Některé možnosti využití dřeva v nosných konstrukcích
V příspěvku jsou shrnuty poznatky z teoretické analýzy a návrhu dvou konstrukcí, u nichž jako hlavní konstrukční materiál bylo použito lepené lamelové dřevo. V rámci teoretické analýzy byly uvažovány i výpočtové modely zohledňující vliv poddajnosti podpor a spojů na celkové působení konstrukcí. V případě bazénové haly jsou prováděna geodetická měření přetvoření konstrukce v různých stadiích jejího působení. Na základě vyhodnocení získaných údajů bude možné ověřit reálné chování konstrukce.
1 ÚVOD
V příspěvku jsou shrnuty poznatky z teoretické analýzy a návrhu dvou konstrukcí, u nichž jako hlavní konstrukční materiál bylo použito lepené lamelové dřevo.
V případě konstrukce bazénové haly v Brně-Kohoutovicích (obr. 1, 2) jsou základním konstrukčním dílcem nosného systému plnostěnné rámy se zakřiveným rámovým rohem, které nejlépe vyhovovaly architektonickým a dispozičním požadavkům (obr. 3, 4). Většina styků a přípojů je provedena s použitím kolíkových spojovacích prostředků a ocelových elementů. Prostorová stabilita konstrukce je zabezpečena nosnou vrstvou střešního a stěnového pláště vytvořenou z desek typu OSB.
Rovněž pro konstrukci horské ubytovny do oblasti Sněžky - Friesovy boudy (obr. 11, 12) bylo nutné navrhnout sloupy, příčné a podélné průvlaky i střešní vaznice z lepeného lamelového dřeva. Vzhledem k velké intenzitě zatížení, zejména zatížení sněhem, nebylo reálné použití průřezů z rostlého dřeva. Jedním ze zásadních problémů této konstrukce bylo vyřešení silně namáhaných přípojů průvlaků ke sloupům tak, aby přípoje vyhovovaly z hlediska únosnosti a odpovídající tuhosti. Navrženy byly spoje s kolíkovými spojovacími prostředky a ocelovými styčníkovými plechy. V některých detailech bylo nutné navrhnout ocelové svařované prvky, hlavně pro roznesení tlaku působícího kolmo na vlákna dřeva. Prostorová tuhost konstrukce je zabezpečena nosnou vrstvou střešního pláště a stropů tvořenou šikmým bedněním a výztužnými stěnami typu Rigidur.
V rámci teoretické analýzy byly uvažovány i výpočtové modely zohledňující vliv poddajnosti podpor a spojů na celkové působení konstrukcí. V případě bazénové haly jsou prováděna geodetická měření přetvoření konstrukce v různých stadiích jejího působení. Na základě vyhodnocení získaných údajů bude možné ověřit reálné chování konstrukce.
2 KONSTRUKCE BAZÉNOVÉ HALY V BRNĚ - KOHOUTOVICÍCH
V dubnu 2010 byl zahájen provoz v novém bazénovém objektu v Brně - městské části Kohoutovice (autoři architektonického řešení objektu jsou Ing.arch. Vladimír Pacek, Ing.arch. Miloš Schneider a Ing.arch. Josef Dudáček z atelieru K4, a.s. Brno), jehož hlavní součástí je bazénová hala s dřevěnou nosnou konstrukcí (autory nosného a konstrukčního systému jsou doc.Ing. Bohumil Straka, CSc. a Ing. Milan Šmak, Ph.D.). Výrobcem a dodavatelem dřevěné konstrukce byly České dřevařské závody Praha, a.s., závod TESKO. Generální dodavatel stavby je Stavoprogres Brno, spol. r.o. Návrh opláštění haly - Ing. Jana Pexová a doc.Ing. Miloslav Novotný, CSc. [3].
 Obr. 1 - Pohled na celkové uspořádání bazénového komplexu, který je tvořen bazénovou halou a provozními prostory (vstupní halou, provozy pro doplňkové pohybové aktivity, rehabilitačním a hygienickým zázemím, restaurací a tobogánem). |
 Obr. 2 - Pohled na vnější část bazénové haly s prosklenými čelními plochami jednotlivých segmentů (2010). |
Pro lepené lamelové dřevo byla použita třída pevnosti GL 24h, pro rostlé dřevo C24. Nosná vrstva střešního a stěnového pláště je provedena z desek typu OSB3. Podstatou konstrukčního návrhu bylo vytvořit konstrukci z klenbových pásů - segmentů, jejichž základním dílcem jsou lepená rámová žebra umístěná v ose segmentů šířky 5 m (obr. 6). Stabilita štíhlých žeber a stabilita segmentů je zabezpečena vrstvou opláštění z desek OSB.
Obr. 3 - Schéma dvou rámových žeber segmentů. Žebra jsou umístěna vždy ve střední ose každého segmentu. Rozpětí je od 24,8 m do 34,5 m. Výška lepeného průřezu ve střešní části je 1960 mm, respektive 1500 mm, v rámovém rohu 2495 mm, šířka 240 mm.
V rámci statického řešení konstrukce bylo sestaveno 26 výpočtových prostorových modelů (kontrolně také odpovídající rovinné modely), včetně modelů zohledňujících spolupůsobení segmentů a interakci dřevěné konstrukce s betonovou podpůrnou konstrukcí.
Z návrhového i konstrukčního hlediska se jednalo o poměrně složitý problém, protože půdorys i výškové uspořádání haly jsou nepravidelné.
 Obr. 4 - Rámová žebra segmentů byla v první fázi montáže osazována jednotlivě na ložiska, poté byly pokládány vaznice a vzpěrky a prováděna vrstva opláštění. Po uvolnění prostor v hale byly již osazovány celé segmenty, včetně vaznic opatřených vzpěrkami. |
 Obr. 5 - Montážní stav po uložení vaznic na lepená žebra a podepření vaznic vzpěrkami. Mezi vaznicemi jsou vloženy krokve pro vyztužení střešního pláště. Vaznice jsou připojeny k žebrům vruty, vzpěrky k vaznicím styčníkovými plechy a kolíky, k žebrům pomocí ocelových prvků. |
Důležitým bodem bylo navržení tloušťky lamel lepeného průřezu. V oblasti s mírným zakřivením je tloušťka 40 mm, v zakřiveném rámovém rohu 22 mm. Zásadním bodem bylo vyřešení konstrukce a pozice montážních styků (obr. 9).
Vzhledem k různé tuhosti žeber a z toho vyplývajícím odlišným hodnotám průhybů v místech spojení žeber bylo nutné navrhnout detaily spojení na přenos odpovídajících tlakových i tahových účinků vznikajících mezi žebry. Tlakové síly se přenášejí dřevěnými propojovacími sloupky, tahové síly ocelovými táhly, která jsou umístěna v provrtaných otvorech sloupků (obr. 6).
 Obr. 6 - Propojení jednotlivých segmentů pomocí dřevěných sloupků a ocelových táhel. Podepření segmentů na betonové sloupy pomocí čepových ložisek a zabezpečení podporových průřezů proti klopení ocelovými podélnými ztužidly. |
 Obr. 7 - Detail podepření lepeného žebra na betonovou konstrukci pomocí čepového ložiska. Ukotvení nosné vrstvy opláštění k betonovému soklu pomocí kotev prostřednictvím úložného prahu. |
Pro uložení žeber na betonovou konstrukci byla navržena ocelová čepová ložiska (obr. 7, 8). Svařované botky jsou z oceli S235, čepy průměru 80 mm z oceli S355. Všechny ocelové prvky jsou opatřeny pozinkováním 25 mikrometrů, ložiska vrstvou 100 mikrometrů.
 Obr. 8 - Detail uložení žeber na betonové sloupy pomocí čepového ložiska. Detail připojení ocelového podélného ztužidla k dřevěnému žebru. Podélné ztužidlo zabezpečující podporové průřezy proti ztrátě příčné a torzní stability je navrženo z trubkových profilů. |
 Obr. 9 - Z obrázku je patrný detail montážního styku příčle a stojky rámového žebra a připojení podélných vazníků k žebru. |
Ve výpočtech konstrukce byl uvážen i vliv možného vodorovného posunutí hlavice štíhlých betonových sloupů na působení dřevěné a betonové konstrukce (v rozsahu 0 až 15 mm). Skutečná hodnota posunutí, stejně jako další důležité složky přetvoření konstrukce, budou stanoveny po vyhodnocení výsledků geodetických měření.
Montážní styky jsou umístěny do oblasti přechodu ploché střešní části žebra a začínajícího zakřiveného rámového rohu. Jako spojovací prostředky jsou použity kolíky a přesné svorníky průměru 24 mm z oceli S355. V místech styků je potřeba přenášet kladné i záporné hodnoty ohybových momentů (v závislosti na rozpětí a tuhosti žeber) a účinky normálových a posouvajících sil.
Obr. 10 - Pohled do interiéru bazénové haly. Z obrázku je patrná skladba dřevěné konstrukce - segmenty tvořené lepenými žebry, vaznice, vzpěrky, částečně výztužné krokvičky a panely akustického podhledu.
Návrh opláštění bazénové haly představoval poměrně náročný úkol, zejména z důvodů vysoké vnitřní vlhkosti vzduchu a vnitřní teploty. Navržena byla jednoplášťová kompaktní střecha s lepenými jednotlivými vrstvami střešního pláště [3]. Jako tepelná izolace byla zvolena izolace z pěnového skla o tloušťce 260 mm plnoplošně lepená k nosné vrstvě z OSB desek.
3 HORSKÁ UBYTOVNA V KRKONOŠÍCH
Vysokohorské rekreační a ubytovací zařízení v Krkonoších v oblasti Sněžky - Friesovy boudy je další, z konstrukčního hlediska zajímavou a ne zcela běžnou dřevěnou konstrukcí. Jedná se o budovu půdorysných rozměrů přibližně 16x37m, je dvojpodlažní s obytným podkrovím, výška po hřeben je asi 13m. V přízemí se nachází restaurace s kuchyňským zázemím, provozní prostory a garáž pro rolbu. Druhé podlaží je vyhrazeno pro ubytování hostů a v podkroví jsou umístěny uzavřené prostory pro personál ubytovny. Ve střední části budovy je navržena zděná komunikační sekce se schodištěm, která současně plní funkci výztužného jádra. V původním architektonickém návrhu byla uvažována střecha plochá, podle požadavků Správy KRNAP byla střecha tvarově upravena do podoby, jak je patrné z obrázku 11.
Obr. 11 - Vizualizace připravované horské ubytovny v oblasti Sněžky - Friesovy boudy (Ing. arch. Petr Keith, atelier dwg, s.r.o.)
Pro danou lokalitu byla ČHMÚ stanovena hodnota základní tíhy sněhu 8,41kN/m2. V "nejnepříznivější" oblasti střechy, kde je třeba uvážit sněhovou návěj i sesuv sněhu, činí charakteristické extrémní zatížení sněhem více než 25kN/m2. Vysoká hodnota zatížení sněhem, spolu s působením větru (se základní rychlostí 31m/s), vyžadovaly aplikaci dřevěných profilů z lepeného lamelového dřeva. Další pro konstrukci nepříznivý faktor vyplynul z dispozičního uspořádání objektu - některé sloupy, podporující konstrukci střechy, nebylo možné navrhnout jako průběžné až na základy, ale tyto byly ukončeny na průvlacích ve stropě nad přízemím.
Základní nosný systém (sloupy, podélné a příčné průvlaky, vaznice a krajní rámy) jsou navrženy z lepeného lamelového dřeva třídy GL24h, pro stropní nosníky, krokve, výztuhy stěn a stěnové sloupky bylo možné využít rostlé dřevo třídy pevnosti C24.
Z důvodu vnášení osamělých zatížení vysoké intenzity (sloupy, které byly ukončeny na úrovni stropu 1. podlaží) a větších rozpětí průvlaků bylo třeba do vybraných příčných vnitřních stěn navrhnout diagonálně orientované pruty, které spolu s vloženými stěnovými sloupy a průvlaky ve stropech 1. a 2. podlaží vytvářely tuhé a dostatečně únosné příhradové nosníky. Tyto stěnové příhradové nosníky byly současně využity k zabezpečení prostorové tuhosti budovy.
U jednoho z podélných průvlaků - s přihlédnutím k vysoké intenzitě zatížení, způsobu jeho vnášení (osamělé akce sloupů) a rozpětí - bylo nutné dřevěný profil z lepeného dřeva navíc doplnit vloženým ocelovým plechem.
V prostoru garáže pro rolbu v přízemí budovy bylo třeba respektovat požadavky jednak na volnou dispozici bez vnitřních sloupů a zejména na dostatečnou světlou výšku garáže. Při uvážení intenzity a způsobu zatížení průvlaku a jeho rozpětí se ukázalo, že v daném prostoru není technicky možné využití dřevěných prvků (prostor pro průvlak s uvážením jeho deformace s dotvarováním byl nedostatečný) a bylo třeba - pouze v této části - aplikovat ocelové sloupy s plnostěnnou rámovou příčlí.
Statická analýza nosného systému budovy byla provedena metodou konečných prvků programovým systémem NEXIS. Výpočtový model dřevěné konstrukce je zachycen na obrázku 12. Při ověření konstrukce bylo nutné vyřešit dva zásadní problémy, a to přípoje intenzivně namáhaných prvků a zajištění prostorové tuhosti objektu.
Obr. 12 - Schéma výpočtového modelu nosné dřevěné konstrukce horské ubytovny
Pro spoje prvků nosné konstrukce byly použity ocelové kolíkové spojovací prostředky. Nejvíce namáhané přípoje průvlaků, vaznic a krokví ke sloupům byly navrženy s kolíkovými spojovacími prostředky (svorníky, přesnými svorníky, kolíky) a vloženými ocelovými styčníkovými plechy. Při jejich návrhu bylo třeba taktéž uvážit odpovídající rotační tuhost těchto přípojů. Příklad řešení přípoje více prvků ke sloupu je zachycen na obrázku 13.
Prostorová tuhost objektu je zajišťována nosnou vrstvou střešního pláště a stropů, tvořenou šikmým bedněním a výztužnými podélnými a příčnými stěnami budovy. Do výztužného systému je rovněž začleněno komunikační vnitřní zděné jádro s betonovými věnci a stropy.
Střešní plášť (plochých i sklonitých částí) je tvořen celoplošným šikmým bedněním z desek. Šikmé bednění z fošen je použito taktéž pro nosnou vrstvu stropů nad 1. i 2. podlažím (podkroví má uvažován volný prostor až do hřebene, do kterého zasahují pouze kleštiny). Tuhost konstrukce v horizontálním směru je zabezpečována podélnými a příčnými stěnami. Tyto stěny sestávají z vnitřních dřevěných sloupků (osově vzdálených 625mm) a oboustranných sádrovláknitých desek Rigidur tloušťky 12,5mm. Určitý problém nastal u výztužných stěn v přízemí, kde výška stěny byla větší, než výrobní délka desek Rigidur a bylo tedy nutné navrhnout stykování desek i po výšce. Při zohlednění všech faktorů se ukázalo, že tuhost těchto příčných stěn není již dostatečná a bylo třeba ji zvýšit pomocí ocelových táhel uvnitř stěn. Tuhost podélných stěn (ve skladbě dřevěné sloupky, oboustranné opláštění Rigidur) se ukázala jako dostatečná i bez dodatečného vyztužení.
Obr. 13 - Přípoj prvků ke sloupu pomocí ocelových plechů a kolíkových spojovacích prostředků.
Obr. 14 - Charakteristický příčný řez objektem
4 ZÁVĚR
Velký počet dřevěných staveb, realizovaných v zahraničí i v ČR, včetně architektonicky, konstrukčně a výrobně náročných konstrukcí, dokazuje, že využívání dřeva a materiálů na bázi dřeva ve stavebních konstrukcích je intenzivní a zřejmě se bude perspektivně zvyšovat. Některé typy dřevěných nosných systémů není prakticky reálné navrhovat a realizovat bez použití lepeného dřeva, zvyšuje se však i používání lepeného dřeva u tradičních typů konstrukcí.
Z hlediska návrhu konstrukcí mají zásadní význam práce, které jsou zaměřeny k analýze a experimentálnímu výzkumu spojů, samozřejmě vedle prací zaměřených k dalším důležitým problémům bezprostředně souvisejícím s navrhováním, výrobou a ochranou dřevěných konstrukcí.
Cílem příspěvku bylo prezentovat některé poznatky autorů získané při navrhování a realizaci dřevěných konstrukcí. Předpokládáme, že zejména poznatky odvozené ze skutečného působení realizovaných konstrukcí budou mít význam pro navrhování a vývoj nových typů dřevěných konstrukcí.
Příspěvek byl vypracován za podpory projektu GA 12015000.
LITERATURA A POUŽITÉ MATERIÁLY
[1] STRAKA, B., ŠMAK, M. Vliv poddajnosti spojů na působení dřevěných konstrukcí, In: Sborník z mezinárodního odborného semináře Dřevostavby, Volyně, 2008.
[2] STRAKA, B., ŠMAK, M. Některé možnosti využití lepeného dřeva ve stavebních konstrukcích, In: Sborník z mezinárodního odborného semináře Dřevostavby, Volyně, 2009.
[3] STRAKA, B., ŠMAK, M., NOVOTNÝ, M., PEXOVÁ, J. Konstrukce bazénové haly v Brně - Kohoutovicích, Stavební ročenka 2010, JAGA GROUP, s.r.o., Bratislava, str. 68-71, ISBN 978-80-8076-079-3.
[4] Ústav kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební VUT v Brně: Návrh a projekt pro realizaci dřevěné konstrukce Vysokohorského ubytovacího zařízení, březen 2010.
The paper is focused on some new types of timber structures made from solid timber, glued laminated timber and wood based materials. Especially glued laminated timber is a highly engineered material, because large sizes of structural members and the possibility of various shapes in beams, frames and arches are available. The analysis of intensive loaded structures with large spans shows clearly that to the most advantageous types of connections belong those made by means of steel elements. The analysis of the slip of joints and supports ranks among important issues in designing timber structures. The paper summarises some experience and conclusions from the construction of timber systems with steel-to-timber joints.