Křížem lepené dřevo pro vícepodlažní stavby (část 2)
Krížom lepené drevo (čes. křížem lepené dřevo, nem. BSP – BrettSPerrholz, angl. CLT – Cross Laminated Timber, obchodný názov v niektorých krajinách X-LAM) je materiál, ktorý sa pravdepodobne v blízkej budúcnosti stane najvýznamnejším výrobkom v masívnych drevených konštrukciách, v bytovej výstavbe a viacpodlažnej výstavbe. Duhý diel sa zaoberá výrobou krížom lepeného dreva.
3 Výroba krížom lepeného dreva
3.1 Od dosiek k elementom – výroba CLT-elementov
Základným materiálom pre výrobu CLT-elementov dreva sú dosky z okrajových častí kmeňa. Tento material má za normálnych okolností nízku cenu a zároveň dobré mechanické vlastnosti z hľadiska pevnosti a tuhosti.
Obr. 5 Dosky z okrajových častí kmeňa (vľavo), rozdelenie mechanických vlastností v priereze kmeňa (vpravo)
Šírka jednotlivých dosiek v CLT sa pohybuje od 80 do 240 mm, hrúbka bežne od 10 do 45 mm (závisí od výrobcov – niekedy až do 100 mm). Pomer šírky a hrúbky by mal byť b:d = 4:1. V súčasnosti je používané ihličnaté drevo (smrek, borovica, jedľa), v budúcnosti sa uvažuje s používaním listnatých drevín (agát, buk).
Charakteristickými vlastnosťami jednotlivých dosiek je pevnosť v ťahu, modul pružnosti a hustota. Na vonkajšie vrstvy sa používajú dosky predpísanej triedy pevnosti. Dosky sú najskôr strojovo triedené. Nasleduje vyznačenie a vyrezanie úsekov v doske, v ktorých boli identifikované nejaké nehomogenity. Potom sú dosky spájané zubovitými spojmi a lepené. Na lepenie sú používané polyuretánové, fenolické a melamínové lepidlá. Podľa triedy použitia vyrábaného prvku sa určuje potrebná vlhkosť dosiek.
V ďalšom kroku sú lamely hobľované zo všetkých štyroch strán. Bočné strany sú paralelné alebo tvarované kónicky alebo sú frézované na pero a drážku.
Obr. 6 Lamely s paralelnými, profilovanými alebo kónickými bočnými stranami
Zubovité spoje musia byť zhotovené podľa EN 385. V spoji musí byť dosiahnutá tá istá kvalita, akú má spájaný materiál. Podľa EN 1194:1999-09 je nutné, aby charakteristická pevnosť spoja v ťahu (ft,0,l,k) bola vyššia o 5 N/mm2 , než je pevnosť príslušnej dosky.
Bočné spájanie jednotlivých lamiel sa v súčasnosti používa skôr výnimočne, než pravidelne. Zubovité spoje v jednotlivých lamelách by mali byť v rámci susedných lamiel odsadené podľa EN 386.
Obr. 7 Jednovrstvová doska – lamely sú lepené na bočných stranách iba zriedkavo
Typická stavba jednotlivých vrstiev v križom lepenom dreve je ortogonálna. Vrstvy však môžu byť ukladané aj pod iným uhlom (napr. 45°). Kvázi tuhé spojenie jednotlivých vrstiev sa dosiahne celoplošným zlepením vrstiev. Je dôležité, aby lepidlo bolo nanesené na celú plochu rovnomerne.
Obr. 8 Päťvrstvový CLT-element
Veľkosť a tvar CLT-elementov sú dané obmedzením výroby, prepravy a montážnych možností. V súčasnosti sú ako štandardné označované nasledovné rozmery pre rovinné a mierne zakrivené elementy: dĺžka 16,5 m, šírka 3,0 m a hrúbka do 0,5 m. Väčšie dĺžky (do 30 m) sa dajú dosiahnuť spájaním zubovitými spojmi už hotových elementov. Pre zakrivené prvky musia byť dodržané zásady hrúbky vrstiev a polomeru zakrivenia – pozri napr. EN 386:1995.
Pri výrobe CLT-elementov sa na dosiahnutie požadovaných pevnostných a požiarnych vlastností používajú rôzne konfigurácie pozdĺžnych a priečnych vrstiev.
Troj- alebo päťvrstvové elementy majú hrúbku približne 100 mm (170 mm). Pri stavbe mostov sa používajú hrubšie elementy.
CLT-elementy sa predávajú s neopracovaným povrchom vonkajších vrstiev, tzv. priemyselná kvalita. Opracovaný povrch, tzv. pohľadová kvalita sa robí na objednávku.
Niektoré používané typy vonkajších vrstiev sú nenosné (napr. drevené obkladové profily, OSB-dosky, sádrovláknité dosky). Vtedy sú použité kvôli estetickým požiadavkám, stavebno-fyzikálnym požiadavkám (zvuková nepriezvučnosť) alebo kvôli zlepšeniu požiarnej odolnosti. Tieto vrstvy sú k CLT-elementu skrutkované, klincované alebo lepené.
3.2 Produkcia krížom lepeného dreva
Obr. 9 Rast produkcie krížom lepeného dreva v Európe od roku 1995, autor: R. Brandner [1]
Je pozoruhodné, akým tempom narastá objem výroby tohoto produktu. Od roku 1995, kedy sa začala jeho výroba a bolo vyrobených 25 000 m3, stúpla jeho výroba do roku 2010 takmer 15násobne a v budúcom roku sa očakáva výroba 560 000 m3!
95 % celkovej produkcie strednej Európy sa nachádza najmä v Rakúsku – cca 63 %, v Nemecku – cca 26 % a vo Švajčiarsku – cca 6 %. Úspešne a vysokým tempom sa začína vyrábať v USA a v Kanade [1]. V súčasnosti existuje asi 15 hlavných výrobcov, pričom v budúcom roku je predpoklad zvýšenia ich počtu až na 20.
3.3 Modelovanie CLT-elementov
Pri navrhovaní konštrukcie musia byť splnené všetky požiadavky jednak pre konštrukciu ako celok a jednak pre jednotlivé časti konštrukcie (napr. CLT-elementy). Únosnosť a používateľnosť CLT-elementov je ovplyvnená veľkosťou elementu, otvormi v elemente (dvere, okná, komíny, schodiská, svetlíky), skladbou priečneho rezu (počet a hrúbka vrstiev, pevnostná trieda vrstiev, typ dreviny, usporiadanie vrstiev).
3.4 Normy
V súčasnosti nie sú (okrem DIN 1052:2004) v európskych normách uvedené postupy navrhovania CLT-elementov. Jednotliví výrobcovia používajú pre výrobu, navrhovanie a použitie CLT-elementov národné technické predpisy.
Mechanické parametre CLT-elementov môžu byť stanovené na základe vlastností jednotlivých vrstiev a jednotlivých dosiek vo vrstve. Výpočtový model bol publikovaný napr. v [2].
3.5 Modelovanie a navrhovanie CLT-elementu ako dosky
V závislosti od rozmerov elementu (od pomeru dĺžky a šírky l:b) a od spôsobu uloženia, sa uvažuje pôsobenie zaťaženia v jednom alebo dvoch smeroch. CLT-dosky sú uvažované ako prostý nosník alebo viacpoľový nosník. Ak sa predpokladá ohyb v dvoch smeroch, musí sa uvažovať s jednoduchým spojením jednotlivých dosák vo vrstve.
Masívne CLT-stropy sa posudzujú ako tuhé dosky (ak zaťaženia pôsobia plošne), ktoré môžu prenášať zároveň horizontálne zaťaženia (od vetra, seizmicity, atď...).
Pomôcku pre projektantov ponúka rakúska spoločnosť Holz.bau Forschungs GmbH Graz pod vedením Prof. Gerharda Schickhofera z Technickej univerzity v Grazi. Softvér „CLT designer“ je bezplatný, je spracovaný v nemčine, angličtine, taliančine a francúzštine. S jeho pomocou je možné navrhovať dosky a steny a tiež navrhovať CLT-elementy na požiarne zaťaženie.
3.6 Modelovanie a navrhovanie CLT-elementu ako steny
Na modelovanie CLT-elementov ako stien sa môže použiť model priehradovej konštrukcie alebo rámový model. Pri presnejšom výpočte možno použiť metódu konečných prvkov. Na zohľadnenie dverných a okenných otvorov musia byť vytvorené príslušné modely.
3.7 Použitie CLT-elementov v jedno- a viacpodlažnom objekte
3.7.1 Všeobecne
Obr. 10 Priečny rez steny rámovej konštrukcie (vľavo) a masívnej konštrukcie (vpravo)
Systém masívnej výstavby z dreva je charakterizovaný použitím CLT-elementov.
Vzhľadom na rozmery prvkov a pomer výšky resp. dĺžky elementov k ich hrúbke sa elementy dajú klasifikovať ako plošné prvky (steny, dosky). Použitie je vhodné nielen na veľké vonkajšie a vnútorné steny, stropy a strechy, ale sú možné aj kombinácie s prútovými prvkami – prievlakmi a stĺpmi.
Na nižšie popísanom projekte trojpodlažných bytov v meste L`Aquila boli použité tieto dva varianty skladieb stien:
| Variant 1 | Variant 2 |
|---|---|
| cementotriesková doska | omietka |
| odvetranie 10 mm | tep. izolácia 100 mm |
| tepelná izolácia 30 mm | XLAM 163 mm |
| XLAM 110 mm | inštalačná rovina 50 mm |
| tepelná izol. a inštalačná rovina 50 mm | sádrokartón 2 × 12,5 mm |
| sádrokartón 12,5 mm |
Rakúska spoločnosť ProHolz na stránke www.dataholz.com ponúka architektom, projektantom a ďalším záujemcom o použitie dreva v stavebníctve katalóg skladieb stien, stropov a striech s vypočítanými stavebnofyzikálnymi vlastnosťami a hmotnosťou jednotlivých vrstiev. Využívanie katalógu je bezplatné, stránka je v nemčine, angličtine, taliančine a španielčine. V katalógu je spracovaných niekoľko stoviek rôznych skladieb s drevom ako nosnou a tiež nenosnou konštrukciou.
Obr. 11 Montáž stien a stropov, foto ProholzSteny s otvormi (okná a dvere), stropy s otvormi (schodiská, komíny) a strešné elementy s otvormi (svetlíky) sa dajú realizovať spravidla bez ďalšej dodatočnej práce a ďalších dodatočných zosilnení.
Zo skúseností je známe, že hrúbka 5vrstvového stropného elementu vo viacpodlažnom objekte (do troch podlaží) je približne 95 mm. Minimálna hrúbka stenového prvku je závislá od rozpätia a typu použitého výrobku. Vo všeobecnosti sa neodporúča menšia hrúbka ako 75 mm.
V závislosti od usporiadania stropu, tiaže podlahových vrstiev a úžitkového zaťaženia sa dajú hospodárne realizovať stropy s rozpätím 4,0 až 5,0 m pomocou 5vrstvových elementov hrúbky 125 mm až 160 mm. Pre väčšie rozpätia stropu a vyššie stenové prvky sa môžu použiť trámové alebo komôrkové stropné konštrukcie so stenami z nosníkov z lepeného lamelového dreva.
Masívne steny, stropy a strešné elementy sa dajú vyrábať spolu s predpripravenými prípojmi veľmi presne. Dá sa tak usporiť čas a náklady spojené s korigovaním nepresností výroby na stavbe. Izolácie, debnenia, obklady a fasádne elementy sa dajú pripojiť jednoducho a rýchlo.
3.7.2 Požiarna odolnosť konštrukcií s použitím CLT-elementov
CLT-elementy sú zložené z dreva a prípadne z materiálov na báze dreva, ktoré môžu horieť. Napriek tejto skutočnosti sa správanie dreva v prípade požiaru považuje za vhodné. V prípade požiaru vytvoria vonkajšie zhorené vrstvy ochrannú izolačnú vrstvu („rovina pyrolýzy“), čím sú ďalšie vrstvy pred požiarom chránené. Teplo sa rozširuje pomalšie a horenie sa spomalí. Zmenšenie odolnosti prvku je spôsobené zmenšením prierezu.
V rámci požiarnych skúšok musí byť zohľadnená strata vonkajšej vrstvy. To znamená, že v 5vrstvovom elemente v prípade 30minútového požiaru zhorí najmenej jedna vrstva. Z pôvodného elementu s tromi pozdĺžnymi a dvomi priečnymi vrstvami sa po 20 minútach pôsobenia požiaru stane element s tromi vrstvami. Tento však pôsobí ďalších tridsať minút ako element s troma vrstvami (horí vlastne druhá, nenosná (priečna) vrstva).
Experiment so 120 mm hrubým 5vrstvovým CLT-elementom ukázal, že sa dá dosiahnuť 60minútová požiarna odolnosť. Pri určitej skladbe vonkajšej roviny a/alebo opláštením elementu dodatočnou vrstvou (napr. sádrokartónom) sa dá dosiahnuť ešte vyššia požiarna odolnosť.
3.8 Spojovacia technika pre CLT-elementy
3.8.1 Všeobecne
Použitím veľkých elementov v masívnej výstavbe vzniká iba málo spojov. Tieto sú rozdelené podľa spájaných prvkov na spoje stena-stena, stena-základ, stena-strop a strop-strop. Spoje sú zväčša realizované mechanickými spojovacími prostriedkami.
Zhotovenie spojov CLT-elementov v uvedených miestach a ich dimenzovanie prebieha väčšinou rozdelením spoja do jednotlivých bodov. Používanými spojovacími prostriedkami sú samorezné drevoskrutky, vlepované tyče do dreva, kolíky a svorníky. Môžu byť použité aj spojovacie systémy s príslušným technickým osvedčením.
V spoji stena–strop a stena–základ sa vyskytujú prevažne tlakové napätia vznikajúce od vlastnej tiaže konštrukcie. Ťahové sily vznikajú zriedkavo – napr. v prípade montáže a /alebo určitej geometrie jednotlivých dielcov. Ťahové sily musia byť zachytené vhodnými spojmi.
Musia byť dodržané pravidlá pre vzdialenosti spojovacích prostriedkov, pre predvŕtanie otvorov, pre lepené dĺžky, atď. Pri vzniknutej medzere medzi jednotlivými doskami (môže vzniknúť pri výrobe) je potrebné túto pri návrhu spoja zohľadniť.
V dôsledku kolmej orientácie vrstiev (0°, 90°, 0° ...) možno očakávať iné pevnostné a tuhostné pomery spoja, ako pri navrhovaní prútových prvkov. Pre spojovacie prostriedky používané v súčasnosti (samorezné drevoskrutky, vlepované tyče, kolíky a svorníky) je dôležité predpokladať určitý model pôsobenia spoja. Teito modely sú v súčasnosti vyvíjané. Pred použitím novovyvinutého spoja je nutné jeho experimentálne skúšanie.
3.8.2 Drevoskrutky
Priečne zaťažené drevoskrutky musia mať menovitý priemer ds minimálne 4 mm. Zároveň musia byť aspoň štyri strihové plochy. Ak je priemer skrutky väčší ako 10 mm, vyžadujú sa aspoň dve strihové plochy. Skrutky sa môžu použiť v CLT-elementoch aj do čelných plôch, ak sú dodržané príslušné predpisy.
Ak vo vnútorných vrstvách existujú medzi spájanými doskami medzery, tak sa za nosnú vrstvu pre spojovacie prostriedky považuje iba vonkajšia vrstva. Kvôli tejto skutočnosti je výhodnejšie, ak sú dosky jednotlivých vrstiev spájané na kratších stranách lepením.
Veľmi dobrým spojovacím prostriedkom s vysokou únosnosťou sú samorezné drevoskrutky, ktoré sú zároveň hospodárnym riešením. Vyrábané sú priemery 8 mm, 10 mm a 12 mm, dĺžky až do 600 mm. Môžu sa použiť bez predvŕtania pod rôznymi uhlami vzhľadom na vlákna dreva. Tieto skrutky sú väčšinou zaťažené osovo, čo umožňuje prenos pomerne veľkých síl.
3.8.3 Vlepované tyče
Obr. 12 Prípoj balkóna pomocou vlepovaných tyčí, foto: Proholz
Vlepované tyče sú primeraným spojovacím systémom CLT-elementov. Umožňujú spojenie úzkych strán a prenos veľkých síl v prípade pôsobenia zaťaženia priečne a pozdĺžne vzhľadom na os.
V prípade, že dosky elementu nie sú lepené na užších stranách, môže vlepovaná tyč prechádzať cez nezlepenú medzeru, čím sa jej únosnosť výrazne zmenší.
3.8.4 Kolíky a svorníky
Kolíky a svorníky sa môžu používať na spájanie CLT-elementov, sú zaťažené priečne. Musí byť zohľadnený smer rovín priečneho rezu elementu. V prípade, že dosky elementu nie sú lepené na užších stranách, môže kolík alebo svorník prechádzať cez nezlepenú medzeru, čím sa jeho únosnosť výrazne zmenší.
3.8.5 Klince, kruhové záchytky a klincové dosky
Tieto spojovacie prostriedky sa ešte prednedávnom nepoužívali na spájanie CLT-elementov.
Použitie hrebienkových a špirálových klincov – väčšinou v kombinácii s oceľovými uholníkmi – je pri dodržaní vyššie uvedených požiadaviek možné. Klincové spoje na úzkych stranách elementov nie sú podľa nám dostupných informácií dovolené.
Kruhové záchytky a klincové dosky sa na spájanie CLT-elementov môžu používať, musí byť však zohľadnená skutočnosť, že ich odolnosť je veľmi ovplyvnená polohou spojovacieho prostriedku.
3.9 Detaily spojov
3.9.1 Všeobecné požiadavky
Všetky prípoje musia byť uzavreté vhodným spôsobom (tesniace pásky, gumové profily, atď.), aby boli pripájané hrany vzduchotesné a prachotesné. Tiež musia byť zohľadnené požiadavky na zvukovú nepriezvučnosť. Zhotovenie spojov musí byť urobené podľa technologických predpisov pre použité výrobky. Väčšina spojov potrebuje pre svoju funkčnosť určitú prítlačnú silu. Nie je dovolené, aby spojovací prostriedok ovplyvňoval tesnosť spájanej hrany.
Pomôckou pri navrhovaní môže byť aj katalóg Inštitútu stavebnej fyziky TU Graz: www.bauphysik.tugraz.at/aktuelles/pdf/bph5.pdf.
Vo všetkých kontaktných miestach môžu vznikať deformácie tesnení a deformácie vplyvom zosychania a napučiavania CLT-elementov. Špeciálne kolmo na rovinu CLT-elementov (radiálne napučiavanie) môžu dosahovať pomerne veľké hodnoty. Tieto pohyby súvisiace so zmenou vlhkosti musia byť zohľadnené pri návrhu tesnení. Projektant musí pri návrhu zohľadniť správanie sa spájaných prvkov a taktiež tesnení.
V dôsledku tolerancií pri výrobe CLT-elementov, nepresností montáže, sadania konštrukcie a ostaných deformácií sú hodnoty koeficientov trenia µ často neznáme. Pozitívny efekt trenia v spojoch medzi elementami sa preto nemôže využívať.
3.9.2 Spoje stropná doska–stropná doska
Obr. 13 Spoje stropná doska–stropná doska, autor: Brandner [1]
Kvôli výrobným a transportným možnostiam sa elementy vyrábajú s obmedzenými šírkovými rozmermi (v závislosti od výroby 3,0 až 4,0 m). Pre stropy s väčšími rozmermi sú dôležité spoje jednotlivých elementov. Jednou z možností je preplátovanie v kombinácii so skrutkami. Tento prípoj môže prenášať normálové a priečne sily, ale nie je to momentový spoj. Tento spoj je bežne používaný na spojenie pozdĺžnych strán elementov.
V príprade nerovnomerných zaťažení jednotlivých elementov vzniká nebezpečenstvo rozštiepenia prierezu v dôsledku veľkých ťahových alebo tlakových napätí v smere kolmom na vlákna. V takomto prípade je potrebné použiť svorníkový spoj.
Pri použití príložiek z technických výrobkov z dreva (napr. troj- alebo viacvrstvová doska, KERTO-Q) sa dá vytvoriť aj momentový spoj. Príložky sú spojené skrutkami alebo lepením s vyvodením prítlačnej sily klincami alebo drevoskrutkami.
3.9.3 Spoje stena–stropná doska
Obr. 14 Spoj stena–stropná doska, autor: Brandner [1]
Pre spojenie steny a stropu sa používajú oceľové uholníky, samorezné skrutky a vlepované tyče. Týmito spojovacími systémami sa môžu do stropu prenášať horizontálne sily (napr. od vetra). Stenové elementy môžu prenášať sily, ktoré spôsobujú namáhanie stropu na nadvihnutie.
Spoj elementov stena–stropná doska môže byť vytvorený aj pomocou drevených profilov. Ako materiál sa používa LVL, dubové alebo agátové profily. Lokálne otvory v doske dovoľujú aj použitie vlepovaných tyčí.
Je potrebné vyhnúť sa priamemu spoju stropnej dosky so spodným stenovým elementom pomocou skrutiek, pretože tieto by boli osadené do čelnej strany elementu, čo je nevhodné umiestnenie. Pre nosné spoje je potrebné použiť spojovacie prostriedky priemeru ds < 10 mm a spájať najmenej štyri šmykové roviny.
3.9.4 Spoje stena–stena v rohoch
Obr. 15 Možnosti spoja stena–stena v rohoch, autor: Brandner [1]
Tento spoj môže byť zhotovený v rôznych variantoch – s použitím samorezných drevoskrutiek, hákovej spojky alebo oceľovej rúrky.
Ďalšou možnosťou tohoto spoja je použitie špeciálnych profilov, ktoré sú kombináciou dreva a ocele a vytvárajú spojovací systém, obdobný ako v nábytkárskom priemysle. Pri primeranej príprave spoja v dielni je potom montáž spoja na stavbe veľmi jednoduchá.
3.9.5 Spoj stena–základ a stena–hrana betónovej dosky
Obr. 16 Spoj stena–základ, autor: Brandner [1]
Na spojenie stenových CLT-elementov so základom a betónovou stropnou doskou existuje viacero spôsobov. Vo väčšine prípadov sa jedná o spoj pomocou oceľovej dosky a/alebo oceľového uholníka a drevoskrutiek ako spojovacích prostriedkov do CLT-elementu. Z dôvodu ochrany dreva pred vlhkosťou a výrobných tolerancií dreva aj betónu sa používajú drevené profily (z tvrdého dreva) alebo profily z technických výrobkov z dreva.
3.9.6 Špeciálne spojovacie prostriedky pre CLT-elementy
Spoje stena–stropná doska–stena môžu byť realizované aj vlepovanými oceľovými tyčami, ktoré sú vlepené už vo výrobnej dielni. Počas montáže budovy sa CLT-elementy spájajú oceľovými prstencami, ktorými sú elementy fixované. Tento spôsob spájania je v súčasnosti ešte vo vývoji.
Na spájanie sa používajú tiež systémy podobné z nábytkárskeho priemyslu, prirodzene adaptované na veľkosť pôsobiacich síl. Takýmto spôsobom sa dá docieliť vysoký stupeň predprípravy konštrukcie.
První díl článku 26.11. 2012
Třetí díl článku 10.12. 2012
Cross laminated timber is likely to happen in the near future, the most important product in solid wood construction in residential and high-rise construction. Depending on the size of the used components and their mutual orientation can produce a wide range of products.