Těžké dřevěné skelety z pohledu projekce a realizace Milan Peukert (doktorand na Katedře konstrukcí pozemních staveb, FSV, ČVUT zaměřený na problematiku těžkého dřevěného skeletu, jednatel společnosti TFH dřevěné skeletové domy s.r.o.) Dřevostavba je pojem, který nabízí několik možných konstrukčních systémů. Bohužel i v dnešní době není výjimečné se setkat s odborníky stavaři, kteří za dřevostavbou vidí pouze roubenku. Dřevo, jako konstrukční materiál, je přitom více než jiné konstrukční materiály možné použít rozmanitě v několika různých konstrukčních systémech. Tento článek se pokusí přiblížit možnosti a problémy tohoto systému z pohledu projektování i realizace. Těžký dřevěný skelet je stavební systém, který dá architektovi možnost použít dřevo jako nosný a zároveň pohledový prvek. Stejně jako pohledový betonový skelet nechává budově přiznat své konstrukční prvky a pochlubit se jimi. Možnosti užití různých druhů dřevin (smrk, modřín, dub ), styčníků či ztužujících diagonál v kombinaci s diafragmaty (např. z pohledových křížem lepených lamel) dávají architektovi nástroj, kterému jiný konstrukční materiál nepropůjčí. I přes tuto jedinečnost a originalitu jsou budovy s konstrukčním systémem těžkého dřevěného skeletu prozatím v ČR velice ojedinělé. Přitom se jedná mimo jiné o jeden z nejstarších druhů dřevostaveb, který se objevuje již od středověku ve formě anglického systému Box Obr.1 bytový dům, Štrasburk Frame a německého Fachwerkbau. Následně je užíván cca od 16. do 19. století i v Čechách pod pojmem hrázděná konstrukce. V českých zemích se setkáváme spíše s jedno až dvoupodlažními stavbami, v západních zemích i vícepodlažními, např. Štrasburk je město plné staveb až o šesti podlažích (obr.1). K soudobé konstrukci Těžký dřevěný skelet je tvořen ze svislých masivních sloupů, vodorovných nosníků (průvlaků a stropnic) a vyztužovacích prvků v pravidelném rastru nejčastěji 3 až 6 m (obr.2). Zde můžeme hovořit o optimálním využití dřevěných prvků s ohledem na zatížení a rozpon při rozumných dimenzích samotného prvku. Obr.2 těžký dřevěný skelet Těžký dřevěný skelet má specifikum stejně jako jiné materiálové varianty skeletů a to v podobě bodového zatížení a přenosu sil přes sloupy do základových konstrukcí. Tohoto lze efektivně
využívat při zakládání nízkopodlažních dřevostaveb, kdy pro jejich nízkou hmotnost nepotřebuje plošně rozsáhlé a materiálově náročné základy. Konstrukční spoje těžkého skeletu jsou řešeny buď zapuštěným ocelovým kováním, které je prakticky neviditelné a zároveň požárně chráněné a nebo tesařskými spoji, realizovanými za pomoci přesných CNC technologií. Stěny, které tvoří rozdělení místností a uzavírají prostor po obvodu stavby, mohou být rozmístěny velice variabilně a nezávisle na skeletu. S rostoucím významem dřevěných konstrukcí ve vícepodlažní výstavbě získávají moderní těžké skelety novou důležitost. Eliminují statické slabiny lehkého dřevěného skeletu a dokáží po dlouhou dobu a předvídatelným chováním vzdorovat u dřevostaveb velice diskutovanému požáru. Dnešní moderní skeletové konstrukce lze rozdělit z pohledu hlavních konstrukčních prvků do těchto skupin: 1) skelet s jednodílnými průvlaky a sloupy 2) skelet s dvojdílnými průvlaky a jednodílnými sloupy 3) skelet s jednodílnými průvlaky a dvojdílnými sloupy Z hlediska již zmiňované požární bezpečnosti je pro svoji masivnost nejvhodnější skelet s jednodílnými průvlaky a jednoduchými sloupy. Z pohledu materiálového řešení styčníků dělíme skelety na skelety se styčníky s kovovými spojovacími prostředky a na skelety s tesařskými styčníky. Reálné realizace těžkého dřevěného skeletu se dnes opírají o přesnou CNC technologii, montážně se tedy vlastně jedná o prefabrikovanou technologii, která se na samotné stavbě již jen montuje. S ohledem na opracování rozměrných konstrukčních prvků je prakticky vyloučená staveništní varianta realizace, jako lze použít u lehkého skeletu. Vzhledem k přípravě na CNC strojích je nejen z ekonomického pohledu vhodné využívat v co největší míře přesné tesařské provedení styčníků, zejména rybinový styčník průvlak/sloup nám dovolí užití pro velká zatížení. Tento styčník byl v rámci grantového projektu Dřevěné vícepodlažní budovy č.103/07/0514, řešitel: Doc. Ing. Vladimír Bílek, CSc., (viz. obr. 3) experimentálně odzkoušen. Rybinový styčník je s ohledem na dimenzi prvků schopen přenést vysoká zatížení a pro použití v běžně užívaných rozponech stropních a střešních průvlaků je zcela postačující a to i pro náročnější zatížení např. administrativních budov. Montážně je tento styčník velice komfortní a rychlý, díky absenci kovových prvků navíc dosahuje výborných výsledků s ohledem na požární odolnost. Trochu problematické se může jevit užití rybinového spoje ve spoji stropnice/průvlak, kde může docházet k namáhání tahem kolmo k vláknům i když je tento jev kónickým náběhem styčníku eliminován. Zcela jistě si tento styčník zaslouží ještě hlubší poznání experimentálním ověřením.
Ne vždy je možné tento rybinový styčník použít a je tedy nutné styčník realizovat za pomoci kovové styčníkové desky či desek. Tyto spoje jsou zcela jistě nákladnější, je to způsobeno realizačně složitějším provedením a samotnou cenou kovových spojovacích prostředků. Pomocí styčníkových desek lze ale realizovat také tuhé spojení, které tesařským způsobem zrealizovat nelze. Tohoto spoje lze využít v případě potřeby uvolnění dispozice od ztužujících diagonál či stěn. V rámci výše zmíněného grantového projektu byl odzkoušen tuhý styčník s použitím vlepených ocelových desek (viz obr.4,5), tento styčník byl také odzkoušen jen jako šroubovaný spoj bez lepení, které se stává v reálném prostředí stavby velice složitou technologií. Z provedených zkoušek lze konstatovat, že lepený spoj můžeme zahrnout mezi spoje tuhé a pro praxi i přes svoji realizační obtížnost použitelné. Spoj provedený pomocí svorníků je montážně jednodušší, vykazuje ale cca 80% tuhosti spoje lepeného, což je způsobeno montážními nepřesnostmi a otlačením svorníků. Obr.4,5 tuhý styčník s ocelovou deskou zkoušky v laboratořích Akademie věd ČR Stejně jako u jiných materiálových variant je u těžkého dřevěného skeletu důležitá funkce tuhé stropní desky, která zajišťuje přenos vodorovných zatížení do jednotlivých ztužidel. Vzhledem k větším rozponům stropních prvků a menšímu počtu ztužujících prvků je tuhá stropní deska u těžkého dřevěného skeletu důležitější než např. u lehkého skeletu. V rámci Obr.6 - strop ve zkušebním zařízení AV ČR zmíněného grantového projektu jsme provedli zkoušku stropní konstrukce s několika různými plášťovými materiály, která byla zatěžována vodorovnou silou (obr.6). Z těchto zkoušek vyplynul jako nejvýhodnější materiál překližková deska. Uspokojivých výsledků lze
ale dosáhnout i použitím vhodné OSB desky, která je ekonomicky výhodnější a díky možnosti spoje P+D, který je prolepen PU lepidlem, odpadá nutnost optimalizovat nosnou dřevěnou konstrukci na rozměr plášťového materiálu, což je pro rychlost montáže a nízké odpadovosti materiálu velice výhodné. Při tomto způsobu montáže se ale nesmí zapomínat na nutné dilatace s ohledem na objemové změny materiálu. K tuhosti stropní konstrukce také příznivě přispívá šachovnicové rozmístění stropnic mezi průvlaky. V rámci výstavby objetu s těžkým dřevěným skeletem jsme vyzkoušeli také realizaci spřaženého dřevobetonového stropu (obr. 6), který pojem tuhá stropní deska reprezentuje nejvěrněji. Tato realizace byla o to složitější, že se výsledně jedná o pohledový beton. Užití spřaženého dřevobetonového stropu má u vícepodlažních budov s většími rozpony své opodstatnění, v nízkopodlažní výstavbě se však jedná a relativně drahý a technologicky náročný způsob realizace, který kazí výhodu dřevostaveb ve formě rychlé montáže bez nutných technologických přestávek. Obr.7 realizace objektu s těžkým dřevěným skeletem a pohledovým spřaženým dřevobetonovým stropem autor návrhu: Ing.arch. Petr Housa, výrobní dokumentace a Těžký dřevěný skelet z pohledu požární odolnosti realizace: TFH dřevěné skeletové domy s.r.o.
Lze konstatovat, že z hlediska znalostí a většinou i jejich experimentálního ověřování je problematika konstrukčně statického chování těžkých dřevěných skeletů uspokojivě zvládnuta a je v souladu jak s evropskými, tak českými standardy užívána v praxi. Totéž platí o navrhování dřevěných prvků a budov z hlediska trvanlivosti, tepelné ochrany, energetické náročnosti a akustiky. Odlišná je situace v oblasti požární bezpečnosti dřevěných budov. Již několik let se vyučuje a je platná metodika na navrhování dřevěných konstrukcí na účinky požáru dle EC, kdy lze prvky nadimenzovat na požární odolnost až 60min. V praxi ale tuto metodiku využívá jen zlomek projektantů. Je stále zažitý standard, kdy se požárně bezpečnostní řešení vypracované požárním specialistou opírá o tabulkové hodnoty požárních odolností nechráněných dřevěných konstrukcí, nikoli o spolupráci se statikem a podrobným návrhem dle EC, což vede ke zbytečnému předimenzování konstrukce a tím k neekonomickému návrhu. Chování konstrukce s obnaženým dřevěným skeletem pro modelový případ bytového domu jsme v rámci výše zmiňovaného grantového projektu experimentálně ověřovali v laboratořích PAVUS (obr. 8). Teplota v požární komoře byla 800 až 1000 o C, teplota ve středu prvků 30 50o C. Požární odolnost byla 83 a mezní rychlost přetvoření 78 minut. Obr.8 - strop ve zkušebním zařízení PAVUS a.s. Další problém shledávám v přístupu k posuzování požárně-nebezpečného prostoru stavby. Pokud se nad určením odstupových vzdáleností sejdou k diskuzi tři požární specialisté, každý bude zastávat jiný názor, jak se dobrat ke správnému výsledku. České požární standardy jsou v této problematice nejednoznačné a zatím se nenašla autorita, která by jasně definovala správný přístup. Lze se jen domýšlet z jakého důvodu. Dopadem jsou zase neekonomicky a někdy až nesmyslně naprojektované řešení obalových konstrukcí. Bez větších konstrukčně materiálových obtíží a při dostupné ekonomice lze navrhovat prvky s požární odolností 30 až 60 minut, s pomocí nehořlavých obkladů a nátěrů i více. Rovněž dispoziční a konstrukčně materiálové řešení chráněných i nechráněných cest má řadu známých a uspokojivých řešení. Příklady uplatnění těžkého dřevěného skeletu
Těžký dřevěný skelet je systém, který lze využít a je převážně využíván, stejně jako většina dřevostaveb s jiným konstrukčním systémem pro výstavbu rodinných domů (obr.9). V západních a severských zemích lze ale najít příklady staveb vícepodlažních a nejen obytných. Krásným příkladem je čtyřpodlažní budova obchodního domu v historickém centru Tronhaimu (obr.10) nebo administrativně-výzkumné centrum v univerzitním švédském městě Växjö (obr.11). Jedním ze zajímavých projektů připravovaných v české republice je projekt chráněné dílny v Davli od autorů MMM-architekti.cz - Klára Makovcová a Pavlína Macháčková (obr.12), který je navržen jako čtyřpodlažní těžký dřevěný skelet, stavba by měla započít v roce 2012. Obr.9 příklady realizace RD v těžkém dřevěném skeletu, návrh, realizace TFH dřevěné skeletové domy s.r.o. Obr.10 - čtyřpodlažní budova obchodního domu v historickém centru Tronhaimu Obr.11 - administrativně-výzkumné centrum v univerzitním švédském městě Växjö
Obr.12 - chráněná dílna v Davli - MMM-architekti.cz - Klára Makovcová a Pavlína Macháčková