4 Metody výstavby budov ze dřeva

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________

4

Metody výstavby budov ze dřeva

4.1

Úvod

Dřevěná budova je charakteristická tím, že její konstrukce je převážně ze dřeva a materiálů na bázi dřeva. Budovy tohoto provedení se nejvíce uplatňují v nízkopodlažní zástavbě obvykle do čtyř nadzemních podlaží. Konstrukční systémy dřevěných budov je možné rozdělit na srubové, skeletové a masivní deskové. Dřevěné konstrukce obytných budov se do první poloviny 19. stol. prováděly ve dvou základních variantách - s roubenými a hrázděnými stěnami. Obě tyto varianty se vyznačovaly náročnými tesařskými spoji. Od první poloviny 19. stol. se začalo ve větší míře používat deskové řezivo a ke spojování prvků strojově vyráběné hřebíky. Tyto technologie umožnily, že se vedle srubových systémů a těžkých skeletů v podobě hrázděných konstrukcí začal využívat lehký skelet prováděný z prken a fošen. Tento systém se postupně vyvinul z hlediska technologie provádění do tří forem staveništní, panelové a buňkové.

4.2

Těžké skelety

Těžký skelet je prostorový nosný konstrukční systém vytvořený ze svislých a vodorovných nosných prvků z hraněného řeziva, lepeného lamelového dřeva, vrstveného dřeva, Parallamu či Intrallamu. Kompletuje se nenosnými obvodovými plášti a dělicími konstrukcemi příček. Pro těžké dřevěné skelety jsou typické především tyto modulové rozměry 1,20x1,20 m;1,25x1,25 m; 3,60 x 3,60 m a 4,80 x 4,80 m. Novodobé konstrukce těžkých dřevěných skeletů mohou mít několik variant, které se liší provedením styků vodorovných a svislých prvků skelet s jednodílnými průvlaky a sloupy (obr. 4.1); skelet s dvojdílnými průvlaky a jednodílnými sloupy (obr. 4.2); skelet s jednodílnými průvlaky a dvojdílnými sloupy (obr. 4.3).

Obr. 4.1 Skelet s jednodílnými průvlaky a sloupy - pokračování na dalším obrázku

Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb

-1-

Petr Kuklík


Obr. 4.1 Skelet s jednodílnými průvlaky a sloupy – pokračování


-2-

Petr Kuklík


Obr. 4.2 Skelet s dvojdílnými průvlaky a jednodílnými sloupy

Obr. 4.3 Skelet s dvojdílnými průvlaky a dvojdílnými sloupy


-3-

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ Skeletové konstrukce a to jak těžké, tak i lehké musíme dobře vyztužit proti vodorovnému zatížení větrem. Poloha a počet ztužidel v budově bývá výsledkem provozně dispozičních a statických úvah. Budova působí jako prostorový celek, síly do ztužidel se tedy rozdělují v závislosti na tuhostí ztužidel a stropních konstrukcí. U těžkých skeletů velmi záleží na provedení stropní konstrukce z hlediska její tuhosti a z toho plynoucí schopnosti přenášet vodorovné účinky do svislých ztužidel. Stropní konstrukce se snažíme dělat co nejtužší tím, že šachovnicově střídáme uložení stropnic v polích mezi průvlaky. Podlahy provádíme z prken a fošen šířky větší než 120 mm, v pásech šířky větší než 1 m, šachovnicově. Použijeme-li desky na bázi dřeva, klademe je půdorysně do šachovnice. Stropní konstrukci často zavětrujeme i v její rovině. Pokud stropní desku dobře vyztužíme, můžeme zmenšit počet ztužidel ve stěnách. Ztužení ve stěnách můžeme provést pomocí dřevěných, zděných či betonových výztužných stěn nebo pomocí klasického diagonálního ztužení, podle počtu podlaží budovy a ukotvení sloupů (obr. 4.4). Výpočet ztužidel provádíme v návaznosti na jejich tuhost a polohu vůči geometrickému středu ztužidel stejnými postupy jako u ocelových skeletů. Velmi důležitý je způsob ukotvení sloupů těžké skeletové konstrukce s ohledem na zemní vlhkost viz obr. 4.5.

Obr. 4.4 Ztužení těžké skeletové konstrukce


-4-

Petr Kuklík


Obr. 4.5 Příklad kloubového ukotvení sloupu Při návrhu sloupů těžké skeletové konstrukce musíme správně určit vzpěrnou délku sloupů podle způsobu kotveni sloupů, ztuženi stěn a polohy sloupu v konstrukci (obr. 4.6). Těžké skeletové konstrukční systémy se vyznačuji velkou půdorysnou dispoziční volností. Jejich určitou nevýhodou je to, že se většinou zhotovuji z lepených lamelových prvků a náročnější (oproti klasickým tesařským konstrukcím) je i provedeni konstrukčních detailů.

Obr. 4.6 Vzpěrné délky sloupů – pokračování na dalším obrázku


-5-

Petr Kuklík


Obr. 4.6 Vzpěrné délky sloupů - pokračování a)

sloupy 1, 2, 3:

l ef ,y = h, l ef ,z = h1;

b)

sloupy 1, 2, 3:

l ef ,y = h, l ef ,z = h/2;

c)

sloup

l ef ,y = h/2, l ef ,z = h/2, sloupy 2, 3: l ef ,y = h, l ef ,z = h/2;

d)

sloupy 1, 2, 3:

4.3

Lehké skelety

1:

l ef ,y = 2 h; sloupy 1, 2: l ef ,z = h1 > h0, sloup 3: l ef ,z = 0,7 h1 nebo h0

Lehké skeletové systémy tvoří převážně fošny a prkna. Sloupky tohoto systému jsou poměrně hustě vedle sebe, na vzdálenost 400 nebo 600 mm. Rozlišujeme tři základní typy lehkých skeletů (obr. 4.7): Balloon frame; modifikovaný Balloon frame; Plattform frame. Balloon frame (obr. 4.7a) se vyznačuje tím, že sloupky probíhají od soklu až k okapu. Patrový práh je tvořen jednoduchým průvlakem, který je za sloupky průběžný. Na něm leží stropnice. Vzpěrná délka sloupků se zkracuje ztužením. Modifikovaný Balloon frame (obr. 4.7b) má sloupky, které jsou na patrovém prahu přerušeny. Rohový sloupek je většinou průběžný a je tvořen hranolem nebo vyskládán z fošen. Patrový práh je tvořen hranolem nebo dvěma fošnami položenými na sebe a je průběžný. Stropnice jsou většinou připojeny hřebíkováním k patrovému prahu. Konstrukce je ztužena ve stěnách. Plattform frame má podlaží z dílů posazených vzájemně na sebe a je dnes nejpoužívanějším typem lehkého skeletu při stavbě jednopodlažních a vícepodlažních budov (obr. 4.7c). Sloupky systému mají různé provedení podle polohy v konstrukci (obr. 4.8).


-6-

Petr Kuklík


Obr. 4.7 Sloupkové systémy budov a) Balloon frame, b) modifikovaný Balloon frame, c) Plattform frame


-7-

Petr Kuklík


Obr. 4.8 Sloupky systému Plattform frame (příčkový, rohový, běžný) Prostorová tuhost budovy s lehkým skeletem je zajišťována ztužením konstrukce stropu a stěn. Stropní konstrukce se ztuží tak, že se stropnice vzájemně rozepřou (ztuží) na vzdálenost asi 2 m. Rozměr stropnice se voli tak, aby poměr její výšky k šířce byl z důvodu stability menší než 6. Stropní deska je obvykle z překližek či OSB desek, které jsou položeny šachovnicově. Ztužení stěn lehkého skeletu je komplikováno tím, že sloupky stěn jsou pouze přihřebíkovány k prahům konstrukce a samy o sobě nejsou schopny přenášet vodorovné zatížení do základových pásů. Proto se ke ztužení lehkého skeletu používají výztužné stěny. Ty slouží ke ztužení stavby nejen v podélném směru, ale i ve směru příčném, protože kostra budovy je velmi měkká a při bočním působení větru by vykazovala velké deformace. Výztužnou stěnou rozumíme stěnový prvek v konstrukčním systému, který odolává vodorovnému zatížení a přenáší je do základů. Výztužné stěny mohou být zděné, betonové a dřevěné. Dřevěné výztužné stěny mají dřevěný rám z prken nebo fošen a plášť (především z překližek), který může být zvnějšku nebo i zvnitřku stěny. Statické působeni výztužné stěny je popsáno v kapitole7.

4.4

Masivní deskové systémy

V rámci uplatňování koncepce tzv. trvale udržitelné výstavby, která klade důraz na větší využití materiálů z obnovitelných surovinových zdrojů, roste zájem více používat dřevo na vícepodlažní budovy. V souvislosti s tímto trendem se v posledních letech začaly objevovat i masivní deskové systémy na bázi dřeva. Masivní deskové systémy se vyznačují různými způsoby provedení prvků stěn a stropů: - ručně sbíjené prvky, nebo průmyslově vyráběné lepené prvky; - prvky s různým počtem vrstev stejně či křížem orientovaných; - prvky s dutinami či bez dutin. Na obr. 4.9 jsou znázorněny konstrukční systémy stěn a stropů budov s masivními deskovými systémy a konstrukční systémy uvedené v předcházejícím textu, viz 4.2 a 4.3.


-8-

Petr Kuklík


Obr. 4.9 Přehled konstrukčních systémů vícepodlažních budov


-9-

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ 4.4.1 Rozdíl mezi masivními a lehkými stavbami ze dřeva Tato čast publikace je věnována tzv. „masivním dřevěným stavbám“ (angl. MTC – Massive Timber Construction, něm. Holz-Massivbauweise). Vysvětlen je rozdíl těchto staveb oproti lehkým stavbám (angl. LWC – Light Weight Construction, něm. Holz-Leichtbauweise), i rozdíly s porovnatelnými systémy ze zdiva a z betonu. Dále jsou především vysvětleny vlastnosti poměrně nového stavebního systému s použitím masivních deskových prvků, který je vhodný pro stavbu vícepodlažních a průmyslových budov. Nejdůležitejším rozdílem medzi MTC a LWC systémy je skutečnost, že u MTC systému je jasné rozdělení nosné a izolační funkce jednotlivých vrstev. Pro MTC a LWC systémy se používají také jiné skupiny materiálů. Zatím co u LWC se využívají prutové prvky s opláštěním, u MTC jsou to velkoplošné prvky. Další výhodou MTC systému je skutečnost, že nepořrebuje žádné parozábrany a v porovnání s LWC systémy vykazuje lepší tepelnou kapacitu. Pro oba systémy existují různé způsoby provedení fasády. U systému MTC sa používají masivní, velké, nosné prvky (např. z CLT), čímž sa dá při dodržení pravidel spojování dosáhnot vysoké tuhosti konstrukce. To je důležité pro využití tohoto systému v budovách s velkým dynamickým zatížením. Možnou aplikací MTC systému jsou i sbíjené desky.

4.4.2 Výroba CLT Základním materiálem pro výrobu jsou (neopracovaná) prkna a fošny z okrajových částí kmene stromu. Tento materiál má za normálních okolností nízkou cenu, ale zároveň dobré mechanické vlastnosti (pevnost a tuhost).

Utilisation of a fošen Použití prken z okrajových boards fromčástí the kmeneside stromu outer of the log (’side boards’)

Pevnost v tahu, modul pružnosti E v tensile tahu a Tensile strength, hustota dřeva stoupají MOE and density are od středu k okrajům increasing in general from the pith to the outer side of the log

Obr. 4.10 Prkna a fošny z okrajových částí kmene stromu, (rozdělení materiálových vlastností po průřezu) Šířka jednotlivých prken a fošen se pohybuje od 80 do 240 mm, tloušťka od 10 do 45 mm (závisí od výrobců – někdy až do 100 mm). Poměr šířky a tloušťky by měl být b:d = 4:1. V současnosti se používá jehličnaté dřevo (smrk, borovice, jedle), v budoucnosti se uvažuje i s použitím listnatých dřevin (akát, buk).


- 10 -

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ prkno či fošna (obvykle z Board (usually side-boards) okrajových částí kmene)

Thickness: tloušťka: d = 10 bis 45 mm

poměr b:d>4:1

Ratio b:d > 4:1

10 až 45 mm

Width: šířka: b = 80 bis 240 mm 80 až 240 mm

Obr. 4.11 Základní materiál pro výrobu CLT Charakteristickými vlastnostmi jednotlivých prken a fošen je pevnost v tahu, modul pružnosti a hustota. Na vnější vrstvy CLT sa používají prkna a fošny předepsané třídy pevnosti. Prkna a fošny musí být spojeny zubovitými spoji. Doporučuje se, aby i prkna a fošny v dalších vrstvách byly spojeny zubovitými spoji. Na lepení zubovitých spojů a vzájemné lepení vrstev se musí používat jen předepsaná lepidla. Běžně se používají fenolická a melamínová lepidla. Podle třídy použití vyráběného prvku se určuje potřebná vlhkost prken a fošen. V dalším kroku se lamely hoblují na všech čtyřech stranách. Boční strany lamel se upravují, viz obr. 4.12. lamela Lamella

nosný zubovitývý spoj (load-carrying) Finger-joint

možné tvary bočního spoje průřezu lamely Possible cross-sections of the lamellas:

“parallel” „tupý“

“groove-and„pero-drážka“ tongue”

“konical” „kónický“

Obr. 4.12 Lamela s různými bočními spoji Zubovité spoje musí být provedené podle ČSN EN 385. Ve spoji musí být dosažena minimálně stejná pevnost, jako má spojovaný materiál. Podle ČSN EN 1194 je nutné, aby charakteristická pevnost spoje v tahu byla dokonce vyšší o 5 N/mm² , než je pevnost příslušné lamely. Výsledky zkoušek ukazují, že pro prvky z CLT se dá dosáhnot minimálně třída pevnosti GL24h. Při návrhu prvku z CLT se dá využít „systémový efekt“, který je podrobně popsán v [5] a [6]. Dalším krokem ve výrobě je boční spojování jednotlivých lamel, čímž vzniká jedna vrstva. Na to, aby sa dosáhly lepší mechanické a stavebně-fyzikální vlastnosti a zároveň příznivější estetický vzhled, jsou lamely po stranách vzájemně lepené. Zubovité spoje v jednotlivých lamelách by měly být v rámci sousedních lamel odsazené. Podle ČSN EN 386 (platí pro výrobu lepeného lamelového dřeva) má být vzájemný posun (odsazení) sousedních zubovitých spojů minimálně jedna třetina šířky lamely. Doporučuje se však odsazení minimálně na šířku lamely.


- 11 -

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ jedna vrstva CLT

Single layer Dista nce

(load carrying) zubovitý spoj Finger-joint

lepenáof bolamellas ční stranaon Gluing their edge side

Obr. 4.13 Lamely slepené do jedné desky/vrstvy pro výrobu CLT Typická stavba jednotlivých vrstev v CLT je ortogonální. Vrstvy však mohou být ukládány též pod jiným úhlem (např. 45°). Kvazituhé spojení jednotlivých vrstev se do sáhne celoplošným slepením vrstev. Je důležité, aby lepidlo bylo nanesené na celou plochu rovnoměrně. Při lisovaní prvku je potřebné dodržet příslušné předpisy pro tento proces. Velikost a tvar prvků z CLT jsou dané omezeními výroby, přepravy a montáže. V současnosti jsou běžné následující rozměry pro rovinné a mírně zakřivené prvky: délka 16,5 m, šířka 3,0 m a tloušťka do 0,5 m. Větší délky (do 30 m) se dají dosáhnout spojováním zubovitými spoji. Pro zakřivené prvky musí být dodrženy zásady tloušťky vrstev a poloměru zakřivení, viz např. ČSN EN 386.

Obr. 4.14 Výroba rovinných a zakřivených prvků z CLT Při výrobě prvků z CLT se na dosažení požadovaných pevnostních a požárních vlastností používá různé uspořádání podélných a příčných vrstev. Tří (pěti) – vrstvé prvky mají tloušťku přibližně 100 mm (170 mm). Při stavbě mostů se používají tlustější elementy. V současnosti neexistuje norma pre výrobu CLT, ale většina firem má pro svoje výrobky technické osvědčení. Navrhování CLT není také zatím zahrnuto v Eurokódu 5. CLT se prodává s neopracovaným povrchem vnějších vrstev, opracovaný povrch (pohledová úprava) se dělá na objednávku. V tomto případě je potřeba opracovat obě vnější plochy, aby průřez zůstal symetrický. Vnější povrchové vrstvy se potom spojují např. na pero a drážku, nebo se používají laminátové desky, LVL a nebo OSB. Některé používané typy vnějších vrstev jsou nenosné a jsou použité kvůli estetickým požadavkům, stavebně-fyzikálním požadavkům (zvuková neprůzvučnost) a kvůli zlepšení požární odolnosti. Tyto vrstvy jsou k CLT připojeny vruty, hřebíky či přilepeny.


- 12 -

Petr Kuklík


Obr. 4.15 Různé povrchové vrstvy CLT (palubky na pero a drážku, OSB deska, sádrová deska)

4.4.3 Modelování CLT 4.4.3.1

Všeobecné požadavky

Při navrhování konstrukcí musí být splněné všechny požadavky jednak na konstrukci jako celek a jednak na jednotlivé části konstrukce (např. prvky z CLT). Únosnost a použitelnost prvků z CLT je ovlivněná velikostí prvku, otvory v prvku (dveře, okna, komíny, schodiště, světlíky), skladbou příčného řezu (počet a tloušťka vrstev, pevnostní třída vrstev, druh dřeviny, uspořádání vrstev).

4.4.3.2

Křížem uspořádané vrstvy – „Valivý smyk – rolling shear“

Pevnostní a tuhostní vlastnosti (jehličnatého) dřeva jsou ve směru kolmo k vláknům výrazně menší, než rovnoběžně s vlákny. Určité vrstvy průřezu přenášejí zatížení smykem v radiální a tangenciální rovině (angl. „Rolling-shear“, něm. „Rollschub“), čímž se svojí malou únosností stávají při navrhovaní rozhodujícimi. Komplexní chování příčně orientovaných vrstev se v praxi redukuje na jednoduché posouzení nosníku na smyk. Použité modely se zaměřují na jednotlivé homogénní vrstvy, které jsou reprezentované svojí tloušťkou, tuhostními a pevnostními vlastnostmi.


- 13 -

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ Boards loaded longitudinal lamely zatížené rovnoběžnto ě grain vlákny – ve(longitudinal ľká tuhost layers) high stiffness

Distribution of normal Distribution of shear rozd ělení smykových rozd ělení normálových stresses due to bending nap stresses within the ětí napětí within the cross-section cross-section

s

Orientation směr vrstevof layers

tlak Compres sion podélně longitudinal

V M

M

příčně perpendicular

'Rolling-shear’

longitudinal podélně 'Rolling-shear’

V

perpendicular příčně longitudinal

podélně

Tension

Boards perpendicular lamely loaded zatížené kolmo to k grain layers) vlákn(transversal ům – malá tuhost - small stiffness, E = 0

tah

Obr. 4.16 Rozdělení napětí v CLT s lepenými boky lamel (zatížení ohyb a smyk) Z ohybových zkoušek prvků z CLT s cílem dosáhnot porušení smykem je známo, že porušení nastává v příčných vrstvách CLT. Z analýzy mechanizmu porušení je řejmé, že porušení je způsobené kombinácí dvou způsobů porušení – rotací příčné vrstvy a „odvalením“ části jarního dřeva, jak je znázorněno na obr. 4.17 a 4.18. rozpětí l Span l

‘Rolling-shear’of the cross layersvrstev CLT „valivý smyk“ failure – porušení příčných

~ 5/7 l

F/ 2

F/ 2

F/ 2

F/ 2

Bending configuration for CLT-elements with uspo řádání zkoušky prvku z CLT pro the intention to reach a ‘rolling-shear’ failure prezentaci porušení v důsledku „valivého smyku“

Obr. 4.17 Porušení příčné vrstvy CLT (lamely nejsou bočně slepeny) nadzdvihnutí a pootočení ‘Set on edge’ of cross layers příčných vrstev

‘Rolling’ of earlywood „odvalení“ ve vrstv ě jarního dřlayers eva napětí kolmo k vláknům (mezi Perpendicular vrstvami) Tension to grain (diverge of glued layers Compression perpendicular to graink tlak kolmo

Late wood

letní dřevo

Early wood

jarní dřevo

vláknům Failurev due to high compression porušení důsledku velkého tlaku a tension to the grain tahu and kolmo k perpendicular vláknům (otvírají se (diverge of glued layers) lepené vrstvy)

Failure due to peeling of earlywood layers

porušení odd ělením jarního dřeva (rolling mechanism)

Obr. 4.18 Způsoby porušení v příčné vrstvě CLT


- 14 -

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ Numerická analýza ukázala, že smyková tuhost CLT („valivý smyk“) je pozitivně i negativně ovlivněna více paramety, uvedenými v tabulce 4.1. Tab. 4.1 Parametry ovlivňující “valivý smyk” Parametry ovlivňující „valivý smyk“

Rozměry lamel v příčné vrstvě

pozitivně

negativně

1

1

1 4

8

2

Poloha letokruhů v lamele poloradiáln ě Half-radial sawing

Šířka letokruhu

1 mm

radiáln ě Radial sawing

2 mm

tangenciáln ě Tangential sawing

4 mm

(podíl jarního a letního dřeva) lepený bok lamely Glue-line

mezera mezi lamelami drážka Groove Gaps

Výroba Tlak Typ lepidla Hightlak pressure velký 0,6N/mm²) N/mm²) (>(>0,6

Low pressure malý tlak (e.g. N/mm²) (nap0,1 ř. 0,1 N/mm²)

Typ zatížení

Shearcompressionsmyk swithtlakovým napětím stresses perpendicular to grain ům kolmo k vlákn

Sheartensile-stresses smyk swithtahovým napětím perpendicular mgrain kolmo k vláknůto

Při navrhování je potřebné zohlednit skutečnost, že různé předpisy a normy uvádějí různé přístupy pro určování návrhových parametrů vícevrstvých prvků.

4.4.4 Technické normy V současnosti nejsou (mimo DIN 1052 z roku 2004) v evropských normách uvedené postupy pro navrhování prvků z CLT. Jednotliví výrobci používají pro výrobu, navrhovaní a použití CLT národní technické předpisy.


- 15 -

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ Mechanické parametry CLT mohou být stanovené na základě vlastností jednotlivých vrstev a jednotlivých lamel ve vrstvě. Výpočetní model je publikovaný např. v [5]. Pro stanovení napětí v průřezu a v jednotlivých vrstvách se většinou předpokladá tuhé spojení jednotlivých vrstev. Takovýto model poskytuje akceptovatelnou přesnost výpočtu napětí. Ve výpočtu mezních stavů únosnosti a použitelnosti musí být ale zohledněna poddajnost kolmo uložených vrstev (lamel). Pružné deformace se dají určit z modelu s tuhým spojením - jsou přibližně o 20% větší. Na získání přesnějších výsledků je potřeba použít přesnější model, ve kterém je zohledněna smyková poddajnost vrstev.

rozdělení of normálových Distribution normal napětí due to bending stresses within the cross-section tlak Compression

Boards loaded longitudinal lamely zatížené rovnobežntoě s grain (longitudinal layers) vlákny – velká tuhost high stiffness

rozděleníof shear směr vrstev Orientation of Distribution smykových stresses within nap the ětí layers cross-section podélně

longitudinal

V M

M

příčně perpendicular

'Rolling-shear’

podélně longitudinal perpendicular příčně

'Rolling-shear’

V

longitudinal podélně Tension

Boards loaded perpendicular to lamely zatížené kolmo k grain vlákn(transversal ům – žádná layers) tuhost, E = 0 - small stiffness, E = 0

tah

Obr. 4.19 Rozdělení napětí v CLT s nelepenými boky lamel (zatížení ohyb a smyk) Pro prvky, které jsou složené z jednotlivých „tuhých“ vrstev se při navrhování postupuje podle klasické teorie, uvedené v DIN 1052 z roku 2004. Tato metoda obsahuje posouzení přetvoření vlivem smyku. Souhrn předpokladů navrhování:  Prvky s převládajícími rozměry ve dvou směrech mohou být posuzované jako desky, jestliže je prvek zatížený kolmo na svoji rovinu a jako stěny, jestliže je prvek zatížený ve svojí rovině.

vnitřní forces síly Internal for the panel v

Y

X nX

nXY nY

nYX

0°

90°

Z

mXY mY

σZ,i

x

Y

vnitřní síly Internal forces for the plate

Y

napětí in the Stresses layers i

mX qX

X

Connection rovina layer spojení

τZX,i

0° 0° 9

Layer “i” 0°

σY,i

τZY,i τXY,i

τYX,i σX,i τYZ,i τXZ,i

mYX qY

Obr. 4.20 Označení vnitřních sil působících v dílčích vrstvách a napětí v CLT


- 16 -

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________  



Tuhosti a napětí se počítají podle teorie pro spřažené prvky s tuhým spřažením. Musí být ale zohledněné namáhání ve směru kolmo k vláknům a též valivý smyk. Tuhostní parametry se určují ve směru hlavních os. Při uspořádání lamel těsně vedle sebe bez vzájemného slepení na bocích se dosazuje hodnota modulu pružnosti ve směru kolmo k vláknům rovna nule. Zohledňuje se vliv smykových přetvoření.

4.4.5 Modelování desek V závislosti na uspořádání průřezu, poměru délky a šířky (l:b) CLT a typu podpěr, může být zatížení přenášeno jednoosým nebo dvojosým ohybem. V závislosti na okrajových podmínkách podepření se desky z CLT modelují jako prosté či spojité nosníky v jednoosém ohybu. Jestliže se pro modelování předpokládá dvojosý ohyb musí se uvážit typy spojů na okrajích prvků CLT (většinou jednoduché přeplátování) a otvory. různéDifferent tuhosti stiffness v obou for both spans směrech

kĺoubové spojení CLT

(E,J)y

(E,J)x

Opening otvor (např(e.g. . pro for a staircase) schodišt ě)

Obr. 4.21 Modelování desek s dvojosým přenosem zatížení pomocí roštu z nosníků (se zohledněním překrytí prvků CLT a otvoru) Masivní stropy z CLT se posuzují jako tuhé desky (jestliže zatížení působí plošně), které mohou přenášet současně vodorovné zatížení (od větru, seizmicity, atd.). Při dodržení běžných konstrukčních pravidel se nemusí pro tato zatížení dělat zvláštní posouzení. Při posuzování podle mezního stavu použitelnosti se zohledňují i deformace v důsledku valivého smyku (G90,mean ~ 50 N/mm²). Aby sa zabránilo nepříjemným dynamickým účinkům, musí být přetvoření v důsledku působení stálých zatížení (bez uvážení dotvarování) menší jak 5 mm. Jestliže to není splněno musí se provést presnější výpočet (např. pomocí metody konečných prvků).

4.4.6 Modelování výztužných (smykových) stěn Pro modelování výztužných stěn z CLT se může použít model příhradové konstrukce nebo rámový model – obr. 4.22. Při přesnějším výpočtu je možné použít metodu konečných prvků.


- 17 -

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ Trussnosníku model model příhradového

Frame model rámový model

Obr. 4.22 Modelování stěny přes dvě podlaží zatížené svislými a vodorovnými silami Vzpěrná únosnost stěn je závislá nejen na štíhlosti (parametru: vzpěrná délka, účinná tuhost), ale i na způsobu zatížení (excentricita sily, způsob podepření). U vícepodlažních budov se musí stěny uvažovat na celou výšku - obr. 4.23. boční ukotvení Lateral jsou (stěnyancoring (walls screwed with sešroubovány se the floors) stropy)

Shear walls výztužné stěny

tvarBuckling figure vybo čení

Shear walls stěny výztužné

Obr. 4.23 Modelovaní tuhého systému schodiště

4.4.7 Modelovaní spojů Při modelovaní spojů se musí uvážit skladba prvku z CLT. Na modelování spojů musí být vyvinuté příslušné modely, které zohledňují konkrétní typ spojovacího prostředku (např. samořezné vruty, vlepované tyče, kolíky, atd.).


- 18 -

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ stěnový prvek Wall element Stenový element

Floor element stropní element

N

vnitřníforces síly Internal

M

Q

svislá síla v kloubu Force in the pin-joint vertical

Q

GV

V

GH1 + Gh2

GH1

H Force supports síly vatpodpo ře

e.g. rodtyč napglued-in ř. vlepená

N

H

GH2 GV

Force in the síla pin-joint vodorovná v ĺoubu khorizontal

Q M

stěnový prvek Wall element

N

svislé zatížení vertical loads ř. od connected (napfrom (e.g. připojených floors) V stropů)

Vodorovné zatížení (např. od větru)

spoj s ocelovými Connection with uhelníky a and steel angles samořeznými vruty selftapping wood do dřeva screws

M

Q

vnitřníforces síly Internal

M N

Obr. 4.24 Modelovaní spoje strop-stěna

4.4.8 Použití prvků z CLT v obytných a vícepodlažních budovách Použití je vhodné nejen na velké vnější a vnitřní stěny, stropy a střechy, ale jsou možné i kombinace s prutovými prvky – průvlaky a sloupy.

4.4.8.1

Všeobecně

Stěny s otvory (okna a dveře), stropy s otvory (schodiště, komíny) a střechy s otvory (světlíky) se dají realizovat zpravidla bez dalších dodatečných zesilnění. V případě balkónů se deska z CLT vykonzoluje, nebo se z vnějšku obvodové stěny bodově podepře. Tloušťka 5-ti vrstvého stropního prvku ve vícepodlažním objektu (do třech podlaží) je přibližně 95 mm. Minimální tloušťka stěnového prvku je závislá na délce a typu použitého výrobku. Obecně se nedoporučuje menší tloušťka než 75 mm. V závislosti na uspořádání stropu, váze podlahových vrstev a užitném zatížení se dají hospodárně realizovat stropy s rozpětím 4,0 až 5,0 m pomocí 5-vrstvých prvků tloušťky 125 mm až 160 mm. Pro větší rozpětí stropu a vyšší stěnové prvky se mohou použít trámové nebo komůrkové stropní konstrukce se stěnami z nosníků z lepeného lamelového dřeva. Masivní stěny, stropy a střešní prvky se dají vyrábět s předpřipravenými spoji velmi přesně. Dá sa tak uspořit čas a náklady spojené s korigovaním nepřesností výroby na stavbě. Izolace, obklady a fasádní prvky sa dají připojit jednoduše a rychle. Je též možná kombinace s jinými stavebními systémy (např. zděnými konstrukcemi).

4.4.8.2

Realizace výztužných stěn

Ztužení budov, které jsou montované z CLT prvků , se provádí kombinací stěnových a stropních prvků, přičemž vzniká tuhá trojrozměrná konstrukce. Většinou vznikne tuhá konstrukce přímo spojováním prvků, takže není potřeba dalšího ztužení. Potřebný počet výztužných prvků vyplývá z geometrie budovy, průřezu použitých prvků, geometrie jednotlivých prvků a též od velikosti a typu zatížení. Na přenos vodorovného zatížení má vliv i typ spojovacích prostředků, který ovlivňuje účinnou délku výztužných stěn. Při návrhu je též potřebné zohlednit počet a velikost otvorů ve stěnách, které snižují výztužný účinek stěn. Masivní výztužné stěny jsou v porovnání se stěnami v sloupkových konstrukcích tužší. Z tohoto důvodu může být jejich počet a délka výrazně redukovány.


- 19 -

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ 4.4.8.3

Požární odolnost konstrukcí s použitím CLT

Prvky z CLT jsou složené z různých vrstev, vycházejíce z organické povahy dřeva. V případě požáru vytvoří vnější zuhelnatělé vrstvy ochranou izolační vrstvu, čímž jsou další vrstvy před požárem chráněné. Teplo se šíří pomaleji a hoření se zpomalí. Zmenšení únosnosti prvku je tak způsobené zmenšením průřezu. V rámci požárních zkoušek se musí zohlednit ztráta vnější vrstvy. To znamená, že v 5-ti vrstvém prvku v případě 30-ti minutového požáru shoří nejméně jedna vrstva. Z původního prvku se třemi podélnými a dvěma příčnými vrstvami se po 30-ti minutách působení požáru stane prvek se třemi vrstvami. Tento prvek však působí dalších třicet minut jako prvek se třemi vrstvami (hoří druhá, nenosná (příčná) vrstva).

5-ti vrstvý prvek z CLT

Originally: 5-layered CLT-element

podélná vrstva Longitudinal layer příčná vrstva

120 mm

5x 24

Transversal layer

moment setrvačnosti 114 mm4/m 4

Moment of inertia: Width = 114.048 mm /m

ztráta tuhosti cca 75% Loose of stiffness: ~ 75 %

Charring 30 minutes 24 mm mm hloubka zuhelnat ění podepth 30-ti after minutách je cca~ 24 longitudinal layer) (jedna podélná(one vrstva)

72 mm

3x 24

po 30-ti minutovém po“effective” řáru vzniká 3-vrstvý3-layered prvek element After 30 min. fire action: provided:

moment setrvačnosti 30 mm4/m

4

Moment of inertia: Width = 29.952 mm /m

Transversal layer

příčná vrstva

Obr. 4.25 Ztráta tuhosti prvku z CLT namáhaného požárem z jedné strany Experiment se 120 mm tlustým 5-ti vrstvým prvkem z CLT ukázal, že sa dá dosáhnout 60-ti minutová požární odolnost. Při určité skladbě vnější vrstvy a/nebo opláštěním prvku dodatečnou vrstvou (např. sádrokartonu) sa dá dosáhnout ještě vyšší požární odolnost.

4.4.9 Spojování prvků z CLT Použitím velkých prvků v masivní stavbě vzniká jen málo spojů. Tyto jsou rozdělené podle spojovaných prvků na spoje stěna-stěna, stěna-základ, stěna-strop a strop-strop. Spoje se většinou provádí pomocí běžných mechanických spojovacích prostředků.


- 20 -

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ 2. 2. podlaží Floor strop - strop

Floor-Floor strop Floor

stěna – strop - stěna Wall-Floor-Wall

Wall-Wall stěna - stěna

1. podlaží Floor 1.

Foundation základ

Wall-Foundation stěna - základ Obr. 4.26 Poloha spojů ve vícepodlažní budově Zhotovení spojů prvků z CLT a jejich dimenzovaní probíhá většinou rozdělením spoje do jednotlivých bodů. Používanými spojovacími prostředky jsou samořezné vruty do dřeva, vlepované tyče do dřeva, kolíky a svorníky. Mohou se používat i spojovací systémy s příslušným technickým osvědčením. Ve spoji stěna-strop a stěna-základ se vyskytují převážně tlaková napětí vznikající od vlastní tíhy konstrukce. Tahové síly vznikají ojediněle – např. v případě montáže a /nebo určité geometrie jednotlivých dílů. Tahové síly se potom musí zachytit vhodnými spoji. Pro umístění spojů a jejich dostatečnou únosnost se vyžaduje:  Na vnější ploše prvku vzít v úvahu polohu spojovacích prostředků.  Musí se dodržet pravidla pro rozmístění spojovacích prostředků, pro předvrtání otvorů, pro délky lepení atd. Jestliže vznikne mezera mezi jednotlivými vrstvami (může vzniknout při výrobě) je potřeba toto při návrhu spoje zohlednit.  V důsledku kolmé orientace vrstev (0°,90°) je možné o čekávat jiné pevnostní a tuhostní vlastnosti spoje, než při navrhovaní prutových prvků. Pro spojovací prostředky používané v současnosti (samořezné vruty do dřeva, vlepované tyče, kolíky a svorníky) je důležité předpokládat vhodný model působení spoje. Tyto modely se v současnosti vyvíjí. Před použitím nově vyvinutého spoje je nutné jeho odzkoušení.


- 21 -

Petr Kuklík

Metody výstavby budov ze dřeva _______________________________________________________________________ Literatura [1]

Schickhofer, G. et.al.: “Holzbau – Der Roh- und Werkstoff Holz, Part A“, Skriptum, Institut für Holzbau und Holztechnologie, Technische Universität Graz, Graz/Österreich, 2004

[2]

Augustin, M.: Kapitola 6, Vzdělávací materiály pro navrhování a zkoušení dřevěných konstrukcí, Projekt TEMTIS

[3]

Kollmann, F.F.P.; Kuenzi, E.W.; Stamm, A.J.: “Principles of Wood Science and Technology, Volume II: Wood Based Materials“, Springer, Berlin-Heidelberg, Deutschland, 1975

[4]

proHolz Austria (Ed.): “Mehrgeschossiger Holzbau in Österreich, Holzskelett- und Holzmassivbauweise“, ISSN 1680-4252, pro:Holz Austria, Wien, Österreich, 2002

[5]

Jöbstl, R.A. et.al.: “A Contribution to the Design and System Effects of Cross Laminated Timber (CLT)“, Paper 39-12-4, Proceedings of CIB-W18, Florenz, Italy, 2006

[6]

Jöbstl, R.A.; Schickhofer, G.; “Comparative Exemination of Creep of GLT- and CLT-slabs in bending“, Paper 40-12-3, Proceedings of CIB-W18, Bled, Slovenia, 2007

[7]

Schickhofer, G.; Moosbrugger, T.; (Ed.): “Brettsperrholz – Ein Blick auf Forschung und Praxis“, Proceedings, Technische Universität Graz, Institute für Holzbau und Holztechnologie, Graz, Österreich, 2006

[8]

Guggenberger, W.; Moosbrugger, T.: “Mechanics of Cross-Laminated Timber Plates under th Uniaxial Bending“, Paper, Proceedings of the 9 World Conference on Timber Engineering, Portland, Oregon, USA, 2006

[9]

Moosbrugger, T.; Guggenberger, W.; Bogensperger, T.: “Cross-Laminated Timber Wall Segments under homogeneous Shear – with and without openings“, th Paper, Proceedings of the 9 World Conference on Timber Engineering, Portland, Oregon, USA, 2006

[10]

ČSN EN 385: Konstrukční dřevo nastavované zubovitým spojem - Požadavky na užitné vlastnosti a minimální výrobní požadavky

[11]

ČSN EN 386: Lepené lamelové dřevo - Požadavky na užitné vlastnosti a minimální výrobní požadavky

[12]

ČSN EN 1194: Dřevěné konstrukce - Lepené lamelové dřevo - Třídy pevnosti a stanovení charakteristických hodnot


- 22 -

4 Metody výstavby budov ze dřeva

Recommend Documents