Vícepodlažní dřevostavby z křížem vrstveného dřeva

V oblasti vícepodlažní bytové a občanské výstavby se stále více uplatňují panely z křížem vrstveného dřeva – CLT (Cross Laminated Timber), které jsou velmi inovativním výrobkem na bázi dřeva, vytvářejícím předpoklady pro větší uplatnění dřeva ve stavebnictví. Technologii pro výrobu CLT používají i firmy v ČR. Například Stora Enso ve Ždírci nad Doubravou investovala přibližně 79 mil. eur do jedné z nejmodernějších výrobních linek na světě. Tato linka byla uvedena do provozu v roce 2022 a plánovaná roční kapacita po ukončení zahajovací fáze výroby je cca 120 000 m³ CLT panelů. Křížem vrstvené dřevo (označované zkratkami CLT, KLH či X-lam) je výrobek, který byl poprvé použit v Německu a v Rakousku v devadesátých letech 20. století. Díky svým vlastnostem si rychle získal oblibu nejen v Evropě, ale i na jiných kontinentech. CLT panel je tvořen vrst­vami dřeva, které jsou vzájemně spojovány (většinou kolmo na sebe). Na spojení jednotlivých vrstev k sobě se používají lepidla na bázi polyuretanu, polymeru, nebo jsou využity mechanické spojovací prostředky kolíkového typu, jako jsou např. dřevěné kolíky, hřebíky nebo vruty, viz obr. 1. S rozšiřující se výrobou CLT panelů začínají na trhu převládat lepené CLT panely, které se dají vyrábět různým způsobem, viz obr. 2.

Jednotlivé vrstvy CLT panelů jsou tvořeny lamelami z deskového řeziva, nejčastěji ohoblovaného smrkového nebo borovicového, které po mechanickém nebo vizuálním zatřídění spadají do tříd pevností C14–C30 podle evropské normy EN 16351 pro výrobu CLT. Vlhkost jednotlivých lamel se pohybuje okolo 12 %. CLT panel může být homogenní – veške­ré vrstvy jsou provedeny z lamel stejné třídy pevnosti, případně kombinovaný, ve kterém jsou pro jednotlivé vrstvy použity lamely rozdílné pevnosti. Počet vrstev se liší a závisí na typu a tloušťce panelu. Pro stěnové prvky se vy­užívají panely s menším počtem vrstev, naopak pro stropní panely se, v závislosti na potřebném rozpětí v konstrukci, aplikují panely vícevrstvé. Tloušťky jednotlivých vrstev jsou velice různorodé. Většina velkých evropských výrobců vyrábí panely ze standardizovaných tlouštěk vrstev 20 mm, 30 mm a 40 mm. CLT panely nesou nejčastěji označení L3s, L5s, L7s. Toto označení udává počet vrstev CLT panelu. Výsledné tloušťky jednotlivých panelů se tak mohou pohybovat mezi 60 a 280 mm. Na vyžádání jsou někteří výrobci schopni vyrobit i panely L8s s tloušťkou 300 mm. Specialitou bývají panely označené např. L7s-2. Jedná se o panely, kde jsou vnější dvě vrstvy lepené ve stejném směru. Tyto panely se používají na velká rozpětí.

Mezi hlavní výhody CLT panelů patří jejich fyzikálně-mechanické vlastnosti, tuhost a tvarová stálost. Tuhost CLT panelů, ať už lepených či mechanicky spojovaných, je dostatečná natolik, aby mohly být použity současně k přenosu svislých i vodorovných zatížení. Mechanicky spojované CLT panely však nejsou vhodné pro stropní konstrukce s ohledem na jejich velké přetvoření pod zatížením. Hlavní výhody CLT panelů jsou:

• rychlost výstavby;
• rychlost výroby (většinou plně automatizovaná výroba);
• snadná montáž a přeprava;
• vysoká únosnost ve vztahu k vlastní hmotnosti;
• stabilita a tuhost;
• tvarová stálost;
• tepelněizolační vlastnosti;
• flexibilní výroba (v současnosti již lze vyrobit i obloukové či kónické panely);
• schopnost snášet agresivní prostředí;
• požární odolnost;
• energeticky a ekologicky vhodný proces výroby;
• plná recyklovatelnost.

Všechny výše popsané výhody dělají z CLT panelu univerzální a přitom tvarově individuální prefabrikovaný výrobek.

Navrhování konstrukcí z CLT

Vzhledem k absenci pravidel pro navrhování konstrukcí z CLT v dosud platném Eurokódu 5 (EN 1995) je jejich navrhování do jisté míry velice individuální. CLT panely se dají na běžné namáhání, jako je ohyb nebo tlak, efektivně navrhnout podle základních pravidel stavební mechaniky. Problematické je spolupůsobení vnitřních vrstev CLT panelu s jeho podélnými vrstvami, zejména tuhost vnitřních vrstev, která toto spolupůsobení zajišťuje. Problematický je též výpočet CLT panelu na účinky požáru z hlediska možné delaminace jeho jednotlivých vrstev a rovněž návrh spojů. Podklady pro výpočet konstrukcí z CLT jsou v současnosti již připravovány pro 2. generaci Eurokódu 5.

Navrhování CLT za běžné teploty

V odborné literatuře a v příručkách pro navrhování konstrukcí z CLT jsou prezentovány různé výpočetní postupy a dostupné jsou i různé výpočetní programy.

• Gama metoda

Nejpoužívanější pro navrhování CLT panelů je analytická Gama metoda (metoda pro navrhování mechanicky spojovaných nosníků), která je uvedena v příloze B Eurokódu 5. Metoda počítá s efektivní tuhostí CLT panelu vypočtenou základními principy stavební mechaniky a zavádí přitom součinitel účinnosti spojení jednotlivých částí průřezu panelu – γ. Součinitel zohledňuje smykovou deformaci vnitřní příčné vrstvy CLT panelu v závislosti na jejím připojení. Pokud je součinitel γ = 1, jedná se o CLT panely, kde jsou jednotlivé vrstvy spojeny dokonale, součinitel γ = 0 je pro nespojené vrstvy. Součinitel γ se tak v případě lepených CLT panelů nejčastěji pohybuje mezi hodnotami 0,85–0,99. Toto řešení poskytuje velmi přesné výsledky při výpočtu prostě podepřených CLT panelů zatížených rovnoměrným spojitým zatížením. Problémem bývají jiné „statické“ aplikace nebo jinak působící zatížení. Potom dochází k nepřesnostem ve výsledcích, které jsou z hlediska inženýrské praxe většinou zanedbatelné.

• K-metoda

Další používanou metodou pro výpočet CLT panelů je metoda, která se používá pro kompozitní materiály (k-metoda). Tato metoda je používána hlavně při výpočtu únosnosti překližovaných desek (překližek), kde se kolmá vrstva nezahrnuje do výpočtu (E90 = 0). Pro výpočet CLT panelů byla tato metoda modifikována a tuhost kolmé vrstvy je uvažována jako E90 = 0,3 E0. Metoda předpokládá, že průběh napětí a přetvoření je lineární a platí Bernoulliho-Navierova hypotéza. Výsledkem je zavedení součinitele k pro různé použití panelu (např. jako strop či stěna) a jeho rozličné možné zatížení.

• Metoda smykové analogie

Další významnou metodou je metoda smykové analogie. Metoda bere v úvahu smykovou tuhost jednotlivých vrstev a jejich spojení. Je velice přesná pro všechny typy panelů, ovšem z hlediska výpočtu velice náročná. Panel je chápán jako prut a je rozdělen na dva samostatné virtuální pruty spojené nekonečně tuhými „stojinami“, zajišťujícími stejnou deformaci obou virtuálních prutů. Tuhost a napětí prvního prutu (A) se počítají pro každou vrstvu zvlášť, bez vlivu Steinerova doplňku vzhledem k lokálním neutrálním osám jednotlivých vrstev. Druhý prut (B) se počítá jako celek s vlivem Steinerových doplňků, kolem globální neutrální osy průřezu. Výsledek se získá součtem jednotlivých průběhů napětí.

• Tymošenkova metoda

Tymošenkova metoda byla rozpracována prof. Schickhoferem na základě Tymošenkovy paprskové teorie, která vychází z Bernoulliho-Navierovy hypotézy rozšířené o smykovou deformaci tlustých nosníků. Tymošenkova metoda je jednou z nejpřesnějších metod pro výpočet průhybu CLT panelů kolmo k jejich rovině. Metoda zahrnuje součinitel získaný experimentální cestou na základě poměrů rozpětí a šířky CLT panelu a Youngova modulu valivého smyku. Tento součinitel vyrovnává nedostatky současných analytických modelů, které modul valivého smyku téměř nezahrnují.

Navrhování CLT na účinky požáru

Požární odolnost CLT panelů je aktuálně předmětem mnoha požárních zkoušek a pravidla pro výpočet se připravují pro 2. generaci části 1-2 Eurokódu 5 (EN 1995-1-2). Pro lepené CLT panely nebo CLT panely s mezerami mezi lamelami menšími než 2 mm lze zjednodušeně předpokládat, že za požáru bude probíhat jednorozměrné zuhelnatění CLT panelu a návrhovou rychlost zuhelnatění panelu tak můžeme uvažovat hodnotami β0. Pro CLT panely s mezerami mezi lamelami o velikosti větší než 2 mm je nutné tuto skutečnost zohlednit. Mezery se například vezmou v úvahu tak, že se místo hodnot návrhové rychlosti zuhelnatění β0 počítá s hodnotami βn.

Průběh zuhelnatění CLT panelu je závislý na jeho umístění v konstrukci a též případné povrchové ochranné vrstvě. Nicméně lepidlo spojující jednotlivé vrstvy CLT panelu může, v závislosti na typu, vlivem rostoucí teploty snižovat své adhezní schopnosti a může tak docházet k delaminaci vrstev CLT panelu. Delaminace se týká hlavně stropních prvků, kde vlivem snížených vlastností lepidla za vysokých teplot a gravitace odpadávají jednotlivé vrstvy. Tento jev se projeví na tvaru křivek průběhu zuhelnatění, viz obr. 4. V důsledku delaminace se urychluje zuhelnatění prvku, protože se musí vždy po odpadnutí vrstvy vytvářet nová zuhelnatělá vrstva. Delaminace probíhá jinak u prvků umístěných svisle, u kterých k delaminaci nepřispívá gravitace. U stěn se nejčastěji používají modely, které s delaminací nepočítají. Delaminace se také neprojevuje u mechanicky spojovaného CLT.

Výpočetní programy pro navrhování konstrukcí z CLT

Jak bylo popsáno v předešlé části článku, navrhování a modelování CLT panelu je do jisté míry velice individuální. I přes absenci pravidel v rámci Eurokódu 5 existuje dnes pro výpočet CLT prvků mnoho softwarů a on-line výpočetních programů. Mezi základní programy, které se v současné době používají pro navrhování CLT panelů, můžeme zařadit např. Calculatis, CLT designer, Timbertech a případně jakýkoliv software, který počítá deskové prvky a lze do něho importovat matici tuhosti, např. RFEM. Každý z těchto softwarů však má velice specifické podmínky při zadávání i modelování prvků a konstrukcí z CLT panelů.

Calculatis od Stora Enso

Tento software je k dispozici on-line a používat ho může široká odborná veřejnost. Pro zadávání jednotlivých dat a hodnot není potřeba výrazných znalostí z oblasti statiky a dynamiky konstrukcí. Program je ovšem omezen jen na základní statické systémy a působící zatížení, viz obr. 5. Přestože má omezené uživatelské rozhraní, poskytuje velice kvalitní a propracované výsledky.

CLT designer

CLT designer, viz obr. 6, je svou strukturou velice podobný softwaru Calculatis od Stora Enso. Software pracuje jen se základními typy statických systémů, jako je prostý nosník nebo stěna v tlaku. Mimo tyto základní výpočty a ověření však nabízí mnoho dalších doplňujících informací, jako je matice tuhosti CLT panelu nebo rozdělení smykových sil na výztužné stěny podle těžiště. Na rozdíl od software Calculatis je také mnohem propracovanější ve výběru výpočetní metody a nastavení jednotlivých ověření. Uživatel může při každém ověření nastavit, kterou ze základních metod chce CLT panel posuzovat. V nabídce jsou metody Gama, metoda smykové analogie a Tymošenkova metoda.

Timbertech

Timbertech je jedním z nejpropracovanějších programů, viz obr. 7 a 8, pro posuzování a navrhování staveb z CLT panelů. Program umí sám vygenerovat zatížení sněhem, větrem a zemětřesením. Další výhodou je seznam veškerých velkých výrobců CLT panelů a jejich poskytované skladby průřezů. Kromě posouzení CLT panelů nabízí i posouzení spojů. V programu je možno zvolit základní typologické spoje podle příslušných výrobců. Výsledkem je tedy kompletní BIM/DWG soubor s průřezy a příslušnými spoji. Velikou nevýhodou Timbertechu je jeho uživatelské prostředí, které je velice složité a nepřehledné. Další problém představuje neschopnost programu poradit si se složitějšími prvky. Program rozeznává pouze nosníky a konzoly, proto je velice náročné dosáhnout správného chování konstrukce pří složitějších statických systémech. Bohužel tento software je k dispozici pouze v německy mluvících zemích (Rakousko, Německo, Švýcarsko) a v Itálii. Pracovat s tímto softwarem na území České republiky je velice obtížné.

Dlubal RFEM

RFEM od společnosti Dlubal je software, který se používá pro výpočet a posouzení prutových a deskových prvků. V RFEMu bohužel nejsou importovány CLT panely s příslušnými vlastnostmi. Výhodou je možnost importu vlastností pro jakýkoliv materiál. Při výpočtu program vypočítá vnitřní síly, napětí a deformace v závislosti na vlastnostech, které byly do programu zadány. To dělá z ­RFEMu univerzálního pomocníka při výpočtu a posuzování CLT panelů, viz obr. 9. Jestliže Timbertech počítá velice zjednodušeně, RFEM počítá s vlivem všech materiálových a tuhostních parametrů. V důsledku toho jsou velmi často výsledky odlišné od jiných metod výpočtu, a to hlavně pokud se jedná o podporové reakce. V případě RFEMu totiž hraje roli i Poissonův součinitel a modelování všech spojů v závislosti na jejich stupních volnosti.

Vícepodlažní dřevostavby z CLT panelů

Rostoucí zájem o dřevostavby způsobuje hlavně rychlé tempo a udržitelnost výstavby jako takové. CLT panely všechny tyto výhody splňují, a to rychlostí výstavby, individualitou, kvalitou a stavebně-fyzikálními vlastnostmi. V řadě případů dokonce i rámové konstrukce předčí. Samotná výstavba vícepodlažních budov z CLT panelů má velkou výhodu oproti ostatním materiálům především v rychlosti výstavby. Jelikož se jedná o prefabrikované, předem připravené dílce, je celková doba výstavby extrémně krátká. O to větší důraz musí být však kladen na samotný návrh konstrukce. Vzhledem k tomu, že se veškeré úpravy v panelech provádějí předem, je důležité mít kompletní architektonické řešení se všemi prostupy a otvory. Na základě toho může dojít k optimalizaci konstrukce.

Jedním z nejdůležitějších kroků v prvotní fázi plánování stavby je rozdělení svislých nosných prvků na primární a sekundární. Primární nosné prvky budou použity pro přenos vodorovných a svislých zatížení, a to přímo spojem stěna – stěna, případně spojem stěna – strop – stěna. V těchto primárních stěnách by neměly být otvory či jiné prostupy snižující tuhost stěny. Již v prvotní fázi plánování je proto důležitá spolupráce mezi statikem a architektem. Primární stěny by měly probíhat na celou výšku budovy. Tyto stěny by zároveň v závislosti na výšce budovy měly mít optimální délku, a to z důvodu rozkladu ohybového momentu v patě stěny. V tomto případě nastává připojení k základové konstrukcí prostřednictvím smykových desek, případně úhelníků a kotev typu „hold-down“ pro ukotvení tahových reakcí způsobených vodorovnými silami. Na obr. 10 je osmipodlažní budova Bridport House v Londýně, která je příkladem velmi elegantní vícepodlažní dřevostavby z CLT. Vznikla ve spolupráci Ioany Marinescu a firmy Stora Enso. Aby konstrukce navozovala dojem celku a působící vodorovné síly byly svedeny do výztužných (primárních) stěn, bylo třeba zajistit deskové spolupůsobení v jednotlivých patrech konstrukce. Deskové působení je zřejmě největší výhodou CLT budov oproti ostatním systémům dřevostaveb. Samotná deska optimalizovaná jen na svislé zatížení má i ve své rovině díky ortogonálním vrstvám dostatečnou tuhost. Díky své plošné konstrukci a tloušťce navíc poskytuje dostatek prostoru pro tvorbu spojů.

Závěr

Vzhledem ke stále se zvyšujícímu tlaku na omezení emisí a ochranu životního prostředí je CLT materiálem budoucnosti. Poskytuje velice dobré vlastnosti v poměru únosnosti a tuhosti k dalším sledovaným vlastnostem, jako je akustika, tepelná technika či požární odolnost. Pokud správně přistoupíme k problematice CLT a vytvoříme dostatečné podmínky pro jeho správné navrhování, můžeme tento materiál používat téměř kdekoliv a za jakýchkoliv podmínek. To z něj dělá jeden z nejuniverzálnějších a ekologicky nejpřijatelnějších materiálů současnosti. 

Poděkování

Tento článek byl podpořen grantem ČVUT v Praze SGS22/143/ OHK1/3T/11 – Dřevěné konstrukce vícepodlažních budov.

Literatura:
[1] CLT handbook cross-laminated timber. Edited by Sylvain GAGNON and Ciprian PIRVU, 2011; Canadian ed; ISBN 978-0-86488-547-0.
[2] Pro Holz Austria 2014; Cross-Laminated Timber Structural Design; DI Dr. Markus WALLNER-NOVAK; DI Josef KOPPELHUBER; DI Kurt POCK; ISBN 978-3-902926-03-6.
[3] Production and Technology of Cross Laminated Timber (CLT): A state of the art Report 2013; R. BRANDER; ISBN 1-85790-181-9.
[4] ČSN EN 1995-1-1 (73 1701) Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla. Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. ČNI, Praha, 2006.
[5] ČSN EN 1995–1-2 (73 1701) Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru. ČNI, Praha, 2006.
[6] ČSN EN 16351 (73 2832): Dřevěné konstrukce – Křížem vrstvené dřevo – Požadavky. ÚNMZ, Praha, 2021.

GRAFICKÉ PODKLADY: archiv autorů