Zpět na materiály, výrobky, technologie

Prostorová tuhost budov na bázi dřeva

4. října 2007
doc. Ing. Petr Kuklík, CSc.

V rámci uplatňování koncepce trvale udržitelné výstavby roste v současné době v Evropě i u nás zájem používat dřevo na konstrukce budov včetně vícepodlažních. Budovy na bázi dřeva dokonce představují třetinu exportu českého stavebnictví. Příspěvek prezentuje výzkum problematiky prostorové tuhosti budov na bázi dřeva se zaměřením na chování smykové stěny (výztužné stěny) a na kompozitní dřevobetonové stropy.


Smykové stěny

Předmětem výzkumu byly smykové stěny (obr. 1) a jejich chování při svislém a současně monotónním a cyklickém vodorovném zatížení s uvážením různých způsobů jejich přikotvení ke spodní konstrukci.
Pro výpočet vodorovné výztužné únosnosti stěnového panelu je nejvhodnější použít metodu rovnoměrného smykového toku podle Eurokódu 5, upravenou pro různé způsoby přikotvení sloupků ke spodní (např. základové) konstrukci přenásobením součinitelem ΚA, (obr. 1).

Obr. 1. Zkouška smykové stěny a odvozený součinitel ΚA
¤ Obr. 1. Zkouška smykové stěny a odvozený součinitel ΚA

Kompozitní dřevobetonové stropy

U vícepodlažních dřevostaveb je velmi důležité, aby stropní deska byla co nejtužší. To lze docílit i použitím kompozitních dřevobetonových stropů.

Spřahovací prostředky
S rozvojem používání kompozitních dřevobetonových stropních konstrukcí narůstá především škála možných typů spřažení dřeva a betonu. Jako parametr vystihující tuhost spřažení se používá tzv. modul prokluzu k, který je dán poměrem přírůstků smykové síly a jí odpovídajícího prokluzu spřahovacího prostředku ve spáře spoje dřevo - beton v lineární části jeho pracovního diagramu.
V prvních kompozitních dřevobetonových konstrukcích dominovaly jako spřahovací prostředky klasické spojovací prostředky kolíkového typu (hřebíky, vruty apod.), používané pro spojování dřevěných prvků navzájem.
Zájem o větší uplatnění kompozitních dřevobetonových konstrukcí vedl postupně k vývoji nových spřahovacích prostředků, které jsou určeny jen pro tyto konstrukce.
V posledních pěti letech je výzkum v oblasti kompozitních dřevobetonových konstrukcí zaměřen také na jejich vlastnosti z hlediska akustiky a požární odolnosti.

Navrhování podle norem
Problematika navrhování kompozitních dřevobetonových nosníků je též zapracována do Eurokódů, které byly zavedeny do soustavy ČSN v České republice jako ČSN P ENV.
Kompozitní dřevobetonové konstrukce lze zjednodušeně řešit s využitím ČSN P ENV 1992-1-1, ČSN P ENV 1995-1-1 a ČSN P ENV 1995-2 následujícím způsobem.
Šířka betonové desky, která spolupůsobí s dřevěným nosníkem bef,c, se přibližně určí podle článku 2.5.2.2.1 ČSN P ENV 1992-1-1. V případě stropu z prostých nosníků o stejné osové vzdálenosti je bef,c:

u vnitřních nosníků stropu
u krajních nosníků stropu

kde bf je příčná vzdálenost mezi spřahovacími prostředky (v případě více než jedné řady spřahovacích prostředků) nebo průměr spřahovacího prostředku (v případě jedné řady spřahovacích prostředků), Ι je rozpětí dřevěného nosníku, b je osová vzdálenost dřevěných nosníků.
Kompozitní dřevobetonový T průřez lze posoudit podle přílohy B ČSN P ENV 1995-1-1.
Únosnost a tuhost spřažení se získají z výsledků smykové zkoušky provedené podle ČSN EN 26891 (obr. 3). V případě spřažení pomocí vrutů, kolíků, kroužkových a závitových hřebíků můžeme únosnost a tuhost spřažení určit standardním výpočtem pro spoj dřevo - dřevo. U vrutů, kolíků, kroužkových a závitových hřebíků, které jsou zabudovány kolmo na smykovou rovinu se může jejich únosnost podle článku 8.2.2 ČSN P ENV 1995-2 uvažovat o 20 % vyšší a tuhost o 100 % vyšší než v případě spojů dřevo - dřevo podle ČSN P ENV 1995-1-1.
Tento postup lze ale použít pouze v případě, že mezi dřevěným nosníkem a betonovou deskou není mezilehlá vrstva např. bednění. V případě mezilehlé nenosné vrstvy mezi dřevem a betonem (např. v případě dřevěného záklopu) se mají parametry únosnosti a tuhosti určit pomocí speciální analýzy (např. podle [4]) nebo zkouškami (obr. 2 a 3).
Výpočet podle ČSN P ENV je konzervativní a hodnoty únosnosti a tuhosti spřažení pomocí spřahovacích prostředků kolíkového typu jsou přibližné. Na základě provedené analýzy únosnosti a tuhosti spřahovacích prostředků bylo zjištěno, že především tuhost, určovaná podle ČSN P ENV 1995-2, je cca o 20 % nadhodnocována, neboť norma předpokládá, že spřahovací prostředek je v betonu dokonale vetknut a při zatížení nedochází k jeho zatlačení do betonu. Důležitým poznatkem též je, že jakost betonu má vliv na únosnost spřahovacích prostředků ve spojích dřevo-beton, ale nikoliv již na jejich tuhost.

Obr. 2. Protlačovací zkouška. Těleso s mezivrstvou (bedněním)
¤ Obr. 2. Protlačovací zkouška (podle ČSN EN 26891) spoje dřevo - beton s certifikovanými stavebními hřebíky podle ČSN 02 2825. Těleso s mezivrstvou (bedněním)

Obr. 3. Protlačovací zkouška. Těleso bez mezivrstvy.
¤ Obr. 3. Protlačovací zkouška (podle ČSN EN 26891) spoje dřevo - beton s certifikovanými hřebíky podle ČSN 02 2825. Těleso bez mezivrstvy.

Doporučení pro provádění

  • Spřažené dřevobetonové stropní konstrukce by neměly být používány v prostorách, kde je vysoká vlhkost vzduchu a/nebo vysoká teplota.
  • Nemělo by se na ně používat dřevo napadené dřevokaznými houbami a též dřevo se dření a s vysokou vlhkostí.
  • U dřeva by měla být zvýšená pozornost věnována již existujícím i potenciálně možným výsušným trhlinám. V místech existujících či předpokládaných výsušných trhlin by neměly být umísťovány spojovací prostředky.
  • Ocelové spojovací prostředky by měly mít protikorozní povrchovou úpravu.
  • Zvýšená pozornost by měla být věnována vyztužení tlustých betonových desek, aby se předešlo ztrátě tuhosti spřaženého průřezu v důsledku trhlin v tažené oblasti betonové desky.
  • Při betonování desky by mělo být dřevo chráněno před vodou z betonové směsi např. použitím vodotěsné fólie, nebo použitím betonu s nižším vodním součinitelem (bude menší smršťování betonu). Tento požadavek je vhodné zajistit především z estetického hlediska.
  • Pozor na dřeviny, které mohou zpomalovat tuhnutí betonu s ohledem na vyšší obsah cukrů v dřevní hmotě.
  • S rostoucím rozpětím nosníků by měla být dána přednost měkčím spojovacím prostředkům.
  • Když je to možné, betonová deska by měla být používána především za účelem snížení průhybu stropní konstrukce, než za účelem snížení napětí ve dřevěných nosnících.

Závěr

Závěrem je možno konstatovat, že kompozitní dřevobetonové stropy mohou být použity jak v případě starých, tak i nových staveb s dřevěnými stropními nosníky. Provedením betonové desky, kterou spřáhneme s dřevěnými nosníky pomocí různých spřahovacích prostředků, výrazně zvýšíme tuhost i únosnost stropní konstrukce. Kompozitní dřevobetonové stropní konstrukce mají též lepší parametry kročejové a vzduchové neprůzvučnosti a požární odolnosti oproti tradičním dřevěným stropům.
Rozvoj problematiky spřažených dřevobetonových stropů má velký význam především s ohledem na širší uplatnění dřeva v bytové výstavbě, a to zejména při realizaci vícepodlažních dřevostaveb.

Poděkování
Příspěvek, vznikl v rámci prací při řešení výzkumných záměrů ČVUT MSM 6840770005 ?Udržitelná výstavba? a MSM 6840770001 ?Spolehlivost, optimalizace a trvanlivost stavebních materiálů a konstrukcí?.

Pužitá literatura
[1] Brandejs, R.: Výztužné stěny dřevostaveb, ČVUT v Praze, 2006
[2] Koželouh, B.: Zkoušky těles spřáhnutých ze dřeva a betonu, ŠDVU Bratislava, 1975
[3] Kuklík, P.: Navrhování dřevěných konstrukcí, Technická knižnice autorizovaného inženýra a technika, ČKAIT, Praha, 1997
[4] Kuklíková, A.: Kompozitní dřevobetonové konstrukce, ČVUT v Praze, 2004
[5] Poštulka, J.: Holz-Beton-Verbunddecken, 36 Jahre Erfahrung. Bautechnik 74, 1997
[6] Straka, B.: Navrhování dřevěných konstrukcí, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o. Brno, EXPERT Ostrava, 1996
[7] ČSN 02 2825 Stavebné klince so zapustenou hlavou mriežkovanou, ČSNI, Praha, 1970
[8] ČSN EN 26891 Spoje s mechanickými spojovacími prostředky. Všeobecné zásady pro zjišťování charakteristik únosnosti a přetvoření (732070), ČSNI, Praha, 1994
[9] ČSN P ENV 1992-1-1 Navrhování betonových konstrukcí. Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČSNI, Praha, 1994
[10] ČSN P ENV 1995-1-1 Navrhování dřevěných konstrukcí, Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČSNI, Praha, 1996
[11] ČSN P ENV 1995-2 Navrhování dřevěných konstrukcí Část 2: Mosty, ČSNI, Praha, 1998