Dřevo a mnohopodlažní budovy V č. 11/09 tohoto časopisu informovali autoři o výsledcích práce v rámci grantového projektu „Dřevěné vícepodlažní budovy“. Šlo o úspěšný vývoj sloupového systému ze dřeva na bázi rámové soustavy. Zmínili zde omezenost rámu pro použití přibližně do 10 podlaží. Pro vyšší podlažnost lze použít dřevěných sloupů v kombinaci s výztužnými stěnovými útvary při tuhých stropních tabulích, které musí přenášet vodorovné zatížení větrem na tyto útvary, nebo spřahovat sloupy pomocí zkřížených prutů (příhradové soustavy), jak ukázal v ideovém projektu 20ti podlažní budovy prof. Winter [1]. Jak dosáhnout větších výšek V rámci zmíněného projektu pokračují práce na použití dřeva pro sloupové systémy, které jsou spřaženy tenkými membránami a umožňují dostat dřevo do daleko větších výšek. Na tuto možnost poukázal autor již v 60tých létech, když srovnával tuhost spřažení sloupů pomocí příčlů (rámová soustava) s tuhostí spřažení pomocí membrán (tzv. sendvič) [2]. Na obr.1 je srovnání „příčel“ versus „membrána“. Prokazuje, že primární ohybový moment od vodorovného zatížení je sice u rámu působením smykových sil v příčlech téměř dokonale vyrovnán, avšak bodové působení těchto sil na sloupy vede k momentům ve sloupech (obr.1). Jsou-li však místo příčlů tyčového charakteru použity membrány, vedou přibližně tytéž smykové síly nejen k vyrovnání primárního ohybového momentu vcelku, ale k vyrovnání po celé výšce sloupu neboť smykové toky jsou spojitě rozloženy.
obr.1 Sendvičový konstrukční systém Použije-li se spřažení plošnými membránami a zároveň prostorové rozmístění konstrukce výhradně do obvodových partií budovy, vzniká tzv. sendvičový konstrukční systém. Ten je vytvořen ze svislých prvků rozmístěných v čelech budovy, které jsou vzájemně spojeny vodorovnými stropními tabulemi a svislými membránami (obr. 2). Sestava stropních tabulí a membrán vytváří tuhou voštinu, která je neposuvně spojena s oběma fasádními konstrukcemi. Výsledný konstrukční systém je obdobou sendvičových struktur s vnějšími plášti a vnitřním jádrem. Všechny vnější účinky přenášejí obvodové konstrukce tlakem (tahem) a membrány se stropními tabulemi jsou namáhány smykem (obr. 3). Systém je založen na podmínce maximálního využití konstrukce při přenášení svislých a vodorovných účinků. Vychází z poznatku, že schopnost systému přenášet svislé účinky je přímosměrná hmotnosti svislých prvků. Míra přenesení účinků vodorovných je naopak dána nejen množstvím, ale i rozmístěním hmoty a jejím spřažením. Z toho vyplývá reálný podklad pro uplatnění hlediska
co nejpříznivějšího rozmístění hmoty svislých prvků, přičemž jeho závažnost stoupá se zmenšováním hmotnosti a zvětšováním výšky budovy. Sendvičový systém toto kritérium splňuje. Poskytuje maximálně možné rameno vnitřních sil a zabezpečuje kvalitativně vhodné namáhání prvků – tlak (tah) ve sloupech, smyk v membránách, krátké vzpěrné délky. Systém byl patentován [3].
obr.2
obr.3
Uplatnění sendvičového systému u dřevěných budov Nutnou podmínkou uplatnění je vyrobení dřevěného plošného prvku. Takový prvek existuje. Je již několik let úspěšně vyráběn. Jde o velkoplošný panel z několika vrstev vzájemně zkřížených prken, které jsou prolepeny a působí jako celistvá struktura (obr.4). Největším světovým výrobcem je firma KLH (Kreuzlagenholz) v Rakousku, která je schopna vyrobit panely až do 16,5 m délky , 2,95 m šířky a 0,5 m tloušťky , což umožnuje stavby s nejen velkorozponovými stropními konstrukcemi , ale také stavby vícepodlažní. V důsledku malé tuhosti prken orientovaných vlákny kolmo ke směru namáhání (u stěn vodorovná prkna, u stropů prkna kolmá na rozpětí) nevyužívají sice plně veškerou hmotu pro obr.4 přenášení tlaku a tahu, avšak jejich schopnost přenášet smykové síly v obou směrech vlastní roviny z nich činí velmi efektivní prvky (diafragmy), schopné při rozmístění ve svislých rovinách v podélném a příčném směru a v rovině vodorovné, vytvořit tuhou prostorovou konstrukci, potřebnou u vysokých budov. Dosud jsou tyto skvělé velkorozměrné panely uplatňovány u nízko a středněpodlažních budov. V rakouské výstavbě byly realizovány desítky objektů z prvků KLH. Ve spolupráci rakouského výrobce s anglickými projektovými a stavebními organizacemi byla realizována v Londýně v roce 2008 devítipodlažní obytná budova tzv. Stadthaus (obr.5a,b).
obr.5a
obr.5b
Vzhledem k standardům platným ve VB a nejnovějších poznatkům z oblasti požární bezpečnosti staveb nebyla realizace takto vysoké dřevěné budovy právě s ohledem na požární bezpečnost problémem. Po získaných zkušenostech si tvůrci této nejvyšší celodřevěné budovy světa vytýčili cíl dosáhnout do roku 2016 stavět až 25-ti podlažní budovy (obr.6). V publikaci, věnované těmto úvahám [4] zatím nespecifikují jakým směrem se bude ubírat řešení styků mezi panely, což bude stěžejní problém. Ten nebyl dosud nikterak řešen, o čemž svědčí ukázky styků, které jsou dosud používány. Jde o spojovací vruty, svorníky, hřeby a propojovací úhelníky (obr.7). Únosnost styků nebyla zatím vážněji studována, protože při dosud realizované nízko a středněpodlažní výstavbě vznikají ve stycích vedle tlaku pouze zanedbatelné smykové síly.
obr.6 obr.7 Statické parametry prvků KLH jsou přibližně stejné, jako podle ČSN pro lamelové prvky s tím, že v důsledku křížení prken ( křížení směru vláken u jednotlivých vrstev) je třeba počítat se zmenšením výpočtových pevností v tahu a tlaku od 40 do 60% a v ohybu cca 70% (podle počtu vrstev).
Několik ideových návrhů Uvažme budovu sendvičového konstrukčního systému využívajícího prvky KLH, vysokou zatím jen 12 podlaží podle obr.8. Stálé a nahodilé zatížení stropu 200 a 250kg/m2, zatížením větrem 150Kg/m2. Výpočet napjatosti konstrukce lze provést například podle učebnice [5] na straně 353-364. Tuhostní parametry se určí podle vz. (5.31), (5.45 až 5.48), (5.54) a (5.63). Vnitřní síly podle dalších vzorců. Normálová síla v patě fasádního prvku na jeden modul od vodorovného zatížení větrem podle (5.58) vychází 67,1t, od svislého zatížení 291,6t, ohybový moment od větru ve stejném prvku podle (5.53) vychází 69,7tm, posouvající síla ve spodní membráně od větru podle (5.47) 12,1t, od svislého 12,2t, ohybový moment ve stropním panelu 4.6tm a průhyb budovy na volném konci podle (5.62) 0,04m. Posouzení všech prvků a styků vykazuje dostatečné rezervy ve využití konstrukce, průhyb je 1/889 výšky budovy. I při uvážení výšky 24 podlaží stále vycházejí výpočtová napětí v přijatelných mezích, pouze průhyb je 0,21m což je 1/350H, což by vyžadovalo mírné zvětšení tloušťky fasádních panelů. Jediným neověřeným detailem je styk mezi membránou a fasádním prvkem. Na obr.9 je načrtnuta představa jeho řešení. U dvanácti podlažní budovy vykazuje styk namáhání 12,1t, u 24-ti podlažní budovy 24,2t.
obr.8
obr.9
Poznámka k oběma příkladům: Stropy lze též ukládat přímo na fasádní prvky. Zrovnoměrní se tím přenos svislého zatížení do svislých prvků a zmenší namáhání jejich styků s membránami. Při větší podlažnosti, např. nad 24 podlaží, lze ocelové spojky ve styku membrány a fasády konstruovat tak, aby fungovaly jako průběžné sloupy. Membrány nemusí probíhat po výšce budovy průběžně. Lze je vystřídat například podle šachovnicového schéma. Na obr.10 je uveden takový případ, kdy každá membrána rozmístěná v daném podlaží po 12-ti metrech, přenáší na horní i dolní hraně zatížení od dvou nad sebou uložených stropních desek s rozpětím 6m. Vytvářejí se tak volné prostory 12m x 12m.
obr.10a
obr.10b
ZÁVĚR: Sendvičový konstrukční systém využívající velkoplošných dřevěných panelů pro svislé fasádní prvky, stropy i spřahující membrány je reálným řešením pro vysoké budovy na bázi dřeva.
Prof. Ing. Václav Rojík, DrSc. Ing. Milan Peukert
[1] W.Winter: „20 Geschosse in Holz – die Machbarkeit“ 14. Internationales Holzbau-Forum 08 [2] Rojík. V: Sendvičový konstrukční systém vysokých staveb, ČVUT Praha, 1963 [3] Konstrukce dřevěné vícepodlažní budovy – PUV 2009-21558 (V. Rojík) [4] A process revealed, 2009, (převzaty obr.4,5b,6,7) [5] Bielek M., Rojík V., Konštrukcie pozemných stavieb IV, SNTL Praha, 1987
