Možnosti použití sendvičových panelů v dřevostavbách

1 Úvod

Sendvičové panely s OSB pláštěm a polystyrénovým jádrem se v posledních letech výhodně využívají pro konstrukce nízkoenergetických a pasivních objektů. Panely zde plní současně funkci statickou i tepelně izolační. Namáhány mohou být příčně (například stropní panely) i ve své rovině (stěnové prvky). Pokud jsou sendvičové panely namáhány ohybem, slouží polystyrenové jádro k přenosu smykových sil, a také jako distanční prvek k zajištění polohy OSB desek na vnějších lících panelu. U stěnových prvků, kde převažuje namáhání panelů v jejich rovině, statická funkce připadá téměř výhradně na OSB plášť.

Zatížení v rovině panelů je způsobováno jednak svislými reakcemi stropů a konstrukcí ve vyšších podlažích, jednak vodorovnými účinky větru, zemětřesení apod. Zejména přenos vodorovných sil se v praktických aplikacích někdy podceňuje, což může zejména u vyšších objektů vést k porušení celé stavby.

Nedostatečné znalosti fyzikálně mechanických vlastností a tuhostních parametrů jednotlivých spojů a jejich komponent mohou vést k neefektivnímu přístupu při návrhu konstrukce. Na ČVUT v Praze byl před nedávnem zahájen výzkum, zabývající se tuhostí a únosností lepených spojů sendvičových panelů s polystyrénovým jádrem. Cílem výzkumu je popis chování standardních typů spojení sendvičových panelů s návrhem jejich optimalizace pro zvýšení výztužné únosnosti stěn. Následující příspěvek je zaměřen na popis prvních výsledků výzkumu prostorové tuhosti sendvičových panelů s důrazem na přenos vodorovných sil do základů.

2 Spoje sendvičových panelů

Při navrhování a provádění staveb je nezbytná detailní znalost způsobu chování nejen samotných nosných prvků, ale i jejich spojů. Patří sem zejména otázka tuhosti dřevěné konstrukce, která je ovlivněna jednotlivými nosnými komponentami a jejich vzájemným propojením. Sendvičové panely je možné dle nejvíce používaných konstrukčních spojů rozdělit do tří skupin. Prvním typem je spoj vytvořený pomocí vloženého dřevěného hraněného profilu. Toto řešení napojení panelů je vhodné použít v místech bodového zatížení konstrukce, např. uložení dřevěného průvlaku apod. Konstrukční spoj se provede tak, že se v místě probrání polystyrénového jádra nanese polyuretanová pěna a na přečnívající hrany pláště panelu se nanese polyuretanové lepidlo. Do panelu se vloží dřevěný prvek a po pečlivém uložení je lepený spoj důkladně zajištěn sponkami. Tím je vytvořen potřebný přítlak pláště panelu k dřevěnému vloženému prvku. Tento konstrukční detail se používá i pro lemování rohových panelů stěn, lemování otvorů ve stěnách a je i klíčovým prvkem při kotvení panelů k základové konstrukci, kde je spodní vodorovné lemování panelu zásadním prvkem z hlediska přenosu zatížení do základové konstrukce.

Druhým typem je konstrukční spoj prováděný pomocí vloženého panýlku o tloušťce jádra spojovaných panelů. Spolupůsobení je zajištěno lepeným spojem mezi plášti spojovaných panelů a pláštěm vloženého panýlku. Postup provedení spoje je obdobný jako při vložení dřevěného hranolu. Výhodou toho spoje je zajištění průběžné vrstvy tepelné izolace (jádra panelu) ve stěně.

Třetím typem spojení panelů je využití I nosníku. Tato varianta vyžaduje jiné profilování jádra panelu a spíše se využívá pro konstrukci krovů.

3 Testování výztužných stěn dřevostaveb

Obr. 1: Schéma zatížení výztužné stěny ze sendvičových panelů

Klíčovým prvkem pro vícepodlažní budovy je ztužení konstrukce a její schopnost odolávat vodorovnému zatížení. Při srovnání jednotlivých typů konstrukčních systémů lze konstatovat, že subtilní sloupkové konstrukce jsou schopny méně vzdorovat vodorovnému zatížení než konstrukce ze sendvičových panelů. Z experimentů provedených na ČVUT v Praze vyplývá, že pro všechny typy výztužných stěn je kritickým místem návrhu spoj panelů, resp. přikotvení stěnového dílce. Standardní návrhový podklad [3] uvádí způsob výpočtu pouze pro rámové (sloupkové) konstrukce opláštěné deskou s dostatečnou tuhostí v rovině desky pro přenesení smykového namáhání s využitím mechanických spojovacích prostředků. Předpokladem tohoto výpočtu je dokonalé vetknutí panelu a vytvoření rovnoměrného smykového toku v místě spojovacích prostředků mezi pláštěm panelu a sloupkem, resp. vodorovným lemováním panelu. Výsledkem je potom vyšší, výpočtem stanovená, hodnota výztužného zatížení, než která by byla u stejné konstrukce zjištěna na základě provedených experimentů. Je nutné podotknout, že [3] neposkytuje návod k posouzení výztužné stěny ze sendvičových panelů. Výzkum, který v současné době probíhá na ČVUT je zaměřen i na tyto konstrukce. Při přípravě experimentu se sendvičovými panely byla využita norma [2]. Ta sice není primárně určena pro sendvičové panely, ale poskytuje vhodný zkušební postup k testování výztužných stěn. Zatěžovací schéma a způsob provedení zkoušek výztužné stěny jsou znázorněny na obr. 1.

Obr. 2: Kotvení výztužné stěny

Výztužnou stěnu tvořily dva sendvičové panely o šířce 1250 mm, spojené vloženým panýlkem („joint“). Svislé a vodorovné zatížení výztužné stěny bylo realizováno pomocí hydraulických válců. Svislé konstantní liniové zatížení o hodnotě 5 kN/m simulovalo přitížení stěny od reakce navazujících konstrukcí. Vodorovné zatížení bylo vnášeno do horního lemovacího dřevěného prvku a bylo postupně zvyšováno až do porušení stěny. Kotvení sendvičových panelů bylo upraveno tak, aby nedocházelo k zatlačení kotvících prvků základovým prahem a tím bylo zabráněno nazdvižení panelu v místě tahového namáhání. Způsob porušení sendvičového panelu byl odlišný od předpokladu uváděného ve [3], tedy vzniku rovnoměrného smykového toku po obvodu panelů v místě jejich lemování. Kritickou oblastí je tahové namáhání lemovacího prvku panelu ve směru kolmo na vlákna. Způsob uložení sendvičového panelu odpovídal prvnímu typu spojení panelů (odstavec 2), jak je patrné z obr. 2. Do sendvičového panelu o tl. 120 mm byl vložen spodní lemovací dřevěný prvek, kotevní závitová tyč prochází lemovacím prvkem a základový prahem a je vlepena do základového betonu.

Obr. 3: Závislost vodorovných posunů na vodorovném zatížení panelů

Na obr. 3 je znázorněn průběh pěti experimentů. Vyznačena je závislost vodorovného posunutí, které je dáno rozdílem posunutí horního a spodního lemovacího prvku panelu, na velikosti vodorovného zatížení stěny. Podle naměřených hodnot lze konstatovat, že do vodorovného zatížení zhruba 30 kN nedocházelo k významnému porušení (deformaci) výztužné stěny a posun rostl téměř lineárně. Během zkoušky se kontrolovalo kromě vodorovných posunů stěny u horního nezatíženého a dolního okraje stěny také nadzdvižení stěny v místě tahové reakce stěny.

Naměřené hodnoty vodorovného zatížení, při kterém došlo vždy k porušení lemovacího dřevěného prvku panelu, se pohybovaly od 37 kN do 53 kN. K jinému poškození výztužné stěny nedošlo. Pro vyhodnocení vodorovné tuhosti stěny podle vzorce (1) byly použity naměřené hodnoty z lineární oblasti, a to mezi 20 % a 40 % z maximálního výztužného zatížení F_H,max. Hodnoty vodorovného posunu v₀₂ a v₀₄ byly získány z rozdílu vodorovného posunutí v horním a dolním rohu nezatíženého okraje stěny. Průměrná hodnota výztužné tuhosti stěn je potom R_mean = 2683 N/mm.

(1) [N/mm],

kde

Obr. 4: Předpokládané rozdělení sil v kotvení stěny

Modul porušení sendvičového panelu výztužné stěny je zcela odlišný od předpokladu rovnoměrného smykového toku po obvodu v místě olemování panelů. Kritickým detailem je lepený spoj pláště sendvičového panelu a spodního lemovacího prvku, který se porušil při tahovém namáhání prvku kolmo na vlákna. V průběhu zkoušky nebyly pozorovány jiné deformace pláště ani jádra panelu, nebo jakékoliv porušení svislého spojení sendvičových panelů. Lze tedy předpokládat, že zatížení spodního lemovacího prvku sendvičového panelu je lineární a výztužnou únosnost stěny lze přibližně určit z pevnosti lemovacího prvku v tahu kolmo na vlákna a momentové podmínky rovnováhy. Předpokládané rozdělení sil působících na sendvičové panely a přikotvené spodní lemování panelu je znázorněno na obr. 4, kde svislé přitížení panelu je síla F_V, vodorovné zatížení výztužné stěny je dáno silou F_H a síla N je výslednicí zatížení f_(l) spodního lemovacího prvku.

Zatížení lepené spáry je potom

(2)

kde je

f_t,90,k

– pevnost dřeva lemovacího prvku v tahu kolmo k vláknům (třída pevnosti C24),

t

– šířka lepeného spoje,

L

– délka výztužné stěny,

x

– vzdálenost od bodu otáčení výztužné stěny.

4 Závěr

Z provedených zkoušek je zřejmé, že sendvičové panely mají pro výztužnou funkci dostačující tuhost, ale jejich výztužná únosnost je limitována jejich spoji.

Na základě získaných výsledků a prokázaného způsobu porušení výztužných stěn lze předpokládat, že při zesílení kotvení základové prahu a lemovacího prvku bude možné zvýšit hodnotu únosnosti řádově o 10 %.

Jedním z cílů probíhajícího výzkumu je úprava spoje pláště panelu a spodního lemovacího prvku v místě průchodu kotevní závitové tyče takovým způsobem, aby došlo ke zvýšení výztužné únosnosti sendvičových panelů. Dalším nezbytným prvkem je posílení spoje panelů v úrovni stropní konstrukce, kde je opět kritickým bodem vodorovné lemování napojovaných panelů.

Navazující připravované experimenty s novým typem kotvení se zaměří na ověření výztužné únosností stěn s cílem využití cyklického vodorovného zatížení panelů.

Poděkování

Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu SGS12/121/OHK1/2T/11 „Nový typ spoje sendvičových panelů.“ a projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 „Univerzitní centrum energeticky efektivních budov“.

Odkazy

• [1] EOTA Technical Report TR 019, Calculation models for prefabricated wood-based loadbearing stressed skin panels for use in roofs., 2005
• [2] ČSN EN 594 Dřevěné konstrukce – Zkušební metody – Výztužná únosnost a tuhost stěnových panelů s dřevěným rámem, ČSNI, Praha 2011
• [3] ČSN EN 1995-1-1 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČSNI, Praha 2006