Pokročilé metody pro navrhování konstrukcí z CLT
Nosné konstrukce budov na bázi dřeva se do nedávna realizovaly převážně jako roubenky a lehké či těžké skelety, na které se používaly tyčové prvky z kulatiny, deskového a hraněného řeziva, lepené lamelového a vrstveného dřeva. Poměrně novým deskovým materiálem, vhodným pro realizaci budov na bázi dřeva, je křížem vrstvené dřevo (CLT), kterému je věnován tento příspěvek. V příspěvku jsou popsány jeho mechanické vlastnosti a pokročilé metody pro navrhování konstrukcí z tohoto materiálu.
1 Úvod
V rámci uplatňování koncepce tzv. trvale udržitelné výstavby, která klade důraz na větší využití materiálů z obnovitelných surovinových zdrojů, roste zájem více používat dřevo v bytové a občanské výstavbě. V souvislosti s tímto trendem se v posledních letech začaly používat i masivní deskové systémy na bázi dřeva. Masivní deskové systémy se vyznačují různými způsoby provedení prvků stěn a stropů.
- prvky lepené či spojované pomocí mechanických spojovacích prostředků;
- prvky s různým počtem vrstev stejně či křížem orientovaných;
- prvky s dutinami či bez dutin.
V současnosti jsou nejrozšířenějšími lepené prvky s křížem orientovanými vrstvami. Pro tento materiál se již ustálil název křížem vrstvené dřevo (CLT).
2 Vlastnosti CLT
Při navrhování konstrukcí z CLT musí být splněny všechny požadavky jak na konstrukce jako celek, tak na jednotlivé části konstrukcí. Únosnost a použitelnost prvků z CLT je potom ovlivněna jak jejich velikostí, tak otvory v prvcích (dveře, okna, komíny, schodiště, světlíky), skladbou příčného řezu (počet a tloušťka vrstev, pevnostní třída vrstev, druh dřeviny, uspořádání vrstev).
Pevnostní a tuhostní vlastnosti dřeva jsou ve směru kolmo k vláknům výrazně menší, než rovnoběžně s vlákny. Určité vrstvy CLT přenášejí zatížení smykem v radiální a tangenciální rovině, čímž se svojí malou únosností stávají při navrhovaní rozhodujícími. Komplexní chování příčně orientovaných vrstev se v praxi redukuje na jednoduché posouzení na smyk. Použité modely se zaměřují na jednotlivé homogénní vrstvy, které jsou reprezentované jejich tloušťkou, tuhostními a pevnostními vlastnostmi.
Z ohybových zkoušek prvků z CLT, s cílem dosáhnot porušení smykem, se zjistilo, že porušení nastává v příčných vrstvách CLT. Z analýzy mechanizmu porušení je zřejmé, že porušení je způsobené kombinácí dvou způsobů porušení – odtržením příčné vrstvy a „odvalením“ části jarního dřeva, jak je znázorněno na obr. 1.
Obr. 1 Porušení příčné vrstvy CLT (lamely nejsou bočně slepeny)
Numerická analýza potom ukázala, že smyková tuhost CLT („valivý smyk“) je pozitivně i negativně ovlivněna více parametry, uvedenými v tabulce 1.
Tab. 1 Parametry ovlivňující „valivý smyk“
3 Technické normy
V současnosti nejsou (mimo normu DIN 1052 z roku 2004, která byla v ČR zavedena v modifikované podobě jako ČSN 73 1702) v evropských normách uvedené postupy pro navrhování prvků z CLT. Jednotliví výrobci používají pro výrobu, navrhovaní a použití CLT národní technické předpisy. K dispozici je též software pro navrhování CLT, zpracovaný na TU Graz, který je dostupný ne webovské adrese www.cltdesigner.at.
Obr. 2 Rozdělení napětí v CLT s nelepenými boky lamel (zatížení ohyb a smyk)
Mechanické parametry CLT mohou být stanoveny na základě vlastností jednotlivých vrstev a jednotlivých lamel ve vrstvě. Výpočetní model je publikovaný např. v [10]. Pro stanovení napětí v průřezu a v jednotlivých vrstvách se většinou předpokladá tuhé spojení jednotlivých vrstev. Takovýto model poskytuje akceptovatelnou přesnost výpočtu napětí. Ve výpočtu mezních stavů únosnosti a použitelnosti musí být ale zohledněna poddajnost kolmo uložených vrstev (lamel). Pružné deformace, které se dají určit z modelu s tuhým spojením, jsou přibližně o 20 % větší. Na získání přesnějších výsledků je potřeba použít přesnější model, ve kterém je zohledněna smyková poddajnost vrstev.
Pro prvky, které jsou složené z jednotlivých „tuhých“ vrstev se při navrhování postupuje podle klasické teorie, uvedené v DIN 1052 z roku 2004. Tato metoda obsahuje i posouzení přetvoření vlivem smyku.
Souhrn předpokladů pro navrhování:
- Prvky s převládajícími rozměry ve dvou směrech mohou být posuzované buď jako desky, jestliže je prvek zatížený kolmo na svoji rovinu, nebo jako stěny, jestliže je prvek zatížený ve své rovině.
- Tuhosti a napětí se počítají podle teorie pro spřažené prvky s tuhým spřažením. Musí být ale zohledněné namáhání ve směru kolmo k vláknům a též valivý smyk.
- Tuhostní parametry se určují ve směru hlavních os. Při uspořádání lamel těsně vedle sebe bez vzájemného slepení na bocích se dosazuje hodnota modulu pružnosti ve směru kolmo k vláknům rovna nule.
- Zohledňuje se vliv smykových přetvoření.
4 Modelování stropních desek
Obr. 3 Modelování desek s dvojosým přenosem zatížení pomocí roštu z nosníků (se zohledněním překrytí prvků CLT a otvoru)
V závislosti na uspořádání průřezu, poměru délky a šířky (l:b) CLT a typu podpěr, může být zatížení přenášeno jednoosým nebo dvojosým ohybem. V závislosti na okrajových podmínkách podepření se desky z CLT modelují jako prosté či spojité nosníky v jednoosém ohybu. Jestliže se pro modelování předpokládá dvojosý ohyb musí se uvážit typy spojů na okrajích prvků CLT (většinou jednoduché přeplátování) a otvory.
Masivní stropy z CLT se posuzují jako tuhé desky (jestliže zatížení působí plošně), které mohou přenášet současně vodorovné zatížení (od větru, seizmicity, atd.). Při dodržení běžných konstrukčních pravidel se nemusí pro tato zatížení dělat zvláštní posouzení.
Při posuzování podle mezního stavu použitelnosti se zohledňují i deformace v důsledku valivého smyku (G90,mean ~ 50 N/mm²).
Obr. 4 Modelování stěny přes dvě podlaží, zatížené svislými a vodorovnými silami
Aby sa zabránilo nepříjemným dynamickým účinkům, musí být přetvoření v důsledku působení stálých zatížení (bez uvážení dotvarování) menší jak 5 mm. Jestliže to není splněno musí se provést přesnější výpočet (např. pomocí metody konečných prvků).
5 Modelování výztužných (smykových) stěn
Pro modelování výztužných stěn z CLT se může použít model příhradové konstrukce nebo rámový model – obr. 4. Pri přesnějším výpočtu je možné použít metodu konečných prvků.
Vzpěrná únosnost stěn je závislá nejen na štíhlosti (parametru: vzpěrná délka, účinná tuhost), ale i na způsobu zatížení (excentricita síly, způsob podepření). U vícepodlažních budov se musí stěny uvažovat na celou výšku.
Obr. 5 Modelování spoje strop-stěna
6 Modelovaní spojů
Při modelovaní spojů se musí uvážit skladba prvku z CLT. Na modelování spojů se musí použít příslušné modely, které zohledňují konkrétní typ spojovacího prostředku (např. samořezné vruty, vlepované tyče, kolíky, atd.).
7 Použití prvků z CLT v budovách
Použití je vhodné nejen na velké vnější a vnitřní stěny, stropy a střechy, ale jsou možné i kombinace s prutovými prvky – průvlaky a sloupy.
Stěny s otvory (okna a dveře), stropy s otvory (schodiště, komíny) a střechy s otvory (světlíky) se dají realizovat zpravidla bez dalších dodatečných zesílení. V případě balkónů se deska z CLT vykonzoluje, nebo se z vnějšku obvodové stěny bodově podepře.
Tloušťka 5vrstvého stropního prvku ve vícepodlažním objektu (do třech podlaží) je přibližně 95 mm. Minimální tloušťka stěnového prvku je závislá na délce a typu použitého výrobku. Obecně se nedoporučuje menší tloušťka jak 75 mm.
V závislosti na uspořádání stropu, váze podlahových vrstev a užitném zatížení se dají hospodárně realizovat stropy s rozpětím 4,0 až 5,0 m pomocí 5vrstvých prvků tloušťky 125 mm až 160 mm. Pro větší rozpětí stropu a vyšší stěnové prvky se mohou použít trámové nebo komůrkové stropní konstrukce se stěnami z nosníků z lepeného lamelového dřeva.
Masivní stěny, stropy a střešní prvky se dají vyrábět s předpřipravenými spoji velmi přesně. Dá sa tak uspořit čas a náklady spojené s korigovaním nepřesností výroby na stavbě. Izolace, obklady a fasádní prvky sa dají připojit jednoduše a rychle.
Je též možná kombinace s jinými stavebními systémy (např. zděnými konstrukcemi).
7.1 Výztužné stěny
Ztužení budov, které jsou montované z CLT prvků, se provádí kombinací stěnových a stropních prvků, přičemž vzniká tuhá trojrozměrná konstrukce. Většinou vznikne tuhá konstrukce přímo spojováním prvků, takže není potřeba dalšího ztužení. Potřebný počet výztužných prvků vyplývá z geometrie budovy, průřezu použitých prvků, geometrie jednotlivých prvků a též od velikosti a typu zatížení.
Na přenos vodorovného zatížení má vliv i typ spojovacích prostředků, který ovlivňuje účinnou délku výztužných stěn. Při návrhu je též potřebné zohlednit počet a velikost otvorů ve stěnách, které snižují výztužný účinek stěn. Masivní výztužné stěny jsou v porovnání se stěnami v sloupkových konstrukcích tužší. Z tohoto důvodu může být jejich počet a délka výrazně redukovány.
7.2 Požární odolnost
Obr. 6 Ztráta tuhosti prvku z CLT, namáhaného požárem z jedné strany
Prvky z CLT jsou složené z různých vrstev, vycházejíce z organické povahy dřeva. V případě požáru vytvoří vnější zuhelnatělé vrstvy ochranou izolační vrstvu, čímž jsou další vrstvy před požárem chráněné. Teplo se šíří pomaleji a hoření se zpomalí. Zmenšení únosnosti prvku je tak způsobené zmenšením průřezu.
V rámci požárních zkoušek se musí zohlednit ztráta vnější vrstvy. To znamená, že v 5vrstvém prvku v případě 30minutového požáru shoří nejméně jedna vrstva. Z původního prvku se třemi podélnými a dvěma příčnými vrstvami se po 30 minutách působení požáru stane prvek se třemi vrstvami. Tento však působí dalších třicet minut jako prvek se třemi vrstvami (hoří druhá, nenosná (příčná) vrstva).
Experiment se 120 mm tlustým 5vrstvým prvkem z CLT ukázal, že sa dá dosáhnout 60minutová požární odolnost. Při určité skladbě vnější vrstvy a/nebo opláštěním prvku dodatečnou vrstvou (např. sádrokartonu) sa dá dosáhnout ještě vyšší požární odolnost.
Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu LD12023 a výzkumného grantu SGS13/169/OHK1/3T/11
Literatura
- [1] Ranta-Maunus, A.: “Laminated veneer lumber and other structural sections“, Kapitel A9 von “STEP 1 – Timber Engineering”; Erste Ausgabe, Zentrum Hout, Niederlande, 1995
- [2] Schickhofer, G. et.al.: „Holzbau – Der Roh- und Werkstoff Holz, Part A“, Skriptum, Institut für Holzbau und Holztechnologie, Technische Universität Graz, Graz/Österreich, 2004 (in Deutsch)
- [3] Porteous, J.; Kermani, A.: “Structural design to Eurocode 5”, Blackwell Publishing Ltd., Oxford, UK, 2007
- [4] McKensie, W.M.C.; Zhang, B.: “Design of Structural Timber to Eurocode 5”, Zweite Ausgabe, Palgrave Macmillan, UK, 2007
- [5] Tsoumis, G.: “Science and Technology of Wood – Structure, Properties, Utilization”, Van Nostrand Reinhold, New York, USA, 1991
- [6] Kollmann, F.F.P.; Kuenzi, E.W.; Stamm, A.J.: “Principles of Wood Science and Technology, Volume II: Wood Based Materials”, Springer, Berlin-Heidelberg, Deutschland, 1975
- [7] pro:Holz Austria (Ed.): „Mehrgeschossiger Holzbau in Österreich, Holzskelett- und Holzmassivbauweise“, ISSN 1680-4252, pro:Holz Austria, Wien, Österreich, 2002 (in Deutschland)
- [8] Jöbstl, R.A. et.al.: “A Contribution to the Design and System Effects of Cross Laminated Timber (CLT)”, Paper 39-12-4, Proceedings of CIB-W18, Florenz, Italien, 2006
- [9] Jöbstl, R.A.; Schickhofer, G.; “Comparative Exemination of Creep of GLT- and CLT-slabs in bending”, Paper 40-12-3, Proceedings of CIB-W18, Bled, Slovenien, 2007
- [10] Schickhofer, G.; Moosbrugger, T.; (Ed.): „Brettsperrholz – Ein Blick auf Forschung und Praxis“, Proceedings, Technische Universität Graz, Institute für Holzbau und Holztechnologie, Graz, Österreich, 2006
- [11] Guggenberger, W.; Moosbrugger, T.: “Mechanics of Cross-Laminated Timber Plates under Uniaxial Bending”, Paper, Proceedings of the 9th World Conference on Timber Engineering, Portland, Oregon, USA, 2006
- [12] Moosbrugger, T.; Guggenberger, W.; Bogensperger, T.: “Cross-Laminated Timber Wall Segments under homogeneous Shear – with and without openings”, Paper, Proceedings of the 9th World Conference on Timber Engineering, Portland, Oregon, USA, 2006
- [13] Kuklík, P.; Kuklíková, A.: „Vícepodlažní dřevostavby“, Sborník z Volyně, 2011
- [14] ČSN 73 1702 Navrhování, výpočet a posuzování dřevěných stavebních konstrukcí – Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Navrhování, výpočet a posuzování dřevěných stavebních konstrukcí – Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Vydána 2007/11
This paper deals with the basics of the so-called “Massive Timber Construction“ (MTC) system. The paper is focused to the design of MTC system (mainly design of floors, shear walls and connections) which is made from the relatively new wood-based product “Cross Laminated Timber” (CLT). CLT consists of several layers built-up with boards. Their assembly in orthogonal directions allow them to produce elements with big dimensions. Currently, no regulations for the design of CLT-elements are given in the European standards. Nevertheless mechanical parameters of CLT-elements can be determined on the basis of the properties of the single layers as is shown in the paper. It is expected that CLT will play an important role in the future use of wood in single and multi-storey buildings.