Dřevobetonové stropy pro lehké skelety dřevostaveb
Dřevobetonové stropy se používají především při zesilování stávajících stropů s dřevěnými stropními nosníky. Velkou perspektivu však mají i v případě prefabrikovaných dřevobetonových stropů vícepodlažních dřevostaveb. Provedením betonové desky, kterou spřáhneme s dřevěnými nosníky pomocí různých spřahovacích prostředků, výrazně zvýšíme tuhost i únosnost stropní konstrukce. Dřevobetonové stropní konstrukce mají též lepší parametry kročejové a vzduchové neprůzvučnosti a požární odolnosti oproti tradičním dřevěným stropům.
Úvod
V České republice i v celém středoevropském regionu sledujeme v posledních letech zvyšující se zájem o výstavbu z ekologicky šetrných materiálů. Mezi tyto materiály můžeme jistě zařadit dřevo, výrobky na bázi dřeva i kompozity na bázi dřeva. Přestože se v České republice zvyšuje nejen zájem, ale i počet realizací staveb na bázi dřeva, je jejich podíl na celkové výstavbě rodinných domů přibližně desetiprocentní a u výstavby vícepodlažních staveb pro bydlení a občanskou vybavenost prakticky nulový. V souladu s evropskou směrnicí 31/2010/EU, která stanovuje společný cíl snížit do roku 2020 spotřebu energie v budovách o 20 % při současném zvýšení podílu využití obnovitelných zdrojů energie na 20 % a snížení produkce skleníkových plynů o 20 %, je tato oblast stavebnictví vysoce perspektivním oborem. Aby perspektiva mohla být naplňována, je třeba poskytnout specializovaným výrobcům dřevostaveb dostatek pádných, věcných a přesvědčivých argumentů a nástrojů pro jednání s investory, orgány státní správy, architekty a projektanty.
Konstrukčních systémů, které se uplatňují při výstavbě budov na bázi dřeva, je celá řada, ale u každého vždy najdeme jisté nevýhody nebo omezení, které znemožňují realizaci staveb na bázi dřeva většího rozsahu. Nejpoužívanějším způsobem výstavby vícepodlažních staveb na bázi dřeva v České republice je montáž z velkoplošných prefabrikovaných stropních a stěnových dílců na bázi lehkého dřevěného skeletu (obr. 1). Se zvyšující se výškou se ovšem začínají vyskytovat zásadní problémy ovlivňující především celkovou prostorovou tuhost objektu, dlouhodobé přetvoření vlivem dotvarování dřeva a pevnosti dřeva v otlačení kolmo k vláknům, což jsou hlavní nevýhody tohoto systému i v případě realizace nižších staveb. Mezi výhody naopak patří průmyslová výroba dílců s vysokým stupněm prefabrikace ve standardizovaných podmínkách výrobní haly, výstavba velmi úsporných staveb s minimální tloušťkou stěn a ve vysoké kvalitě, vysoká rychlost výstavby, celková nízká hmotnost výsledné stavby.
Obr. 1 Montáž domu z dílců na bázi lehkého dřevěného skeletu a příklad realizované stavby.Prioritou pro úspěšné zvýšení konkurenceschopnosti v oblasti výstavby dřevostaveb, je možnost stavět více než dnes standardní tři podlaží. K tomu je nutné nalézt alternativu především v oblasti řešení stropních nosných konstrukcí. Jako ideální řešení se nabízí využití dřevobetonových konstrukcí. Dřevobetonové stropy jsou velmi vhodné pro budovy na bázi dřeva. Provedením betonové desky, kterou spřáhneme s dřevěnými nosníky pomocí různých spřahovacích prostředků, výrazně zvýšíme tuhost i únosnost stropní konstrukce. Je ověřeno, že dřevobetonové stropní konstrukce mají též lepší parametry kročejové a vzduchové neprůzvučnosti (v případě vhodně vyřešených konstrukčních detailů) a požární odolnosti oproti tradičním dřevěným stropům, či moderním systémům na bázi prefabrikace z velkoplošných dílců.
Spojovací prostředky kolíkového typu
Na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební ČVUT v Praze je již dlouhodobě velká pozornost věnována výzkumu dřevobetonových konstrukcí, se zaměřením na chování standardně používaných spřahovacích ocelových prostředků kolíkového typu a na celkové působení dřevobetonových konstrukcí.
Na základě provedeného výzkumu spřahovacích prostředků, viz dále, bylo zjištěno, že především tuhost, určovaná podle technických norem, je cca o 20 % nadhodnocována, neboť normy předpokládají, že spřahovací prostředek je v betonu dokonale vetknut a při zatížení nedochází k jeho zatlačení do betonu. Důležitým poznatkem provedeného výzkumu též je, že jakost betonu má vliv na únosnost spřahovacích prostředků ve spojích dřevo-beton, ale nikoliv již na jejich tuhost.
Pro stanovení únosnosti spřahovacích prostředků kolíkového typu ve spojích dřevo-beton byly zpracovány následující výpočetní postupy vycházející z předpokladů pro spoje dřevo-dřevo. Jestliže budeme předpokládat, že se spřahovací prostředek kolíkového typu ve spoji dřevo-beton s mezivrstvou deformuje podle obr. 2 vlevo, můžeme zapsat rovnici rovnováhy (1) k bodu A pro mezní stav únosnosti spřahovacího prostředku – viz obr. 2 vpravo.
Obr. 2 Deformovaný tvar spřahovacího prostředku kolíkového typu se dvěma plastickými klouby
(1)
kde
- fh,t
- – pevnost dřeva v otlačení;
- fh,c
- – pevnost betonu v otlačení;
- My
- – plastický moment únosnosti spřahovacího prostředku.
Za předpokladu, že
(2)
platí
(3)
Únosnost spřahovacího prostředku podle Johansenovy teorie se potom rovná:
(4)
V případě spřažení bez mezivrstvy (t = 0) se vztah pro Rv zjednoduší na vztah:
(5)
Uvedené vztahy platí pro spřahovací prostředek, u kterého se současně vytvoří dva plastické klouby. To nastane za předpokladu, že:
(6)
(7)
Při navrhování spřahovacích prostředků kolíkového typu se dvěma plastickými klouby je proto třeba dodržet délky jejich průniku do dřeva a betonu:
(8)
(9)
Vztahy (4) a (5) řeší únosnost spřahovacích prostředků pouze podle Johansenovy teorie. Při deformačním tvaru (obr. 2) však spřahovací prostředek bude též namáhán osovou silou, která vzniká od jeho ohybu a ukotvení do dřeva a betonu.
Tato osová síla bude k sobě přitlačovat betonovou desku a dřevěný nosník a zvyšovat tak únosnost spřahovacího prostředku. Na zvýšení únosnosti spřahovacího prostředku se též bude podílet složka osové síly ve skloněné části spřahovacího prostředku, působící rovnoběžně se spárou mezi dřevem a betonem.
Kalibrací experimentů se ukazuje, že nárůst únosnosti spřahovacího prostředku namáhaného příčně nejlépe vystihuje tento vztah:
(10)
kde
- Rv
- – únosnost spřahovacího prostředku podle Johansenovy teorie;
- Rax
- – únosnost spřahovacího prostředku na vytažení ze dřeva.
Podmínkou pro použití odvozených vztahů je znalost pevnosti betonu v otlačení fh,c. Při řešení tohoto problému byly využity výsledky výzkumu spřažených konstrukcí beton-beton.
Z rozboru těchto výsledků vyplynulo, že hodnotu pevnosti betonu v otlačení fh,c je možné uvažovat jako čtyřnásobek průměrné hodnoty válcové pevnosti betonu v tlaku fcm. Tomuto odpovídá též deformační tvar hřebíku na obr. 1, neboť 
a 
(obr. 2) odpovídají předpokladům rovnic (2) a (3).
V případě, kdy bude jako spřahovací prostředek použit ocelový kolík, je možné použít následující vztahy pro pevnost dřeva v otlačení fh,t a plastický moment únosnosti My. Únosnost kolíků na vytažení je tak malá, že se zanedbává.
kde
- ρ
- – hustota dřeva [kg/m3];
- d
- – průměr kolíku [mm].
kde
- fu
- – pevnost oceli v tahu [MPa];
- d
- – průměr kolíku [mm].
Poznámka:
Plastický moment únosnosti ocelového kruhového průřezu se určuje ze vztahu 
. U ocelových spřahovacích prostředků za studena tvářených mez kluzu fy není tzv. vyznačena a rovná se přibližně 80 % meze pevnosti fu. U dřevěných konstrukcí se proto pro určení plastického momentu únosnosti kolíku často používá vztah 
. Protože podle tohoto vztahu vycházejí hodnoty plastického momentu únosnosti vyšší než podle ohybových zkoušek, je možné též používat konzervativnější vztah (12).
Spojovací prostředek plošného typu
Obr. 3 Inovativní spřahovací prostředek BV15/0
U průmyslově vyráběných dřevostaveb vyvstal požadavek vyrábět stropy alespoň částečně prefabrikované, v lepším případě zcela prefabrikované, aby se vyloučil mokrý proces na stavbě, urychlila se celková doba montáže a tím zefektivnil a zlevnil celý proces výstavby. Této problematice se se dosud věnovala celosvětově jen malá pozornost a vzniklo jen několik málo použitelných technik.
Ve spolupráci s firmou BOVA Březnice spol. s r.o. byla vyvinuta první verze inovativního spřahovacího prostředku pro spojení dřeva a betonu a též se podařilo vyrobit a odzkoušet první sadu zkušebních (funkčních) vzorků (obr. 4).
Obr. 4 Zkušební těleso a jeho chování při protlačovací zkoušceSouběžně s vývojem spřahovacího prostředku byla zpracována idea pro vlastní aplikaci do kompozitního průřezu tak, aby byl splněn základní požadavek snadné a ekonomické průmyslové výroby. Podstata tohoto technického řešení spočívá ve spojení dvojice dřevěných nosníků z rostlého dřeva obdélníkového průřezu pomocí ocelových desek s oboustranně prolisovanými trny takovým způsobem, aby část ze šířky ocelové desky přečnívala přes horní okraj dřevěných nosníků (obr. 5). Tento přesah je následně zalit směsí z hutného betonu, čímž vznikne kompozitní dřevobetonový průřez. Dimenze dřevěných nosníků a tloušťka betonové desky vychází ze statického a dynamického výpočtu konstrukce. Dimenze, počet ocelových desek a jejich umístění po délce nosníků a výškové umístění desky v průřezu vychází ze statického a dynamického výpočtu konstrukce. K zalisování ocelových desek se používá speciální lisovacího zařízení.
Obr. 5 Příkladové řešení inovativního spřažení dřevo-beton včetně MKP modelace chování spřažení
(1 – beton, 2 – dřevo, 3 – spřahovací prostředek)
Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektů ČVUT v Praze MSM 6840770001 „Spolehlivost, optimalizace a trvanlivost stavebních materiálů a konstrukcí“ a SGS11/146/OHK1/3T/11 „Prefabrikované kompozitní dřevobetonové stropní konstrukce pro vícepodlažní budovy“ ve spolupráci s firmou BOVA Březnice spol. s r.o.
Literatura
- [1] Dias, A – J.W.G.Kuilen – Cruz, H.: Mechanical properties of timber-concrete joints made with steel dowels, Coimbra University, 2003;
- [2] Hrdoušek, V. – Krátký, J. – Křečan, J. – Kukaň, V. – Procházka, J. – Šmerk, P: Spřažené konstrukce beton-beton, ČVUT Praha, 1993;
- [3] Johansen, K. W.: Theory of timber connections. International Association of Bridge and Structural Engineering. Publication No. 9:249-262. Bern, 1949;
- [4] Koželouh, B.: Zkoušky těles spřáhnutých ze dřeva a betonu, ŠDVU Bratislava, 1975;
- [5] Kuklík, P.: Navrhování dřevěných konstrukcí, Technická knižnice autorizovaného inženýra a technika, ČKAIT, Praha, 1997;
- [6] Kuklíková, A.: Kompozitní dřevobetonové konstrukce, ČVUT v Praze, 2004;
- [7] Whale, L. R. J. – Smith, I. – Larsen, H. J.: Design of nailed and bolted joints, proposals for the revision of existing formulae in draft Eurocode 5 and CIB code, Paper 20-7-1, Proceedings CIB – W18 meeting, Dublin, Ireland 1987;
- [8] ČSN EN 26891: Dřevěné konstrukce. Spoje s mechanickými spojovacími prostředky. Všeobecné zásady pro zjišťování charakteristik únosnosti a přetvoření (732070), ČSNI, Praha, 1994;
- [9] ČSN EN 1992-1-1 Navrhování betonových konstrukcí. Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 2006;
- [10] ČSN EN 1995-1-1 Navrhování dřevěných konstrukcí, Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby , ČNI, Praha, 2006;
- [11] ČSN EN 1995-2 Navrhování dřevěných konstrukcí Část 2: Mosty, ČNI, Praha, 2006
Wooden-concrete ceilings are used especially in strengthening the existing ceilings with wooden ceiling beams. They have great potential also as precast concrete ceilings of multi-storey wooden buildings. They significantly increase the stiffness and resistance of the ceiling structure. Wood-concrete ceiling structure parameters are also better in the field of impact and airborne sound insulation and fire resistance, more than traditional wooden ceilings.