Možnosti uplatnění dřeva u vyšších budov

Donedávna bylo uplatnění dřeva omezeno pouze na nižší budovy. Zkušebna AV ČR v Praze testovala speciální dřevěný patrový rám a výsledky pak využila pro další vývoj v řešení konstrukčních systémů. Výsledkem je patrový rám připravený pro aplikaci u šestipodlažní budovy.

Pro ověření reálnosti navrhovaného řešení byly vyzkoušeny vodorovné konzoly, které se zatížily na volném konci svislým břemenem, a to postupně vzrůstající sílou až 16 kN. V první fázi s připojením příčle a stojky k ocelové spojce pomocí svorníků a ve druhé fázi (po rozebrání styku) pomocí lepidla.

Jednotlivé fáze a výsledky zkoušek
Svorníky procházejí otvorem v ocelové spojce a vývrty v dřevěných prvcích. Lze proto očekávat, že ve vazbě mezi spojkou a příčlí, resp. mezi spojkou a sloupem, dojde k deformaci způsobené zakřivením dříku svorníku a otlačením stěny vývrtu. Deformace takto upraveného rámu povede k odchylkám ve statickém působení vůči monoliticky působícímu rámu.

V důsledku svislého posuvu konce spojky vůči příčli, resp. vodorovného posuvu konce spojky vůči sloupu při přenášení síly P, se sníží tuhost rámové konstrukce. Vykazuje-li při daném zatížení monolitická sestava deformaci ξ a sestava příčel + spojka + sloup deformaci ξ + ∆ξ, lze tento efekt zavést do výpočtu zmenšením momentu setrvačnosti průřezu příčle, resp. sloupu, součinitelem

ψ = ξ/ξ + ∆ξ

V první fázi byly zkoušeny tři prvky se svorníkovými spoji. Volný konec příčle byl postupně zatěžován svislou silou v hodnotách 200, 400, 600, 400, 200, 400 kg (atd.) v asi dvouminutových intervalech v bodech LVDT3, LVDT2, LVDT1. V patě stojky pak byly zaznamenány posuvy uvedené pro prvek č. 1., resp. 2, resp. 3, a to podle vztahu ξ3 = LVDT3 – (LVDT1 – MH) 192/158.

Obdobně se postupovalo ve druhé fázi zkoušky, kde byly po odstranění svorníků a slepení zatěžovány prvky použité v první fázi a zaznamenány průběhy příčlí u vzorků 1 až 3 a 4 až 6.

Zatěžování vzorku č. 6 až do jeho porušení prokázalo mezní zatížení volného konce příčle 3 400 kg, což je přibližně dvojnásobek pracovního zatížení koutu rámu při jeho zamýšleném použití ve výstavbě.

Porušení spoje bylo iniciováno ztrátou stability ocelové spojky – krabacením v tlačené oblasti u líce sloupu.

Rozebrání vzorku potvrdilo nedokonalé slepení dřeva s ocelí právě v oblasti zkrabacené ocelové spojky (v dolní oblasti příčle u sloupu). Svědčilo o tom, že v případě dokonalého slepení by byla hodnota mezního zatížení volného konce příčle větší než 3 400 kg.

Zatěžování vzorku č. 6 až do kolapsu se provádělo pomocí 10tunové panenky, umístěné o 155 mm blíže směrem ke sloupu. Zatěžování potvrdilo reálnost fungování styčníku patrového rámu na bázi dřeva při spojování lepením i pomocí svorníků. Reálnost byla zřejmá z pružného chování při stupňování a opakování zatížení a z podobnosti výsledků u stejně provedených vzorků.

Svorníkové prvky vykazují ve srovnání s lepenými asi 80 % tuhosti, hledaný součinitel je tedy ψ = 0,8.
Snížení tuhosti svorníkového spoje je vyvoláno především tím, že v oblasti ocelové spojky působí pouze polovina dřevěné příčle i sloupu, protože u přeplátování nepokračuje druhá polovina průřezu. Teprve v menší míře je pokles tuhosti způsoben eventuální deformací svorníků a otlačením stěn otvorů pro svorník. Tyto deformace nebyly po rozebrání vzorků zaznamenány.

Dalším argumentem pro tvrzení, že tuhost svorníkového spoje je ovlivněna především nefunkčností jedné poloviny průřezu příčle a sloupu v oblasti ocelové spojky, je zvětšení tuhosti (na 93 % tuhosti monolitické konstrukce) při zavedení funkčnosti celého průřezu sloupu a příčle do výpočtu. Toto zjištění zároveň ukazuje cestu pro zkvalitnění svorníkového spoje – přidat svorník pod volnou spáru mezi příčlí a sloupem.

Zkušenosti ze zkoušek
Při zkoušení tuhosti a únosnosti styčníku se ukázalo, že nejslabším místem styku je oblast, kde vzniká volná spára mezi příčlí a sloupem. Spojka je zde nedostatečně sevřena (ztužena) volným koncem připojovaného prvku, a dochází proto k vybočení jejího tlačeného okraje. Tento nedostatek lze odstranit úpravou zmiňovanou výše. Zkouška dále prokázala, že mezi svorníkovým a lepeným spojem není z hlediska tuhosti rozdílu, tuhost je v obou případech srovnatelná s monolitickým provedením styku, tj. deformace svorníků je zanedbatelná (ψ = 1,0).

Tento poznatek potvrdil i podrobný výpočet styku. Při přechodu na lepené vzorky vznikly problémy s vlepováním spojek do vybrání v příčlích 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 počítá 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 polopříčle (4) a nakonec druhé části příčlí (5), čímž se rám zkompletuje.

Závěr
Použití ocelové spojky otevírá možnosti pro uplatnění dřeva také u vyšších budov, což bylo dosud vyhrazeno pouze betonu a oceli. K řešení bylo vydáno osvědčení ÚPV a probíhá patentové řízení. V současné době je patrový rám připravován pro aplikaci u šestipodlažní obytné budovy.

prof. Ing. Václav Rojík, DrSc
Obrázek: autor

Autor založil na Fakultě stavební ČVUT v Praze disciplínu konstrukční systémy budov a zavedl zde metody kvantitativní analýzy z hlediska statiky a stavební fyziky. Věnuje se rekonstrukci stropů a sloupů pomocí podpínání a v současnosti také uplatnění dřevěných konstrukcí u vícepodlažních budov. Je soudním znalcem a autorizovaným inspektorem.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.