Navrhování celodřevěných tesařských spojů pro opravy historických konstrukcí

Úvod

Nastavování trámů pomocí plátových spojů je vhodným postupem při opravách historických konstrukcí. Díky použití nastavovacího spoje je možné zachovat co největší množství původního, historicky cenného materiálu dřevěné konstrukce nebo unikátní řemeslné zpracování konstrukčních prvků. Nově vkládané části by měly zachovat tvar opravovaného prvku a měly by být vyrobeny ze stejného druhu dřeva. V dnešní době se opravy spojů většinou provádějí pomocí ocelových svorníků, případně příložek. U historických konstrukcí však může být estetičtější a citlivější variantou použití celodřevěného spoje, který více ctí charakter opravované konstrukce. Jeho návrh je však komplikovanější a chybí mu opora v normách.

Postup opravy je možné vidět na obr. 1. Typickou poruchou stropních trámů nebo dřevěných krovů je degradace materiálu v místě uložení na vlhké zdivo. Při opravě je poškozená část, např. zhlaví vazného trámu, odstraněna a nahrazena protézou z nového dřeva. Míru a rozsah poškození lze určit pomocí nedestruktivních metod diagnostiky konstrukcí [1]. Při podmínce zachování co největšího množství původního materiálu je tak definována poloha spoje L₁. Jeho druh a délku L_p navrhuje statik podle zatížení, které musí konstrukce přenést. Na statikovi je také míra bezpečnosti návrhu.

Princip chování spoje

Spoj byl podrobně zkoumán experimentálně i teoreticky za pomoci numerických modelů vytvořených v softwaru ANSYS a zjednodušeného analytického modelu. Během projektu se na výrobu vzorků použilo cca 50 t dřeva. Testovaly se repliky v měřítku 1:1 (rozměry trámu se spojem byly 200×240×6000 mm), ale také zmenšeniny 1:2 a 1:4 pro výzkum trendů při změně některých veličin. Postupně byly zkoušeny různé varianty spoje s ohledem na parametry, které se na jeho fungování podílejí (sklon šikmých čel, počet spojovacích prostředků, šířka plátu atd.). Paralelně běžely parametrické studie na numerických modelech. Výsledky experimentů sloužily k verifikaci modelů a později i k nastavení kritérií porušení použitých při odvozování návrhových postupů. Finální návrh byl proveden pomocí analytického modelu, který vykazoval maximální míru korelace mezi experimenty a výstupy modelu.

Obr. 1 Provádění opravy na jednoduché vazbě krovu

Obr. 2 Mechanické působení plátu se šikmými čely a čtyřmi kolíky (nahoře) nebo dvěma hmoždíky (dole)

Spoj využívá pro přenos sil šikmá čela a dřevěné spojovací prostředky, působící vnitřní síly jsou znázorněny na obr. 2. Od zatížení vznikají v plátu síly v opření čel – síla kolmá na čelní plochu, která vyvozuje jak třecí sílu jdoucí rovnoběžně s čely (tato síla působí proti smýkání čel a zvyšuje únosnost plátu), tak síly v kolících a hmoždících. Čela přenášejí posouvající sílu V, a tím zmenšují síly na kolících V_ki ve směru kolmo na vlákna. Rozpíráním čel působící síla v plátu otáčí směr svého působení ze sil kolmých na vlákna na síly rovnoběžné s vlákny a nově vznikající normálové síly N_i na šikmém čele využívají vyšší únosnost dřeva rovnoběžně s vlákny. Vzájemnému posunu šikmých čel brání tření (μ), velikosti sil V a N jsou dány úhlem sklonu čela a jejich vzájemná závislost je vyjádřena koeficientem k_i. Úhel 45° je velice vhodný jak z hlediska výrobního (prořez není příliš dlouhý), tak z hlediska mechanického fungování. Další výhodu představují dřevěné spojovací prostředky. Ty díky své podobné tuhosti jako okolní materiál umožňují rovnoměrnější distribuci namáhání kolem otvoru než prostředky ocelové. Tím nedochází k otlačení a následnému porušení dřeva. Spoj je osazen relativně nízkým počtem spojovacích prostředků, protože jeho tuhost musí být vhodně naladěna. Při příliš velké tuhosti samotného plátu, kdy šikmá čela nedosednou a nezapojí se do přenosu sil, totiž o únosnosti rozhodne pouze oslabený průřez původního nastavovaného prvku. Mechanika plátu je detailně popsána v publikačních výstupech projektu, např. [2, 3, 4, 5].

Z hlediska pevnostních charakteristik je na čelech nejslabším místem tah nebo tlak kolmo na vlákna, u kolíků se jedná o střih kolmo na vlákna, případně otlačení kolíku; a u hmoždíků se jedná o střih rovnoběžně či kolmo k vláknům.

Spojovací prostředky jsou z tvrdého bezvadého dřeva (dub) a mohou mít různé průřezové plochy. Jejich namáhání závisí na jejich tuhosti, kterou například u kolíku ovlivňuje jeho průměr, viz pracovní diagram ze zkoušky na obr. 3. Tužší prostředek přenáší více zatížení a je hlavní nosnou složkou ve spoji. Spojovací prostředky použité ve spoji by měly mít v době aplikace nízkou vlhkost (ideálně okolo 8 %). Během dalšího života spoje pak díky absorpci vlhkosti ze vzduchu i okolní konstrukce lépe spoj utáhnou.

Obr. 3 Rozdíl v tuhosti dubového kolíku (vlevo) a dubového hmoždíku

Praktické výsledky výzkumu

Byly vyvinuty čtyři varianty plátového spoje, které se liší množstvím a typem spojovacích prostředků. Čistě kolíkové spoje jsou méně pracné, jejich výroba je rychlejší. Hmoždíkové spoje jsou únosnější a kolík v nich při správném fungování hraje pouze pojistnou roli. Všechny varianty mají šikmá čela, jejich sklon je 45° (alternativně 60° při použití na krokvi v krovu se strmým spádem střechy), u hmoždíkových spojů musí být čela vždy podkosena. Každý ze spojů se hodí pro jiné použití v konstrukci. Na obr. 4 jsou ukázány jednotlivé varianty a jejich doporučené použití, klasifikovány jsou podle počtu a typu dřevěných spojovacích prostředků.

Obr. 4 Čtyři varianty plátového celodřevěného spoje: tříkolíkový a čtyřkolíkový (nahoře), jednohmoždíkový se dvěma kolíky (vlevo dole) a dvouhmoždíkový s jedním kolíkem (vpravo dole)

Tříkolíkový spoj, který má nejnižší únosnost a tuhost, je použitelný na opravu krokví (kombinace tlak a ohybový moment), navíc je jednoduchý z výrobního hlediska. Čtyřkolíkový a hmoždíkové spoje zajištěné kolíky jsou vhodné k většímu ohybovému namáhání při možnosti kombinovaného namáhání tahem či tlakem. Vylepšený spoj pro významně tahově namáhané prvky je v současné době vyvíjen a experimentálně ověřován.

Statickým návrhem spojů se zabývá metodika certifikovaná Ministerstvem kultury ČR. [6] Přílohou jsou mj. tři příklady, které ilustrují výpočet v různých návrhových situacích a detailní grafy únosnosti pro pohodlné použití. Nejdůležitější návrhová část je určena statikům a projektantům, praktická část provádění spoje především tesařům a pracovníkům vykonávajícím stavební dozor a odborný dohled. Vzhledem k praktickým důsledkům použití spoje je však doporučeno, aby řemeslnou část pročetli všichni uživatelé metodiky. Metodika popisuje princip mechanického chování spoje do detailů a umožňuje pochopení problému do hloubky, což je nutné pro bezpečné použití spojů v konstrukci. V metodice je uveden také seznam důležitých zásad, které nesmí být při návrhu opomenuty. Návrh koresponduje s normativními podklady a jeho součástí je posouzení na oba mezní stavy. Nejdříve statik určí namáhání konstrukce od vnějšího zatížení, vypočítá hodnoty vnitřních sil (především ohybového momentu M a normálové síly N) a určí průhyb w a tuhost k opravovaného prvku bez spoje. Navrhne typ, umístění a geometrii spoje. Při posouzení prvku se spojem na mezní stav únosnosti používá návrhové diagramy únosnosti M-N, viz obr. 5. Mezní stav použitelnosti se posuzuje na základě výpočtu průhybu prvku se spojem a jeho tuhosti podle přiložených vztahů.

Grafy a vzorce jsou v metodice uvedeny v přehledných tabulkách pro všechny čtyři varianty spoje. Všechna kritéria návrhu (mez pevnosti dřeva, únosnosti systému kolík/otvor v různých směrech, únosnost šikmého čela, únosnost hmoždíku) byla vztažena ke konci lineární oblasti pracovních diagramů. Diagramy únosnosti prvku se spojem M-N a vztahy pro tuhost a průhyb byly vygenerovány z analytických výpočetních modelů. Výslednou návrhovou bezpečnost určuje statik a je možné ji vyčíst z diagramu dle postupu uvedeného v metodice.

Obr. 5 Návrhový diagram pro mezní stav únosnosti; příklad pro čtyřkolíkový spoj, profil 180×200 mm a úhel čel 45°. Bod 1 značí prostý ohyb, který krátký spoj neunese a delší ano. Bod 2 ukazuje kombinaci ohybového momentu a tahu, na kterou spoj nevyhoví, a bod 3 kombinaci ohybu a tlaku, který vydrží spoje s oběma délkami (2,5h i 5h)

Obr. 6 Určení tuhosti prvku se spojem – schéma (vlevo); vpravo změna tuhosti celého trámu v případě posouvání spoje ve směru ke středu prvku s profilem 200×240 mm a rozpětím 6 m

Dokumentem, který pomáhá uvést metodiku do praxe, je památkový postup, který je rovněž certifikován Ministerstvem kultury ČR. [7] Oba texty tvoří provázaný celek, který návrh a chování spoje řeší dostatečně komplexně – obsahuje jak část návrhovou, tak praktické informace pro výrobu a údržbu spojů. Památkový postup popisuje proces využití celodřevěných nastavovacích tesařských spojů při opravách dřevěných historických konstrukcí, včetně diagnostiky objektu předcházející jeho opravě, a obsahuje také příklady ověření užití spoje v praxi.

Závěr

Hlavní výstupy projektu – metodika a památkový postup – cílí na správce památkových objektů, projektanty a pracovníky nebo organizace či firmy provádějící opravy. Celodřevěný spoj je dostatečně únosnou a esteticky velmi vhodnou alternativou k již existujícím řešením oprav cenných dřevěných objektů. Použití šikmých čel v kombinaci s dřevěnými spojovacími prostředky klade nároky na přesné provádění opravy, vedlejším efektem je tak i podpora zachování nehmotného kulturního dědictví regionu, kterým je samotné tesařství. Autoři se v současné době snaží vzniklé dokumenty dostat do povědomí zainteresované skupiny potenciálních uživatelů sérií přednášek. Kromě nich bylo publikováno několik popularizačních článku v běžně dostupných periodikách pro stavařskou odbornou veřejnost [8].

Více informací o výzkumu celodřevěných spojů, včetně fotografické dokumentace a všech publikačních i praktických výstupů, lze najít na webové stránce projektu www.itam.cas.cz. Byl zřízen také kontaktní email pro projektanty či památkáře spoje@itam.cas.cz, kam mohou být zaslány dotazy, připomínky, podněty zpětné vazby či návrhy na spolupráci. Monitoring spojů aplikovaných při opravách je důležitý pro další vývoj problematiky.

Poděkování

Výzkum byl finančně podpořen granty DF12P01OVV004 (Návrh a posuzování dřevěných tesařských spojů historických konstrukcí) a DG16P02M026 (Historické dřevěné konstrukce: typologie, diagnostika a tradiční opracování dřeva).

Reference

1. Kloiber, M. Drdácký, M. Diagnostika dřevěných konstrukcí. 1. vyd., Informační centrum ČKAIT, s. 168, 2015. ISBN 978-80-87438-64-0.
2. Fajman, P. Vliv tuhosti svorníku na síly v plátovém spoji. Stavební obzor, 7,8/2014, s. 115–120. ISSN 1210-4027.
3. Milch, J., Tippner, J., Brabec, M., Sebera, V. Experimental Verification of Numerical Model of Single and Double-Shear Dowel-Type Joints of Wood. In: 57^th International Convention of Society of Wood Science and Technology, str. 368-376, 2014. ISBN 978-0-9817876-4-0.
4. Fajman, P. Nastavovací plátový spoj s hmoždíky a kolíky. TZB-info, 11/2015. ISSN 1801-4399.
   http://stavba.tzb-info.cz/drevostavby/13512-nastavovaci-platovy-spoj-s-hmozdiky-a-koliky
5. Arciszewska-Kedzior, A., Kunecký, J., Hasníková, H., Sebera, V. Lapped scarf joint with inclined faces and wooden dowels: experimental and numerical analysis. Engineering Structures, 94:2015, s. 1–8. ISSN 0141-0296.
6. Kunecký, J., Fajman, P., Hasníková, H., Kuklík, P., Kloiber, M., Sebera, V., Tippner, J. Celodřevěné plátové spoje pro opravy historických konstrukcí. 2015, Praha.
7. Kloiber, M., Kunecký, J., Hasníková, H., Sebera, V., Tippner, J., Fajman, P., Růžička, P., Stejskal, D. Využití celodřevěných tesařských spojů při opravách historických konstrukcí. 2015, Praha.
8. Hasníková, H., Kunecký, J., Fajman, P. Celodřevěné tesařské spoje. Stavebnictví, 1,2/2015, s. 12–15. ISSN 1802-2030.