Použití CLT konstrukcí a jejich kombinací při výstavbě nosných skeletů budov občanského vybavení

V současnosti dochází k významnému rozvoji používání moderních inženýrských produktů na bázi dřeva. Jedním z nejsilnějších produktů je CLT neboli cross laminated timber. V Česku se pravidelně objevuje u staveb menšího rozsahu. Developerské skupiny už začínají objevovat řešení CLT bytových domů a fandové do dřevěného stavebnictví sami doma realizují TINY Houses a přístřešky. Ve společnosti A2 Timber vnímáme tento materiál v daleko širším kontextu. Díky otevřenému přístupu k novým věcem známe různé možnosti použití dřevěných plošných konstrukcí. Náš projekční tým se skládá z odborníků, kteří mají zkušenosti z navrhování jak železobetonových skeletů, tak ocelových konstrukcí. Proto se zamýšlíme nad možnostmi využití CLT plošných dřevěných prvků v porovnání se zažitým způsobem používání ocelových a železobetonových skeletů nebo deskostěnových konstrukcí.

POROVNÁNÍ CLT DESKY S OSTATNÍMI MATERIÁLY

Ve srovnání s tradičními materiály je velký rozdíl v hmotnosti materiálu. Plošná hmotnost CLT prvku se odvíjí od hustoty dřevní hmoty. U používaného smrkového a borovicového dřeva se hustota pohybuje v rozmezí 440–570 kg/m3. Při použití dřeva ve výrobku se pak při plánované vlhkosti 12 ±2 % uvažuje vlastní hmotnost 5,0 kN/m3, pro přepravu a technologický návrh pak 470 kg/m3. Porovnání s ocelovými prvky nedává tu správnou vypovídací hodnotu s ohledem na vysoký rozdíl mezi pevností oceli a dřeva. Vyšší vypovídající hodnota je při porovnání s betonem, s ohledem na obdobný způsob použití. Při zvážení návrhu prvku jako plošného dílce je například pro rozpon konstrukce 6,0–7,5 m použita betonová deska uvažovaná jako spojitý nosník v řádu 220–240,0 mm s plošnou hmotností 550–600 kg/m2. Oproti tomu dřevěný plošný prvek při návrhu za stejných okrajových podmínek lze předpokládat v tloušťce 280 mm, při zvážení návrhu včetně posouzení vibrace pak 140 kg/m2, tedy plošná úspora hmotnosti je ve prospěch dřevěné konstrukce zhruba 75 %, dřevěná deska bude přibližně 4x lehčí. Nízká objemová hmotnost však není výhodou při návrhu akustiky objektu.

Plošná CLT je materiál, který lze označit jako ortotropní, tedy při pohledu kolmo na plochu materiálu bude mít v každém směru jiné materiálové vlastnosti. To je dáno křížením jednotlivých vrstev materiálu. Běžně se používá lichý počet vrstev a v daných případech rovněž různé tloušťky lamel. Dle materiálové normy definující vlastnosti výrobku CLT ČSN EN 16351 by měla být v rozsahu 6–47 mm, nejčastěji jsou však kombinovány tloušťky lamel 20, 30 a 40 mm. Ortotropie materiálu je pak definována hlavně tl. započitatelného materiálu v jednotlivých směrech a z pohledu výpočtu nosného průřezu vrstveného materiálu pak vzdáleností osy jednotlivé vrstvy k neutrální ose celkového průřezu. Beton je oproti dřevu považován za izotropní, i když lze z pohledu na osazení a množství výztuže v jednotlivých směrech zohlednit stejné ortotropní vlastnosti jako u vrstveného dřeva CLT. Porovnejme nyní hlavní mechanické vlastnosti jednotlivých materiálů. Průměrná hodnota CLT plošného prvku je v tahu ft,0,k = 14,5–16,5 MPa. Pevnosti betonu v tahu je v těchto konstrukcích dosaženo vyztužením, nicméně normově udávaná pevnost betonu v tahu je v rozpětí od 2,6 do 3,2 MPa u betonů vyšších tříd používaných pro skeletové a plošné konstrukce. Pevnost panelu v tlaku fc,0,k = 21–24 MPa u betonu při uvážení běžné třídy betonu C25/30 pak fck = 25,0 MPa. Nutno však zmínit, že pro konstrukce skeletů se užívají pevnější betony vyšší třídy fmd = 15,3 MPa–24,0 MPa. Hodnoty CLT materiálu jsou uváděny v rozptylu. Jednotliví výrobci na základě testování svých výrobků mohou dosahovat rozdílných hodnot. Hodnoty jsou uváděny v hlavním nosném směru, z principu ortotropie CLT materiálu je vždy nutno sledovat pevnost materiálu v daném směru. Modul pružnosti CLT ve směru rovnoběžně s vlákny je 12 000 MPa, u betonu porovnávané třídy je pak 31 000 MPa. Pro doplnění je nutno ještě uvést klíčovou vlastnost CLT desky, kterou je bezesporu tzv. valivý smyk. Jedná se o porušení pevnosti dřeva sklouznutím po tečné hraně letokruhu. Výše zmíněné porovnání nemá za cíl dokonalé srovnání a porovnání vlastností jednotlivých materiálů, jen v reprezentativních veličinách nastiňuje, co se pokusíme ukázat při použití CLT konstrukcí v klasických nosných konstrukcích tak, jak je známe z použití monolitického nebo prefa betonu.

POUŽITÍ CLT PŘI VÝSTAVBĚ VELKÝCH NOSNÝCH SKELETŮ

Uvážíme-li veškeré vlastnosti CLT výrobku a přijmeme-li skutečnost, že dřevěný materiál v podobě inženýrského produktu můžeme použít jako plošný nosný prvek, otevírají se nám nové možnosti konstrukcí. V tomto článku se zaměříme na prosté dřevěné konstrukce. Samozřejmě že velmi výhodně se při navrhování jeví kombinace materiálů dřevo beton, dřevo ocel. Tato problematika však vydá na samostatný článek a jistě už byla popsána. Přibližme si základní možnosti tvoření skeletů při použití CLT a jako námět nám poslouží již vyzkoušené a používané varianty při navrhování a provádění železobetonových skeletů.

Deskostěnový skelet

Jde o nejběžnější způsob konstrukčního uspořádání používaný ve výstavbě rodinných domů. Při aplikaci na velké konstrukce volíme základní uspořádání příčně nebo podélně. Optimální konstrukční krok je 5,5–6,5 m při uložení horizontálních konstrukcí s uvážením spojitého nosníku. Jako konstrukčně výhodné se jeví rozdělit nosné stěny na prvky, které přebírají svislé a vodorovné zatížení (gravity and lateral loads), a kolmo na tyto stěny pak umístit smykové stěny, jež odolávají převážně vodorovným silám (lateral forces). Z principu tohoto uspořádání převládá pnutí horizontální konstrukce jedním hlavním nosným směrem, i když princip plošného uspořádání nabízí využití i křížem pnuté desky. Na základě našich zkušeností s návrhem těchto konstrukcí předpokládáme tl. stropní CLT konstrukce 240 mm. S přihlédnutím k platným požárním předpisům, tedy s maximální výškou požárního zásahu 12 m, je předpokládána maximálně zatížená stěna ve vstupním podlaží CLT 140 mm. Stejně jako v betonovém deskostěnovém skeletu můžeme některé stěny použít jako stěnový nosník, i v případě CLT řešení při vhodném návrhu spojení stropního a stěnového panelu umíme této vlastnosti využít i při variantě řešené s pomocí dřevěných plošných prvků.

Rámový skelet s deskovým záklopem

Je konstrukčním řešením, které díky uspořádání nosných prvků dokáže uvolnit vnitřní dispozici objektu. Vzhledem k této vlastnosti je vhodné jeho použití pro administrativní budovy a jiné objekty občanské vybavenosti. Zpravidla jsou rámy kladeny v příčném směru. Jedná se o dvou až třílodní uspořádání. Výškově je omezení opět požárním předpisem výšky zásahu 12 m, což odpovídá čtyřem patrům. Rám se klade opět v kroku 5,5–6,5 m. Provedení rámu je z těžkého dřevěného skeletu s použitím BSH profilu. Dimenze jednotlivých prvků bývá přibližně 560/240 pro sloupy a 920/240 pro příčle – nejde o přesnou hodnotu, uvádím pouze pro představu objemu hmoty. Plošná CLT konstrukce je kladena kolmo na rámovou konstrukci. Předpoklad tl. stropní desky pak při využití spojitého nosníku je v tl. CLT 240. Příčná tuhost objektu je zajištěna příčnými rámy. Pro zajištění tuhosti konstrukce v podélném směru je nutné doplnit systém ztužidlovými poli.

Sloupový skelet s deskovým průvlakem

Nyní se dostáváme k porovnání klasických betonových skeletů. Systém betonového skeletu s tuhou deskou v provedení ŽLB nikoho nepřekvapí, ale komplexní provedení v podobě dřevěné konstrukce, tedy BSH masivních sloupů a CLT horizontální konstrukce, je efektivně proveditelné. Při základní osové síti 6 × 6 m je možné následující provedení: do bodů sítě osadíme BSH masivní sloupy, opět při úvaze požárně proveditelných čtyřech patrech, konstrukci sloupu lze předpokládat v dimenzi 420 × 420 mm. V kratším, příčném směru vymezíme hlavní příčný směr. V příčném směru podsadíme desku CLT v šířce přibližně 1,225 m (šířka sloupového pruhu je volena s ohledem na logistiku dopravy), tl. desky pak lze předpokládat opět jako CLT 240 mm. Přes podsazenou desku ve sloupovém pruhu pak klademe jednotlivé desky hlavní horizontální konstrukce ve stejné tl., tedy CLT 240 mm. Deska hlavní konstrukce je řešena jako podélně pnutý spojitý nosník. Rozpon se díky šířce sloupového pruhu na každé straně o 0,6 m zkrátí a teoreticky pak lze uvažovat rozpon pole 4,8 m. Výpočet bude ještě sofistikovanější, protože ve výpočtovém modelu je nutné vzít v úvahu matematický model plošného kloubu, tuto vlastnost v FEM modelu zajistíme plošnou definicí tuhosti spojení. Vzhledem k jednoduchosti konstrukce je vhodné tento systém doplnit systémem ztužidel v obou směrech tak, aby spoje deska × sloup byly minimálně namáhány vneseným zatížením od vodorovných sil působících na objekt.

Sloupový skelet s viditelnými hlavicemi

Eliminací sloupového pruhu do lokálního plošného místa je možné vytvořit prostorově ještě úspornější systém. Do základního rastru 6 × 6 m osadíme již výše zmíněné sloupy v dimenzi 420 × 420 mm. Sloupy v daném rastru podporují CLT desku, železobetonářským slovníkem lze tuto desku definovat jako křížem vyztuženou. V lokálním místě je nutné provedení hlavice, které eliminuje jak lokální síly, tak extrémy momentů a posouvajících sil. V tomto případě navrhujeme profil desky CLT 240 k dalšímu podrobnému posouzení. Deska se předpokládá jako pnutá v obou směrech, což je oproti železobetonové konstrukci mírná komplikace. Výrobní rozměry CLT desek jsou do šířky 2,95 m. S ohledem na přepravu desek se ve většině případů volí šířka 2,45 m. V rámci návrhu celé stropní konstrukce je nutné řešit liniový spoj v podélném směru, který zajišťuje jak přenos smykové síly, tak přenos ohybového momentu. Výhodné je rovněž propojení plošné hlavice s běžným deskovým panelem. Hlavice je proveditelná v maximálních rozměrech 2,45 × 2,45 m a při vhodném propojení se může zmenšit rozpon pro návrh desky. Při výpočtu však musíme opět pracovat s tuhostí plošného připojení. Celý systém je nezbytné doplnit příčnými a podélnými ztužidly.

SPOJOVACÍ MATERIÁL

Spojovací materiál pro tyto typy konstrukcí se používá ve škále od nejjednoduššího typu, jako jsou vruty a svorníky, přes různé běžně dostupné ocelové úhelníky a plechy až k sofistikovaně navrženým ocelovým styčníkům, které se svým tvarem plně přizpůsobují velikosti síly a směru působení. Nejednoduší způsob, vrutování a přikládání úhelníků, se používá pro běžnou fixaci nevýznamných a méně rozhodujících sil v konstrukci.

Složitým typem spojovacího materiálu jsou pak vysokopevnostní tahové plechy a úhelníky doplněné typovými vruty pro přenos významných tahových sil, které vznikají zejména ve smykových stěnách. Jedná se většinou o certifikovaný výrobek, jenž bývá zpravidla testován při cyklickém namáhání, a výrobce v rámci certifikace prvku udává i tuhosti a moduly prokluzu celé spojovací sestavy. Tyto hodnoty je nutné brát v úvahu při zpracování FEM modelu a správně nastavit tuhost jednotlivých, v tomto případě uzlových připojení. V rámci správného návrhu musí pak autor konstrukce a statického výpočtu provést důkladnou kontrolu projektové dokumentace až do posledního stupně dokumentace, aby byl schopen prokázat soulad zhotovené konstrukce s předpoklady výpočtu. Nahrazení těchto prvků ruční výrobou by mělo být voleno s velkou opatrností, neboť u individuální výroby je těžké zajistit proces certifikace a tím odzkoušení jednotlivých modulů prokluzu.

Na nejvyšším stupínku propracovanosti spojovacích prvků pak stojí například přesně uspořádané rohové ocelodřevěné spojovací prvky stěn, které přesně přebírají síly vznikající z principu chování smykové stěny, v přesně definovaném směru přebírají tahové a smykové síly. Chování těchto spojovacích prvků je nutné přesně definovat už ve výpočtovém FEM modelu, například umístěním bodového styčníku v rohu stěny, jenž přebírá pouze tahové a tlakové napětí. Mezi těmito body se umístí liniový kloub, který zajišťuje jen přenos posouvající síly. Tyto modely se projeví zejména u návrhu objektů při působení proti velkým vodorovným silám. Tato skutečnost nastává, zejména pokud k působení větru přidáme ještě horizontální síly při návrhu konstrukce v seismických oblastech. Dalším příkladem použití sofistikovaného a přesně cíleného styčníku je vějířová patka sloupu ve vícepodlažních budovách. Tyto prvky mají za úkol rozptýlit lokální bodovou sílu do větší plochy, analogicky u betonové konstrukce navrhujeme smykové lišty při uložení desky na sloup, a zároveň při vhodném návrhu dokážou zajistit vyztužení CLT proti účinkům valivého smyku.

ZÁVĚR, OKRAJOVÉ PODMÍNKY NÁVRHU

Pro shrnutí výše uvedeného je vhodné vymezit rámec, v němž se mohou celodřevěné skelety na českém trhu pohybovat. Hodně diskutované hledisko požárního návrhu zatím vymezuje základní limit požárního zásahu ve 12 m. Při zvážení požárního zatížení, které je základem definice pro stupeň požární bezpečnosti, vychází ve většině případů podmínka pro návrh konstrukce R60. Dalším limitem je osazení chráněné únikové cesty. U tohoto příkladu jde o konstrukci DP1. Je tomu tak i na aktuálně řešených stavbách na evropském trhu. Většinou se jedná o betonové jádro, ve kterém je osazeno schodiště a výtahová šachta. Tato šachta může být vnitřním ztužujícím prvkem přebírajícím vodorovné síly. Nicméně i přesto je vhodné, zejména při sloupových skeletech, doplnění příčných ztužidel tak, aby veškeré konstrukce zajišťující vodorovnou stabilitu byly v těchto objektech rozloženy souměrně a eliminovalo se kroucení objektu jako celku. V případě, že betonové jádro bude jediným prvkem v konstrukci, jenž má za úkol zajistit příčnou tuhost objektu, je nutné věnovat speciální pozornost liniovým spárám mezi jednotlivými dílci panelů. To bývá většinou nejslabším článkem řetězu. Je nutné zajistit přenos vodorovných sil v rámci tuhé stropní desky do betonového jádra.

Dalším limitem je vnitřní nastavení každého potenciálního investora, stavitele. Dřevěné konstrukce lze použít stejným způsobem, jako používáme ocelové a betonové konstrukce při budování rozsáhlejších skeletů. Aby vytvořili bezpečnou a efektivní konstrukci, je nezbytné klást vyšší nároky na přístup projektantů a statiků při práci s tímto materiálem. Jedním ze základních principů, zvláště při navrhování plošných dřevěných konstrukcí, je přestat vnímat dřevo jednodimenzionálně jako prut a snažit se porozumět a správně využít inženýrský dřevařský výrobek jako standardní plošný prvek, tak jak ho známe z návrhu betonové konstrukce.