Zpět na materiály, výrobky, technologie

Halové stavby s dřevěnými obloukovými, vazníkovými a rámovými nosnými dílci

8. října 2007
doc. Ing. Bohumil Straka, CSc.

V oboru dřevěných konstrukcí se, kromě konstrukcí krovů, nejčastěji vyskytují halové stavby. Existuje velké množství starších i nových halových systémů s dřevěnou nosnou konstrukcí, které se odlišují konstrukčním uspořádáním, druhem použitého materiálu a spojů a dalšími charakteristickými znaky. Zájem o realizaci dřevěných hal díky zvýšenému zájmu investorů a architektů stále narůstá.


Pro dřevěné konstrukce je typické, že na jejich celkové působení má značný vliv únosnost a poddajnost spojů. Zejména u konstrukcí velkých rozpětí je tento vliv zásadním a jedním z rozhodujících z hlediska realizace systému.
Práce zahrnující problematiku teoretické analýzy prostorových konstrukčních systémů, experimentálních testů a sledování skutečného působení konstrukcí v reálných podmínkách byly započaty přibližně v roce 1994. Předmětem analýzy byly příhradové konstrukce se spoji řešenými na bázi ocelových styčníkových plechů, vkládaných do výřezů ve dřevěných profilech, a lepené konstrukce obloukového a rámového typu. První konstrukce s vkládanými ocelovými styčníkovými plechy byly, ve spolupráci s firmami MiTek Industries a Profinvestik Frýdek-Místek, s.r.o., realizovány v období 1997 až 1998 [1], další pak v letech 2001 a 2002. Analýza působení spojů typu ?dřevo - ocel? je závažným problémem a je předmětem teoretického a experimentálního výzkumu řady univerzitních a výzkumných pracovišť. Při návrhu přípojů a styků uváděných konstrukcí byly využity poznatky z teoretického a experimentálního výzkumu kolíkových spojů s vkládanými ocelovými plechy do průřezů z rostlého, respektive lepeného dřeva [2].

Charakteristika vybraných typů dřevěných halových konstrukcí

Obr. 1. Typický příklad konstrukce s lepenými oblouky¤ Obr. 1. Typický příklad konstrukce s lepenými oblouky - víceúčelová hala v Novém Městě nad Metují; půdorys 80x54 m, rozpětí oblouků 80 m, osová vzdálenost 6 m, lepený lamelový průřez šířky 240 mm a výšky 1400 mm, příčná ztužidla z ocelových úhelníků profilu L 80x80x8 mm (návrh dřevěné konstrukce VŠLD Zvolen)
Halové objekty mají zpravidla obdélníkový půdorys, ale běžně se vyskytují i haly půdorysu kruhového a mnohoúhelníkového, speciálně pak haly s nepravidelným půdorysem. Zásady konstrukčního řešení plnostěnných lepených anebo příhradových dílců u hal kruhového nebo nepravidelného půdorysu jsou v podstatě stejné jako u hal s obdélníkovým půdorysem, liší se geometrické uspořádání dílců v nosném systému. Stručná charakteristika konstrukcí uváděných v příspěvku je v tabulce 1. Zahrnuty jsou konstrukce s lepenými i příhradovými nosnými dílci. Přípoje typu ?dřevo - ocel? mohou být řešeny s použitím hřebíkových spojů (v případě tenkých plechů do tloušťky 2,5 mm) a kolíkových spojů (v případě plechů větší tloušťky) nebo s použitím speciálních spojovacích prvků.
U konstrukcí větších rozpětí je zpravidla potřeba pro montážní styky a silně namáhané spoje v oblasti podpor použít kolíkové spoje s plechy minimální tloušťky 5 mm.
Všechny typy konstrukcí uvedených v tab. 1 byly řešeny jako prostorové systémy s uvážením interakce dřevěné konstrukce s betonovou spodní stavbou, respektive se základy. Posunutí a pootočení podpor má podstatný vliv na velikost vnitřních sil a přetvoření konstrukce a je nutné tuto skutečnost při návrhu konstrukce respektovat.
Teoretická analýza výpočtových modelů nosných systémů je pouze jednou, i když zásadní, stránkou problému. Pokud má být systém realizován, je nutné vyřešit řadu dalších otázek, souvisejících s vlastnostmi materiálu, výrobou, transportem, montáží, ochranou materiálu a obecně se spolehlivostí konstrukce. Jedná se o problémy, které lze považovat za platné pro všechny konstrukce daného typu, i problémy, které jsou specifické pro konkrétní uvažovaný typ konstrukce. Ve vztahu ke konstrukcím uvedeným v tabulce 1 bylo nutné vyšetřit zejména:

  • Vliv poddajnosti spojů na únosnost a přetvoření konstrukce: v řešených případech se tento vliv nejvíce projevil u konstrukcí s příhradovými vazníky (tab. 1, položka 3). Otázka byla vyhodnocována teoreticky, experimentálními testy a geodetickým měřením na skutečných konstrukcích v různých fázích jejich působení. Stanovení předpokládaných deformací s uvážením poddajnosti spojů a vlivu dlouhodobého působení zatížení a změn vlhkosti je nezbytné také pro určení velikosti amplitudy nadvýšení a křivky nadvýšení. U konstrukcí větších rozpětí má nadvýšení podstatný vliv na geometrii systému a výrobní detaily.
  • Interakci dřevěné konstrukce se spodní stavbou a základy: vliv poklesu, posunutí a pootočení podpor je u některých typů konstrukcí zásadní (tab. 1, položka 2 a 6). Rozhodující je způsob podepření dřevěné konstrukce na spodní stavbu. Z tohoto důvodu, ale též z montážních důvodů, je výhodnější řešení s patními, případně i vrcholovými klouby (tab. 1, položka 4).
  • Použití styčníkových plechů v lepených prvcích. Obecně jde o problém výskytu nebo dodatečného vzniku trhlin v oblasti přípojů, které mohou mít vliv na snížení únosnosti spojů. Výsušné trhliny se u profilů z rostlého dřeva vyskytují prakticky vždy, ale z návrhového hlediska v obvyklých případech neznamenají snížení únosnosti spojů. Příhradové vazníky s lepenými pásovými pruty a se spoji na bázi styčníkových plechů (tab. 1, položka 3) byly v ČR realizovány poprvé. Bylo sice možné využít určité poznatky ze zahraničí, ale rozhodující je konkrétní technologie výroby, režim vysychání dřeva v konstrukci a řada dalších souvisejících problémů, včetně případné sanace.

Položka

Typ konstrukce podle hlavních nosných dílců

Účel stavby

Rozpětí [m]

Základní typ spojů

Základní materiál

Místo

Rok

1

kopule s obloukovými žebry

planetárium

20,6

lepené lamely

lepené lamelové dřevo

Brno - Kraví Hora

1985

2

příhradové vetknuté oblouky

tenisová hala

40,4

vkládané plechy 1,25, hřebíky 3,1 mm

rostlé dřevo, hraněné řezivo

Frýdlant nad Ostravicí

1997

3

příhradové vazníky proměnné výšky

tenisová hala

24,4

vkládané plechy 1,25, hřebíky 3,1 mm

kombinace lepené dřevo, rostlé dřevo

Frýdlant nad Ostravicí

1998

4

trojkloubové příhradové oblouky

sportovní hala

59,0

vkládané pl.1, hřebíky 3,1, kolíky 16 mm

rostlé dřevo, hraněné řezivo

Bílovec

2001

5

příhradové vazníky proměnné výšky

zimní stadion

40,4

vkládané pl.1, hřebíky 3,1, kolíky 7 mm

rostlé dřevo, hraněné řezivo

Vrchlabí

2002

6

lepené nosníky se zakřiveným rámovým rohem

bazénová hala

24,8 až 35,4

lepené lamely

lepené lamelové dřevo, rostlé dřevo

Brno - Kohoutovice

2007

¤ Tab. 1. Charakteristika některých typů realizovaných halových konstrukcí v ČR. Realizační projektovou dokumentaci konstrukcí uvedených v tab. 1 pod položkou 2 a 3 vypracovala firma MiTek Industries, konstrukcí pod položkou 4 a 5 firma Profinvestik Frýdek-Místek, s.r.o. Výrobcem a dodavatelem dřevěných konstrukcí uvedených pod položkou 2, 3, 4 a 5 byla firma Profinvestik Frýdek-Místek, s.r.o. Experimentální testy byly provedeny na teoreticky navržených konstrukčních dílcích (testy provedl Technický a zkušební ústav stavební v Praze, pobočka Ostrava) tak, aby výsledky testů dostatečně objektivně vystihovaly působení dílců v konstrukcích. Konstrukční systémy (tab. 1, položka 2 a 3) byly v ČR realizovány poprvé; u dalších již bylo možné využít teoretických poznatků a praktických zkušeností získaných z výroby, montáže a skutečného působení těchto konstrukcí. U konstrukce (tab. 1, položka 6) se jedná o návrh. Realizace se předpokládá pravděpodobně v příštím roce.

Haly obloukového a rámového typu

Z konstrukčního hlediska mohou být oblouky a rámy řešeny jako plnostěnné (zpravidla vyrobené z lepeného lamelového dřeva), anebo jako příhradové. Oba typy jsou pro realizaci vhodné a v praxi používané. Rozhodnutí o výběru systému závisí na mnoha faktorech, zejména na ekonomickém vyhodnocení, které je však nejvíce ovlivněno možnostmi výrobce a dodavatele konstrukce. Důležitá je otázka doby, potřebné od návrhu po realizaci konstrukce.
Lepené trojkloubové a dvojkloubové oblouky patří k běžně používaným nosným dílcům halových staveb. Výhodou je příznivé statické působení oblouků, poměrně jednoduchá skladba konstrukce, zavedená technologie výroby oblouků, estetický vzhled, použití standardních konstrukčních detailů a z toho vyplývající, zpravidla ve srovnání s jinými typy příznivé, ekonomické náklady na realizaci konstrukce. Sportovní a víceúčelové haly s lepenými oblouky patří již ke klasickým stavbám. Jako typický příklad je uvedena konstrukce víceúčelové haly v Novém Městě nad Metují, navržená v roce 1982 na VŠLD Zvolen (obr. 1). Průzkum a posouzení stavu konstrukce bylo provedeno v roce 1998 [3]. Sportovní hala VUT v Brně byla uvedena do provozu v roce 2007 (obr. 2). Konstrukce byla původně, v souladu s architektonickým záměrem, navržena z příhradových oblouků. Ve výběrovém řízení byla, zejména na základě ekonomického vyhodnocení, zvolena varianta s lepenými oblouky při zachování původního základního tvaru konstrukce. Kromě hal s obdélníkovým půdorysem jsou lepené oblouky využívány jako základní nosné dílce v konstrukcích žebrových kopulí (tab. 1, položka 1) a v lamelových konstrukcích velkých rozpětí.

Obr. 2. Sportovní hala VUT v Brně
¤ Obr. 2. Sportovní hala VUT v Brně: rozpětí lepených oblouků 45 m, osová vzdálenost 5 m (architekt I. Ruller, výrobce a dodavatel dřevěné konstrukce Tesko, a.s. Praha)

Příkladem haly s použitím příhradových oblouků je sportovní hala v Bílovci (obr. 3). Charakteristiky této konstrukce jsou uvedeny v tabulce 1, položka 4. V souvislosti s jejím návrhem a realizací bylo třeba vyřešit zejména prostorovou tuhost konstrukce velkého rozpětí (v současné době jde o konstrukci daného typu s největším rozpětím v ČR), otázku dostatečné únosnosti členěných prutů tvořících pásy oblouků, volbu typu uložení konstrukce s návrhem odpovídajících konstrukčních detailů, vliv poddajnosti spojů, vyhodnocení vlivu imperfekcí a vyhodnotit experimentální testy vyrobených konstrukčních sekcí. Důležité jsou poznatky z průběžného zaměřování provozovaných konstrukcí geodetickými metodami. Na uvedené konstrukci byla zatím provedena měření deformací ve třech etapách v období 2001 až 2003. Výsledky prokazují příznivé vlastnosti tohoto typu halové konstrukce, zejména velkou tuhost soustavy.

Obr. 3. Sportovní hala v Bílovci
¤ Obr. 3. Sportovní hala v Bílovci (tab. 1, položka 4) s příhradovými oblouky rozpětí 59 m, osová vzdálenost 5,5 m (výrobce a dodavatel dřevěné konstrukce Profinvestik Frýdek-Místek, s.r.o.)

Pro halové objekty rámového typu se obvykle navrhují lepené nebo příhradové trojkloubové a dvoukloubové rámy. Konstrukční zásady a detaily jsou v principu shodné s obloukovými systémy. Mezi nejdůležitější body patří účinné zabezpečení rámů proti příčné a torzní ztrátě stability (klopení u lepených rámů) a proti vybočení (vzpěr tlačených prutů u příhradových rámů). V obou případech je nutné zajistit dostatečnou tuhost konstrukce jako celku proti globální ztrátě stability, a to zpravidla pomocí příčných a podélných ztužidel, případně i jiných výztužných systémů. Důležitým problémem je vyšetření intenzity příčných tahových napětí v zakřivených rozích lepených rámů (u oblouků není tento problém tak závažný, protože poloměr křivosti je podstatně větší). Nepřípustně vysoké hodnoty příčných tahových napětí mohou být zdrojem trhlin ve dřevě nebo i delaminace lepených spár.
Lepené polorámové nosníky jsou hlavními nosnými dílci konstrukce bazénové haly v Brně-Kohoutovicích (dřevěná nosná konstrukce Bohumil Straka, Milan Šmak) [4]. Lepené polorámy se zakřiveným rámovým rohem nejlépe vyhovují netradičnímu a zajímavému architektonickému řešení (architekt Miloš Schneider). Z konstrukčního a výrobního hlediska jde o poměrně složitý problém, protože půdorys i výškové uspořádání stavby jsou nepravidelné a lepené průřezy vyžadují velké dimenze. Výška základního průřezu u segmentů největších rozpětí je 1960 mm, šířka 240 mm; v oblasti zakřiveného rámového rohu je výška 2945 mm nikoliv ze statických důvodů ale za účelem dodržení stanoveného tvaru střešní plochy. Základní konstrukční myšlenka spočívá ve vytvoření konstrukce z klenbových pásů - segmentů šířky 5 m, jejichž hlavním dílcem jsou lepená žebra, umístěná ve střední ose segmentu. Stabilita segmentů je zabezpečena nosnými vrstvami střešního pláště, vytvořenými ze šikmého dvojitého bednění. Konstrukce byla uvažována jako prostorový systém a zařazena do třídy provozu 3 (nepříznivé podmínky působení konstrukce ve vlhkém prostředí). Architektem požadované zakřivení lamel v oblasti rámového rohu je u těchto konstrukcí většinou na hranici výrobních možností a je nutný kompromis. V daném případě je poloměr zakřivení vnitřních lamel 4500 mm. Pro uložení lepených žeber segmentů byla navržena čepová kloubová ložiska v patce i v podpoře polorámu. Pro navrhování řady typů konstrukcí, zejména rámů a oblouků, je zásadním detailem spojení, umožňující účinný přenos ohybových momentů, normálových a posouvajících sil. Z výrobních a transportních důvodů je u konstrukcí větších rozpětí nezbytné navrhovat montážní styky s použitím mechanických polotuhých spojů. Pro montážní styky lepených rámových žeber segmentů byly navrženy ocelové kolíky průměru 20 mm, uspořádané radiálně ve dvou kruzích. Při návrhu byly využity poznatky z teoretického a experimentálního výzkumu kolíkových spojů s vkládanými ocelovými plechy do lepených dřevěných průřezů [2].

Obr. 4. Dřevěný příhradový nosník.
¤ Obr. 4. Dřevěný příhradový nosník. Spoje řešeny na bázi styčníkových plechů. Příhradový vazník s lepenými pásy; charakteristický detail styčníku s vloženými styčníkovými plechy tloušťky 1,25 mm.

Skladba haly s dřevěnými příhradovými nosníky a betonovými sloupy
¤ Skladba haly s dřevěnými příhradovými nosníky a betonovými sloupy: a) příhradové nosníky, b) příčníky, c) vaznice, d) pevná kloubová ložiška, e) posuvná kloubová ložiska, f) betonové vetknuté sloupy

Halové konstrukce s příhradovými nosníky

Příhradové nosníky patří mezi nejčastěji vyráběné dřevěné dílce pro malá a střední rozpětí (obvykle do 20 m). V halových konstrukcích jsou používány jako střešní vazníky podepřené na sloupech nebo obvodových stěnách. U hal menších rozpětí jsou sloupy dřevěné, u hal větších rozpětí bývají navrhovány sloupy ocelové nebo betonové, vetknuté do základových patek. V současné době jsou nejrozšířenější příhradové nosníky se styčníkovými plechy zalisovanými do dřeva, jejichž výroba je automatizovaná a také pro navrhování jsou k dispozici speciální programy (rozpětí nosníků je do 30 m). Samozřejmě také používání lepených vazníků, různého geometrického tvaru (sedlových, zakřivených, vyklenutých), je v praxi zcela běžné. V příspěvku jsou uvedeny dva příklady využití dřevěných příhradových nosníků v objektech větších rozpětí.
Konstrukce s dřevěnými hlavními nosníky podepřenými na betonových sloupech proměnné výšky byla navržena pro zastřešení tenisové haly (tab. 1, položka 3). Pásy příhradových nosníků jsou lepeného průřezu, spoje jsou řešeny na bázi styčníkových plechů tloušťky 1,25 mm (obr. 4). Všechny přípoje, včetně montážních styků, jsou hřebíkové. Jedním ze zásadních bodů bylo stanovení křivky a hodnoty nadvýšení nosníku a rozmístění montážních styků. Střední část nosníků v délce 16,2 m byla provedena s nadvýšením, montážní styky jsou situovány do míst zalomení dolních pásů (obr. 4). Skladba realizované konstrukce je patrná (obr. 5).

Obr. 5. Konstrukce zastřešení tenisové haly ve Frýdlantu nad Ostravicí
¤ Obr. 5. Konstrukce zastřešení tenisové haly ve Frýdlantu nad Ostravicí (tab. 1, položka 3) s příhradovými vazníky na rozpětí 24,4 m (výrobce a dodavatel dřevěné konstrukce Profinvestik Frýdek-Místek, s.r.o)

Obr. 6. Střešní konstrukce zimního stadionu ve Vrchlabí
¤ Obr. 6. Střešní konstrukce zimního stadionu ve Vrchlabí (tab. 1, položka 5), příhradové vazníky na rozpětí 40,4 m (výrobce a dodavatel dřevěné konstrukce Profinvestik Frýdek-Místek, s.r.o)

Dřevěná konstrukce haly zimního stadionu ve Vrchlabí je podepřena na betonových tribunách (tab. 1, položka 5). Původně otevřený stadion byl v rámci rekonstrukce zastřešen dřevěnou konstrukcí s příhradovými vazníky rozpětí 40,37 m (obr. 6). Vazníky působí jako prosté nosníky. Celá konstrukce je provedena z rostlého dřeva. V konstrukci jsou použity typy spojů s vkládanými styčníkovými plechy, a to hřebíkové spoje s tenkými plechy tloušťky 1 mm a spoje kolíkové s plechy tloušťky 5 mm. Detail konstrukčního řešení silně namáhaného spoje v místě zalomení dolního pásu vazníku je uveden na obr. 7. Při výpočtu bylo nutné uvážit vliv oslabení průřezu kolíkovými spojovacími prostředky, zejména u pásů namáhaných tahem, i vliv konstrukčně nezbytných excentricit ve styčnících s tím, že s ohledem na velké osové síly v připojovaných prutech vznikají i při poměrně malých excentricitách velká přídavná namáhání. Podepření vazníků na betonovou konstrukci tribun (obr. 8), umožňující vodorovný posuv odpovídající vypočteným hodnotám, bylo řešeno vložením elastomerových kruhových ložisek mezi úložné plechy ložiska. Příhradová konstrukce umožňovala umístění průchozích lávek a vzduchotechnických zařízení uvnitř střešní konstrukce. Prostorová stabilita konstrukce je zajištěna soustavou příčných a podélných ztužidel. Podélná ztužidla jsou vložena mezi hlavní nosníky jako samostatně vyrobené dílce a jsou připojena ke svislicím hlavních nosníků.

Obr. 7. Návrh detailu styčníku v místě zalomení dolního pásu vazníku
Obr. 7. Provedení detailu styčníku v místě zalomení dolního pásu vazníku
¤ Obr. 7. Návrh a provedení detailu styčníku v místě zalomení dolního pásu vazníku: ocelové kolíky průměru 7 mm (v přípojích prutů ke styčníkovým plechům) a 12 mm (ve styku taženého dolního pásu), styčníkové plechy i vložky tloušťky 5 mm

Obr. 8. Detail podporového styčníku
¤ Obr. 8. Detail podporového styčníku: vodorovný posuv vazníku v podpoře je umožněn vloženým kruhovým elastomerovým ložiskem do ocelové úložné botky.

Závěr

Cílem příspěvku bylo uvést některé soustavy dřevěných konstrukcí pro halové typy objektů a rovněž nové přístupy v oblasti navrhování a realizace dřevěných konstrukcí. Poznatky získané analýzou skutečného působení realizovaných konstrukcí jsou důležité pro hodnocení stavu konstrukcí i pro vývoj nových typů nosných systémů. S návrhem nosné konstrukce vždy úzce souvisí návrh spojů a konstrukčních detailů, jejichž působení musí dostatečně objektivně odpovídat výpočtovým modelům. Z průzkumů konstrukcí, a to nejen halového typu, vyplývá, že nejvíce poruch, v mezních případech i havarijních stavů, je způsobeno nedostatečnou prostorovou tuhostí konstrukcí. Zejména konstrukce vytvořené ze štíhlých prvků a dílců jsou citlivé z hlediska možné ztráty stability. Situace, kdy konstrukce je sice správně navržena, ale nejsou adekvátně provedeny dostatečně účinné přípoje, patří mezi poměrně časté závady.

Použitá literatura
[1] Straka, B., Melcher, J.: Dřevěné konstrukce tenisových hal ve Frýdlantu nad Ostravicí, Analýza nosných systémů s vkládanými ocelovými plechy a návrh konstrukcí, Brno, 1996, 1997
[2] Straka, B., Vejpustek, Z., Hradil, P.: Experimental analysis of semi-rigid behaviour of steel-to-timber joints with slotted-in plates, In. Proc. of VSU’2005 Jubilee International Conference, ?Ljuben Karavelov? Civil Engineering Higher School, Sofia, 2005, 6 p
[3] Adámek, J., Bažant, Z., Straka, B.: Průzkum a posouzení konstrukce zastřešení Zimního stadionu v Novém Městě nad Metují, 1998
[4] Straka, B., Šmak, M.: Návrh dřevěné nosné konstrukce zastřešení bazénové haly v Brně - Kohoutovicích (architekt Schneider, M.), Brno, 2007