Dřevobetonová konstrukce skeletu v projektu rozšíření kapacity ZŠ Černošice

Černošice u Prahy jsou vyhledávaná realitní destinace s dobrou občanskou vybaveností. Na jižním svahu nedaleko nádraží Černošice-Mokropsy, což je část města, se vždy po několika letech postupně přistavuje další pavilon do rozsáhlého školního kampusu základní školy, jejíž kapacita je už téměř tisíc žáků. Pozemek se zahušťuje, budují se třídy, šatny, sportoviště, technické části objektu nebo prostory pro stravování. Každý nový pavilon reaguje na nově vzniklý požadavek a musí se vypořádat s dobově aktuálním pohledem na konstrukci, architekturu, případně její společenský výraz. Neboť naše doba je nejukvapenější ze všech, časový odstup od poslední dostavby byl nejkratší.

ARCHITEKTONICKÝ POPIS ŘEŠENÉHO PROJEKTU

Školní budovy jsou složené z několika pavilonů zapojených za sebou jako vagonky do vláčku. Z historického pohledu rozeznáváme cihlový – masarykovský, prefabrikovaný – budovatelský, betonový – novověký a teď nejnovější – dřevěný pavilon.

Všechny školní budovy převzaly koncept zakládajícího masarykovského objektu. Ten spočíval v dispozičním i konstrukčním dvojtraktu s orientací tříd na jihovýchod směrem k řece Berounce na jedné straně a přístupovým koridorem orientovaným do školního dvora, zastíněným zalesněným strmým svahem, na straně druhé.

Kapacita školy naplnila kapacitu pozemku už před lety a pro další pavilon tak nebylo na pomyslné ose vláčku místo. Proto se nový pavilon musel umístit na hůře osvětlenou dvorní část. Opět byl zvolený konstrukční a dispoziční dvojtrakt, který na výšku třech nadzemních a jednoho podzemního podlaží musel pokrýt potřeby devíti tříd. Tedy tři třídy na patro a k tomu kabinety i hygienické zázemí.

Z důvodu nedostatku světla na západní straně se museli architekti vyrovnat s nepříznivější polohou rozšířením výplňových prosklení na fasádě. To mělo významný dopad na kreaci konstrukčního systému a tím byl definován skelet. Dalším momentem ovlivňujícím návrh konstrukce a fasády byla skutečnost, že strmý svah nad školou přirozeně, a tedy i pasivně stíní po celou dobu dne. Navíc škola nemůže zastavit vyučování a čekat, až se postaví nový pavilon, a po kolaudaci se plug-in připojí jako vagonek do sestavy. Není to možné už z důvodu dnes poměrně sofistikovaných technologií a sítí, které musí všechny budovy navzájem propojovat a sdílet. Z těch nejkomplikovanějších je bezpečnost a požární ochrana. Ta určuje vzdálenosti a šířky komunikací, vybavení i materialitu všech komunikačních prostor. Stavba sama, zejména její rychlost, se v tomto případě stala asi nejzásadnějším faktorem výběru vhodného konstrukčního systému. Proto byl zvolen prefabrikovaný skelet.

OPTIMÁLNÍ MATERIÁL PRO STAVBU KONSTRUKCE

Výběr konstrukcí je zpravidla podmíněn charakteristickým rozponem – v našem případě je to hloubka třídy, která byla až 8 metrů. Základní objemovou jednotku objektu představuje třída o velikosti 8 × 10 m. (Rozměry třípodlažního objektu představovaly 40 × 10 m.) Rozpon 8 metrů už přesahuje optimální možnosti využití dřevěných nosných prvků, proto dřevostavba nebyla ze začátku kreování možné konstrukce uvažována. Až při konzultaci s přizvanými odborníky z firmy A2 Timber byl nabídnut kompozitní systém spřažených dřevobetonových nosníků, kdy se podařilo najít optimální řešení pro specifické podmínky návrhu školní budovy. Zvolené řešení umožní minimalizovat dobu výstavby objektu, a navíc dodržet jak světelné, tak akustické podmínky, což zvlášť u dřevěných konstrukcí není jednoduché. Zároveň jsme byli schopni přes exponované dřevěné povrchy vrátit interiérům haptickou kulturu a nabídnout ekologické řešení do nejisté budoucnosti.

1. Obecný popis konstrukčního řešení

Průřez stropu.

Konstrukčně se zaměřujeme na přístavbu stávajícího pavilonu, kdy je do dvorního traktu stávajícího pavilonu přistavěna nová část. Jedná se o třípatrový deskostěnový skelet. Jednotlivé stropní desky jsou rozděleny na sloupové a běžné pruhy. Sloupové pruhy jsou umístěny v příčném směru konstrukce. Osová vzdálenost těchto prvků je zhruba 4,8 m. Konstrukčně jsou pak ve směru pnutí uvažovány jako spojitý nosník o dvou polích. Tam, kde je to nutné z hlediska respektování dispozice objektu, jsou uvažovány spojité nosníky o třech polích. Nicméně základní nosný rozpon pro sloupový pruh je 7,3 m a 2,65 m. Celá deska a rovněž tak sloupový pruh je uvažován jako dřevobetonová konstrukce. Kolmo na sloupový pruh jsou pak konstrukčně uspořádána běžná pole stropní dřevobetonové desky. Celá konstrukce desky je uložena na stěnové sloupy CLT a příčné smykové stěny tvořící dispozici objektu jsou opět řešeny CLT materiálem. Šířka fasádních stěnových sloupů je volena tak, aby odpovídala skladebnému výrobnímu rozměru. Konstrukčně ovšem musí zajistit plnou tuhost, protože k funkci přenosu svislého zatížení slouží rovněž jako součást tuhého podélného fasádního rámu, který zajišťuje tuhost konstrukce v podélném směru.

Ohořelý průřez.

Jak už bylo zmíněno, strop je řešen jako dřevobetonová deska. Průřez sloupové části je tvořen masivní betonovou částí o šířce 900 mm a tloušťce 220 mm spřaženou se spodní CLT deskou 120 mm. Tento sloupový pruh podpírá běžnou část dřevobetonové desky, která je tvořena CLT deskou 120 mm na spodní straně spřažené s betonovou částí 100 mm.

Svislý nosný systém je tvořen CLT stěnami. V podélném směru jsou uvažovány CLT stěnové sloupy šířky 900 mm. Tloušťka stěnového sloupu je uvažována 160 mm. Návrh tloušťky je definován především zatížením při extrémní kombinaci zatížení za požáru. Tato kombinace je rozhodující s ohledem na skutečnost, že předepsaná rezistence pro svislé dřevěné konstrukce je definována jako R60 DP3. S respektem k architektonickému řešení je předpokládáno zachování dřevěné konstrukce v interiéru bez obkladu. Rozhodující se při výpočtu ukázala ztráta stability sloupu při uvážení zbytkového průřezu po vystavení 60 minutám požáru. Tedy při výpočtu v kombinaci za běžných zatěžovacích stavů, to je za „studena“, byla dostatečná šířka stěnového sloupu 120 mm. Při provedení stabilitního výpočtu na zbytkovém průřezu po požáru bylo nutné zachovat při vzpěrné výšce 3,1 metru minimální šířku sloupu 110 mm. Tomu odpovídá počáteční šířka 160 mm.

Svislý nosný systém je pak doplněný příčnými stěnami CLT 80 mm. V dispozici jsou s ohledem na akustické požadavky mezi jednotlivými třídami voleny jako zdvojené s vnitřní akustickou izolací.

2. Přehled Eurokódů pro navrhované řešení dřevobetonových konstrukcí

Návrh konstrukce probíhal dle maximálně dostupných návrhových norem. Aktuálně pro danou konstrukci jsou k dispozici obecné návrhové normy ČSN EN 1990 Zásady navrhování konstrukcí, ČSN EN 1991-1 ve všech svých dostupných částech Zatížení stavebních konstrukcí. Na tyto normy samozřejmě navazují návrhové normy jednotlivých materiálů. Pro popisovanou konstrukci je to pak norma ČSN EN 1992-1-1 (2) Obecná pravidla pro navrhování betonových konstrukcí za studena a při požáru. Zakládání je samozřejmě řešeno dle normy ČSN EN 1997-1 ve všech svých potřebných částech. Vzhledem k tomu, že se na řešení úkolu díváme zejména z pohledu dřevěné konstrukce, hlavní normou pro návrh je pak samozřejmě ČSN EN 1995-1-1 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby; ČSN EN 1995-1-2 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-2: Obecná pravidla – Navrhování konstrukcí na účinky požáru. Pro náš případ bylo nutné rovněž otevřít normu Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Navrhování dřevobetonových kompozitních konstrukcí – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. Pro vlastní návrh CLT konstrukce máme aktuálně zpracovanou výrobkovou normu ČSN EN 16351 ED.2 (732832) Dřevěné konstrukce – Křížem vrstvené dřevo – Požadavky. Díky této normě máme sjednocené požadavky na produkt CLT. Nicméně návrhová norma je v přípravě a její uvolnění se očekává v rámci 2. generace Eurokódů 5.

Aktuálně tedy pro vlastní návrh používáme soubor obecně platných zásad pro návrh CLT konstrukcí, který svojí logikou vychází z předpokladů Eurokódů 5. Přehledně jako návrhový podklad slouží například manuál „Basic design and engineering principles according to Eurocode“ autorů Dr. Markus Wallner-Novak; Josef Koppelhuber; Kurt Pock. Vydání druhé generace Eurokódů 5 při akceptaci návrhu CLT konstrukcí jistě přispěje k rozšíření používání CLT konstrukcí. Aktuálně stav poznání chování CLT konstrukcí a respektování smyslu aktuálních Eurokódů 5 a rešerší již mnoha provedených testů CLT dává možnost bezpečného návrhu těchto typů konstrukcí.

3. Obecný výpočtový postup, FEM model

Pro vlastní výpočet byl zvolen FEM model zpracovaný v prostředí programu Dlubal. Tento program umožňuje díky svým přídavným modulům pracovat s vícevrstvými deskami. Významným pomocníkem je pak možnost spojení dvou desek pomocí plošného kloubu. Toto se v rámci nastavení FEM modelu ukázalo být strategickým nástrojem. Díky výše uvedenému jsme mohli sestavit 3D model, který plně respektuje uspořádání jednotlivých konstrukčních elementů.

Vlastní dřevobetonová deska je modelována jako kombinace dvou desek spojených plošným liniovým kloubem.

Nastavení plošného liniového kloubu.

Spodní deska je modelována jako vícevrstvá deska CLT. Horní deska pak jednoduše s vlastnostmi betonové desky. V rámci geometrie je deska rozdělena na sloupové pruhy, kde je deska o větší tloušťce. K respektování geometrie uspořádání pomáhá možnost nastavení excentricity osazení jednotlivých prvků celého průřezu. Na sloupový pruh pak navazuje běžné deskové pole. Dřevobetonový prvek je definován stejně jako sloupový pruh. Napojení na sloupový pruh by mohlo být při návrhu pouze jednoduchého CLT stropu ještě ovlivněno liniovým detailem, v němž by mohla být ovlivněna tuhost spoje. Vzhledem ke skutečnosti, že se předpokládá zmonolitnění, neuvažuje se u tohoto konkrétního modelu se snižováním tuhosti. Liniové klouby jsou uvažovány pouze pro zjištění a vyčtení vnitřních sil působících na spoj konstrukce. Deska je uložena na svislé nosné a výztužné stěny. Správné chování spoje a pro co nejlepší stanovení předpokladů skutečného chování jsou spoje modelovány pomocí liniového kloubu s definovanou tuhostí. Stěny ovšem v konstrukci plní i funkci smykové výztuhy. Při návrhu stěny s ohledem na tuto funkci je nutné brát v úvahu i tuhost jednotlivých podpor pro správný návrh detailu na kotvení. Styčná linie mezi základovou konstrukcí a vlastní smykovou stěnou je modelována jako podpora složená ze tří částí. Jde o liniovou část přenášející pouze smykové síly a tlak konstrukce na základ, kdy tato část je doplněna bodovou podporou v místě osazení tahových kotev. Tato podpora je omezena, aby přenášela pouze tahové síly. Výsledky na takto definovaném modelu se výrazně přibližují skutečnému návrhu konstrukce a umožňují výrazně efektivnější návrh detailu.

Základní FEM model, celkový pohled.

4. Závěr

Výše popsanou konstrukci si dovolujeme publikovat s ohledem na rozšířenější pohled využití CLT konstrukcí. Jsme přesvědčeni, že už nastal čas začít používat aktuálně na trhu dostupné inženýrské produkty na bázi dřeva a využívat je více sofistikovaným způsobem. Použití CLT prvků pro rodinné domy ve smyslu strop–stěna je již hojně používáno a užitné vlastnosti tohoto systému široce popsány a vyzkoušeny. Rovněž tak použití dřevobetonové konstrukce ve smyslu zpevnění starého trámového stropu pomocí spřažení s betonovou deskou je již historicky používáno. Náš příklad se snaží představit nový pohled na použití matriálů CLT v kombinaci s ostatními materiály. Stejně tak přenesení dispozičního konceptu budov pro společenskou vybavenost a principů provádění železobetonových skeletů na koncept dřevěné konstrukce. Vždy se budeme snažit přistupovat inovativně k řešení jednotlivých konstrukcí. Zároveň doufáme, že příklad této konstrukce pomůže rozšířit možnosti a stane se inspirací pro efektivnější využívání dostupných materiálů.