Návrhy a realizace středně podlažních dřevěných budov

Transkript

1 dřevostavby text: Ing. Milan Peukert, doc. Ing. Vladimír Bílek, CSc. grafické podklady: archiv autorů Návrhy a realizace středně podlažních dřevěných budov Středně podlažní budovy jsou zcela nepochybně zvláště v posledních cca deseti letech jedním z hlavních celosvětových trendů rozvoje dřevěného stavění a architektury. V uplynulých třech letech se objevují i náměty a studie vysokých dřevěných budov. Nejprve několik slov k terminologii, kde budeme vycházet z anglických termínů low rise building pro nízko-podlažní budovy do tří nadzemních podlaží, middle rise building pro středně podlažní budovy od 4. do 13. nadzemních podlaží a pro budovy nad 13 nadzemních podlaží zvolíme termín vysoké, v angličtině high rise building. Příčin k rozvoji je více a nejsou ve všech zemích, resp. kontinentech stejné. Zvláště uvádíme: environmentální parametry dřevěných budov jsou podle metodiky LCA (Life Cycle Assesment) ve srovnání se silikátovými a ocelovými variantami podstatně příznivější; energie potřebná na těžbu surovin, přepravu, výstavbu, provoz a demolice je výrazně nižší, cca o 50 MWh na 100 m 2 užitné plochy; rozsáhlá možnost uplatnění automatických, počítačem řízených technologií CNS; náklady jsou většinou o 5 až 15 % menší a doba výstavby podstatně kratší; uplatnění zvláště v blízkosti center středních i velkých měst, vyžaduje m.j. budovy s větší výškou, která je v souladu s tradičním nebo současným urbanismem. Výstavba středně podlažních dřevěných budov a dalších dřevěných staveb však není jen produktem současné doby. Zkušení a tvořiví tesaři architekti, realizovali mnoha-podlažní skeletové stavby již ve starověku a zvláště pak ve středověku. Na obrázku 1 je antická obléhací věž, kterou prof. W. Sackur zakreslil podle popisu Apollodoruse (2. stol. n. l.). Nejvyšší dochovanou dřevěnou budovou světa je téměř 1000 let stará pagoda v Číně. Zvláště ve městech středověké, ale i raně novodobé Evropy jsou zachovány a pečlivě udržovány stovky 4 až 6 ti podlažních budov, vesměs s uplatněním těžkého dřevěného skeletu (fachwerkbau). Na obrázcích 3, 4 jsou uvedeny dva příklady z německých měst : Současné konstrukčně materiálové varianty Současný rozvoj má čtyři hlavní konstrukčně materiálové varianty: Lehký skelet (Platform Frame Systém PFS) s výztužnými stěnami pro využití cca do 7 nadzemních podlaží Systém lehkého skeletu se ve Spojených státech amerických objevil okolo roku Uplatnění zde našly dva systémy lehkého skeletu Balloon Frame systém a Platform Frame systém (PFS), který je více používaný a v pozdějších dobách doznal svého rozmachu v Evropě. Platform Frame systém se vyznačuje svojí velkou flexibilitou ke stavební konstrukci i architektuře a jeho charakteristikou je poschoďová stavba, tedy stěna strop stěna, jejíž prostorovou stabilitu zajišťují plášťové materiály. Tento systém se v Evropě hojně prosadil ve výstavbě rodinných domů jako sloupkových či prefabrikovaných rámových staveb. Ve Spojených státech amerických je PFS nejvíce využíván pro tří a čtyř podlažní bytovou výstavbu. Jednoduchost a genialita tohoto systému je chápána a oceňována i v dnešní době a převážná část dřevostaveb se staví technologií PFS. Z hlediska právních předpisů a přísného pohledu technických norem a Eurokódů je u středněpodlažní budovy největší slabinou PFS otlačení vodorovných prahů v místě styku s nosným sloupkem. Obr. 1. Antická dřevěná šestipodlažní obléhací věž o výšce cca 18 m půdorys a řez Obr. 2a. Čína Dřevěná pagoda z r o výšce cca 51 m ve městě Yingxian půdorys a pohled 12

2 Obr. 4. Braunschweig obilní sýpka 1534 (replika za války v r zničené budovy) Stěnový systém z vrstvených desek pro využití cca do 13 podlaží Možnost průmyslové výroby velkoplošných dřevěných dílců vedla v poslední době ke vzniku nových stěnových systémů. Masivní konstrukční prvky jsou tvořené převážně křížem vrstvenými dřevěnými lamelami, které jsou spojovány pomocí lepení, hmoždíkování či hřebíkování. Masivní stěnový systém se vyznačuje oproti sloupovým systémům velkou spotřebou dřevěného materiálu. To však přináší výhody ve formě velké požární odolnosti a vysokou tuhost, které umožňují využití tohoto systému u středně podlažních a vysokých budov. Obr. 2b. Čína Dřevěná pagoda z r o výšce cca 51 m ve městě Yingxian Hybridní dřevo betonové a dřevo ocelové systémy s výztužným jádrem pro využití cca do 20 podlaží Možnost využití hybridních systémů dává uplatnění dřeva ve vysokých budovách nový rozměr. U hybridních dřevo- betonových či dřevo-ocelových systémů je jako superkonstrukce přes několik podlaží využito betonu respektive oceli. Jako sekundární konstrukce potom funguje některý z dřevěných konstrukčních systémů. U hybridních systémů se díky vhodně zvolenému materiálu pro danou funkci dá dosáhnout výšek, jakých se běžně dosahuje u betonových či ocelových staveb. Dřevo je zde použito buď pro výplňové konstrukce tvořící obálku budovy a dělící konstrukce či pro několikapodlažní nosné subsystémy. Stavby s hybridními materiálovými systémy s použitím dřeva zatím nedoznali masivnějšího uplatnění, předpokládá se však v budoucí době pravý opak. Hlavní problémy a omezení Obr. 3. Melsungen 17 stol. - radnice a domy na náměstí Těžký skelet s ocelovými styčníky pro využití cca do 13 nadzemních podlaží Systém těžkého dřevěného skeletu je tvořen prostorovou soustavou masivních sloupů a průvlaků, které se nejběžněji navrhují v rozponech od 3 m do 6 m. Díky velkým rozponům rastru primární nosné konstrukce lze vnější a vnitřní stěny navrhovat v libovolném uspořádání a provedení. Z hlediska možnosti uspořádání dispozice objektu se tedy jedná o mimořádně variabilní systém. Prostorovou stabilitu TDS zajišťuje systém diagonál, kterým mohou napomáhat ztužující nosné stěny a příčky, v případě lze využít tuhých styčníků tvořených lepenými ocelovými deskami. S rostoucím významem dřevěných konstrukcí ve vícepodlažní výstavbě získávají moderní těžké skelety novou důležitost, jelikož eliminují statické slabiny PFS a dokáží po dlouhou dobu a předvídatelným chováním vzdorovat u dřevostaveb velice diskutovanému požáru. Hlavní problémy a omezení jsou v požární odolnosti dřevěných a spojovacích prvků a v pojetí požárních předpisů m.j. ve vazbě na automatické signální a hasicí systémy a staticko-dynamickou prostorovou tuhost celých systémů. Několik zahraničních příkladů V USA a Kanadě, kde je podíl dřevěných budov na bytové výstavbě trvale kolem 70 %, má výstavba tří patrových domů na bázi lehkého dřevěného skeletu více než stoletou tradici Změny ve stavebních předpisech (International Building Code 2006) umožňují další rozšíření dřeva ve středně podlažní výstavbě na pět a šest pater, s požadavkem požární odolnosti dřevěných nosných konstrukcí min 1 hod. Obr. 5. La Jolla v Kalifornii, ti patrové dřevěné bytové domy na betonovém přízemí. 13

3 Obr. 5. La Jolla v Kalifornii, ti patrové dřevěné bytové domy na betonovém přízemí. Obr. 6. Tacoma, Washington, ti patrový dřevěný bytový areál na dvoupatrových betonových garážích Obr. 7. Vídeň Am Mühlweg, Sídlo pasivních a nízkoenergetických bytových domů. 70 bytů a cca 9000 m 2 užitné plochy. Obr. 8. Japonsko NIED, Zkouška sedmipodlažního dřevěného domu na kmitající tabuli. Rakousko má efektivní výrobu masivních křížem lepených dřevěných desek (KLH závod v Murau-Katsch) v tlouštkách od cca 130 do 350 mm a ovlivňuje pozitivně vývoj středně podlažních budov v Evropě i Japonsku. Inspirativní jsou návrhy a realizace bytových komplexů dřevěných pasivních a nízkoenergetických domů ve Vídni (obr. 7). V rámci italského výzkumněrealizačního programu rozvoje dřevěných budov SOFIE, byla ve spolupráci s japonským stavebním výzkumem realizována zkouška sedmipodlažního byto-vého domu z desek KLH o výšce 23,5 m na účinky zemětřesení (obr. 8). Velmi pozitivní výsledky otevřely cestu k rozšíření středně podlažních dřevěných budov v Itálii i Japonsku. V roce 2009 byl z těchto desek realizován nejvyšší dřevěný devíti podlažní bytový dům na světě, včetně dřevěných schodišť a výtahových šachet (obr. 9). Na předních evropských univerzitách byly zpracovány v posledních dvou letech i vize studie vysokých hybridních, dřevo-ocelových a dřevo-betonových budov. Uvádíme zde dvě řešení rozpracovaná na Technické univerzitě ve Vídni, pod vedením prof. W. Wintera, v té po době, jaká byla prezentována na poslední konferenci WCTE (World Conference on Timber En gineering) v červnu 2010 v italské Riva del Garda. : První varianta je hybridní skelet vytvářený z dřevo-ocelových sloupů a nosníků na rozpětí cca od 4,5 do 10 m. Hlavním cílem je zvýšit požární odolnost, snížit cenu a zkrátit dobu výstavby. Technologie výroby, především spojení ocelového příhradového vazníku a dře-věných profilů, není zřejmá (obr. 10). Ocelové prvky v nosnících a sloupech jsou na koncích spojeny ocelovými kolíky, resp. hřebíky s pomocí nastřelovací techniky Hilti. Prezentovaná nosná konstrukce 20 ti podlažní budovy má 16 dřevěných a čtyři spodní betonová podlaží. Podle uvedených půdorysných rozměrů má modulační síť rozměry 4,5x4,5 m. Oproti lepeným dřevěným prv- Obr. 9. Londýn, Hackney, ti podlažní bytový dům z desek KLH, pohled a schéma nosné konstrukce. 14

4 Obr. 10. TU Wien. Hybridní dřevo-ocelový skelet základní prvek, schéma styčníku a nosná konstrukce 20 ti podlažní budovy. kům má být cena hybridních prvků cca o 20 % vyšší. Požární odolnost vychází z japonských zkoušek a byla stanovena na 60 minut. Druhá varianta je tvořena betonovým super-skeletem s pěti ztužujícími stropy, mezi které jsou vkládány nezávislé devítipatrové budovy s dřevěným skeletem. Prezentovaná budova má půdorys ve tvaru rovnoramenného trojúhelníka o straně 40 m. Výška budovy je 142 m (bez spodních betonových podlaží). I zde je prostorová tuhost dřevěných částí budovy zajišťována vyztužením fasád (obr. 11). Obr. 11 TU Wien. Schéma budovy s betonovým super-skeletem a vloženými devíti patrovými budovami s dřevěným skeletem. Detail hybridních dřevo-ocelových fasádních prvků V rámci grantového projektu Dřevěné vícepodlažní budovy řešitel V. Bílek, byl v období komplexní výzkum středně podlažních budov v rozmezí od 4 do 12 ti pater zaměřen na alternativu s nosnou skeletovou konstrukcí ve variantách s kloubovými a tuhými styčníky, která je použitelná pro bytové i veřejné budovy se zatížením až do 5,25 kn / m 2. Byla zvolena čtvercová, resp. obdélníková modulační síť s mezním rozponem do 6 m. Lepené lamelové prvky mají nejčastěji profily 200/200 mm pro sloupy a 200/300 mm pro průvlaky. V laboratořích AVČR proběhly rozsáhlé zkoušky styčníků s ocelovými styčníkovými deskami, skeletových rámů i stropních desek (podrobněji viz článek Ing. J. Karase). Jednou ze základních koncepčních idejí bylo i přiznání nosné dřevěné konstrukce na exteriéru a v interiéru budovy (obr. 13). Vedle podrobných výpočtů byla tato varianta i experimentálně odzkoušena jak z hlediska tepelné izolace, tak z hlediska průvzdušnosti. Negativní vlivy z obou hledisek jsou minimální (podrobněji viz článek Z. Svobody). Samozřejmě je možný i design exteriéru s potlačením viditelnosti nosné dřevěné konstrukce (obr. 14). Současná česká požární norma umožňuje realizaci dřevěných budov do maximální výšky 12 m, tj. při konstrukční výšce < 3 m, 5 nadzemních podlaží. Při aplikaci automatického signálního a hasicího zařízení a individuálního expertního posouzení, jsou reálné vyšší dřevěné Obr. 12. Středně podlažní dřevěný skelet s kloubovými styčníky. Modulační síť, styčník s ocelovou spojovací deskou, schéma skeletu 8 mi podlažní budovy s betonovým komunikačním jádrem (z požárních důvodů). 15

5 Obr. 14. Studie 5 ti podlažního bytového domu s obdobnými dispozicemi jako na obrázku 13, ale s menší expozicí nosné dřevěné konstrukce na fasádě. Vizualizace a řez (návrh V. Bílek, Z. Rudovský). budovy jak také ukazuje současná evropská i americká praxe. V rámci uvedeného grantu bylo provedeno v laboratořích PAVÚS experimentální hodnocení požární odolnosti uvedeného dřevěného skeletu (obr. 15). Teplota v požární komoře byla 800 až 1000 o C, teplota ve středu prvků o C. Požární odolnost byla 83 a mezní rychlost přetvoření 78 minut. Řešení bylo prezentováno na již zmíněné konferenci WCTE 2010 a bylo přijato s velkým zájmem. Ing. Milan Peukert doc. Ing. Vladimír Bílek, CSc. Obr. 15. Uspořádání zkoušky v požární komoře a průběh přetvoření v závislosti na čase a zatížení Obr. 13. Studie 8 mi podlažního bytového domu, s garážemi v betonovém suterénu a prodejnami v dřevěném přízemí. Vizualizace, řez, půdorys přízemí a typického patra (návrh V. Bílek, M. Peukert). 16