Integrovatelná diagnostika nejen pro „chytré“ vícepodlažní dřevostavby

Úvod

V současnosti, kdy sílí tlak na realizaci vícepodlažních dřevostaveb, je nezbytné se v celé šíři věnovat otázkám souvisejícím s jejich úspěšnou realizací. V čísle 01–02/2023 časopisu Stavebnictví byly prezentovány vhodné konstrukční systémy vícepodlažních dřevostaveb a uvedeno, co je třeba uvážit v zájmu zajištění jejich spolehlivosti – únosnosti, tuhosti a požární odolnosti. Popsána byla též problematika spojená s použitím křížem vrstveného dřeva, které patří k inovativním inženýrským výrobkům vhodným k jejich realizaci. Tento článek je zaměřen na problematiku, která je v případě vícepodlažních dřevostaveb také nesmírně důležitá, a to vedení různých rozvodů – vody, elektřiny, plynu atd. a samozřejmě i sprinklerů. Věnuje se též problematice včasného zjištění jejich možných poruch, které oproti nízkopodlažním dřevostavbám mohou mít v případě vícepodlažních dřevostaveb nedozírné následky.

Význam monitorování konstrukcí dřevostaveb

Obecně je za největší riziko pro dřevostavby považován požár. Z hlediska možných obětí na životech a poškození dřevostaveb je to jistě pravda. Jaká je však pravděpodobnost, že dřevostavbu postihne požár, ve srovnání s pravděpodobností, že ji postihne havárie vodovodního rozvodu apod. nebo – z různých důvodů – zvýšená vlhkost? Pokud jde o bezpečnost a dlouhou životnost dřevostaveb, je nutné mít kromě požáru na zřeteli i další faktory. Důsledky zvýšené vlhkosti mohou zkracovat jejich životnost nebo mohou mít na jejich konstrukci i fatál­ní dopady.

Miniaturizace senzorů, možnost jejich integrace do konstrukce, technologie bezdrátové komunikace nebo prodloužená životnost baterií – to jsou hlavní důvody, proč v současnosti můžeme mluvit o systémech integrovatelné diagnostiky přímo do konstrukcí budov a využívat je k jejich monitorování i včasné detekci rizikových situací nebo k plánování údržby. Požární bezpečnost a odolnost dřevostaveb je řešena v mnoha technických normách, ale vlhkost nebo další faktory ovlivňující životnost těchto staveb zatím odraz v naší technické normalizaci příliš nemají. Některé zahraniční technické normy však již např. doporučují instalaci čidel vlhkosti do konstrukce. Zatímco požár je naštěstí v budovách poměrně výjimečný, problémy s vlhkostí většinou zažil za svůj život každý – vyskytují se daleko častěji než požár, a to bez ohledu na to, z jakého materiálu je stavba zhotovena. Pokud jen trochu sledujeme v médiích pokroky ve využívání dřevěných konstrukcí ve světě a nejsou nám cizí pojmy jako GLT, CLT nebo LVL, stále častěji registrujeme zprávy o realizaci dalšího nového projektu vícepodlažní dřevostavby – ať někde v Evropě či ve světě. Dřevo jako stavební materiál prožívá renesanci a nové technologie výroby dřevěných prvků architektům umožňují vytvářet nevšední tvary, které by z jiných materiálů byly jen obtížně realizovatelné.

Vlivem požadavků na posuzování životního cyklu staveb (Life Cycle Assessment – LCA) a certifikace budov existuje stále větší tlak na používání dřeva jako základního stavebního materiálu nebo alespoň jako součásti hybridních konstrukcí, tedy konstrukcí použí­vajících kombinaci dřeva a dalších tradičních mate­riálů, jako jsou beton a ocel. Dávno se nezaměřujeme pouze na energetickou náročnost budovy v době provozu, ale i na energetickou náročnost a uhlíkovou stopu samotného procesu výstavby a přípravy vlastních stavebních materiálů. A právě v tom zatím nemá dřevo jako přírodní materiál konkurenci. Budovy ze dřeva si v současnosti nelze představovat jen jako lehké dřevěné rámové konstrukce, používané převážně na rodinné domy a nízkopodlažní dřevostavby, ale i jako konstrukce na bázi těžkého dřevěného skeletu z lepeného lamelového dřeva GLT či masivních dřevěných panelů z křížem vrstveného dřeva CLT, které umožňují stavět i vícepodlažní budovy, o něž začíná být stále větší zájem. O popularitě dřeva jako stavebního materiálu hovoří i počty výzkumných projektů, které se dřevem jako stavebním materiálem v současnosti zabývají. S rostoucím počtem konstrukcí ze dřeva pak nabývá na významu poptávka po možnosti jejich monitorování během výstavby a běžného provozu.

Instalace rozvodů ve vícepodlažních dřevostavbách

Vedení různých rozvodů je v případě vícepodlažních dřevostaveb podstatně náročnější než v případě nízkopodlažních dřevostaveb. Velmi důležitá jsou samozřejmě i různá protipožární opatření, která mají zabránit rychlému šíření požáru. V průběhu návrhu vícepodlažní dřevostavby je proto třeba velice pečlivě uvážit umístění různých rozvodů a zařízení mezi jednotlivými podlažími, ve stropech a ve stěnách, které může být provedeno buď jen částečnou, nebo úplnou integrací do stropních a stěnových prvků, viz obr. 1.

Konstrukce stropů z masivních dřevěných a dřevobetonových panelů

Plně integrovaná řešení instalace rozvodů umožňují ponechat spodní stranu dřevěné konstrukce přiznanou, což je, oproti stropu zakrytému podhledovou konstrukcí, často požadováno zejména z estetického hlediska a z hlediska marketingu budovy. Je však třeba si uvědomit, že stropy s přiznanou konstrukcí mají omezené možnosti pro umístění různých rozvodů včetně sprinklerů, detektorů kouře a osvětlení a případně i systémů vzduchotechniky nebo sálavého vytápění a chlazení.

Mnoho stávajících konstrukčních systémů má „směrové“ uspořádání stropních prvků. Například při použití panelů (většinou obdélníkového tvaru) a trámů je dán primární směr pro vedení rozvodů, který může představovat problém v případě vedení rozvodů v sekundárním, kolmém směru. Zmíněné provedení stropů není také ideální z hlediska umístění rozvodů v rozích budovy. Řešení potom mnohdy vyžaduje podhled, často jen pro některé části stropní konstrukce z důvodu zakrytí přechodů rozvodů v kolmém směru a umožnění jejich vedení pod stropními konstrukcemi, nikoli skrze ně. Použití podhledů tedy konstrukci budovy výrazně zjednodušuje a umožňuje instalovat rozvody podle potřeby, jak je to typické pro budovy z oceli nebo betonu. Současně to též usnadní servis a údržbu.

Konstrukce stěn z masivních dřevěných panelů

V Evropě byly v prvních realizovaných projektech vícepodlažních budov rozvody vsazeny do masivních dřevěných stěnových panelů, aby dřevo zůstalo ve vnitřních prostorech přiznané. Toto řešení se však považuje za podstatně dražší a velmi komplikovaně proveditelné. U většiny konstrukcí stěn se proto používá předstěna s lehkým ocelovým (někdy u nižších budov i s dřevěným) rámem a sádrokartonovými deskami, čímž se vytvoří servisní prostor pro elektroinstalaci, vodovodní a požární systémy atd. Předstěny obecně vylepší i akustické a požární vlastnosti budovy.

Konstrukce podlah

Řešení vrchní vrstvy stropu se donedávna provádělo betonovou vrstvou nad masivní dřevěnou deskou nebo nad hybridní konstrukcí z betonových a masivních dřevěných desek či nad hybridní konstrukcí z betonových prefabrikátů a dřevěných trámů. V každém z těchto případů přidání betonového „záklopu“ pomáhá akustickým vlastnostem konstrukce podlahy a zlepšuje její vlastnosti. Poskytuje také prostor pro integraci elektroinstalace a potrubí sálavých systémů vytápění a chlazení. Tyto systémy jsou však obtížně „servisovatelné“ a přístupné. V projektu Whitmore Road založeném na maximálním využití CLT panelů byl proto použit kazetový průřez stropní konstrukce z masivních dřevěných panelů s přístupnou demontovatelnou izolací pro možnou změnu elektroinstalace nebo potrubí, viz obr. 2. Na horní straně odstupňovaných konstrukčních panelů je potom dostatečně hluboký prostor pro uložení dalšího potrubí a rozvodů.

Instalační předstěny a podhledy

Jak již bylo uvedeno v předchozím textu, všechny rozvody lze různě integrovat do konstrukce, avšak nejjednodušší je použít předstěny a podhledy. Bez ohledu na míru integrace různých rozvodů v konstrukci dřevostavby je dlouhodobé působení vlhkosti způsobené úniky vody a kondenzace na vodovodních nebo jiných rozvodech, včetně vnitřních svodů dešťové vody, významným rizikem vizuálního a potenciálně i konstrukčního poškození dřeva. Ve všech zmíněných případech je tedy vhodné použít systémy monitorování vlhkosti.

Protipožární opatření vícepodlažních budov

Všechny vícepodlažní dřevostavby vyžadují sprinklerový a stojanový protipožární systém.Umístění sprinklerů by mělo být vždy zohledněno již ve fázi volby konstrukčního systému. V případech, kdy je snaha dřevěnou konstrukci v interiéru z části přiznávat, může být nutné aplikovat více sprinklerů.Velkou roli v rámci protipožární ochrany hraje také zapouzdření nosné konstrukce, které může být provedeno různým způsobem.

• Úplné zapouzdření se zajišťuje dostatečnou tloušťkou sádrokartonových desek nebo jiných podobných materiálů, aby se zabránilo zuhelnatění dřeva.
• Omezené zapouzdření je ekonomičtějším řešením, které má zejména zabránit přispění konstrukčního dřeva k rozvoji požáru.
• Vrstvené zapouzdření se týká konstrukčních dřevěných prvků tvořených vrstvami dřeva a nehořlavých materiálů. V tomto směru existuje mnoho různých vhodných kombinací materiálů, všechny však vyžadují další výzkum a testování.

Integrovatelná diagnostika pro „chytré“ dřevostavby

Pomocí integrovatelných senzorů pro diagnostiku konstrukcí lze monitorovat následující parametry nebo veličiny:

• senzory požáru
– monitoring teploty a přehřátí;
– monitoring kouře a spalin hoření;
• senzory vlhkosti
– monitoring vzdušné vlhkosti v konstrukci;
– monitoring hmotnostní vlhkosti ma­­teriálů;
• senzory statického zatížení
– monitoring průhybu;
– monitoring přetvoření dílů;
– monitoring posunu nebo změny tvaru;
• senzory dřevokazného hmyzu.

Senzory požáru

Zřejmě nejrozšířenější kategorií senzorů jsou senzory požáru, i když se ve většině případů nejedná o senzory integrované do konstrukce, ale senzory monitorující vnitřní prostory (prostředí) budovy. U stěnových panelů, kde jsou aplikovány předstěny se vzduchovou mezerou, mohou někdy nastat případy šíření požáru tímto prostorem. Po omezenou dobu je tak šíření požáru skryto uvnitř konstrukce. V takové situaci mohou integrované senzory jako systém varování sehrát velmi významnou roli při jeho včasné likvidaci.

Senzory vlhkosti

U vícepodlažních dřevostaveb nabývá na důležitosti monitorování vlhkosti v dřevěné konstrukci. Je podstatné jak u budov rezidenčního, tak komerčního typu.

Je proto vhodné před hermetickým uzavřením prvků ze dřeva zjistit jejich reálnou hodnotu vlhkosti nebo eventuálně integrovatelný senzor pro kontinuální měření vlhkosti přímo zabudovat do uzavíraného prostoru. V tomto případě senzor kontinuálně poskytuje informaci o stavu vlhkosti a v případě různých problémů (vlhkost vzniklá kondenzací, zabudovaná vlhkost, porušení hydroizolace, zatečení) lze na vzniklou situaci okamžitě reagovat, místo otevřít, vysušit a dále je sledovat. Relativně levný integrovatelný systém tak pomáhá se sledováním aktuálních podmínek v konstrukci a varuje před vznikajícím problémem.

Vlhkost v konstrukci dřevostaveb

Vlhkost může být monitorována na základě měření vzdušné vlhkosti RH v konstrukci nebo na základě přímého měření vlhkosti (hmotnostní vlhkosti) WMC materiálu, ze kterého je budova postavena. Výhodou měření vzdušné vlhkosti v konstrukci je rychlost získání informace o případném problému, kdy měřené hodnoty ukazují na jakoukoliv přítomnost vody prudkým nárůstem hodnot vzdušné vlhkosti v řádech několika minut až několika málo desítek minut, viz obr. 3. Jiné je měření vlhkosti materiálu. Reakce na rostoucí vlhkost je pomalejší, protože se vlhkost postupně absorbuje do materiálu. Tento proces může být podle typu materiálu velmi pomalý (v řádu dnů až týdnů) a nárůst je vždy pozvolnější než změna relativní vlhkosti vzduchu v konstrukci, viz obr. 3. Senzorový systém MoistureGuard vyvinutý na ČVUT – UCEEB spojuje oba způsoby měření v jediném senzoru MHT, který je možné integrovat do konstrukce dřevostaveb ať již rámového typu, nebo z masivních prvků, např. CLT panelů, viz obr. 4 a 5.

Senzor MHT, viz obr. 4, je příkladem drátového provedení systému monitorování, jehož životnost nebude omezena kapacitou baterie. Drátové systémy jsou vhodné pro integraci do konstrukcí, kde je vyžadováno kontinuální monitorování bez omezení životnosti senzorů. Další bezdrátové systémy pro plnou integraci nebo senzory s možností výměny baterie se aktuálně vyvíjejí v rámci projektu podpořeného Technologickou agenturou ČR na ČVUT – UCEEB ve spolupráci s firmou InoSens CZ, s.r.o., a MoistureGuard, s.r.o., viz obr. 5. Díky bezdrátovým komunikačním technologiím přenosu dat s nízkou spotřebou je možné integrovat do konstrukce senzory napájené vestavěnou baterií, které mohou poskytovat data po dobu několika let. Pro mnohé aplikace je doba trvání monitorování pět až osm let dostačující a takové senzory lze použít přímo při prefabrikaci dílů dřevostavby. V jiném případě bude architektura provedení bezdrátového senzoru umožňovat výměnu baterií, které vydrží 2–3 roky provozu.

Senzory rovněž mohou pomoci při procesu vysoušení konstrukce již zasažené vlhkostí. Určí, kdy je stav vysušení dřeva dostatečný a kdy je konstrukci možné uzavřít. Příklad použití senzoru pro vysoušení dřevěné konstrukce po dlouhodobém úniku vody je znázorněn na obr. 6. Pro vysušení bylo aplikováno mikrovlnné vysoušení prováděné v týdenním intervalu na několika různých místech dřevostavby (rámové konstrukce). Působením mikrovln vždy docházelo ke skokovému snížení měřené vlhkosti, která však v krátké době začala opět stoupat vlivem transferu vlhkosti ve dřevní hmotě z míst, která nebyla zcela vysušena. Po celkovém vysušení konstrukce byly nicméně senzory v konstrukci ponechány, aby sledovaly další vývoj nebo případně včas odhalily nový únik vody.

Poděkování

Prezentované výsledky vznikly za podpory projektu FW03010267 – Systém pro komplexní monitorování stavu konstrukcí dřevostaveb, který je spolufinancován se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci programu TREND.

Zdroje:
[1] KUKLÍK, P. Development of timber framed houses in Central Europe. Venice 2000.
[2] KARACABEYLI, E.; C. LUM. Technical Guide for the Design and Construction of Tall Buildings.
[3] ČSN P CEN/TS 19103 (731701) Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Navrhování dřevobetonových kompozitních konstrukcí – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Praha: ČAS, 2022.