Standard provádění detailů CLT konstrukcí a těžkých skeletů

Nekladu si za cíl představit unikátní nové typy spojů ani předkládat výsledky vědeckého testování. Smyslem je zaměřit se na standardní typy přípojů běžně používaných v dřevěných inženýrských konstrukcích za podmínek, kdy se pravidelně na trhu objevují nové inženýrské produkty a tlak na kvalitu spoje z pohledu akustiky či požáru ze strany uživatele budoucí dřevěné konstrukce je neúprosný a zcela oprávněný. Poznatky zde prezentované vychází z praxe divize A2T design a jsou regulované neustálým tlakem na proveditelnost a efektivitu spoje divizí A2T build společnosti A2 Timber.

Studiem odborných rešerší nebo účastí na odborných konferencích se odborník zajisté dobere mnohem detailnějšího rozboru problematiky, myslím si ale, že opakování zásad a otevření tématu k širší diskusi je důležité. Navíc bezpochyby pomůže architektům, stavitelům či potenciálním investorům ukázat perspektivu pohledu, již by měli zvážit při návrhu inženýrské dřevěné konstrukce.

NOVÝ POHLED NA ŘEŠENÍ STANDARDNÍCH SPOJŮ

Jedním z nejběžněji používaných přípojů je rámový roh prutové BSH konstrukce. V našich projektech tyto spoje řešíme s velkým zaměřením na estetiku spoje. Prvoplánově jsme všichni zvyklí používat klasické řešení s vloženým ocelovým plechem.

Při stavbě sportovní haly v Bordovicích jsme byli investorem požádáni o provedení spoje, při kterém budou minimalizovány pohledové spojovací prvky. Tímto zadáním bylo ze zorného úhlu designéra vyloučeno použití klasického vloženého plechu se svorníky. V prvním kroku jsme styčník rozdělili na jednotlivé segmenty. Šlo o taženou, dále tlačenou oblast a část, kde jsme řešili přenos smykové síly.

V tažené zóně jsme nakonec přistoupili k osazení nízkého taženého vloženého plechu. S ohledem na provedení podhledu byl tento úsek v interiéru nepohledový. V místě tlaku jsme čelní díl dřevěného sloupu vyztužili proti otlačení kolmo na vlákna ocelovým plechem zajištěným celozávitovým vrutem na straně sloupu osazeným kolmo na vlákna, na straně průvlaku kolmo na jeho čelní stranu, působení síly je podélně s vlákny. Touto dvojicí byl vyřešen přenos základního momentového namáhání. Další důležitou složkou se stal přenos smykové síly, což se vyřešilo typově vyráběnou rybinou z hliníkové slitiny.

Rozborem vnitřních sil rámového rohu a zvažováním, zda příčel podepřít sloupem nebo ji zavěsit na čelo sloupu, jsme volili druhé řešení. Při zkoumání vnitřního napětí a analýze podrobného výpočtu 3D modelu sloupu s modelací tuhostí a uvolněním tak, aby se co nejvíce model přiblížil navrhovanému řešení, jsme dospěli k názoru, že smykové zatížení sloupu způsobené ohybovým momentem bylo mírně překročené. Rozhodli jsme se tedy ještě sloup vyztužit čtyřmi závitovými tyčemi, čímž došlo ke smykovému posílení hlavy sloupu.

Zajímavostí je, že na první pohled a při jednoduchém rozboru napětí na 2D rovinném modelu byla smyková síla vyhovující, protože výsledky byly prezentovány pouze jako vnitřní síly M, N, V. Podrobnější rozbor napětí komplexního modelu nám jasně ukazoval potřebu posílení hlavy sloupu. Tento detail si rovněž vyžádal precizní výrobu, a tak jak je u konstrukcí, které realizujeme, zvykem, jednotlivé díly byly předvyrobeny v naší hale. Tato předmontáž zajistila hladký průběh sesazení rámu IN SITU.

Dalším a dle našeho názoru inovativním řešením standardního spoje je provedení ocelové kotevní patky sloupu, kde spojení mezi ocelovou patkou a patou sloupu se provedlo pomocí vlepování ocelových tyčí ve směru rovnoběžném s vlákny.

Tento typ spoje byl použit při výstavbě prostor tělocvičny, která se stala součástí novostavby hasičské zbrojnice v Novém Jičíně. Šlo o polotuhý styčník. Vzhledem ke skutečnosti, že ke stavbě jsme se dostali v okamžiku, kdy už byly připravené betonové konstrukce spodní stavby, a to včetně předem zabetonovaných plechů pro fixaci ocelových patek sloupů, přistoupili jsme k postupu rozdělení ocelové patky na dvě poloviny. První byla dvojice HEB nosníků, geodeticky zaměřená a na stavbě navařená na předem zabetonované plechy. Druhou část představoval ocelový box, na jehož horní hraně se navařily závitové tyče. Celý tento element byl pak vlepen do čela sloupu. Podélně s vlákny byly ještě konstrukčně osazeny vruty zajišťující udržení zátky (horní plochy boxu) ve stanovené poloze. Vlastní montáž následně probíhala na stavbě nasazením upraveného sloupu na předem navařené HEB profily a zajištěním šrouby.

POHLED NA DETAIL OPTIKOU AKUSTIKA A POŽÁRNÍKA

Konstrukční detail není pouze o přenosu vnitřních sil ve styčníku. Styčník, liniové spoje v plošné dřevěné konstrukci nebo uložení prutových prvků na ostatní konstrukce jiné materiálové platformy musí také plně zvládat požadavky z hlediska požární odolnosti a mít i dostatečné akustické parametry.

První disciplínu ve dřevěných konstrukcích zvládáme vcelku snadno. Pro standardní konstrukční spoje jsou daná řešení návrhovou normou. V základním principu se v rámci návrhu zapustí, případně umístí spoje pomocných ocelových spojovacích prvků pod takovou vrstvu dřeva, která zajistí dostatečné krytí ocelového prvku tak, aby nedošlo k překročení kritické teploty ocelového dílu a on neztratil svou základní pevnost. U svorníků a vrutů řešíme jejich zapuštění do masy dřeva, případně je překrýváme dřevěnými příložkami. Nicméně bych rád nastínil i ostatní řešení. Proto je nezbytné zmínit řešení různých protipožárních pěn a nabývacích pásek. Princip je vždy v provedení tohoto materiálu z látek, jež na vysokou teplotu reagují okamžitou změnou objemu. Díky těmto vlastnostem nabývají při vzniku požáru a dokonale těsní spáru, do níž byly osazeny, aplikovány. Spárou můžeme rozumět jak utěsnění lokálního spoje (oblepení kolem pomocného ocelového/hliníkového prvku nebo utěsnění liniové spáry a její zajištění), tak dokonalého oddělení požárních úseků v oblasti STĚNA/STĚNA nebo STĚNA/STROP.

Z hlediska akustiky se jedná o řešení detailu, který zajišťuje přerušení akustického mostu. Primárně jsou pro tato řešení určeny pružné podložky v různých tvarových formách s ohledem na geometrii detailu. V moderních konstrukcích dáváme akustické podložky do liniových spár, případně podkládáme jednotlivé ocelové úhelníky a spojky. Toto akustické řešení pak ale snižuje tuhost daného spoje, a je tedy nutné k tomu přihlédnout už při primárním návrhu nosné konstrukce, neboť vložením pružného předmětu do spoje snižujeme jeho tuhost.

UDRŽITELNÝ DETAIL

Při návrhu našich konstrukcí se vždy snažíme udržet konstrukční heslo RED – pro A2T design to znamená RESISTANCE, EFFECTIVITY a DURABILITY. Právě dlouhodobost detailu po dobu jeho životnosti musí být součástí prvotního návrhu. To je důvod, proč se pomalu v našich konstrukcích zabydlují hliníkové zakládací lišty. Tento prvek, i přes větší pracnost původní instalace, přispívá k ochraně paty CLT stěny. Důkladně zamezí vzlínání vlhkosti z betonové desky základové konstrukce po dobu životnosti konstrukce. Nemalým pomocníkem je také v průběhu montáže. V případě, že se objeví nečekané srážky a na stavební ploše zůstane stát voda, pata dřevěné konstrukce je díky hliníkovým lištám chráněna a nedochází ke styku CLT stěny s vodou v betonové desce.

Zde je podstatné zmínit i možnou geometrickou úpravu detailu. Při návrhu je vždy vhodné uspořádání jednotlivých prvků, zvláště pak u exteriérových konstrukcí tak, aby vždy docházelo k přirozenému okapu exteriérové vlhkosti. Vhodné je zkosení hran a návrhu přirozených i řízených spár, kterými může voda odtékat. Tam, kde není možné nechat části konstrukce volně ve vlhkostní třídě 3, je třeba simulovat vyšší vlhkostní třídu oplechováním namáhaného detailu. U konstrukcí v přírodě, malé rozhledny nebo mostů by se měla zvážit úprava detailů, jež naplní funkci opatření proti živočichům. Zvláště v době covidu při zmenšeném turistickém ruchu se v mnoha rozhlednách zahnízdili ptáci, mnohdy datlové, kteří svým přirozeným chováním dokázali narušit nosnou konstrukci hloubením otvorů a zmenšením učiněného průřezu dřevěného prvku. Oprava takové konstrukce probíhá ve dvou fázích. Nejprve je třeba vyměnit napadený prvek, což jako inženýři dokážeme zrealizovat. Daleko těžší úkol je však přesvědčit ptactvo, aby hnízdilo na jiném místě. To inženýrskými nástroji zvládáme obtížněji.

LINIOVÉ SPOJE CLT PANELŮ

Trh dřevěných konstrukcí, zkušenosti z provedených staveb po západní Evropě a aktuálně sílící poptávka po velkých dřevěných konstrukcích typu bytový dům, firemní sídlo nebo administrativní budova generují unifikované použití deskostěnových systémů. Tento v principu jednoduchý nosný systém v sobě skrývá základní princip návrhu, a tím je přenos vodorovných účinků zatížení.

Na území České republiky se převážně jedná o vodorovné účinky větru, v seismických oblastech se přidává výrazný dopad daný zemětřesením. Působení krátkodobé síly od seizmického zatížení, návrh odolného detailu při překročení elastické části pracovního diagramu a návrh cyklického namáhání je natolik obsáhlé téma, že by vydalo na samostatný článek a nemá smysl ho zde letmo nastiňovat. Soustřeďme se tedy na naše podmínky, kde výrazným iniciátorem vzniku smykového namáhání konstrukce budovy je vodorovné zatížení větrem.

Díky tomuto zatížení je nutné v konstrukci navrhnout odolné smykové vertikální stěny, které jsou vždy v úrovni patra propojené horizontální stropní konstrukcí. Díky rozměrovému omezení prefabrikace dřevěných dílů vzniká velké množství lineárních spojů. Jde o kontaktní liniový spoj dílů stropní konstrukce převážně ve směru rozponu doplněný liniovým spojem kolmo na směr pnutí panelu.

Liniový spoj kolmo na směr pnutí je většinou situován nad vertikální nosné stěny. V případě, že je situovaný mimo nosnou stěnu, je potřebné pečlivé uvážení návrhu spoje v rozmezí tuhý momentový spoj a kloubové uložení. Tuto skutečnost je nezbytné zvážit ve výpočtovém modelu. Liniový spoj spáry mezi jednotlivými panely ve směru pnutí stropu pak bývá ve většině případů uvažován jako kloubový, s ohledem na návrh vertikální složky zatížení.

Nicméně u obou případů výše uvedených je nutné vzít v úvahu při návrhu namáhání a rozložení vodorovných sil v každém jednotlivém patře a zajistit požadovanou tuhost spojení v liniových spárách. Spoj navržený základním způsobem, tedy šroubování v přeplátování krycí příložkou na horní hraně panelu, je správný, ale je nutné neuvažovat pouze vertikální zatížení, ale přídavnou vodorovnou sílu v linii detailu. Důležitým faktorem je hodnota „Slip modulu spoje“ Ku/Kser, která by měla být zohledněna rovněž ve výpočtovém modelu deskostěnové konstrukce v návrhovém FEM modelu.

Jak už bylo zmíněno, může nastat situace, kdy liniový spoj bude nutné uvažovat v oblasti blížící se momentovému namáhání. Ve své praxi se těmto liniovým spojům snažíme vyhnout různými konstrukčními opatřeními, nicméně i tento typ spoje má své řešení. Při rešerši novinek různých technických výzkumů lze narazit i na lepidlo, které umožňuje plné prolepení spáry. Prolepením spár jednotlivých dílů lze pak zajistit dokonale křížem pnutou stropní konstrukci, jak ji známe z provedení monolitických konstrukcí. Jednodušší a přístupnější způsob nabízí provedení ocelových nebo LVL příložek v oblasti tahové zóny namáhání spoje.

ZÁVĚR

Při návrhu našich budov se nemalou měrou vždy snažíme maximálně optimalizovat základní nosný materiál na podkladu podrobného výpočtu respektujícího veškeré podrobnosti prvků, které ovlivňují chování konstrukce. K detailům přistupujeme s maximální pozorností a zvažujeme nejen statické vlastnosti, ale i další stavebněfyzikální disciplíny, jejichž podmínky musí být při návrhu reflektovány. Současně se snažíme vždy o „RED design“ (resistance, effectivity a durability) a každé navržené řešení je vždy v rámci firemní diskuse podrobeno připomínkování ze strany realizační složky naší firmy.

Jsme přesvědčeni, že právě tento přístup spojený s předmontáží našich konstrukcí ve výrobní hale je důležitým benefitem pro naše klienty, partnery.