Inovace v tesařských spojích
Se stoupající oblibou dřevostaveb a také snahou kvalitně rekonstruovat historické objekty s využitím tradičních technologií i nových poznatků se zvýšil v posledních letech zájem o technologie tesařských spojů. Tento článek tematicky navazuje na příspěvek Celodřevěné tesařské spoje z roku 2015 [1] a přináší přehled o tom, kam se výzkum v oblasti celodřevěných tesařských spojů posunul a na co se bude zaměřovat v následujících letech.
Úvod
Podrobnější výzkum celodřevěných tesařských spojů podnítily především požadavky památkové péče na zachování co největšího množství původního materiálu v historických dřevěných konstrukcích. Kvalitní technické provedení napojení původní části prvku na novou náhradu musí být v mnoha případech zároveň estetické. V návrhových normách pro dřevěné konstrukce nejsou návrhy tesařských spojů ani spojů s dřevěnými spojovacími prostředky podchyceny. Tento tradiční způsob spojování dřevěných prvků tak byl dlouhou dobu upozaděn, jelikož jejich návrh se opírá především o zkušenosti řemeslníků, kteří spoje vyrábějí. V poslední době však dochází v této oblasti k jisté renesanci, i díky vědeckým výsledkům.
Výzkum chování celodřevěných spojů podpořený programem NAKI Ministerstva kultury v rámci projektu Návrh a posuzování dřevěných tesařských spojů historických konstrukcí probíhal v letech 2012–2015 a byl úspěšně zakončen vydáním certifikované metodiky Celodřevěné plátové spoje pro opravy historických konstrukcí [2] a památkového postupu Využití celodřevěných tesařských spojů při opravách historických konstrukcí [3]. Oba dokumenty jsou spolu s dalšími informacemi a publikačními výstupy dostupné v elektronické podobě na www.itam.cas.cz/spoje. Pro potřeby konzultací je možné také zasílat dotazy k výzkumu, k navrhování celodřevěných spojů a rekonstrukcím dřevěných konstrukcí na e-mail spoje@itam.cas.cz.
Celodřevěný nastavovací plátový spoj byl primárně vyvíjen pro opravy ohýbaných prvků – především stropních trámů. Základní geometrie se ustálila na sklonu šikmého čela pod úhlem 45° a velikosti průměru kolíku d, který je roven desetině výšky opravovaného profilu h. Postupně se požadavky na aplikační potenciál zvyšovaly a spoj byl uzpůsoben také na kombinaci ohybu a tlaku (opravy krokví, hambalků) a částečně i kombinaci ohybu a tahu (vazné trámy). Spoj je komplikovaný z hlediska vnitřní distribuce namáhání. Rozložení na elementy a určení mezních stavů pro každou ze zatížených částí je problematické v souvislosti s jeho adaptivním chováním na vnější zatížení. Z toho důvodu se při návrhu pro praktické použití přistoupilo k tomu, že je celý spoj brán jako jednotka a pro každou z variant spoje byly vytvořeny diagramy únosnosti a odvozen vztah pro tuhost a deformaci prvku se spojem.
Současný stav
V metodice byly nakonec publikovány čtyři varianty celodřevěného plátového spoje se šikmými čely, každý s doporučením, na které konstrukční prvky je při opravách vhodný. Na ukázku jsou dva z nich uvedeny na obr. 2. Varianty lze rozdělit do dvou skupin. Čistě kolíkové spoje jsou z hlediska návrhu přímočařejší a rychlejší na výrobu. Hmoždíkové spoje během výzkumu vykazovaly vyšší potenciál v únosnosti, jejich čela však musí být navíc vždy podkosená, což výrobu komplikuje. Při použití ve vazných trámech je potřeba pro správné zapojení hmoždíku zajistit stažení plátů, na které při vysokém tahovém namáhání pouze podkosená čela stačit nemusí. Jelikož mají spojovací prostředky rozdílnou tuhost, únosnost i rozložení ve spoji, distribuce sil je v každé z variant spoje jiná. Za účelem postihnutí těchto stavů byly vytvořeny podrobné numerické modely.
Návrhová metodika je nástrojem hlavně pro statiky a projektanty, částečně také návodem pro prováděcí firmy a pracovníky památkové péče. Během jejího vývoje byla snaha navázat na platný Eurokód 5 a využít jeho pojetí. Příkladem je rozložení spojovacích prostředků ve spoji, které bylo inspirováno minimálními roztečemi a vzdálenostmi od okraje prvku (tj. od šikmého čela spoje) pro ocelové spojovací prostředky předepsané v normě. Vzhledem k tomu, že dřevěné kolíky nejsou tak tuhé jako ocelové a interagují s okolní masou dřeva lépe, jsou použité vzdálenosti nakonec kratší. Návrh spoje dodržuje stejný základní koncept jako Eurokód 5 a vyžaduje splnění obou mezních stavů – únosnosti i použitelnosti [4].
Poměrně úspěšná snaha zavést metodiku do praxe podněcuje k dalšímu bádání a její nevyhnutelné revizi. Jak se aplikace spoje do konstrukce projeví na jejím celkovém chování? Jak se budou spoje chovat v dlouhodobém časovém horizontu? Lze vyvinout únosnější varianty především pro tahově významně namáhané vazné trámy?
Aplikace spojů v konstrukci
Spoje jsou obecně slabým místem konstrukcí. Z pohledu statiky je vložení konstrukčního spoje do poškozeného prvku méně bezpečné než jeho celková výměna. Snížení tuhosti a únosnosti nebo vliv na okolní prvky musí být při opravách brán v úvahu stejně jako preventivní bezpečnostní opatření, mezi která lze počítat mohutnost zdí nebo běžnou předimenzovanost historických krovů. Dřevěné spojovací prostředky mohou být výhodné z hlediska kompatibility spojovaného a spojovacího materiálu, protože nedochází ke korozi dřeva na rozhraní dřevo-ocel. Nehrozí u nich také uvolnění během života stavby, protože se do konstrukce zabudovávají v suchém stavu (doporučeno je 8 % abs. vlhkosti) a postupně při přebírání vlhkosti ze spojovaného materiálu bobtnají a spoj utahují.
Změna tuhosti
Příklad změny chování konstrukce je uveden na výsledcích numerické simulace sady krokví jednoduchého hambalkového krovu, k jejichž opravě se celodřevěné spoje používají. Prostřední krokev je virtuálně „opravena“. Spoj v tomto prvku je namáhán kombinací normálové tlakové síly N a ohybového momentu M. Konstrukce je zatížena postupně ve třech krocích, během nichž bylo přidáno laťování a nakonec krytina. Náhled modelu a průběh ohybového momentu M po třetím kroku jsou na obr. 3. Délka krokví je 3,6 m, jejich příčný profil je 140 × 180 mm a délka spoje odpovídá Lp = 5h. Tuhost krokve se spojem k byla určena podle metodiky. Hodnota ohybové tuhosti prvku bez spoje kref byla použita k normování výsledků pro lepší srovnání. Výsledná tuhost modelu kmodel, která se objevuje v grafech, byla zaokrouhlena (chybějící prvek kmodel = 0,05; spoj v třetině prvku kmodel = 0,5; spoj u kraje opravovaného prvku kmodel = 0,7).
Výsledky studie jsou na obr. 4. Namáhání na ose y představuje normovaný ohybový moment, který lépe ukazuje vliv konstrukčních změn na distribuci vnitřních sil v systému. Na grafech je jasně vidět, že největší vliv na okolní prvky má chybějící prvek (kmodel = 0,05), s rostoucím zatížením je změna ještě více patrná. Oprava vždy přitíží sousedním prvkům. Za zmínku stojí také to, že ovlivněny jsou i další prvky v konstrukci, nejen ty přímo sousedící s opravovaným. Je vidět harmonický efekt ve střídání nárůstu a snížení namáhání v okolních prvcích.
Dotvarování
Dotvarování dřeva je nedílnou součástí jeho chování a při návrhu celodřevěného spoje by mělo být zohledněno. Zásadní je vliv vlhkosti dřeva a teplota okolního prostředí. Vysoká teplota a cyklické změny vlhkosti mohou vést až k poškození, více se však projevují v malém měřítku. Také délka trvání zatížení je výrazným faktorem v procesu dotvarování (jak pro deformaci, tak pro poškození prvků). Dotvarování dřeva je poměrně dobře dokumentováno, žádný z výzkumů se však komplexně nezabývá dotvarováním dřevěných spojovacích prostředků. Ověření chování celodřevěného spoje logicky navazovalo na jeho vývoj. Nejkritičtějším namáháním spoje z hlediska dotvarování dřevěných kolíků je kombinace tahu a ohybu. Pro správné přenášení zatížení je nutné zapojení šikmých čel, které při tahovém namáhání může být oslabeno. Dlouhodobě zatížený spoj dotvaruje a kontakt na šikmých čelech musí být přesto zachován.
Dlouhodobé experimenty byly provedeny na čtyřkolíkovém spoji, který byl vyroben v délce Lp = 4h na trámu s profilem 100 × 120 mm ze smrkového dřeva, kolíky s průměrem d = 12 mm byly bukové. Vlhkost materiálu se po celý průběh experimentu pohybovala okolo 12 %. Zatížení bylo vyvozeno mrtvou váhou ocelové koule o hmotnosti 740 kg nesymetricky umístěné tak, aby byl ve spoji vyvozen ohybový moment M = 1,4 kNm. To odpovídá návrhu podle diagramů z metodiky při konkrétním profilu a délce spoje bezpeč- nostnímu koeficientu rovnému 1. Sledován byl dlouhodobý vývoj de- formace uprostřed rozpětí nosníků. Výsledky zkoušky jsou na obr. 5.
Nové experimenty
Kombinované namáhání
V současné době probíhá testování velké série vzorků čtyřkolíkového spoje v měřítku 1 : 1, jež by mělo sloužit jako podklad pro zpřesnění části návrhového diagramu, která odpovídá kombinaci ohybového a tlakového namáhání. V praxi se projeví při návrhu spojů na opravu krokví (kombinace vyššího tlaku a menšího ohybu).
Tahový spoj
Nejkritičtějším typem namáhání konstrukčních prvků, které nejsou v metodice dostatečně podchyceny, je tah. Hmoždíkové spoje jsou na velkých profilech dostatečně únosné pod podmínkou, že je zajištěno dokonalé sevření plátů. Ambicí současného výzkumu je navrhnout spoj, který bude účinnější a dostatečně ověřený pro praxi. Měl by optimálně kombinovat funkci hmoždíku (rozepření a utažení spoje do čel) a kolíků (sevření plátů, lepší definovatelnost). Původní hmoždíkové spoje uváděné v metodice mají nízký počet spojovacích prostředků, protože důležité bylo pochopení principů mechanického působení. Únosnost vybraných variant s větším množstvím spojovacích prostředků se právě zkouší, experimentální sestava je vidět na obr. 6.
Další výzkum
V českém normativním systému chybí podklady pro bezpečný návrh použití nosného dřevěného spojovacího prostředku. V prezentovaných celodřevěných spojích se používají dva typy – kulatý kolík a vertikálně umisťovaný klínový hmoždík. První zmiňovaný je díky možnosti širšího uplatnění předmětem dalšího výzkumu, který v současné době právě probíhá za finanční podpory Technologické agentury ČR. Jedná se o projekt Dubový spojovací prostředek v dřevěných konstrukcích: podklady pro normativní ukotvení, na jehož řešení se kromě ÚTAM AV ČR podílí také Mendelova univerzita v Brně a Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT. Cílem je získat dostatečně rozsáhlý soubor experimentálních dat, na jejichž základě bude možné chování těchto spojovacích prostředků detailně popsat. V budoucnu by měl sloužit jako podklad pro vhodné ukotvení v hierarchii návrhových normativních předpisů. Výzkum je rozdělen do tří oblastí.
■ První se soustřeďuje na popis únosnosti samotného kolíku v závislosti na jeho materiálu a geometrii (průměr, délka).
■ Druhou zkoumanou oblastí je chování a únosnost okolního spojovaného materiálu, které je závislé např. na orientaci vláken dřevní hmoty.
■ Třetí neopomenutelná část výzkumu se věnuje dlouhodobému chování kolíku za různých vlhkostních a teplotních prostředí, který je vystaven zatížení. Deformace spojovacích prostředků a následně konstrukčních spojů totiž hrají v bezpečnosti konstrukcí výraznou roli.
V současné době jsou historické dřevěné konstrukce zkoumány v rámci dalšího projektu podporovaného Ministerstvem kultury NAKI II s názvem Historické dřevěné konstrukce: typologie, diagnostika a tradiční opracování dřeva. Náplní je kritický rozbor postupů užívaných při řemeslném opracování dřeva a z něho vycházející konkrétní návrhy pro optimalizaci restaurování, konzervace, oprav a údržby historických dřevěných konstrukcí. Dílčími cíli jsou systematizace krovových konstrukcí na základě konstrukčně-typologického zařazení, aplikace pokročilých metod v diagnostice a monitoringu fyzikálně-mechanického chování dřevěných konstrukcí i návrh konstrukčně-sanačních opatření vhodných pro obnovu památek na základě tradičních řemeslných postupů opracování stavebního dřeva (výběr kulatiny v lese, období kácení, eliminace růstového napětí při opracování, odezva dřeva na různé způsoby opracování).
Závěr
Během dvou let od ukončení pilotního projektu se autoři metodiky přesvědčili, že zájem o celodřevěné spoje v České republice je, stejně jako množství schopných řemeslníků, kteří jejich výrobu zvládají. Na základě pokračujícího výzkumu a také kooperace s praxí, která se obrací s konkrétními podněty a připomínkami, se bude metodika Celodřevěné plátové spoje pro opravy historických konstrukcí v roce 2018 postupně revidovat, aby pokryla všechny nové trendy. Do dalších let je navíc plánována publikace, která by celou problematiku nastavovacích tesařských spojů a využití dřevěných spojovacích prostředků měla shrnout, a to včetně uvedení úspěšných příkladů z realizací a opětovných doporučení na kvalitu provádění oprav a jejich pravidelnou kontrolu.
Zdroje:
[1] HASNÍKOVÁ, H.; J. KUNECKÝ a P. FAJMAN. Celodřevěné tesařské spoje. In Stavebnictví, roč. 9, č. 1–2 (2015), s. 12–15. ISSN 1802-2030.
[2] KUNECKÝ, J.; P. FAJMAN, H. HASNÍKOVÁ, P. KUKLÍK, M. KLOIBER, V. SEBERA a J. TIPPNER. Celodřevěné plátové spoje pro opravy historických konstrukcí. Certifikovaná metodika, osvědčení č. 113. 2016.
[3] KLOIBER, M.; J. KUNECKÝ, H. HASNÍKOVÁ, V. SEBERA, J. TIPPNER, P. FAJMAN, P. RŮŽIČKA a D. STEJSKAL. Využití celodřevěných tesařských spojů při opravách historických konstrukcí. Památkový postup, osvědčení č. 15. 2016.
[4] KUNECKÝ, J.; H. HASNÍKOVÁ, M. KLOIBER a P. FAJMAN. Half lap scarf joint with inclined faces and wooden dowels: research and design. In WCTE 2016 – World Conference on Timber Engineering. Vídeň: Vienna University of Technology, 2016, s. 254–261, ISBN 978-390303900-1.
