ZÁVĚRY Z ANALÝZY A SANACE DŘEVĚNÝCH STŘEŠNÍCH KONSTRUKCÍ STÁVAJÍCÍCH A HISTORICKÝCH OBJEKTŮ CONCLUSIONS FROM ANALYSIS AND REHABILITATION OF EXISTING TIMBER ROOF STRUCTURES Bohumil Straka, Jan Vaněrek, Zdeněk Vejpustek Abstract The paper is focused on real behaviour and rehabilitation of existing timber roof load-carrying structures. Characteristic features of the analysed roof structures, results of their diagnosis from the point of view of material properties are reviewed. The paper also contains results of solutions of calculation models as well as conclusions from real behaviour of selected roof structures. 1. ÚVOD Při rekonstrukcích stávajících objektů je obvykle nutné provádět sanace některých nosných prvků nebo i celkovou rekonstrukci střešních konstrukcí. Příčinou jejich nevyhovujícího stavu je většinou degradace dřeva účinkem biologických činitelů. Sanace je ovšem někdy nutná i u konstrukcí poměrně nových, které jsou v užívání krátkou dobu. Příčinou snížené únosnosti těchto konstrukcí je vznik trhlin, zejména v oblasti mechanických spojů, případně delaminace spár lepených konstrukcí. Inicializace trhlin a jejich další šíření jsou způsobeny obvykle vysycháním dřeva, nevhodným konstrukčním řešením detailů, případně kombinací obou vlivů. Poruchy tohoto typu se nejvíce projevují v místech výskytu příčných tahových napětí působících kolmo na směr vláken dřeva, respektive kolmo ke spárám lepených průřezů. Tato situace nastává hlavně v oblastech rámových rohů u lepených rámových konstrukcí, v podporových průřezech, v místech koncentrace napětí u nosníků s výřezy či náběhy a v obdobných případech. Při sestavování výpočtových modelů je nutno objektivně zvolit konstrukční systém a druh i intenzitu zatížení. Výpočetní modely jsou někdy voleny tak, že dostatečně nezohledňují prostorové působení celé konstrukce, reálnou tuhost spojů či pravděpodobnost výskytu některých typů zatížení. Zejména při návrhu rekonstrukcí historických objektů je třeba volit přesnější výpočtové modely a postupy, které objektivněji vystihují skutečné působení konstrukcí v daných podmínkách. V řadě případů nelze vycházet pouze ze zjednodušených ustanovení norem pro navrhování dřevěných konstrukcí. Součástí návrhu sanace musí být stanovení způsobu ochrany dřeva a spojů, respektující možnost praktického provedení. Doc. Ing. Bohumil Straka, CSc. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav kovových a dřevěných konstrukcí Veveří 95, 662 37 Brno tel.: +420 541 147 303, fax.: +420 549 245 212; e-mail: straka.b@fce.vutbr.cz Ing. Jan Vaněrek Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technologie stavebních hmot a dílců Veveří 95, 662 37 Brno tel.: +420 541 147 514, fax.: +420 541 147 502; e-mail: vanerek.j@fce.vutbr.cz Ing. Zdeněk Vejpustek Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav kovových a dřevěných konstrukcí Veveří 95, 662 37 Brno tel.: +420 541 147 334, fax.: +420 549 245 212; e-mail: vejpustek.z@fce.vutbr.cz
2. MATERIÁLOVÉ VLASTNOSTI DŘEVA Z HLEDISKA SANACE KONSTRUKCÍ 2.1. TRVANLIVOST DŘEVA STÁVAJÍCÍCH OBJEKTŮ Z hlediska trvanlivosti dřeva je potřeba brát v potaz zejména strukturu dřeva a působení vlivů, kterým je vystavené. Přirozenou trvanlivostí dřeva rozumíme odolnost dřeva proti napadení dřevokaznými organismy, přičemž trvanlivost se musí u dřevin posuzovat odděleně pro každý dřevokazný organismus zvlášť. Přirozená trvanlivost se zjišťuje laboratorně vzhledem k úbytku hmotnosti vzorku dřeva před a po expozici, a je rozdělena na pět tříd (velmi trvanlivé, trvanlivé, středně trvanlivé, málo trvanlivé a netrvanlivé). Při návrhu sanace dřevěných prvků je nutné zjistit přirozenou trvanlivost dřeva a v případě, že není dostatečná, je nutné dřevo ošetřit ochranným prostředkem. Obecně lze působící vlivy na dřevo rozdělit na biotické a abiotické. Mezi hlavní zástupce negativně působících vlivů lze zařadit [3]: mikroorganismy (bakterie), rostliny (dřevozbarvující a dřevokazné houby, plísně), živočichy (dřevokazný hmyz), termické činitele (plamen), atmosférické činitele (voda, agresivní plyny, prach, sluneční záření, proudění aj.) a chemické činitele. Typy znehodnocení dřeva jsou uvedeny v následující tabulce č. 1. Typ znehodnocení dřeva Degradační činitel I. Destrukce polymerů - chemické reakce Hydrolytické, dehydratační, oxidační a další reakce, dekrystalizace Hydrolytické, dehydratační a termooxidační reakce Fotooxidační reakce především v ligninu (hloubka 0,05 až 2,5mm) Biochemické reakce katalyzované enzymy hub Mechanicko-biochemické dekompozice II. bez prvotní destrukce polymerů Mechanické trhliny Makroskopické otvory Změna barvy Poškození ztenčenin Agresivní chemikálie: (SO 2, NO x ), kyseliny a zásady, anorganická aditiva Termické účinky: oheň, zvýšená teplota UV záření Dřevokazné houby: bílá a hnědá hniloba Hmyz Vlhkostní a teplotní gradienty Hmyz Dřevozbarvující a mikroskopické houby Baktérie, houby Tab. č. 1: Typy znehodnocení dřeva Dřevěné prvky jsou proti biologickému napadení rozděleny do pěti tříd ohrožení vzhledem ke svému vystavení v prostředí [1]. Biologické napadení dřeva je často postupné a životnost je tedy závislá na rozsahu poškození, které lze tolerovat do doby zničení prvku. Dřevěné prvky střešních konstrukcí lze obvykle zařadit do druhé třídy ohrožení, která je charakterizována s následujícím možným výskytem biotických činitelů [2] (tab. č. 2).
Tř. ohrožení Výskyt biotických činitelů Dřevokazné houby Dřevozbarvující houby Hmyz Houby Houby způsobující Basidiomycetes způsobující Plísně Brouci měkkou modrání hnilobu 2 ano ne ano ano ano Tab. č. 2: Výskyt biotických činitelů 2.2. POSTUP PRO ZJIŠTĚNÍ KVALITY DŘEVA Při vyšetřování dřevěných prvků je tedy nutné zjistit materiálové charakteristiky na základě provedených zkoušek in-situ nebo v laboratořích a ty dále vyhodnotit nebo porovnat s referenčními vzorky. Materiálové charakteristiky lze získat v rámci provedení stavebně technického průzkumu, v rámci kterého se obvykle postupně provádí řada metod pro přesnou identifikaci degradace dřeva. Metody lze rozlišit na metody přímé, které okamžitě analyzují strukturu dřeva a metody nepřímé s dodatečným vyhodnocením. Mezi přímé metody lze zahrnout makroskopické analýzy, mikroskopické analýzy, fyzikálně-chemické analýzy a fyzikálně - mechanické analýzy. U nepřímých metod je zjišťována vlastnost prostřednictvím měření či využití jiné veličiny. Nepřímé metody nejčastěji využívají principy elektrofyzikální, akustické, radiometrické či termofyzikální. Makroskopická analýza nejjednodušší metodou je provedení běžné vizuální kontroly stavu dřevěných prvků konstrukce a jejich vzájemných spojů. Nejdříve se provede průzkum vlhkostního stavu konstrukce, v případě nálezu zvýšené vlhkosti je nutné nalézt její příčinu. Sledují se vady a poruchy konstrukce způsobené mechanickým porušením (výskyt trhlin, suků, zkroucení, uvolnění) a biotickým porušením (hniloba, změna barvy, přítomnost povrchových mycélií, přítomnost požerků) či abiotickým porušením. Z hlediska zjištění orientačního mechanického stavu prvku lze provést poklepovou nebo vrypovou zkoušku dřeva. V rámci provedeného makroskopického průzkumu je nutné řádně zakreslit a zaznamenat rozsah a druh narušení dřeva. Nejčastěji se setkáváme u historických objektů s biotickým napadení dřeva, kde lze obecně charakterizovat rozsah napadení následovně : napadení dřevokaznými houbami například podle [4]: povrchové - hodnotíme především změnu barvy dřeva, změnu tvaru, povrchové mycelium, výskyt rhizomorf, plodnic pro určení druhu houby hloubkové vrypová zkouška proti vrtáku, ztráta pevnosti napadení dřevokazným hmyzem například podle [5]: povrchové zasahuje max. do hloubky 5 mm. Poškození nemá vliv na fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva. mělké zasahuje do hloubky 5-50 mm. Poškození již ovlivňuje mechanické vlastnosti dřeva. hloubkové zasahuje do hloubky přes 50 mm. Ve stavbách bývá nejčastěji poškozené červotočem a tesaříkem krovovým. Druh napadení je poté posuzován u dřevokazných hub podle typických znaků jednotlivých hub a u dřevokazného hmyzu podle tvaru výletových otvorů, larev nalezených v chodbičkách, tvaru chodeb a jejich výplní drtí, příp. odumřelých dospělých brouků. Mikroskopická analýza provádí se jako doplňující objektivní zhodnocení stavu dřeva zjištění tvaru, velikosti a uspořádání buněk, případně zjišťování přítomnosti hyf v elementech dřeva či stádium hniloby dřeva vlivem působení dřevokaznými houbami. Jsou využívány především optické mikroskopy, elektronové mikroskopy a fluorescenční mikroskopy, mj.
optický mikroskop, typ SONY možnost digitálního výstupu, používaný software Lucia G, ver. 4.61. rastrovací elektronový mikroskop (REM), typ TESLA využívají se vlnové vlastnosti úzkého svazku elektronů, který se po povrchu vzorku vodí a kde vyvolává ionizací valenčních sfér atomů sekundární elektrony. Ty jsou snímány detektorem. Na základě různého excitačního proudu vzniká obraz, závislý na výtěžku (zejména úhlu odrazu) sekundárních elektronů. Fyzikálně-chemické analýzy lze přesně kvantifikovat degradační změny struktury dřeva. Klasické chemické metody se využívají především na stanovení poměrného zastoupení stavebních polysacharidických polymerů v degradovaném dřevě, např. klasickou a nenáročnou metodou na odlišení hnědé a bílé hniloby je indikace jejich oxidázové reakce. Lze stanovit hodnotu ph dřevní hmoty pro ověření míry degradace dřeva. Fyzikálně-mechanické analýzy v případě potřeby je nutné provést zjištění vybraných vlastností zabudovaného dřevěného prvku ze statického hlediska. Během místního šetření se obvykle zjišťují hodnoty teploty a relativní vzdušné vlhkosti, a hodnoty vlhkosti dřevěných prvků vlhkoměrem. Dále se odebírají vzorky pro stanovení vybraných fyzikálních vlastností (vlhkost, objemová hmotnost) a mechanických vlastností (pevnost v tlaku, ohybu, modul pružnosti) podle příslušných norem. 3. SANACE VYBRANÝCH TYPŮ DŘEVĚNÝCH KONSTRUKCÍ 3.1. DŘEVĚNÉ KROVY Nejčastějším problémem starších a historických krovů je degradace částí některých dřevěných prvků a dílců od působení dřevokazných hub, plísní a hmyzu. Jedná se zejména o krokve, vaznice, zhlaví vazných trámů a pozednice. Napadení dřeva škůdci nastává zpravidla po narušení střešního pláště a následném zatékání do prostoru střechy. Příkladem uplatnění výsledků průzkumu, vyhodnocení stavu materiálu, statické analýzy nosného systému krovu a ochrany dřeva je sanace střešní konstrukce Městského domu v Přerově [6]. Konstrukce krovu, složená z plných a prázdných vazeb o rozpětí 16 m vykazovala značné napadení vazného trámu v místě zhlaví a přípojů vzpěr. Narušení dřeva bylo způsobeno dřevokazným hmyzem čeledi červotočovitých, zejména červotočem umrlčím (obr. č. 1). Vlivem snížené únosnosti napadené části vazby došlo k výrazné deformaci v oblasti zhlaví a redistribuci přenášených sil. Obr. č. 1: Degradace dřeva vazného trámu způsobená dřevokazným hmyzem, detail narušeného dřeva
Matematické modely analyzovaly možnost přenesení části namáhání z poškozeného místa do jiných, nenarušených prvků konstrukce. Z různých uvažovaných řešení bylo zvoleno posílení narušené vazby ocelovým táhlem, jež umožní v případě výskytu nežádoucích deformací během provádění sanace přenést významnou část vnitřních sil z napadeného místa trámu, a zesílení zhlaví a vzpěr příložkami (obr. č. 2 a obr. č. 3). Pro likvidaci aktivních škůdců byla navržena technologie tlakové injektáže dřeva ochranným prostředkem. Obr. č. 2: Schéma sanace vazby krovu Obr. č. 3: Návrh sanace narušeného vazného trámu
3.2. DŘEVĚNÉ OBLOUKOVÉ KONSTRUKCE Původní obloukové konstrukce s mechanickými spoji vykazují v některých případech nedostatečnou prostorovou tuhost a poměrně vysokou poddajnost spojů. Důvodem pro sanaci, nebo celkovou rekonstrukci těchto objektů bývá také změna využití stavby, což vyžaduje provedení stavebně-technického průzkumu a statickou analýzu daného stavu nosné konstrukce. Zájmem investora přitom je zachování tvaru a skladby konstrukce bez zjevných stavebních zásahů. Příkladem sanace konstrukce, která nebyla zásadním způsobem narušena dřevokaznými škůdci je zastřešení původní Jízdárny zámku v Letovicích (obr. č. 4 a obr. č. 5). Konstrukce zastřešení jako celek však nevykazovala dostatečnou prostorovou tuhost, což si vynutilo vložení příčných ztužidel do stávající konstrukce. Stavebně-technický průzkum prokázal, že všechny nosné prvky krovu včetně spojů jsou ve vyhovujícím stavu. Na základě analýzy průběhu sil v konstrukci a zvláště sil působících na spoje jednotlivých skružových lamel oblouku typu de L'Orme bylo rozhodnuto o zachování hlavních nosných vazeb bez podstatných změn. [7] Obr. č. 4: Schéma hlavní vazby střešní konstrukce a konstrukční uspořádání Obr. č. 5: Stávající podélné ztužidlo a detail spojení skružových lamel oblouku
3.3. DŘEVĚNÉ RÁMOVÉ KONSTRUKCE Závažným problémem dřevěných konstrukcí, a to i konstrukcí poměrně nových, bývá dodržení teplotně-vlhkostního režimu prostředí při výrobě, dopravě, montáži a zejména při dokončovacích pracích. Trhliny, vzniklé při sesychání dřeva mohou významně snížit únosnost průřezů a spojů, a tedy konstrukce jako celku. Poruchy relativně nové konstrukce administrativní budovy, které si vyžádaly sanaci lepených rámů, se vyskytly v oblasti vetknutí dřevěných sloupů do ocelových patek a v místech rámových rohů (obr.č. 6). Trhliny v oblasti spojů byly důvodem pro statickou analýzu a sanaci narušené konstrukce. Pro sanaci byla použita metoda injektáže porušených oblastí epoxidovou pryskyřicí [8]. V místech s nejvýraznějšími trhlinami byla injektáž kombinována s vlepením ocelových závitových tyčí. Obr. č. 6: Trhlina v patce rámového sloupu, trhlina v zakřivení rámového rohu, detail trhliny v místě ocelového kolíku 4. ZÁVĚR Následkem degradace nosných prvků se mění chování celé konstrukce. Významné je prostorové působení konstrukce jako celku, při kterém část zatížení narušených prvků a dílců mohou přenášet navazující prvky, ovšem za cenu jejich zvýšeného namáhání. Na základě typu a rozsahu narušení je třeba rozhodnout, zda konstrukce může být sanována tím způsobem, že budou opraveny či nahrazeny pouze dílčí prvky, anebo bude nutné provést celkovou rekonstrukci. Pokud není ohrožena bezpečná únosnost nebo použitelnost konstrukce, je možné sanaci řešit stabilizací střešní konstrukce v daném stavu. Zabezpečením stabilní polohy konstrukce se také zamezí vzniku dalších nežádoucích deformací. Vhodnou metodou pro sanaci trhlin dřevěných prvků z rostlého i lepeného dřeva je injektáž epoxidovou dvousložkovou pryskyřicí, která má velmi dobré vlastnosti pro vyplnění spár. Účinným způsobem ochrany napadeného dřeva je rovněž injektáž ochranným prostředkem. Sdělení: Zpracování tohoto příspěvku je součástí řešení úloh v rámci výzkumného záměru MSM 261100007 "Teorie, spolehlivost a mechanismus porušování staticky a dynamicky namáhaných stavebních konstrukcí".
5. LITERATURA [1] ČSN EN 335-1. Definice tříd ohrožení biologickým napadením [2] ČSN 49 0600-1:98 Ochrana dřeva-základní ustanovení, Chemická ochrana [3] Reinprecht, L. Procesy degradácie dreva. Technická Univerzita ve Zvolene, 1997, 149 p., ISBN 80-228-0662-5 [4] Koukal, M., Novotný, V., Zdeněk, M. Ochrana dřeva, dřevěných výrobků a konstrukcí. Dům technicky ČSVTS České Budějovice, 1987, 173p., číslo publikace 24-13.13/60/740/87 [5] Wasserbauer, R. Biologické znehodnocení staveb. ABF Praha, 2000, ISBN 80-86165-30-2. [6] Straka, B., Vejpustek, Z., Vaněrek, J. Průzkum a sanace krovu Městského domu v Přerově. Brno, 2003 [7] Bažant, Z., Klusáček, L., Straka, B., Vejpustek, Z. Průzkum a rekonstrukce Jízdárny při zámku v Letovicích. Brno, 2002 [8] Riberholt, H. (1998). Glued Bolts in Glulam - Proposal for CIB Code. In. Proc. of the CIB W18 Meeting, Porksville, Vancouver Island, Canada. Paper 21-7-2