Konstrukční principy hrázděných staveb (1. část)

Úvod

Nosná konstrukce hrázděných staveb

Hrázděné konstrukce se vyskytují v průběhu celé historie stavitelství v různých oblastech světa. Čtyřdílný seriál se zabývá konstrukčními principy a vlastnostmi hrázděného zdiva, jeho způsoby užívání i souvislostmi s jinými typy konstrukcí. Problematika je na základě zkušeností s průzkumem, opravami a jejich navrhováním podána z hlediska konstruktéra; cílem není přehled o historickém vývoji, výskytu a genetických souvislostech této konstrukce, ale poučení pro stavaře.

Část I. Konstrukce a vlastnosti

1. Konstrukce stěn historických staveb a jejich vlastnosti

Pro účely tohoto výkladu si konstrukce stěn historických staveb rozdělíme podle následujícího schématu:

Rozdělení konstrukcí historických staveb

Pletená výplň. Děčín, Staré Město

Pro volbu jednotlivých typů konstrukcí byla rozhodující některá z následujících charakteristik nebo jejich kombinace:

1. tepelné vlastnosti
2. statická funkce
3. stavební náklady

a) Tepelné vlastnosti stěny

charakterizuje tepelný odpor a tepelnou jímavost (schopnost akumulovat teplo). Zjednodušeně můžeme říci, že:

• tepelný odpor je přímo úměrný tloušťce stěny a nepřímo úměrný tepelné vodivosti materiálu – tedy: čím tlustší je stěna, tím lépe izoluje, stěna z dobře izolujícího materiálu může být tenčí,
• tepelná jímavost je přímo úměrná tloušťce stěny a její hmotnosti – tedy: tlustá stěna z těžkého materiálu udrží déle teplo.

Historické materiály můžeme charakterizovat z hlediska tepelných vlastností:

• dřevo má vysoký tepelný odpor a nízkou tepelnou jímavost,
• zdivo z hutného kamene (například ze žuly nebo křemence) má ve srovnání se zdivem cihelným nízký tepelný odpor, ale vysokou jímavost.

Význam tepelné jímavosti známe ze zkušenosti:

• roubenou chalupu je možno vytopit rychle, kdežto v chalupě kamenné je třeba topit dlouho, než se ohřeje vzduch, ale po přerušení vytápění se teplo dlouho udrží,
• v nevytápěném kamenném kostele je dlouho do zimy teplo, ale na jaře je kostel promrzlý.

Tepelný odpor. Minimální tloušťky stěn vypočtené podle tepelně technických norem odpovídají tloušťkám stěn historických obytných budov.

Po energetické krizi v 70. letech 20. století byly na Západě i u nás zpřísněny požadavky na tepelné vlastnosti konstrukcí budov. Ukázalo se, že minimální tloušťky stěn vypočtené pro různé materiály podle tehdy zavedených přísnějších norem jsou obdobné jako tloušťky stěn obvyklé u historických staveb

• masivní dřevo – 20 cm,
• hlína, nepálené cihly – 50 cm,
• zdivo z pálených cihel – 60 cm,
• kamenné zdivo – 80–100 cm.

Je vidět, že v minulosti byla při navrhování staveb sledována efektivita vytápění. Důvodem bylo hlavně to, aby nebylo nutné vytvářet nadměrné zásoby dřeva.

V 19. a 20. století byla stavebními předpisy pro stavby z plných pálených cihel, které tehdy převažovaly, určena jako minimální tloušťka zdi 45 cm. V té době se začalo běžně topit uhlím, které bylo relativně levné a podstatně výhřevnější než do té doby užívané dřevo. Úspora nákladů na stavbu s menší tloušťkou zdiva byla výraznější než úspora nákladů na palivo.

Výše uvedené hodnoty minimálních tlouštěk stěn vycházející z jejich tepelných vlastností platí pro naše podmínky, tedy pro oblast mírného pásu na přechodu mezi oceánským a kontinentálním podnebím.

Hrázděné obytné domy bez diagonál. Bornholm, Baltské moře

Klimatické podmínky velmi často rozhodují o volbě typu konstrukce a jejího materiálu, platí to zejména pro kontinentální (východní část střední Evropy, Rusko, sever USA, jižní Kanada) a subarktické (Sibiř, Finsko, střední Švédsko, Kanada) pásmo mírného pásu a pro oblasti vysokohorského klimatu. V oceánském pásmu mírného klimatu, kam patří větší část západní Evropy (Francie, Německo, jižní Švédsko, větší část Norska, britské ostrovy i ostrov Bornholm), se klimatické vlivy při volbě typu konstrukcí uplatňují podstatně méně výrazně. Jižní Francie, větší část Španělska, Itálie, Dalmácie, Řecko, Bulharsko jsou v subtropickém pásu, kde jsou požadavky na tepelný odpor stěn a vytápění ještě méně významné. Hranici mezi oceánským a kontinentálním pásmem tvoří Krušné hory (viz klimatická mapa). Rozdíl mezi klimatem u nás a na druhé straně Krušných hor je ve větší délce mrazů, kdy hrázděný dům se stěnami o tloušťce pouze 20 cm promrzne. Rozdíly v materiálech užívaných pro stavbu domů jsou vyznačeny v geologické mapě.

Geografické vlivy

Geografické vlivy. Hrázděné obytné stavby v Evropě jsou rozšířeny hlavně v oceánském pásmu (ve Francii severně od Loiry), kde díky příznivému klimatu jsou výrazně nižší požadavky na tepelný odpor konstrukcí.

b) Statická funkce stěny

Pro spolehlivé zajištění statické funkce musí mít stěna dostatečnou únosnost a tuhost.

Únosnost stěny ovlivňuje:

U masivních staveb (v uvedeném pořadí):

• tloušťka stěny,
• kvalita vazby zdiva,
• pevnost malty,
• pevnost staviva.

U roubených staveb:

• příčná tuhost stěny.

U sloupkových staveb (v uvedeném pořadí):

• uspořádání konstrukce (vzdálenost sloupků, umístění diagonál),
• druh a kvalita provedení výplně,
• profil a kvalita dřeva konstrukce.

Tuhost stavby z 18. století

Tuhost stavby z 19. století

U masivních staveb je možné do jisté míry nahradit kvalitu zdiva větší tloušťkou. Platí, že zdi, které mají tloušťky dané tepelnými vlastnostmi (viz výše), vyhoví pro nejméně 2–3podlažní domy.

Od 19. století byly tloušťky zdí u nás určeny stavebními předpisy a o tloušťce zdí začala u vyšších domů rozhodovat jejich statická funkce. U několikapatrových domů byla v nejvyšším patře s ohledem na tepelné vlastnosti předepsána minimální tloušťka zdi 45 cm. Tloušťka zdi každého nižšího patra musela být vždy o 1/4 cihly větší, takže u čtyřpatrového domu byla tloušťka zdí druhého patra 60 cm a přízemí mělo zdi 75 cm

Velká tloušťka (a tedy i značná hmotnost) je charakteristickým znakem masivních konstrukcí. Váha jejich stěn tvoří podstatnou část (60–80 %) zatížení nosných zdí a základů budov.

Pevnosti dřeva. Závisí na způsobu namáhání a na směru vláken.

U dřevěných konstrukcí rozhoduje způsob namáhání dřeva, které má (na rozdíl od většiny ostatních historických materiálů) vysokou pevnost v tlaku i tahu při namáhání ve směru vláken. Naproti tomu pevnost dřeva v tlaku a tahu kolmo na vlákna a ve smyku je podstatně nižší (uvedené příklady hodnot a jejich značení vychází z dnes již neplatné normy)

U roubených stěn, které jsou velmi výhodné z hlediska tepelného, je dřevo namáháno napříč vláken, nejsou tedy využity vysoké pevnosti dřeva – pevnost materiálu stěn je zde srovnatelná s pevností zdiva. Tloušťka roubených stěn je dána tloušťkou kmene, u jednotlivých staveb se příliš neliší, nemá v běžných případech podstatnější vliv na únosnost konstrukce. Únosnost stěny ovlivňuje především její příčná tuhost, která je u kulatiny ale i u trámů položených na sebe a spojovaných pouze v rozích poměrně nízká – snadno může dojít k vybočení stěny. Příčnou tuhost stěny zvyšuje provázání s příčnými stěnami, vložení svislých sloupků, hmoždinek nebo příložek. Proto mají roubené stavby zpravidla nejvýše dvě podlaží, často je horní patro založeno na sloupech představených před roubení spodního patra (podstávce) nebo alespoň předsazeno na krakorcích. Všechny tyto úpravy zlepšují statickou funkci stěn – zkracují volnou délku trámů roubení namáhaných při svislém zatížení stěny vodorovným ohybem a zkracují vzpěrnou výšku roubené stěny.

Statika roubení

Podstávka roubených staveb

Základy dřevěných staveb (roubených, kůlových)

Vysoká pevnost dřeva v tlaku se využívá u sloupkových konstrukcí. Sloupkové konstrukce jsme ve výše uvedeném schématu rozdělili na kůlové a rámové, abychom připomněli typ staveb, ze kterých se zřejmě rámové konstrukce vyvinuly. Kůlové stavby byly rozšířené v pravěku a dodnes se vyskytují v primitivních kulturách. Výhodou kůlových staveb je vysoká tuhost jejich stěn daná vetknutím do země, možnost zakládat i v místech, kde jiné stavby mají problémy (na vodě, na půdách s vysokou hladinou podzemní vody, na věčně zmrzlé půdě). Nevýhodou je omezení výšky dané délkou kmene a možností zarážet kůl a hnití dřeva v zemině, které podstatně snižuje životnost stavby.

Konstrukce hrázdění. Franz Stade: Die Holz-konstruktionen, 1904

Sloupková stěna bez vetknutí do základů vyžaduje ztužení alespoň vodorovnými prvky, které vytvoří konstrukci, kterou jsme pracovně nazvali rámovou. I zde je využita vysoká pevnost dřeva v tlaku, může být využita i řádově stejná pevnost v tahu (dřevo je jediným přírodním materiálem, který má vysokou pevnost v tahu). Únosnost rámové stěny je dána především jejím uspořádáním, to jest vzdálenostmi sloupků, umístěním diagonál apod. Znamená to, že ze stejných průřezů dřeva je možno bez výrazného zvýšení množství materiálu při vhodném uspořádání vytvořit konstrukce s vysokou únosností. Tloušťka rámové stěny je dána tloušťkou užitého dřeva – obvykle je kolem 20 cm. Tuhost sloupkové stěny zajišťují příčky a diagonály, u hrázděného zdiva i jeho výplň.

Při vhodném uspořádání je možné zřizovat samonosné stěny, které zatěžují spodní stavbu jen v místech uložení, a které mohou případně vynášet i konstrukce ostatní (stropy). Konstrukce tohoto typu působí jako vzpěradlo (nebo příhradový vazník), které je konstruováno tak, že jeho prvky jsou namáhány převážně tlakem a tahem. U vzpěradel a příhradových vazníků jsou vlastnosti materiálu využity s vysokou efektivitou. U ideálního příhradového nosníku mají příhrady (vymezené pasy, diagonálami a vertikálami) tvar trojúhelníka, osy všech prutů se protínají v jednom bodě (styčníku) a zatížení je do konstrukce vnášeno ve styčníku. U historických dřevěných konstrukcí tyto požadavky nejsou vždy zcela splněny, dřevo je proto namáháno i ohybem od mimostyčného zatížení a od excentrického připojení prutů. Podmínkou správné funkce rámové stěny je i správná funkce spojů, do kterých je soustředěno zatížení, a které jsou obvykle diferencovány podle toho, zda jsou namáhány tlakem nebo tahem. Charakteristickým spojem je čep, kamp a plát na rybinu zajištěný dřevěným kolíkem. U samonosných stěn se velmi často uplatní i železné třmeny nebo táhla.

Vzpěradlo – samonosná stěna

Vzpěradlo – bedněná stěna

Vzpěradlo – samonosná stěna

Franz Stade: Die Holz-konstruktionen, 1904

Strasburg

Tübingen

Bebenhausen

Hrázděné konstrukce umožňovaly budování lehkých visutých konstrukcí arkýřů, vikýřů a mostů

Dřevo v hrázděné konstrukci má funkci nosnou i ztužující, je namáháno tlakem, tahem, někdy i ohybem. Zděná výplň se podílí na přenosu zatížení. Kostel v Poběžovicích

Pokud jde o funkci a provedení detailů, platí pro rámové konstrukce obdobné principy jako u konstrukcí krovů. Kromě toho, že rámová stěna má vysokou únosnost, je i lehká, což umožňuje snadno budovat vícepatrové stavby, značně vyložené arkýře apod.

Váhu rámové konstrukce zásadně ovlivňuje její výplň, proto se u konstrukcí, které mají být lehké, používá bednění nebo různé typy pletené nebo laťkové výplně.

Výplň může mít i statickou funkci, je tomu tak především u hrázděných (vyzdívaných) obvodových a vnitřních nosných stěn, u kterých se často počítá se ztužením konstrukce vyzdívkou a se vzájemným přenosem zatížení v kontaktu dřeva a zdiva. Platí to zejména u hrázděných staveb bez diagonál, které jsou pro některé oblasti typické, například na dánském ostrovu Bornholmu v Baltském moři, v Anglii nebo ve Francii, kde je hrázdění někdy vyzdíváno plochými čtvercovými cihlami, podobnými cihlám římským, rozměr cihly určuje tloušťku stěny i vzdálenost vertikál hrázdění. Vyzdívky velkých hrázděných domů v baskické Viktorii jsou proti dřevu velmi pečlivě klínovány, aby zajistily tuhost stavby. Pokud tyto domy mají diagonály, jejich funkcí je pouze ztužení dřevěného skeletu při stavbě .

U vyzdívek hrázděných staveb se často setkáváme s parketovou vazbou nebo klasovým zdivem (opus spicatum). Zdivo s touto vazbou má stejnou pevnost ve dvou směrech na sebe kolmých, což má význam pro roznesení zatížení na svislé a šikmé dřevěné prvky.Zdivo s rovnoběžnými spárami má vysokou pevnost kolmo na spáru, ale podstatně nižší pevnost ve směru ložné spáry.

Omítané hrázdění. Hrad Konopiště

Klasová vazba. Hrad Konopiště

Zakládání na neúnosné půdě

Dekorativní vazby. Franz Stade: Die Holz-konstruktionen, 1904

Představa o přenosu sil mezi dřevem a zdivem v hrázděné konstrukci je pravděpodobně jedním z původních principů dekorativní vazby režných cihel v příhradách hrázdění.Podobné tendence můžeme sledovat i na příkladech primitivního hrázdění, kde záměrně neuspořádaná vazba zajišťuje (po dotvarování) vyrovnanou pevnost zdiva ve dvou směrech, a tím rovnoměrné zatížení dřevěných prvků.

U některých hrázděných staveb má dřevěná konstrukce pouze funkci prostorového ztužení tenkých stěn, tj. zachycení vodorovných sil, svislé zatížení přenáší v celém rozsahu vyzdívka.

Neuspořádaná vazba – hrázdění z kuláčů, výplň z nepálených cihel. Chiva (Uzbekistan)

Bulharsko

Hrázděné zdi tohoto typu tvoří přechod ke zděným stavbám ztuženým dřevěnými věnci, se kterými se můžeme setkat v zemětřesných oblastech.

Namáhání tahem a smykem. V zemětřesných oblastech jsou stavby ztuženy dřevěnými věnci, kterými se asi po 3/4 metrech prokládá zdivo.

Káhira (Egypt)

Nesebar (Bulharsko)

Sinaj (Egypt)

Sinaj (Egypt)

Se stavbami s tenkými zdmi (tloušťky řádově 20 cm) ztuženými dřevěnými věnci provázanými se stropy a krovy, se můžeme setkat i u nás, například na Malé Straně, kde v celé řadě domů v Mostecké nebo Nerudově ulici byly po požáru v 16. století uplatněny vlašské stavební technologie. Z úsporných důvodů byly zdi tenké, bylo však nezbytné jejich ztužení. Někde jsme zjistili dřevěné věnce i v poloze mezi stropem a podlahou, což zřejmě vycházelo z konstrukčních zásad běžných v zemětřesných oblastech. Tento způsob stavění vyšel zřejmě poměrně záhy z užívání, protože kvůli tepelným vlastnostem bylo nutno stavět zdi silnější a brzy se ukázalo, že jejich ztužení věnci není nezbytné.

c) Stavební náklady

Jejich výši ovlivňuje především množství materiálu, který je nutný na stavbu. Z výše uvedených charakteristik různých typů stěn je zřejmé, že konstrukcemi s nejmenší spotřebou materiálu jsou stěny rámové, jejich láce je velmi významnou předností.

Cena stavebních materiálů se různí podle místních podmínek – zatímco v lesních oblastech je cena dřeva zanedbatelná, jinde je naopak dřevo drahé. Příznačné je, že i v oblastech, kde je dřevo poměrně vzácné, se u chudých staveb uplatňují hrázděné konstrukce (viz příklady ze střední Asie, ale i z Damašku, kde je dostatek kamene), protože hrázděná konstrukce dovoluje použít i dřevo podřadné kvality, malých profilů a jako výplň cihly z nepálené hlíny.

V hrázděných konstrukcích je dřevo využito velmi efektivně, proto jsou hrázděné konstrukce ze dřeva a nepálených cihel levné i v oblastech, kde je dřeva nedostatek. Damašek (Sýrie)

Důležitým faktorem zlevňujícím hrázděnou stavbu je i okolnost, že může být postavena velmi rychle a jak je vidět na příkladu z Buchary i poměrně primitivním způsobem. Jedinými nástroji zde užívanými byla teslice (sekyra nasazená kolmo na topůrko), kterou se dřevo zkracuje a kterou se provádí jediný typ spoje – zapíchnutí osekaného dřeva (původně výhradně kulatiny) do dlabu na plný profil a široká motyka užívaná na kopání hlíny i na její promísení s vodou v hliněné míse přímo uvnitř stavby. Z hlíny se přímo na stavbě vyrábějí cihly nebo spíše války, které v pouštním klimatu rychle uschnou, z nich se pak na hliněnou maltu vyzdí stěny, které se rukama omažou hliněnou omítkou. Na zdicí maltu, omítku i cihly se užívá stejná hlína rozdělaná vodou.

Stavba hrázděného domu je rychlá a levná, je možno ji realizovat i velmi jednoduchými prostředky. Buchara (Uzbekistan)

Přízemní hrázděné domy. Buchara (Uzbekistan)

Láci hrázděného zdiva i jeho základní charakteristiky výstižně popisuje Vitruvius: „Chtěl bych ovšem, aby hrázděné zdivo (cratitii) nebylo vůbec vynalezeno. Oč totiž prospívá více svým rychlým provedením a úsporou místa, o to je k větší a k obecné pohromě, poněvadž je to hotová smolnice pro požáry. Je proto zřejmě výhodnější mít vydání s nákladem na zdi z pálených cihel nežli být v nebezpečí následkem úspor, jichž se dosáhlo při hrázdění. Hrázdění působí také trhliny v omítkových pracích při členění příčných a svislých trámů v konstrukcích. Hrázděné stěny totiž při omazávání do sebe nasávají vlhkost a bobtnají, při vysychání se potom stahují a svým smršťováním rozrušují celistvost omítek. Poněvadž však některé lidi k tomu nutí spěch, nedostatek peněz nebo potřeba příčky na nepodloženém místě, je nutno postupovat takto: Základ hrázděné zdi se provede tak, aby hrázděná zeď nebyla ve styku s podlahovou masou (rudus) ani s dlažbou. je-li totiž do nich zapuštěna, stářím zetlívá, a když se sesedává, naklání se a rozrušuje vzhled omítky…“

Odkazy na literaturu se nacházejí na konci celého seriálu. Ve druhé následující části se budeme věnovat využití a funkcím rámových a hrázděných konstrukcí. Fotografie: archiv autora