způsobeny hlavně v té době netypičností tohoto materiálu a jeho malým zastoupením na trhu. Vzhledem k vysoké hmotnosti LVL desek bylo preferováno snížit rozměry desek na minimum. Desky byly skladovány v suterénních prostorech, kde byly po odměření na stavbě nařezány do patřičných rozměrů a vyzvednuty do místa umístění. Odřezané části bylo vzhledem k optimalizaci prořezu nutno evidovat a dále použít dle kladečského plánu. Rovinnost stávajících stropnic nebyla ideální a některé části musely být lokálně lehce zbroušeny, aby byl splněn požadavek na pevné uložení příčných desek první vrstvy (aby dosedaly na všech svých podporách). Výsledný strop vykazoval vysokou tuhost a téměř jej nebylo možné rozkmitat. Kontrola rovinnosti vzhledem k budoucí násypové vrstvě nebyla požadována.

Orientační cena posilující konstrukce (LVL desky, vruty, přesun hmot, montáž) byla 2200 Kč/m² v cenové relaci roku 2017.

Obr. 6 – Přístroje na měření vibrací podlahy. Tým z brněnského VUT FAST vedli doc. Ing. Pavel Schmid, Ph.D., Ing. Petr Daněk, Ph.D. a doc. Ing. Jan Pěnčík, Ph.D.

4. Experiment

Experimentální výzkum má za úkol testovat hlavní nosný prvek spřažení, tedy vruty spojující deskový materiál se stropnicí. Tento výzkum je zaměřen jak na jednotlivé spojovací prvky (modul prokluzu a vliv tření od stahujícího účinku dvouzávitových vrutů), tak na nosník jako celek. V rámci experimentů se bude sledovat vliv různých typů vrutů na únosnost v různých materiálech (OSB deska, LVL deska a překližka). Vzhledem k přítlačné síle vyvozované od dvouzávitových vrutů SFS WT-T existuje možnost posílení tuhosti spoje lepidly. Laboratorní zkouška stropnice reálných rozměrů je ve fázi přípravy. Během této zkoušky bude možné sledovat soulad modelu spojovacích prostředků v programu na bázi MKP s realitou. Všechny laboratorní experimenty jsou ve fázi příprav, experimenty a ověřující testy na stavbě již byly provedeny.

5. Závěr

Posilování stávajících trámových stropů metodou spřažení dřevěných stropnic s deskami na bázi dřeva má velké množství výhod, které byly v procesu návrhu i realizace potvrzeny. Vzhledem k efektivitě daného řešení a k výhodám výše uvedeným se tento způsob posilování jeví jako vhodný a efektivní.

Realizované stropní konstrukce obecně vykazovaly vyšší tuhost, než byla výpočtem předpokládána. Zde je možnost dále optimalizovat návrh na základě experimentálního výzkumu a zavedení přesnější metodiky výpočtu.

Provedené stropy budou dále sledovány, obzvláště z důvodu reologického působení spřahujících prostředků na deskové materiály.

Poděkování

Část výsledků uvedených v článku byla získána za podpory rozvojového programu MŠMT Fakulty architektury VUT v Brně, č. RP_VS/2017/5 „Inovace technických předmětů BSP – II“.

Literatura a použité materiály

1. Vejpustek Z., Straka B.: Rekonstrukce historických trámových stropů, TZB-info, 2017, ISSN 1801-4399.
2. Vinař, J.: Historické krovy – Typologie, průzkum, opravy. Grada, Praha, 2010, 448 s.
3. Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. 2006.
4. ČSN 73 1702 – Navrhování, výpočet a posuzování dřevěných stavebních konstrukcí – Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby; platná od 11/2007.
5. Solař, J.: Navrhování podlah v rámci sanace vlhkého zdiva. Sborník vědeckých prací VŠB-TUO, řada stavební, VŠB TU Ostrava, 2009.
6. KOŽELOUH, B.: Dřevěné konstrukce podle eurokódu 5 STEP 1, Navrhování a konstrukční materiály, 1sted., Zlín: KODR,1998, ISBN 80-238-2620-4. Autorizovaný překlad z anglického originálu „Timber Engineering STEP 1“.
7. Technické materiály k vrutům firmy SFS intec
8. Technické materiály k OSB deskám firmy Egger
9. Blass, H. J., Ehlbeck, H., Kreuzinger, G., Steck, G. (Překlad a odborná redakce Koželouh, B.): Navrhování, výpočet a posuzování dřevěných stavebních konstrukcí, Informační centrum ČKAIT s.r.o., Praha, 2008.