DŘEVO A VYSOKÉ BUDOVY U vysokých budov je vítr rozhodujícím zatížením a vodorovný průhyb konstrukce budovy od tohoto zatížení rozhodujícím kritériem statické způsobilosti. To vyžaduje tuhou konstrukci, nejlépe konstrukci vytvořenou z plošných stěn (obr.1). Je-li konstrukce vytvořena ze sloupů, dosahuje
se
potřebné
tuhosti
propojováním
sloupů
zajišťujícím
jejich
vzájemné
spolupůsobení, pomocí vodorovných stropních nosníků (rámové konstrukce), zkřížených prutů nebo tenkých příček (membrán) (obr.2), nebo využití doplňkových ztužidel a tuhých stropních tabulí. Styčníky, o kterých je v referátu pojednáno se týkají obou možností a byly řešeny v rámci grantového projektu „Dřevěné vícepodlažní budovy“. S výjimkou úpravy pomocí zkřížených prutů (příhradové konstrukce) nelze všechny úpravy u dřevěných tyčových prvků s jednosměrně orientovanými vlákny jednoduše realizovat. Přitom zkřížené prvky brání volnému řešení fasády. Ojedinělé pokusy uplatnit u vysokých budov dřevěné konstrukce končí u jejich kombinace s tuhými jádry (schodišťové, výtahové šachty, stěnové nebo příhradové štíty apod.) To však vyžaduje tuhé stropní tabule, které musí účinky větru přenést z mezilehlých poddajných sloupů do těchto jader (obr. 3). Proto zůstává výstavba vyšších budov vyhrazena železobetonu a oceli. Těmito materiály lze vytvořit tuhé monolitické propojení svislých sloupů a vodorovných příčlů. Použití dřeva je zde zcela výjimečné, protože styk ve vzájemném křížení sloupu a příčlu, tj. prvků s jednosměrně orientovanými vlákny, nelze propojit. Spojení se proto provádí s jedním prvkem probíhajícím a druhým prvkem, který je k němu připojen ze strany. Připojení je buď kloubové, tudíž bez rámového působení a je proto pro rámy nevýznamné, nebo je tuhého styku dosahováno pomocí ocelových tyčí vlepených do připojovaných prvků a probíhajících průběžným prvkem. Tuhé dřevěné rámové styčníky schopné přenášet ohybové momenty (obr.4) jsou výsledkem úsilí v posledních cca deseti letech. Známá spojení příčlů a sloupu jsou vždy provedena pomocí ocelových závitových tyčí kotvených lepením do otvorů v připojovaných příčlech. Spoje jsou však relativně složité a pracné. POZNÁMKA KE SVISLÝM KONSTRUKCÍM VYSOKÝCH BUDOV Pro svislé prvky se používají stěny a sloupy. Stěny jsou lépe uzpůsobeny pro přenášení vnitřních sil než sloupy a to při svislém i vodorovném zatížení. Proto se sloupy spřahují. Spřažením se mezi sloupy vytvoří ztužující prostředí, které zajišťuje jejich vzájemné
spolupůsobení. Podstata tohoto efektu při přenášení vodorovného zatížení je znázorněna na obr.5. V případě a) jde o dva sloupy obdélníkového průřezu, jednostranně vetknuté, které se vzájemně pouze dotýkají. Při vodorovné deformaci (průhybu) se však vzájemně ve styčných plochách posouvají. Jediným výrazem spolupůsobení je stejný průhyb. O zatížení se tedy rozdělí rovným dílem. Jejich celková ohybová tuhost je součtem tuhosti každého sloupu. V případě b) jsou tyto sloupy vzájemně tak dokonale spojeny, že se při vodorovné deformaci nemohou vzájemně ve styčných plochách posunout. Brání jim v tom spojovací prostředí mezi styčnými plochami. Spojovací prostředí přenáší smykové napětí (jak je patrno ze srovnání obou obrazců τ ). Napětí se v obou sloupech realizuje jako normálová síla (v levém sloupu tahová, v pravém tlaková). Spojením vzniká celistvý (spřažený) prvek, jehož celková ohybová tuhost již není prostým součtem tuhostí každého sloupu. Je vyšší, v daném případě čtyřnásobná. Průhyb proto klesá na jednu čtvrtinu. Rovněž normálová napětí spřažením klesají. V daném případě na polovinu. Průběh smykových sil ( napětí τ ) je po výšce rozdělen nerovnoměrně. V daném případě (dokonalé spojení) podle přímky zakreslené na obrázku 5.b čárkovaně. Není-li spojení dokonale nepoddajné, dojde ve spojovacím prostředí k prokluzu a průběh τ se změní – na úrovni z = 0 přejde do nuly a v oblasti volného konce naopak dozná jisté hodnoty, jak je uvedeno na obr. 5b. plně. Spřažení lze konstrukčně dosáhnout několika způsoby, v některých případech k tomu postačí samotná stropní konstrukce, je-li dostatečně tuhá nebo opatří-li se v oblasti mezi sloupy tužšími prvky (trámy, průvlaky apod.) jak je uvedeno na obr. 2a. Tyto vodorovné prvky se v projektové praxi nazývají příčle. Spojením sloupů pomocí příčlů vzniká tzv. rámová soustava. Příčle přenášejí při vodorovném zatížení smykové síly (obdobné silám τ na obr.4) a vytvářejí tak mezi sloupy příznivě působící prostředí, které přispívá ke zvýšení ohybové tuhosti a ke snížení deformace a namáhání. Spřažení lze též zajistit šikmými pruty (obr.2.b), které přenášejí smyky osovými silami. Vznikají takto tzv. příhradové soustavy. V SOUTĚŽI S BETONEM A OCELÍ V rámci grantového projektu „Dřevěné vícepodlažní budovy“ č.103/07/0514, který je financován Grantovou agenturou ČR, byl propracován rámový styčník mezi příčlem a sloupem, vykazující potřebnou tuhost. Umožňuje vytvořit dřevěný sloupový systém se všemi výhodami, které sloupový systém nabízí, tzn. oprostit se od ztužujících konstrukcí, uvolnit dispozici, použít lehké obvodové pláště atd.
Podstata nového řešení spočívá v přeplátování spojovaných sloupů a příčlů, v nichž jsou vybrání pro vložení ocelové spojky připevněné ke každému spojovanému prvku svorníky. Spojka je vytvořena z plochého materiálu ve tvaru písmena L, T nebo kříže. (obr. 6). 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. 7). Monolitičnost spojky potom zajistí, že se ona spojné prvky vůči sobě nepootočí, tj. při deformaci soustavy vykáží stejné pootočení. STATICKÉ CHOVÁNÍ STYČNÍKU Příklad vytvoření tuhého styčníku s použitím nejjednodušší spojky ve tvaru L je na obr.8. Statickou funkci spojky lze znázornit např. na uspořádání styčníku při zatížení silami S – obr.9. Přenášení svislého zatížení rámem s upravenými styčníky je stejné jako u běžných monolitických rámů. Tuhé propojení příčlů a sloupů zde však vede ke zbytečnému namáhání spojek i od svislého zatížení. Ty jsou však určeny pro přenášení koutových momentů vyvolaných vodorovným zatížením větrem. Přenesení svislého zatížení bez vetknutí příčlu do sloupu (prosté uložení) lze zajistit samotnou událostí příčlu a dimenzovat spojku pouze na zatížení větrem a na krátkodobou složku užitného zatížení. Toho lze dosáhnout účinným postupem při montáži rámu. ZKOUŠKY STYČNÍKU Styčník byl laboratorně odzkoušen v ústavu Akademie věd ČR v Praze – Proseku. Zkoušky byly provedeny na třech zkušebních styčnících, které velikostně, materiálově a způsobem zatížení odpovídaly reálnému styčníku budovy. Dřevěné prvky byly rozměru 200mm x 360mm a ocelová spojky tlustá 6mm. Byla ověřována funkce styčníku, vytvořeného jednak lepením a jednak pomocí svorníků. Svorníky procházejí otvorem v ocelové spojce a vývrty v dřevěných prvcích (foto). Zkouškou byla ověřována především funkce svorníkového styčníku (obr.8). Očekávalo se, že ve vazbě mezi spojkou a příčlem resp. Mezi spojkou a sloupem, dojde k deformaci způsobené zakřivením dříku svorníku a otlačením stěny vývrtu. Porovnávala se proto deformace svorníkového styčníku se styčníkem lepeným (monolitickým). 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.10).
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.11/ jsou zaznamenány průběhy průměrných průhybů příčlů u vzorků 1 až 3 plně a 4 až 6 čárkovaně. Svorníkové prky vykázaly ve srovnání s lepenými asi 80% tuhost. Po rozebrání svorníkových vzorků č. 1, 2 a 3 před lepením se sice žádné deformace svorníků a vývrtů nezjistily, snížení tuhosti se však stále přisuzovalo tomuto jevu. Zatěžování vzorku č.6 do porušení prokázalo mezní zatížení volného konce příčlu 34kN, což je přibližně dvojnásobek pracovního zatížení rámového koutu při jeho zamýšleném použití ve výstavbě. Rozebrání porušeného vzorku však přineslo důležité poznání pro další úpravy svorníkového styčníku. Porušení lepeného styčníku bylo iniciováno ztrátou stability ocelové spojky – zkrabacením v tlačené oblasti u líce stojky, zaviněným nedokonalým slepením dřeva a oceli právě v oblasti u líce stojky. To vedlo k nedostatečnému sevření ocelové spojky a k jejímu vybočení. Tento nedostatek při úpravě lepeného styku paradoxně odhalil příčinu snížení tuhosti svorníkového spoje: v oblasti mezi krajním svorníkem u příčlu a lícem stojky je polovina průřezu příčlu volná a nefunguje z hledisky tuhosti. Kontrolní výpočty potvrdili, že přidání svorníku u volných spár (podle obr.12) přispěje nejen k potřebnému sevření ocelové spojky, ale i k zapojení druhé poloviny průřezu příčle a stojky a tím k zvětšení tuhosti svorníkového styčníku odpovídajícímu tuhosti styčníku lepeného. 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. K MONTÁŽI DŘEVĚNÉHO RÁMU Při přechodu na lepené vzorky vznikly problémy s vlepováním spojek do vybraní v příčlech a sloupech. Problém odpadl při zásadním přechodu na výrobu zdvojených prvků ze dvou stejně širokých částí. Ukázalo se, že tento postup značně ulehčí lepení a přitom nikterak neovlivňuje statické působení styku. Proto se nadále uvažuje (obr. 9) 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. 13)
OVĚŘOVÁNÍ MOŽNOSTÍ APLIKACE Při ověřování možnosti aplikace styčníků bylo pracováno s modelem dle obr. 14. Pro tento teoretický model byl zvolen sedmipodlažní rám o dvou traktech – konstrukční výška 3m, rozpon příčlů jednoho traktu 5,5m a vzdálenost jednotlivých rámů 3m. Rám byl zatěžován vhodnými kombinacemi svislých a vodorovných zatížení a bylo pracováno s maximálními hodnotami vnitřních sil, které byly těmito kombinacemi vyvolány. Z výpočtů vyplývá, že je možné využít styčník a s tím související konstrukční prvky v rozměrech, které byly prověřeny experimentální zkouškou (ocelová spojka tl.6mm, sloupy a příčle 360x200mm) při návrhu sedmipatrové budovy. Ve výpočtech bylo uvažováno s návrhovým modulem pružnosti dřeva E=12600MPa. Ve většině případů však dosahuje modul pružnosti dřeva hodnot kolem 14500MPa, což vnáší do výpočtů jistou rezervu. V následující tabulce jsou shrnuty výsledky výpočtů. Celková deformace
Mmax [kN*m]
Využití průřezu [%]
0,015
41.5
74,5
220 * 300
0,024
49
76.6
5.pater
220 * 360
0,026
58
63
6.pater
220 * 380
0,034
66.5
64.8
7.pater
220 * 400
0,044
75
65.9
podlažnost
průřez [mm]
3.patra
220 * 280
4.patra
< 1/500h
Při dimenzování rámů se přihlíželo k požadavku, aby bylo splněno rozhodující kritérium statické spolehlivosti konstrukčního systému, což je 2.MS. Při zvoleném mezním průhybu H/500 byl zaveden pro n>6 zákon pro dimenzování sloupů h=4n+12 a šířka byla ponechána 22cm. Z hlediska 1.MS je přitom systém využit cca na 70%. Tato rezerva umožňuje při zvětšení výšky průřezů na 44cm dosáhnout 8 pater a splnit požadavek obou mezních stavů. ZÁVĚR Použití ocelové spojky, vytvářející tuhý rámový kout, otevírá možnosti pro uplatnění dřeva také u vyšších budov, což bylo dosud vyhrazeno pouze betonu a oceli. K řešení bylo vydáno osvědčení ÚPV [1] a probíhá patentové řízení [2].
Článek byl zpracován v rámci grantového projektu „Dřevěné vícepodlažní budovy“ č.103/07/0514, který je financován Grantovou agenturou ČR. Prof. Ing. Václav Rojík, DrSc. Ing. Milan Peukert ___________________________________________________________________________ [1] Tuhý styčník dřevěných stavebních prvků – užitný vzor (2007 – 19357, ÚPV) [2] Tuhý styčník dřevěných stavebních prvků – patentová přihláška P 2007 – 291
