Přínos 2. generace Eurokódu 5 pro navrhování dřevostaveb
Ekologická čtvrť La Cartoucherie, Toulouse (FR): Projekt v bývalém průmyslovém areálu se skládá z bytů, obchodů a hotelu. Dominantní část (72 %) je postavena ze dřeva: desetipatrová hotelová věž; šesti až devítipatrové obytné budovy. Zdroj: Dietrich Untertrifaller, Seuil Architecture. Foto: Aldo Amoretti
Dřevostavby, tj. stavby, u kterých je dominantně použitým materiálem dřevo a výrobky na bázi dřeva, jsou v současnosti předmětem rostoucího zájmu developerů a odborné veřejnosti. Je to především díky tomu, že nabízejí alternativní způsob výstavby bezpečných staveb s velkým ekologickým přínosem. Předpoklady pro jejich větší realizaci jsou potom vytvářeny pomocí nových verzí evropských norem. V tomto příspěvku jsou pezentovány některé nové postupy pro jejich navrhování podle 2. generace Eurokódu 5.
1. Úvod
Na základě mandátu Evropské komise M/515 jsou připravovány aktualizace všech Eurokódů v zájmu zdokonalení pravidel pro navrhování stavebních konstrukcí v souladu s potřebami současnosti. V případě navrhování dřevěných konstrukcí byl již aktualizován Eurokód 5, který bude mít celkem 5 částí, které mají v současnosti tento stupeň finalizace:
- prEN 1995-1-1 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby;
- prEN 1995-1-2 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-2: Navrhování konstrukcí na účinky požáru;
- prEN 1995-2 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 2: Mosty;
- prEN 1995-3 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 3: Provádění;
- ČSN P CEN/TS 19103: Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Navrhování dřevobetonových kompozitních konstrukcí – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČAS, Praha 2022 (tato technická specifikace bude po ověření označena jako část 1-3 Eurokódu 5).
S ohledem na obrovský rozsah všech částí 2. generace Eurokódu 5 (celkem se jedná o více než 850 stran) byly části 1-1, 1-2, 2 a 3, které mají zatím status prEN, již vydány jako technické normaliazační informace TNI a jsou dostupné na webu České agentury pro pro standardizaci ČAS. Je to z důvodu, aby se odborná veřejnost s nimi mohla začít seznamovat.
Souhrnně lze říci, že jednotlivé části 2. generace Eurokódu 5 zahrnují mnoho zajímavého v oblasti navrhování dřevěných konstrukcí, jako např.: křížem vrstvené dřevo, tesařské spoje, různé způsoby spojování prvků pomocí oceli, řešení křehkých způsobů selhání spojů, vyztužování prvků, analýzy kmitání, řešení požární odolnosti a též mostních konstrukcí.
Části věnované provádění a dřevobetonovým kompozitním konstrukcím jsou potom části zcela nové. Část věnovaná provádění je zaměřena na realizaci dřevěných konstrukcí, která byla doposud v Eurokódech zmiňována jen velice okrajově.
Část věnovaná dřevobetonovým kompozitním konstrukcím přináší podrobné informace k jejich navrhování podle mezních stavů, použitým materiálům, trvanlivosti, spřahování dřeva a betonu, detailům i montáži.
Tento příspěvek je zaměřen na problematiku konstrukčních systémů dřevostaveb a jsou v něm představeny návrhové postupy pro jejich navrhování, které v 1. generaci Eurokódu 5 (dále jen EC 5) nejsou uvedeny, nebo byly v rámci přípravy 2. generace EC 5 přepracovány.
2. Lehké dřevěné skelety
Obr. 1 Konstrukce lehkého dřevěného skeletu
Lehké dřevěné skeletové systémy tvoří převážně fošny, prkna, desky na bázi dřeva a sádry a izolačních materiálů. Nejpoužívanějším lehkým dřevěným skeletem je Plattform frame, který má podlaží z dílů posazených vzájemně na sebe a je dnes nejpoužívanějším typem lehkého dřevěného skeletu při stavbě jednopodlažních i vícepodlažních dřevostaveb, viz obr. 1.
U dřevostaveb, především vícepodlažních, s lehkým dřevěným skeletem je jedním z problémů řešení pevnosti dřeva kolmo k vláknům pod jejich sloupky a zatlačování těchto sloupků do horizontálních prahů. Což, mimo jiné, způsobuje trhliny na fasádě. Přípustné zatížení prahu je potom ovlivněno i mírou jeho trvalé deformace. Posouzení podle 2. generace EC 5 (nového znění EC 5) proto zavádí nový součinitel kmat zohledňující použitý druh dřeva či výrobku na bázi dřeva a upravený součinitel kc,90, který zohledňuje rozložení tlakových napětí v otlačovaném prahu.
V nové verzi EC 5 jsou též uvedeny postupy, jak provést vyztužení dřevěných prvků v oblasti soustředných tlakových napětí kolmo k vláknům. Toto se týká především uložení vazníků halových objektů z lepeného lamelového dřeva na spodní konstrukcí.
Co je pro lehké dřevěné skelety též velmi důležité, je čas tf odpadnutí pláště protipožární ochrany, který chrání jejich sloupky či stropnice. Dosud bylo nutné tento čas zjišťovat požárními zkouškami, nebo předpokládat konzervativně, že se rovná času tch , kdy za pláštěm protipožární ochrany začíná docházet k zuhelnaťování dřeva. Nové znění EC 5 uvádí příslušné hodnoty času odpadnutí pláště protipožární ochrany tf , a to podle toho, zda se jedná o sloupky či o stropnice, u kterých hraje roli gravitace.
Samozřejmě i v případě lehkých dřevěných skeletů hraje roli jejich příčná tuhost, na kterou mají vliv tuhé stropní desky a smykové (výztužné) stěny. Nové znění EC 5 se věnuje smykovým stěnám velmi podrobně včetně jejich deformací po výšce budovy v případě vícepodlažních dřevostaveb. Řešení tuhých stropních desek je potom věnována samostatná část EC 5 zaměřená na navrhování dřevobetonových kompozitních konstrukcí.
Tato část řeší problematiku dřevobetonových kompozitních konstrukcí komplexně, jak již bylo zmíněno, obdobně jak jsme zvyklí u technické normy pro ocelobetonové kompozitní konstrukce.
U lehkých dřevěných skeletů je potom předmětem zájmu i jejich chování za požáru s ohledem na subtilnost skeletové konstrukce. Z různých požárních zkoušek víme, že zuhelnaťování sloupků a stropnic je případ od případu velmi rozdílné a ovlivněno různými faktory. Nové výpočty zuhelnaténí dřeva podle nové verze EC 5 se snaží tuto skutečnost maximálně zohlednit.
Zavádí nově výpočet nominálního zuhelnatění βn = Π ki β0 , kdy β0 je základní návrhové zuhelnatění a Π ki je součin příslušných modifikačních součitelů zuhelnatění ki. Těchto součinitelů je celkem 13 a jejich účelem je, pokud možno v co největší míře zohlednit vše, co zuhelnatění dřeva ovlivňuje (orientace vláken dřeva, mezery mezi prvky, spojovací prostředky, hustota a tloušťka dřeva či výrobku na bázi dřeva atd.). Výpočty podle nového znění EC 5 jsou velmi inovativní, ale náročné.
V případě navrhování především vícepodlažních dřevostaveb na bázi lehkého dřevěného skeletu jde nejen o pečlivý návrh z hlediska statiky, ale i o řešení detailů a dále též o jejich kvalitní provedení a údržbu. Též si musíme uvědomit, že tento konstrukční systém je vhodný do čtyř či maximálně do pěti nadzemních podlaží. Z různých analýz nicméně vyplývá, že právě do čtyř nadzemních podlaží se staví nejvíce vícepodlažních dřevostaveb.
V případě lehkých dřevěných skeletů je potom třeba zabránit následujícímu: hoření nosných a výztužných konstrukcí; vniknutí ohně a kouře do stěn a stropů prostřednictvím spojů a instalací, jakož i šíření ohně v jejich dutinách; šíření ohně a kouře přes spojovací prostředky v místě styků požárních úseků.
3. Těžké dřevěné skelety
Obr. 2 Skelet s dvojdílnými průvlaky a jednodílnými sloupy
Těžké dřevěné skelety jsou prostorové nosné konstrukční systémy vytvořené ze svislých a vodorovných nosných prvků. V případě vícepodlažních dřevostaveb většinou z lepeného lamelového dřeva. Obecně však mohou být provedeny též z hraněného řeziva, vrstveného dřeva, Parallamu či Intrallamu. Kompletují se potom ve většině nenosnými obvodovými plášti a dělicími konstrukcemi příček. Těžké dřevěné skeletové konstrukční systémy se vyznačuji velkou půdorysnou dispoziční volností a pro dřevostavby o větším počtu podlaží se nejčastěji používají.
Novodobé konstrukce těžkých dřevěných skeletů se liší provedením styků vodorovných a svislých prvků. Na obr. 2 je vícepodlažní dřevostavba od architekta Schigeru Bana v Curychu, která byla otevřena v roce 2013. Její unikátní a řemeslně precizní dřevěnou konstrukci s dobrou požární odolností realizovala firma Blumer-Lehmann. Konstrukce dřevěného skeletu byla v tomto případě ovlivněna klasickou japonskou technikou spojování konstrukčních prvků.
Těžké dřevěné skelety lze kombinovat s výztužnými železobetonovými jádry či smykovými (výztužnými) stěnami z křížem vrstveného dřeva. U těžkých dřevěných skeletů však velmi často musíme použít ve spojích sloupů a průvlaků různé ocelové prvky, které řešení spojů zjednoduší.
K problematice spojování prvků dřevěných konstrukcí pomocí různých spojů je v 2. generaci EC 5 poměrně hodně nového včetně dokonalejšího řešení jejich požární odolnosti.
Na těžké dřevěné skelety se používají tyčové prvky většinou z lepeného lamelového dřeva, u kterého celistvost lepených spár za požáru nemá tak významnou roli na únosnost jako u křížem vrstveného dřeva. Nicméně při navrhování tyčových prvků z lepeného lamelového dřeva na účinky požáru je nyní možné zohlednit i jejich polohu v konstrukci (nosník či sloup) a směr jejich zuhelnaťování, viz obr. 3.
Obr. 3 Poloha a směr zuhelnaťování tyčových vrstvených prvků
Obr. 4 Zuhelnatělý sloup po požární zkoušce
Výpočty požární odolnosti těžkých dřevěných skeletů jsou velmi transparentní a byly používány i v minulosti a ověřovány požárními zkouškami v zájmu jejich zdokonalení. Za zmínku stojí např. vícepodlažní dřevostavba Mjøstårnet v Norsku, která má 18 podlaží a je jednou z nejvyšších dřevostaveb v Evropě. V tomto případě byly výpočty požární odolnosti sloupů z lepeného lamelového dřeva, provedené podle 1. generace EC 5, ověřeny požárními zkouškami trvajícími 90 minut. Po vypnutí hořáků sice dřevo dále mírně zuhelnaťovalo, viz obr. 4, ale po několika hodinách se zastavilo. To povrdilo, že prvky z lepeného dřeva mají vysokou požární odolnost a pro vícepodlažní dřevostavby jsou velmi vhodné.
Díky tomu, že v posledních letech byla provedena celá řada různých požárních zkoušek, je nyní možné počítat požární odolnost dřevostaveb až na požární odolnost 120 minut. Tato doba požární odolnosti se dá předpokládat, že bude u vícepodlažních dřevostaveb v určitých případech požadována.
4. Masivní deskové systémy
Při realizaci vícepodlažních dřevostaveb se stále více uplatňují panely z křížem vrstveného dřeva CLT, které jsou velmi inovativním výrobkem na bázi dřeva, vytvářejícím předpoklady pro větší uplatnění dřeva ve stavebnictví. Křížem vrstvené dřevo je výrobek, který byl poprvé použit v Německu a v Rakousku v devadesátých letech dvacátého století. Pro výrobu CLT panelů sice existuje již poměrně dlouho evropská výrobková norma, která u nás byla zavedena jako ČSN EN 16351 [1]. Pro navrhování konstrukcí z CLT však v dosud platném Eurokódu 5 (ČSN EN 1995-1-1 [2] a ČSN EN 1995-1-2 [3]) návrhová pravidla zatím nejsou zahrnuta.
Jejich navrhování tak do jisté míry do současnosti bylo velice individuální. CLT panely se pouze daly na běžné namáhání jako je ohyb nebo tlak navrhnout dle základních pravidel stavební mechaniky. Problematické však bylo zohlednění spolupůsobení vnitřních vrstev CLT panelu s jeho vrstvami podélnými. Problematické též bylo navrhování CLT panelů na účinky požáru z hlediska možné delaminace jeho jednotlivých vrstev. Velmi specifické dále bylo uplatnění panelů v nosné konstrukci budov a též návrh spojů CLT panelů. Pravidla pro navrhování konstrukcí z CLT za běžné teploty i na účinky požáru jsou však již součástí zpracovávané nové verze EC 5, která byla připravena na základě provedení rozsáhlých zkoušek, a to jak mechanických, tak i požárních, viz obr. 5.
Obr. 5 Stěna z CLT po požární zkoušce
V tomto příspěvku proto ještě několik slov o chování křížem vrstveného dřeva CLT za požáru. Toto chování je totiž významně ovlivněno celistvostí jeho lepených spár a jeho případnou delaminací.
Pokud totiž dojde k delaminaci CLT panelů, může to mít významný dopad na rozvoj požáru. Tato skutečnost je zohledněna v novém znění EC 5 takto. Stanovení účinné tloušťky CLT panelu hef různé skladby vrstev závisí na tom, zda je CLT panel použit na stropy či stěny, zdali je nebo není chráněn pláštěm protipožární ochrany a má či nemá zaručenu celistvost lepených spár.
5. Závěr
Z praktických důvodů nebudou v řadě případů dřevostavby pouze ze dřeva. Budou zde používány různé nezbytné železobetonové a ocelové prvky, či v zájmu tuhé stropní konstrukce dřevobetonové stropy.
V případě použití křížem vrstveného dřeva, které je poměrně novým výrobkem na bázi dřeva, vhodným pro výstavbu vícepodlažních dřevostaveb, si musíme uvědomit, že musí být použito kvalifikovaným způsobem.
U vícepodlažních dřevostaveb je potom nesmírně důležitá jejich příčná tuhost. Tuhost je přitom ovlivněna, mimo jiné, okenními a dveřními otvory. Klíčový je též přenos vodorovného zatížení mezi jednotlivými podlažími.
S výškou dřevostavby potom hraje roli otlačení dřeva kolmo k vláknům, se kterým setkáváme u lehkých dřevěných skeletů a deskových konstrukcí z CLT.
Do současnosti též nebyly některé výrobky ze dřeva zahrnuty v 1. generaci Eurokódu 5. Výrobci sice dávali k dispozici příslušné dokumenty (osvědčení ETA, různé katalogy skladeb atd.), nicméně existují rozpory, do jaké míry lze kombinovat osvědčení ETA a EN normy.
Poděkování
Tento příspěvek byl zpracován na základě poznatků získaných v rámci plnění role Centra technické normalizace pro dřevěné konstrukce České agentury pro standardizaci. Přednesen na konferenci Dřevostavby 2024 ve Volyni
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.
- ČSN EN 13501-2 Požární klasifikace stavebních výrobků a konstrukcí staveb – Část 2: Klasifikace podle výsledků zkoušek požární odolnosti kromě vzduchotechnických zařízení, ČAS, Praha 2017.
- ČSN P CEN/TS 19103 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Navrhování dřevobetonových kompozitních konstrukcí – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČAS, Praha 2022.
- TNI: prEN 1995-1-1, prEN 1995-1-2, prEN 1995-2, prEN 1995-3, viz úvod příspěvku.
Wood buildings, i.e. buildings in which wood and wood-based products are the dominant material used, are currently the subject of growing interest among developers and the professional public. This is mainly due to the fact that they offer an alternative way of constructing safe buildings with great environmental benefits. The prerequisites for their greater implementation are then created by new versions of European standards. In this paper some new procedures for their design according to the 2nd generation of Eurocode 5 are presented.