Novinky v oblasti navrhování vícepodlažních dřevostaveb z křížem vrstveného dřeva
Cílem příspěvku je ve stručnosti informovat o vícepodlažních budovách z křížem vrstveného dřeva (CLT), které má jistě velkou budoucnost. Pro výrobu CLT již existuje evropská výrobková norma, je ale třeba zpracovat technické normy, které by daly projektantům podklady pro navrhování konstrukcí za běžné teploty a za požáru. Normy se v současné době připravují pro 2. generaci jednotlivých částí Eurokódu 5.
V České republice významně roste počet realizací staveb na bázi dřeva. Roste též zájem používat dřevo na vícepodlažní obytné a administrativní budovy. Česká republika si nárůst použití dřeva ve stavebnictví může dovolit. Lesy pokrývají 34 % plochy celého území a zásoba dřeva v těchto lesích se dlouhodobě zvětšuje. Podle oficiálních údajů se celková zásoba dřeva za posledních 85 let více než zdvojnásobila.
1. Úvod
U vícepodlažních dřevostaveb je klíčovou problematikou jejich požární odolnost, tuhost a akustika. Pokud jde o vícepodlažní dřevostavby na bázi lehkého dřevěného skeletu, ukazuje se, že s ohledem na jejich požární odolnost a též tuhost jsou vhodné do maximálně pěti podlaží. S ohledem na to, že dřevo je vláknitý materiál, výrazně se od sebe liší vlastnosti rovnoběžně a kolmo k vláknům. U dřevostaveb, především vícepodlažních, s lehkým dřevěným skeletem je tak velkým problémem deformace dřeva kolmo k vláknům pod jeho sloupky, která se projevuje zatlačováním těchto sloupků do horizontálních prahů a prasklinami na fasádě.
Tento článek je proto zaměřen na problematiku navrhování vícepodlažních dřevostaveb z křížem vrstveného dřeva CLT, které se pro vícepodlažní dřevostavby začíná nejvíce používat.
2. Metody navrhování
Pro navrhování stropních panelů z CLT výrobci zatím používají různé metody, které jsou stručně popsány v následujícím textu.
Teorie mechanicky spojovaných nosníků (γ-metoda)
Tato návrhová metoda je uvedena v příloze B Eurokódu 5 [2]. Metoda je založena na teorii lineární pružnosti. Tato metoda byla zpracována prof. Karlem Möhlerem pro navrhování mechanicky spojovaných nosníků, spojených mechanickými spojovacími prostředky s modulem prokluzu K a s roztečí s. Podle této metody je ohybová tuhost nosníku definovaná jako účinná ohybová tuhost (EI)ef, která závisí na průřezových charakteristikách nosníku a účinnosti spojení jednotlivých částí nosníku, kterou vyjadřujeme součinitelem poddajnosti spojení γ (γ = 1 pro tuhé spojení).
Tato metoda musela být pro účely výpočtu CLT modifikována. Hlavním předpokladem je, že jenom podélné vrstvy CLT nesou zatížení a příčné vrstvy uvažujeme jako smykově poddajné ve své rovině, tedy jako jisté poddajné spojení podélných vrstev. Příčnou vrstvu si tak můžeme představovat jako imaginární spojovací prostředky spojující podélné vrstvy CLT dohromady. Součinitel γ se přitom většinou uvažuje v rozmezí hodnot 0,85 a 0,99.
S ohledem na to, že příčné vrstvy CLT mají menší modul pružnosti než podélné, může docházet k odtrhávání těchto vrstev od sebe. S ohledem na namáhání příčných vrstev smykem může potom docházet k porušení příčných lamel na rozhraní jarního a letního dřeva.
Kompozitní teorie (k-metoda)
Tuto návrhovou metodu používají hlavně výrobci překližek. Metoda úplně zanedbává při výpočtu vlastností překližek vrstvy namáhané kolmo k vláknům.
Pro výpočet účinné ohybové tuhosti (EI)ef křížem vrstveného dřeva CLT se používá modifikovaná k-metoda, která je založena na následujících předpokladech:
- Platí lineární závislost mezi napětím a přetvořením a Bernoulliho hypotéza,
- Uvažovány jsou pevnostní a tuhostní vlastnosti všech vrstev (tuhost příčně položené vrstvy se počítá jako
), - Smyková deformace se nebere v úvahu, proto se tato metoda hodí hlavně pro panely s velkým poměrem rozpětí k výšce průřezu (
), - V závislosti na orientaci povrchových lamel v panelech CLT, při různých aplikacích ve vodorovných či svislých konstrukcích jsou stanoveny hodnoty součinitele skladby k, kterými se stanovují příslušné účinné pevnostní a tuhostní vlastnosti v ohybu, v tlaku a v tahu (např. fef = f ‧ k ).
Smyková analogie
Tato návrhová metoda je nejpřesnější. Metoda byla zpracována prof. Heinrichem Kreuzingerem pro kompozitní prvky. Tato metoda bere v úvahu smykové deformace příčných vrstev. Metoda uvažuje rozdílné moduly pružnosti v ohybu a ve smyku pro každou vrstvu a je vhodná pro skoro všechny typy CLT panelů (z hlediska počtu vrstev a rozpětí).
Touto metodou bylo zjištěno, že při poměru rozpětí a výšky panelu l / h = 20 je deformace způsobená smykem 22 % z celkové deformace, pro poměr l / h = 30 je smyková deformace pouze 11 %.
CLT designer
Analytické návrhové metody popsané v předchozí části textu jsou časově náročné, a proto byl na universitě v Grazu, která se vývoji a výzkumu CLT nejvíce věnuje, vyvinut příslušný software – CLT designer. Software byl vyvinut tak, aby byl jednoduchý, snadno použitelný a jasný.
Program obsahuje tři základní moduly výpočtu pro stropní desky a jeden modul pro výpočet stěn. Lze navrhnout jakýkoliv CLT panel, který si uživatel sám definuje. Navíc program obsahuje CLT panely od některých konkrétních výrobců, protože se liší tloušťkou i počtem vrstev lamel. Program počítá CLT panely za běžné teploty i za požáru.
3. Materiálové řešení
Obecně je snaha navrhovat celodřevěné konstrukce, ale v odůvodněných případech je nutné začlenit do nosné konstrukce budovy i jiný materiál. Většinou se jedná o železobeton.
V této souvislosti začínají být velmi zajímavé kompozitní dřevobetonové stropní konstrukce a to především prefabrikované.
V některých případech je vhodné navrhnout první nadzemní podlaží celé ze železobetonu. Jestliže se jedná o vyšší konstrukci, která se navíc nachází v oblasti s vysokým zatížením větrem (např. Forté, Austrálie), je vhodné konstrukci přitížit a řádně zakotvit proti ztrátě stability.
Železobetonové první podlaží také dělá konstrukci méně náchylnou k disproporčnímu kolapsu (kolapsu neúměrnému příčině), například v případě nárazu vozidla do prvního patra budovy (např. Graphite Apartments, Velká Británie).
V případě hotelu Alpen Ammerwald v Rakousku jsou první dvě patra železobetonová, na nich jsou usazena tři patra modulových jednotek z CLT. Železobetonová patra jsou navržena hlavně kvůli sněhu, který v zimě může v této oblasti dosahovat výšky až 2 metry.
Železobetonová jádra se používají jako ztužení proti účinkům větru a také jako požární úniková cesta.
Všeobecně je ale snaha pokud možno železobetonová jádra ve dřevěné konstrukci z CLT nenavrhovat. Hlavní důvod je smršťování dřeva se změnou vlhkosti. Někdy je železobetonové jádro požadováno stavebním úřadem. V případě budovy H8 v Německu bylo nutné do projektu zapracovat železobetonové jádro, které slouží jako požární úniková cesta. Jádro je umístěno mimo budovu, je otevřené a přístupné z každého bytu balkonem.
4. Konstrukční řešení
Koncepce budovy může být jak stěnová, tak i sloupová. U stěnové koncepce jsou použity CLT panely na stropy i stěny. U sloupové koncepce jsou použity CLT panely na stropy a sloupy jsou z lepeného lamelového dřeva.
Systém „honeycomb“ (plástev medu) se skládá pouze z nosných stěn. Hlavním svislým nosným prvkem jsou vnitřní stěny, konstrukce není zavěšená do vnitřního jádra. Svislé stěny se chovají též jako ztužující stěny. Další výhodou je možnost změny dispozice v průběhu životnosti budovy. Konstrukce je navržena tak, aby ji přesunutí nebo odstranění vnitřní nosné stěny nijak neohrozilo. Panely jsou předimenzovány a mají dostatečnou únosnost a tuhost, aby vydržely dvojnásobné rozpětí nebo vykonzolování. V případě odstranění jedné stěny se stěna nad ní začne chovat jako stěnový nosník a vynáší zatížení od stropní desky. Tento typ konstrukce je také velmi výhodný vzhledem k disproporčnímu kolapsu. Tento systém je použit též u Graphite Apartments ve Velká Británii a Forté v Austrálii.
Systém stropních konzol a stěnových nosníků byl použit u jedné z nejvíce staticky inovativní budovy s ohledem na nosné vlastnosti CLT. Jedná se o obytnou budovu Whitmore Road ve Velké Británii o šesti podlažích (třetí podlaží má přitom zdvojenou výšku) a prvním nadzemním podlaží ze železobetonu. Stropní panely z CLT mají maximální rozpětí 9,5 m a na jedné straně jsou vykonzolované 2 m do boku budovy.
Stěny v místě vykonzolování stropu jsou v tomto případě aplikovány zcela atypickým způsobem, což se promítlo do jejich připojení ke stropní konstrukci.
Konstrukční systém „cross-wall construction“ je další systém pro budovy z CLT. V tomto případě jsou nosné stěny umístěny v příčném směru. Tento nosný systém se často používá u obytných budov, jako jsou hotely, koleje pro studenty i rezidenční budovy. Systém je typický pro železobetonové prefabrikované konstrukce.
Příkladem použití je Bridport House ve Velké Británii.
Obr. 1 Použití profilovaných CLT panelů
Tato budova je velmi zajímavá nestejným provedením konstrukčního systému po výšce budovy. První dvě patra jsou navržena jako typická „cross-wall construction“ a nachází se zde mezonety. V horních patrech kde se nacházejí bytové jednotky, se konstrukční systém mění na podélný systém. Nosné stěny jsou v těchto patrech hlavně vnější a chodbové. Tento systém umožňuje určitou variabilitu bytových jednotek, dispozice bytu záleží na potřebách a přáních obyvatelů a není limitována nosnými (nepřemístitelnými) stěnami uvnitř bytových jednotek.
Pro snížení otlačení dřeva ve stycích stěna – strop – stěna byl vyvinut systém profilovaných panelů (Bridport House), viz obr. 1. Každá nosná stěna je profilovaná, tak aby se dotýkala nosné stěny pod ní či nad ní. Tento systém minimalizuje otlačení stropního panelu a snižuje svislou deformaci konstrukce až o 40 %.
5. Požární odolnost
CLT samo o sobě je schopné odolávat požáru a není nutné ho obkládat. Když je dřevo přiznané, bez jakéhokoli obkladu, stačí přidat vrstvu (vrstvy) navíc a panel může dosáhnout požadované požární odolnosti.
V počátcích používání CLT bylo hodnocení jeho požární odolnosti velmi přísné. Předpokládalo se, že když u stěny odhoří první svislá vrstva, druhá vodorovná vrstva odpadá a nijak únosnosti nepřispívá. U pětivrstvé stěny, tak zatížení přenáší jen tři vrstvy, viz obr. 2.
Obr. 2 Pětivrstvý panel po vystavení požáru třicet minut
Požární zkoušky, které byly v posledním období provedeny, ale ukázaly, že to je složitější.
Některé firmy uvádí ve svých technických listech k CLT panelům rychlost zuhelnatění pro první vrstvu 0,65 mm/min a pro další vrstvy rychlost zuhelnatění 0,8 mm/min.
Pro výpočet únosnosti konstrukčního CLT panelu za požáru se potom dá použít metoda redukovaného průřezu uvedená v Eurokódu 5 [3].
Předmětem diskusí je však to, jak by se měla uvažovat tloušťka vrstvy nulové pevnosti. Zatím se doporučuje ji uvažovat 10 mm, když je požárem zasažena tažená část CLT (stropní panely) a 16 mm, když je zasažena tlačená část CLT (stěnové panely). Předmětem diskusí též je, zda uvažovat příčnou vrstvu stěny, když do ní zasahuje hloubka zuhelnatění, stanovená podle Eurokódu 5 [3].
Pro zajímavost v případě Graphite Apartments v Londýně 35 % hmotnosti křížem vrstveného dřeva slouží jenom jako požární ochrana. Pro dosažení požární odolnosti 120 minut byly stěny obloženy sádrokartonovými deskami (požadovaná tloušťka panelu by byla cenově nevýhodná).
Pří návrhu budovy Forté v Melbourne byl pro dosažení požární odolnosti 120 minut použit speciální CLT panel, který se skládal ze dvou CLT panelů a ze vzduchové dutiny mezi nimi.
6. Závěr
Cílem příspěvku je ve stručnosti informovat o vícepodlažních budovách z křížem vrstveného dřeva (CLT). Je možné konstatovat, že křížem vrstvené dřevo má při výstavbě vícepodlažních budov velkou budoucnost. Pro výrobu křížem vrstveného dřeva již existuje evropská výrobková norma, která u nás byla zavedena jako ČSN EN 16351 [1], ale je třeba zpracovat technické normy, které by dávaly projektantům podklady pro navrhování konstrukcí z tohoto materiálu/výrobku za běžné teploty a za požáru. Tyto normy se v současnosti připravují pro 2. generaci jednotlivých částí Eurokódu 5 [2], [3].
Poděkování
Tento článek byl zpracován za podpory grantu TAČR TE02000077 „Inteligentní Regiony – Informační modelování budov a sídel, technologie a infrastruktura pro udržitelný rozvoj“.
Literatura
- ČSN EN 16351 Dřevěné konstrukce – Křížem vrstvené dřevo – Požadavky, ÚNMZ, Praha, 2016.
- ČSN EN 1995-1-1 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 2006.
- ČSN EN 1995-1-2 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČNI, Praha, 2006.
- FPInnovations. CLT Handbook. Québec: FPInnovations, 2011.
The aim of the paper is to briefly inform about multi-storey buildings of cross laminated timber (CLT), that certainly has a great future. There is already a European product standard for CLT production, but it is necessary to process technical standards that would give designers a backgrounds for designing structures at normal temperatures and in a fire. Standards are currently being prepared for the second generation of individual parts of the Eurocode 5.