Dřevěné nosné soustavy budov
Z množství realizovaných dřevostaveb a pozitivních zkušeností s jejich užíváním je zřejmé, že dřevo a materiály na bázi dřeva patří k efektivním konstrukčním materiálům pro střešní konstrukce, stropní i stěnové konstrukce domů. V příspěvku jsou shrnuty poznatky a závěry z teoretického řešení, navrhování a realizace nosných dřevěných konstrukcí domů řešených na Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební VUT v Brně.
1 Úvod
Z množství realizovaných dřevostaveb a pozitivních zkušeností s jejich užíváním je zřejmé, že dřevo a materiály na bázi dřeva patří k efektivním konstrukčním materiálům pro střešní konstrukce, stropní i stěnové konstrukce domů.
V příspěvku jsou shrnuty poznatky a závěry z teoretického řešení, navrhování a realizace nosných dřevěných konstrukcí domů řešených na Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební VUT v Brně. Jedná se o konstrukce rodinných domů, obytných domů a v současné době právě realizovanou konstrukci horského objektu pro rekreační a ubytovací účely v Krkonoších.
V nosných konstrukcích domů byly používány prvky a dílce vyrobené z rostlého dřeva, lepeného lamelového dřeva (zejména v případech výskytu tvarově zakřivených nebo lomených prvků a nosníků většího rozpětí). V některých případech byla základní konstrukce domů vytvořena z dílců profilového průřezu (STEICO, lepené profily vyrobené z materiálů na bázi dřeva). Pro prostorové konstrukce klenbového typu vytvořené ze zakřivených žeber byly vyvinuty a před aplikací experimentálně ověřeny prvky s mechanickými spoji a prvky lepené ze svisle orientovaných přířezů [6].
Jako spojovací prostředky byly u rodinných a obytných domů používány tesařské a kolíkové spoje. Ponejvíce hřebíky, svorníky, vruty a sponky a ocelové spojovací elementy. Vzhledem ke své montážní jednoduchosti, nevyžadující přídavné spojovací ocelové elementy, a vyhovující únosnosti, se osvědčily spojovací prostředky typu SFS (firmy SFS intec). V případě speciálních staveb, jako například horského objektu, byly použity kolíkové spoje s vkládanými styčníkovými plechy. V prostorových styčnících bylo třeba vzájemně spojit vždy několik prvků (sloupů, příčných a podélných průvlaků, výztužných prutů, a v napojení na střešní konstrukci pak rovněž krokví a vaznic). Se zřetelem k velké intenzitě namáhání spojů byly spojovací elementy řešeny individuálně jako svařované ocelové prvky.
2 Dřevěné nosné soustavy rodinných domů
První domy s obyvatelným podkrovím (typu Martina, Vega, Marcela podle architektonického a dispozičního návrhu prof. Ing. arch. J. Myslína) byly postaveny v roce 1994 a od té doby bylo realizováno velké množství domů tohoto typu v různých modifikacích v ČR i v zahraničí (obr. 1). Pro střešní konstrukci byla ve většině případů používána hambalková soustava s posuvným, případně neposuvným hambalkem, který byl současně využíván jako stropní nosník pro konstrukci mezistropu obyvatelného podkroví.
a) charakteristický příčný řez, rozpětí přibližně 10m
c) schéma příčné vazby střechy hambalkového typu
1 – krokev, 2 – podepření, 3 – vrcholový styčník, 4 – stěna, 5 – stropní nosník, 6 – hambalek, 7 – připojení ke krokvi, 9 – průvlak, resp. podporová svislice
b) pohled na jeden z realizovaných domů
d) montážní stav konstrukce
Obr. 1 – konstrukce domu s dřevěným nosným systémem
Výhodou soustav s připojením krokví do stropních nosníků je vytvoření základního trojúhelníkového útvaru. Tím se podstatně zmenší hodnoty vodorovných reakcí působících na obvodové stěny. Stropní nosníky působí v podstatě jako vazné trámy. Konstrukci střešní i stropní je nutné vyšetřovat jako jeden spolupůsobící celek pro všechny účinky zatížení. Uvedený typ lze použít pro soustavy s posuvným i neposuvným hambalkem [1], [2]. Hambalky profilu 2×80/220 jsou využity i jako stropní nosníky mezistropu. Zdvojené nosníky stropní konstrukce profilu 2×80/220 spolupůsobí s krokvemi střešní konstrukce. Pokud jsou stropní nosníky navrženy s převislými konci je nutné v místech podpor provést svislice, případně průvlak (obr. 1) probíhající nad obvodovou stěnou, aby nevznikaly vysoké hodnoty ohybových napětí ve stropních nosnících. Krokve jsou podepřeny na horním pásu průvlaku, stropní nosníky na dolním pásu. Využívání podkrovního prostoru se ukázalo, rovněž dle názoru uživatelů těchto domů, jako velmi účelné. Nosná vrstva stropních konstrukcí je vyrobena z deskových materiálů na bázi dřeva. Prostorová stabilita je zabezpečována výztužnými stěnami s opláštěním provedeným původně z cementotřískových desek (Cetris), v současné době dřevotřískových (OSB) nebo sádrovláknitých desek (Rigidur nebo Fermacell). Od r. 2006 bylo postaveno několik těchto dřevěných patrových domů respektujících architektonické a dispoziční řešení podle návrhu prof. Ing. arch. J. Myslína.
3 Dřevěná nosná konstrukce horského hotelu
Obr. 2 – vizualizace horského hotelu Andula
V roce 2010 byla projekčně zpracována nosná dřevěná konstrukce patrové budovy – horského hotelu Andula v lokalitě Friesovy boudy v Krkonoších. Areál Friesovy boudy se nachází v nadmořské výšce 1217 m ve střední části Krkonoš, na jihozápadním svahu Světlého vrchu nedaleko rozcestí na Špindlerův Mlýn, Pec pod Sněžkou a Luční boudu.
Budova ubytovacího zařízení má obdélníkový půdorys rozměrů cca 17×37 m. Jedná se o částečně podsklepený dvoupodlažní objekt s obytným podkrovím. Úrovně jednotlivých podlaží jsou navrženy na kótách cca ±0,0 m, +4,30 m a +7,45 m, hřeben sedlové střevy se nalézá na výškové úrovni cca +12,95 m. V prvním nadzemním podlaží (přízemí) se nachází vstupní prostory, restaurace, kuchyně s provozními prostory, hygienické prostory a garáž pro rolbu s dílnou. Ve druhém nadzemním podlaží jsou situovány ubytovací prostory, v podkroví se nacházejí obytné prostory. Horský hotel je zachycen na Obr. 2 a 3.
Objekt má navržen nosný dřevěný skeletový systém, vstupní a komunikační sekce budovy v prostoru 1. NP a 2. NP je uvažována v kombinaci zděných a železobetonových konstrukcí. Dřevěná nosná konstrukce je převážně zhotovena z lepeného lamelového dřeva GL24h, které je kombinováno s řezivem pevnostní třídy C24.
Nosná dřevěná konstrukce budovy tvoří prostorový prutový systém s nosnými plošnými stěnovými a stropními prvky. Nosný dřevěný systém budovy využívá pro zajištění prostorové tuhosti objektu zděných a betonových konstrukcí komunikační sekce, které působí jako výztužné jádro.
Obr. 3 – vizualizace interiéru (restaurace) horského hotelu AndulaZákladní části nosného systému jsou sloupy, podélné a příčné průvlaky, stropní nosníky, ztužení, konstrukce krovu (vaznice, sloupky, krokve, vzpěry, kleštiny), konstrukce ploché střechy, plošné nosné vrstvy stropů, střechy a stěnových panelů (včetně stěnových sloupků a výměn).
Obr. 4 – výpočtový model nosné dřevěné konstrukce objektu
Sloupy jsou navrženy vždy na výšku podlaží a jsou kloubově uložené na obou koncích. Sloupy mají obdélníkový nebo čtvercový průřez s šířkou 160 až 240 mm a výškou 200 až 350 mm. Kotvení sloupů k základům je uvažováno pomocí ocelových kotevních botek a chemických lepených kotev. V prostoru garáže pro rolbu je použita dvojice ocelových sloupů HEA, podporujících ocelový průvlak IPE, vše z oceli S235.
Průvlaky jsou osazeny na nosných sloupech konstrukce budovy, a to v podélném i příčném směru. Působí jako prosté nebo spojité nosníky. Průvlaky mají obdélníkový průřez šířky 160 až 240 mm a výšky 300 až 650 mm. Jsou připojeny ke sloupům objektu, případně k výztužnému jádru. Stabilita průvlaků je zajišťována stropními nosníky se záklopem (tzn. šikmo kladenými fošnami tloušťky 45mm stykovanými na pero a drážku).
Stropní nosníky 1. NP a 2. NP jsou navrženy z obdélníkového průřezu z rostlého dřeva (C24) dimenze 140×300 mm (strop nad 1. NP), resp. 120×280 (strop nad 2. NP). Jsou osazeny v osových vzdálenostech 0,625 m a jsou podporovány příčnými průvlaky, resp. výztužným jádrem. Staticky působí jako prosté nosníky. Pro zajištění jejich příčné a torzní stability je nezbytné vzájemné spolupůsobení se záklopem (dřevěné fošny tloušťky 45 mm spojené na pero a drážku kladené šikmo pod úhlem 45 stupňů stykované na pero a drážku).
Obr. 5 – typický příčný řez nosné dřevěné konstrukce objektu
Krov (konstrukce sedlové střechy) sestává z vaznic, pozednic (resp. podélných průvlaků), podpůrných sloupů, vzpěr, krokví, kleštin, šikmého bednění z prken a doplňkových prvků. Střední vaznice (240×450 mm) jsou podporovány sloupy, vrcholová vaznice (240×450 mm) je podporována šikmými vzpěrami nebo sloupy. Dimenze sloupků krovu jsou navrženy 160×260 mm, 200×200 mm,resp. 160×350 mm. Pozednice (podélný průvlak) je provedena z obdélníkového průřezu 240×400 mm. Je podporována sloupy budovy, ke kterým je kloubově připojena. Krokve v místě vazeb mají obdélníkový průřez a jsou provedeny z lepeného lamelového dřeva GL24 dimenze 160×260 mm. Ostatní krokve jsou taktéž obdélníkového průřezu ze dřeva rostlého C24 rozměrů 140×260 mm. Krokve jsou podporovány vrcholovou vaznicí, středními vaznicemi a pozednicemi. Krokve jsou nad vaznicemi sepnuty oboustrannými kleštinami 2×120×280 mm nebo kleštinami jednostrannými dimenze 100×200 mm. Ve štítových stěnách jsou dále doplněny jednostranné kleštiny 120×280 mm i pod vrcholovou vaznicí. Všechny kleštiny jsou navrženy z řeziva třídy pevnosti C24.
Příčná a torzní stabilita krokví (a současně celé střešní konstrukce) je zajištěna celoplošným bedněním střešního pláště z šikmo kladených desek tloušťky 35 mm.
Plochá střecha je tvořena příčnými průvlaky a vaznicemi. Příčné průvlaky jsou obdélníkového profilu dimenze 160×400 mm, které jsou kloubově připojeny je sloupům. Vaznice jsou připojeny k těmto průvlakům. Působí jako prosté nosníky, jejich dimenze je navržena 200×400 mm. Pro zajištění jejich příčné a torzní stability je nezbytné vzájemné spolupůsobení se záklopem (dřevěné fošny tloušťky 50 mm spojené na pero a drážku kladené šikmo pod úhlem 45 stupňů.
V prostoru před restaurací je u podélné obvodové stěny navržena markýza s vyložením cca 2,20 m. Markýza je tvořena podélně orientovanými prvky 120×240mm (C24), které jsou vynášeny průvlaky z lepeného dřeva GL24 rozměrů 160×400 mm. Na konci vyložení průvlaků jsou osazeny ocelové závěsy z ocelových trubek TR ø 76/5 z oceli S355.
Stěnové panely jsou uvažovány s dřevěnými výztužnými prvky a oboustranným nosným opláštěním ze sádrovláknitých desek Rigidur tloušťky 12,5 mm. Stěnové panely se zásadním způsobem podílejí na zabezpečení prostorové tuhosti budovy. Přípoje plošných prvků k dřevěným výztužným prvkům je provedeno pomocí ocelových systémových sponek Rigidur. Desky jsou připojeny ke všem vnitřním dřevěným prvkům stěn. U příčných stěn bez vložených vnitřních diagonálně orientovaných výztuh z rostlého dřeva budou stěny vyztuženy diagonálně orientovanými ocelovými prvky z tyčí ø 16 mm (S235).
Obr. 6 – Charakteristické přípoje prvků – průvlaků, krokví a výztužných diagonál ke sloupům pomocí ocelových plechů a kolíkových spojovacích prostředků
Spoje a přípoje dřevěných prvků jsou uvažovány kolíkového typu – ocelové hřebíky, vruty, svorníky, přesné svorníky (tj. kolíky opatřené na koncích závitem, podložkou a maticí) a kolíky – s vloženými ocelovými plechy, případně mohou být použity systémové tvarové elementy. Pomocí ocelových svařovaných prvků vyrobených z plechů tloušťky 8 mm a kolíkových spojovacích prostředků (přesných svorníků a kolíků) průměru 16mm byly řešeny silně namáhané přípoje prutů. Spoje s ocelovými vloženými styčníkovými plechy a kolíkovými spojovacími prostředky jsou vhodným typem spojení také u konstrukcí vyrobených z kulatiny. Výhody spočívají hlavně v tom, že lze přenášet i síly velké intenzity, spoje nejsou křehké, takže vykazují, ve srovnání s jinými typy, větší houževnatost, dále jsou montážně jednoduché, vyhovující z hlediska požární odolnosti, jsou finančně přijatelné a splňují i požadavek estetického vyjádření konstrukce.
Výrobní dokumentaci nosné dřevěné konstrukce zpracovala firma TAROS NOVA, s.r.o. v roce 2011. Stavba byla zahájena v témže roce, dokončení (otevření horského hotelu) je plánováno v druhé polovině roku 2012.
Obr. 7, 8 – Montáž nosné dřevěné konstrukce (podzim 2011) – detaily
Obr. 9, 10 – Montáž nosné dřevěné konstrukce (podzim 2011) – detaily
Obr. 11, 12 – Montáž nosné dřevěné konstrukce (podzim 2011) – pohled, detaily
Obr. 13 – Montáž nosné dřevěné konstrukce (červen 2012)
4 Závěr
Mechanické spoje jsou součástí prakticky všech typů dřevěných konstrukcí. V závislosti na typu konstrukce může být vliv poddajnosti spojů na únosnost a přetvoření konstrukce nepodstatný anebo zásadní. Na celkové chování konstrukce má významný vliv poddajnost spojů v přípojích a stycích nosných prvků konstrukce a poddajnost podpor v místech uložení dřevěné konstrukce na spodní stavbu. Vliv poddajnosti mechanických spojů by měl být vždy zohledněn také při návrhu ohybově polotuhých přípojů v oblasti rámových rohů, montážních styků lepených rámů a oblouků a v obdobných případech a také u příhradových konstrukcí větších rozpětí.
Cílem příspěvku je prezentovat některé nové typy dřevěných konstrukcí se spoji řešenými na bázi ocelových styčníkových plechů a tvarových ocelových elementů, které byly analyzovány na Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Vysokého učení technického v Brně.
Poděkování patří společnosti Atelier dwg, s.r.o. za poskytnutí vybrané fotodokumentace průběhu stavby.
Literatura a použité materiály
- [1] MYSLÍN, J., STRAKA, B., MELCHER, J. Dřevěné systémy objektů pro rodinné bydlení, In: Sborník příspěvků z XI. mezinárodní vědecké konference Fakulty stavební VUT v Brně, CERM Brno, 1999, s. 25–28, ISBN 80-214-1436-7.
- [2] MELCHER, J., STRAKA, B., KARMAZÍNOVÁ, M., TUTKO, I., ŠMAK, M. Návrh, experimentální ověření a realizace nosné dřevěné konstrukce rodinných domů, Zborník referátov, V. Medzinárodné sympózium, Kočovce, Slovensko 1995, s. 315–331.
- [3] KOLB, J. Dřevostavby-Systémy nosných konstrukcí, obvodové pláště. Překlad Koželouh, B., Grada Publishing a.s., Praha, 2008, ISBN 978-80-247-2275-7.
- [4] STRAKA, B., ŠMAK, M. Vybrané příklady použití dřeva v nosných konstrukcích, materiály pro stavbu, 9/2010, s. 22–27, ISSN 1213-0311.
- [5] Ústav kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební VUT v Brně, STRAKA, B., ŠMAK, M.: Návrh dřevěné nosné konstrukce horské ubytovny, Brno, březen 2010.
- [6] STRAKA, B. K některým problémům navrhování a realizace dřevěných konstrukcí, Sborník z mezinárodního odborného semináře Dřevostavby, Volyně, 2006.
This paper is based on the results of theoretical, implementation and realization work of load-bearing systems for timber frame houses. The paper contains the conclusions from designing and realization of some selected structures especially of the mountain hotel which is being built in the Krkonoše Mountains (Czech Republic).