Záchrana malovaných a jinak výtvarně pojednaných dřevěných stropů

Tyto požadavky jsou řešeny známými způsoby, například odstraněním starých stropů a jejich nahrazením novou konstrukcí, nabetonováním nových podlah a zajišťováním jejich spolupůsobení se stávajícími stropními nosníky, doplňováním konstrukce dalšími, nejčastěji ocelovými nosníky. Tyto nové prvky jsou přitom namáhány pouze ohybem a zpravidla se dostávají do nosné funkce až při přetížení nosníků stávajících. Zvětšení únosnosti a tuhosti starých dřevěných stropů se však dá dosáhnout hospodárným způsobem a šetrně ke konstrukci a okolí.

Přístup staticko-ekonomický
Novou cestou je zvětšení únosnosti stávajících nosníků jejich napnutím speciálními ocelovými příložkami, kdy je dosaženo dokonalého využití oceli.

Přístup ekologický
Řešení spočívá v odhalení trámů dočasným odstraněním podlahového souvrství, v napnutí trámů a ve zpětném navrácení odstraněného materiálu. Ze staveniště se odvážejí pouze hnilobou napadené a jinak poškozené části stropu a na místo rekonstrukce se dopraví subtilní krátké ocelové příložky. Tímto způsobem autor článku sanoval několik desítek tisíc metrů čtverečních starých, nedostatečně únosných a prohnutých stropů. Postupy soustavně zdokonaloval a patentoval poprvé v roce 2001 [1].

Přístup památkářský
V poslední době autor postupy upravil i pro výtvarně pojednané stropy a řešení přihlásil k patentování [2]. Úpravy spočívají ve změně umístění příložek a ve způsobu napínání.
Dosud se příložky přikládají k bokům dřevěných trámů. To je však v případě viditelných trámů vyloučeno, a proto se příložky přikládají k trámům shora.

Principy zachraňování stropu
Ocelová příložka (1) se uloží mezi zarážky (2), připojené k trámu (3) poblíž podpor, a to v prohnutém tvaru (viz obr. 1). Prohnutí se dosáhne podložením příložky distančními elementy (4) v poli a jejím přišroubováním koncovými vruty (5) k trámu. Po aktivaci podepření konců příložky vůči zarážce se odstraní distanční elementy.
Protože příložka je opřena o zarážky, vnese se po uvolnění do příložky první část tlakové předpínací síly (N1). Poté se příložka přišroubuje uprostřed pole napřimovacím vrutem (6) a stabilizačními vruty (7) k trámu. Napřímením se vnese do příložka druhá část tlakové přepínací síly N2. Ta se spolu s N1 přenese prostřednictvím zarážek do oblasti trámu mezi zarážkami. Vznikne zde tahová normálová síla N = N1 + N2 a ohybový moment N . r, zmenšující moment Mq od zatížení q. Dosáhne se tak zmenšení průhybu a normálového napětí v trámu na požadované hodnoty (obr. 2).

¤ Obr. 1. Uspořadani předpinacich prvků. Ocelova přiložka (1), zaražky (2), tram(3) distančni elementy (4), koncove vruty (5), napřimovaci vrut (6), stabilizačni vruty (7).

Příklad napínání trámu
Máme dřevěný strop s malovanými trámy a záklopovými prvky. Rozpětí trámů je 7,0 m, dosavadní zatížení 7,0 kN/m, do budoucna 9,0 kN/m. Trámy tedy budou namáhány momentem Mq = 55,0 kNm. Napětí v krajních vláknech trámu o rozměrech 240x320 mm2 by tak bylo 13,5 MPa, tedy jedenapůlnásobek Rd. Průhyb trámu je 52 mm. Ten je způsoben dotvarováním, a je tedy zčásti nevratný. Jak se po zjištění modulu Ed ukázalo, yrez = 22 mm.
Při rekonstrukci bude průhyb zmenšen předepnutím trámu a dále zvětšením tuhosti trámu o příspěvek ocelové příložky. Ta bude po předepnutí spolupůsobit s dřevěným trámem při namáhání ohybem od zatížení užitného a od určité části vlastní hmotnosti stropu. K předpětí trámu se použije válcovaného profilu U č. 80 o délce 4500 mm (obr. 1).
Po odebrání podlahového souvrství včetně násypu nad trámem v pruhu širokém cca 0,3 m se ve vzájemné vzdálenosti 4500 mm souměrně k ose rozpětí odebere záklop v šířce 200 mm. Po upravení horní plochy trámu se do vybrání dlouhého cca 500 mm přilepí pomocí lepidla Sikadur 31 CF Normal zarážky z U profilu dlouhého 500 mm, opatřeného čelem tlustým 20 mm a zarážky se přišroubují (obr. 2).
Po uložení příložky U č. 80 opatřené čely tlustými 10 mm se kontrolně prohne příložka přes distanční elementy o výšce 95 mm pomocí vrutů na volných koncích, kterými se volné konce přitlačí k záklopu. Při tomto kroku se vnese do trámu přitížení vyvolané odporem ohýbaného U profilu. Poté se mezi čela zarážek a příložky osadí válcové čepy a mezi čep a zarážku na jedné straně se vloží aktivační plech. Poté se odstraní distanční elementy a pomocí napřimovacího vrutu se U profil přitiskne k trámu, čímž se dosáhne předpětí v profilu. Výsledná předpínací síla se prostřednictvím zarážek přenáší do trámu, který se nadvýší. Nadvýšení dosáhlo 16 mm, čímž se ověřilo, že modul pružnosti dřeva trámu Ed = 11 000 MPa.
Po uvolnění napřimovacích vrutů se opět příložka prohne přes distanční elementy, jejichž výška odpovídá potřebné síle N při zjištěném Ed. Prohne se tak, aby po opětovném vložení aktivačních plechu potřebné tloušťky, vyjmutí distančních elementů a definitivním napřímení příložky pomocí napřimovacího vrutu a mezilehlých vrutů bylo dosaženo vypočítaného snížení napětí v trámu a zmenšení jeho průhybu. Ve výpočtu se přitom zohlední vzdálenost příložky od trámu (tloušťka záklopu), zatížení trámu v době napínání (míra odstranění podlahového souvrství) a další okolnosti.

¤ Obr. 2. Detail AL. Řez 1-1

Výpočet potřebného předpětí
Předpětí, tj. síla N v příložce, je jednoznačně dáno výškou distančních elementů, jimiž se prohne příložka před jejím definitivním napřímením a propojením s trámem.
V předchozím odstavci se uvážilo proříznutí záklopu pouze pro zarážky a v místech napřimovacího vrutu a mezilehlých stabilizačních vrutů. Zde se potom přilepí zarážky a dřevěné vložky, zajišťující budoucí přímý tvar příložky. Tento stav, na rozdíl od průběžného proříznutí drážky v celé délce příložky, je výhodný, protože se při něm dosáhne zvětšení ramena r. Důležité pro napínání je též zatížení, které právě působí na strop. Například pro parametry, uvedené v předchozím odstavci, platí graf na obr. 3. Je v něm zakresleno nadvýšení trámu, respektive normálová síla, respektive prohnutí příložky v závislosti na zatížení p, a to pro podmínku σo = Ra nebo pro podmínku σd = Rd. Je z něj patrné, že míra napínání pružiny je velmi závislá na zatížení p, které bude přenášet trám po předpínání. Naopak nadvýšení trámu je na zatížení q-p téměř nezávislé. Vždy dojde k nadvýšení trámu kolem 40 mm, tedy téměř k napřímení, neboť bez užitného zatížení by se prohnul o 5 . 4,3 + 22 = 44 mm, s užitným zatížením o 9 . 4,3 + 22 = 61 mm.
Pokud jde o namáhání konstrukce, je v konečném stadiu dosaženo stejného výsledku ve všech případech zatížení p. Při malém odebrání podlahového souvrství se dosáhne větším prohnutím příložky využití oceli předpětím, při úplném odebrání se dosáhne využití oceli větším spolupůsobením příložky při přenášení zatížení p. Tyto souvislosti platí ve většině praktických případů.
Ani míra prohnutí příložky není zajímavá. Síla potřebná k prohnutí je totiž malá - zde P = 15,6 ξ (kg), kde ξ je udáno v cm.
K normálovému namáhání trámu v dolních vláknech σd = 4,3 MPa < Rd a v horních vláknech - 1,7 MPa dochází ve všech případech zatížení p.
V daném příkladu byla zvolena příložka U č. 80 (Uo = 11 cm2), pro parametry trámu a zatížení zřejmě nadbytečná. Potvrzuje to výpočet napínání: za předpokladu, že bude ocel dokonale využita, tj. σo = Ra, vychází využití dřeva na 50 % (σd = 0,5Rd) a naopak - dokonalého využití dřeva při namáhání dolních vláken σd = Rd se dosáhne při využití oceli na 50 %. Jestliže se však pro příložku použije U č. 50 (Uo = 7,12 cm2), stoupne využití na cca 80 %.
Efektivnost konstrukce závisí tedy na správné volbě Uo. Pro podmínku σo = Ra a σd = Rd vychází přibližně:

kde L je rozpětí a Wd průřezový modul trámu.
Tento vzorec by mohl být použit pro předběžný návrh příložky.

Závěr
Napínání stropních trámů podle popsaného návrhu umožňuje zvětšit únosnost a tuhost konstrukce bez kontaktu s podhledem stropu. Hospodárnost spočívá ve správné volbě napínací příložky. Rozhodnutí o režimu napínání bude potom záviset na tom, zda při rekonstrukci má být vyměněna větší část podlahy, nebo půjde o snahu co nejméně zasahovat do konstrukce stropu.

Použitá literatura
[1] Nosník se zvětšenou únosností - patentová listina č. 295097 Úřadu průmyslového vlastnictví, Praha 2001.
[2] Ztužený stropní trám s výtvarně pojednanými plochami a způsob ztužení, ÚPV, patentní přihláška PV 2009-161.

Autor: prof. Ing. Václav Rojík, DrSc.

¤ Obr. 3. a), b), c). Grafy nadvyšeni tramu, resp. normalova sila, resp. prohnuti přiložky v zavislosti na zatiženi p, a to pro podminku σo = Ra nebo pro podminku σd = Rd.