Dřevěné lehké střešní konstrukce s kovovými deskami s prolisovanými trny

Tato skutečnost vyvolala mezi stavebními odborníky velkou diskuzi o tom, jaké může mít dopady na ekonomiku především střešních konstrukcí. Důvody, které vedly k vydání nové mapy sněhových oblastí ČR, jsou podrobně vysvětleny v [1]. V čem spočívají nejdůležitější rozdíly. Mapa sněhových oblastí byla zcela přepracována podle nových poznatků, získaných měřením Českého hydrometeorologického ústavu. Nově je v ČR celkem osm sněhových oblastí. V oblastech I-III jsou změny, které mají za následek, že existuje řada míst, která dříve patřila do oblasti I a nyní spadají do oblasti II nebo i III. Existují i místa, kde se sněhová oblast snížila, ale těch je velice málo. Významnou změnu zaznamenala hodnota základní tíhy sněhu. V oblasti I se zvýšila z 0,5 na 0,7 kN/m², v oblasti II z 0,7 na 1,0 kN/m² a v oblasti III z 1,0 na 1,5 kN/m². Součinitel zatížení γ_f se zvýšil z 1,4 na 1,5, součinitel zohledňující tíhu zastřešení κ byl zrušen. Tvarový součinitel µ_s se změnil, v nejjednodušším případě, tj. pro sedlové a pultové střechy, nabýval hodnoty od 1,0 při sklonu 25° a menším, do 0,0 při sklonu 60°. Nově nabývá hodnoty od 0,8 při sklonu 30° a menším, do 0,0 při sklonu 60°.

Vliv změny zatížení sněhem na návrh a cenu lehkých střešních konstrukcí ze dřeva

Autoři článku se ve své odborné činnosti věnují výzkumu a vývoji lehkých střešních konstrukcí ze dřeva, a proto se pokusili zjistit, jaký dopad bude mít uvedená změna zatížení sněhem na návrh a hlavně na cenu konstrukcí tohoto typu. Z toho důvodu bylo provedeno několik srovnávacích výpočtů s cílem zjistit vliv změny zatížení sněhem na tyto konstrukce.

Srovnávací výpočty

Pro výpočet níže uvedených typů konstrukcí byl použit počítačový program Truss 2D ze systému programů Truss 4, určeného pro výrobce lehkých dřevěných střešních konstrukcí spojovaných deskami s prolisovanými trny Bova v systému Bova - Nail. Program Truss 2D provádí na základě zadaného sortimentu dřevěných profilů a kovových desek s prolisovanými trny návrh střešních vazníků. Statik zadává pouze základní topologický tvar vazníku, podepření (vnější vazby) a zatížení. Kombinace zatěžovacích stavů program generuje v souladu se zvolenou návrhovou normou (ČSN nebo ČSN EN). Automatický návrh postupně ze zadaného sortimentu volí profily a styčníkové desky tak dlouho, dokud nenajde vyhovující prvek. Při změně dřevěných profilů je bráno do úvahy přerozdělení vnitřních sil změnou tuhosti a nové topologie konstrukce. Při návrhu desek je vždy použit optimalizační postup, který z několika vyhovujících desek vybírá optimální typ podle ceny. Program řeší funkci kalkulace ceny vazníků, která zohledňuje kromě materiálových vstupů do výroby, nákladů na přípravu přířezů, obsluhu výrobních zařízení, také například fixní a režijní náklady.
Srovnávací příklady byly zvoleny tak, aby co nejvíce postihly všechny podstatné změny zatížení sněhem. Především vliv změn sněhových oblastí, tedy jak se projeví skutečnost, že daná lokalita dříve spadala do sněhové oblasti I a po změně leží v oblasti II, nebo dokonce III. Snahou také bylo postihnout vliv změny základní tíhy sněhu v dané oblasti. Porovnávány byly konstrukce s různou tíhou zastřešení, aby se projevil vliv zrušení součinitele κ. A nakonec byly též porovnávány střechy s různým sklonem, aby se projevil vliv změny tvarového součinitele µ_s. Zatížení na testované konstrukce bylo stanoveno podle ČSN 73 0035. Zatížení vlastní tíhou konstrukce řeší program Truss. Další zatížení byla zvolena takto:
a) lehké zastřešení - krytina do 0,5 kN/m², bez podhledu;
b) těžké zastřešení - krytina nad 1,0 kN/m², podhled 0,5 kN/m², užitné zatížení 1,5 kN/m² (pro hambalkový krov), revizní lávka a vzduchotechnika (pro trojúhelníkový vazník na rozpětí 16 m).
Hodnoty zatížení větrem pro IV oblast 0,55 kN/m² pro jednotlivé prvky konstrukce byly stanoveny za použití programu FIN 10 - Zatížení. Hodnoty zatížení sněhem byly stanoveny podle postupů a sněhových map ČSN 73 0035 před vydáním Změny Z3 (první dva sloupce v grafech výsledků - označené I(a). 0,5 kN/m²) a po vydání Změny Z3 (ostatní sloupce v grafech označené I(b). 0,7 kN/m² atd.). Kombinace zatěžovacích stavů byly taktéž stanoveny podle ČSN 73 0035.
Osové vzdálenosti všech řešených vazníků byly stanoveny 1 m, což je u těchto typů konstrukcí nejběžnější hodnota. Vazníky byly navrženy z dřevěných přířezů tloušťky 50 mm. Styčníkové desky v nastavení dlouhých přířezů krokví (maximální délka přířezu nastavena na 6 m) byly navrženy s možností přenosu ohybových momentů. Vybočení z roviny tlačených obvodových prvků bylo řešeno výztuhami o vzdálenostech 600 mm. Vybočení z roviny u tlačených prvků diagonál řešil program automaticky přidáním výztuhy v polovině vzpěrné délky.

Význam jednotlivých sloupců v grafech:
I(a). - původní sněhová oblast I 0,5 kN/m²
výpočet zatížení sněhem proveden podle postupů platných do 1. listopadu 2006;
I(b). - nová sněhová oblast I 0,7 kN/m²
výpočet zatížení sněhem proveden podle postupů platných od 1. listopadu 2006;
II. - nová sněhová oblast II 1,0 kN/m²
výpočet zatížení sněhem proveden podle postupů platných od 1. listopadu 2006;
III. - nová sněhová oblast III 1,5 kN/m²
výpočet zatížení sněhem proveden podle postupů platných od 1. listopadu 2006.

V každém ze čtyř sloupců jsou uvedeny dvě hodnoty ceny v procentech pro lehkou krytinu (výchozí hodnota v I(a). 100 %), těžkou krytinu ve vztahu k výchozí hodnotě. Další dvě hodnoty ve sloupci znamenají nárůst ceny v procentech pro jednotlivé kategorie (lehkou a těžkou krytinu).

Výsledky

Z výsledků lze vyčíst několik zajímavých údajů. Předně je vidět, že tam, kde zůstala zachována stejná sněhová oblast, došlo pouze k minimálnímu zvýšení ceny nosné konstrukce vazníků, a to do 3 %. U střechy s lehkou střešní krytinou zůstává cena prakticky vždy zachována. O něco výraznější zvýšení ceny se projevuje tam, kde došlo ke změně sněhové oblasti. Změna oblasti I na II znamená nepříliš dramatický nárůst ceny o max. 8 %, při změně oblasti I na III se zvýšení pohybuje do max. 22 %.
Tyto údaje platí pouze o hlavní nosné konstrukci střechy, tedy o vaznících. Další konstrukční prvky, jako jsou prostorová ztužidla, zavětrovací prvky, bednění, podhledy, krytina, zůstávají většinou beze změny, na jejich cenu nemá změna zatížení sněhem prakticky žádný vliv. Tím se procento zvýšení ceny zastřešení ještě dále sníží.
Pro tyto srovnávací testy byla zvolena původní sněhová oblast I, kde je podíl zatížení sněhem v celkovém zatížení konstrukce nejmenší, ale stavební činnost je zde největší. Pro různé konstrukční systémy, různé použité materiály atd. mohou samozřejmě výsledky vycházet s různými odchylkami. Dále jsou vždy výsledky ovlivněny šíří použitého sortimentu, především dřevěných profilů a jejich využitím. Hodnoty sortimentu a dalších údajů, především pro výrobní kalkulace, byly převzaty z realizovaných projektů, aby se co nejvíce blížily praktické aplikaci.
Pro konstrukci A (těžké zastřešení) došlo k malému snížení ceny mezi původní oblastí I(a). a novou I(b). Je to způsobeno jiným přerozdělením sil při návrhu konstrukce, které nemělo vliv na navržené dřevěné profily, ale pozitivně se projevilo při návrhu spojovacích prostředků. Využití nejvíce namáhaných dřevěných profilů je ovšem vyšší. K podobnému jevu došlo u konstrukce B (lehké zastřešení) mezi novými oblastmi I(b). a II., kde zvýšení zatížení sněhem působí pro některé spojovací prvky a kombinace v konstrukci proti účinkům zatížení větrem.
Po zkušenostech s problémy různých typů konstrukcí v zimě roku 2005/2006 byla jistě úprava hodnot zatížení sněhem i úprava mapy sněhových oblastí na místě. Tyto změny přispějí ke zvýšení spolehlivosti konstrukcí především v problematických oblastech. Normy používané v ČR pro navrhování lehkých střešních konstrukcí jsou založeny na metodě mezních stavů, která, v případě relativně správně stanovených účinků zatížení a volbě odpovídajícího výpočetního schématu a postupu výpočtu, zajišťuje provedení návrhu konstrukce s dostatečnou spolehlivostí.
Je třeba důrazně upozornit na fakt, že většina poruch, které se projevily u lehkých střešních konstrukcí ve vzpomínané zimě 2005/2006, a to nejen v ČR, ale i jinde v Evropě, byly většinou způsobeny jinými faktory, než je prosté přetížení střechy sněhem. Nejzávažnější jsou chyby v prostorovém ztužení konstrukcí, vznikající především v projekci nebo při montáži na stavbě. Problematika výpočtu prvků prostorového ztužení je řešena v normách pro navrhování konstrukcí i dostatečně popsána v odborné literatuře, např. [2]. Častou příčinou problémů je také chybně provedené nebo nedostatečně nadimenzované kotvení konstrukcí. Fatální následky mají často neodborné zásahy do hotových konstrukcí. Značně negativně se na spolehlivosti konstrukcí projevuje zanedbaná údržba během jejich životnosti. Výše uvedené chyby jsou totiž pokryty součiniteli spolehlivosti v mezních stavech jenom z malé části.

¤ Konstrukce A: trojúhelníkový vazník - rozpětí 16 m, sklon 22°, tloušťka vazníku 50 mm, výrobní série 20 ks

¤ Konstrukce B: hambálkový střešní vazník - spodní pás délky 10 m na čtyřech podporách, sklon 45°, tloušťka vazníku 50 mm, výrobní série 20 ks

¤ Konstrukce C: nůžkový vazník se zalomeným spodním pásem - výpočtové rozpětí 17 m, sklon 22°, vazník byl rozdělen v ose symetrie z důvodů přepravy, tloušťka vazníku 50 mm, výrobní série 60 ks

Závěr

Provedené srovnávací výpočty ukázaly, že změna mapy sněhových oblastí ČR rozhodně nemá dramatické negativní důsledky na ekonomiku dřevěných střešních konstrukcí s kovovými deskami s prolisovanými trny. Zvýšení ceny těchto konstrukcí bude naopak ve prospěch jejich vyšší spolehlivosti. Dále je možno předpokládat, že i dosud realizované konstrukce, pokud byly navrženy a postaveny v souladu s platnými normami, nebudou ve většině případů vycházet při přepočtu jako nevyhovující.

Poděkování
Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu výzkumu a vývoje ČVUT v Praze MSM 6840770005.

Použitá literatura
[1] Studničková M.: Zatížení střech sněhem, časopis STAVITEL, březen 2006
[2] Kuklík P.: Dřevěné konstrukce, Informační centrum ČKAIT, 2005