Konstrukční systémy vícepodlažních dřevostaveb

Úvod

Vícepodlažní dřevostavby se ­dosud nejvíce uplatňovaly v nízkopodlažní zástavbě obvykle do čtyř nadzemních podlaží. Konstrukční systémy těchto dřevostaveb je možné rozdělit na srubové, skeletové a masivní deskové. Konstrukce dřevostaveb se do první ­poloviny 19. století prováděly ve dvou základních variantách – s roubenými a s hrázděnými stěnami. Obě tyto varianty se vyznačovaly náročnými tesařskými spoji. Přesto se těmito konstrukčními systémy stavěly i vícepodlažní budovy. Dokladem toho je i Slezský dům, roubená vícepodlažní dřevostavba v Karlově Studánce z roku 1909, viz obr. 1.

Od první poloviny 19. století 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 z prken, fošen a různých desek na bázi dřeva či později sádry. Tento systém se postupně vyvinul z hlediska technologie provádění do tří forem – staveništní, panelové a buňkové. Poměrně novým materiálem, který je velmi vhodný pro realizaci vícepodlažních dřevostaveb, je křížem vrstvené dřevo (označované zkratkami CLT, KLH či X-lam). V tab.1 jsou přehledně uvedeny zmíněné konstrukční systémy vícepodlažních dřevostaveb, které se v současnosti nejvíce používají. Za hlavní důvody, proč v dnešní době uvažovat o stavbě vícepodlažních dřevostaveb, můžeme považovat schopnost staveb s větším podílem dřeva a materiálů na bázi dřeva snížit energetickou náročnost a uhlíkovou stopu staveb a jejich větší konkurenceschopnost vůči stavbám z oceli a silikátů. K uvedenému přehledu dosud prezentovaných a do současnosti nejvíce používaných konstrukčích systémů ještě následující doplňující komentář.

Lehký skelet

Lehký skelet tvoří, jak již bylo zmíněno, převážně fošny, prkna a deskové mate­riály na bázi dřeva a sádry. Sloupky tohoto systému jsou umístěny poměrně hustě vedle sebe, na vzdálenost většinou 625 mm. Rozlišujeme v zásadě dva typy lehkých skeletů:

• Balloon frame (se sloupky na celou výšku stavby);
• Platform frame (se sloupky na výšku podlaží), viz obr. 2.

Platform frame má podlaží z dílů posazených vzájemně na sebe a je dnes nejpoužívanějším typem lehkého skeletu při stavbě jednopodlažních a vícepodlažních dřevostaveb. Jeho nevýhodou je, že při vrstvení dílů na sebe nastává otlačování vodorovných prken či fošen jeho rámové konstrukce kolmo k vláknům dřeva. V případě vícepodlažní budovy pak ještě v důsledku sesychání těchto prvků dochází k významné svislé deformaci nosné konstrukce, což vyvolává řadu konstrukčních problémů a trhliny na fasádě. Ze všech uvedených důvodů se tento konstrukční systém hodí používat pouze na nízkopodlažní dřevostavby, nejlépe maximálně do čtyř podlaží.

Těžký skelet

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: 1,20 × 1,20 m; 1,25 × 1,25 m; 3,60 × 3,60 m a 4,80 × 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; skelet s dvojdílnými průvlaky a jednodílnými sloupy; skelet s jednodílnými průvlaky a dvojdílnými sloupy, viz tab. 1. U těžkých skeletů si však musíme dát pozor na provedení konstrukčních detailů, aby např. v případě dvojdílného průvlaku či nosníku připojovaného na sloup nebylo dřevo ve spoji namáháno tahem kolmo na vlákna. Příklad jednoho z možných řešení je na obr. 3. Sloup na uvedeném obr. 3 má pak též vytvořenu umělou „trhlinu“ po výšce, aby nevznikaly na jeho povrchu další trhliny v důsledku sesychání dřeva.

Značnou výhodou těžkých skeletů je, že se vyznačují velkou půdorysnou dispoziční volností, ale oproti dříve zmiňovaným konstrukčním systémům je obecně náročnější provedení konstrukčních detailů, jak již bylo konstatováno. V posledních letech se začaly na vícepodlažní dřevostavby stále více používat masivní deskové dřevěné konstrukce, viz tab. 1, z křížem vrstveného dřeva, kterému je v tomto čísle časopisu věnován následující článek. V současnosti jsme svědky rostoucí snahy o to, abychom přešli od fosilních paliv k obnovitelným energetickým zdrojům a abychom co nejšetrněji uspokojili naše globální energetické potřeby. Stejné snahy by se však měly týkat i materiálů používaných na stavby. Lesy jsou obnovitelným zdrojem dřeva, materiálu pohlcujícího uhlík a vedle toho vhodného pro stavební konstrukce nejen budov. Ačkoliv se dřevostavby tradičně stavěly v menším měřítku oproti stavbám ze silikátových materiálů, nové materiály ze dřeva (tzv. inženýrské materiály/výrobky ze dřeva) již umožňují se těmto silikátovým materiálům prakticky vyrovnat. Slovo výrobek používáme v případě, že pro materiál na bázi dřeva existuje výrobková norma.

Stavebnictví je největším zdrojem emisí skleníkových plynů a spotřeby energií ve vyspělých zemích celého světa. Přibližně 85 % celkové energetické stopy a dvě třetiny celkové uhlíkové stopy budov souvisí s jejich provozem, jako je vytápění, chlazení a spotřeba elektřiny. Četné celosvětové studie naznačují, že zvýšení využití dřeva ve stavebnictví by vedlo ke snížení emisí skleníkových plynů v ovzduší. Vzhledem k rychlé urbanizaci světa je důležité, aby se nízkouhlíková řešení vyvíjela a zaváděla do praxe. Vícepodlažní dřevostavby jsou jedním z důležitých řešení, která by se měla co nejvíce podporovat, protože přispějí ke snížení emisí skleníkových plynů a zároveň zajistí potřeby hustě osídlených měst. Rozsáhlé studie trhu v mnoha odvětvích uvádějí informaci, podle které 95 % lidí tvrdí, že by za „zelený“ výrobek zaplatili více, ale ve skutečnosti pouze 5 % jich tak opravdu učiní. Tato skutečnost dokladuje, že o úspěchu vícepodlažních dřevostaveb rozhodne trh, nikoliv pouze celospolečenská snaha stavět z přírodních zdrojů a udržitelnějším způsobem. V důsledku toho je velmi důležitá nákladová konkurenceschopnost vícepodlažních dřevostaveb. Pro její dosažení je proto třeba hledat cesty, jak optimalizovat konstrukční řešení včetně jejich efektivní prefabrikace a montážních procesů, které mohou snížit jejich celkové náklady.

Vícepodlažní dřevostavby vyžadují komplexní pohled na problematiku související s jejich realizací, nikoliv jen pouhou volbu konstrukčního systému využívajícího dřevo. Při návrhu vícepodlažní budovy s uplatněním dřeva a materiálů na bázi dřeva se musí od samého počátku návrhového procesu brát v úvahu všechny části budovy, její fasáda, konstrukční detaily a přirozeně také architektura, funkce a flexibilita. Žádná část budovy nemůže nebo by neměla být vyvíjena izolovaně od ostatních, a pokud není její návrh správně koordinován, může kterákoliv z nich vychýlit konstrukční řešení z rovnováhy s ohledem na náklady, proveditelnost, užitné vlastnosti i schopnost tržní konkurence. Přestože o budově jako systému lze hovořit velmi široce, záměrem tohoto článku je poskytnout přehled o možných řešeních, která usnadní projektantům orientovat se v tomto procesu. Důraz je kladen na to, „jak nejlépe použít dřevo v případě vícepodlažní dřevostavby“. S ohledem na možný rozsah článku je nicméně kladen důraz především na konstrukční systémy vícepodlažních dřevostaveb, které jsou pro jejich možnou realizaci nejdůležitější.

Volba konstrukčního systému

V podstatě existují tři možnosti volby konstrukčního systému vícepodlažní dřevostavby.

• Řídit se konstrukčním systémem budovy a architekturu podřídit tomuto systému. V tomto případě bude muset architektura budovy od počátku vycházet ze souboru jasně definovaných parametrů, které budou diktovat optimální dispozici včetně možnosti řešení obvodového pláště.
• Řídit se architektonickým řešením budovy a poté použít vhodný konstrukční systém. Nejprve tak vznikne architektektonické řešení budovy, její dispozice a tomu se přizpůsobí konstrukční systém. To může znamenat největší flexibilitu architektonického návrhu, ale může to také generovat vyšší náklady, neefektivní konstrukční systém a technické problémy.
• Dá se předpokládat, že většina investorů, architektů a statiků bude nakloněna volbě kombinace přístupů 1 a 2 a sledovat vyváženost mezi architekturou a konstrukčním systémem budovy, dokud nebudou stanoveny úplné parametry projektu. Tato vyváženost přístupu většinou vede k optimálnímu řešení.

Zásadní je výběr stavební typologie, která je vhodná pro zamýšlené využití budovy. Možnosti dřevěné konstrukce mohou např. diktovat ideální rozteče sloupů a výšky nosníků, které budou určovat výšku a případně i flexibilitu celkového návrhu budovy. Možnosti umístění spojitých, dobře proporcionálních prvků přenášejících vodorovné zatížení budou do značné míry diktovány využitím budovy. Nicméně jádro vysoké dřevostavby, které bude pravděpodobně hlavním prvkem odolávajícím vodorovnému zatížení, by mělo být celistvé na celou výšku budovy, aby dobře fungovalo. Na druhou stranu přidání dalších vnitřních výztužných stěn může být z hlediska využitelnosti budovy problematické. V těchto případech by mohly být lepší volbou jiné systémy k přenosu vodorovného zatížení, např. obvodové výztužné stěny a rámy.

U vysokých budov jakékoliv konstrukce je vhodné, aby byly sloupy pokud možno umisťovány průběžné po celé její výšce. Některé dispozice budov se smíšeným využitím mohou vyvolávat změnu velikosti polí, aby se do nich vešly větší prostory bez překážek, většinou v podobě sloupů. Přestože je to obecně uskutečnitelné, může jít o nákladný a náročný problém. Je-li to možné, měly by být prostory s větším rozpětím umísťovány v horních úrovních budov, aby se co nejvíce optimalizoval přenos svislého zatížení. Při návrhu vícepodlažních dřevostaveb bychom měli pozornost věnovat jejich následujícím částem, které mohou velmi ovlivnit návrh konkrétního objektu:

• prostory vyžadující velké rozpětí;
• prostory beze stěn (omezené možnosti umístění např. vnitřních výztužných stěn);
• pódia a vestibuly s požadavky na přesun sloupů, které podporují další sloupy;
• prostory s vysokými nároky na akustiku;
• prostory s vyšším požárním rizikem;
• parkovací garáže a základy.

Uvážit se musí i možnost renovace a přesunu vnitřních konstrukčních prvků (omezení dané vnitřními výztužnými stěnami). Použití dřeva v případě některých budov a pro některé aplikace může být rovněž náročné, i když nikoliv nutně nemožné, v závislosti na těchto okolnostech:

• extrémně vlhké podmínky a místa s vysokou vlhkostí;
• prostory s neobvykle vysokým rizikem požáru;
• prostory vyžadující mimořádné požadavky na sterilitu a čistotu (např. některé nemocniční prostory, laboratoře atd.);
• exteriérové aplikace v oblastech s vysokým rizikem vandalismu, poškození a/nebo zamoření.

Zajištění tuhosti konstrukčního systému

Na volbu konstrukčního systému má velký vliv hmotnost budovy, která významně ovlivňuje návrh. Celkové proporce budovy (délka, šířka a výška) ovlivňují její stabilitu a řešení její odolnosti proti vodorovnému zatížení. Vyšší vodorovné zatížení v důsledku seizmických podmínek, zatížení větrem nebo zvýšené výšky klade na konstrukční systém vyšší nároky a může zvýšit potřebu výztužných stěn, rámů nebo diagonálních výztuh. Odolnost proti vodorovnému zatížení může představovat značnou výzvu pro flexibilitu i funkčnost návrhu a měla by být řešena od prvních studií umístění budovy, její architektonické podoby, koncepce založení a též rozpočtu. V článku je popsáno pět způsobů vyztužení, která lze použít u vícepodlažních dřevostaveb: použití svislých jader; obvodových výztužných stěn; vnitřních výztužných stěn; rámů; diagonálního vyztužení. V praxi se samozřejmě běžně používají i jejich kombinace.

Výztužné jádro

Použití výztužného jádra pro zajištění odolnosti proti bočnímu zatížení je typické pro většinu vícepodlažních budov, a tedy i pro vícepodlažní dřevostavby. V některých případech vícepodlažních dřevostaveb bude v závislosti na jejich celkové výšce, hmotě a požadavcích na zatížení větrem nebo seizmickým zatížením pro jejich vyztužení nutné pouze jádro ve středu vícepodlažní budovy. Při použití pouze jádra ve středu budovy mají projektanti větší volnost při plánování její dispozice a při úpravách návrhu v průběhu celého návrhového procesu. V závislosti na regionálních požadavcích mohou být jádra konstruována z masivních dřevěných panelů, betonu nebo speciálních vyztužených rámů.

Výztužné jádro z masivních dřevěných panelů

Pokud má být použito jádro z masivních dřevěných panelů, musí o tom být rozhodnuto v nejranějších fázích procesu navrhování budovy, protože to ovlivňuje projekt celé budovy. Tato strategie byla použita v projektu Wood Innovation and Design Centre (WIDC) ve městě Prince George v Britské Kolumbii, který se vyznačuje středovým jádrem a jinak otevřeným půdo­rysem, viz obr. 4.

Architekti by při plánování dřevěného jádra měli pracovat opatrně, v souladu se statickým návrhem. Dveřní otvory v jádru mohou být značně omezené a závislé na dostatečné délce panelů, aby bylo dosaženo požadované pevnosti a tuhosti jádra. Celo­dřevěné jádro se může ukázat jako výhodné, pokud jsou ostatní svislé konstrukční prvky budovy rovněž dřevěné. Hlavní výhodou celodřevěného jádra je prefabrikace, použití jednoho druhu materiálu a případně rychlost montáže. U několika vysokých budov, které mají smíšená betonová jádra s ocelovými sloupy, se vyskytly problémy vyplývající z rozdílných deformací (např. smršťování jednoho materiálu, ale druhého nikoliv, problémy s teplotní délkovou roztažností), což časem vede k problémům s rovinností podlahy. Tento problém existuje i při kombinování různých konstrukčních materiálů pro svislé nosné prvky a měl by být vnímán již v první fázi návrhu budovy, aby nenastaly větší komplikace.

Výztužné betonové jádro

Tradičně se nejvíce používá betonové jádro či jádra, která se většinou umisťují symetricky v půdoryse budovy, viz obr. 5. Rozsah vodorovných zatížení ovlivní rozhodnutí o umístění jádra/jader a umístění případných dalších výztužných stěn. Centrálně umístěná jádra jsou obecně účinnější s rostoucím zatížením a představují nejjednodušší řešení, jak se vyhnout problémům s kroucením budovy v podmínkách vysokého zatížení větrem a zejména v seizmických oblastech.

Obvodové výztužné a nosné stěny

Vyztužení budovy po jejím obvodě musí být řešeno s uvážením řešení obvodového pláště budovy a obvykle vede k jejímu horšímu prosvětlení. Obvodové výztužné stěny též vyžadují pečlivou koordinaci s architektonickým řešením. Pravděpodobně „masivnější“ vzhled budovy s vnějším vyztužením bude dobře reagovat na zvyšující se požadavky týkající se energetické náročnosti obvodového pláště a větších možností provedení zateplení obvodových stěn.

Vnitřní výztužné a nosné stěny

Vnitřní výztužné stěny jsou rozumným řešením pro ztužení budov s pevným půdorysem, kde lze koordinovat umístění stěn a není nutná budoucí flexibilita včetně odstranění těchto stěn, viz obr. 6. Přístup založený na vnitřních výztužných stěnách se obecně nejlépe osvědčuje u obytných budov a je méně pravděpodobné, že bude dobře fungovat u budov s jiným účelem využití, např. v kancelářských, akademických nebo jiných budovách. Vnitřní výztužné stěny však mohou rovněž u některých obytných budov omezovat flexibilitu plánování a možnost provádět změny v pozdní fázi projektování nebo po dokončení stavby. To může nastat např. u tržního bydlení, kde někteří developeři upřednosťují možnost určité flexibility dispozice. Jak již bylo zmíněno, vnitřní výztužné stěny nejsou praktické pro většinu kancelářských, institucionálních nebo akademických budov, kde budou rekonstrukce, spojené např. se změnou nájemce, v budoucnu omezeny konstrukčním uspořádáním.

Rámy

Dřevěné rámy schopné přenášet vodorovné účinky jsou v případě vícepodlažních dřevostaveb velmi náročné a realizované příklady zatím nejsou známy. V případě potřeby jsou používány pouze rámy ocelové.

Diagonální ztužení

Diagonální ztužení se využívá hlavně u novodobých těžkých skeletů. Poněvadž v tomto případě jsou prvky spojovány na tupý sraz, je ve většině případů pro jejich spojení vhodné využít vsazené ocelové plechy (v terminologii tesařů tzv. žiletkový spoj), viz obr. 7.

Provedení stropů a stěn

V průběhu návrhu vícepodlažní dřevostavby je třeba uvážit i umístění různých instalací a rozvodů mezi podlažími ve stropech a ve stěnách. Mnoho konstrukčních systémů má určité „směrové“ uspořádání. Díky orientaci panelů a nosníků tak konstrukční systém předurčuje primární směr pro vedení instalací a rozvodů, což může způsobovat určité problémy – např. v případě, kdy jsou panely a nosníky rozmístěny šachovnicově, aby byla dosažena větší tuhost stropu. Řešení potom často vyžaduje použít pro některé části budovy podhledy. Obecně podhledy vyřeší hodně, včetně akustiky a zvýšení požární odolnosti. U dřevostaveb jsou však často potenciálně méně žádoucí, neboť architekti upřednostňují viditelnost dřevěné konstrukce. Integrovat instalace a rozvody přímo do konstrukčních prvků je u vícepodlažních dřevostaveb drahé a obtížně koordinovatelné řešení. Z toho důvodu se doporučuje, zejména v případě nosných stěn, použít předsazenou konstrukci oplášťovanou sádrokartonem, čímž se vytváří prostor pro různé instalace a rozvody včetně protipožárních systémů. Též se zlepší akustické a požární vlastnosti vícepodlažní dřevostavby.

Dosavadní přístupy ke stropním konstrukcím vícepodlažních dřevostaveb byly založeny na použití betonové vrstvy nad vlastní nosnou konstrukcí dřevěných stropů, které mohly být různého provedení. Jako nosníkové či deskové systémy (z lepeného lamelového dřeva, křížem vrstveného dřeva či jejich kombinací). V každém případě přidání betonového „záklopu“ zvyšuje tuhost stropu (zejména je-li betonová deska spřažena s dřevěnými prvky stropu), zlepšuje akustické vlastnosti stropní konstrukce a poskytuje též prostor pro integraci instalací, rozvodů a systémů vytápění a chlazení. Jakmile jsou však tyto systémy osazeny, je obtížné je servisovat nebo k nim získat přístup. V současnosti je tendence stropní dílce co nejvíce prefabrikovat, aby na stavbě dominovaly jen suché procesy, a v rámci tohoto procesu se též připravují optimální řešení pro instalace a rozvody.

Protipožární systémy

S rostoucí výškou dřevostavby je vyžadován sprinklerový systém. Umístění sprinklerů by mělo být zohledněno při řešení konstrukčního systému. Vedle toho se musí řešit požární odolnost nosné konstrukce, která ve většině případů vyžaduje zapouzdření. Zapouzdření se zajišťuje dostatečnou tloušťkou desek na bázi sádry nebo jiných podobných mate­riálů pro zabránění či omezení zuhelnatění dřeva za požáru. Tím se zajišťuje stejná úroveň požární odolnosti jako pro nehořlavé mate­riály. Bylo ověřeno, že dvě vrstvy desek na bázi sádry posunou významně počátek zuhelnatění při vystavení účinkům požáru. Velmi však záleží na tloušťce, detailech upevnění a typu desky. Na obr. 8 je možné provedení vícepodlažní dřevostavby včetně požadavků na požární odolnost jejích jednotlivých částí.

Závěr

V článku je poměrně podrobně prezentována problematika konstrukčních systémů vícepodlažních dřevostaveb. V případě vícepodlažních dřevostaveb je třeba si uvědomit, že klíčová je především jejich tuhost, požární odolnost a akustika. Na tuhosti pak nejvíce závisí dispozice vícepodlažní dřevostavby. Návrh dřevostavby tak více souvisí s otázkami jejího přetvoření než únosnosti. Vícepodlažní dřevostavby v tuzemsku zatím můžeme realizovat do výšky (od podlahy prvního nadzemního podlaží po podlahu posledního podlaží) 12 m. U těchto dřevostaveb si zatím vystačíme s konstrukcí na bázi lehkého skeletu, viz tab. 1 a obr. 2. S rostoucí výškou dřevostaveb bude však třeba používat masivní deskové konstrukční systémy, viz obr. 6 a 8, a konstrukční systémy na bázi těžkého skeletu, viz obr. 4, 5 a 7. V současnosti se stále více dřevostavby navrhují na principu optimální kombinace dřeva s jinými konstrukčními materiály – betonem a ocelí.

Vedle dřevobetonových kompozitních konstrukcí, pro které jsme již zpracovali evropskou technickou normu zavedenou u nás jako ČSN P CEN/TS 19103, se jako perspektivní jeví i používání nosných konstrukčních systémů ze železobetonu s obvodovými a vnitřními stěnami na bázi lehkého dřevěného skeletu. Na obr. 9 je realizace experimentálního objektu systémem TiCo, vyvinutém v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Praze. Jedná se o flexibilní stavební systém pro výstavbu vícepodlažních bytových domů nové generace, synergicky využí­vající výhod lehkých nenosných konstrukcí na bázi dřeva a subtilních nosných konstrukcí na bázi vysokohodnotného betonu za maximálního využití přesné prefabrikace. Za velký úspěch můžeme v současnosti považovat i to, že se v ČR, v souladu s evrop­skými trendy, nenásilně podařilo započít tzv. řetězec dřeva – tj. úzkou spolupráci lesnictví, dřevozpracujícího průmyslu a stavebnictví. Za podpory EU a našeho státu je v současnosti v ČR realizován poměrně široký výzkum v oboru staveb ze dřeva. Tento výzkum si klade za cíl nejen vyvíjet pokročilé materiály a výrobky na bázi dřeva, ale i optimálně kombinovat ve stavbách dřevo s betonem, zdivem, ocelí a sklem s cílem co nejlépe využít vlastnosti každého z těchto materiálů. Na ČVUT v Praze se snažíme maximálně přispět k vytváření podmínek pro větší využití dřeva v českém stavebnictví. V současnosti je UCEEB ČVUT v Praze řešitelem rozborového úkolu České agentury pro standardizaci se zaměřením na vytvoření normativních podmínek požární bezpečnosti pro větší využití dřeva ve stavebnictví.

Poděkování

Tento článek byl podpořen grantem ČVUT v Praze SGS22/143/ OHK1/3T/11 – Dřevěné konstrukce vícepodlažních budov.

Zdroje:
[1] KUKLÍK, P. Development of timber framed houses in Central Europe. Venice, 2000.
[2] KUKLÍK, P. Dřevěné konstrukce. Praha: INFORMAČNÍ CENTRUM ČKAIT s.r.o., 2005.
[3] KARACABEYLI, E.; C. LUM. Technical Guide for the Design and Construction of Tall Buildings.
[4] ČSN P CEN/TS 19103 (73 1701): Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Navrhování dřevobetonových kompozitních konstrukcí – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČAS, Praha, 2022.

Celý článek naleznete v archivu čísel 01-02/23.