Vícepodlažní budovy z křížem vrstveného dřeva

CLT panely mají velmi dobré tepelně-technické vlastnosti a hodí se pro nízkoenergetické stavby. Panely se vyrábějí s velkou přesností a na stavbě je hlavně třeba správně provést spoje panelů. Výstavba je rychlá a vyžaduje menší počet pracovníků. Pro instalaci panelů není nutná těžká technika a výstavba je také méně hlučná. Panely z křížem vrstveného dřeva mají velmi dobrou tuhost a ve většině případů je možné z nich provést i ztužující jádro pro umístění schodiště a výtahu místo železobetonového jádra. Pro výrobu křížem vrstveného dřeva sice již existuje evropská výrobková norma, jež v ČR byla zavedena jako ČSN EN 16351 [1], ale neexistují zatím technické normy, které by dávaly projektantům podklady pro navrhování konstrukcí z tohoto materiálu/výrobku za běžné teploty a za požáru. Tyto normy se v současnosti připravují pro 2. generaci jednotlivých částí Eurokódu 5 [2], [3].

Úvod

Křížem vrstvené dřevo bylo patentováno ve Francii v polovině osmdesátých let 20. století, ale větší vývoj tohoto materiálu nastal až v devadesátých letech 20. století v Německu a v Rakousku. Prvotním impulsem k vývoji křížem vrstveného dřeva bylo zmenšení odpadu z pil. CLT panely se skládají z několika vrstev lamel (jejich lichého počtu). Lamely jsou na sebe skládány křížem, to znamená, že každá vrstva je pootočena o 90 stupňů oproti předchozí vrstvě, viz obr. 1. Z tohoto důvodu se křížem vrstvené dřevo hodí i na obousměrně pnuté stropní desky a na stěny (jak nosné, tak i ztužující). Průřez je většinou symetrický. Vlastnosti CLT jsou ovlivněny jak kvalitou použitého dřeva, tak i konstrukční anizotropií (v různých směrech mají panely různé vlastnosti). Při vodorovném použití (desky) by vnější vrstvy měly být orientovány ve směru většího rozpětí. Při svislém použití (stěny) by vnější vrstvy měly být orientovány svisle.

Křížem vrstvené dřevo se běžně skládá z lamel o tloušťce 12 až 45 mm. Doporučená tloušťka vrstev je však především 20, 30 nebo 40 mm. Minimální šířka lamely w_b se rovná: w_b≥4t_b, kde t_b je tloušťka lamely. Maximální šířka lamely není nijak limitována. Jako materiál se pro výrobu CLT používá většinou dřevo jehličnanů (smrk ztepilý, jedle, modřín, douglaska). Používání listnatých dřevin (bříza bělokorá, topol, jasan) je také možné. Listnaté dřeviny se hodí hlavně na pohledové panely, avšak také vylepší některé mechanické vlastnosti panelu (zvýší ohybovou a smykovou pevnost).Ve většině případů se používají stejná lepidla jako na výrobu lepeného lamelového dřeva. Mezi nejpoužívanější patří fenolické typy, jako jsou fenol-resorcinol formaldehyd (PRF), emulzní polymer isokyanát (EPI) a také jednosložkový polyuretan (PUR). Lamely, ze kterých se vyrábějí CLT, jsou sušeny na vlhkost přibližně 12 ± 2 %.

Navrhování CLT

Metody navrhování
Pro navrhování stropních panelů z CLT výrobci zatím používají různé metody, které jsou stručně popsány v následujícím textu.

■ Teorie mechanicky spojovaných nosníků (γ-metoda)
Tato návrhová metoda je uvedena v příloze B Eurokódu 5 [2]. Metoda je založena na teorii lineární pružnosti. Zpracoval ji prof. Karl Möhler pro navrhování mechanicky spojovaných nosníků, spojených mechanickými spojovacími prostředky s modulem prokluzu K a s roztečí s. Podle této metody je ohybová tuhost nosníku definována jako účinná ohybová tuhost (EI)_ef, která závisí na průřezových charakteristikách nosníku a účinnosti spojení jednotlivých částí nosníku, jež vyjadřujeme součinitelem poddajnosti spojení γ (γ = 1 pro tuhé spojení).
Tato metoda musela být pro účely výpočtu CLT modifikována. Hlavním předpokladem je, že zatížení nesou pouze podélné vrstvy CLT a příčné vrstvy uvažujeme jako smykově poddajné ve své rovině, tedy jako jisté poddajné spojení podélných vrstev, viz obr. 2. Příčnou vrstvu si tak můžeme představovat jako imaginární spojovací prostředky spojující podélné vrstvy CLT dohromady. Součinitel γ se přitom většinou uvažuje v rozmezí hodnot 0,85 a 0,99.
Na obr. 2 a 3 je možné si vysvětlit možné tvary porušení CLT při ohybovém namáhání. S ohledem na to, že příčné vrstvy CLT mají menší modul pružnosti než podélné, může docházet k odtrhávání těchto vrstev od sebe. S ohledem na namáhání příčných vrstev smykem může potom docházet k porušení příčných lamel na rozhraní jarního a letního dřeva.

■ Kompozitní teorie (k-metoda)
Tuto návrhovou metodu používají hlavně výrobci překližek. Metoda úplně zanedbává při výpočtu vlastností překližek vrstvy namáhané kolmo k vláknům. Pro výpočet účinné ohybové tuhosti (EI)_ef křížem vrstveného dřeva CLT se používá modifikovaná k-metoda, která je založena na následujících předpokladech.
– Platí lineární závislost mezi napětím a přetvořením a Bernoulliho hypotéza.
– Uvažovány jsou pevnostní a tuhostní vlastnosti všech vrstev (tuhost příčně položené vrstvy se počítá jako E₉₀ = E₀/30
– Smyková deformace se nebere v úvahu, proto se tato metoda hodí hlavně pro panely s velkým poměrem rozpětí k výšce průřezu
– V závislosti na orientaci povrchových lamel v panelech CLT, při různých aplikacích ve vodorovných či svislých konstrukcích, jsou stanoveny hodnoty součinitele skladby k, kterými se stanovují příslušné účinné pevnostní a tuhostní vlastnosti v ohybu, v tlaku a v tahu (např. f_ef= f·k).

■ Smyková analogie
Tato návrhová metoda je nejpřesnější. Zpracoval ji prof. Heinrich Kreuzinger pro kompozitní prvky. Tato metoda bere v úvahu smykové deformace příčných vrstev. Uvažuje rozdílné moduly pružnosti v ohybu a ve smyku pro každou vrstvu a je vhodná pro téměř všechny typy CLT panelů (z hlediska počtu vrstev a rozpětí). Touto metodou bylo zjištěno, že při poměru rozpětí a výšky panelu l/h = 20 je deformace způsobená smykem 22 % z celkové deformace, pro poměr l/h = 30 je smyková deformace pouze 11 %.

■ CLT designer
Analytické návrhové metody popsané v předchozí části textu jsou časově náročné, a proto byl na univerzitě v Grazu, která se vývoji a výzkumu CLT nejvíce věnuje, vyvinut příslušný software – CLT designer. Software byl navržen tak, aby byl jednoduchý, snadno použitelný a jasný. Program obsahuje tři základní moduly výpočtu pro stropní desky a jeden modul pro výpočet stěn. Lze navrhnout jakýkoliv CLT panel, který si uživatel sám definuje. Navíc program obsahuje CLT panely od některých konkrétních výrobců, protože se liší tloušťkou i počtem vrstev lamel. Program počítá CLT panely za běžné teploty i za požáru.

Vícepodlažní dřevostavby z CLT