Statické problémy vícepodlažních budov ze dřeva

Požární a statická bezpečnost

V prvním případě  je  postupně  dosahováno pokroku, nikoliv však v ČR, ale v zahraničí, kde byla již realizována, díky úpravě předpisů a využívání moderních technologií z oboru TZB, řada vyšších budov. V článcích [5] a [6] uveřejněných v minulých číslech tohoto časopisu je přesvědčivě uvedeno, jak se s tímto problémem v zahraničí po-stupně vyrovnávají a jak se z toho můžeme poučit. Ve druhém případě je situace složitější. Malá hmotnost dřeva a malá tuhost používaných uspořádání dřevěných konstrukcí, dovolujících ve srovnání s betonovými a ocelovými konstrukcemi návrh budov jen omezené výšky, dávají proti dřevěným konstrukcím závažné argumenty. Je třeba se tím zabývat, neboť i zahraniční příklady, vyrovnávající se s problémy z hlediska požární bezpečnosti, dosahují jen omezené výšky.

Cíl článku

Cílem článku je podpořit z hlediska statické bezpečnosti směřování  k uplatnění dřeva u vícepodlažních budov. Cesta spočívá ve využívání konstrukčních uspořádání, která jsou v souladu s vlastnostmi dřeva a která byla umožněna osvojením si výroby velkoplošných lepených panelů ze vzájemně zkřížených prken typu KLH, CLT apod. Jde o vyhovění tendenci, která vzniká u budov v souvislosti s jejich odhmotňováním a zvětšováním výšky. Faktor ohybu nabývá vrchu nad faktorem tlaku.

Zvětšením výšky a odhmotněním konstrukce prudce vzrůstají vodorovné účinky (vítr apod.), přičemž svislé účinky mohou i přes vyšší zástavbu klesat. Dochází proto ke značným rozdílům v namáhání svislých prvků. V těch se objevují i napětí tahová. Výslednice vnějších účinků se podstatně odchyluje od těžiště a vznikají tak vedle problému přenesení tahových napětí ve svislých prvcích i problémy zajištění budovy proti převržení.

Teprve tedy v situaci, kdy začíná mít důležitý význam ohybový faktor, nabývá skutečné reálnosti otázka prostorového rozmístění hmoty nosné konstrukce a praktická potřeba zabývat se problematikou konstrukčního systému vícepodlažních budov. Z konstrukčně statického hlediska jistě nemůže být námitek proti tendenci rozmisťovat hmotu (tuze ji vzájemně vázat) co nejdále od střední oblasti budovy. Z hlediska efektivnosti využití hmoty nemůže být pochyb o možnosti dosažení minima spotřeby hmoty a zabezpečení důležitého kritéria komplexní hospodárnosti touto cestou.

V tuzemsku bylo prvně poukázáno na výhody nového konstrukčního uspořádání již v roce 1961 v souvislosti s kritikou příčného stěnového systému, který se v té době bouřlivě rozvíjel u panelových soustav hromadné bytové výstavby. Tyto soustavy obsahovaly silikátový obvodový plášť, jenž byl uvažován jako zavěšený, tedy nenosný. Pouhým zohledněním skutečné statické funkce (plášť byl tuze připojen ke zhlavím příčných stěn) bylo odhaleno podstatné snížení namáhání vykazované dosud v příčných  stěnách.  Bylo  poukázáno na důležitost podrobného statického prověření styku mezi pláštěm   a zhlavím stěn, ve kterých se dosud namáhání zanedbávalo. Stojí za povšimnutí, že již tehdy vedla tato kritika k obhajování podélného stěnového systému, neboť doporučovala orientaci na obvodový plášť vzájemně promyšleně vázaný omezeným počtem  příčných  stěn (štíty, dělicí stěny mezi sekcemi apod.). Hledala se cesta, jak  čelit „faktoru ohybu“. Přechod na panelovou technologii představoval totiž prudké odhmotnění konstrukce. Ve srovnání s tíhou do té doby používaných „masivních“ konstrukcí, kdy vážila konstrukce průměrné bytové jednotky cca 200 t, se pohybovala tíha u nově vyvíjených panelových soustav kolem cca 60 t. Důsledné domýšlení orientace  na využívání obvodových konstrukcí přineslo návrh tzv. sendvičového konstrukčního systému.

Možnosti sendvičového konstrukčního systému

Systém byl vyvinut  pro  budovy  na  bázi  železobetonu,  zdůvodněn v práci [1] a patentován v roce 1964 [2]. Je vytvořen ze  svislých prvků rozmístěných v lících budovy, které jsou vzájemně spojeny vodorovnými stropními deskami  a  svislými  vodorovnými  příčkami – membránami (obr. 2). Sestava stropních desek a membrán vytváří tuhou voštinu, neposuvně spojenou s oběma fasádními konstrukcemi. Výsledný konstrukční systém je obdobou známých sendvičových konstrukcí s vnějšími plášti a vnitřním jádrem. V tomto případě zastávají funkci vnějších plášťů obvodové konstrukce (stěny nebo sloupové sestavy) funkci vnitřního jádra vodorovné stropní desky a svislé membrány. Veškeré vnější účinky přenášejí obvodové konstrukce tlakem (tahem) a membrány se stropy jsou namáhány smykem (obr. 3).

Stropní konstrukce mohou být ukládány několika způsoby. Přímé ukládání příčných stropních panelů na obvodové stropní konstrukce je z hlediska namáhání systému včetně podloží nejvýhodnější, protože zatížení ze stropních  konstrukcí  se  roznese  rovnoměrně  po délce obvodové konstrukce. Při větší  hloubce  budovy  mohou být stropní panely též ukládány podélně, a to přímo na membrány, které působí zároveň jako příčné „průvlaky“. Tato úprava má velké přednosti z dispozičního hlediska, neboť umožňuje získat volné plochy, rovnající se součinu hloubky budovy a vzdálenosti membrán (1 až 2) L.  Při vzdálenosti  2L jsou  příčky  šachovnicově  vystřídány a stropní panely jsou uloženy na jedné straně na horní a na druhé straně dolní přírubě membrány (obr. 4). Stabilita konstrukčního systému v tom případě vyžaduje, aby byla stropní tabule ve vodorovné rovině tuhá, alespoň na rozpětí 2L (obr. 5). Provede-li se v jednom travé úprava a, v dalším travé úprava b, plyne z podmínky nepoddajnosti stropní tabule ve vodorovné rovině, že a + b = c. Nově vzniklá úprava c je staticky určitá. Z obr. 5 je též zřejmé, že membrány lze vystřídávat nejen po výšce, ale i po hloubce budovy, použije-li se  v každém travé úprava c (obr. 6). Tak  je možné získat volné plochy    o libovolné délce. Různou kombinací uvedených úprav lze dosáhnout značné variability v aplikaci  sendvičového  konstrukčního  systému. Je třeba zdůraznit, že membrány jsou i při přenášení zatížení ze stropu namáhány téměř výhradně smykem. Je toho dosaženo vzájemným vázáním horních (při ohybu tlačených) a dolních (při ohybu tažených) přírub tuhými stropními tabulemi, jak je ukázáno na obr. 7. Lze je proto snadno používat na celou hloubku budovy.

Sendvičový konstrukční systém vychází z poznatku, že schopnost přenášet svislé účinky je v rámci použitého materiálu přímo úměrná hmotnosti svislých  prvků.  Míra  přenesení  vodorovných  účinků je naopak dána nejen velikostí (hmotou), ale i rozmístěním hmoty svislých prvků a jejich spřažením. Z toho vyplývá reálný podklad pro uplatňování hlediska co nejpříznivějšího rozmístění hmoty svislých prvků, přičemž jeho závažnost stoupá v souvislosti  se  snižováním tíhy a zvětšováním výšky budovy. Sendvičový systém toto kritérium dokonale splňuje. Poskytuje maximálně možné rameno vnitřních sil  a zajišťuje kvalitativně vhodné namáhání prvků – tlak (tah) ve sloupech a stěnách, smyk v membránách, krátké vzpěrné délky.

Přednosti sendvičového konstrukčního systému

K popsanému konstrukčnímu systému se dospělo na základě analogie s třívrstvým uspořádáním sendvičového nosníku, neboť se hledalo optimální prostorové rozmístění hmoty, respektive prostorové rozmístění hmoty bylo položeno jako základní východisko. Při tvarování prvků a vazeb (jádra třívrstvého nosníku ve formě voštiny) vznikla však skladba sloup + membrána, která vytváří základní svébytnou kategorii. Lze k ní dojít právě při úvahách o efektivní vazbě, a to   v oblasti sloupových rámových konstrukčních systémů.

Rámová sestava pracuje se sloupy, které vzájemně spřahuje příčlí. Ač má příčel tyčový charakter, je tuhost tohoto spřažení relativně značná, přestože spřahované  sloupy  jsou  rovněž  štíhlé.  Přesto  je však rámový princip s nízkou příčlí pro přenášení vodorovného zatížení nevhodný. Primární moment od vodorovného  zatížení  je sice působením smykových sil v příčlích téměř dokonale vyrovnán, avšak bodové působení těchto  sil  na  sloupy  vede  k  momentům  ve sloupech (obr. 8). Jsou-li však místo příčlí tyčového charakteru použity membrány, vedou přibližně tytéž smykové síly nejen k vyrovnání primárního ohybového momentu vcelku, ale k vyrovnání po celé výšce sloupu, neboť tyto síly, respektive smykové toky, jsou spojitě rozloženy (obr. 9). Ke skladbě sloup + membrána lze tedy  dojít při racionalizaci rámového principu sloup + příčel. Navíc při vzájemném smykovém spojení membrán dochází v nich od zatížení stropy k příznivějšímu namáhaní než v příčlích. Příčle jsou namáhány ohybem, kdežto membrány smykem.

Sestava sloup + membrána byla v roce 1964 úspěšně odzkoušena ve Stavebním (v současnosti už opět Kloknerově) ústavu ČVUT v Praze. Ocelový sloup vysoký 3 m sevřený v tisícitunovém lisu propojený se železobetonovým žebrovým panelem 6 × 3 m² a doplněný šikmým táhlem (účinek větru) ověřil při daných dimenzích spolehlivou funkci při budově vysoké 36 podlaží a hluboké 2 × 6 m. V tehdejší situaci, kdy se opírala výstavba vícepodlažních budov o vybudovanou síť paneláren produkujících prvky pro příčný stěnový konstrukční systém, se tyto náměty neuplatnily.

Použití sendvičového konstrukčního systému u budov na bázi dřeva

Záměna betonu, který vedl k vykazování cca třicetitunové tíhy konstrukce průměrné bytové jednotky za dřevo, ze kterého lze vytvořit obdobnou konstrukci při ponechání dimenzí prvků u stropů, sloupů a stěn, směřuje k tíze kolem 12 t, což značně zvýrazňuje „faktor ohybu“ a hrozí, že dřevo v soutěži neobstojí. Avšak dnešní zvládnutí výroby velkorozměrných dřevěných panelů ze vzájemně zkřížených vrstev prken dává možnost pro konstruování budov na bázi dřeva i pro mnohopodlažní budovy při uplatnění sendvičového konstrukčního systému. Otevírá se tak cesta k dřevěnému stavění v oblasti vícepodlažních budov. Tato orientace vedla k úpravě popisovaného systému při použití panelů CLT [3].

Stropní desky, svislé obvodové stěny a ztužující příčky (membrány) jsou vzájemně tuze vázány kovovými spojkami. Na obr. 10 je uveden jako příklad náčrt dvacetipodlažní budovy provedené z panelů CLT o délce 9,0 m a tloušťce 150 mm. Stropní  desky  lze  při  tloušťce 150 mm použít i pro rozpětí větší než uvedených 9 m při sendvičovém provedení [4]. Betonové komunikační jádro nemá ztužující funkci, neboť dřevěná konstrukce obou křídel budovy má ve srovnání s jádrem mnohonásobně větší tuhost. Hmotnost dřevěné konstrukce vychází 0,05 t na 1 m³ obestavěného prostoru, což je cca pětina hmotnosti konstrukce běžné betonové budovy vysoké do čtrnácti podlaží. Příčky a stropy jsou opatřeny protihlukovou izolací, obvodová stěna izolací tepelnou. Na obr. 11 je stejný příklad s alternativním provedením obvodové konstrukce. Panely jsou nahrazeny ocelovými nebo dřevěnými sloupy a lehkým pláštěm. Membrány jsou vystřídány, čímž lze získat volné plochy 18 × 9 = 162 m². Navíc membrány procházejí přes zdvojené sloupy do vnějšího prostředí a umožňují provedení balkonů. To přispívá i k estetickému ztvárnění průčelí.

Závěr