Metody výstavby budov ze dřeva

Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
4
Metody výstavby budov ze dřeva
4.1
Úvod
Dřevěná budova je charakteristická tím, že její konstrukce je převážně ze dřeva a materiálů na bázi
dřeva. Budovy tohoto provedení se nejvíce uplatňují v nízkopodlažní zástavbě obvykle do čtyř nadzemních podlaží.
Konstrukční systémy dřevěných budov je možné rozdělit na srubové, skeletové a masivní deskové.
Dřevěné konstrukce obytných budov se do první poloviny 19. stol. prováděly ve dvou základních
variantách - s roubenými a hrázděnými stěnami. Obě tyto varianty se vyznačovaly náročnými tesařskými spoji. Od první poloviny 19. stol. se začalo ve větší míře používat deskové řezivo a ke
spojování prvků strojově vyráběné hřebíky. Tyto technologie umožnily, že se vedle srubových
systémů a těžkých skeletů v podobě hrázděných konstrukcí začal využívat lehký skelet prováděný z
prken a fošen. Tento systém se postupně vyvinul z hlediska technologie provádění do tří forem staveništní, panelové a buňkové.
4.2
Těžké skelety
Těžký skelet je prostorový nosný konstrukční systém vytvořený ze svislých a vodorovných nosných
prvků z hraněného řeziva, lepeného lamelového dřeva, vrstveného dřeva, Parallamu či Intrallamu.
Kompletuje se nenosnými obvodovými plášti a dělicími konstrukcemi příček.
Pro těžké dřevěné skelety jsou typické především tyto modulové rozměry 1,20x1,20 m;1,25x1,25 m;
3,60 x 3,60 m a 4,80 x 4,80 m.
Novodobé konstrukce těžkých dřevěných skeletů mohou mít několik variant, které se liší
provedením styků vodorovných a svislých prvků
skelet s jednodílnými průvlaky a sloupy (obr. 4.1);
skelet s dvojdílnými průvlaky a jednodílnými sloupy (obr. 4.2);
skelet s jednodílnými průvlaky a dvojdílnými sloupy (obr. 4.3).
Obr. 4.1 Skelet s jednodílnými průvlaky a sloupy - pokračování na dalším obrázku
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
-1-
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Obr. 4.1 Skelet s jednodílnými průvlaky a sloupy – pokračování
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
-2-
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Obr. 4.2 Skelet s dvojdílnými průvlaky a jednodílnými sloupy
Obr. 4.3 Skelet s dvojdílnými průvlaky a dvojdílnými sloupy
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
-3-
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Skeletové konstrukce a to jak těžké, tak i lehké musíme dobře vyztužit proti vodorovnému zatížení
větrem. Poloha a počet ztužidel v budově bývá výsledkem provozně dispozičních a statických úvah.
Budova působí jako prostorový celek, síly do ztužidel se tedy rozdělují v závislosti na tuhostí
ztužidel a stropních konstrukcí.
U těžkých skeletů velmi záleží na provedení stropní konstrukce z hlediska její tuhosti a z toho
plynoucí schopnosti přenášet vodorovné účinky do svislých ztužidel.
Stropní konstrukce se snažíme dělat co nejtužší tím, že šachovnicově střídáme uložení stropnic v
polích mezi průvlaky. Podlahy provádíme z prken a fošen šířky větší než 120 mm, v pásech šířky
větší než 1 m, šachovnicově. Použijeme-li desky na bázi dřeva, klademe je půdorysně do
šachovnice. Stropní konstrukci často zavětrujeme i v její rovině. Pokud stropní desku dobře
vyztužíme, můžeme zmenšit počet ztužidel ve stěnách.
Ztužení ve stěnách můžeme provést pomocí dřevěných, zděných či betonových výztužných stěn
nebo pomocí klasického diagonálního ztužení, podle počtu podlaží budovy a ukotvení sloupů (obr.
4.4). Výpočet ztužidel provádíme v návaznosti na jejich tuhost a polohu vůči geometrickému středu
ztužidel stejnými postupy jako u ocelových skeletů.
Velmi důležitý je způsob ukotvení sloupů těžké skeletové konstrukce s ohledem na zemní vlhkost viz obr. 4.5.
Obr. 4.4 Ztužení těžké skeletové konstrukce
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
-4-
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Obr. 4.5 Příklad kloubového ukotvení sloupu
Při návrhu sloupů těžké skeletové konstrukce musíme správně určit vzpěrnou délku sloupů podle
způsobu kotveni sloupů, ztuženi stěn a polohy sloupu v konstrukci (obr. 4.6).
Těžké skeletové konstrukční systémy se vyznačuji velkou půdorysnou dispoziční volností. Jejich
určitou nevýhodou je to, že se většinou zhotovuji z lepených lamelových prvků a náročnější (oproti
klasickým tesařským konstrukcím) je i provedeni konstrukčních detailů.
Obr. 4.6 Vzpěrné délky sloupů – pokračování na dalším obrázku
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
-5-
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Obr. 4.6 Vzpěrné délky sloupů - pokračování
a)
sloupy 1, 2, 3:
l ef ,y = h, l ef ,z = h1;
b)
sloupy 1, 2, 3:
l ef ,y = h, l ef ,z = h/2;
c)
sloup
l ef ,y = h/2, l ef ,z = h/2, sloupy 2, 3: l ef ,y = h, l ef ,z = h/2;
d)
sloupy 1, 2, 3:
4.3
Lehké skelety
1:
l ef ,y = 2 h; sloupy 1, 2: l ef ,z = h1 > h0, sloup 3: l ef ,z = 0,7 h1 nebo h0
Lehké skeletové systémy tvoří převážně fošny a prkna. Sloupky tohoto systému jsou poměrně
hustě vedle sebe, na vzdálenost 400 nebo 600 mm. Rozlišujeme tři základní typy lehkých skeletů
(obr. 4.7):
Balloon frame;
modifikovaný Balloon frame;
Plattform frame.
Balloon frame (obr. 4.7a) se vyznačuje tím, že sloupky probíhají od soklu až k okapu. Patrový práh
je tvořen jednoduchým průvlakem, který je za sloupky průběžný. Na něm leží stropnice. Vzpěrná
délka sloupků se zkracuje ztužením.
Modifikovaný Balloon frame (obr. 4.7b) má sloupky, které jsou na patrovém prahu přerušeny.
Rohový sloupek je většinou průběžný a je tvořen hranolem nebo vyskládán z fošen. Patrový práh je
tvořen hranolem nebo dvěma fošnami položenými na sebe a je průběžný. Stropnice jsou většinou
připojeny hřebíkováním k patrovému prahu. Konstrukce je ztužena ve stěnách.
Plattform frame má podlaží z dílů posazených vzájemně na sebe a je dnes nejpoužívanějším typem
lehkého skeletu při stavbě jednopodlažních a vícepodlažních budov (obr. 4.7c). Sloupky systému
mají různé provedení podle polohy v konstrukci (obr. 4.8).
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
-6-
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Obr. 4.7 Sloupkové systémy budov
a) Balloon frame, b) modifikovaný Balloon frame, c) Plattform frame
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
-7-
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Obr. 4.8 Sloupky systému Plattform frame (příčkový, rohový, běžný)
Prostorová tuhost budovy s lehkým skeletem je zajišťována ztužením konstrukce stropu a stěn.
Stropní konstrukce se ztuží tak, že se stropnice vzájemně rozepřou (ztuží) na vzdálenost asi 2 m.
Rozměr stropnice se voli tak, aby poměr její výšky k šířce byl z důvodu stability menší než 6.
Stropní deska je obvykle z překližek či OSB desek, které jsou položeny šachovnicově.
Ztužení stěn lehkého skeletu je komplikováno tím, že sloupky stěn jsou pouze přihřebíkovány k prahům konstrukce a samy o sobě nejsou schopny přenášet vodorovné zatížení do základových pásů.
Proto se ke ztužení lehkého skeletu používají výztužné stěny. Ty slouží ke ztužení stavby nejen v
podélném směru, ale i ve směru příčném, protože kostra budovy je velmi měkká a při bočním
působení větru by vykazovala velké deformace.
Výztužnou stěnou rozumíme stěnový prvek v konstrukčním systému, který odolává vodorovnému
zatížení a přenáší je do základů. Výztužné stěny mohou být zděné, betonové a dřevěné.
Dřevěné výztužné stěny mají dřevěný rám z prken nebo fošen a plášť (především z překližek), který
může být zvnějšku nebo i zvnitřku stěny. Statické působeni výztužné stěny je popsáno v kapitole7.
4.4
Masivní deskové systémy
V rámci uplatňování koncepce tzv. trvale udržitelné výstavby, která klade důraz na větší využití
materiálů z obnovitelných surovinových zdrojů, roste zájem více používat dřevo na vícepodlažní
budovy. V souvislosti s tímto trendem se v posledních letech začaly objevovat i masivní deskové
systémy na bázi dřeva.
Masivní deskové systémy se vyznačují různými způsoby provedení prvků stěn a stropů:
- ručně sbíjené prvky, nebo průmyslově vyráběné lepené prvky;
- prvky s různým počtem vrstev stejně či křížem orientovaných;
- prvky s dutinami či bez dutin.
Na obr. 4.9 jsou znázorněny konstrukční systémy stěn a stropů budov s masivními deskovými
systémy a konstrukční systémy uvedené v předcházejícím textu, viz 4.2 a 4.3.
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
-8-
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Obr. 4.9 Přehled konstrukčních systémů vícepodlažních budov
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
-9-
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
4.4.1 Rozdíl mezi masivními a lehkými stavbami ze dřeva
Tato čast publikace je věnována tzv. „masivním dřevěným stavbám“ (angl. MTC – Massive Timber
Construction, něm. Holz-Massivbauweise). Vysvětlen je rozdíl těchto staveb oproti lehkým stavbám
(angl. LWC – Light Weight Construction, něm. Holz-Leichtbauweise), i rozdíly s porovnatelnými
systémy ze zdiva a z betonu. Dále jsou především vysvětleny vlastnosti poměrně nového
stavebního systému s použitím masivních deskových prvků, který je vhodný pro stavbu
vícepodlažních a průmyslových budov.
Nejdůležitejším rozdílem medzi MTC a LWC systémy je skutečnost, že u MTC systému je jasné
rozdělení nosné a izolační funkce jednotlivých vrstev. Pro MTC a LWC systémy se používají také
jiné skupiny materiálů. Zatím co u LWC se využívají prutové prvky s opláštěním, u MTC jsou to
velkoplošné prvky.
Další výhodou MTC systému je skutečnost, že nepořrebuje žádné parozábrany a v porovnání
s LWC systémy vykazuje lepší tepelnou kapacitu. Pro oba systémy existují různé způsoby
provedení fasády.
U systému MTC sa používají masivní, velké, nosné prvky (např. z CLT), čímž sa dá při dodržení
pravidel spojování dosáhnot vysoké tuhosti konstrukce. To je důležité pro využití tohoto systému v
budovách s velkým dynamickým zatížením. Možnou aplikací MTC systému jsou i sbíjené desky.
4.4.2 Výroba CLT
Základním materiálem pro výrobu jsou (neopracovaná) prkna a fošny z okrajových částí kmene
stromu. Tento materiál má za normálních okolností nízkou cenu, ale zároveň dobré mechanické
vlastnosti (pevnost a tuhost).
Utilisation
of a fošen
Použití prken
z okrajových
boards
fromčástí
the
kmeneside
stromu
outer
of the
log (’side boards’)
Pevnost v tahu, modul
pružnosti
E v tensile
tahu a
Tensile
strength,
hustota
dřeva stoupají
MOE
and density
are
od středu k okrajům
increasing in general
from the pith to the outer
side of the log
Obr. 4.10 Prkna a fošny z okrajových částí kmene stromu,
(rozdělení materiálových vlastností po průřezu)
Šířka jednotlivých prken a fošen se pohybuje od 80 do 240 mm, tloušťka od 10 do 45 mm (závisí od
výrobců – někdy až do 100 mm). Poměr šířky a tloušťky by měl být b:d = 4:1. V současnosti se
používá jehličnaté dřevo (smrk, borovice, jedle), v budoucnosti se uvažuje i s použitím listnatých
dřevin (akát, buk).
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 10 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
prkno či fošna (obvykle z
Board
(usually
side-boards)
okrajových
částí kmene)
Thickness:
tloušťka:
d = 10 bis 45 mm
poměr b:d>4:1
Ratio b:d > 4:1
10 až 45 mm
Width:
šířka:
b = 80 bis 240 mm
80 až 240 mm
Obr. 4.11 Základní materiál pro výrobu CLT
Charakteristickými vlastnostmi jednotlivých prken a fošen je pevnost v tahu, modul pružnosti a
hustota.
Na vnější vrstvy CLT sa používají prkna a fošny předepsané třídy pevnosti. Prkna a fošny musí být
spojeny zubovitými spoji. Doporučuje se, aby i prkna a fošny v dalších vrstvách byly spojeny
zubovitými spoji.
Na lepení zubovitých spojů a vzájemné lepení vrstev se musí používat jen předepsaná lepidla.
Běžně se používají fenolická a melamínová lepidla. Podle třídy použití vyráběného prvku se určuje
potřebná vlhkost prken a fošen.
V dalším kroku se lamely hoblují na všech čtyřech stranách. Boční strany lamel se upravují, viz obr.
4.12.
lamela
Lamella
nosný zubovitývý spoj
(load-carrying)
Finger-joint
možné tvary bočního spoje průřezu lamely
Possible cross-sections
of the lamellas:
“parallel”
„tupý“
“groove-and„pero-drážka“
tongue”
“konical”
„kónický“
Obr. 4.12 Lamela s různými bočními spoji
Zubovité spoje musí být provedené podle ČSN EN 385. Ve spoji musí být dosažena minimálně
stejná pevnost, jako má spojovaný materiál. Podle ČSN EN 1194 je nutné, aby charakteristická
pevnost spoje v tahu byla dokonce vyšší o 5 N/mm² , než je pevnost příslušné lamely.
Výsledky zkoušek ukazují, že pro prvky z CLT se dá dosáhnot minimálně třída pevnosti GL24h. Při
návrhu prvku z CLT se dá využít „systémový efekt“, který je podrobně popsán v [5] a [6].
Dalším krokem ve výrobě je boční spojování jednotlivých lamel, čímž vzniká jedna vrstva. Na to,
aby sa dosáhly lepší mechanické a stavebně-fyzikální vlastnosti a zároveň příznivější estetický
vzhled, jsou lamely po stranách vzájemně lepené. Zubovité spoje v jednotlivých lamelách by měly
být v rámci sousedních lamel odsazené. Podle ČSN EN 386 (platí pro výrobu lepeného lamelového
dřeva) má být vzájemný posun (odsazení) sousedních zubovitých spojů minimálně jedna třetina
šířky lamely. Doporučuje se však odsazení minimálně na šířku lamely.
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 11 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
jedna vrstva CLT
Single layer
Dista
nce
(load
carrying)
zubovitý
spoj
Finger-joint
lepenáof
bolamellas
ční stranaon
Gluing
their edge side
Obr. 4.13 Lamely slepené do jedné desky/vrstvy pro výrobu CLT
Typická stavba jednotlivých vrstev v CLT je ortogonální. Vrstvy však mohou být ukládány též pod
jiným úhlem (např. 45°). Kvazituhé spojení jednotlivých vrstev se do sáhne celoplošným slepením
vrstev. Je důležité, aby lepidlo bylo nanesené na celou plochu rovnoměrně. Při lisovaní prvku je
potřebné dodržet příslušné předpisy pro tento proces.
Velikost a tvar prvků z CLT jsou dané omezeními výroby, přepravy a montáže. V současnosti jsou
běžné následující rozměry pro rovinné a mírně zakřivené prvky: délka 16,5 m, šířka 3,0 m a
tloušťka do 0,5 m. Větší délky (do 30 m) se dají dosáhnout spojováním zubovitými spoji. Pro
zakřivené prvky musí být dodrženy zásady tloušťky vrstev a poloměru zakřivení, viz např.
ČSN EN 386.
Obr. 4.14 Výroba rovinných a zakřivených prvků z CLT
Při výrobě prvků z CLT se na dosažení požadovaných pevnostních a požárních vlastností používá
různé uspořádání podélných a příčných vrstev.
Tří (pěti) – vrstvé prvky mají tloušťku přibližně 100 mm (170 mm). Při stavbě mostů se používají
tlustější elementy.
V současnosti neexistuje norma pre výrobu CLT, ale většina firem má pro svoje výrobky technické
osvědčení. Navrhování CLT není také zatím zahrnuto v Eurokódu 5.
CLT se prodává s neopracovaným povrchem vnějších vrstev, opracovaný povrch (pohledová
úprava) se dělá na objednávku. V tomto případě je potřeba opracovat obě vnější plochy, aby průřez
zůstal symetrický. Vnější povrchové vrstvy se potom spojují např. na pero a drážku, nebo se
používají laminátové desky, LVL a nebo OSB.
Některé používané typy vnějších vrstev jsou nenosné a jsou použité kvůli estetickým požadavkům,
stavebně-fyzikálním požadavkům (zvuková neprůzvučnost) a kvůli zlepšení požární odolnosti. Tyto
vrstvy jsou k CLT připojeny vruty, hřebíky či přilepeny.
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 12 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Obr. 4.15 Různé povrchové vrstvy CLT
(palubky na pero a drážku, OSB deska, sádrová deska)
4.4.3 Modelování CLT
4.4.3.1
Všeobecné požadavky
Při navrhování konstrukcí musí být splněné všechny požadavky jednak na konstrukci jako celek a
jednak na jednotlivé části konstrukce (např. prvky z CLT). Únosnost a použitelnost prvků z
CLT je ovlivněná velikostí prvku, otvory v prvku (dveře, okna, komíny, schodiště, světlíky), skladbou
příčného řezu (počet a tloušťka vrstev, pevnostní třída vrstev, druh dřeviny, uspořádání vrstev).
4.4.3.2
Křížem uspořádané vrstvy – „Valivý smyk – rolling shear“
Pevnostní a tuhostní vlastnosti (jehličnatého) dřeva jsou ve směru kolmo k vláknům výrazně menší,
než rovnoběžně s vlákny. Určité vrstvy průřezu přenášejí zatížení smykem v radiální a tangenciální
rovině (angl. „Rolling-shear“, něm. „Rollschub“), čímž se svojí malou únosností stávají při
navrhovaní rozhodujícimi.
Komplexní chování příčně orientovaných vrstev se v praxi redukuje na jednoduché posouzení
nosníku na smyk. Použité modely se zaměřují na jednotlivé homogénní vrstvy, které jsou
reprezentované svojí tloušťkou, tuhostními a pevnostními vlastnostmi.
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 13 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Boards
loaded longitudinal
lamely
zatížené
rovnoběžnto
ě
grain
vlákny
– ve(longitudinal
ľká tuhost layers) high stiffness
Distribution
of normal
Distribution
of shear
rozd
ělení smykových
rozd
ělení normálových
stresses due to bending nap
stresses
within the
ětí
napětí
within the cross-section
cross-section
s
Orientation
směr vrstevof
layers
tlak
Compres
sion
podélně
longitudinal
V
M
M
příčně
perpendicular
'Rolling-shear’
longitudinal
podélně
'Rolling-shear’
V
perpendicular
příčně
longitudinal
podélně
Tension
Boards
perpendicular
lamely loaded
zatížené
kolmo to k
grain
layers)
vlákn(transversal
ům – malá tuhost
- small stiffness, E = 0
tah
Obr. 4.16 Rozdělení napětí v CLT s lepenými boky lamel (zatížení ohyb a smyk)
Z ohybových zkoušek prvků z CLT s cílem dosáhnot porušení smykem je známo, že porušení
nastává v příčných vrstvách CLT. Z analýzy mechanizmu porušení je řejmé, že porušení je
způsobené kombinácí dvou způsobů porušení – rotací příčné vrstvy a „odvalením“ části jarního
dřeva, jak je znázorněno na obr. 4.17 a 4.18.
rozpětí l
Span l
‘Rolling-shear’of the cross
layersvrstev CLT
„valivý
smyk“ failure
– porušení
příčných
~ 5/7 l
F/ 2
F/ 2
F/ 2
F/ 2
Bending configuration for CLT-elements with
uspo
řádání zkoušky prvku z CLT pro
the intention to reach a ‘rolling-shear’ failure
prezentaci porušení v důsledku „valivého
smyku“
Obr. 4.17 Porušení příčné vrstvy CLT (lamely nejsou bočně slepeny)
nadzdvihnutí a pootočení
‘Set on edge’ of cross layers
příčných vrstev
‘Rolling’
of earlywood
„odvalení“
ve vrstv
ě jarního dřlayers
eva
napětí kolmo k vláknům
(mezi Perpendicular
vrstvami)
Tension
to grain (diverge of glued
layers
Compression
perpendicular
to graink
tlak
kolmo
Late wood
letní dřevo
Early wood
jarní dřevo
vláknům
Failurev due
to high compression
porušení
důsledku
velkého tlaku a
tension
to the grain
tahu and
kolmo
k perpendicular
vláknům (otvírají
se
(diverge of glued layers)
lepené
vrstvy)
Failure due to peeling of earlywood layers
porušení odd
ělením
jarního dřeva
(rolling
mechanism)
Obr. 4.18 Způsoby porušení v příčné vrstvě CLT
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 14 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Numerická analýza ukázala, že smyková tuhost CLT („valivý smyk“) je pozitivně i negativně
ovlivněna více paramety, uvedenými v tabulce 4.1.
Tab. 4.1 Parametry ovlivňující “valivý smyk”
Parametry ovlivňující
„valivý smyk“
Rozměry lamel v příčné
vrstvě
pozitivně
negativně
1
1
1
4
8
2
Poloha letokruhů v lamele
poloradiáln
ě
Half-radial
sawing
Šířka letokruhu
1 mm
radiáln
ě
Radial
sawing
2 mm
tangenciáln
ě
Tangential
sawing
4 mm
(podíl jarního a letního
dřeva)
lepený bok lamely
Glue-line
mezera mezi lamelami
drážka
Groove Gaps
Výroba
Tlak
Typ lepidla
Hightlak
pressure
velký
0,6N/mm²)
N/mm²)
(>(>0,6
Low
pressure
malý
tlak
(e.g.
N/mm²)
(nap0,1
ř. 0,1
N/mm²)
Typ zatížení
Shearcompressionsmyk swithtlakovým
napětím
stresses
perpendicular
to grain
ům
kolmo k vlákn
Sheartensile-stresses
smyk swithtahovým
napětím
perpendicular
mgrain
kolmo k vláknůto
Při navrhování je potřebné zohlednit skutečnost, že různé předpisy a normy uvádějí různé přístupy
pro určování návrhových parametrů vícevrstvých prvků.
4.4.4 Technické normy
V současnosti nejsou (mimo DIN 1052 z roku 2004) v evropských normách uvedené postupy pro
navrhování prvků z CLT. Jednotliví výrobci používají pro výrobu, navrhovaní a použití CLT národní
technické předpisy.
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 15 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Mechanické parametry CLT mohou být stanovené na základě vlastností jednotlivých vrstev a
jednotlivých lamel ve vrstvě. Výpočetní model je publikovaný např. v [5].
Pro stanovení napětí v průřezu a v jednotlivých vrstvách se většinou předpokladá tuhé spojení
jednotlivých vrstev. Takovýto model poskytuje akceptovatelnou přesnost výpočtu napětí. Ve
výpočtu mezních stavů únosnosti a použitelnosti musí být ale zohledněna poddajnost kolmo
uložených vrstev (lamel). Pružné deformace se dají určit z modelu s tuhým spojením - jsou přibližně
o 20% větší. Na získání přesnějších výsledků je potřeba použít přesnější model, ve kterém je
zohledněna smyková poddajnost vrstev.
rozdělení of
normálových
Distribution
normal
napětí due to bending
stresses
within the cross-section
tlak
Compression
Boards
loaded longitudinal
lamely zatížené
rovnobežntoě s
grain
(longitudinal
layers) vlákny
– velká tuhost
high stiffness
rozděleníof shear
směr vrstev
Orientation
of
Distribution
smykových
stresses
within nap
the ětí layers
cross-section
podélně
longitudinal
V
M
M
příčně
perpendicular
'Rolling-shear’
podélně
longitudinal
perpendicular
příčně
'Rolling-shear’
V
longitudinal
podélně
Tension
Boards
loaded perpendicular
to
lamely zatížené
kolmo k
grain
vlákn(transversal
ům – žádná layers)
tuhost, E = 0
- small stiffness, E = 0
tah
Obr. 4.19 Rozdělení napětí v CLT s nelepenými boky lamel (zatížení ohyb a smyk)
Pro prvky, které jsou složené z jednotlivých „tuhých“ vrstev se při navrhování postupuje podle
klasické teorie, uvedené v DIN 1052 z roku 2004. Tato metoda obsahuje posouzení přetvoření
vlivem smyku.
Souhrn předpokladů navrhování:

Prvky s převládajícími rozměry ve dvou směrech mohou být posuzované jako
desky, jestliže je prvek zatížený kolmo na svoji rovinu a jako stěny, jestliže je prvek
zatížený ve svojí rovině.
vnitřní forces
síly
Internal
for the panel
v
Y
X
nX
nXY
nY
nYX
0°
90°
Z
mXY
mY
σZ,i
x
Y
vnitřní síly
Internal forces
for the plate
Y
napětí in the
Stresses
layers i
mX qX
X
Connection
rovina
layer
spojení
τZX,i
0°
0°
9
Layer “i”
0°
σY,i
τZY,i
τXY,i
τYX,i
σX,i
τYZ,i
τXZ,i
mYX qY
Obr. 4.20 Označení vnitřních sil působících v dílčích vrstvách a napětí v CLT
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 16 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________



Tuhosti a napětí se počítají podle teorie pro spřažené prvky s tuhým spřažením.
Musí být ale zohledněné namáhání ve směru kolmo k vláknům a též valivý smyk.
Tuhostní parametry se určují ve směru hlavních os. Při uspořádání lamel těsně
vedle sebe bez vzájemného slepení na bocích se dosazuje hodnota modulu
pružnosti ve směru kolmo k vláknům rovna nule.
Zohledňuje se vliv smykových přetvoření.
4.4.5 Modelování desek
V závislosti na uspořádání průřezu, poměru délky a šířky (l:b) CLT a typu podpěr, může být zatížení
přenášeno jednoosým nebo dvojosým ohybem. V závislosti na okrajových podmínkách podepření
se desky z CLT modelují jako prosté či spojité nosníky v jednoosém ohybu. Jestliže se pro
modelování předpokládá dvojosý ohyb musí se uvážit typy spojů na okrajích prvků CLT (většinou
jednoduché přeplátování) a otvory.
různéDifferent
tuhosti stiffness
v obou
for both spans
směrech
kĺoubové spojení
CLT
(E,J)y
(E,J)x
Opening
otvor
(např(e.g.
. pro
for a staircase)
schodišt
ě)
Obr. 4.21 Modelování desek s dvojosým přenosem zatížení pomocí roštu z nosníků
(se zohledněním překrytí prvků CLT a otvoru)
Masivní stropy z CLT se posuzují jako tuhé desky (jestliže zatížení působí plošně), které mohou
přenášet současně vodorovné zatížení (od větru, seizmicity, atd.). Při dodržení běžných
konstrukčních pravidel se nemusí pro tato zatížení dělat zvláštní posouzení.
Při posuzování podle mezního stavu použitelnosti se zohledňují i deformace v důsledku valivého
smyku (G90,mean ~ 50 N/mm²).
Aby sa zabránilo nepříjemným dynamickým účinkům, musí být přetvoření v důsledku působení
stálých zatížení (bez uvážení dotvarování) menší jak 5 mm. Jestliže to není splněno musí se
provést presnější výpočet (např. pomocí metody konečných prvků).
4.4.6 Modelování výztužných (smykových) stěn
Pro modelování výztužných stěn z CLT se může použít model příhradové konstrukce nebo rámový
model – obr. 4.22. Při přesnějším výpočtu je možné použít metodu konečných prvků.
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 17 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Trussnosníku
model
model příhradového
Frame model
rámový model
Obr. 4.22 Modelování stěny přes dvě podlaží zatížené svislými a vodorovnými silami
Vzpěrná únosnost stěn je závislá nejen na štíhlosti (parametru: vzpěrná délka, účinná tuhost), ale i
na způsobu zatížení (excentricita sily, způsob podepření). U vícepodlažních budov se musí stěny
uvažovat na celou výšku - obr. 4.23.
boční ukotvení
Lateral
jsou
(stěnyancoring
(walls
screwed with
sešroubovány
se
the
floors)
stropy)
Shear walls
výztužné stěny
tvarBuckling
figure
vybo
čení
Shear
walls stěny
výztužné
Obr. 4.23 Modelovaní tuhého systému schodiště
4.4.7 Modelovaní spojů
Při modelovaní spojů se musí uvážit skladba prvku z CLT.
Na modelování spojů musí být vyvinuté příslušné modely, které zohledňují konkrétní typ
spojovacího prostředku (např. samořezné vruty, vlepované tyče, kolíky, atd.).
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 18 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
stěnový
prvek
Wall
element
Stenový element
Floor
element
stropní
element
N
vnitřníforces
síly
Internal
M
Q
svislá síla v kloubu
Force in the pin-joint
vertical
Q
GV
V
GH1 + Gh2
GH1
H
Force
supports
síly vatpodpo
ře
e.g.
rodtyč
napglued-in
ř. vlepená
N
H
GH2
GV
Force in the síla
pin-joint
vodorovná
v
ĺoubu
khorizontal
Q
M
stěnový prvek
Wall element
N
svislé zatížení
vertical loads
ř. od connected
(napfrom
(e.g.
připojených
floors)
V stropů)
Vodorovné zatížení
(např. od větru)
spoj s ocelovými
Connection
with
uhelníky
a and
steel
angles
samořeznými
vruty
selftapping
wood
do dřeva
screws
M
Q
vnitřníforces
síly
Internal
M
N
Obr. 4.24 Modelovaní spoje strop-stěna
4.4.8 Použití prvků z CLT v obytných a vícepodlažních budovách
Použití je vhodné nejen na velké vnější a vnitřní stěny, stropy a střechy, ale jsou možné i
kombinace s prutovými prvky – průvlaky a sloupy.
4.4.8.1
Všeobecně
Stěny s otvory (okna a dveře), stropy s otvory (schodiště, komíny) a střechy s otvory (světlíky) se
dají realizovat zpravidla bez dalších dodatečných zesilnění. V případě balkónů se deska z CLT
vykonzoluje, nebo se z vnějšku obvodové stěny bodově podepře.
Tloušťka 5-ti vrstvého stropního prvku ve vícepodlažním objektu (do třech podlaží) je přibližně
95 mm. Minimální tloušťka stěnového prvku je závislá na délce a typu použitého výrobku. Obecně
se nedoporučuje menší tloušťka než 75 mm.
V závislosti na uspořádání stropu, váze podlahových vrstev a užitném zatížení se dají hospodárně
realizovat stropy s rozpětím 4,0 až 5,0 m pomocí 5-vrstvých prvků tloušťky 125 mm až 160 mm. Pro
větší rozpětí stropu a vyšší stěnové prvky se mohou použít trámové nebo komůrkové stropní
konstrukce se stěnami z nosníků z lepeného lamelového dřeva.
Masivní stěny, stropy a střešní prvky se dají vyrábět s předpřipravenými spoji velmi přesně. Dá sa
tak uspořit čas a náklady spojené s korigovaním nepřesností výroby na stavbě. Izolace, obklady a
fasádní prvky sa dají připojit jednoduše a rychle.
Je též možná kombinace s jinými stavebními systémy (např. zděnými konstrukcemi).
4.4.8.2
Realizace výztužných stěn
Ztužení budov, které jsou montované z CLT prvků , se provádí kombinací stěnových a stropních
prvků, přičemž vzniká tuhá trojrozměrná konstrukce. Většinou vznikne tuhá konstrukce přímo
spojováním prvků, takže není potřeba dalšího ztužení. Potřebný počet výztužných prvků vyplývá z
geometrie budovy, průřezu použitých prvků, geometrie jednotlivých prvků a též od velikosti a typu
zatížení.
Na přenos vodorovného zatížení má vliv i typ spojovacích prostředků, který ovlivňuje účinnou délku
výztužných stěn. Při návrhu je též potřebné zohlednit počet a velikost otvorů ve stěnách, které
snižují výztužný účinek stěn.
Masivní výztužné stěny jsou v porovnání se stěnami v sloupkových konstrukcích tužší. Z tohoto
důvodu může být jejich počet a délka výrazně redukovány.
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 19 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
4.4.8.3
Požární odolnost konstrukcí s použitím CLT
Prvky z CLT jsou složené z různých vrstev, vycházejíce z organické povahy dřeva. V případě
požáru vytvoří vnější zuhelnatělé vrstvy ochranou izolační vrstvu, čímž jsou další vrstvy před
požárem chráněné. Teplo se šíří pomaleji a hoření se zpomalí. Zmenšení únosnosti prvku je tak
způsobené zmenšením průřezu.
V rámci požárních zkoušek se musí zohlednit ztráta vnější vrstvy. To znamená, že v 5-ti vrstvém
prvku v případě 30-ti minutového požáru shoří nejméně jedna vrstva. Z původního prvku se třemi
podélnými a dvěma příčnými vrstvami se po 30-ti minutách působení požáru stane prvek se třemi
vrstvami. Tento prvek však působí dalších třicet minut jako prvek se třemi vrstvami (hoří druhá,
nenosná (příčná) vrstva).
5-ti vrstvý prvek z CLT
Originally: 5-layered CLT-element
podélná vrstva
Longitudinal layer
příčná vrstva
120 mm
5x
24
Transversal layer
moment setrvačnosti 114 mm4/m
4
Moment of inertia: Width = 114.048 mm /m
ztráta tuhosti cca 75%
Loose of stiffness: ~ 75 %
Charring
30 minutes
24 mm
mm
hloubka zuhelnat
ění podepth
30-ti after
minutách
je cca~ 24
longitudinal layer)
(jedna podélná(one
vrstva)
72 mm
3x
24
po 30-ti
minutovém
po“effective”
řáru vzniká
3-vrstvý3-layered
prvek element
After
30 min.
fire action:
provided:
moment setrvačnosti 30 mm4/m
4
Moment of inertia: Width = 29.952 mm /m
Transversal layer
příčná vrstva
Obr. 4.25 Ztráta tuhosti prvku z CLT namáhaného požárem z jedné strany
Experiment se 120 mm tlustým 5-ti vrstvým prvkem z CLT ukázal, že sa dá dosáhnout 60-ti
minutová požární odolnost. Při určité skladbě vnější vrstvy a/nebo opláštěním prvku dodatečnou
vrstvou (např. sádrokartonu) sa dá dosáhnout ještě vyšší požární odolnost.
4.4.9 Spojování prvků z CLT
Použitím velkých prvků v masivní stavbě vzniká jen málo spojů. Tyto jsou rozdělené podle
spojovaných prvků na spoje stěna-stěna, stěna-základ, stěna-strop a strop-strop. Spoje se většinou
provádí pomocí běžných mechanických spojovacích prostředků.
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 20 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
2.
2. podlaží
Floor
strop - strop
Floor-Floor
strop
Floor
stěna – strop - stěna
Wall-Floor-Wall
Wall-Wall
stěna - stěna
1. podlaží
Floor
1.
Foundation
základ
Wall-Foundation
stěna
- základ
Obr. 4.26 Poloha spojů ve vícepodlažní budově
Zhotovení spojů prvků z CLT a jejich dimenzovaní probíhá většinou rozdělením spoje do
jednotlivých bodů. Používanými spojovacími prostředky jsou samořezné vruty do dřeva, vlepované
tyče do dřeva, kolíky a svorníky. Mohou se používat i spojovací systémy s příslušným technickým
osvědčením.
Ve spoji stěna-strop a stěna-základ se vyskytují převážně tlaková napětí vznikající od vlastní tíhy
konstrukce. Tahové síly vznikají ojediněle – např. v případě montáže a /nebo určité geometrie
jednotlivých dílů. Tahové síly se potom musí zachytit vhodnými spoji.
Pro umístění spojů a jejich dostatečnou únosnost se vyžaduje:

Na vnější ploše prvku vzít v úvahu polohu spojovacích prostředků.

Musí se dodržet pravidla pro rozmístění spojovacích prostředků, pro předvrtání
otvorů, pro délky lepení atd. Jestliže vznikne mezera mezi jednotlivými vrstvami
(může vzniknout při výrobě) je potřeba toto při návrhu spoje zohlednit.

V důsledku kolmé orientace vrstev (0°,90°) je možné o čekávat jiné pevnostní a
tuhostní vlastnosti spoje, než při navrhovaní prutových prvků. Pro spojovací
prostředky používané v současnosti (samořezné vruty do dřeva, vlepované tyče,
kolíky a svorníky) je důležité předpokládat vhodný model působení spoje. Tyto
modely se v současnosti vyvíjí. Před použitím nově vyvinutého spoje je nutné jeho
odzkoušení.
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 21 -
Petr Kuklík
Metody výstavby budov ze dřeva
_______________________________________________________________________
Literatura
[1]
Schickhofer, G. et.al.: “Holzbau – Der Roh- und Werkstoff Holz, Part A“,
Skriptum, Institut für Holzbau und Holztechnologie, Technische Universität Graz,
Graz/Österreich, 2004
[2]
Augustin, M.: Kapitola 6, Vzdělávací materiály pro navrhování a zkoušení dřevěných
konstrukcí, Projekt TEMTIS
[3]
Kollmann, F.F.P.; Kuenzi, E.W.; Stamm, A.J.: “Principles of Wood Science and Technology,
Volume II: Wood Based Materials“, Springer, Berlin-Heidelberg, Deutschland, 1975
[4]
proHolz Austria (Ed.): “Mehrgeschossiger Holzbau in Österreich, Holzskelett- und
Holzmassivbauweise“, ISSN 1680-4252, pro:Holz Austria, Wien, Österreich, 2002
[5]
Jöbstl, R.A. et.al.: “A Contribution to the Design and System Effects of Cross Laminated
Timber (CLT)“, Paper 39-12-4, Proceedings of CIB-W18, Florenz, Italy, 2006
[6]
Jöbstl, R.A.; Schickhofer, G.;
“Comparative Exemination of Creep of GLT- and CLT-slabs in bending“,
Paper 40-12-3, Proceedings of CIB-W18, Bled, Slovenia, 2007
[7]
Schickhofer, G.; Moosbrugger, T.; (Ed.): “Brettsperrholz – Ein Blick auf Forschung und
Praxis“, Proceedings, Technische Universität Graz, Institute für Holzbau und
Holztechnologie, Graz, Österreich, 2006
[8]
Guggenberger, W.; Moosbrugger, T.: “Mechanics of Cross-Laminated Timber Plates under
th
Uniaxial Bending“, Paper, Proceedings of the 9 World Conference on Timber Engineering,
Portland, Oregon, USA, 2006
[9]
Moosbrugger, T.; Guggenberger, W.; Bogensperger, T.: “Cross-Laminated Timber Wall
Segments under homogeneous Shear – with and without openings“,
th
Paper, Proceedings of the 9 World Conference on Timber Engineering, Portland, Oregon,
USA, 2006
[10]
ČSN EN 385: Konstrukční dřevo nastavované zubovitým spojem - Požadavky na užitné
vlastnosti a minimální výrobní požadavky
[11]
ČSN EN 386: Lepené lamelové dřevo - Požadavky na užitné vlastnosti a minimální výrobní
požadavky
[12]
ČSN EN 1194: Dřevěné konstrukce - Lepené lamelové dřevo - Třídy pevnosti a stanovení
charakteristických hodnot
Prohlubovací kurs v oboru dřevostaveb
- 22 -