Styčníky těžkých dřevěných skeletů
V rámci grantového projektu Dřevěné vícepodlažní budovy byla v laboratořích Akademie věd a Tazus v Praze provedena m.j. řada zkoušek styčníků s ocelovými deskami, které potvrdily teoretické předpoklady a výpočty a prokázaly jejich spolehlivost a funkční i ekonomickou výhodnost pro využití v praxi. Zde několik výsledků z experimentálních zkoušek.
Úvod
Jeden ze základních směrů současného rozvoje dřevěného nízko i středně podlažního stavění a architektury jsou těžké skelety s ocelovými styčníkovými deskami nebo modifikovanými tradičními spoji. Obě varianty vycházejí jednak z potřeby flexibilních dispozic a modulačních sítí v rozměrech do cca 6 metrů pro bytové, ale zvláště občanské budovy, jednak z možností, které nabízí přesné automatické dřevozpracovatelské technologie - Hundegger 2, 3 a jiné. V rámci grantového projektu Dřevěné vícepodlažní budovy byla v laboratořích Akademie věd a Tazus v Praze provedena m.j. řada zkoušek styčníků s ocelovými deskami, které potvrdily teoretické předpoklady a výpočty a prokázaly jejich spolehlivost a funkční i ekonomickou výhodnost pro využití v praxi. Zde několik výsledků z experimentálních zkoušek.
A. Kloubové styčníky
Styčník na obr.1 je konstruován s využitím svařované ocelové desky v tl. 8 - 10 mm, která je přesně osazena do vyfrézovaných drážek ve zhlaví sloupu a průvlaků a skrz otvory v desce ocelovými kolíky kloubově spojuje všechny prvky do kompaktního styčníku. Ohybové momenty v příčlích se uvažují jako u prostého nosníku a prostorová tuhost je zabezpečena vloženými smykovými stěnami, diagonálami nebo tuhým, nejčastěji železobetonovým jádrem.
 Obr.1 |
 Statické schéma a průběh ohybových momentů |
Rámy z lepeného lamelového dřeva nebo rostlého dřeva se navrhují obvykle do rozpětí 6 m, při vzdálenosti rámů do 4,8 m, pro celkové návrhové zatížení 3 - 5 kN/m2 a výšku obvykle do pěti podlaží. Pro rozpětí průvlaků do 6 m a vzdálenosti rámů od 3 do 6m, vycházejí při použití lepeného lamelového dřeva průřezy sloupů většinou pod 200/200 mm a průřezy průvlaků mezi 180/280 až 200/320 mm. Při aplikaci rostlého dřeva SI nebo KVH jsou průřezy cca o 10% větší.
Pro konkrétní 4 podlažní dům s modulovou sítí 5,5x5,5 m (obr. 2) mají vnitřní sloupy průřez 200/200, obousměrné průvlaky 180/300 mm a jednosměrné průvlaky 200/360 mm.
Obr.2 - Pavlačový bytový dům - návrh J.Smola
Snaha o hospodárnější návrh nosné konstrukce vedla k nahrazení prostých nosníků v rámové konstrukci nosníky spojitými. Průvlaky probíhají nad sloupy a jsou stykovány cca v 1/4 rozpětí, tak aby byly využity průvlaky nad sloupy i v poli.
Statické schéma a průběh ohybových momentů
Zesílení průvlaků ocelovými tenkostěnnými pruty (průřezu U) na jejich horní straně nad sloupy výrazně zvyšuje únosnost, zmenšuje průhyby a zároveň zajišťuje přenášení normálových sil z horních sloupů. Pro přenášení sil do dolních sloupů jsou navrženy krátké ocelové prvky na spodní straně průvlaků. Reálnost návrhu je závislá na požární ochraně ocelových prvků styčníků.
Obr.3 - Kloubový styčník se spojitými průvlaky vyztuženými v podporách ocelovými U profily
Uvedené řešení výrazně zmenšuje průřezy průvlaků, případně umožňuje větší rozpětí či zatížení průvlaků. Prostorovou tuhost je nutné zajistit obdobně jako u předchozí varianty.
Experimentální ověření styčníků
Byly provedeny studijní zatěžovací zkoušky čtyř styčníků - obousměrných průvlaků se sloupy, lišící se počtem kolíků ve stycích i postupem zatěžování.
 |
 |
Obr.4 - Styčník před a po osazení do zkušebního zařízení
Zkušební styčník je sestaven z části dolního sloupu, na který jsou osazeny ocelové svařované styčníkové desky. Následuje osazení zhlaví průvlaků spojených se styčníkovými deskami ocelovými kolíky a montáž horní části sloupu. Ocelový prostorový prvek vytváří čtyři klouby ve stycích s průvlaky a kloub mezi dolním a horním sloupem.
Zkušební zařízení sestává z hlavního hydraulického lisu 500 kN působícího v ose sloupů a čtyř hydraulických lisů 150 a 200 kN, působících v uložení průvlaků. Pro sledování přetvoření a napětí byly na sloupy, průvlaky a styčníkové desky upevněny snímače (25 ks - maximum kapacity ústředny) a tenzometry (4 ks).
Ve styčníku byly sledovány tři druhy spojů:
- Spoj mezi průvlaky a ocelovými styčníkovými deskami
- Spoj mezi styčníkovými ocelovými deskami a sloupem
- Spoj mezi patou a zhlavím sloupů
Styčník byl osazen do zkušebního zařízení v "obrácené poloze" - otočen o 180° ve srovnáním s umístěním ve skutečné konstrukci.
Postup zatěžování - síly se u průvlaků zvyšovaly po 4 - 8 kN (dle počtu kolíků) v časovém intervalu 3 minuty; síly ve sloupech se zvyšovaly po 35 - 50 kN ve shodném časovém intervalu (obdobně při cyklickém zatížení).
Výsledky zatěžovacích zkoušek
Spoj průvlak - styčníková deska
Obr. 5 - styčník B2
Obr. 6 - styčník B3
- z počátku zatěžování rychlý nárůst přetvoření a velký rozdíl přetvoření u jednotlivých styků ve styčníku (4x) vlivem tolerancí v ocelových deskách a v průvlacích, především u styčníku B3;
- při cyklickém zatížení (v rozsahu 10 - 53 % návrhové únosnosti) několikanásobně větší modul prokluzu styku ve srovnání s plynule narůstajícím zatížením;
- velmi rychlý nárůst přetvoření při vyšším zatížení (blížící se mezní únosnosti); u styčníku B1 a B2 výsledné přetvoření cca 6 mm, u styčníku B3 přetvoření 3,3 mm;
- přetvoření při dosažení návrhové únosnosti činí u B1 a B2 cca 2 mm, u B3 1,8 mm;
Z provedených zatěžovacích zkoušek vyplývá:
- mezní únosnost styků u styčníku B1 a B2 je téměř shodná (celkem 8 styků) a dosáhla přibližně dvojnásobku návrhové únosnosti; u B3 je únosnost výrazně nižší (přepočteno na jeden kolík);
- styky působí jako klouby, přídavné momenty ve stycích jsou velmi malé;
- tolerance v poloze a průměru otvorů pro kolíky nemají podstatný vliv na výslednou únosnost styků;
- je třeba uvažovat sníženou únosnost kolíků nejvíce vzdálených od těžiště styku;
Spoj styčníkové desky - sloup
obr. 7 - styčník B2
Obr. 8 - styčník B3
- u styčníku B2 téměř lineární průběh přetvoření;
- u styčníku B3 při cyklickém zatížení vznikla významná trvalá deformace při zatěžování na hodnotu 100 % návrhové únosnosti styku a odlehčením na 20 % návrhové únosnosti;
- deformace při dosažení návrhové únosnosti činí 3,4 - 4,0 mm (zvětšování při cyklickém zatížení); výsledná deformace při maximální síle je 10,4 mm u styčníku B3 a cca 6,0 mm u styčníku B1 a B2;
Ze zkoušek vyplývá:
- mezní únosnost styků má malý rozptyl a dosahuje téměř dvojnásobné návrhové únosnosti;
Spoj sloup - sloup
obr. 9 - styčník B2
Obr. 10 - styčník B3
u styčníku B2
- na začátku zatěžování rychlý nárůst přetvoření - dotlačení sloupů v kontaktní spáře;
- malý vliv cyklického zatížení a dále lineární průběh přetvoření;
- celkové zatížení pouze na 60 % návrhové únosnosti;
u styčníku B3
- též rychlý nárůst přetvoření na začátku zatěžování;
- cyklické zatížení na úrovni 24 % návrhové únosnosti významně neovlivňuje další průběh přetvoření;
- celkové zatížení pouze na 56 % návrhové únosnosti;
- výsledné přetvoření 0,63 mm - stlačení částí sloupů + vliv kontaktní spáry; mezní únosnost byla zjištěna pouze u styčníku B4 a činí 2,6 násobek návrhové únosnosti styku;
Obr. 11 - Porušení sloupů
B. Tuhý rámový styčník
V rámci grantu byl vyvinut tuhý styčník mezi sloupem a příčlem, tedy patrový rám, který staví dřevo naroveň betonu a oceli i u vícepodlažních budov.
Tato konstrukce umožňuje se obejít při přenosu vodorovného zatížení větrem a seismicitou bez doplňkových ztužidel a bez tuhých stropů a vystačit pouze se sloupy.
Řešení spočívá ve vložení ocelové spojky do styku (obr. 12). Tím se dosáhne monolitičnosti dřevěného konstrukčního systému, který se chová jako betonový nebo ocelový.
Spojka je vytvořena z plochého materiálu ve tvaru písmena L, nebo T nebo kříže (obr. 13). Tato spojka na jedné straně vytvoří s příčlem svébytný prvek a na druhé straně po spojení se sloupem s ním vytvoří rovněž svébytný prvek (obr. 14). Monolitičnost spojky potom zajistí, že se oba spojené prvky vůči sobě nepootočí, tj. při deformaci soustavy vykáží stejné pootočení. Zatěžovacími zkouškami byla ověřována funkce styčníku, vytvořeného jednak lepením a jednak pomocí svorníků. Svorníky procházejí otvorem v ocelové spojce a vývrty v dřevěných prvcích (obr. 15).
 obr. 12 |
 obr. 13 |
 obr. 14 |
V první fázi byly zkoušeny tři prvky se svorníkovými spoji. Volný konec příčlu byl postupně zatěžován svislou silou v hodnotách 200, 400, 600, 400, 200, 400 kg atd. v cca minutových intervalech a v bodech LVDT3, LVDT2, resp. LVDT1 a v patě spojky byly zaznamenány posuvy (obr. 16).
 obr. 15 |
 obr. 16 |
Obdobně se postupovalo ve druhé fázi zkoušky, kdy byly zatěžovány, po odstranění svorníků a po slepení, prvky, použité ve fázi první. Na výsledném grafu (obr. 17) jsou zaznamenány průběhy průměrných průhybů příčlů a vzorků 1 až 3 plně a 4 až 6 čárkovaně.
obr.17
Svorníkové prvky vykázaly ve srovnání s lepenými asi 80% tuhost. Ukázalo se, že nejslabším místem smyku je oblast, kde vzniká volná spára mezi příčlem a sloupem. Spojka je zde nedostatečně sevřena volným koncem připojovaného prvku, a dochází proto k vybočení jejího tlačeného okraje. Tento nedostatek lze odstranit u svorníkového spoje přidáním svorníku pod volnou spárou mezi příčlem a sloupem podle obr. 18. Mezi lepeným a svorníkovým spojem není potom z hlediska tuhosti rozdílu, tuhost je v obou případech srovnatelná s monolitickým provedením styku, tj. deformace svorníků je zanedbatelná. Tento poznatek potvrdil i podrobný výpočet.
Při přechodu na lepené vzorky vznikly problémy s vlepováním spojek do vybrání v příčlech a sloupech. Problém odpadl při zásadním přechodu na výrobu zdvojených prvků ze dvou stejně širokých částí.
Proto se nadále počítá s výrobou sloupových prvků z polosloupů /1/, k nimž jsou před připojením druhých polovin /2/ přilepeny nebo pomocí svorníků připojeny ocelové spojky /3/. V tomto stavu jsou v délce několika podlaží dopraveny na staveniště a osazeny do základů. Poté se k nim připojí polopříčel /4/ a nakonec druhé části příčlů /5/, čímž se rám zkompletuje (obr. 19).
 obr. 18 |
 obr. 19 |
Použití ocelové spojky, vytvářející tuhý rámový kout, otevírá možnosti pro uplatnění dřeva také u vyšších budov, což bylo doposud vyhrazeno pouze betonu a oceli. K řešení bylo vydáno osvědčení ÚPV a probíhá patentové řízení. V současné době je patrový rám připravován pro aplikaci u osmipodlažní obytné budovy.
C. Zajištění požární bezpečnosti středněpodlažních budov
Lze konstatovat, že z hlediska znalostí a většinou i jejich experimentálního ověřování je problematika konstrukčně - statického chování těžkých dřevěných skeletů uspokojivě zvládnuta a je v souladu jak s evropskými, tak českými standardy. Totéž platí o navrhování dřevěných prvků a budov z hlediska trvanlivosti, tepelné ochrany, energetické náročnosti a akustiky.
Obr.19 - devíti podlažní bytový dům, Londýn - Hackney
Odlišná je situace v oblasti požární bezpečnosti dřevěných budov. Současný stav českých požárních standardů dovoluje realizovat budovy pouze do požární výšky 9 m, tj. při konstrukční výšce do třech metrů pouze budovy čtyřpodlažní. Zahraniční zkušenosti v oblasti výzkumu i realizace prokazují, že toto omezení není podloženo reálnou hrozbou snížení bezpečnosti budovy s dřevěným konstrukčním systémem oproti budovám s materiálově jinými konstrukčními systémy.
Bez větších konstrukčně - materiálových obtíží a při dostupné ekonomice lze navrhovat prvky s požární odolností 30 až 90 minut, zvláště s pomocí nehořlavých obkladů a nátěrů. Rovněž dispoziční a konstrukčně-materiálové řešení chráněných i nechráněných cest má řadu známých a uspokojivých řešení.
V důsledku skutečnosti, že iniciace požáru vzniká většinou hořením vnitřního vybavení, nutno zohlednit vliv automatických hasících zařízení, jejichž použití do jisté míry smazává rozdíly mezi materiály nosné konstrukce. Návrh požární poplachové signalizace a zvláště automatických hasících systémů je sice nákladově náročnější, ale zajišťuje vysokou požární bezpečnost v bytových i občanských stavbách.
Příkladem jsou stavby v zahraničí, kde byly provedeny výzkumy, které vedly k novelizaci národních norem, a je znatelný celosvětový trend uplatnit dřevo ve středně podlažní výstavbě.
Příkladem je dřevěný devítipodlažní bytový dům dokončený v roce 2008 v Londýně - Hackney, s výškou cca 30 m (obr. 19). Konstrukční systém je z masivních lepených dřevěných desek.
Obr. 20 - Bílek - Peukert 2008 - vizualizace, dřevěná skeletová konstrukce, modulační síť osmipodlažního
bytového domu
S cílem ověřit konstrukčně statické možnosti navrhovaných styčníků, prostorovou tuhost a současně otevřít diskuzi na téma požární odolnosti dřevěných středněpodlažních budov byla v rámci grantu vypracována studie osmipodlažního bytového domu s nosnou konstrukcí z těžkého dřevěného skeletu v modulační síti 5 x 5 m (obr. 20) . Požární výška domu dle ČSN 73 0802 je cca 22 m, má betonové komunikační jádro jako chráněnou únikovou cestu a především poplachovou signalizaci a automatický hasicí systém. Současně připravujeme návrh na novelizaci českých požárních norem z těchto hledisek.
Příspěvek byl zpracován v rámci grantového projektu "Dřevěné vícepodlažní budovy" č.103/07/0514, řešitel: doc. Ing. Vladimír Bílek, CSc., který je financován Grantovou agenturou ČR.
Within the grant project "Multi-storey buildings made of wood" in the laboratories of the Academy of Sciences in Prague and TAZUS performed number of tests of wooden skeleton joints with steel plates, which confirmed the theoretical assumptions and calculations, and demonstrate their reliability and functional and economic advantages for use in practice. Here are a few of the results of experimental tests.