Dřevo a vícepodlažní budovy

Styčníky, o kterých je v článku pojednáno, se týkají jak stěnového, tak skeletového konstrukčního systému a byly řešeny v rámci grantového projektu ?Dřevěné vícepodlažní budovy?.
S výjimkou úpravy pomocí zkřížených prutů (příhradové konstrukce) nelze jmenované úpravy u dřevěných tyčových prvků s jednosměrně orientovanými vlákny jednoduše realizovat. Přitom zkřížené prvky brání volnému řešení fasády. Ojedinělé pokusy uplatnit u vícepodlažních budov dřevěné konstrukce končí u jejich kombinace s tuhými jádry (schodišťové, výtahové šachty, stěnové nebo příhradové štíty apod.). To však vyžaduje tuhé stropní tabule, které musí účinky větru přenést z mezilehlých poddajných sloupů do těchto jader (obr. 3). Proto zůstává výstavba vícepodlažních budov vyhrazena železobetonu a oceli. Těmito materiály lze vytvořit tuhé monolitické propojení svislých sloupů a vodorovných příčlí. Použití dřeva je zde zcela výjimečné, protože styk ve vzájemném křížení sloupu a příčle, tj. prvků s jednosměrně orientovanými vlákny, nelze propojit. Spojení se proto provádí s jedním prvkem probíhajícím a druhým prvkem, který je k němu připojen ze strany.
Připojení je buď kloubové, tudíž bez rámového působení, a je proto pro rámy nevýznamné, nebo je tuhého styku dosahováno pomocí ocelových tyčí vlepených do připojovaných prvků a probíhajících průběžným prvkem.
Tuhé dřevěné rámové styčníky schopné přenášet ohybové momenty (obr. 4) jsou výsledkem úsilí v posledních cca deseti letech. Známá spojení příčlí a sloupu jsou vždy konstruována pomocí ocelových závitových tyčí kotvených lepením do otvorů v připojovaných příčlích. Spoje jsou však relativně složité a pracné.

¤ Obr. 1. Působení vnějšího horizontálního zatížení od větru na stěnový konstrukční systém u vícepodlažních budov	¤ Obr. 2. Potřebné tuhosti sloupového konstrukčního systému se dosahuje zajištěním vzájemného spolupůsobení sloupů
¤ Obr. 3. Uplatnění dřevěných konstrukcí u vícepodlažních budov. Tuhé stropní tabule musejí přenášet účinky větru z mezilehlých poddajných sloupů do tuhých jader.	¤ Obr. 4. Tuhé dřevěné rámové styčníky schopné přenášet ohybové momenty. Známé spojení příčlí a sloupu provedené pomocí ocelových závitových tyčí kotvených lepením do otvorů v připojovaných příčlích jsou relativně složité a pracné.

Poznámka ke svislým konstrukcím vícepodlažních budov
Pro svislé prvky konstrukčních systémů se používají stěny a sloupy. Stěny jsou lépe uzpůsobeny pro přenášení vnitřních sil než sloupy, a to při svislém i vodorovném zatížení. Proto se sloupy spřahují. Spřažením se mezi sloupy vytvoří ztužující prostředí, které zajišťuje jejich vzájemné spolupůsobení. Podstata tohoto efektu při přenášení vodorovného zatížení je znázorněna na obr. 5. V případě 5a jde o dva sloupy obdélníkového průřezu, jednostranně vetknuté, které se vzájemně pouze dotýkají. Při vodorovné deformaci (průhybu) se však vzájemně ve styčných plochách posouvají. Jediným výrazem spolupůsobení je stejný průhyb. O zatížení se tedy rozdělí rovným dílem. Jejich celková ohybová tuhost je součtem tuhosti každého sloupu. V případě b) jsou tyto sloupy vzájemně tak dokonale spojeny, že se při vodorovné deformaci nemohou vzájemně ve styčných plochách posunout. Brání jim v tom spojovací prostředí mezi styčnými plochami. Spojovací prostředí přenáší smykové napětí (jak je patrno ze srovnání obou obrazců τ). Napětí je v obou sloupech jako normálová síla (v levém sloupu tahová, v pravém tlaková). Spojením vzniká celistvý (spřažený) prvek, jehož celková ohybová tuhost již není prostým součtem tuhostí každého sloupu. Je vyšší, v daném případě čtyřnásobná. Průhyb proto klesá na jednu čtvrtinu. Rovněž normálová napětí spřažením klesají. V daném případě na polovinu. Průběh smykových sil (napětí τ) je po výšce rozdělen nerovnoměrně. V daném případě (dokonalé spojení) podle přímky zakreslené na obrázku 5b čárkovaně. Není-li spojení dokonale nepoddajné, dojde ve spojovacím prostředí k prokluzu a průběh τ se změní - na úrovni z = 0 přejde do nuly a v oblasti volného konce naopak dozná jisté hodnoty, jak je uvedeno na obr. 5b plně.
Spřažení lze konstrukčně dosáhnout několika způsoby. V některých případech k tomu postačí samotná stropní konstrukce, je-li dostatečně tuhá nebo opatří-li se v oblasti mezi sloupy tužšími prvky (trámy, průvlaky apod.), jak je uvedeno na obr. 5a. Tyto vodorovné prvky se v projektové praxi nazývají příčle. Spojením sloupů pomocí příčlí vzniká tzv. rámová soustava. Příčle přenášejí při vodorovném zatížení smykové síly (obdobné silám τ na obr. 4), a vytvářejí tak mezi sloupy příznivě působící prostředí, které přispívá ke zvýšení ohybové tuhosti a ke snížení deformace a namáhání. Spřažení lze též zajistit šikmými pruty (obr. 2b), které přenášejí smyky osovými silami. Takto vznikají tzv. příhradové soustavy.

¤ Obr. 5. Spřažením se mezi sloupy vytvoří ztužující prostředí, které zajišťuje jejich vzájemné spolupůsobení

V soutěži s betonem a ocelí
V rámci grantového projektu ?Dřevěné vícepodlažní budovy? č. 103/07/0514, který je financován Grantovou agenturou ČR, byl propracován rámový styčník mezi příčlí a sloupem, vykazující potřebnou tuhost. Umožňuje vytvořit dřevěný sloupový systém se všemi výhodami, které tento systém nabízí, tzn. oprostit se od ztužujících konstrukcí, uvolnit dispozici, použít lehké obvodové pláště atd.
Podstata nového řešení spočívá v přeplátování spojovaných sloupů a příčlí, v nichž jsou vybrání pro vložení ocelové spojky připevněné ke každému spojovanému prvku svorníky. Spojka je vytvořena z plochého materiálu ve tvaru písmena L, T nebo kříže (obr. 6). Tato spojka na jedné straně vytvoří s příčlí svébytný prvek a na druhé straně po spojení se sloupem vytvoří rovněž svébytný prvek (obr. 7). Monolitičnost spojky potom zajistí, že se ony spojeně prvky vůči sobě nepootočí, tj. při deformaci soustavy vykáží stejné pootočení.

¤ Obr. 6. V rámci grantového projektu ?Dřevěné vícepodlažní budovy? byl propracován rámový styčník mezi příčlí a sloupem, vykazující potřebnou tuhost. Podstata nového řešení spočívá v přeplátování spojovaných sloupů a příčlí, v nichž jsou vybrání pro vložení ocelové spojky připevněné ke každému spojovanému prvku svorníky. Spojka je vytvořena z plochého materiálu ve tvaru písmene L, T nebo kříže.

¤ Obr. 7. Spojka vytvoří s příčlí a po spojení se sloupem rovněž svébytný prvek

Statické chování styčníku
Příklad vytvoření tuhého styčníku s použitím nejjednodušší spojky ve tvaru L je uveden na obr. 8. Statickou funkci spojky lze znázornit například na uspořádání styčníku při zatížení silami S viz obr. 9. Přenášení svislého zatížení rámem s upravenými styčníky je stejné jako u běžných monolitických rámů. Tuhé propojení příčlí a sloupů zde však vede ke zbytečnému namáhání spojek i od svislého zatížení. Ty jsou však určeny pro přenášení koutových momentů vyvolaných vodorovným zatížením větrem. Přenesení svislého zatížení bez vetknutí příčle do sloupu (prosté uložení) lze zajistit samotnou událostí příčle a dimenzovat spojku pouze na zatížení větrem a na krátkodobou složku užitného zatížení. Toho lze dosáhnout účinným postupem při montáži rámu.

¤ Obr. 9. Znázornění statické funkce spojky při zatížení silami S

Zkoušky styčníku
Styčník byl laboratorně odzkoušen v ústavu Akademie věd ČR v Praze Proseku. Zkoušky byly provedeny na třech zkušebních styčnících, které velikostně, materiálově a způsobem zatížení odpovídaly reálnému styčníku budovy. Dřevěné prvky byly rozměru 200x360 [mm2] a ocelová spojka o tloušťce 6 mm. Byla ověřována funkce styčníku, vytvořeného jednak lepením a jednak pomocí svorníků. Svorníky procházejí otvorem v ocelové spojce a vývrty v dřevěných prvcích (obr. 10).
Zkouškou byla ověřována především funkce svorníkového styčníku (obr. 8). Očekávalo se, že ve vazbě mezi spojkou a příčlí resp. mezi spojkou a sloupem, dojde k deformaci způsobené zakřivením dříku svorníku a otlačením stěny vývrtu. Porovnávala se proto deformace svorníkového styčníku se styčníkem lepeným (monolitickým).
V první fázi byly zkoušeny tři prvky se svorníkovými spoji. Volný konec příčle byl postupně zatěžován svislou silou v hodnotách 200, 400, 600, 400, 200, 400 kg atd. v cca minutových intervalech a v bodech LVDT3, LVDT2, resp. LVDT1 a v patě spojky byly zaznamenány posuvy (obr. 11).
Obdobně se postupovalo ve druhé fázi zkoušky, kdy byly zatěžovány (po odstranění svorníků a po slepení) prvky, použité ve fázi první. Na výsledném grafu (obr. 13) jsou zaznamenány průběhy průměrných průhybů příčlí u vzorků 1 až 3 plně a 4 až 6 čárkovaně. Svorníkové prvky vykázaly ve srovnání s lepenými asi 80% tuhost. Po rozebrání svorníkových vzorků č. 1, 2 a 3 před lepením se sice žádné deformace svorníků a vývrtů nezjistily, snížení tuhosti se však stále přisuzovalo tomuto jevu. Zatěžování vzorku č. 6 do porušení prokázalo mezní zatížení volného konce příčle 34 kN, což je přibližně dvojnásobek pracovního zatížení rámového koutu při jeho zamýšleném použití ve výstavbě.
Rozebrání porušeného vzorku však přineslo důležité poznání pro další úpravy svorníkového styčníku. Porušení lepeného styčníku bylo iniciováno ztrátou stability ocelové spojky - zkrabacením v tlačené oblasti u líce stojky, zaviněným nedokonalým slepením dřeva a oceli právě v této oblasti. To vedlo k nedostatečnému sevření ocelové spojky a k jejímu vybočení.
Tento nedostatek při úpravě lepeného styku paradoxně odhalil příčinu snížení tuhosti svorníkového spoje: V oblasti mezi krajním svorníkem u příčle a lícem stojky je polovina průřezu příčle volná a nefunguje z hlediska tuhosti. Kontrolní výpočty potvrdily, že přidání svorníku u volných spár přispěje nejen k potřebnému sevření ocelové spojky, ale i k zapojení druhé poloviny průřezu příčle a stojky a tím k zvětšení tuhosti svorníkového styčníku odpovídajícímu tuhosti styčníku lepeného.
Mezi lepeným a svorníkovým spojem není potom z hlediska tuhosti rozdíl - tuhost je v obou případech srovnatelná s monolitickým provedením styku, tj. deformace svorníků je zanedbatelná.

¤ Obr. 11. Zkouškou byla ověřována především funkce svorníkového styčníku. V první fázi byly zkoušeny tři prvky se svorníkovými spoji. Volný konec příčle byl postupně zatěžován svislou silou v hodnotách 200, 400, 600, 400, 200, 400 kg atd. v cca minutových intervalech a v bodech LVDT3, LVDT2, resp. LVDT1 a v patě spojky byly zaznamenány posuvy. Obdobně se postupovalo ve druhé fázi zkoušky, kdy byly (po odstranění svorníků a po slepení) zatěžovány prvky, použité ve fázi první.

¤ Obr. 12. Kontrolní výpočty potvrdily, že přidání svorníku u volných spár přispěje nejen k potřebnému sevření ocelové spojky, ale i k zapojení druhé poloviny průřezu příčle a stojky a tím k zvětšení tuhosti svorníkového styčníku, odpovídajícímu tuhosti styčníku lepeného.

¤ Obr. 13. Výsledný graf. Jsou zde zaznamenány průběhy průměrných průhybů příčlí u vzorků 1 až 3 plně a 4 až 6 čárkovaně. Svorníkové prvky vykázaly ve srovnání s lepenými asi 80% tuhost. Po rozebrání svorníkových vzorků č. 1, 2 a 3 před lepením se sice žádné deformace svorníků a vývrtů nezjistily, snížení tuhosti se však stále přisuzovalo tomuto jevu. Zatěžování vzorku č. 6 do porušení prokázalo mezní zatížení volného konce příčle 34 kN, což je přibližně dvojnásobek pracovního zatížení rámového koutu při jeho zamýšleném použití ve výstavbě.

K montáži dřevěného rámu
Při přechodu na lepené vzorky vznikly problémy s vlepováním spojek do vybrání v příčlích a sloupech. Problém odpadl při zásadním přechodu na výrobu zdvojených prvků ze dvou stejně širokých částí. Ukázalo se, že tento postup značně ulehčí lepení a přitom nikterak neovlivňuje statické působení styku. Proto se nadále uvažuje (obr. 9) s výrobou sloupových prvků z polosloupů 1, k nimž jsou před připojením druhých polovin 2 přilepeny nebo pomocí svorníků připojeny ocelové spojky 3. V tomto stavu jsou v délce několika podlaží dopraveny na staveniště a osazeny do základů. Poté se k nim připojí polopříčel 4 a nakonec druhé části příčlí 5, čímž se rám zkompletuje (obr. 14).

¤ Obr. 14. Montáž dřevěného rámu. Při přechodu na lepené vzorky vznikly problémy s vlepováním spojek do vybrání v příčlích a sloupech. Problém odpadl při zásadním přechodu na výrobu zdvojených prvků ze dvou stejně širokých částí sloupových prvků z polosloupů 1, k nimž jsou před připojením druhých polovin 2 přilepeny nebo pomocí svorníků připojeny ocelové spojky 3. V tomto stavu jsou v délce několika podlaží dopraveny na staveniště a osazeny do základů. Poté se k nim připojí polopříčel 4 a nakonec druhé části příčlí 5, čímž se rám zkompletuje.

¤ Obr. 15. Při ověřování možnosti aplikace styčníků bylo pracováno s modelem

Ověřování možností aplikace
Při ověřování možnosti aplikace styčníků bylo pracováno s modelem podle obr. 14. Pro tento teoretický model byl zvolen sedmipodlažní rám o dvou traktech - o konstrukční výšce 3 m, rozpon příčlí jednoho traktu byl 5,5 m a vzdálenost jednotlivých rámů 3 m. Rám byl zatěžován vhodnými kombinacemi svislých a vodorovných zatížení a bylo pracováno s maximálními hodnotami vnitřních sil, které byly těmito kombinacemi vyvolány.
Z výpočtů vyplývá, že je možné využít styčník a s tím související konstrukční prvky v rozměrech, které byly prověřeny experimentální zkouškou (ocelová spojka tl. 6 mm, sloupy a příčle 360x200 [mm2] při návrhu sedmipatrové budovy. Ve výpočtech bylo uvažováno s návrhovým modulem pružnosti dřeva E = 12 600 MPa. Ve většině případů však dosahuje modul pružnosti dřeva hodnot kolem 14 500 MPa, což vnáší do výpočtů jistou rezervu. V následující tabulce 1 jsou shrnuty výsledky výpočtů.
Při dimenzování rámů se přihlíželo k požadavku, aby bylo splněno rozhodující kriterium statické spolehlivosti konstrukčního systému, což je 2.MS. Při zvoleném mezním průhybu H/500 byl zaveden pro n>6 zákon pro dimenzování sloupů h = 4n + 12 a šířka byla ponechána 220 mm. Z hlediska 1.MS je přitom systém využit cca na 70 %. Tato rezerva umožňuje při zvětšení výšky průřezů na 440 mm dosáhnout 8 pater a splnit požadavek obou mezních stavů.

Závěr
Použití ocelové spojky, vytvářející tuhý rámový kout, otevírá možnosti pro uplatnění dřeva také u vyšších budov, což bylo dosud vyhrazeno pouze betonu a oceli. K řešení bylo vydáno osvědčení ÚPV [1] a probíhá patentové řízení [2].

Článek byl zpracován v rámci grantového projektu ?Dřevěné vícepodlažní budovy? č. 103/07/0514, který je financován Grantovou agenturou ČR.

Použitá literatura:
[1] Tuhý styčník dřevěných stavebních prvků - užitný vzor (2007 - 19357, ÚPV)
[2] Tuhý styčník dřevěných stavebních prvků - patentová přihláška P 2007 - 291