Autoři: Doc. Ing. Bohumil Straka, CSc. Ing. Milan Šmak, Ph.D. Ing. Zdeněk Vejpustek, Ph.D.

VYUŽITÍ DŘEVĚNÉ KULATINY VE STAVEBNÍCH KONSTRUKCÍCH Autoři: Doc. Ing. Bohumil Straka, CSc. Ing. Milan Šmak, Ph.D. Ing. Zdeněk Vejpustek, Ph.D. CZ.1.07/1.1.07/02.0099 Popularizace a zvýšení kvality výuky dřevozpracujících a stavebních oborů v Moravskoslezském kraji

Abstrakt Bohumil STRAKA 1, Milan ŠMAK 2, Zdeněk VEJPUSTEK 3 VYUŽITÍ DŘEVĚNÉ KULATINY VE STAVEBNÍCH KONSTRUKCÍCH Článek pojednává o zásadách navrhování a některých možnostech využívání dřevěné kulatiny v současných a perspektivních konstrukčních soustavách. Při sestavení článku autoři vycházeli zejména z poznatků získaných při navrhování a realizaci konstrukcí, u nichž hlavním konstrukčním materiálem byly prvky vyrobené z dřevěné kulatiny. Jedná se o konstrukce zemědělských a lesnických staveb, srubové domy, konstrukce věžového typu a vybrané konstrukce pozemních staveb. Cílem příspěvku je poukázat na to, že i když kulatina patří k historicky nejstarším používaným stavebním materiálům, stále je vhodným a efektivním materiálem pro současné konstrukce a bude používána i v dalším období. Klíčová slova kulatina, konstrukční soustava, prutové soustavy, spoj nosných prvků, prostorová konstrukce 1 ÚVOD Při vytváření konstrukčních soustav z kulatiny lze využít příznivých vlastností tohoto materiálu, ale současně je třeba uvážit specifika vyplývající z kruhového průřezu, zejména menší ohybovou únosnost prvků ve srovnání s obvykle používanými dřevěnými průřezy a speciální řešení spojů nosných prvků. 2 ZÁSADY NAVRHOVÁNÍ KONSTRUKCÍ Z DŘEVĚNÉ KULATINY Vzhledem k tomu, že prvky kruhového průřezu jsou nejvýhodnější pro přenos osových sil, jsou pro využití kulatiny nevhodnější prutové konstrukční soustavy, které mohou být vytvořeny jako soustavy rovinných příčných vazeb doplněných ztužidly nebo jako prostorové nosné soustavy. Pruty těchto soustav jsou pak namáhány převážně tlakovými a tahovými osovými silami, což je z hlediska dimenzování příznivé. Přídavná ohybová namáhání prutů jsou vyvozována hlavně účinkem mimostyčníkově působících zatížení, nesymetrickým oslabením průřezů a excentricitami v přípojích prutů. Excentrické řešení přípojů je v oboru dřevěných konstrukcí běžné, ale jeho vliv je nutné při návrhu konstrukce vždy respektovat. U silně namáhaných konstrukcí je vhodné použít pro přípoje prutů ocelové elementy umožňující, kromě přenosu velkých hodnot osových sil, také omezení excentricit na konstrukčně i návrhově přijatelnou hodnotu. V našich podmínkách je v současné době možné navrhovat konstrukce z kulatiny malých a středních průřezů (80 až 300 mm), které jsou běžně dodávány dřevařskými firmami, ale též konstrukce z kulatiny velkých průřezů (350 až 500 mm, případně i více). 1 Doc. Ing. Bohumil Straka, CSc., Merhautova 80, 613 00 Brno, tel. 541147303 email: straka.b@fce.vutbr.cz 2 Ing. Milan Šmak, Ph.D. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav kovových a dřevěných konstrukcí, Veveří 95,602 00 Brno, tel. 541147307, email: smak.m@fce.vutbr.cz 3 Ing. Zdeněk Vejpustek, Ph.D., WaVe Structural Design s.r.o., Jablůnka, e-mail: zdenek@wavestructuraldesign.com 1

Většinou se uplatňuje dřevo z jehličnatých stromů, ale vývoj směřuje ke zvýšenému používání dřeva listnatých stromů. Při navrhování konstrukcí z kulatiny lze obecně postupovat obvyklým způsobem uplatňovaným i v případě navrhování dřevěných konstrukcí z hraněných průřezů [4 ]. Tento postup, většinou prováděný s použitím některého programového systému, spočívá v sestavení dostatečně výstižného výpočtového modelu konstrukce, stanovení vnitřních sil, výpočtu přetvoření a ověření únosnosti a použitelnosti konstrukce na základě metody mezních stavů (v našich podmínkách podle ustanovení základní normy ČSN EN 1995-1-1 pro navrhování dřevěných konstrukcí a souvisejících norem). 3 VYBRANÉ TYPY DŘEVĚNÝCH KONSTRUKCÍ Z KULATINY 3.1 Halové konstrukce Konstrukce halového typu jsou zpravidla tvořeny soustavou příčných vazeb paralelně uspořádaných v podélném směru objektu, přičemž tuhost a stabilita konstrukce je zabezpečena příčnými ztužidly (tzv. zavětrováním). Prakticky všechny nosné prvky konstrukce mohou být vyrobeny z kulatiny (příčné rámy, střešní a stěnová konstrukce, pruty ztužidel). Toto řešení (obr. 1) je často používáno u zemědělských a lesních staveb, dále pro sklady, přístřešky a stavby obdobného typu [1]. Obr. 1: Skladba halové konstrukce z kulatiny s příčnými vzpěrkovými rámy 1 bednění, 2 střešní vaznice, 3 stěnové paždíky, 4 rámové příčné vazby, 5 střešní část příčného ztužidla, 6 stěnová část střešního ztužidla Pro příčné vazby mohou být navrhovány různé typy rámových soustav, a to bez vnitřních stojek i s vnitřními stojkami (zpravidla u vícelodních hal). Osová vzdálenost rámů je obvykle 1,5 až 2,0 m. V rámci vývojového úkolu byly vyšetřovány různé druhy rámů z kulatiny. Jako výrobně, montážně a konstrukčně výhodné byly vyhodnoceny vzpěrkové rámy, které mohou být navrhovány v různých modifikacích, a to jako rámy s oboustrannými i jednostrannými vzpěrkami. Vzpěrky jsou provedeny v oblasti rámových rohů nebo jako 2

vzpěry připojené k rámovým příčlím a ke stojkám v místě podpor (systém rámů s rozdvojenými stojkami). Na únosnost a přetvoření rámů má vliv více faktorů, z nichž mezi nejvýznamnější patří velikost požadovaného rozpětí, zvolený typ rámu, výška konstrukce, intenzita zatěžovacích vlivů a požadavky na opláštění stěnové konstrukce. Poměrně velký objem spotřeby dřeva představují sekundární nosné prvky jako střešní vaznice, krokve a stěnové paždíky. Proto je účelné i pro tyto prvky využít kulatinu, i když jsou namáhány převážně na ohyb. 3.2 Prostorové konstrukce Prostorové konstrukce z kulatiny mohou být navrhovány pro zastřešení kruhových, mnohoúhelníkových i nepravidelných půdorysů, malých i velkých rozpětí. Kulatina je vhodným konstrukčním materiálem pro vytváření prostorových prutových soustav [1], [2]. Pruty z kulatiny, obdobně jako pruty z hraněného řeziva nebo pruty lepeného průřezu, mohou být využity pro vytváření strukturních konstrukcí typu příhradových desek a roštů, kopulovitých útvarů (nejčastěji v geodetických soustavách Fullerova typu, případně i v soustavách Schwedlerova či Föpplova typu) [2]. Možné konstrukční řešení prostorového styčníku u strukturní soustavy typu příhradové desky je znázorněno na obr. 2. Pro připojování prutů z kulatiny je v těchto případech nejvhodnější navrhovat ocelové konstrukční prvky. Obr. 2: Konstrukční řešení prostorového styčníku u strukturní soustavy typu příhradové desky Jako příklad využití kulatiny je uvedena prostorová konstrukce, která byla navržena pro výstavní účely (obr. 3). Tento typ konstrukce s radiálně uspořádanými vzpěrkovými rámy může být uplatněn i pro účely pavilonů menšího rozpětí (přibližně do 15 až 20 m), pro přístřešky a stavby podobného účelu. 3

Obr. 3: Schéma skladby prostorové prutové konstrukce z kulatiny pro jeden z uvažovaných výpočtových modelů s centrálním sloupem: 1 centrální sloup celistvého, případně složeného průřezu, 2 obvodové polorámy, 3 nárožníky, 4 - vaznice Soustava může být řešena s centrálním sloupem nebo bez vnitřního sloupu. V daném případě, vzhledem k záměru investora, zabudovat do vnitřního prostoru také konstrukci mezistropu, byla zvolena soustava s centrálním sloupem, který umožňoval připojení stropních nosníků a schodiště [3]. Konstrukce byla navržena nad šestiúhelníkovým půdorysem o délce strany 5.0 m, teoretická výška ve vrcholu je 5,2 m. Působení konstrukce bylo vyšetřováno pro případ objektů uzavřených opláštěním i pro objekty otevřené a částečně otevřené. Ze základní soustavy je možné odvozovat další konstrukční varianty s radiálním i paralelním uspořádáním hlavních nosných vazeb. Přípoje prutů ve styčnících jsou provedeny pomocí vnitřních ocelových plechů a svorníkových spojovacích prostředků (obr. 4). Ve vrcholovém styčníku jsou pruty připojeny k trubkovému nástavci centrálního sloupu (obr. 5). Obr. 4: Konstrukční detail vrcholového styčníku s připojením prutů soustavy pomocí vložených styčníkových plechů 4

Obr. 5: Připojení prutů ve vrcholovém styčníku soustavy k trubkovému nástavci Výběr konstrukcí pro realizaci (r. 1999) byl proveden na základě vyhodnocení různých variant výpočtových modelů. Z uvažovaných variant nejlépe splňovala požadavky zadavatele a výrobce soustava se vzpěrkovými polorámy (obr. 6), která rovněž vyhovovala podmínkám dispozičního řešení a architektonického záměru (obr. 7). Obr. 6: Skladba konstrukce z kulatiny prototyp pro ověření stability a montážního postupu 5

Obr. 7: Jedna z realizovaných konstrukcí na brněnském výstavišti 3.3 Stožáry a konstrukce věžového typu Stožáry a konstrukce věžového typu zahrnují poměrně velkou skupinu dřevěných konstrukcí různého účelu rozhledny a vyhlídkové věže, věžové konstrukce působící jako součást vyhlídkových teras, lávek a součást různých rekreačních a sportovních objektů, věžové stavby pro geodetické účely, různé objekty pro zemědělství a lesnictví i věže zvláštního účelu. Pokud se týká věžových staveb, mohou se vyskytovat konstrukce nekotvené i kotvené pomocí lanových kotevních prvků. Pro všechny uvedené typy lze nosnou konstrukci navrhnout z dřevěné kulatiny. Použití dřevěné kulatiny pro konstrukce stožárů a sloupů je v praxi běžné. Nejrozšířenějším typem věžových staveb jsou rozhledny. Podle autorů, kteří se zabývají vyhodnocováním množství rozhleden lze uvést, že toto množství na 1 km 2 je v ČR jedno z nejvyšších na světě a přitom počet těchto staveb nadále vzrůstá [Nouza, J.: Obrázky z historie a současnosti rozhleden v Česku i ve světě, internetový zdroj]. Rozhledna Bohdanka, postavená v obci Bohdaneč na Kutnohorsku, je v mnoha aspektech jedinečným věžovým objektem [7]. Svou výškou 52,2 m patří k nejvyšším nekotveným rozhlednám vyrobeným z kulatiny (obr. 8). Vyhlídková plošina je umístěna ve výšce 40,7 m. Základní čtvercový půdorys je 8,2 x 8,2 m. Hlavní nosné prvky rozhledny jsou z kulatiny průměru od 180 do 320 mm, dřevo třídy pevnosti C 24. Statický návrh a konstrukční projekt vypracovala firma TAROS NOVA s.r.o. Přípoje prutů příhradové soustavy konstrukce pomocí ocelových styčníkových plechů a přesných kolíkových spojovacích prostředků navrhli autoři předloženého článku. Dynamický výpočet konstrukce byl zpracován ve spolupráci s Fakultou stavební VUT v Brně [8]. 6

Obr. 8: Pohled na rozhlednu Bohdanka u obce Bohdaneč na Kutnohorsku Rozhledna byla postavena metodou segmentové montáže podle návrhu firmy TAROS NOVA s.r.o., která tento návrh úspěšně realizovala v praxi. Spoj segmentů byl prováděn vysokopevnostními předpjatými šrouby umístěnými v přírubách ocelových styčníkových elementů (obr. 9). Obr. 9 Detail spoje jednotlivých montážních segmentů rozhledny Bohdanka Nárožníky rozhledny jsou vytvořeny ze čtyř profilů kulatiny o průměru 320 mm (v dolních, nejvíce namáhaných segmentech) až 180 mm (v horních, méně namáhaných 7

segmentech), pruty příhradoviny jsou ze dvou profilů průměru 220 až 250 mm podle intenzity působících osových sil. Charakteristický styčník je na obr. 10. Rozhledna byla postavena v r. 2011. Obr. 10 Charakteristický styčník v místě přípoje prutů soustavy k nárožníkům 3.4 Srubové konstrukce Srubové konstrukce náleží k nejrozšířenějším konstrukcím vyráběným z kulatiny. Srubové a roubenkové stavby patří k jednomu ze současných trendů ve výstavbě rodinných domů, ale také restaurací, penzionů a rekreačních objektů. Lze uvést řadu originálních konstrukcí srubových domů postavených v tradičních zemích jako je Kanada, Finsko a další skandinávské země, využívajících kulatinu ve velké míře, ale v současné době i u nás. Dnes jsou již k dispozici i české publikace zaměřené k výrobě a realizaci srubových staveb a rovněž k výsledkům výzkumu těchto staveb, a to nejen v oblasti výrobní a konstrukční, ale rovněž v oblasti stavebně fyzikální. Podstatné informace o stavbě a působení srubových domů z kulatiny lze nalézt například v knižní publikaci [6] a rovněž na internetu, například na serveru tzb_info. Do článku je zařazeno několik příkladů srubových domů postavených u nás v poslední době, navržených Ing. P. Krejčiříkem. Mezi originální stavby lze zařadit srubovou stavbu penzionu v Lednici (obr. 11, 12). Mezi estetické srubové stavby lze začlenit domy uvedené na obr. 13 a na obr. 14. 8

Obr. 11 a 12: Srubová konstrukce penzionu v Lednici (projekt Ing. P. Krejčiřík) Obr. 13: Příklad srubového esteticky působícího domu citlivě začleněného do krajiny (projekt Ing. P. Krejčiřík) 9

Obr. 14: Příklad srubového domu vhodně začleněného do okolní přírody (projekt Ing. P. Krejčiřík) Při navrhování srubů je důležité si uvědomit, že je nutné zohlednit vlivy výrazného sedání stavby ve srovnání se stavbami zděnými. Z hlediska podepření střech na srubové stěny je zásadní způsob ukotvení pozednicových prvků. Kulatina (stejně jako hranol u roubenek), pod pozednicí krovu na stěně srubu, nemá z hlediska tuhosti vlastnosti betonového věnce na zděné stavbě. Horizontální posuny v místech podepření střechy mohou být velmi výrazné. Deformace střech a stěn srubů, vyplývající z nedostatečného ukotvení pozednicových prvků a vyztužení stěnových klád v oblasti podepření, paří k nejčastějším poruchám těchto staveb [5]. 3.5 Konstrukce zastřešení Zajímavě řešeným objektem je restaurace Archa v areálu ZOO na sv. Kopečku u Olomouce. Spodní stavba není v tomto případě srubová, ale zastřešení má konstrukční charakter srubových staveb. Hlavní nosné prvky jsou vyrobeny z kulatiny. Krokve jsou uloženy na vaznicích, které jsou podepřeny na sloupech soustavou šikmých vzpěrek (obr. 16). Struktura konstrukce vytváří v interiéru esteticky příznivý dojem (obr. 15). Na sloupech je uložena také konstrukce vloženého mezistropu užívaná návštěvníky restaurace (obr. 17). Projekt stavby zpracovala firma OK PYRUS s.r.o., Brno, návrh a konstrukční řešení dřevěné nosné konstrukce autoři článku. 10

Obr. 15 Pohled do interiéru restaurace Archa v areálu ZOO na sv. Kopečku u Olomouce Obr. 16 Podepření střešních vaznic na sloup pomocí šikmých vzpěrek 11

Obr. 17 Pohled na konstrukci mezistropu restaurace Archa 3.6 Konstrukce lávek a mostů Obvyklou součástí areálů zoologických zahrad a vyhlídkových staveb v lesních parcích jsou dřevěné lávky a mostky. Pro tyto stavby je právě dřevěná kulatina přirozeným a nejvhodnějším materiálem. Příkladů tohoto druhu by bylo možné uvést mnoho. Jeden příklad uvádíme i v tomto článku. Vyhlídková lávka u výběhu pro vlky a medvědy byla realizována v ZOO na sv. Kopečku u Olomouce (obr. 18). Obr. 18 Pohled na část lávky ve výběhu pro vlky a medvědy v areálu ZOO na sv. Kopečku 12

Lávka navazuje na vstupní objekt a vyhlídkové terasy. Základní skladba konstrukce sestává z pochozí fošnové vrstvy tloušťky 50 mm, příčníků, podélníků, sloupků a prutů ztužidel z kulatiny. Charakteristický detail spojení nosných prvků řešený pomocí vnitřních styčníkových plechů a svorníkových spojovacích prostředků je uveden na obr. 19. Obr. 19 Charakteristický detail spojení nosných prvků lávky vyrobených z kulatiny Výběh pro vlky a medvědy realizovala firma Dopravní stavby Olomouc a.s. v roce 2009, dřevěnou konstrukci lávky navrhli autoři článku. 3.7 Využití sloupů kruhového průřezu Sloupy kruhového průřezu jsou součástí staveb různého účelu. Vyskytují se ve vnitřních i vnějších klimatických podmínkách působení. Prvky kruhového průřezu jsou vhodné pro přenášení zejména tlakových osových sil. Jako podpůrné prvky působí v konstrukcích esteticky. V současné době je kruhový průřez sloupů v řadě případů vyráběn lepením podélně situovaných lamel. Vnitřní část průřezu může být dutá, bez výplně anebo vyplněna vnitřním profilem. Základní nosnou konstrukcí objektu v Říčanech u Brna (obr. 20) je dřevěná konstrukce z lepeného a rostlého dřeva (architekt Ing. arch. R. Haška, návrh nosné dřevěné konstrukce Ing. M. Šmak, Ph.D. a doc. Ing. B. Straka, CSc., realizační projekt a dodavatel konstrukce firma TAROS NOVA s.r.o.). Šikmý sloup podporující schodiště a část střechy objektu je lepeného kruhového průřezu o průměru 200 mm. Ke sloupu jsou připojeny průvlaky podesty schodiště. Připojení průvlaků a nosníku ke sloupu je pomocí ocelového prstence z plechu tloušťky 6 mm, k němuž jsou přivařeny plechy pro připojení lepených průvlaků pomocí svorníků o průměru 12 mm (obr. 21). 13

Obr. 20 Objekt v Říčanech u Brna s dřevěnou nosnou konstrukcí Obr. 21 Připojení horizontálních průvlaků a nosníku schodišťové podesty ke sloupu kruhového průřezu pomocí ocelového prstence 4 ZÁVĚR Poznatky vyplývající ze skutečného působení navržených konstrukcí potvrzují vyhovující vlastnosti těchto konstrukcí z hlediska únosnosti i použitelnosti. Vyvozené závěry jsou rovněž v souladu s poznatky uváděnými jinými autory, kteří se zabývají problematikou navrhování a realizace dřevěných konstrukcí [4]. Mezi přednosti obvyklých staveb z kulatiny patří, kromě dostatečné únosnosti, také jednoduchost výroby a montáže, u některých pak možnost roztíratelnosti konstrukce a jejího přemístění. 14

Závěrem lze vyjádřit názor, že dřevěná kulatina je vhodným a dostupným konstrukčním materiálem, který by měl být mnohem více používán ve stavebních konstrukcích. Současný stav využívání kulatiny ve stavebnictví tento trend potvrzuje, zejména u konstrukcí srubových staveb, rozhleden a vyhlídkových věží, lávek a mostů konstruovaných v přírodních podmínkách, různých přístřešků a obdobných staveb. LITERATURA [1] STRAKA, B.: Využití dřevěné kulatiny v konstrukčních soustavách. In: Materiály pro stavbu, 4/1999, str. 36 38, Bertelsmann Media s.r.o., Praha [2] STRAKA, B., PECHALOVÁ, J.: Dřevěné konstrukce. Akademické nakladatelství CERM, s.r.o.,brno, 1996. Učební texty vysokých škol. ISBN 80-7204-017-0. [3] STRAKA, B., BAJER, M.: Typy dřevěných konstrukcí doporučených pro výrobu v RUD, a.s., Zbýšov u Brna, Expertizní zpráva, Brno, 1995 [4] KUKLÍK, P.: Dřevěné konstrukce. ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Praha, 2005. ISBN 80-01-03310-4. [5] STRAKA, B., NOVOTNÝ, M., KRUPICOVÁ, J., ŠMAK, M., ŠUHAJDA, K., VEJPUSTEK, Z.: Konstrukce šikmých střech. Grada Publishing a.s., Praha, 2013. ISBN 978-80-247-4205-2. [6] HOUDEK, D., KOUDELKA, O.: Srubové domy z kulatiny. ERA group, spol. s.r.o., Brno, 2004. Technická knihovna. ISBN 80-86517-97-7. [7] STRAKA, B., VEJPUSTEK, Z., VALÍČEK, J.: Inovativní řešení konstrukce a montáže rozhledny Bohdanka. In: Konstrukce Odborný časopis pro stavebnictví a strojírenství, 3/2011, Ostrava. ISSN 1803-8433 [8] SALAJKA, V., KANICKÝ, V., KALA, J.: Posouzení rozhledny Bohdaneč z hlediska dynamického zatížení. In. New trends in staticks and dynamics of buildings, Bratislava, 2006. s. 173-177. ISBN: 80-227-2479-3. [9] ŠMAK, M., STRAKA, B., BARNAT, J., KOTÁSKOVÁ, P., HAVÍŘOVÁ, Z.: Dowelled Joints in Timber Structures: Experiment - Design - Realization. Wood Research. 2016, 61(4), 651-662. ISSN 1336-4561. Dostupné z: http://www.centrumdp.sk/wr/201604/14.pdf [10] KOTÁSKOVÁ, P., HAVÍŘOVÁ, Z., ŠMAK, M., STRAKA, B.; Log Buildings from the Perspective of the Current Requirements. Wood Research. 2016, 61(4), 615-626. ISSN 1336-4561. Dostupné z: http://www.centrumdp.sk/wr/201604/11.pdf Keywords USING OF ROUND TIMBER IN BUILDING CONSTRUCTION log, construction system, bar system, joint of supporting elements, cubic structures Summary The article discusses the principles of design and some possibilities of using round timber in the current and perspective structural systems. During compilation of the article, the authors based mainly on the knowledge gained during the design and implementation of the structures, where the main construction material elements were made of round timber. These are the construction of agricultural and forestry buildings, log houses, construction of the tower type and selected construction of buildings. The aim of this paper is to point out that although the logs belong to the historically oldest building materials, it is still appropriate and effective material for modern construction and it will be used in the next period. 15