Celodřevěné plátové spoje a možnosti jejich oprav

Úvod

V České republice existuje celá řada památek či sakrálních staveb, které jsou kvůli své nekomerční podstatě či z důvodu zanedbání údržby ve špatném technickém stavu. Dřevěné konstrukce jsou nejvíce ohroženy v místech přítomnosti zvýšené vlhkosti (zatékání, kondenzace), a dochází u nich tak ke zhoršení mechanických vlastností kvůli hnilobě či napadení houbou; časté je rovněž napadení hmyzem. Jednou z možných intervencí při opravě poškozených nosných částí konstrukce je pak plátování pomocí celodřevěných spojů. Tato technologie je často skloňována i komentována z odborných kruhů, a jak napovídá název příspěvku, je k ní přistupováno i s různým předporozuměním jak ze strany techniků, tak ze strany pracovníků památkové péče. Stať si dává za cíl vyložit problematiku celodřevěných spojů v kontextu dialektického uvažování nad touto možností opravy, snaží se najít klíč k porozumění opravě samé, jejím výhodám a slabinám. Setkáváme se totiž často s pouze částečným pochopením tohoto postupu z různých úhlů pohledu: z pohledu památkáře či člověka zodpovědného za stabilitu konstrukce, z pohledu vlastníka objektu či autora tohoto příspěvku. V textu proto necháváme zaznít různým argumentům, které tvoří poměrně pestrou mozaiku, a snažíme se o co nejobjektivnější syntézu a závěr.

Přístupy k opravám

Obecně řešíme otázku, zda je dřevěná konstrukce památkově chráněného objektu primárně cenným artefaktem, či běžnou inženýrskou konstrukcí. Vyjdeme-li z předpokladu (a odpovíme si tak), že u daného objektu má taková konstrukce památkovou hodnotu (tím, že nese informace o památce, že historický materiál sám má hodnotu, že udržuje historický ráz a typ konstrukce), musíme nutně poodstoupit od čistě funkčních pohledů a přidat další rozměr, který se v praxi promítne do požadavku zachování co možná maximálního objemu původního (zdravého) dřeva. Nicméně je třeba přitom brát (a to zejména) v úvahu spolehlivost konstrukce po opravě. Je totiž zřejmé, že žádnou opravou nelze docílit vyšší či stejné spolehlivosti konstrukce, jako by byla v případě plného nahrazení novými prvky, což však ve výše uvedeném vylučujeme. Tím tedy je jasné, že hledáme takovou opravu, která bude kompromisní a bude vykazovat dostatečnou dlouhodobou spolehlivost při zachování maximálního množství původního dřeva. Ladíme tedy vhodně k sobě spolehlivost s autentičností památky a její památkovou hodnotou.

Při opravách dřevěných prvků je teoreticky možné použít tyto konstrukční varianty: příložky (tj. zvětšení účinných profilů použitím dodatečných dřevěných prvků v kombinaci s ocelovými spojovacími prostředky), vyztužení ocelovými prvky (např. stažení ocelovými třmeny) nebo plátování. Příložky jsou sice z pohledu dřeva maximálně šetrné, neboť nechávají v konst rukci všechen originální materiál, jsou však velice nevzhledné, zakrývají originální prvky a některé napadené části musí být stejně odstraněny; neřeší tedy mnoho. Jedná se spíše o provizorní řešení, kdy z nějakého důvodu (např. čas, finance) není možné navrhnout řešení respektující původní konstrukční systém. Stejné argumenty mohou být použity proti vyztužení konstrukce různými ocelovými prvky, které může být vysoce funkční, avšak často vysoce technicistní a taktéž neřešící materiál, který je nutno odstranit. Dostáváme se tedy logicky k plátování, kde existují dvě základní varianty, které budeme v následujícím textu důkladněji rozebírat. Jedná se o plátování za použití dřevěných či ocelových spojovacích prostředků.

Nejprve je třeba říci pár slov o plátování jako takovém, neboť běžné předporozumění nebere v úvahu mnoho faktů. Tak tedy: každý plát je zásah do konstrukce, a mění tedy její únosnost. Ač očekáváme zvýšení únosnosti, navýšení není velké a paradoxně může být po zásahu i únosnost obdobná – mnohdy předimenzované historické konstrukce totiž mohou být poměrně spolehlivé i v poškozeném stavu. Je tedy dobré vyjít z toho, že nevylepšujeme konstrukce (z poškozeného stavu) v mechanickém slova smyslu, jako spíše odstraňujeme možné další zdroje degradace – poškozené či vlhké části dřeva. Proto pak výsledná únosnost prvků může být podobná či jen o málo vyšší, než byla ta před opravou. Nutnou podmínkou každé takové sanace je také odstranění příčin degradace. Navíc plátované části jsou citlivější na možné negativní vlivy. Pokud bychom uvažovali cyklus případné obnovy spojů v budoucnosti, je třeba se smířit s faktem, že bude pravděpodobně kratší než při výměně celých prvků. Velikou výhodou této technologie by měla být cena, neboť není nutné (a často i správné) odstranit celou krytinu či obnažit celou konstrukci, ale k opravě může dojít část po části, např. pomocí heverování. To navíc zmenšuje problémy u starých staveb běžné, že totiž změnou zatížení již různě sedlé konstrukce začneme i ostatní části budovy namáhat jinak, což může vést k dalším problémům např. ve zdivu či klenbách. Tento rys se může projevit i uvnitř dřevěné konstrukce samé, protože každou změnou tuhosti části dochází k přerozdělení napětí jinam. Následkem je pak koncentrace sil v tužší (zdravé či neplátované) části konstrukce. Spoje rovněž vyžadují kontrolu a údržbu, protože u starých staveb nemusí být působící síly přesně takové, jako jsou teoreticky spočítané při statickém výpočtu; je možné, že některá část přenáší reálně vyšší síly, ať už z důvodu rozdílné tuhosti spojů staticky neurčité konstrukce, nebo z důvodu deformace konstrukce. Dřevo také může pracovat při vysychání či naopak při cyklických změnách teploty a vlhkosti. Proto je při aplikování plátů nutná obezřetnost a zkušenost nejen provádějící firmy, ale i projektanta či statika. Dobré je se jistit více principy stejně tak, jak se dělalo dříve při zkušenostním navrhování. Je jasné, že proti tomuto stojí někdy příkře skutečnost veřejných soutěží preferujících cenu, a může tak dojít k situaci, kdy je vybrána nezkušená firma, která se tím sice naučí další věci, ale výsledek nemusí být ideální.

I přes zmíněné výstrahy lze o plátování uvažovat jako o ideální variantě opravy, pokud je cílem zachování památkové hodnoty stavby pro příští generace. Jednoznačným přínosem je již zmíněná cena opravy, rychlost, proveditelnost (např. výměna celého prvku, zčásti poškozeného, je někdy možná pouze za podmínky rozebrání a rozbourání části konstrukce, plátování je pak jednodušší formou opravy) nebo nenáročnost na zdroje – není potřeba těžká mechanizace. Důležitým parametrem je snaha o vzhledovou/pohledovou kompatibilitu a nenápadnost opravy, která je důležitá zejména tehdy, pokud jsou opravované části konstrukce viditelné (např. exponované stropní trámy).

Připojme ještě krátkou poznámku o původnosti plátových spojů, která může být jedním z bludných balvanů dialogu. Ani celodřevěné ani plátové spoje s ocelovými spojovacími prostředky (dále jen SP) nejsou spoji původními nebo tradičními, protože se s nimi v historických konstrukcích setkáváme zřídka (např. ležaté pláty při nastavování pozednic či vaznic). Plátové spoje pro částečné opravy stropních a vazných trámů, krokví či jiných prvků jsou inovativní konstrukční řešení, principy jejich mechanického chování a struktura však vycházejí z tradičních tesařských postupů. Rovněž koncept původního je více než zavádějící a lze jej snadno odstranit otázkou: co je vlastně původní? Vhodnější by tedy bylo hodnotit kompatibilitu použitého spoje s opravovanou konstrukcí a na jejím základě volit nejlepší přístup. Pro ilustraci, opravujeme-li středověký krov, měli bychom sáhnout po řešení, které následuje principy středověkého krovu a druhy prostředků, které se v něm používaly (tedy dřevěné). Pokud opravujeme konstrukci, ve které byly v baroku používány ocelové třmeny a velké železné trny/hřeby, je přirozené jít i touto cestou. Nejde totiž o nic menšího, než zachovat pro budoucí generace určitý pocit autentičnosti (ne nutně stylové čistoty) u význačných památek. Jistě nelze tento přístup aplikovat paušálně na celou realitu architektonického dědictví, neboť by to bylo absurdní trvání na pouze minulém. Při rekonstrukci se do památky vždy vloží otisk doby, ve které oprava probíhá. Je však na nás, jaký bude. Mnohé příklady oprav z období komunismu, který se takových řešení nebál, jsou odstrašující a v dnešní době postupně dochází k nápravě.

Vlastnosti spojů

Nyní však srovnejme dvě varianty, celodřevěný spoj (tj. spoj s dřevěnými SP) a spoj využívající průmyslově vyráběné ocelové SP. V následující pasáži budou srovnány z různých úhlů pohledu, neboť jejich přednosti a nedostatky není možné jednoduše shrnout sumou bodů pro a proti. Naopak je výhodné je navíc kvalitativně vyhodnotit pro konkrétní užití a konkrétní situaci v konstrukci. Následující přehled je zpracován se snahou o maximální objektivitu.

Mechanické a fyzikální vlastnosti spojů

Dřevo má oproti oceli (jako materiál na spojování plátů) některé výhody. Především je fyzikálně kompatibilní s ostatním dřevem, a netrpí proto problémy, které plynou z nespojitého přechodu vlastností, jako je např. kondenzace par vlivem jiné tepelné vodivosti a měrné tepelné kapacity materiálu, která je přímo korelovaná s korozí (lze jistě odstranit vhodnou povrchovou úpravou prostředku). Dále se dá při zachování vhodného pracovního postupu počítat s protichůdným bobtnáním předsušených SP a sesycháním okolního dřeva, čímž dosahujeme vysoké kvality kontaktu a tření materiálů. Z pohledu návrhových hodnot mají ocelové SP stejných rozměrů mnohem vyšší únosnost střižné plochy než ty dřevěné (cca 4×), a proto jsou preferované v částech konstrukce namáhaných vysokými hodnotami tahového napětí. U ostatních druhů namáhání (tlak, ohyb, nízké hodnoty tahu a jejich kombinace) však plátové spoje s dřevěnými SP vykazují obdobné mechanické vlastnosti, což je dáno zejména zapojením šikmých čel spojovaných plátů do mechanického působení. Dosednutí čel a následná lepší distribuce vnitřních sil jsou umožněny větší poddajností dřevěných SP. Tuhost ocelových SP (např. svorníků, kolíků) by takový kontakt nedovolila, a proto nejsou šikmá čela v takových spojích užívána. Ocelové svorníky v únosnosti spoje využívají také kvalitní příčné stažení, zvýšení spolehlivosti spoje lze dosáhnout přidáním SP působících ve smykové rovině plátu (buldoky apod.), což vede k vysokým únosnostem zejména tahovým.

Obr. 1a, b: Typický celodřevěný spoj s šikmými a podkosenými čely (vlevo) a podobná oprava provedená pomocí plátů s ocelovými SP (vpravo)

Obr. 2a, b: Nenápadnost opravy pomocí celodřevěného spoje (vlevo) a oprava provedená pomocí příložek upevněných závitovou tyčí (vpravo)

Nicméně, vzhledem k tomu, že je nutno vždy uvažovat návrhovou bezpečnost, fakticky lze u všech druhů spojů počítat s výslednou návrhovou hodnotou únosnosti v ohybu pohybující se maximálně kolem 25 % únosnosti plného profilu zdravého dřeva, neboť takový je požadavek na koeficienty bezpečnosti dle navrhovacích norem. Tyto relativně nízké hodnoty však jsou dostačující z toho důvodu, že spoje umisťujeme často právě do míst, kde je namáhání malé – blízko zhlaví trámů. Je to obvykle právě to místo, kde problémy související s přítomností vody často vznikají a rozvíjejí se. Různá poddajnost dřevěných a ocelových SP vede rovněž k různým modům porušení; dochází k jinému poměru otlačení na straně dřeva a SP, a to jak ve směru podél vláken, tak i kolmo na vlákna. Obecně se dá říci, že síly se lépe a rovnoměrněji roznášejí do více prostředků u dřevěných SP než u ocelových vlivem vyššího dotvarování dřevěných SP. Vyšší počet SP v plátovém spoji primárně nevede k vyšší únosnosti spoje v ohybu. Tahová únosnost při shodném počtu SP zůstává výrazně lepší u plátu s ocelovými SP. Zkušenostní přidávání kolíků je jistě vhodnější díky redistribuci sil u dřevěných SP. Ve výzkumu se rovněž potvrzuje, že minimální vzdálenosti mezi dřevěnými SP (i vzdálenosti od okrajů) nemusí být tak velké jako u ocelových SP. Vytváření skupin dřevěných kolíků oproti skupinám svorníků není vyřešeno, a proto se zatím používá vzorec pro efektivní počet SP v řadě dle EC 5. Experimenty na toto téma budou v budoucnosti provedeny. Zajímavým aspektem může být i požární odolnost, kdy dřevěné spojovací prostředky mohou mít větší odolnost než ocelové prostředky, které ve vysokých teplotách rychle plastizují a stávají se poddajnými; experimenty však nebyly pro svou náročnost vykonány, a nelze se tedy opřít o tvrdá data.

Vzhled

V kontextu památkové péče je vzhled opravy nezpochybnitelnou hodnotou. Největší výhodou celodřevěných spojů je jejich nenápadnost, neboť vhodně povrchově opracované jsou pro necvičené oko návštěvníka prakticky neviditelné. To je důležitý argument, proč jsou preferovány i v barokních konstrukcích, ve kterých již docházelo k používání kovových SP, a aplikací celodřevěného spoje se tak dopouštíme eklektické aplikace dříve neexistujícího. Někdy se můžeme odvolat i na fakt, že se tyto spoje mohou nazývat tesařskými, což upozorňuje na způsob jejich aplikace pomocí prostředků, které jsou po ruce a dají se vyrobit přímo na místě stavby. Pokud se opravují viditelné části konstrukce, jsou obvykle celodřevěné spoje preferovanou variantou, neboť výsledek je z vizuálního/estetického hlediska lepší. V případě kvalitní práce může i svorníkové řešení přinést pozitivní výsledek, neboť také spoje s ocelovými SP mohou být provedeny nenápadně, např. díky zazátkování zapuštěné hlavy svorníku dřevěným víčkem. Taková technologie je jistě možná a bude preferovaná např. v místech, kde je tak výrazné tahové namáhání, že dřevěných SP by muselo být k přenesení vnitřních sil ve spoji nesmyslně mnoho. Nicméně, vzhledem k sesychání dřeva v konstrukci může časem dojít k povolení svorníků, pravidelná kontrola spoje je tedy nutná i u této varianty plátů. Pokles svěrné síly s sebou může nést drobné rozevření kolmého čela či snížení funkce SP vložených do smykové spáry. Velkou nevýhodou u ocelových SP může být přítomnost koroze (někdy preventována pozinkováním), která někdy ovlivní i okolní dřevo. Při změnách vlhkosti okolního prostředí dochází totiž ke kondenzaci páry na povrchu svorníku.

Návrh a výroba

Nevýhodou dřevěných SP je variabilita materiálových vlastností a komplikovanější definice jakosti, než je tomu u homogenní oceli. Je proto nutné, aby za správný postup výběru dřeva a vyhotovení SP převzal zodpovědnost přímo tesař či zhotovitel spoje. Bezvadné dubové dřevo má v takto malém rozměru, ve kterém můžeme zkušenostně i vizuálně zamezit imperfekcím, poměrně malý rozptyl – cca 2× nižší než pro dřevo uvažované jako kontinuum.

Porozumění materiálu je zásadní pro správné provedení spojů, zejména přítomnost reakčního dřeva či suků v oblasti otvorů pro kolíky nebo v oblasti oslabeného průřezu může výrazně snížit únosnost spoje. U ocelových SP tyto problémy téměř odpadají, byť aplikace svorníků např. do výsušných trhlin může být také zdrojem výrazně nižší únosnosti. Úspěšná aplikace a fungování spoje jsou podmíněny vysokou přesností provedení. Je proto nutné volit zkušenou prováděcí firmu. Kvalita výsledku je obvykle v přímé úměře k času zhotovení. Důležité je i poměření časových náročností jednotlivých technologií: obvykle je proříznutí plátu motorovou pilou spolu s vyvrtáním děr a sešroubováním svorníku rychlejší než kvalitní a poctivé sesazení šikmých čel s minimálními tolerancemi, opakovaným prořezáváním čel apod.

Z pohledu projektanta či statika mohou být celodřevěné spoje problémem kvůli chybějící normě pro navrhování tesařských spojů. To zčásti řeší certifikovaná metodika Celodřevěné spoje pro opravy historických konstrukcí [1], která má v hierarchii návrhových dokumentů mnohem nižší statut (jedná se o výsledek výzkumu, neprochází klasickým postupem v TNK 34) než např. norma EC 5 [2] či ČSN [4], ve které jsou popsány ocelové SP, ale i dřevěné hřeby a kolíky v jednoduchém namáhání. Podmínkou správné aplikace spoje do konstrukce je znalost alespoň přibližné distribuce vnitřních sil, aby bylo vybráno vhodné místo. V případě složitých krovových konstrukcí je výpočet komplikovaný a tuhostně nejasný a použití „únosného“ spoje s ocelovými SP je lákavé. Předpokládá se, že přenese pravděpodobně i poměrně vysoká zatížení, byť by byla neznámá. Všechny konstrukce jsou v dnešní době řešeny pomocí ocelových SP právě kvůli jejich vysoké únosnosti a jisté univerzálnosti, a je proto jasné/zřejmé, že řada techniků volí toto standardní řešení.

Resumé

Výše uvedené poznatky jsou získány dlouhodobým pozorováním realizací, ale i experimentální prací a výzkumem daného tématu. Z mnoha protichůdných informací je možno extrahovat možná poměrně jednoduché závěry, pro případný dialog je možno použít argumentů i protiargumentů uvedených v předchozím textu:

1. Celodřevěné spoje jsou žádoucí především tam, kde si je lze dovolit (výše popsáno) a je vyžadována vysoká kvalita provedení, nenápadnost a vzhledová kompatibilita. Pokud lze požadavky splnit pomocí kvalitních spojů s ocelovými SP, je výsledek přijatelný.
2. Celodřevěné spoje kladou vysoké nároky na kvalitu materiálu, provedení a zkušenost při návrhu opravy. To se však při opravě památky předpokládá.
3. Existuje certifikovaná metodika [1], která se věnuje jak navrhování, tak i výrobě celodřevěných spojů. Hodnoty uvedené v metodice umožňují spoje používat v celé řadě aplikací [3], některá namáhání však dle metodiky neprojdou. V očekávané budoucí revizi metodiky budou uvedeny některé nové možnosti, které zvýší aplikovatelnost spojů na velkou většinu konstrukcí.
4. Spoje s ocelovými SP jsou více únosné pouze v tahu podél vláken (typicky vazné trámy ležatých stolic). V ostatních případech obvykle vyhoví i celodřevěné spoje. Na tento případ, tah, je rovněž možné použít známé celodřevěné řešení (6–10 kolíků a 2–3 hmoždíky). V takovém případě se ale doporučuje oslovit pouze firmy, které již mají s tímto poměrně složitým plátem výrobní zkušenosti.
5. Cena provedení je o něco vyšší než u celodřevěných spojů, avšak výsledek je obvykle lepší.

Diskuse – možné řešení

Jako první volba by měly být celodřevěné spoje tam, kde jde o vzhledovou kompatibilitu, nenápadnost a kvalitu provedení, tedy zejména u prvků, které jsou viditelné. Dále jsou určeny pro cenné středověké konstrukce, kde se člověk nedopouští žádné eklektičnosti stylu a kde převažuje osové namáhání prvků. Typicky je lze používat na krokve, sloupky, vaznice, pozednice, stropní trámy a na málo namáhané vazné trámy (ne však všechny). Pokud je možné některé důležité nosné prvky (např. vazné trámy v plných vazbách u ležatých stolic), které jsou pro bezpečnost a spolehlivost konstrukce kruciální, vyměnit, může jít o vhodné naladění problému spolehlivost versus zachování autentičnosti. Zbytek konstrukce pak jde opravit citlivěji. Pokud jsme si jistí kvalitou provedení (to často nejsme), pláty s ocelovými prostředky jsou také možným řešením.

My, autoři této statě, se snažíme poskytovat vědecké výsledky, které by se promítly do praxe. Chceme tak učinit pomocí zavedení některých celodřevěných spojů do normativních dokumentů nižší úrovně. Dále bychom rádi kultivovali péči o památky tak, že stávající metodiku navrhování vylepšíme dalším spojem vhodným na velké tahy a ohyb. Dále bychom rádi kodifikovali do národní přílohy EC 5 dubový kolík jako spojovací prostředek, popsali jeho chování podél a kolmo na vlákna na základě velkého souboru experimentálních dat a vyřešili i jeho dotvarování v různých prostředích.

Podstatou dialektického uvažování je na základě argumentů či protiargumentů dosáhnout nějaké možné shody na tomto tématu. Věříme, že všechny zainteresované skupiny mají snahu o co nejlepší památkovou péči o památky v ČR. Snažíme se lépe problému porozumět a víme, že se nám to nikdy nepodaří zcela. Proto k tématu přistupujeme s pokorou a doufáme, že přečtení této stati čtenáři bylo přínosem, či alespoň že vzbudí další potřebnou diskusi.

Původní verze článku byla otištěna ve Zpravodaji Společnosti pro technologie ochrany památek STOP 1/2020. Pro portál TZB-info upravena s respektováním návrhů recenzenta.

Reference

1. KUNECKÝ, J., FAJMAN, P., HASNÍKOVÁ, H., KUKLÍK, P., KLOIBER, M., SEBERA, V., TIPPNER, J.: Celodřevěné plátové spoje pro opravy historických konstrukcí. Metodika MK ČR, 2015.
2. ČSN EN 1995-1-1 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1–1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. 2006. (včetně změn)
3. JIŘÍ KUNECKÝ, HANA HASNÍKOVÁ, MICHAL KLOIBER, JAROMÍR MILCH, VÁCLAV SEBERA A JAN TIPPNER: Structural assessment of a lapped scarf joint applied to historical timber constructions in central Europe, International Journal of Architectural Heritage, 2018. https://doi.org/10.1080/15583058.2018.1442524.
4. ČSN 73 1702 (731702) Navrhování, výpočet a posuzování dřevěných stavebních konstrukcí – Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby.