Spoje šikmých střech

Vývoj spojů
Spoje prehistorických krovů
Střešní konstrukce z doby, kdy lidé ještě neměli k dispozici dokonalé ruční nářadí na opracování dřeva, byly sestaveny z kulatiny a spojeny většinou svázáním (obr. 1a). Takové stavby se nám dochovaly jen ve formě archeologických nálezů. Vázané spoje se dnes používají pouze pro stavbu replik pravěkých obydlí.

Spoje historických krovů
Nejstarší dochované dřevěné konstrukce krovů jsou vyrobeny z ručně tesaného dřeva a spojeny tesařskými spoji. Mnohé z nich spolehlivě fungují několik stovek let bez nutnosti hloubkové impregnace dřeva, protože tesání hran a zatloukání čel prvků zvyšovalo přirozenou odolnost dřeva proti stékající vodě a dřevokazným škůdcům. Tesařské spoje se chovají v konstrukci houževnatě díky přenosu zatížení tlakem kolmo k vláknům dřeva, což také zvyšuje životnost celé konstrukce (obr. 1b). Při spojování konstrukcí obytných stavení menších rozpětí se používaly kolíky a klíny z tvrdého dřeva. Kovové spojovací prostředky, jako třmeny pro připojení věšadel, kované hřeby nebo spony, se objevují až u konstrukcí větších rozpětí.

Spoje moderních krovů
Za moderní konstrukce se považují krovy vyrobené z hraněného řeziva spojované ocelovými spojovacími prostředky nebo lepením. Nové automatizované technologie v průběhu posledních století postupně vytlačují ruční výrobu spojů, která se stává příliš nákladnou. Prky jsou spojeny většinou na sraz nebo přeplátováním a kromě ocelových spojovacích prostředků kolíkového typu (hřebíky, svorníky a ocelové kolíky) se objevují ocelové desky a tvarované ocelové sponky, které mohou zcela nahradit tesařské spoje (obr. 1c). Zdánlivě vypadá takový způsob spojování dřevěných prvků jednoduše, ale musíme si uvědomit, že ocelové desky a sponky se v konstrukcích krovů objevují po vzoru inženýrských staveb (mosty, konstrukce zastřešení hal nebo dřevěné vícepodlažní skelety), kde je takovému spoji věnována mnohem větší pozornost už od statického návrhu.

Ocelové prvky ve dřevěných konstrukcích působí mnoho problémů. Při cyklických změnách teploty se na povrchu ocelových prvků objevuje kondenzovaná voda, kterou je nutné spolehlivě odvést nejlépe proudícím vzduchem, aby nepůsobila navlhání dřeva. Ve střešních konstrukcích to ale bývá problém, protože spoje jsou často obaleny izolací a uzavřeny podhledem. Proto takové spoje s ocelovými prvky mohou při nesprávném návrhu výrazně snížit životnost konstrukce. Další nebezpečnou vlastností ocelových sponek je jejich nízká požární odolnost. Zatímco dřevěné prvky mohou při požáru přenášet zatížení poměrně dlouhou dobu, ocelové prvky ztrácejí únosnost už při teplotách přes 500 °C. Všechny lepené spoje a některé mechanické spoje s hřebíky nebo svorníky se chovají v konstrukcích křehce, a proto nejsou výhodné tam, kde se mění směr zatížení nebo v dynamicky namáhaných konstrukcích.

Spoje postmoderních krovů
Požadavky na konstrukci jednadvacátého století jsou mnohem přísnější, než tomu bylo v minulosti. Nestačí jen stavět rychle, přesně, ekonomicky s co největším využitím suroviny, ale musejí se také zhodnotit životnost a trvanlivost konstrukce, celkový dopad na životní prostředí, svázaná energie a emise vyprodukované při výrobě a montáži konstrukce. Proto v současné době směřuje vývoj spojů dřevěných konstrukcí zpátky k tesařským spojům.

Míra využívání ocelových desek a spojovacích prostředků se snižuje na nezbytné minimum, a to nejen v konstrukcích krovů, ale také v ostatních dřevěných konstrukcích. S využitím nových CNC obráběcích strojů dokážeme vyrobit i tvarově náročné spoje během několika minut a využít tak výhod tesařských spojů bez nutnosti nákladného ručního opracování dřeva. Sestavení konstrukce na staveništi je velice jednoduché a vyžaduje jen minimum ručního nářadí. Řezáním hran se sice zvyšuje míra nasákavostí dřeva oproti tesání, ale je dosaženo mnohem větší přesnosti, která zaručí minimální prokluz spojů a prostorovou stabilitu konstrukce.

Vlastnosti spojů
Únosnost
Spoje jsou navrhovány zejména pro přenos zatížení z jednoho prvku na druhý. Jejich geometrie musí odpovídat největšímu předpokládanému namáhání, ale často musejí spoje přenášet také menší složky zatížení v jiném směru (obr. 2). Přenos zatížení může být zajištěn kontaktem obou prvků (kampování, osedlání), kde je nutné ověřit, zda je dostatečně velká plocha, kde se oba prvky stýkají. Dalším způsobem je přenos namáhání spojovacími prostředky. Kolíky, hřebíky nebo svorníky jsou namáhány ve většině případů střihem, někdy také tahem.

Přetížení může způsobit křehké porušení a trhliny, proto nejsou ocelové spojovací prostředky tak výhodné jako využívání kontaktních ploch a měly by se pokud možno používat jen jako doplňkový způsob spojení. Například hambalek v krovu slouží jako rozpěra, je tedy výhodnější přenášet tlak kontaktem (čepování, přeplátování) než spojovacími prostředky (svorníky). Případný tah, který by zde mohl v ojedinělých případech působit, je možné přenést také kontaktem (rybinový plát) nebo pojistným svorníkem.

Obr. 2a:  Vzpěra je převážně namáhaná tlakem, ale dřevěný kolík ji zajišťuje i proti případnému tahu.		Obr. 2b: Zajištění začepovaného sloupu proti vytažení nebylo dostatečné.

Tuhost
Se zvyšujícím se zatížením roste také přetvoření spoje, tzv. prokluz. Je velice obtížné říci, zda má být tuhost spoje vysoká, nebo nízká. Vyšší tuhost spoje samozřejmě zmenšuje celkové přetvoření konstrukce, ale naopak mnoho dřevěných konstrukcí dokázalo přežít přírodní katastrofy a jiné havárie právě díky nízké tuhosti spojů, která dovolila přerozdělit napětí do dalších prvků. Při výrobě nových typů spojení by se mělo dbát na to, aby jejich tuhost řádově odpovídala spojům, které se v konstrukcích šikmých střech používají tradičně a jsou osvědčené.

Houževnatost
Stupeň houževnatosti se stanovuje jako poměr maximálního prokluzu spoje při porušení a prokluzu při dosažení meze pružnosti. Správně navržený spoj by měl mít stupeň houževnatosti alespoň 3, tedy dostatečnou plastickou rezervu pro přenos zatížení při extrémním zatížení. Vysoká houževnatost zvyšuje spolehlivost spoje a celé konstrukce například při zemětřesení nebo jiném cyklickém či dynamickém zatížení, kde je ve spoji pohlcována energie plastickým chováním spojovacích prostředků a dřeva. U spojů s kolíkovými spojovacími prostředky je možné výrazně zvýšit houževnatost vyztužením skleněnou tkaninou kolmo k vláknům dřeva. Tento způsob zpevnění spoje se však u běžných konstrukcí zatím nepoužívá.

Tvarové změny
Prvky ze dřeva a materiálů na bázi dřeva přirozeným způsobem mění své rozměry v závislosti na vlhkosti – bobtnají nebo sesychají. Tomuto jevu nelze zabránit, ale je možné předejít poruchám, které by v důsledku bobtnání a sesychání mohly nastat. Ocelové plechy například musejí být připojeny jen na bližším okraji prvku, protože na rozdíl od dřeva zůstávají stejně veliké (obr. 3).

Životnost a trvanlivost
Dřevo a výrobky ze dřeva mají životnost výrazně převyšující 70 let a dokonce se v Norsku dochovaly dřevěné stavby staré přes tisíc let. Ovšem životnost konstrukce jako celku je závislá ve velké míře na odolnosti spojů. Proto bychom návrhu a zejména rea­lizaci spojů měli věnovat pozornost úměrnou účelu stavby a její plánované životnosti.

Informativní návrhová životnost podle eurokódu (EN 1990)

¹⁾ Konstrukce, které mohou být demontovány s předpokladem dalšího použití, se nemají považovat za dočasné.

Poruchy
Výsušné trhliny
Dřevo je materiál hygroskopický – svojí mikrostrukturální stavbou je schopno přijímat či vydávat vlhkost v závislosti na podmínkách prostředí, kterému je vystaveno. Dosažení rovnovážné vlhkosti dřeva je bohužel při desorpčním procesu doprovázeno objemovými změnami, které se projevují vznikem výsušných trhlin. Praktickým příkladem je aplikace dřeva s vyšší hodnotou vlhkosti do nově prováděných konstrukcí krovů, kdy následným vysušováním dochází k negativním jevům podélného vybočení krokví se vznikem výsušných trhlin (obr. 4). Tyto dva aspekty pak mohou výrazně snížit prostorovou tuhost krovu a únosnosti dřevěných prvků. Ve spojích mohou výsušné trhliny snížit únosnost a tuhost kolíkových spojovacích prostředků na minimum.

Smykové trhliny
V nesprávně navržených detailech se mohou objevit smykové trhliny zejména na koncích dřevěných prvků a v místech oslabení. Příklady správného řešení jsou uvedeny na obr. 5.

Rozevírání spojů
Rozevírání spojů je typickým jevem u starých krokví, který je způsoben řadou vlivů od přetížení konstrukce až po ztrátu únosnosti nosného zdiva. Velmi často jsou v praxi tyto vady spojů opravovány vkládáním podložek, které umožní přenášet zatížení ze zatíženého prvku do nosného prvku konstrukce.

Z hlediska statického zajištění však takový způsob opravy nezíská stejné vlastnosti jako původní spoj a může být nebezpečný.

Napadení spojů dřevokaznými houbami a škůdci
Pro napadení dřevěných konstrukcí dřevokaznými houbami je nutnou podmínkou dostatečná vlhkost dřevěných prvků, normativně se udává vlhkost dřeva vyšší než 20 %. U napadení dřeva hmyzem hraje podstatnou roli především obsah živin ve dřevě, dalšími faktory jsou teplota a vlhkost dřeva pro vývoj larev hmyzu. Co se týče stáří dřeva na pravděpodobnost napadení, nebyla prokázána jakákoliv spojitost. Stářím ve dřevě ubývá obsah bílkovin (proto je staré dřevo méně napadáno např. tesaříkem), ale malý obsah bílkovin bývá kompenzován vyšší požerkovou činností (obr. 6).

Obr. 4: Typický projev vzniku výsušných trhlin na středové vaznici		Obr. 6: Poškození spoje historického krovu tesaříkem krovovým (Hylotrupes bajulus)

Ing. Petr Hradil, Ph.D., Ing. Jan Vaněrek, Ph.D.
Foto: autoři, studenti FA a FCE VUT v Brně

Článek vznikl v rámci výzkumného záměru MSM 0021630519 2007-2012 Progresivní spolehlivé a trvanlivé nosné stavební konstrukce.

Petr Hradil je odborný asistent Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně. Zabývá se mechanikou nosných konstrukcí a spojů ze dřeva a materiálů na bázi dřeva, kovovými a kompozitními konstrukcemi, vyztužováním, sanacemi a rekonstrukcemi dřevěných konstrukcí.

Jan Vaněrek je odborný asistent Ústavu technologie stavebních hmot a dílců Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně. Zabývá se posuzováním stavu dřevěných konstrukcí s ohledem na trvanlivost a materiálové vlastnosti dřeva, nedestruktivním vyšetřováním dřevěných prvků a návrhy sanace poškozených dřevěných konstrukcí.