K VÝVOJI DŘEVĚNÝCH KONSTRUKČNÍCH SOUSTAV Bohumil Straka, doc. Ing. CSc. Fakulta stavební Vysokého učení technického v Brně Dřevěné konstrukce zaznamenávají v poslední době celosvětově velký rozvoj. Hlavními důvody tohoto příznivého trendu jsou jednak výhodné konstrukční vlastnosti dřeva, lepených dřevěných prvků a materiálů na bázi dřeva a jednak zvýšený zájem architektů a investorů o používání dřevěných konstrukcí ve stavební praxi [1]. Stále větší závažnost mají také požadavky na ochranu životního prostředí a využívání ekologických materiálů ve všech technických oborech a zejména ve stavebnictví, které se v mnoha případech negativně podílí na zhoršování životního prostředí. Dřevo patří k vysoce ekologickým materiálům a je proto nutné, aby jeho využívání ve stavebnictví nadále vzrůstalo. Na vývoji nových konstrukcí se vždy podílí řada specialistů a institucí. Z hlediska vytvoření nosného systému pro konkrétní objekt jsou zpravidla rozhodující požadavky investora a záměr architekta. Závažnou úlohou inženýra-designera je volba konstrukční soustavy tak, aby konstrukce přinejmenším splňovala kritéria současné úrovně navrhování konstrukcí. U konstrukcí většího významu by pak měly být uplatňovány poznatky vyplývající z teoretického a experimentálního výzkumu sledující vývojový trend. V příspěvku jsou shrnuty poznatky z teoretické analýzy, navrhování a skutečného působení vybraných typů dřevěných konstrukcí, zpracované na základě dlouhodobé vývojové činnosti autora [2], [3], [4]. 1. ÚVOD Dřevěné konstrukce patří k nejstarším typům konstrukcí a prošly tedy dlouhým vývojem. Nezřídka se proto setkáváme s rozdělováním dřevěných konstrukcí na konstrukce klasické a konstrukce novodobé nebo i jinak nazývané. Toto rozdělení má z hlediska vývoje konstrukcí své opodstatnění, ovšem je třeba mít na zřeteli, že vymezení určité přesnější hranice mezi klasickými a novodobými konstrukcemi je obtížné, protože obě skupiny mají řadu společných obecných znaků. Je zřejmé, že některé konstrukce, které jsou ze současného pohledu považovány za novodobé, přejdou v určité fázi vývoje do skupiny konstrukcí klasických, stejně tak, jako tomu již bylo v minulosti. Například konstrukce s plnostěnnými lepenými oblouky nebo rámy jsou již dnes zařazovány mezi konstrukce klasické. Záleží samozřejmě na individuálním přístupu a hledisku, které při klasifikaci vezmeme v úvahu. Klasické konstrukční systémy se používají ve velké míře i v současné době a budou používány také v budoucnosti, i když v určitých inovovaných modifikacích. Odlišnost současných dřevěných konstrukcí od dřívějších konstrukcí můžeme spatřovat zejména: v moderní technologii výroby, která se kvalitativně odlišuje od tradičního tesařského způsobu výroby, v uplatňování prostorových nosných soustav umožňujících vytvářet konstrukce velkých rozpětí a geometricky složitých, dispozičně a architektonicky požadovaných tvarů, v aplikaci prvků lepeného průřezu a prvků vyrobených z nových materiálů, případně prvků vyrobených kombinací různých materiálů, v použití nových typů spojovacích prostředků, zejména kovových spojovacích elementů (vývoj dřevěných konstrukcí vždy navazoval na vývoj nových typů spojovacích prostředků; pro novodobé konstrukční systémy je typické, že skladebné a nosné prvky jsou spojovány pomocí nově vyvinutých spojů).
Za předpokladu, že mezi novodobé dřevěné konstrukce zařadíme konstrukce, které jsou v provozu asi deset až patnáct let a konstrukční systémy, které jsou předmětem výzkumu a vývoje v současné době, lze do skupiny novodobých konstrukcí zařadit: dřevěné konstrukce s kovovými deskami s prolisovanými trny (nejde sice o systém zcela nový; u nás byly konstrukce tohoto typu vyráběny přibližně od sedmdesátých let jako systém Gang- Nail, ale v současné době jsou tyto konstrukce celosvětově velmi rozšířené a jsou předmětem rozsáhlého teoretického a experimentálního výzkumu), lepené dřevěné konstrukce (také s používáním lepených prvků se setkáme již v dřívějším období a ze současného pohledu by bylo možné považovat například konstrukce s lepenými oblouky již za konstrukce klasické; novodobost lze spatřovat v automatizované technologii výroby, v podstatně vyšší produkci a kvalitě vyrobených prvků a zejména v mnohem větším využívání lepených prvků v konstrukcích), dřevěné příhradové konstrukce s ocelovými styčníkovými plechy vkládanými do výřezů ve dřevě; v případě tenkých ocelových plechů jsou spojovacími prostředky hřebíky (systém Greimbau), při použití plechů větší tloušťky jsou spojovacími prvky ocelové kolíky (vysoce technologicky propracovaný a v praxi osvědčený je například systém BSB [5], švýcarské firmy Steiner-Jucker-Blumer AG, s jehož použitím byla realizována řada konstrukcí velkých rozpětí a složitých geometrických tvarů); oba uvedené způsoby je možné aplikovat pro spojování prvků z rostlého i lepeného dřeva, dřevěné konstrukce využívající nové stavební materiály a nově vyvinuté typy spojů (průřezy vytvářené kombinací různých materiálů jsou používány v oboru dřevěných konstrukcí již dlouhou dobu; zde jsou myšleny konstrukce vyráběné ze dřeva a nových druhů materiálů na bázi dřeva, kompozitních a dalších materiálů a dále konstrukce vyráběné sice z tradičních materiálů, ale s použitím efektivních a netradičních typů spojení). 2. DŘEVĚNÉ KONSTRUKCE SE SPOJI NA BÁZI STYČNÍKOVÝCH PLECHŮ Práce na vývojovém úkolu sledujícím komplexně problematiku dřevěných konstrukcí se spoji prováděnými na principu styčníkových plechů byly započaty v r. 1994. Práce v současné době dále pokračují s využitím poznatků získaných teoretickými postupy a analýzou skutečného působení spojů, dílců a již realizovaných konstrukčních systémů. Hlavní cíle úkolu v rámci vývoje nových dřevěných konstrukčních soustav uvedeného typu lze shrnout do následujících bodů: provedení analýzy celkového chování konstrukcí při krátkodobém a následně dlouhodobém provozním působení konstrukcí, ověření skutečného působení hřebíkových a kolíkových přípojů prutů ve styčnících, dílenských a montážních stycích, vyhodnocení reálných imperfekcí příhradových oblouků, rámů a nosníků vznikajících výrobou, transportem a montáží konstrukcí a jejich vlivu na únosnost a přetvoření konstrukcí, vliv způsobu podepření na namáhání dřevěné konstrukce a spodní stavby, vyhodnocení výztužných systémů z hlediska celkové prostorové tuhosti konstrukční soustavy, vyřešení problému navrhování a posuzování členěných prutů s úzkou mezerou mezi základními dílčími pruty, se spoji rozmístěnými v poměrně velkých osových vzdálenostech, zhodnocení efektivity systému s ohledem na výrobu, ověření vhodnosti konstrukcí z hlediska dopravy a montáže, ověření citlivosti konstrukcí se zřetelem k možnosti výskytu nepříznivých, ale reálných situací, zpracování výsledků řešení, vystihujících působení dřevěných konstrukcí uvedeného typu ve skutečných provozních podmínkách, formou závěrečné zprávy.
V období od r.1996 do r. 2001 byly v rámci vývojového programu realizovány tři konstrukce se spoji na bázi ocelových styčníkových plechů. V současné době jsou rozpracovány další konstrukce tohoto typu. Vesměs se jedná o systémy větších rozpětí, které byly u nás vyrobeny a postaveny poprvé. Ve všech dále uváděných případech byla výrobcem a dodavatelem dřevěných konstrukcí firma Profinvestik Frýdek-Místek, experimentální testy konstrukčních segmentů provedl Technický a zkušební ústav stavební v Praze, pobočka Ostrava; realizační projekt dvou konstrukcí zastřešení tenisových hal ve Frýdlantu nad Ostravicí vypracovala firma MiTek, projekt zastřešení tělocvičny v Bílovci byl vypracován firmou Profinvestik Frýdek-Místek. 2.1 Konstrukční soustava s příhradovými vetknutými oblouky První konstrukcí realizovanou v roce 1996/97 v návaznosti na výsledky teoretického řešení byla konstrukce zastřešení tenisové haly ve Frýdlantu nad Ostravicí o půdorysných rozměrech 40,5 x 60,0 m. Pásové i mezipásové pruty příhradových oblouků i všechny ostatní pruty nosné soustavy jsou provedeny z rostlého dřeva hraněného průřezu běžných dimenzí. Jednou z výhod tohoto systému je možnost vytvoření konstrukce poměrně velkého rozpětí z profilů běžně dodávaných délek. Dřevěná konstrukce je podepřena na betonových rámech prostřednictvím ocelových příčníků uzavřeného průřezu. Způsob podepření oblouků odpovídá vetknutí. Přípoje prutů ve styčnících byly provedeny pomocí hřebíkových spojů typu ocel-dřevo, pouze montážní styky a přípoje podporových prutů k ocelovým příčníkům byly řešeny pomocí kolíkových spojů, rovněž typu ocel-dřevo. Skladba konstrukční soustavy je zřejmá z obr. 1. Obr. 1 Část nosné soustavy konstrukce s příhradovými oblouky a charakteristický detail styčníku
Příhradové oblouky byly z dopravních a montážních důvodů rozděleny na tři sekce, které byly při montáži osazovány s použitím lehkého montážního lešení (obr. 2). Prostorová tuhost soustavy je zabezpečena pomocí podélných a příčných příhradových ztužidel (obr. 3). Obr. 2 Montáž krajního pole, sestaveného ze tří sekcí, s vloženým příčným ztužidlem Obr. 3 Konstrukční soustava zastřešení tenisové haly ve Frýdlantu nad Ostravicí
2.2 Konstrukční soustava s trojkloubovými příhradovými oblouky V pořadí jako poslední byla v roce 2001 realizována konstrukce zastřešení tělocvičny v Bílovci s příhradovými oblouky na rozpětí 59,0 m. Jedná se o příhradovou konstrukci zatím největšího rozpětí vyrobenou u nás z rostlého dřeva a se spoji na bázi styčníkových plechů. Základní nosný systém je v principu obdobný jako u konstrukce uvedené v předcházejícím odstavci, i když se konstrukce odlišuje řadou specifických řešení. V souvislosti s návrhem, výrobou, dopravou a montáží konstrukce bylo nutno vyřešit řadu koncepčních i dílčích problémů. I když bylo možné využít poznatků a zkušeností z realizace předcházejících dvou konstrukcí, jednalo se v tomto případě o konstrukci podstatně většího rozpětí. Hlavní otázky, které bylo třeba vyřešit lze shrnout do následujících bodů: návrh hlavního nosného systému respektujícího dispoziční a architektonické požadavky (začlenění konstrukce do areálu školy, podepření krajních zkrácených oblouků na betonové konstrukci přístavby), vyřešení prostorové tuhosti příhradové konstrukce velkého rozpětí, vyřešení únosnosti speciálního typu členěných prutů tvořících pásy oblouků, volba typu uložení konstrukce a návrh odpovídajících konstrukčních detailů, teoretická analýza prostorové soustavy konstrukce s uvážením vlivu poddajnosti spojů, vlivu imperfekcí a nezbytných konstrukčních excentricit, zohlednění požadavků výroby, experimentální testy vyrobených sekcí, vyhodnocení postupu montáže konstrukce velkého rozpětí v poměrně malém prostoru staveniště. Pro dopravu z výrobní haly byly oblouky rozčleněny přibližně na čtvrtinové dílce, které pak byly na staveništi postupně spojovány do půloblouků. Montáž konstrukce probíhala s použitím střední ocelové montážní věže, počínaje od ztužidlového pole (obr. 4). Obr. 4 Osazování sekce vytvořené ze dvou půloblouků a ztužidla na montážní věž
Osazování sekce konstrukce na patní čepové ložisko probíhalo s pomocí autojeřábu (obr. 5). Obr. 5 Příprava sekce ke zvednutí a osazení na patní ložisko a na montážní věž Zásadní konstrukční detaily vrcholového a patního kloubu byly vyřešeny prostřednictvím ocelových botek a čepových spojů (obr. 6). Obr. 6 Konstrukční detaily vrcholového kloubu a patního kloubu řešené pomocí čepových spojů
Přípoje prutů ve styčnících byly provedeny pomocí styčníkových plechů a hřebíkových spojů (systém Greimbau). Charakteristické detaily styčníků jsou patrné z obr. 7. Obr. 7 Detail typického styčníku příhradového oblouku a prostorového styčníku v místě připojení podélného ztužidla ke svislici oblouku a příčného ztužidla k hornímu pásu oblouku Nosná soustava působí jako prostorový prutový systém vytvořený ze dřevěných prutů běžného průřezu (největší průřez 140 x 200 mm je u pásových prutů), spojovaných prostřednictvím tenkých ocelových plechů tloušťky 1,25 mm a hřebíků průměru 3,1 mm. Celková skladba konstrukce je patrná z obr. 8. Obr. 8 Pohled na nosnou konstrukci tělocvičny v Bílovci o rozpětí 60 m
2.3 Konstrukční soustava s příhradovými nosníky Konstrukce s příhradovými nosníky proměnné výšky byla realizována v roce 1997/98 jako druhá v pořadí. Konstrukce byla navržena pro zastřešení centrálního tenisového dvorce ve Frýdlantu nad Ostravicí. Poprvé byl v našich podmínkách proveden systém využívající spojení prutů lepeného průřezu (pásových prutů příhradových nosníků) a prutů z rostlého dřeva (mezipásových prutů) pomocí tenkých styčníkových plechů a hřebíkových spojů. Skladba části konstrukční soustavy je na obr. 9. Obr. 9 Schéma skladby konstrukce s příhradovými nosníky na rozpětí 24,4 m Obr. 10 Konstrukční provedení příhradového nosníku s vyznačením křivky nadvýšení a detail styčníku v místě montážního styku dolního pásu nosníku
Zakřivený tvar střešní plochy požadovaný v architektonickém návrhu je vytvořen podepřením příhradových nosníků na betonových vetknutých sloupech proměnné výšky. Účinky zatížení se na hlavní nosnou konstrukci přenášejí ze střešního pláště prostřednictvím vaznic uložených na příhradových příčnících. Některé poznatky z realizace lepených prutových konstrukcí se spoji uvedeného typu byly známy ze zahraničních pramenů, v našich podmínkách se však jednalo o nový přístup z hlediska navrhování a provádění těchto konstrukcí. Vzhledem k tomu bylo třeba v rámci daného úkolu vyřešit některé teoretické a výrobní problémy. Obr. 11 Příhradové nosníky s vloženými příhradovými příčníky osazené na betonové sloupy Obr. 12 Prostorová skladba konstrukce s příhradovými nosníky
Důležitou otázkou bylo navržení křivky a hodnoty amplitudy nadvýšení při uvážení vlivu poddajnosti spojů a kombinovaného účinku vlhkosti a doby trvání zatížení (obr. 10). Nadvýšení má u konstrukcí větších rozpětí podstatný vliv na změnu geometrického tvaru a následně na tvar a velikost styčníkových plechů, což je nezbytné respektovat při výrobě konstrukce. Situaci také komplikoval požadavek na vytvoření náběhu u dolního pásu právě v místě montážního styku pásu. Postup montáže konstrukce ve fázi osazování dřevěných nosníků na betonové sloupy je znázorněn na obr. 11 a celkový pohled, z něhož je patrná skladba konstrukce, je na obr. 12. 3. KONSTRUKCE LÁVKY PRO PĚŠÍ Lávka pro pěší, propojující areál Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity s arboretem přes frekventovanou silniční komunikaci, byla postavena v roce 2000 v Brně [6]. Návrh konstrukce vycházel z architektonického řešení vypracovaného brněnským ateliérem Zlámal-Stolek. Obr. 13 Pohled na hlavní pole lávky přes silniční komunikaci Obr. 14 Situace přemostění ulice Drobného v Brně lávkou pro pěší
Stavbu konstrukce lávky provedla brněnská stavební firma Kaláb spol. s r.o., lepené dřevěné hlavní nosníky byly vyrobeny podnikem České dřevařské závody Praha a.s., závodem Tesko. Konstrukce lávky je tvořena hlavním polem přemosťujícím silniční komunikaci a nástupní rampou, která vede z arboreta přibližně kolmo na hlavní pole (obr. 14). Hlavní nosníky lávky jsou dřevěného lepeného lamelového průřezu ڤ 220 x 1400 mm (obr. 15). Výška průřezu lepených nosníků je proměnná. Rozpětí nejdelšího pole je 24,0 m. Dřevěná konstrukce je podepřena na ocelové vnitřní podpory (obr. 20) a na krajní betonové opěry (obr. 16). Obr. 15 Příčný řez konstrukcí lávky s lepenými hlavními nosníky Obr. 16 Detail čepového ložiska na betonové opěře
Montážní postup byl navržen tak, že se nejprve do předem stanovené a geodeticky zaměřené polohy postavily tři ocelové podpory a zabezpečily se pomocným montážním lešením. V následující etapě se na krajní betonové opěry a ocelové podpory osadily do připravených ložisek krajní pole lávky a rampy. Nejnáročnější fázi montáže, spočívající v osazení hlavního pole přemosťujícího silniční komunikaci, bylo nutno provést v noci při výluce provozu a ve stanoveném časovém limitu (obr. 17). Obr. 17 Montáž hlavního pole lávky prováděná autojeřábem přímo z dopravního transporteru Obr. 18 Pohled na dřevěnou lepenou lávku přes ulici Drobného v Brně
Ocelové polorámy mostovky (obr. 19) jsou připojeny k dřevěným lepeným nosníkům pomocí šroubových spojů s ocelovými zazubenými hmoždinkami. Důležitým problémem z hlediska skutečného působení lávky bylo teoretické stanovení prokluzu tohoto typu spojení, které bude v provozním stadiu dlouhodobě sledováno a vyhodnocováno pomocí geodetických metod. Současně budou měřeny a vyhodnocovány vlastnosti dřeva s uvážením vlivu vlhkosti u nechráněné konstrukce vystavené přímému působení atmosférických vlivů. Obr. 19 Připojení ocelových polorámů mostovky k lepeným dřevěným hlavním nosníkům Obr. 20 Podepření dřevěné konstrukce lávky na ocelových podpěrách
3. ZÁVĚR Cílem příspěvku bylo naznačit některé nové přístupy a možnosti v oblasti navrhování, výroby a realizace dřevěných konstrukcí. Pro vývoj nových konstrukčních soustav jsou vždy důležité poznatky získané analýzou působení realizovaných konstrukcí, zejména pak konstrukcí, které lze zařadit do určité skupiny se společnými charakteristickými znaky a vlastnostmi. Z vývojového trendu je zřejmé, že dřevo je materiálem, který bude využíván nejen pro tradiční druhy konstrukcí, ale ve větší míře také pro náročné konstrukce velkých rozpětí, složitých geometrických tvarů i pro inženýrské konstrukce mostního, případně i jiného typu. Zpracování tohoto příspěvku je součástí řešení úloh v rámci výzkumného záměru reg. č. CEZ: J22/98: 261100007. Literatura [1] Natterer, J.: Wood Utilization Using New Technologies for Timber Engineers. In: Proceedings, Vol.1, edited by J. Natterer and J. L. Sandoz, 5 th World Conference on Timber Engineering, Montreux, Switzerland, 1998, pp. 7-15. [2] Straka, B.: Conclusions from Analysis and Construction of Timber Roof Structures. In: Proceedings of the 5 th World Conference on Timber Engineering, Montreux, Switzerland, 1998, Vol.1, pp. 48-54. [3] Straka, B.: Conclusions from Theoretical Analysis, Construction and Behaviour of Timber Spatial Structures, In: Proceedings of the 6 th World Conference on Timber Engineering, Whistler, BC, Canada, 2000, 6 pp. [4] Straka, B.: Dřevěné střešní konstrukce, In: Střechy, 12/1999, s.48-50, Střechy, 1/2000, s.54-56, Nakladatelství MISE, Ostrava. [5] Steiner Jucker Blumer AG, Ingenieurbüro für Hoch-und Tiefbau: Firemní materiály, System BSB zeigt andere Horizonte im Holztragwerkbau, Herisau-Waldstatt, Švýcarsko. [6] Straka, B.-Melcher, J.-Bajer, M.-Veselka, M.-Buchta, S.: Návrh nosné konstrukce lávky pro pěší přes ulici Drobného v Brně, Návrh zpracován pro Mendelovu zemědělskou a lesnickou univerzitu Brno, 2000.